高压断路器动触头位置伺服控制装置及方法

摘要

一种高压断路器动触头位置伺服控制装置，包括电源单元、控制单元、驱动单元及反馈单元，其控制对象包括断路器动触头和操动机构，电源单元分别与控制单元、驱动单元相连，控制对象分别与驱动单元、反馈单元相连，驱动单元又与控制单元相连。本发明可用于各种高压断路器的操动系统中，通过伺服控制使高压断路器动触头始终都能严格按照理想的特性曲线运动，从而能够补偿由断路器间的差异和断路器系统内注入的变化所引起的操动特性的改变。有利于提高断路器关合、开断能力，以及断路器的机械、电气寿命和可靠性。此外，通过伺服控制可以让机构产生反向操动力来取代传统操动机构的缓冲装置的作用，达到简化机构的目的。

主权项

1、一种高压断路器动触头位置伺服控制装置的控制方法，该装置包括电源单元、控制单元、驱动单元及反馈单元，该装置的控制对象包括断路器动触头和操动机构，电源单元分别与控制单元、驱动单元相连，控制对象分别与驱动单元、反馈单元相连，驱动单元又与控制单元相连；其特征在于当控制装置中控制对象的操动机构为电机操动机构时，其控制方法包括以下步骤：控制系统得到分、合闸指令后，控制单元就会不断的以中断的形式调用位置伺服控制程序来调整动触头的位置，该伺服控制程序包括以下步骤，步骤一、中断入口；步骤二、现场保护；步骤三、动触头位置读取；在DSP内部0°～360°电角度对应16位二进制数的0x0000～0xFFFF，对应转子机械位置角寄存器计数值0～M，所以当寄存器读数为L时，确定实际转子电气位置角度为$\theta =\frac{L}{M+1}2\pi p_p$p_p为电机极对数步骤四、与理想曲线比较；位置伺服系统给定的理想位置信号为θ^*，与实际信号比较形成误差信号Δθ＝θ^*-θ步骤五、确定下一步输出值；(1)位置调节：步骤四中的位置误差信号经过位置调节器PI调节后，输出下一步转子转速给定信号ω^*；利用PI调节器的原理确定此次反馈后控制单元的输出ω^*(t)：${\omega }^{*}\left(t\right)=K_P[\mathrm{\Delta \theta }+\frac{1}{T_I}{\int }_0^t\mathrm{\Delta \theta dt}]+{\omega }_0$式中K_P--比例系数；T_I--积分常数；    ω₀--开始进行PI控制时的原始初值；为了适应数字控制，需要把上式离散化处理，得到控制单元的下一步输出值ω_k^*如下：${{\omega }_k}^{*}=K_P\Delta {\theta }_k+T{K}_I\underset{j=0}{\overset{k}{\Sigma }}\Delta {\theta }_j+u_0---\left(1\right)$式中k--采样序号，k＝0，1，2，…；ω_k^*--第k次采样时刻的输出值；    Δθ_k--第k次采样时刻的输入偏差值；K_I--积分系数，K_I＝K_P/T_I用此方法确定输出值比较复杂，可进一步简化为，ω_k^*＝ω_k-1^*+K_P(Δθ_k-Δθ_k-1)+TK_IΔθ_k       (2)并且为了避免产生较大偏差时调节时间过长，采用积分分离法在积分部分加个系数C，如下式：ω_k^*＝ω_k-1^*+K_P(Δθ_k-Δθ_k-1)+CTK_IΔθ_k          (3)$C=\left\{\begin{array}{c}1,\left|{\mathrm{\Delta \theta }}_k\right|\le {\delta }_0\\ 0,\left|{\mathrm{\Delta \theta }}_k\right|\ge {\delta }_0\end{array}\right.$确定实际转子转速信号，由实际转子位置信号经过微分得到ω＝dθ/dt指令转子转速给定信号ω^*与实际速度比较后形成速度误差信号Δω＝ω^*-ω(2)速度调节：速度误差信号作为速度调节器的输入，再经过速度调节器，调节输出的下一步交轴电流指令i_q^*，并根据转子转速确定直轴电流指令值i_d^*；对于交轴电流i_q^*，利用PI调节器的原理确定此次反馈后控制单元的输出i_q^*(t)：${i_q}^{*}\left(t\right)=K_P[\mathrm{\Delta \theta }+\frac{1}{T_I}{\int }_0^t\mathrm{\Delta \theta dt}]+i_{q_0}$式中K_P--比例系数；T_I--积分常数；--开始进行PI控制时交轴电流的原始初值；为了适应数字控制，需要把上式离散化处理，得到控制单元的下一步输出值i_qk^*如下：${i_{q_k}}^{*}=K_P\Delta {\theta }_k+T{K}_I\underset{j=0}{\overset{k}{\Sigma }}\Delta {\theta }_j+i_{q0}---\left(1\right)$式中k--采样序号，k＝0，1，2，…；i_qk^*--第k次采样时刻的输出值；    Δθ_k--第k次采样时刻的输入偏差值；K_I--积分系数，K_I＝K_P/T_I用此方法确定输出值比较复杂，可进一步简化为，i_qk^*＝i_qk-1^*+K_P(Δθ_k-Δθ_k-1)+TK_IΔθ_k.           (2)并且为了避免产生较大偏差时调节时间过长，采用积分分离法在积分部分加个系数C，如下式：i_qk^*＝i_qk-1^*+K_P(Δθ_k-Δθ_k-1)+CTK_IΔθ_k           (3)$C=\left\{\begin{array}{c}1,\left|{\mathrm{\Delta \theta }}_k\right|\le {\delta }_0\\ 0,\left|{\mathrm{\Delta \theta }}_k\right|\ge {\delta }_0\end{array}\right.$对于直轴电流i_d^*，利用PI调节器的原理确定此次反馈后控制单元的输出i_d^*(t)：${i_d}^{*}\left(t\right)=K_P[\mathrm{\Delta \theta }+\frac{1}{T_I}{\int }_0^t\mathrm{\Delta \theta dt}]+i_{d_0}$式中K_P--比例系数；T_I--积分常数；--开始进行PI控制时直轴电流的原始初值；为了适应数字控制，需要把上式离散化处理，得到控制单元的下一步输出值i_dk^*如下：${i_{d_k}}^{*}=K_P{\mathrm{\Delta \theta }}_k+T{K}_I\underset{j=0}{\overset{k}{\Sigma }}{\mathrm{\Delta \theta }}_j+i_{d0}---\left(1\right)$式中k--采样序号，k＝0，1，2，…；i_dk^*--第k次采样时刻的输出值；    Δθ_k--第k次采样时刻的输入偏差值；K_I--积分系数，K_I＝K_P/T_I用此方法确定输出值比较复杂，可进一步简化为，i_dk^*＝i_dk-1^*+K_P(Δθ_k-Δθ_k-1)+TK_IΔθ_k           (2)并且为了避免产生较大偏差时调节时间过长，采用积分分离法在积分部分加个系数C，如下式：i_dk^*＝i_dk-1^*+K_P(Δθ_k-Δθ_k-1)+CTK_IΔθ_k          (3)$C=\left\{\begin{array}{c}1,\left|{\mathrm{\Delta \theta }}_k\right|\le {\delta }_0\\ 0,\left|{\mathrm{\Delta \theta }}_k\right|\ge {\delta }_0\end{array}\right.$(3)电流Clarke变换：霍尔传感器对永磁同步电机三相电流和直流母线电压进行检测，利用转子位置角信号进行Clarke变换，即把三相交流系统等效变换成为两相交流系统，得到实际的两相交流系统下的i_α与i_β；(4)电流Park变换：对i_α与i_β进行Park变换，Park变换把两相交流系统等效转换为旋转的直流系统，得出实际的i_q、i_d；(5)直、交轴电流调节直轴与交轴的指令电流i_q^*和i_d^*，实际电流i_q和i_d比较，经PI调节器调节，分别得到直轴与交轴的电压指令信号u_d^*和u_q^*；(6)Park逆变换：经过对直轴与交轴的电压指令信号u_d^*和u_q^*的Park逆变换，得到定子静止两相交流坐标系统中的电压指令信号u_α^*和u_β^*；(7)确定参数X、Y、Z：矢量调制过程中引入用于确定电压空间矢量作用时间的3个通用变量X、Y和Z，它们的确定方法如下式所示：$X=\frac{\sqrt{3}T}{U_{\mathrm{dc}}}{u}_{\beta }^{*}$$Y=\frac{\sqrt{3}T}{U_{\mathrm{dc}}}{u}_{\beta }^{*}+\frac{3T}{2u_{\mathrm{dc}}}{u}_{\alpha }^{*}$$Z=\frac{\sqrt{3}T}{U_{\mathrm{dc}}}{u}_{\beta }^{*}-\frac{3T}{2U_{\mathrm{dc}}}{u}_{\alpha }^{*}$(8)确定扇区编号：根据指定空间电压矢量可确定其相位角θ，从而确定扇区编号，$i=\left[\frac{3}{\pi }\theta \right]+1$其中：[]表示取不超过括号内数的整数；(9)确定导通时间：根据不同的扇区编号i的值，确定作用在此扇区的两个工作电压矢量的在半个周期导通时间T₁、T₂如下表1所示：表1不同编号下对应的工作电压导通时间  扇区编号i  T₁  T₂  1  -Z  X  2  Y  Z  3  X  -Y  4  Z  -X  5  -Y  -Z  6  -X  Y步骤六、确定PWM占空比半个PWM周期为：T＝T₁+T₂+T₀+T₇T₀、T₇为零电压矢量在半周期内对应的工作时间，通过改变它们可以改变PWM的周期，因此：PWM占空比的确定如下：${\alpha }_{1k}=\frac{T_1}{T},$${\alpha }_{2k}=\frac{T_2}{T},$${\alpha }_{0k}=\frac{T_0}{T},$${\alpha }_{7k}=\frac{T_7}{T}$步骤七、将确定的占空比更新到PWM；步骤八、恢复现场；步骤九、返回。