一種高壓斷路器伺服控制器設計方案

李少華，王 瀟，張一茗，肖 曦，李得祥，張文濤

（1.平高集團有限公司，平頂山 467001；2.清華大學電機工程與應用電子技術系，北京 100084）

高壓斷路器HVCB（high-voltage circuit breaker）根據開斷電流的不同，其動觸頭分、合閘過程有著不同的理想運動特性曲線，根據此曲線運動可以大大提升斷路器的分、合閘能力。傳統高壓斷路器操動機構多采用液壓、彈簧等技術，動作響應時間長，累計運動誤差大，且可控性較差[1-3]。因此，傳統高壓斷路器操動機構僅能實現分、合閘操作，但是分、合閘過程不可控，不能實現動作過程的實時調節和控制。所以，傳統高壓斷路器操動機構無法達到動觸頭運動特性的理想水平。

永磁同步電機直驅操動機構通過傳動裝置帶動斷路器實現分、合閘操作，結構簡單，運動部件少，動作可靠性高。在高壓斷路器電機直驅操動機構研究的基礎上，本文針對永磁同步電機應用于高壓斷路器的分、合閘操作的特殊場合，分析了永磁體尺寸對電機性能的影響，并進行優化設計及仿真驗證，提出并設計實現了一種高壓斷路器電機伺服控制方案。該方案可以實現斷路器分、合閘過程中動觸頭位置和速度的實時控制，得到理想的分合閘特性曲線。

1 永磁同步電機操動機構

1.1 總體結構

本文研究內容的被控對象是一臺氣體絕緣金屬封閉開關設備GIS（gas insulated switchgear）用高壓斷路器電機直驅機構，其單相結構簡圖如圖1 所示。電機通過法蘭與傳動軸連接，通過控制電機的旋轉直接驅動斷路器實現分、合閘操作，電機與斷路器本體之間為傳動機構，主要包括傳動軸、拐臂組件、絕緣拉桿等部件。

圖1 GIS 用高壓斷路器電機直驅機構結構簡圖Fig.1 Simplified structural diagram of direct motor drive mechanism of HVCB used in GIS

1.2 永磁體尺寸對電機性能的影響分析

在已有大扭矩高動態響應永磁電機設計的基礎上，進一步優化永磁同步電機的動態響應特性，并且在降低轉動慣量的基礎上實現轉矩輸出的最大化，以實現通過電機驅動高壓斷路器完成快速分、合閘的任務。增大永磁電機的扭矩出力，需要優化定子外徑、永磁體寬度、氣隙長度和槽寬等設計參數。

永磁體寬度bm是影響PMSM 轉矩性能的重要參數，決定磁通面積，可根據磁負荷來選取，同時也要考慮轉子尺寸的限制。隨著bm的增加，電機極弧系數增大，若其他參數尺寸不變，則磁通面積會增加，使得電機氣隙磁密增大。電機電磁轉矩的計算公式為

式中：P1為基波電磁轉矩；m 為電機相數；p 為電機極對數；E0為空載反電勢；ω 為電角速度；Xq和Xd為定子繞組的交軸電抗和直軸電抗；E0為電機反電勢；U 為母線電壓；θ 為空間矢量角。

磁阻轉矩將隨著bm的增大而減小。因bm增大會使交直軸磁路磁導減小，交直軸電抗差值|Xq-Xd|降低，有可能出現磁阻轉矩下降的影響超過永磁轉矩增長的影響，反而導致電磁轉矩最終變小。此外，bm的變化可能導致交軸電抗Xq變化，會增強電機低速運行時的齒槽轉矩，加重了電機轉矩脈動對輸出轉矩性能的影響。所以，bm不宜過大或過小，在充分利用轉子尺寸空間的基礎上，應該盡量保證永磁電機輸出較為平穩的電磁轉矩。

內置式轉子結構的永磁體寬度估算公式為

式中：σ0為空載漏磁系數；τ 為極距；Lef為電樞計算長度；Bm0為空載永磁體工作點的磁密；Br為剩磁感應強度；Bδ1為氣隙磁密基波幅值；Kφ為氣隙磁通的波形系數；Lm為永磁體軸向長度。

需重點明確的是，空載反電動勢E0直接關系到電機的多項性能指標，例如電磁轉矩、最大轉速、氣隙磁密、功率損耗等。當定子電樞繞組開路時，E0被定義為氣隙磁場中基波磁通切割定子繞組而感應生成的電動勢，計算公式為

式中：f 為頻率；Kdq為繞組系數；N 為繞組匝數；Am為永磁體提供的每極磁通截面積；σ0為空載漏磁系數。

由式（2）和式（3）可知，空載反電勢的決定性因素都與永磁體寬度有關，Ansoft 仿真研究進一步驗證了以上論述，在一定范圍內，空載反電勢隨著永磁體寬度的增加而增大，如圖2 所示。同時，由式（1）知，在電機極對數、相數等參數確定后，E0/Xd成為影響電磁轉矩中永磁轉矩的重要因素，E0越大Xd越小，則永磁轉矩越大。因此，需要通過改變永磁體寬度，增大空載反電動勢，改變電機交、直軸電抗及E0/Xd，在滿足機械硬度的前提下，增大電機輸出的峰值轉矩。輸出峰值轉矩和轉矩脈動隨永磁體寬度變化的曲線分別如圖3 和圖4 所示。

圖2 空載反電勢隨永磁體寬度變化的曲線Fig.2 Curve of no-load back potential versus permanent magnet width

圖3 輸出峰值轉矩隨永磁體寬度變化的曲線Fig.3 Curve of output peak torque versus permanent magnet width

圖4 轉矩脈動隨永磁體寬度變化的曲線Fig.4 Curve of torque pulsation versus permanent magnet width

由圖2～圖4 可知，當保持其他參數不變時，增大永磁體寬度bm，會增加電機的空載反電動勢，進而影響E0/Xd，促進電機輸出的永磁轉矩部分增大。但未考慮到bm的增大可能導致交軸電感Xq變化，促使齒槽轉矩增大，從而加重轉矩脈動，甚至可能會減小輸出磁阻轉矩，降低電機輸出電磁轉矩。因此，折中考慮，選取永磁體寬度bm=13 mm 為優化后參數，此時電機輸出的平均峰值轉矩較大，空載反電勢較高，且轉矩脈動較為合理。

1.3 電機穩態性能仿真

穩態運行時的電機性能與設計目標密切相關，需要詳細分析后才能采取適宜的控制策略和輸入電流指標。通過Ansoft 軟件對電機的輸出轉矩特性進行仿真，具體結果如圖5 和圖6 所示。

圖5 轉矩平面內效率分布Fig.5 Distribution of in-plane efficiency of torque

圖6 輸出轉矩與相電流關系Fig.6 Relationship between output torque and phase current

由圖5 可知，當輸出轉矩越低、轉速越高時，電機效率越高。由圖6 可知，當定子繞組輸入電流越高、轉速較低時，電機輸出轉矩越高。由此說明當控制電機驅動高壓斷路器分合閘操作時，應當使電機的定子繞組輸入最大峰值電流，盡量控制電機轉速不要進入弱磁區，此時電機輸出的峰值轉矩和功率能實現最大化。

1.4 伺服控制系統

本文所提出的伺服控制器設計方案選用數字信號處理DSP（digital signal processing）和復雜可編程邏輯器件CPLD（complex programable logic device）共同作為控制模塊核心來實現系統功能。方案中存在多個需要通過通信進行數據交互的外設，DSP 芯片的接口資源不能夠滿足實際需求。而CPLD 具有接口資源豐富、能夠并行運算以及邏輯處理能力強等優勢，因此，可以利用CPLD 編程實現與外圍芯片及擴展接口的快速數據交互及處理[4-5]。最后，CPLD通過數據總線將數據傳輸至DSP。這種雙核心的方案不僅可以充分發揮不同類型芯片的優勢，也能夠大大提高系統的可擴展性。

在高壓斷路器動作過程中對電機運行數據進行存儲，能夠對斷路器運行狀況進行觀測、評估和分析提供依據。當前，高壓斷路器伺服控制器動作數據錄波暫無標準規定，可借鑒電力系統中的故障錄波標準，在RAM 中設置緩存區，實時緩存100 個控制周期的數據，當分、合閘動作發生時，將從緩存區依次將數據轉存至RAM 相應的存儲區，直至動作結束。方案設計在斷路器進行分、合閘過程中，每個控制周期（0.1 ms）存儲16 組數據，且掉電時數據不丟失。因此，選擇非易失性鐵電存儲器作為外擴存儲器，該存儲器兼具FLASH 的掉電數據不丟失優點和RAM 的快速讀寫優勢，且訪問方式多樣，適用于大量數據頻繁快速讀寫需求[6-7]。

控制系統結構原理如圖7 所示。控制系統還包括功率變換模塊、轉子位置檢測模塊、電壓及電流采樣模塊以及通信模塊等，其中：功率變換模塊根據控制信號實現電能變換，驅動永磁同步電機的位置跟隨；轉子位置檢測模塊為系統提供電機及斷路器位置信息；電壓及電流采樣模塊將控制系統所需要的必要信息進行采集，并反饋給控制模塊；通信模塊負責控制器與上位機的通信。

圖7 控制系統結構原理Fig.7 Schematic of control system structure

2 伺服控制系統電路設計

2.1 電機位置檢測電路

高壓斷路器電機直驅操動機構伺服控制器對于電機位置檢測的實時性和準確性要求較高，而旋轉變壓器是一種能輸出與電機轉子位置成某種函數關系的電信號交流微特電機，可以用來精確測量轉子位置信號。為保證系統控制精度，提高電機控制性能，選用旋轉變壓器作為位置檢測裝置且直接集成在電機轉軸尾端。該方案可以大大提升位置檢測精度，并且可以減少因位置檢測裝置安裝誤差導致的系統運行故障[8-9]。

旋轉變壓器輸出的模擬信號需要經過專用芯片進行解碼才能得到相應的數字輸出，以供控制器使用。現有的相關產品不僅可以實現旋轉變壓器與轉換芯片的直接相連接，同時還提供了故障信號反饋以及豐富的通信接口類型。圖8 為本文所提方案旋轉變壓器解碼電路，采用SPI 方式與CPLD 實現數據交互。

圖8 旋轉變壓器解碼電路Fig.8 Resolver decoding circuit

2.2 電流檢測電路

DSP 芯片配置的ADC 模塊具有轉換效率快、配置簡單等優點，但僅能實現雙通道的同步采樣，而伺服控制系統的電流、電壓采樣為多輸入、電平快速變化的情況，對于采樣同步性的要求較高。AD7606 芯片可以進行多路同步采樣，根據需求可以選擇不同的采樣通道數量，轉換效率更高，實時性更好，可以有效避免因采樣不同步導致的控制精度下降[10]。

圖9 為AD7606 電路設計采樣電路，采用并行通信的方式對數據進行讀寫。電流信號經霍爾傳感器和調理電路傳入采樣芯片輸入端，再經通信接口傳輸至控制芯片。電流信號經空間坐標變換后，由MTPA 算法計算得到給定電壓，并與速度環和位置環形成三閉環控制系統。內環的主要作用是加強系統的抗干擾能力，當外部負載波動時，電機電流將發生變化，電流環就可以加強系統的平穩性。

圖9 采樣電路Fig.9 Sampling circuit

2.3 通信電路

本文所提方案中除有作為控制核心的DSP 和CPLD 外，還設計有存儲控制變量的ROM、存儲動作過程數據的RAM、采樣芯片以及旋轉變壓器解碼芯片，各芯片之間的通信方式如圖10 所示。

圖10 各芯片間通信方式Fig.10 Mode of communication between chips

RAM 和CPLD 均通過總線連接至DSP 的Xintf外部接口擴展區域，CPLD 使用擴展區域0，RAM使用擴展區域7。ROM 通過SPI 連接至DSP，采樣芯片采用并行通信的方式連接至CPLD，而旋轉變壓解碼芯片則通過串行外設接口SPI（serial peripheral interface）連接至CPLD。CPLD 作為主要的通信樞紐，需要根據不同的連接方式編寫相應的標準通信協議，保證通信的快速與準確[11]。

3 伺服控制器軟件設計

3.1 控制系統

根據伺服控制系統電路設計方案設計軟件程序，程序流程如圖11 所示。

圖11 程序流程Fig.11 Flow chart of program

主程序在完成初始化后，首先進行系統自檢，然后進入主中斷，持續查詢控制指令。當接收到控制指令，DSP 從CPLD 讀取位置、速度、電壓、電流、狀態等信息，并根據給定動觸頭運動曲線結合永磁同步電機MTPA 控制策略對輸出空間矢量脈寬調制SVPWM 波進行調制，經由功率模塊驅動永磁同步電機，進而實現斷路器動觸頭的運動控制，直至實現分合閘操作。當斷路器完成分合閘操作后，會進行狀態鎖存，防止外接擾動導致斷路器誤動作。

3.2 采樣系統

系統采樣主要包括電機位置采樣以及電壓、電流采樣兩個方面，二者分別通過專用芯片進行采樣，且采樣芯片均與CPLD 相連，通過CPLD 編程實現讀寫操作。

對采樣芯片的操作，除初始化過程中的寄存器配置外，均為數據讀寫，若每個控制周期由DSP 來進行讀寫控制，會延長數據讀寫周期，降低系統控制精度。因此，在CPLD 中設計狀態機，實現對采樣數據的周期性讀寫，并存儲在特定的寄存器中，DSP可以在控制過程中快速對該寄存器進行操作，避免了采樣等待，且采樣實時性更高[12]。本方案存在2個采樣芯片，且彼此的操作邏輯存在差異，故需要設計2 個狀態機，圖12 為CPLD 對電壓、電流采樣芯片數據讀寫狀態機，圖13 為CPLD 對旋轉變壓器解碼芯片數據讀寫狀態機。

圖12 采樣芯片數據讀寫狀態機Fig.12 Sampling chip data read and write state machine

圖13 旋轉變壓器解碼芯片數據讀寫狀態機Fig.13 Resolver decoding chip data read and write state machine

3.3 通信系統

為適應智能化電力設備發展需要，設計必要的通信接口，以實現控制系統與上位機之間的信息交互。通信方式采用MODBUS 通信協議，以功能碼來實現不同類型數據的讀寫操作，數據類型主要包括實時數據、動作數據以及充電數據。為避免通信中發生丟幀造成數據異常，需增加CRC 校驗，DSP 中未做此相關集成，故需要根據實際的校驗規則自主編寫相關校驗程序。通信報文格式如表1 所示。

表1 通信報文格式Tab.1 Format of communication message

4 調試與檢測

伺服控制系統硬件及軟件設計完成后，對控制系統與高壓斷路器電機直驅操動機構進行聯機調試，測試樣機如圖14 所示。

圖14 測試樣機Fig.14 Prototype

系統上電后，控制系統首先進行自檢，然后控制整流器給儲能電容充電至設定閾值，等待分、合閘指令。通過控制面板下發分、合閘指令，觀察斷路器的狀態。待分、合閘操作完成后，通過上位機查看錄波數據，分、合閘動作數據如圖15～圖18 所示。

圖15 分閘動作及指令Fig.15 Opening action and command

圖16 分閘特性曲線Fig.16 Opening characteristic curve

圖17 合閘動作及指令Fig.17 Closing action and command

圖18 合閘特性曲線Fig.18 Closing characteristic curve

分、合閘過程動觸頭的直線運動經傳動機構轉換為電機轉軸的旋轉運動，電機轉子旋轉π rad，恰好對應為動觸頭的行程。分、合閘操作均可在接收到指令后開始執行，且位置跟隨性能良好，相電流最大值均出現在剛分點、剛合點附近，符合斷路器結構的負載特性。經測試，斷路器分閘速度為3.74 m/s，合閘速度為2.02 m/s，滿足技術條件要求。

斷路器還存在重合閘的動作類型，對于伺服控制器的性能要求更高。通過機械特性測試儀對斷路器下發重合閘指令，采集數據并分析特性曲線，結果如圖19 和圖20 所示。

圖19 重合閘動作及指令Fig.19 Reclosing action and command

圖20 重合閘特性曲線Fig.20 Reclosing characteristic curve

分、合閘過程中，動觸頭總運動行程為80 mm，從重合閘動作中的合分過程可以看出，伺服控制器在合閘過程末端及時響應分閘指令，證實了本文所提方案能夠在電網故障時及時根據上層指令做出指定動作，對電網起到有效的保護作用。

根據測試結果可以得出，本文所設計的高壓斷路器伺服控制器方案，能夠實現電機直驅高壓斷路器分、合閘的實時高效控制，并且能夠實現動作數據的存儲，滿足智能電網的建設需求。

5 結語

隨著國家智能電網及智能高壓開關設備的發展，針對高壓斷路器電機直驅機構研究的需求，本文在分析優化永磁體尺寸對電機性能影響的基礎上，提出了一種高壓斷路器伺服控制器方案。該方案通過雙控制芯片及多外圍芯片的設計，實現高壓斷路器的控制、存儲及通信等功能。對本文所設計的伺服控制系統與高壓斷路器電機操動機構進行聯機調試，測試結果證實，該方案能夠實現斷路器分、合閘過程的精準控制，動態響應速度快，實時性強，并且可以實現數據的交互，進一步提高高壓開關設備的智能化水平。