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1 引言
以往操动机构主要是由连杆、锁扣以及能量供应系统等几部分组成,环节多、累计运动公差大且响应缓慢、可控性差、效率低。响应时间一般要几十毫秒。另外这些操动机构的动作时间分散性也比较大,对于交流控制信号甚至大于10ms,即使采用直流操作,动作时间的分散性也在毫秒级。因此,操动机构只能实现断路器动作要求,但动作过程不可控,不能实现对操动过程的实时调节和控制。所以传统控制方式下高压断路器的动触头运动特性难以达到理想的水平。
近年来,课题组通过对永磁机构的深入的研究与开发,并且取得了理论与实践成果之后,首次提出了"高压断路器直线伺服电机操动机构的研究"[国家自然科学基金项目50577043]。直线伺服电机能频繁启动、停止、制动、反向,具有良好的快速响应能力、死区时间小、机械摩擦小,磁性能和电气性能均衡,特别是直线伺服电机具有高可靠性、高稳定性、高速度、高精度和高快速微进给的控制性能,E垂合高速起、停及位置的伺服控制。此研究突破了以往操动机构的原理和思路,直线机构替代原高压断路器的一整套复杂的机械驱动机构,只用一台电子控制的直线伺服电机去直接驱动断路器的操作轴,带动机构运动。新的驱动机构变得简单可靠,体积也大为减小;直线电机直接驱动操动机构,由于是短时间歇性操作,电机体积可以设计得较小,重量减轻,直线电机的操动优势体现的更加充分;通过基于DSP的直线电机操动机构伺服控制系统,实现各种运动控制策略,可以完全实现断路器开断和关合过程的智能控制,提高断路器运行可靠性以及机械寿命。
2 直线电机的原理
如图1所示,直线电机由初级、次级以及位置和速度传感器组成,初级由硅钢片叠压而成,且槽中布有绕组,次级铁心上依次嵌放有极性相反的永磁块,永磁块构成电机的磁极,相邻两级之间用非导磁材料相隔离,线圈在槽中按直流电机整距波绕组的方式排列,绕组中通入电流,电流在永磁体产生的磁场中受到安培力的作用推动次级运动,不同磁极下的绕组通入方向相反的电流,使得同一时刻所产生的推力最大。电机上装有位置和速度传感器,采用霍尔原件做位置传感器,直线光栅作为速度传感器,将检测到的位置信号传给控制器,控制器根据检测到的位置信号判断当前次级位置,当绕组处于相邻两磁极的磁场中性线上时,也就是绕组运动到非磁性材料所对应的位置时,用一个电子换向装制改变绕组中电流的方向。通过改变电流的大小可以控制电机输出力的大小。通过改变绕组中电流的方向使电机向相反的方向运动。由于断路器是短时工作,每次工作时间很短,电机可以高过载运行,因此电机设计的很小,大大减小操动机构的体积,控制灵活方便。
直线伺服电机操动机构如图2所示,断路器的动触头通过绝缘拉杆与主轴的一拐臂相连,另一拐臂和直线伺服电机的次级相连,通过伺服控制系统对直线电机进行控制,驱动断路器的主轴带动断路器触头操作,取代传统的由一整套复杂的机械驱动的操动机构,使其只有一个运动部件。大量减少了机械传动链,结构简单可靠。直线伺服电机操动机构的特点:1.体积小,重量轻;2.只有一个运动部件,结构简单,高可靠;3.高效率,低能耗;4.快速响应和高精度;5.运动过程可控。
3.1 伺服控制系统硬件设计
直线伺服电机操动机构控制系统结构如图3所示。该控制系统中控制单元是以IT工业控制专用TMS320C2407A芯片为核心的控制模块,来完成整个系统的控制。该系统还包括隔离驱动电路、信号转换电路,隔离驱动电路接于DSP的输出端,信号转换电路接于DSP的输入端;功率器件是具有自我保护功能的智能功率模块;反馈单元是由高精度光栅尺提供触头位置和速度信号[6]。
其中功率器件选用三菱公司的PM200mA120智能模块,最高耐压1200V,最大电流可承受200A,PWM最大输入频率可达20KHZ,满足了机构短时操作的需要。此外,模块自身带有过流,欠压及短路保护功能,当故障时可迅速拉低DSP控制器的PDPINT引脚,控制器停止PWM输出,以保护电路。隔离驱动电路中采用IPM接口专用高速HCPL-4504光祸,该款光藕是美国安捷伦公司(原惠普公司)专为IPM等功率器件设计的光电隔离接口芯片,内部集成高灵敏度光传感器,极短的寄生延时为IPM应用中的高速开关的死区时间确保了安全,是功率器件接口的完美解决方案。图4为采用该光祸元件所搭建功率驱动电路原理图,其中JS158是专门为EM供电的开关电源模块,可输出4路独立的+15V电源为光祸和功率模块的上下桥臂供电。PC817是普通光祸,故障信号通过该光祸传递给DSP控制器的PDPINT引脚。
位移检测装置采用德国JENA公司生产的高速(4.8m/s),高分辨率(1μm)的光栅尺。以满足高速度、高精度的控制要求。光栅尺直接输出与位置有关的6路(三对反相)方波信号Z、Z、Z1、Z1、Z2、Z2,经MC3486差分接收后,产生两路正交的编码脉冲信号。TMS320LE2407A有两个事件管理器模块,每个事件管理器模块都有一个正交编码脉冲(QuadratureEncodedPulses,QEP)电路。该电路被使能后,可以对引脚CAPl/QEP1和CAP2/QEP2(对于EVA模块)或CAP4/QEm和CAP5/QEP4(对于EVB模块)上输入的正交编码脉冲信号进行译码和计数。正交编码脉冲电路用于连接光栅尺输出的正交编码脉冲信号,实现对高压断路器触头的位移、速度和加速度等参数的快速可靠的检测。DSP与光栅尺之间的硬件接口电路如图5所示,LVCH245A将5V的正交编码脉冲转换为DSP可接收的3.3V的正交编码脉冲信号送至DSP的QEPI、QEP2和CAP3管脚。
3.2伺服控制策略选择
此控制系统对高压断路器的操动过程引入了闭环伺服控制。通过运动控制策略,可以完全实现断路器开断和关合过程的理想控制,提高断路器运行的可靠性以及断路器的机械寿命。该系统由电源单元、控制单元、驱动单元、高压断路器直线伺服电机操动机构、反馈单元组成的闭环伺服控制系统。在该系统的控制单元的存储器内记录着理想的触头运动特性曲线,在机构的操动过程中,控制单元根据理想特性曲线的需要输出控制信号,驱动操动机构运动。另一方面,控制单元又不断接收传感器反馈回来的动触头实际的位置、速度信号,并将其与理想的特性曲线进行比较,根据比较的结果实时调整控制信号的输出,以保持尽可能小的偏差。该系统具有很小的时间常数,能够对断路器的动触头作实时控制。使机构在操作的全过程都能严格按照预定的方式进行运动,从而使操动过程中的各个参数得到优化,获得接近于理想的断路器分、合闸速度行程特性曲线。此外,通过该伺服系统对输出电流方向的控制,可以使机构输出反向的操动力,因此,采用该控制方法可以免去传统操动机构的缓冲装置,提供平滑的操作可以减小结构件的作用应力,可以优化开断过程。
针对断路器操作的特殊性,对电机操动机构的控制算法进行合理选择,使之满足断路器操作过程的毫秒级时间内,快速且准确的使输出跟踪给定。断路器触头按预定特性曲线的运动。常规的数字比例-积分-微分(ProportionalIntegralDiferential,PID)算法,可以实现预定分闸速度特性的跟踪控制,但控制器参数的选取会影响到速度和精度。为解决该问题,根据常规的数字PID算法,采用了单神经元自适应PID智能控制技术,以满足系统实时跟踪的要求,并且此控制算法计算量较小,节省控制时间,提高系统的实时行。单神经元RD速度控制原理如图5。通过学习算法,可以不断的调节控制过程中的RD的参数,使系统响应以最快的方式服从给定信号。
新型直线伺服电机操动机构,可以克服传统操动机构操动过程的不可控。该机构通过对高压断路器触头运动的伺服控制,可避免由外部因素引起的操动特性变化导致的机构出力特性与负载反力特性配合不理想的缺点,保证了断路器触头运动遵循理想曲线动作。从而提高断路器关合、开断能力,及断路器的机械、电气寿命和可靠性。此外,直线电机操动机构可产生反向操动力来取代传统操动机构的缓冲装置,达到简化机构的目的。
3.3运行、调试
应用上述方案,对直线伺服电机操动机构及其控制系统进行下连机调试,运行结果表明该操动系统可实现传统操动机构所具备的基本功能,并且在分、合闸过程中对高压断路器动触头运动进行了控制调节,触头运动特性得到了改善。
4 结束语
本文针对普通操动机构的操作特性存在的一些固有的局限性,提出了高压断路器新型推力机构一一直线伺服电机操动机构及其控制系统的研究。该操动系统将高压电器技术和直线伺服电机控制系统相关理论及应用技术进行了完美的结合,直线伺服电机操动机构采用现代控制策略,使其实现高压断路器最优操作。经过运行、调试,结果证明了该方案的可行性。说明了新型直线伺服电机操动机构不仅能提供基本的断路器驱动功能,更能够实现断路器操动的智能化,并为断路器提供更先进的应用平台新技术。
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