（上海思源高压开关有限公司 上海 201108）
摘要：高电压开关设备用电动机操动机构在日常的工作应用中，由于环境以及运行状态的变化，机构的负载变化相对比较离散，对于产品的运行来说，难以掌控真正的特性，难以保证产品的可靠运行。为了解决此现象，掌控产品运行状态因此需要对这种特性进行表述，并且能够将这种变化特性明确的表达出来，一种以状态空间自适应算法为基础的动触头精确位置的控制方法应运而生。这种方法主要是利用数学建模的方式，对断路器的结构特征进行模拟分析，应用机械结构动力学的模型，建立推导公式进行验证，并同时得到动触头的运动方程式。应用当代的控制理论，采用状态空间的变量方法，将电动机操动机构和断路器联系起来，构建相关模型；如此能够达到电动机驱动开关分、合闸的相关操作状态的空间模型，再对它的动触头位置进行自适应调整及判断，从而增强了传动系统的稳定性及可控性。实验与控制仿真的结果显示：设计输入电动机的基本参数需求，最终得出的自动控制方式监控的动触头的速度变化情况。该技术所使用的监控追踪方式不仅可以稳定系统的参数变化，追踪监控点的状态变化，还可以在不断变化过程中对相关的参数进行修订，从而保证的断路器的正常使用运行。
关键词：高电压开关设备；电动机；操动；控制；仿真
引言
近年来，随着国家电力行业的蓬勃发展以及基础行业的进步，对于电力使用的安全及可靠性有了更高的要求。对于高压开关设备而言，如何高效、智能、准确描述其状态，并及时对其进行控制修正，以达到减少运行风险的目的尤为重要。本文以开关设备与其配合使用的电动机操作机构作为研究对象，找出其函数关系，为后期开关设备产品的智能化发展提供相关的理论支持。
研究高电压开关设备电动机操动机构，对象采用的是永磁同步电动机，因此其分闸、合闸的过程操作及运动速度均是受永磁同步电动机控制的。基本原理就是：在正常运行时，同步电动机通过绕组电流的变化来操控断路器的分闸、合闸速度的变化，因此也可以通过测试电动机电流的大小可以明确反馈出触头的运动速度，用来检测保证断路器分合闸的可靠性；通过调整流过电动机的绕组电流的变化，最终促使电动机输出的转矩或转动的速度发生变化，从而带动断路器动触头按照要求动作。性能高的电动机操动机构，对电动机追踪动触头的速度与定位的要求也十分苛刻。由于高电压开关设备应用于高电压环境中，电磁干扰比较严重，所以，就电动机操动机构而言，判断自动控制电动机的操动机构性能的关键因素之一就是抗干扰能力，另外动触头实时位置的跟踪与反馈就是另外一个关键性因素即追踪动触头定位的能力。
就高压开关行业来说，由于电动机操动机构的结构简单、工作动作可靠性高，且规避了操动机构难以实时检测运动状态的片面性，还能全程管控断路器的分闸、合闸操作的参数要求的特点，因此得到了大家的青睐，本行业的学者与企业专家对电动机操动机构的研究都非常重视。本篇文章通过对高电压开关设备自动控制操动系统的运行原理、系统状态模型、实验和仿真成果进行分析，最终得出该项控制技术是否可行的结论。
一、自控电动机操动机构的运行原理
一般来说，高压开关设备的传动系统主要包含五个部分：高电压开关设备、电动机控制器、同步永磁电动机、驱动组件单元、电动机转子光栅传感器。在进行实验测试过程中，对于电动机的电流信号的测量采用霍尔传感器；对于电动机的转子的转动角度以及转动速度采用在电机转动轴上安装光电编码器进行测量；再利用直线位移传感器测量开关的动触头运动轨迹。目前电动机控制器的核心是数字信号处理器，通过控制电动机的电流的大小与电流的方向，可以用来实现电动机转与转动方向的变化，进而改变断路器的动触头动作方向、位置与速度，从而满足断路器分闸、合闸的动作需求，并同时满足动触头的全程可控需求。
二、自控电动机操动机构的系统模型建立
要想让电动机可靠的操控断路器分闸、合闸，并且使其输出的转矩能满足断路器动触头的运动速度特征，就要通过各种手段，找到断路器动触头的运动公式和操动电动机之间的关系函数，从而构建合理的运动学模型公式，表达出电动机的转动速度以及电动机的转动扭矩之间的关系函数。断路器按设备采用的电动机气隙磁场不是正弦曲线进行分布的，电动机的运动势能与电流大小能单单的使用用空间矢量描述，就不能其进行数学模型构建。换个思路，对电动机的操动机构动态变化以及动作特点使用状态变量法进行研究，再利用三维坐标创建自控系统的途径来完成空间模型的建立。其控制的原理如图1所示：
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图1 高电压开关设备电动机机构控制驱动原理示意图
公式推导具体过程如下：
首先，根据产品负载的匹配关系，通过三相星形连接的无刷直流电动机已知的原理对于电动机的相电流、反电动势、位置传感器三者之间的联系，能列出此式：
第三，由上面两个式子推出以下两个方程式：
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第四，又因为ia+ib+ic=0，所以可推出电压的方程为：
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第五，再根据电机的主要控制原理对反电动势进行线性化的分段，得出表达式为：
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最后，推出具体电机驱动机构的系统模型公式为：
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三、实验与仿真成果剖析
文中以开关设备中断路器灭弧室的基本参数为基础，结合对电动机操动机构的控制系统创建的状态空间模型，最终推导出电动机的负载转矩和断路器的分闸、合闸的力之间的具体关系函数：才正常的使用过程中，电动机的负载转矩即开关设备动作所需的操作力，必须小于或者等于电机的电磁能够提供的转矩。从此两者之间的关系，可以给出开关设备动触头的运动速度与电动机转子转动角度及速度之间的换算关系，接着处理、管控触头的运动数据，推断出控制触头的精确位置。再测试电动机的发力角度、转动角度，构建自控电动机驱使系统的相关模型，最终绘制出自控电动机操动机构的动触头操控框架图。
控制系统使用的电流和速度实行双向闭环管制，外侧的一环是速度环，使用常见的管控计算方法，内侧的一环是电流环，使用比例积分管制的计算方法。比较电动机的理想速度曲线和电动机的真实的信号，就能得到信号偏差。比例-积分-微分控制器接收到信号偏差后，就开始实行外侧一环的速度变化，速度一环的外输信号变为电流比例-积分-微分控制器的内输信号，电流一环的外输信号向绝缘栅双极型晶体管模块供应脉冲触发产生的信号，操动电动机运作，进而让动触头实施分闸、合闸运动。在这一系列连贯的仿真实验中，不断调节各项比例-积分-微分的基础参数，终于调到了最合适的比例-积分-微分参数：在内测电流这一环中，积分系数3.70，比例系数2.84，；在外侧速度这一环中，积分系数1.15，微分系数1.1，比例得到系数400的参数。
偶多次是实验验证，得到以下两张输入位置的信号系统的追踪性能和动触头的速度的关系图示2图示3：
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图2间断与不间断的阶跃输入信号的反应示意图
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图3 断路器在合闸途中的速度追踪变化示意图
该实验与仿真在实施过程中，还需要考虑动触头的位置、速度等内输信号的系统追踪能力。经过多次的操作可以证明设计出的数字管控与自控动触头的外输速度之间跟随性十分强，平稳状态下的最大误差小于0.01微米，误差仅发生在触头行进路径的中心处。实验与仿真结果显示：在前15毫秒内，系统会出现比较大的误差，针对这一情况，建议在系统中外侧一环的速度调节器中加上能模糊自适应或单神经元的比例-积分-微分控制器，让这类智能高端的控制器取代系统中原有的普通比例-积分-微分控制器，这样就能利用改进控制计算方法进一步的增强其追踪效果。在动触头位置的验证中可以看到：在选取多个不同位置多次输入信号的前提下，不管是输入不间断的阶跃信号、间断的阶跃信号亦或是输入冲击信号，操动系统都能立刻给出反应，做出行动，并在短短几个的时限期间里再次实现稳定，而且保证没有平稳状态下的误差。
四、结论
实验的具体过程：经过对断路器和电动机之间的相互配合特征进行分析，在离散时间方面构建出一个精确性高的、可约束的自动控制电动机趋动机构的系统模型，并设计一个适用的数字控制器，对创建系统模型实施动态仿真。实验的具体结论如下：
第一，增强了现存系统的动态、静态性能。控制的精确度长到了0.01微米，即使输入量出现了巨大的变动，新设计的系统也能在较短时限期间里快速适应、稳定，并且几乎没有误差。
第二，新构思的数字控制器可以把自动控制的阀门最后频率提升到1000赫兹。有一点需要特别注意，实验过程中的样本采取时间是0.1微秒，太小的样本采取时间会影响对动触头速度的追踪效果，在未来实际应用时要重点关注。
综上所述，这个系统模型不仅可以得出有关系统内部状态的可用详细信息，判断内部状态是否超出正常水平，还可以实现动触头在位置输出的反馈，从而进行修订控制。在实际的产品中，由于各种因素的影响，需要对控制参数进行适当地修订及优化，以满足不同产品的需求。同样，此研究成果同样可以推广使用在高压开关产品其它设备中，用以检测保证高压开关产品的可靠运行。本文仅以开关设备使用永磁直流电动机驱动机构的模型进行研究，找出了相关的函数关系。在实际的应用中，开关设备根据需要配置了如气动、液压、弹簧等不同的操作机构产品，需要找到它们之间的函数关系将会是全新的课题。
参考文献：
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