CN210273878U - 一种大功率电机操纵机构控制装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种大功率电机操纵机构控制装置，涉及电气自动化控制技术领域。该装置包括整流单元、稳压电容器、升降压变换器、储能装置、信号采集单元、信号处理单元、逆变器、主控制器、电流调理电路、位置信号调理电路、电容电压检测单元、上位机、PWM隔离驱动单元和低压直流电源。上位机在断路器开断短路电流、额定电流、空载工况时给主控制器下发不同控制指令，主控制器发送指令给升降压变换器和逆变器，升降压变换器为储能装置提供不同的电压值，电机操动机构按照预先设定好的动触头理想行程速度曲线运动。本实用新型装置有效降低了动触头与静触头之间的刚性碰撞，提高了高压断路器电机操动机构的可靠性。

Description

一种大功率电机操纵机构控制装置

技术领域

本实用新型涉及电气自动化控制技术领域，尤其涉及一种大功率电机操纵机构控制装置。

背景技术

随着我国智能电网技术的深入发展，电力***对高压电器设备的可靠性以及智能化操作水平提出了更高的要求。高压断路器作为电力***中重要的开关设备，担负着保护和控制电路的双重任务，其性能好坏是决定电力***能否安全运行的重要因素之一。传统操动机构存在复杂程度较高、动触头可控性较差、零部件易受冲击、状态检测范围有限等缺陷，很难实现对断路器高效可靠地分闸或合闸，对于断路器中动弧触头高精度的位置控制也无法实现，在开断短路电流、额定电流、以及空载操作等不同工况时，都只能以单一的速度运动特性进行分闸或合闸运动的操控。高压断路器在不同的工况下应有不同的理想分合闸曲线，这不仅要选取合适的电机操动机构控制方式，而且实现上位机与下位机之间的数据互通，同时，电机操动机构储能***应具有满足不同控制要求下的能量要求。因此有必要研究一种大功率电机操纵机构控制装置，实现对断路器在不同工况下对断路器动触头行程和速度运动曲线的精确可控。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种大功率电机操纵机构控制装置，实现对断路器在不同工况下对断路器动触头行程和速度运动曲线的精确控制。

为解决上述技术问题，本实用新型所采取的技术方案是：一种大功率电机操纵机构控制装置，包括整流单元、稳压电容器、升降压变换器、储能装置、信号采集单元、信号处理单元、逆变器、主控制器、电流调理电路、位置信号调理电路、电容电压检测单元、上位机、PWM隔离驱动单元和低压直流电源；

所述整流单元输入端接到市电，输出端接入稳压电容器，稳压电容器的输出端接入升降压变换器，升降压变换器的输出端接入储能装置，储能装置输出端接到电容电压检测单元和逆变器，逆变器输出端接入永磁同步电机三相绕组，电容电压检测单元接入到主控制器AD口；信号采集单元的输入端与永磁同步电机相连，并将采集的信号经过电流调理电路和位置信号调理电路后输出到主控制器；上位机通过通信接口与主控制器连接，主控制器的PWM输出端接入PWM隔离驱动单元的输入端，PWM隔离驱动单元输出端接入逆变器IGBT门极输入端和升降压变换器IGBT门极输入端，低压直流电源接入到PWM隔离驱动单元电源端、信采集单元、电容电压检测单元及主控制器电源端，为整个装置供电。

优选地，所述信号采集单元包括采集永磁同步电机三相绕组电流的三个霍尔电流传感器、采集永磁无刷直流电机转子位置的旋转变压器、采集储能装置电压值的电容电压检测单元；

所述信号采集单元的三个霍尔电流传感器均穿过永磁同步电机三相绕组，三个霍尔电流传感器的输出端均接入电流调理电路，电流调理电路的输出端接到主控制器的AD口，旋转变压器的输入端接到高压断路器电机操作机构的转子主轴侧，旋转变压器的输出端接入位置信号调理电路，位置信号调理电路的输出端接到主控制器的I/O口。

优选地，所述主控制器采用DSP芯片。

优选地，通信接口电路包括上位机第一RS232串口，第一MAX3232芯片和第一控制器接口，通过串口通信实现上位机与主控制器间的通信，进行人机交互。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本实用新型提供的一种大功率电机操纵机构控制装置，

(1)本实用新型装置的永磁同步电机操动机构机械结构简单，零部件少，无需传统的脱扣和锁扣装置，电机操动机构完成分闸或合闸动作分散性小；

(2)本实用新型装置的升降压变换器，能为储能装置提供不同的电压，完成不同工况下，主控制器对储能装置的能量需求。且对升降压变换电路的合理设计使得开关元件应力小，损耗小，充电效率高。

(3)本实用新型装置的永磁同步电机采用空间矢量控制策略，转矩纹波小，控制精度高，同时采用最大转矩电流比控制时，能有效减小定子铜耗，符合绿色环保低排放的理念。

(4)本实用新型装置设计的RS232通信，实现DSP控制器与上位机之间的双CPU通信，实现对DSP内部参数的更改。

(5)本实用新型装置可以在电力***出现故障短路电流、额定电流、空载工况下，上位机提供相应的控制指令，使得高压断路器电机操动机构动触头按照给定的不同理想运动行程和速度曲线运动，既可以减小电机启动时的响应时间与断路器分合闸动作时间，又能降低分合闸末期触头运动速度，进而降低动、静触头的刚性碰撞，避免出现触头合闸弹跳现象，提高了高压断路器电机操动机构动作可靠性，延长机构使用寿命。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的一种大功率电机操纵机构控制装置的结构框图；

图2为本实用新型实施例提供的一种大功率电机操纵机构控制装置的电路连接图；

图3为本实用新型实施例提供的整流单元的电路连接图；

图4为本实用新型实施例提供的升降压变换器的电路连接图；

图5为本实用新型实施例提供的通信接口的电路连接图；

图6为本实用新型实施例提供的电流调理电路的连接图；

图7为本实用新型实施例提供的PWM隔离驱动单元的电路原理图；

图8为本实用新型实施例提供的电压电容检测单元的电路原理图；

图9为本实用新型实施例提供的低压直流电源的接线图；

图10为本实用新型实施例提供的DSP处理器的引脚示意图；

图11为本实用新型实施例提供的位置信号调理电路的电路图；

图12为本实用新型实施例提供的一种大功率电机操纵机构控制方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。

本实施例中，一种大功率电机操纵机构控制装置，如图1所示，包括整流单元、稳压电容器、升降压变换器、储能装置、信号采集单元、信号处理单元、逆变器、主控制器、电流调理电路、位置信号调理电路、电容电压检测单元、上位机、PWM(Pulse Width Modulation，即脉冲宽度调制，)隔离驱动单元和低压直流电源；

本实施例中，本实用新型的大功率电机操纵机构控制装置的电路连接关系如图2所示，所述整流单元输入端接到市电，输出端接入稳压电容器，稳压电容器的输出端接入升降压变换器，升降压变换器的输出端接入储能装置，储能装置输出端接到电容电压检测单元和逆变器，逆变器输出端接入永磁同步电机三相绕组，电容电压检测单元接入到主控制器AD口；信号采集单元的输入端与永磁同步电机相连，并将采集的信号经过电流调理电路和位置信号调理电路后输出到主控制器；上位机通过通信接口与主控制器，主控制器的PWM输出端接入PWM隔离驱动单元的输入端，PWM隔离驱动单元输出端接入逆变器IGBT门极输入端和升降压变换器IGBT门极输入端，低压直流电源接入到PWM隔离驱动单元电源端、信采集单元、电容电压检测单元及主控制器电源端，为整个装置供电。

所述信号采集单元包括采集永磁同步电机三相绕组电流的三个霍尔电流传感器、采集永磁无刷直流电机转子位置的旋转变压器、采集储能装置电压值的电容电压检测单元；

所述信号采集单元的三个霍尔电流传感器均穿过永磁同步电机三相绕组，三个霍尔电流传感器的输出端均接入电流调理电路，电流调理电路的输出端接到主控制器的AD口，旋转变压器的输入端接到高压断路器电机操作机构的转子主轴侧，旋转变压器的输出端接入位置信号调理电路，位置信号调理电路的输出端接到主控制器的I/O口。

主控制器采用DSP芯片，其PWM1-输出引脚连接到PWM隔离驱动单元的Vi1输入引脚，PWM2输出引脚连接到PWM隔离驱动单元的Vi2输入引脚，PWM3输出引脚连接到PWM隔离驱动单元的Vi3输入引脚，PWM4输出引脚连接到PWM隔离驱动单元的Vi4输入引脚，PWM5输出引脚连接到PWM隔离驱动单元的Vi5输入引脚，PWM6输出引脚连接到PWM隔离驱动单元的Vi6输入引脚，PWM7输出引脚连接到PWM隔离驱动单元的Vi7输入引脚，PWM8引脚连接到PWM隔离器驱动单元的Vi8。PWM隔离驱动单元的output1输出引脚连接到逆变器的V1引脚，output2输出引脚连接到逆变器的V2引脚，output3输出引脚连接到逆变器的V3引脚，output4输出引脚连接到逆变器的V4引脚，output5输出引脚连接到逆变器的V5引脚，output6输出引脚连接到逆变器的V6引脚，output7输出引脚连接到升降压变换器的V7引脚，output8输出引脚连接到升降压变换器的V8引脚。

整流器如图3所示，包括第一整流二极管D1、第二整流二极管D2、第三整流二极管D3、和第四整流二极管D4；市电输出端连接到第一整流二极管D1的阴极、第三整流二极管D3的阳极，市电另一个输出端连接到第二整流二极管D2的阴极、第四整流二极管D4的阳极。第三整流二极管D3的阴极、第四整流二极管D4的阴极连接到稳压电容器C1的正极。第一整流二极管D1的阳极、第二整流二极管D2的阳极连接到稳压电容器C1的负极。市电经过整流器整流后再经过稳压电容器C1给升降压变换器供电。本实施方式中选用型号为6RI100G-160的整流桥。

升降压变换器如图4所示，包括第一电感线圈L1，第二电感线圈L2，第一IGBT开关T1，第二IGBT开关T2，第一二极管DT1，第二二极管DT2，第一储能电容C0和第二储能电容C2；稳压电容器C1的输出端连接到电感L1的一端，电感L1的另一端连接到T1的集电极和二极管DT1的阳极，二极管DT1的阳极一端连接电容C0的正极和T2的集电极，T2的发射极一端连接到二极管DT2的阴极和电感线圈L2的一端，电感线圈L2的另一端连接到储能电容C2的正极，储能电容C2的负极连接到稳压电容器C1的负极，二极管DT2的阳极连接到稳压电容器C1的负极，电容C0的负极连接到稳压电容器C1的负极，开关T1的发射极连接到稳压电容器C1的负极。升降压变换器进行升压操作时，开关T2完全导通，开关T1处在工作状态，升降压变换器进行降压操作时，T1完全截止，T2处在工作状态，本实施例中，IGBT选取的型号为FGL60N100BNTD，电感容量大小40mL。

通信接口电路如图5所示，包括上位机第一RS232串口，第一MAX3232芯片，第一控制器接口，通过串口通信可以实现上位机与主控制器间的通信，进行人机交互。

电流调理电路如图6所示，每个电流调理电路包括两个运算放大器，且两个运算放大器串联。电流调理电路，是将霍尔电流传感器采集的的信号转换成DSP芯片可识别的0-3.3V范围内，本实施例中，电流调理电路的两个运算放大器型号为0P284，电流调理电路0引脚连接霍尔电流传感器的2引脚，三个线圈电流检测电路的1引脚分别连接DSP芯片的ADCINB0、ADCINB1、ADCINB2引脚，电流调理电路的8引脚接直流电源模块的+15V引脚，线圈电流检测电路的4引脚连接直流电源模块的-15V引脚。

本实施例中，PWM隔离驱动单元采用如图7所示的一个6单元IGBT驱动板DA962D6和一个2单元IGBT驱动板DA962D2，驱动电路的+15V电压由低压直流电源供给，驱动电路的GND引脚接地，驱动电路的VCC引脚连接低压直流电源的+15V引脚，驱动电路的ePWM1～8引脚连接DSP处理器的PWM1～8引脚，驱动电路的output1～6引脚连接逆变器IGBT的V1～V6引脚，驱动电路的output7～8引脚连接升降压变换器IGBT的V7～V8引脚。

电容电压检测单元的电路结构如图8所示，包括第一电压传感器，第一运算放大器OP07，第一运算放大器LM358，两个运算放大器串联。本实施例中，电容电压检测电路的1引脚连接储能装置的正极，2引脚连接到储能装置的负极，3引脚分别连接DSP处理器的ADCINA0引脚。

低压直流电源如图9所示，为DSP处理器、旋转变压器、霍尔电流传感器、电流调理电路、电容电压检测单元和PWM隔离驱动单元供电，低压直流电源的输入端接入220V电网，±12V引脚分别连接霍尔电流传感器的0、1引脚，+5V引脚连接旋转变压器的0引脚，+5V还引脚连接DSP处理器的VCC引脚，+12引脚还连接到电流调理电路的的2、4引脚，-12V引脚还连接电流调理电路的3、5引脚，+15引脚连接到电容电压检测电路的12、16引脚，-15V引脚连接到电容电压检测电路的11、15引脚，+15引脚还连接到PWM隔离驱动单元的驱动电路。

本实施例中，主控制器采用如图10所示的TMS320F28335DSP处理器。DSP处理器的ADCINB0～ADCINB2引脚连接电流调理电路的1引脚，DSP处理器的ADCINA0引脚连接电容电压检测电路的3引脚，DSP处理器的GPIO68-79口连接位置信号调理电路的SN74ALVC164245电平转换芯片，DSP处理器的PWM1～PWM8引脚分别连接隔离驱动单元的sPWM1～sPWM8引脚，DSP处理器的VCC引脚连接低压直流电源的+5V引脚，DSP处理器的SCTTXDA口和SCIRXDA口接通信接口的Tin1和Rout1口。

位置信号调理电路如图11所示，本实施例中，位置速度信号由旋转变压器采集，旋转变压器的型号为TS225n12e102，旋转变压器采集的是模拟信号，需要将模拟信号转化为数字信号传输给DSP处理器，本实施例中，采用AU6802N1旋转变压器解码芯片，并设计了AU6802N1与旋转变压器之间的接口电路，AU6802N1提供给旋转变压器的交流励磁电压由RSO-COM口输出，频率由FSEL1和FSEL2设置，本实施例中，设置励磁电压信号频率为10KHz，励磁电压的有效值通过双电源Booster放大器电路进行调节。该励磁信号又反馈给R1E-R2E端口，用于实现内部相位同步检测和断相检测。旋转变压器产生的cos和sin信号经过调理后分别由S3-S1和S4-S2端口进入解码芯片。AUR802N1解码芯片将旋转变压器输出的模拟位置信号(sin，cos)转换为并行的数字信号，然后由DSP处理器将数字位置信号读入并进行处理。AU6802N1有三种信号输出模式，本实施例中采用绝对式输出模式，绝对式输出模式输出为12位位置信号，通过电平转换芯片SN74ALVC164245直接与DSP的I/O口相连。

本实施例中，一种大功率电机操纵机构控制方法，基于本实用新型的控制装置对大功率电机操纵机构进行控制，如图12所示，包括以下步骤：

步骤1：上位机通过通信接口向主控制器发送储能装置充电指令，电容电压检测电路开始工作，主控制器控制PWM隔离驱动单元进而控制升降压变换器的IGBT导通，升降压变换器开始工作；当高压断路器分闸时，升降压变换器的T1开关管IGBT完全关断，T2开关管IGBT处在工作状态，储能装置充电电压到200V；当高压断路器合闸时，升降压变换器的T1开关管IGBT处在工作状态，T2开关管IGBT完全导通，储能装置充电电压到300V；在合闸或分闸的整个过程，主控制器对升降压变换器进行PI控制；市电电网经过低压直流电源向PWM隔离驱动单元、三个霍尔电流传感器、电容电压检测单元，电流调理单元和主控制器供电；

步骤2：当电力***中的继电保护装置检测到发生短路故障，上位机向主控制器发送短路故障工况下的分闸或合闸指令；当继电保护装置要求高压断路器按照额定电流工况下动作，上位机向主控制器发送额定电流工况下的分闸或合闸指令；当继电保护装置要求高压断路器按照空载工况下动作，上位机向主控制器发送空载工况下分闸或合闸指令；主控制器向PWM隔离驱动单元发送指令，驱动逆变器的IGBT导通，高压断路器电机操动机构按照预先设定的速度曲线运动；

步骤3：永磁同步电机在运行过程中，安装在U相和V相的霍尔电流传感器检测得到U相和V相的电流，得到电流Iu和Iv，并经过电流调理电路传送给主控制器；主控制器通过CLARKE变换静止的两相电流，再通过PARK变换把静止的两相电流转换成运动的两相反馈电流；将通过安装在永磁同步电机尾部的旋转变压器测量得到PARK变换和PARK逆变换所需要的驱动电角度；并通过位置计算得到永磁同步电机的转子速度；

步骤4：主控制器将通过位置计算得到永磁同步电机的转子速度作为反馈速度与目标速度进行PI调节，输出Q轴参考电流，D轴的参考电流始终保持为0，然后在分别对两电流作PI调节，得到两相运动的电流信号，然后通过逆PARK变换，变换成两相静止的电流信号，静止的电流信号通过主控制器产生六路SVPWM信号控制逆变器驱动永磁同步电机；

步骤5：在高压断路器电机操动机构动作的过程中，三个霍尔电流传感器上采集的电流信息和旋转变压器上采集的高压断路器电机操动机构转子位置信息，电容电压检测单元采集的储能装置的电压信息，通过通信接口发送到上位机，上位机进行滤波、显示控制效果，调节控制参数PI，并发送到主控制器；

步骤6：主控制器接收到上位机传输的调整信息，作用到逆变器和升降压变换器的IGBT，实现对高压断路器电机操动机构动触头在短路故障、额定电流、空载工况下的行程和速度曲线的精确控制。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型权利要求所限定的范围。

Claims (4)

1.一种大功率电机操纵机构控制装置，其特征在于：包括整流单元、稳压电容器、升降压变换器、储能装置、信号采集单元、信号处理单元、逆变器、主控制器、电流调理电路、位置信号调理电路、电容电压检测单元、上位机、PWM隔离驱动单元和低压直流电源；

所述整流单元输入端接到市电，输出端接入稳压电容器，稳压电容器的输出端接入升降压变换器，升降压变换器的输出端接入储能装置，储能装置输出端接到电容电压检测单元和逆变器，逆变器输出端接入永磁同步电机三相绕组，电容电压检测单元接入到主控制器AD口；信号采集单元的输入端与永磁同步电机相连，并将采集的信号经过电流调理电路和位置信号调理电路后输出到主控制器；上位机通过通信接口与主控制器连接，主控制器的PWM输出端接入PWM隔离驱动单元的输入端，PWM隔离驱动单元输出端接入逆变器IGBT门极输入端和升降压变换器IGBT门极输入端，低压直流电源接入到PWM隔离驱动单元电源端、信采集单元、电容电压检测单元及主控制器电源端，为整个装置供电。

2.根据权利要求1所述的一种大功率电机操纵机构控制装置，其特征在于：所述信号采集单元包括采集永磁同步电机三相绕组电流的三个霍尔电流传感器、采集永磁无刷直流电机转子位置的旋转变压器、采集储能装置电压值的电容电压检测单元；

所述信号采集单元的三个霍尔电流传感器均穿过永磁同步电机三相绕组，三个霍尔电流传感器的输出端均接入电流调理电路，电流调理电路的输出端接到主控制器的AD口，旋转变压器的输入端接到高压断路器电机操作机构的转子主轴侧，旋转变压器的输出端接入位置信号调理电路，位置信号调理电路的输出端接到主控制器的I/O口。

3.根据权利要求1所述的一种大功率电机操纵机构控制装置，其特征在于：所述主控制器采用DSP芯片。

4.根据权利要求1所述的一种大功率电机操纵机构控制装置，其特征在于：通信接口电路包括上位机第一RS232串口，第一MAX3232芯片和第一控制器接口，通过串口通信实现上位机与主控制器间的通信，进行人机交互。

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