專利名稱：能量互饋式雙直線感應電機操動機構控制裝置及控制方法
技術領域：
本發明屬于電機操動機構技術領域。
背景技術：
斷路器用直線感應電機操動機構主要是通過電機次級運動驅動連桿機構來帶動 滅弧室的絕緣拉桿運動，實現斷路器的分合閘操作。由于斷路器正常工作電壓在幾十千伏 甚至更高的電壓環境下，常規驗證其操動機構性能是否滿足斷路器要求的實驗只能在空載 條件下進行。而斷路器負載時分合閘曲線與空載條件下的分合閘曲線有些差距，常規的試 驗裝置不能很好的驗證直線感應電機操動機構設計的合理性和有效性。另外，常規的試驗 裝置沒有能量反饋環節，造成能量的浪費。
發明內容
本發明提供一種能量互饋式雙直線感應電機操動機構控制裝置及控制方法，對能 量互饋式雙直線感應電機操動機構試驗裝置進行了完善。本發明的技術方案如下
能量互饋式雙直線感應電機操動機構控制裝置，其特征在于所述裝置包括電源單元、 控制單元、驅動單元、反饋單元、通信單元和控制對象；
電源單元由以不可控二極管三相橋式整流器為核心的整流電路及放電電路構成； 控制單元由以DSP芯片為核心的控制電路構成，包括DSP最小系統和信號轉換電路； 驅動單元由智能IPM模塊、驅動保護電路和電源單元放電驅動電路構成； 反饋單元是由速度位置檢測電路、電流檢測電路和電壓檢測電路構成； 通信單元由CAN總線和上位機構成； 控制對象為雙直線感應電機操動機構；
電源單元分別與控制對象、控制單元、驅動單元及反饋單元相連，控制對象分別與驅動 單元、反饋單元相連，驅動單元又與控制單元相連，控制單元與通信單元相連。所述控制單元與上位機通過CAN總線連接。所述雙直線感應電機包括兩個初級定子和一個次級定子。能量互饋式雙直線感應電機操動機構控制裝置的控制方法，其特征在于所述控 制方法的步驟為
步驟一、DSP初始化； 步驟二、初始化寄存器和變量； 步驟三、初始化中斷向量； 步驟四、開中斷；
步驟五、判斷是否有通用定時器下溢中斷產生；如果是，進入步驟六，如果否，返回步驟
一；
步驟六、計算電機速度和運動方向；步驟七、電流電壓采樣； 步驟八、速度的模糊PID調節； 步驟九、電流的PID調節； 步驟十、產生PWM波； 步驟i^一、中斷退出。為了完善能量互饋式雙直線感應電機操動機構試驗裝置，本發明提供一種能量 互饋式雙直線感應電機操動機構控制系統，一方面以DSP為核心設計硬件電路，采用先進 的控制算法對雙直線感應電機動作進行控制；另一方面通過CAN總線技術實現控制裝置與 上位機的通信，將系統運行數據在上位機上顯示出來。本系統采用速度給定，讓雙直線感應 電機的動作曲線嚴格跟隨給定曲線。其調速方法采用變頻調速方式，其優點是將計算出的 電機速度曲線與給定曲線對比，并根據系統對電源的電壓和頻率需要，連續不斷的進行控 制調節，即在實時計算基礎上，滿足控制系統的性能要求。在控制策略上本發明采用模糊 PID控制，由于所要控制的電機工作于起動和制動狀態，而傳統的電機控制理論及方法都 是應用于電機處在恒定負載且穩定運行的狀態下，故本發明在研究模糊控制及常規PID控 制理論的基礎上通過改變模糊控制規則和模糊推理合成規則構建新的模糊PID算法應用 到瞬態電機控制中。
圖1為能量互饋式雙直線感應電機結構示意圖； 圖2為能量互饋式雙直線感應電機試驗裝置控制系統結構框圖； 圖3為控制系統主程序流程圖； 圖4為電源單元電路圖； 圖5為IPM驅動保護電路圖； 圖6為電流傳感器連接圖； 圖7為光柵尺與DSP連接電路； 圖8為CAN總線和TMS320F28335硬件連接圖； 圖9為CAN模塊的初始化流程圖； 圖10為產生PWM信號流程圖； 圖11為模糊PID算法流程圖； 圖12為斷路器合的速度曲線； 圖13為分閘動觸頭的速度曲線。
具體實施例方式
本發明中的控制裝置工作原理為DSP通過處理反饋信號獲得雙直線感應電機位置信 號，確定試驗裝置下一步動作信息，然后調出給定速度曲線發出驅動信號，通過驅動IPM模 塊驅動第一直線感應電機動作，第一直線感應電機帶動聯軸的第二直線感應電機動作。DSP 實時檢測雙直線感應電機反饋信息，并按給定曲線進行調節，使試驗裝置實現對圓筒直線 感應電機驅動斷路器動作進行模擬；同時，DSP將系統的運行狀態信息通過CAN總線傳送到 上位機上，通過開發的CAN通信界面顯示出來。下面結合附圖對本發明進行具體說明
圖1為本發明所述能量互饋式雙直線感應電機結構示意圖，如圖所示，雙直線感應電機是由普通直線感應電機的一個初級變成兩個初級定子1、次級定子2不變演變來的。該 裝置通過第一直線感應電機(第一初級)動作帶動聯軸的第二直線感應電機(第二初級)一 起運行模擬圓筒直線感應電機驅動斷路器動作。第一直線感應電機(模擬圓筒直線感應電 機)處于電動狀態，第二直線感應電機(模擬斷路器)處于發電狀態，發出的三相交流電經逆 變器回饋到直流側供給第一直線感應電機使用或回饋到電網，使得能量得到循環利用。通 過調整第二直線感應電機的轉差頻率，改變發電機推力的大小，從而達到模擬斷路器在負 載變化時分合間操作的目的。本發明針對能量互饋式雙直線感應電機試驗裝置的要求設計 了相應的控制系統。圖2為能量互饋式雙直線感應電機試驗裝置控制系統結構框圖，如圖所示，系統 硬件電路設計是基于DSP的控制系統，包括電源單元、控制單元、驅動單元、反饋單元及通
信單元。控制對象為雙直線感應電機操動機構。電源單元是由以不可控二極管三相橋式整流器為核心的整流電路及放電電路構 成，該單元具有濾波電容可以輸出穩定平滑的直流電，將直流電與IPM模塊的兩端相連為 功率器件提供直流電壓。控制單元由以DSP芯片為核心的控制電路構成，也是整個控制系統的核心，該控 制電路包括DSP最小系統和信號轉換電路，DSP芯片用來完成模糊PID控制算法、PWM信號 產生、系統相關量的檢測與處理等。驅動單元是由電源單元放電驅動電路、智能功率模塊IPM及其驅動保護電路構 成，該單元實現電源單元保護及將直流電轉變成電壓和頻率可變的交流電的功能。反饋單元是由速度位置檢測電路、電流檢測電路和電壓檢測電路構成。反饋單元 檢測控制系統的運行信息并反饋給主控芯片DSP，為控制算法的計算及上位機顯示提供數 據。通信單元由CAN總線和上位機構成，該單元是基于CAN總線技術實現控制裝置與 上位機之間的通信，CAN總線將系統的運行信息，傳遞給上位機并在開發的CAN通訊界面上 將系統運行信息顯示出來。電源單元分別與控制對象、控制單元、驅動單元及反饋單元相連，控制對象分別與 驅動單元、反饋單元相連，驅動單元又與控制單元相連，控制單元與通信單元相連，控制單 元與通信單元之間通過仿真器連接，仿真器用于將調試好的軟件程序燒錄到DSP芯片中。本發明所述控制裝置的控制方法最終由嵌入DSP芯片的程序來實現。控制系統得 到動作指令后，控制單元就會不斷的以中斷的形式調用速度伺服控制程序并通過模糊PID 控制方法和PID控制方法實時調整雙直線感應電機操動機構的速度、電流，使裝置快速穩 定的跟隨給定的速度曲線。本發明的控制系統軟件包括速度閉環模糊PID控制算法、電流閉環PID控制算法 及CAN通訊程序。通過在DSP芯片上實現控制算法控制雙直線感應電機試驗裝置運動，編 寫相應的CAN通訊程序實現控制裝置與上位機的通訊，并將控制系統的信息反映到開發的 通訊界面上。控制系統軟件流程進行功能劃分，分為以下幾個功能模塊
1.初始化模塊；
2.CAN通信模塊；3.電壓采樣模塊；
4.電流采樣模塊；
5.位置、速度采樣模塊；
6.速度的模糊PID調節模塊；
7.電流的PID調節模塊；
8.PWM信號輸出模塊；
通過針對各個模塊編寫程序，來實現這些模塊的功能，從而形成了能量互饋式雙直線 感應電機控制裝置的整體軟件體系。DSP的主程序流程圖如附圖3所示，主程序用來完成各個外設的初始化，完成對變 量的賦值，設定時鐘頻率，使之工作在預設的環境中；接著初始化中斷向量表，在該程序中 用到了通用定時器的下溢中斷和捕獲單元的捕獲中斷，接著使能通用定時器的下溢中斷和 捕獲單元的捕獲中斷，同時使所要用到的中斷映射到對應的中斷服務子程序中，即在一個 PWM周期會發生一次下溢中斷和捕獲中斷，最后是開全局中斷。在通用定時器的下溢中斷中 程序完成電壓、電流及位置、速度信息的檢測，AD采樣。在根據所檢測到的數據進行計算， 最后將計算值送入到事件管理器比較單元的比較寄存器，進行比較匹配產生PWM信號，控 制功率模塊產生驅動電壓。圖4為電源單元電路示意圖。如圖所示，橋式整流器加上了大容量電容器，以穩定 直流電壓和濾波。直流側設置了放電電路，當雙直線感應電機試驗裝置發生故障時，可控制 放電功率管IGBT導通，把電容上的電能消耗在放電電阻R4上；直流側串聯限流電阻R1，其 作用是在控制裝置運行前，使電容Cl、C2預先有一較小的充電電流，減小瞬間大電流充電 對電容器的沖擊，保護整流器和電容器組。整個電源單元電路采用繼電器控制，充電時給繼 電器端口發送一個高電平，繼電器開關動作使電容兩端連接到整流橋上，給電容器充電；當 不需要充電時給繼電器一個低電平，斷開充電電路，在控制裝置中繼電器起到智能控制的 作用。圖中K為繼電器開關，R2為分壓電阻，R3為電壓檢測電阻。圖5為IPM驅動保護電路示意圖。如圖所示，IPM的柵極驅動電壓直接影響其動 態和靜態特性，故使用是要設計合理的驅動保護電路，本發明設計的驅動保護電路采用以 富士公司生產的IPM專用驅動芯片VLA517-01R為核心搭建的電路。穩壓二極管Dl、D2保 證了驅動電壓有較陡的前后沿，并把導通及關斷電壓鉗位在+15V和-5V ；VLA517-01R具有 過流保護功能，當檢測到過流時發光二極管D3變亮，同時關輸出電壓下降關斷IPM模塊。圖6為電流傳感器的連接圖。如圖所示，根據雙直線感應電機試驗裝置控制原理 知電流檢測的精度和實時性是整個模糊PID控制策略實現的關鍵，因此電流檢測必須精度 高和反應速度快，顯然普通的霍爾電流傳感器難以滿足要求，為此本發明采用CLSM-200LA 型高精度霍爾電流傳感器。該傳感器利用霍爾效應和磁平衡方法，輸出與被測電流成正比 電流信號、反應時間小于0. 5us、線性度小于0. 1%可作為本發明裝置中的電流反饋元件。根 據雙直線電機電流及DSP對反饋信號的要求，選擇20 Ω的采樣電阻使輸出電壓小于3伏， 可以直接接到DSP芯片的AD管腳。圖7為光柵尺與DSP連接電路圖。如圖所示，雙直線感應電機位置信號的檢測是 實現其精密控制的重要因素，本發明采用英國RENISHAW公司的RGHMX系列高精度光柵尺， 它的分辨率為IMffl。安裝好的光柵尺在直線電機運動的情況下，輸出與位置信息相關的三路脈沖信號包括用來檢測電機運動的位置信息的兩路正交編碼脈沖信號A和B以及一路直線 運動過程中零點位置的參考信號Z。DSP通過捉參考信號Z信息來確定電機位置與零點間 的差值。正交編碼脈沖信號A、B，分別被QEPI和QEPZ接收，根據A和B脈沖信號的相位差 是+90°還是一 90°來確定電機的運動方向，同時DSP的計數器對脈沖信號進行計數，通過 前后兩次計數器中計數差值確定電機運動的距離，在DSP的速度計算子程序中可以得到電 機運動的速度信息。圖8為CAN總線和TMS320F283!35硬件連接圖。如圖所示，由于TMS320M8335內 部集成了增強型eCAN通信模塊，使得CAN總線通信電路的設計變得非常簡單。將DSP的 CAN控制器的收發信號CANTX、CANRX經具有隔離功能的CAN收發器CTM8251連接到CAN物 理總線。總線末端連接120Ω電阻，用于傳輸線的阻抗匹配，提高總線的抗干擾能力。圖9為CAN模塊的初始化流程圖。DSP使用CAN模塊時，必須對其初始化，通過對 寄存器CANTI0C和CANRI0C的控制，設置CANTX和CANRX作為CAN通信接口引腳。圖10為產生PWM信號流程圖；利用DSP控制功率器件三個橋臂上的 IGBT不同開關狀態來產生PWM信號。利用Park逆變換將旋轉坐標系的電壓信號
Ud和Mig轉化為靜止平面坐標系下的兩相正交電壓Ma和，，需要注意的是此處進行
Park逆變換中的0是電角度，直線電機的極對數乘以機械角度可以計算出電角度，在本研
究中的直線電機的極對數為1，因此電角度和機械角度相等。不斷更新比較寄存器的值，通 過空間矢量算法得到處在不同扇區的PWM波的占空比，計算出比較寄存器的值，最后就可 以輸出相應的PWM波。圖11為模糊PID算法流程圖。如圖所示，直線電機的運動速度可以通過檢測到的 位置信號計算得到，由于光柵尺的分辨率是lMffl，每產生一個計數脈沖，電機會運動Mm，讀 取通用定時器GPI的計數寄存器T2CNT的值可以知道當前位移量。在每次中斷中就可以通 過得到的位移量計算出此時電機的運動速度。速度閉環采用模糊PID控制，它的兩個輸入 量分別是速度誤差e和誤差的變化率ec，其中從位移閉環輸出的量即為速度的給定值，通 過光柵尺計算得到的速度是反饋量，計算出它們的誤差作為模糊控制器的輸入。通過DSP 芯片計算實時輸入量，同時將它們作模糊化處理，根據輸入的速度信號誤差和誤差變化率 得出此刻的模糊推理輸出量，即得到ΔΚρ、ΔΚ 、ΔΚ(1、的值，然后加到上個周期的PID控制 參數Kp、Ki、Kd上，更新PID控制器的三個參數。圖12為斷路器合的速度曲線，圖13為分閘動觸頭的速度曲線，其中橫軸t代表時 間，縱軸V代表速度。
權利要求
1.能量互饋式雙直線感應電機操動機構控制裝置，其特征在于所述裝置包括電源單 元、控制單元、驅動單元、反饋單元、通信單元和控制對象；電源單元由以不可控二極管三相橋式整流器為核心的整流電路及放電電路構成； 控制單元由以DSP芯片為核心的控制電路構成，包括DSP最小系統和信號轉換電路； 驅動單元由智能IPM模塊、驅動保護電路和電源單元放電驅動電路構成； 反饋單元是由速度位置檢測電路、電流檢測電路和電壓檢測電路構成； 通信單元由CAN總線和上位機構成； 控制對象為雙直線感應電機操動機構；電源單元分別與控制對象、控制單元、驅動單元及反饋單元相連，控制對象分別與驅動 單元、反饋單元相連，驅動單元又與控制單元相連，控制單元與通信單元相連。
2.根據權利要求1所述能量互饋式雙直線感應電機操動機構控制裝置，其特征在于 所述控制單元與上位機通過CAN總線連接。
3.根據權利要求1所述能量互饋式雙直線感應電機操動機構控制裝置，其特征在于 所述雙直線感應電機包括兩個初級定子和一個次級定子。
4.如權利要求1所述能量互饋式雙直線感應電機操動機構控制裝置的控制方法，其特 征在于所述控制方法的步驟為步驟一、DSP初始化； 步驟二、初始化寄存器和變量； 步驟三、初始化中斷向量； 步驟四、開中斷；步驟五、判斷是否有通用定時器下溢中斷產生；如果是，進入步驟六，如果否，返回步驟一；步驟六、計算電機速度和運動方向； 步驟七、電流電壓采樣； 步驟八、速度的模糊PID調節； 步驟九、電流的PID調節； 步驟十、產生PWM波； 步驟i^一、中斷退出。
全文摘要
能量互饋式雙直線感應電機操動機構控制裝置及控制方法，所述裝置包括電源單元、控制單元、驅動單元、反饋單元、通信單元和控制對象；電源單元分別與控制對象、控制單元、驅動單元及反饋單元相連，控制對象分別與驅動單元、反饋單元相連，驅動單元又與控制單元相連，控制單元與通信單元相連。控制方法為DSP初始化；初始化寄存器和變量；初始化中斷向量；開中斷；判斷是否有通用定時器下溢中斷產生；如果是，進入步驟六，如果否，返回步驟一；計算電機速度和運動方向；電流電壓采樣；速度的模糊PID調節；電流的PID調節；產生PWM波；中斷退出。本發明的控制裝置，對能量互饋式雙直線感應電機操動機構試驗裝置進行了完善。
文檔編號H02P5/74GK102064752SQ20101055653
公開日2011年5月18日 申請日期2010年11月24日 優先權日2010年11月24日
發明者劉愛民, 張紅奎, 李永祥, 楊光 申請人:沈陽工業大學