有限转角永磁无刷直流电机运动过程控制方法的研究

发布时间：2016-08-04 09:48

第 1 章 绪论

1.1 课题研究背景及意义
近年来，我国智能电网得到了迅速的发展，电力系统对高压开关设备的智能化提出了迫切要求。为了满足电网发展需求和提高自身性能，高压开关的智能化已经成为开关电器领域发展的新趋势[1]。电机操动机构是一种以电动机作为直接动力输出的新型操动机构，将电机转轴与高压断路器传动杆相连，通过三角拐臂连动驱动断路器触头进行分合闸，传动可靠性得到了提高；其以储能电容作为电源，采用了现代控制理论和电力电子技术相结合的智能控制系统，可实现人机信息通讯、实时数据监测和机构故障诊断等功能[2，3]。这种操动机构不仅从原理上简化了运动系统结构，，而且能充分利用特种伺服电机良好的调控特性，并结合高性能伺服控制系统的智能控制特性，具有运动零部件少、结构简单、可靠性高、可控性好等特点。电机操动机构良好的操动稳定性和灵活的随动调控性对实现高压断路器智能控制具有重要意义，是提高高压断路器可靠性的重要基础，也是高压断路器智能化、节能化操作的发展方向[4]。有限转角永磁无刷直流电机凭借其运行可靠、结构简单、启动转巨大、体积紧凑等优点被作为驱动电机广泛应用于电机操动机构中。有限转角永磁无刷直流电机是在一定角度范围内做快速旋转运动的伺服电机，它采用电力电子换相技术，替代常规电机的机械换相装置，使得直流电动机自身机械特性良好、调速范围宽和启动转矩大等优点被保留。驱动电机作为电机操动机构的动力输出装置，其控制技术是影响电机操动机构运动特性的重要因素。虽然国内相关学者对有限转角电机的控制方法进行了探索研究，但是应用于电机操动机构的控制方法大都尚处于仿真分析阶段，通过试验验证其控制方法实用性的少有报道[5]。
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1.2 国内外研究现状
电机作为机电能量转换装置，经过两个多世纪的不断发展，适用于不同工作条件的各种类型电机如燎原之势出现，已经被广泛应用到航空航天、医疗、工业等的各个领域中。19 世纪初期，法拉第发现电磁感应现象，为现代电机理论奠定了基础，随后第一台直流电机被研制成功[7]。20 世纪 30 年代，研究人员开始研制将电机中的机械换相装置用电子元件代替，经过不断努力，终于在 1962 年研制成功了采用霍尔元件作为换相装置的无刷直流电机[8]。随着新型永磁材料的出现、微电子技术的进步以及数字信号处理技术和现代控制理论的不断发展，无刷直流电机的发展得到了很大的推进。1978年，在汉诺威贸易展览会上原联邦德国 MANNESMANN 公司正式推出其 MAC 永磁无刷直流电机及其驱动系统，这一新产品的出现引领了电动机的发展方向，标志着永磁无刷直流电动机实用时代的到来[9]。近年来，以稀土为励磁材料的中小型功率电机得到了不断发展和应用，极大的促进了电机产品的多样化发展，有限转角稀土永磁直流电机就是其中的一种[10]。有限转角永磁无刷直流电机绕组嵌放在定子槽内，转子上固定有永磁体，因此电机转子结构简单，转动惯量较小[11，12]。该类电机的机电时间常数较小，能够承受较大的角加速度，可以在固定的角度范围内做快速旋转和准确定位。由有限转角永磁无刷直流电机组成的伺服系统具有输出转矩大、速度调节范围广、定位准确度高等特点，被广泛的应用于航空航天等领域高要求、高精度的电气伺服系统中[13]。
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第 2 章 有限转角永磁无刷直流电机及其系统建模

2.1 电机结构及工作原理

高压断路器电机操动机构驱动电机是永磁直流电机的一种，可在一定角度内直接驱动断路器进行快速运动。驱动电机是由永磁无刷直流电机本体、检测转子位置的传感器和实现换相的控制器三部分组成的典型机电一体化器件，如图 2.1 所示。驱动电机的本体结构如图 2.2 所示，主要由一台永磁电机加一个限位器和一只编码器组成。转子上装配有稀土永磁体，采用瓦形永磁体径向充磁结构，由于电枢磁势通过永磁体，永磁体磁导率接近空气，所以这种电机电枢反应小，对气隙磁场畸变影响弱，机械特性硬。定子上嵌放电枢绕组，通入直流电流绕组产生电枢磁势与永磁体产生的转子磁势相互作用，生成转矩驱动电机转动。定子上装有限位装置，当电机转动到一定角度时，限位装置对电机转子进行机械限位[44]，本课题所研究的有限转角永磁无刷直流电机基本参数如表 2.1 所示。

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2.2 电机动态方程
电机操动机构驱动电机运动是一个快速的机电能量转换过程，在驱动电机运动过程中，电气过程和机械过渡过程同时存在，两者交叠在一起，又相互影响，驱动电机的输出特性满足高压断路器电机操动机构的特性要求。为了简化驱动电机模型分析，在不影响控制性能的前提下，结合电机自身特点，做出如下假设：（1）设电机的磁路是线性的，忽略饱和效应。（2）不考虑电机的涡流损耗和磁滞损耗。（3）不计电枢反应和齿槽效应。（4）绕组等效电感为常数。操动机构作为断路器中重要的驱动装置，对断路器的发展有着极大的影响。例如永磁机构的出现，提高了断路器的可靠性，满足了免维护的要求，对同步断路器的发展起了至关重要的作用，现代高压断路器智能化分合闸操作的实现，主要也是由于操动机构改进的结果[46]。当电力系统正常工作时，高压断路器能够容易实现合闸操作。高压断路器的合闸过程有两个阶段：刚合前阶段和刚合后阶段。高压断路器动触头从分闸位置运动到刚合点位置的这段阶段成为刚和前阶段，断路器动触头在这个阶段内有较高的刚合速度，减小了触头间的预击穿电弧对断路器触头的烧损损坏[47]。
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第 3 章 有限转角永磁无刷直流电机控制方法研究...........20
3.1 有限转角永磁无刷直流电机控制系统...........20
3.1.1 电机双闭环控制..... 20
3.1.2 电机控制策略分析......... 21
3.2 常规 PID 控制系统建模与仿真......22
3.2.1 常规 PID 控制器设计.....22
3.2.2 仿真结果及分析..... 24
3.3 RBF-PID 控制系统建模与仿真....... 25
3.4 本章小结...........30
第 4 章 电机操动机构控制系统的实现.......31
4.1 硬件系统组成...........31
4.2 硬件电路设计...........31
4.3 软件程序总体要求...........36
4.4 软件程序设计...........36
4.5 本章小结...........40
第 5 章 联机试验与结果分析.......41
5.1 试验平台组成...........41
5.2 电机操动机构操作试验...........42
5.3 电机操动机构调控试验...........43
5.4 电机操动机构智能控制试验...........44
5.5 本章小结...........46

第 5 章 联机试验与结果分析

5.1 试验平台组成
为了验证本文所研究的控制装置和智能算法在高压断路器电机操动机构中的实用性，以 40.5kV 高压断路器电机操动机构为试验对象，开展联机试验，试验现场如图 5.1所示。试验平台由 40.5kV 高压断路器、有限转角永磁无刷直流电机电机、控制装置和检测装置等组成，其中检测装置主要包括光电编码器、霍尔电流传感器、转子位置传感器和数字示波器等。光电编码器直接与驱动电机转轴连接，驱动电机的旋转状态可以通过光电编码器的输出信号进行判断；控制器中三相逆变桥的引出线直接通过霍尔电流传感器，为防止外部电磁干扰影响电流测量的准确性，在霍尔电流传感器外面套上屏蔽罩。有限转角永磁无刷直流电机的旋转轴与断路器的传动主轴通过法兰直接连接，当电机操动机构执行动作指令时，首先控制系统发出操作指令导通逆变桥，使电机绕组按照一定顺序通电，使电机往指定的方向进行旋转，电机驱动断路器传统主轴动作。通过断路器中主轴、拐臂和传动连杆的相互作用带动动触头进行动作，完成断路器的分、合操作。
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结论

本文以电机操动机构驱动电机为研究对象，结合有限转角永磁无刷直流电机特性方程，对电机可控性进行了深入分析，提出 RBF－PID 调节电机速度的控制方法，建立40.5kV高压断路器电机操动机构联机试验平台并开展试验研究，取得如下研究成果：
（1）建立有限转角永磁无刷直流电机运动方程，分析电机运动特性，对电机运动可控性进行研究。分析可知，驱动电机工作在启动状态时，电机的角速度呈指数函数上升，其大小与自身基本参数和绕组端电压有关，通过控制绕组端电压可以控制电机的运动过程。利用数值仿真软件搭建驱动电机仿真模型开展仿真研究，验证了上述推论的正确性，为实现电机运动过程控制奠定了基础。
（2）建立了常规 PID 控制器和 RBF－PID 控制器电机操动机构仿真模型，并开展仿真实验研究。结果表明，在常规 PID 控制控制过程中，当电机加入负载后，控制系统不能很好的抑制负载扰动，最大速度跟踪误差为 0.31m/s。采用 RBF－PID 控制器时，控制系统对参数进行快速调节，抑制负载扰动效果明显，在整个运动过程中最大速度跟踪误差为 0.17m/s。与传统 PID 控制相比，误差降低了 0.14m/s，验证了 RBF－PID控制的有效性和正确性，同时为进一步实现智能控制系统提供了参数参考和理论依据。
（3）研制以 TMS320F28335 理器为核心的电机操动机构控制装置，设计控制系统软件程序。硬件控制装置主要包括：电源充放电控制单元、隔离驱动单元、电流检测单元、速度检测单元等。以 CCS3.3 为软件开发环境，采用模块化设计思想，设计完成并调试电机控制系统主控制程序和各子程序。
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参考文献(略)

本文编号：84436