第 1 章 緒論

1.1 課題研究背景及意義
近年來(lái)，我國(guó)智能電網(wǎng)得到了迅速的發(fā)展，電力系統(tǒng)對(duì)高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備的智能化提出了迫切要求。為了滿足電網(wǎng)發(fā)展需求和提高自身性能，高壓開(kāi)關(guān)的智能化已經(jīng)成為開(kāi)關(guān)電器領(lǐng)域發(fā)展的新趨勢(shì)[1]。電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)是一種以電動(dòng)機(jī)作為直接動(dòng)力輸出的新型操動(dòng)機(jī)構(gòu)，將電機(jī)轉(zhuǎn)軸與高壓斷路器傳動(dòng)桿相連，通過(guò)三角拐臂連動(dòng)驅(qū)動(dòng)斷路器觸頭進(jìn)行分合閘，傳動(dòng)可靠性得到了提高；其以儲(chǔ)能電容作為電源，采用了現(xiàn)代控制理論和電力電子技術(shù)相結(jié)合的智能控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)人機(jī)信息通訊、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和機(jī)構(gòu)故障診斷等功能[2，3]。這種操動(dòng)機(jī)構(gòu)不僅從原理上簡(jiǎn)化了運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，，而且能充分利用特種伺服電機(jī)良好的調(diào)控特性，并結(jié)合高性能伺服控制系統(tǒng)的智能控制特性，具有運(yùn)動(dòng)零部件少、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、可控性好等特點(diǎn)。電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)良好的操動(dòng)穩(wěn)定性和靈活的隨動(dòng)調(diào)控性對(duì)實(shí)現(xiàn)高壓斷路器智能控制具有重要意義，是提高高壓斷路器可靠性的重要基礎(chǔ)，也是高壓斷路器智能化、節(jié)能化操作的發(fā)展方向[4]。有限轉(zhuǎn)角永磁無(wú)刷直流電機(jī)憑借其運(yùn)行可靠、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、啟動(dòng)轉(zhuǎn)巨大、體積緊湊等優(yōu)點(diǎn)被作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)廣泛應(yīng)用于電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)中。有限轉(zhuǎn)角永磁無(wú)刷直流電機(jī)是在一定角度范圍內(nèi)做快速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的伺服電機(jī)，它采用電力電子換相技術(shù)，替代常規(guī)電機(jī)的機(jī)械換相裝置，使得直流電動(dòng)機(jī)自身機(jī)械特性良好、調(diào)速范圍寬和啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大等優(yōu)點(diǎn)被保留。驅(qū)動(dòng)電機(jī)作為電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)力輸出裝置，其控制技術(shù)是影響電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性的重要因素。雖然國(guó)內(nèi)相關(guān)學(xué)者對(duì)有限轉(zhuǎn)角電機(jī)的控制方法進(jìn)行了探索研究，但是應(yīng)用于電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)的控制方法大都尚處于仿真分析階段，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證其控制方法實(shí)用性的少有報(bào)道[5]。
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1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
電機(jī)作為機(jī)電能量轉(zhuǎn)換裝置，經(jīng)過(guò)兩個(gè)多世紀(jì)的不斷發(fā)展，適用于不同工作條件的各種類(lèi)型電機(jī)如燎原之勢(shì)出現(xiàn)，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到航空航天、醫(yī)療、工業(yè)等的各個(gè)領(lǐng)域中。19 世紀(jì)初期，法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象，為現(xiàn)代電機(jī)理論奠定了基礎(chǔ)，隨后第一臺(tái)直流電機(jī)被研制成功[7]。20 世紀(jì) 30 年代，研究人員開(kāi)始研制將電機(jī)中的機(jī)械換相裝置用電子元件代替，經(jīng)過(guò)不斷努力，終于在 1962 年研制成功了采用霍爾元件作為換相裝置的無(wú)刷直流電機(jī)[8]。隨著新型永磁材料的出現(xiàn)、微電子技術(shù)的進(jìn)步以及數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)和現(xiàn)代控制理論的不斷發(fā)展，無(wú)刷直流電機(jī)的發(fā)展得到了很大的推進(jìn)。1978年，在漢諾威貿(mào)易展覽會(huì)上原聯(lián)邦德國(guó) MANNESMANN 公司正式推出其 MAC 永磁無(wú)刷直流電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，這一新產(chǎn)品的出現(xiàn)引領(lǐng)了電動(dòng)機(jī)的發(fā)展方向，標(biāo)志著永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)實(shí)用時(shí)代的到來(lái)[9]。近年來(lái)，以稀土為勵(lì)磁材料的中小型功率電機(jī)得到了不斷發(fā)展和應(yīng)用，極大的促進(jìn)了電機(jī)產(chǎn)品的多樣化發(fā)展，有限轉(zhuǎn)角稀土永磁直流電機(jī)就是其中的一種[10]。有限轉(zhuǎn)角永磁無(wú)刷直流電機(jī)繞組嵌放在定子槽內(nèi)，轉(zhuǎn)子上固定有永磁體，因此電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較小[11，12]。該類(lèi)電機(jī)的機(jī)電時(shí)間常數(shù)較小，能夠承受較大的角加速度，可以在固定的角度范圍內(nèi)做快速旋轉(zhuǎn)和準(zhǔn)確定位。由有限轉(zhuǎn)角永磁無(wú)刷直流電機(jī)組成的伺服系統(tǒng)具有輸出轉(zhuǎn)矩大、速度調(diào)節(jié)范圍廣、定位準(zhǔn)確度高等特點(diǎn)，被廣泛的應(yīng)用于航空航天等領(lǐng)域高要求、高精度的電氣伺服系統(tǒng)中[13]。
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第 2 章 有限轉(zhuǎn)角永磁無(wú)刷直流電機(jī)及其系統(tǒng)建模

2.1 電機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

高壓斷路器電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電機(jī)是永磁直流電機(jī)的一種，可在一定角度內(nèi)直接驅(qū)動(dòng)斷路器進(jìn)行快速運(yùn)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)電機(jī)是由永磁無(wú)刷直流電機(jī)本體、檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置的傳感器和實(shí)現(xiàn)換相的控制器三部分組成的典型機(jī)電一體化器件，如圖 2.1 所示。驅(qū)動(dòng)電機(jī)的本體結(jié)構(gòu)如圖 2.2 所示，主要由一臺(tái)永磁電機(jī)加一個(gè)限位器和一只編碼器組成。轉(zhuǎn)子上裝配有稀土永磁體，采用瓦形永磁體徑向充磁結(jié)構(gòu)，由于電樞磁勢(shì)通過(guò)永磁體，永磁體磁導(dǎo)率接近空氣，所以這種電機(jī)電樞反應(yīng)小，對(duì)氣隙磁場(chǎng)畸變影響弱，機(jī)械特性硬。定子上嵌放電樞繞組，通入直流電流繞組產(chǎn)生電樞磁勢(shì)與永磁體產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子磁勢(shì)相互作用，生成轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。定子上裝有限位裝置，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)到一定角度時(shí)，限位裝置對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行機(jī)械限位[44]，本課題所研究的有限轉(zhuǎn)角永磁無(wú)刷直流電機(jī)基本參數(shù)如表 2.1 所示。

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2.2 電機(jī)動(dòng)態(tài)方程
電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)動(dòng)是一個(gè)快速的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換過(guò)程，在驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，電氣過(guò)程和機(jī)械過(guò)渡過(guò)程同時(shí)存在，兩者交疊在一起，又相互影響，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出特性滿足高壓斷路器電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)的特性要求。為了簡(jiǎn)化驅(qū)動(dòng)電機(jī)模型分析，在不影響控制性能的前提下，結(jié)合電機(jī)自身特點(diǎn)，做出如下假設(shè)：（1）設(shè)電機(jī)的磁路是線性的，忽略飽和效應(yīng)。（2）不考慮電機(jī)的渦流損耗和磁滯損耗。（3）不計(jì)電樞反應(yīng)和齒槽效應(yīng)。（4）繞組等效電感為常數(shù)。操動(dòng)機(jī)構(gòu)作為斷路器中重要的驅(qū)動(dòng)裝置，對(duì)斷路器的發(fā)展有著極大的影響。例如永磁機(jī)構(gòu)的出現(xiàn)，提高了斷路器的可靠性，滿足了免維護(hù)的要求，對(duì)同步斷路器的發(fā)展起了至關(guān)重要的作用，現(xiàn)代高壓斷路器智能化分合閘操作的實(shí)現(xiàn)，主要也是由于操動(dòng)機(jī)構(gòu)改進(jìn)的結(jié)果[46]。當(dāng)電力系統(tǒng)正常工作時(shí)，高壓斷路器能夠容易實(shí)現(xiàn)合閘操作。高壓斷路器的合閘過(guò)程有兩個(gè)階段：剛合前階段和剛合后階段。高壓斷路器動(dòng)觸頭從分閘位置運(yùn)動(dòng)到剛合點(diǎn)位置的這段階段成為剛和前階段，斷路器動(dòng)觸頭在這個(gè)階段內(nèi)有較高的剛合速度，減小了觸頭間的預(yù)擊穿電弧對(duì)斷路器觸頭的燒損損壞[47]。
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第 3 章 有限轉(zhuǎn)角永磁無(wú)刷直流電機(jī)控制方法研究...........20
3.1 有限轉(zhuǎn)角永磁無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)...........20
3.1.1 電機(jī)雙閉環(huán)控制..... 20
3.1.2 電機(jī)控制策略分析......... 21
3.2 常規(guī) PID 控制系統(tǒng)建模與仿真......22
3.2.1 常規(guī) PID 控制器設(shè)計(jì).....22
3.2.2 仿真結(jié)果及分析..... 24
3.3 RBF-PID 控制系統(tǒng)建模與仿真....... 25
3.4 本章小結(jié)...........30
第 4 章 電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn).......31
4.1 硬件系統(tǒng)組成...........31
4.2 硬件電路設(shè)計(jì)...........31
4.3 軟件程序總體要求...........36
4.4 軟件程序設(shè)計(jì)...........36
4.5 本章小結(jié)...........40
第 5 章 聯(lián)機(jī)試驗(yàn)與結(jié)果分析.......41
5.1 試驗(yàn)平臺(tái)組成...........41
5.2 電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)操作試驗(yàn)...........42
5.3 電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)調(diào)控試驗(yàn)...........43
5.4 電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)智能控制試驗(yàn)...........44
5.5 本章小結(jié)...........46

第 5 章 聯(lián)機(jī)試驗(yàn)與結(jié)果分析

5.1 試驗(yàn)平臺(tái)組成
為了驗(yàn)證本文所研究的控制裝置和智能算法在高壓斷路器電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)中的實(shí)用性，以 40.5kV 高壓斷路器電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)為試驗(yàn)對(duì)象，開(kāi)展聯(lián)機(jī)試驗(yàn)，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖 5.1所示。試驗(yàn)平臺(tái)由 40.5kV 高壓斷路器、有限轉(zhuǎn)角永磁無(wú)刷直流電機(jī)電機(jī)、控制裝置和檢測(cè)裝置等組成，其中檢測(cè)裝置主要包括光電編碼器、霍爾電流傳感器、轉(zhuǎn)子位置傳感器和數(shù)字示波器等。光電編碼器直接與驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)軸連接，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)可以通過(guò)光電編碼器的輸出信號(hào)進(jìn)行判斷；控制器中三相逆變橋的引出線直接通過(guò)霍爾電流傳感器，為防止外部電磁干擾影響電流測(cè)量的準(zhǔn)確性，在霍爾電流傳感器外面套上屏蔽罩。有限轉(zhuǎn)角永磁無(wú)刷直流電機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸與斷路器的傳動(dòng)主軸通過(guò)法蘭直接連接，當(dāng)電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)執(zhí)行動(dòng)作指令時(shí)，首先控制系統(tǒng)發(fā)出操作指令導(dǎo)通逆變橋，使電機(jī)繞組按照一定順序通電，使電機(jī)往指定的方向進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)斷路器傳統(tǒng)主軸動(dòng)作。通過(guò)斷路器中主軸、拐臂和傳動(dòng)連桿的相互作用帶動(dòng)動(dòng)觸頭進(jìn)行動(dòng)作，完成斷路器的分、合操作。
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結(jié)論

本文以電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電機(jī)為研究對(duì)象，結(jié)合有限轉(zhuǎn)角永磁無(wú)刷直流電機(jī)特性方程，對(duì)電機(jī)可控性進(jìn)行了深入分析，提出 RBF－PID 調(diào)節(jié)電機(jī)速度的控制方法，建立40.5kV高壓斷路器電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)聯(lián)機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)并開(kāi)展試驗(yàn)研究，取得如下研究成果：
（1）建立有限轉(zhuǎn)角永磁無(wú)刷直流電機(jī)運(yùn)動(dòng)方程，分析電機(jī)運(yùn)動(dòng)特性，對(duì)電機(jī)運(yùn)動(dòng)可控性進(jìn)行研究。分析可知，驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作在啟動(dòng)狀態(tài)時(shí)，電機(jī)的角速度呈指數(shù)函數(shù)上升，其大小與自身基本參數(shù)和繞組端電壓有關(guān)，通過(guò)控制繞組端電壓可以控制電機(jī)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。利用數(shù)值仿真軟件搭建驅(qū)動(dòng)電機(jī)仿真模型開(kāi)展仿真研究，驗(yàn)證了上述推論的正確性，為實(shí)現(xiàn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)過(guò)程控制奠定了基礎(chǔ)。
（2）建立了常規(guī) PID 控制器和 RBF－PID 控制器電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)仿真模型，并開(kāi)展仿真實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明，在常規(guī) PID 控制控制過(guò)程中，當(dāng)電機(jī)加入負(fù)載后，控制系統(tǒng)不能很好的抑制負(fù)載擾動(dòng)，最大速度跟蹤誤差為 0.31m/s。采用 RBF－PID 控制器時(shí)，控制系統(tǒng)對(duì)參數(shù)進(jìn)行快速調(diào)節(jié)，抑制負(fù)載擾動(dòng)效果明顯，在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中最大速度跟蹤誤差為 0.17m/s。與傳統(tǒng) PID 控制相比，誤差降低了 0.14m/s，驗(yàn)證了 RBF－PID控制的有效性和正確性，同時(shí)為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)智能控制系統(tǒng)提供了參數(shù)參考和理論依據(jù)。
（3）研制以 TMS320F28335 理器為核心的電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)控制裝置，設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)軟件程序。硬件控制裝置主要包括：電源充放電控制單元、隔離驅(qū)動(dòng)單元、電流檢測(cè)單元、速度檢測(cè)單元等。以 CCS3.3 為軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境，采用模塊化設(shè)計(jì)思想，設(shè)計(jì)完成并調(diào)試電機(jī)控制系統(tǒng)主控制程序和各子程序。
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參考文獻(xiàn)(略)

本文編號(hào)：84436