煤矿隔离开关分断试验用直驱式电机机构及其控制系统的制作方法

本专利属于煤矿电气试验技术领域，特别涉及一种煤矿隔离开关分断试验用直驱式电机机构，适用于煤矿隔离开关试验操作的智能化。

背景技术：

煤矿隔离开关是矿用起动器、电控箱和馈电开关等设备的重要元件，在电网中起到电源和设备电气隔离的作用，其产品质量好坏直接关系到煤矿安全生产和电网稳定运行。目前，煤矿隔离开关分断试验时操作方式采用手拉和气动机构驱动，这些方式操作复杂、稳定性低、可控性差，同时存在安全隐患。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明提供一种煤矿隔离开关分断试验用直驱式电机机构，其可以通过对电机机构动作过程的瞬态转矩跟踪调节控制实现煤矿隔离开关实际运行分断工况模拟。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

在第一个技术方案中，煤矿隔离开关分断试验用直驱式电机机构，包括具有双输出电机、限位器、磁钢、角度传感器、煤矿隔离开关和法兰，其中磁钢设置在双输出电机的主轴第一伸出端上，且角度传感器固定在双输出电机第一伸出端顶端，双输出电机主轴的第二伸出端通过法兰和煤矿隔离开关的主轴连接，转矩传感器安装在法兰和煤矿隔离开关之间的煤矿隔离开关主轴上，限位器通过双输出电机主轴第二伸出端连接在的双输出电机的外壳上。

在第一个技术方案中，作为优选的，所述双输出电机为永磁无刷直流电机。

在第二个技术方案中，煤矿隔离开关分断试验用直驱式电机控制系统，包括在第一个技术方案中的煤矿隔离开关分断试验用直驱式电机机构、调压电源、直流接触器、整流单元、电容器组、dsp、igbt驱动电路、桥式驱动电路、信号放大电路、信号处理电路、控制面板、显示驱动电路、显示屏和电流检测单元组成，其中煤矿隔离开关分断试验用直驱式电机机构的角度传感器、转矩传感器的信号输出端经过信号处理电路和dsp的模拟信号输入端相连接；调压电源的输入端和外界电网相连接，调压电源的输出端和整流单元的输入端相连接，整流单元的输出端正负极和直流接触器的电压输入端相连接，直流接触器的电压输出端和电容器组的正负极分别相连接，电容器组的正负极和桥式驱动电路的电源输入端的正负极分别相连接；dsp的控制信号输出端和igbt驱动电路、信号放大电路的输入端相连接，信号放大电路的输出端和直流接触器的信号控制端相连接，igbt驱动电路的信号输出端和桥式驱动电路的控制信号输入端相连接，控制面板的输出端和dsp的数字信号输入端子相连接，显示驱动电路的输入端和dsp的信号输出端相连接，显示驱动电路的输出端和显示屏的信号输入端相连接，电流检测单元的测量端与煤矿隔离开关分断试验用直驱式电机机构的绕组相连接，电流检测单元的信号输出端与dsp的模拟信号输入端相连接，电压检测单元的测量端与煤矿隔离开关分断试验用直驱式电机机构的两相绕组相连接，电压检测单元的信号输出端与dsp的模拟信号输入端相连接，dsp的保护信号输出端和中央控制系统的信号输入端相连接。

在第二个技术方案中，作为优选的，所述dsp为dsp最小系统。

在第二个技术方案中，作为优选的，所述煤矿隔离开关分断试验用直驱式电机控制系统的控制方法如下：

步骤1、首先系统初始化；

步骤2、系统初始化之后，将电容器组12充电；

步骤3、判断电容器组12的电压值，如电容器组12的电压值符合阈值进行步骤4，否则返回步骤2；

步骤4、等待调用分断操作程序命令，如命令为执行进入步骤5，如命令为禁止，则返回步骤3；

步骤5、进入调用分断操作程序，记录数据后结束。

在第二个技术方案中，作为优选的，分断操作程序按照以下步骤执行：

步骤a：检测角度传感器4信息，判断是否需要换相，需要则执行步骤b，否则执行步骤c；

步骤b：调用igbt导通关系和驱动信号关系表，改变功率管的状态，对电机绕组进行换相；

步骤c：根据转矩传感器21反馈值，判断是否到达自由运动阶段，若到达则执行步骤d，若未到达，则执行步骤a；

步骤d：停止控制信号输出，电机机构自由运动，同时实时检测是否到达终点位置；

步骤e：是否到达终点位置，到达执行步骤f，未到达执行步骤d；

步骤f：电机机构上电制动；

步骤g：返回。

在第二个技术方案中，作为优选的，所述煤矿隔离开关分断试验用直驱式电机控制系统的控制方法还包括：

剔除干扰数据：dsp采集角度传感器反馈的位置信号，从第二个位置信号开始，将每次采集的位置信号与前一次信号进行做差运算，得到位置变化率，从第二个位置变化率开始与前一个位置变化率进行比较，如果比较结果过于阈值，则判断该位置信号为干扰数据，剔除干扰数据。

使用本发明的有益效果是：

煤矿隔离开关分断试验用直驱式电机机构体积小、结构简单、累计运动公差小、稳定性好；利用电力电子技术对电机机构动作过程的瞬态转矩跟踪调节控制，提高了煤矿隔离开关分断试验过程的可控性，符合国家智能化电器的发展要求。

附图说明

图1为本发明煤矿隔离开关分断试验用直驱式电机机构的结构示意图。

图2为本发明煤矿隔离开关分断试验用直驱式电机控制系统结构框图。

图3为本发明煤矿隔离开关分断试验用直驱式电机控制系统的运行逻辑图。

图4为本发明煤矿隔离开关分断试验用直驱式电机控制系统分断操作运行逻辑图。

附图标记包括：

1.双输出电机；2.限位器；3.磁钢；4.角度传感器；5.法兰；6煤矿隔离开关；7.dsp；8.信号处理电路；9.电机机构；10.igbt驱动电路；11.桥式驱动电路；12.电容器组；13.直流接触器；14.信号放大电路；15.整流单元；16.调压电源；17.显示屏；18.显示驱动电路；19.控制面板；20.电流检测单元；21.转矩传感器；22.电压检测单元；23.中央控制系统。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本实施例提供的煤矿隔离开关分断试验用直驱式电机，包括具有双输出电机1、限位器2、磁钢3、角度传感器4、煤矿隔离开关6和法兰5，其中磁钢3设置在双输出电机1的主轴第一伸出端上，且角度传感器4固定在双输出电机1第一伸出端顶端，双输出电机1主轴的第二伸出端通过法兰5和煤矿隔离开关6的主轴连接，转矩传感器21安装在法兰5和煤矿隔离开关6之间的煤矿隔离开关6主轴上，限位器2通过双输出电机1主轴第二伸出端连接在的双输出电机1的外壳上。

作为优选的，双输出电机1为永磁无刷直流电机。图1中的煤矿隔离开关分断试验用直驱式电机即为图2中的电机机构9。

如图2-图4所示，煤矿隔离开关分断试验用直驱式电机控制系统，包括在第一个技术方案中的电机机构9、调压电源16、直流接触器13、整流单元15、电容器组12、dsp7、igbt驱动电路10、桥式驱动电路11、信号放大电路14、信号处理电路8、控制面板19、显示驱动电路18、显示屏17和电流检测单元20组成，其中电机机构9的角度传感器4、转矩传感器21的信号输出端经过信号处理电路8和dsp7的模拟信号输入端相连接；调压电源16的输入端和外界电网相连接，调压电源16的输出端和整流单元15的输入端相连接，整流单元15的输出端正负极和直流接触器13的电压输入端相连接，直流接触器13的电压输出端和电容器组12的正负极分别相连接，电容器组12的正负极和桥式驱动电路11的电源输入端的正负极分别相连接；dsp7的控制信号输出端和igbt驱动电路10、信号放大电路14的输入端相连接，信号放大电路14的输出端和直流接触器13的信号控制端相连接，igbt驱动电路10的信号输出端和桥式驱动电路11的控制信号输入端相连接，控制面板19的输出端和dsp7的数字信号输入端子相连接，显示驱动电路18的输入端和dsp7的信号输出端相连接，显示驱动电路18的输出端和显示屏17的信号输入端相连接，电流检测单元20的测量端与电机机构9的绕组相连接，电流检测单元20的信号输出端与dsp7的模拟信号输入端相连接，电压检测单元22的测量端与电机机构9的两相绕组相连接，电压检测单元22的信号输出端与dsp7的模拟信号输入端相连接，dsp7的保护信号输出端和中央控制系统23的信号输入端相连接。

煤矿隔离开关分断过程如下：分断前期外界操作力作用到煤矿隔离开关6转轴给拉动储能弹簧形变，后期煤矿隔离开关6传动机构过死点储能弹簧恢复形变，煤矿隔离开关6自由运动到分闸位置。采用瞬态转矩跟踪调节控制技术，dsp7转矩信号进行运算处理在到达最大转矩点后控制信号停止，双输出电机1输出转矩为零，煤矿隔离开关6在自身机构带动下继续运动，实现实际运行分断工况模拟。由于煤矿隔离开关6具有换相功能(正反向双向操作，上述动作过程定义为正向)，终点位置后还可以反向合闸，分断到终点位置后双输出电机1制动限位与机械限位机构配合，达到双重限位的效果，实现对整个试验系统的保护。

采用转矩与电流信号协同运算，对瞬态转矩跟踪调节控制过程煤矿隔离开关6最大转矩点进行判断。煤矿隔离开关分断试验开始后dsp7实时采集转矩和电流信号(1毫秒采集10次)，对前后两次的转矩和电流信号做差运算，如果转矩和电流信号连续10次运算结果小于零则认为到达最大转矩点。

igbt驱动电路10实现dsp7的pwm输出信号对桥式驱动电路11的隔离驱动和故障保护；桥式驱动电路11控制电机绕组电流的导通顺序；放大电路实现dsp7输出信号放大，实现有效对直流接触器13进行控制；电流检测单元20与电压检测单元22有传感器和信号转换电路组成，实现对电机绕组电流和相电压的检测；信号处理电路8分为模拟信号处理支路和数字信号处理支路两条，实现对转矩信号、位置信号的与dsp7可接收的信号之间匹配。

本实施例中，dsp7为dsp最小系统。

作为优选的，双输出电机1为永磁无刷直流电机。图1中的煤矿隔离开关分断试验用直驱式电机即为图2中的电机机构9。

如图3所示，本实施例中，煤矿隔离开关分断试验用直驱式电机控制系统的运行逻辑如下，

步骤1、首先系统初始化；

步骤2、系统初始化之后，将电容器组12充电；

步骤3、判断电容器组12的电压值，如电容器组12的电压值符合阈值进行步骤4，否则返回步骤2；

步骤4、等待调用分断操作程序命令，如命令为执行进入步骤5，如命令为禁止，则返回步骤3；

步骤5、进入调用分断操作程序，记录数据后结束。

在上述的煤矿隔离开关分断试验用直驱式电机控制系统的运行逻辑中，分断操作子程序按照以下步骤执行：

步骤a：检测角度传感器4信息，判断是否需要换相，需要则执行步骤b，否则执行步骤c；

步骤b：调用igbt导通关系和驱动信号关系表，改变功率管的状态，对电机绕组进行换相；

步骤c：根据转矩传感器21反馈值，判断是否到达自由运动阶段，若到达则执行步骤d，若未到达，则执行步骤a；

步骤d：停止控制信号输出，电机机构自由运动，同时实时检测是否到达终点位置；

步骤e：是否到达终点位置，到达执行步骤f，未到达执行步骤d；

步骤f：电机机构上电制动；

步骤g：返回。

将采集的电机机构位置信号与参数设定值对比，判断是否到达自由运动阶段和终点位置。为了防止干扰信号导致控制系统误动作，采用软件程序屏蔽干扰信号技术，dsp7采集角度传感器反馈的位置信号，从第二个位置信号开始，将每次采集的位置信号与前一次信号进行做差运算，得到位置变化率，从第二个位置变化率开始与前一个位置变化率进行比较，如果比较结果过高，则判断该位置信号为干扰数据。

通过以上实施例可以得出，本煤矿隔离开关分断试验用直驱式电机体积小、结构简单、累计运动公差小、稳定性好；利用电力电子技术对电机动作过程的瞬态转矩跟踪调节控制，提高了煤矿隔离开关分断试验过程的可控性，符合国家智能化电器的发展要求。

以上内容仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上可以作出许多变化，只要这些变化未脱离本发明的构思，均属于本发明的保护范围。