一种高压断路器伺服控制器设计方案

李少华，王 潇，张一茗，肖 曦，李得祥，张文涛

（1.平高集团有限公司，平顶山 467001；2.清华大学电机工程与应用电子技术系，北京 100084）

高压断路器HVCB（high-voltage circuit breaker）根据开断电流的不同，其动触头分、合闸过程有着不同的理想运动特性曲线，根据此曲线运动可以大大提升断路器的分、合闸能力。传统高压断路器操动机构多采用液压、弹簧等技术，动作响应时间长，累计运动误差大，且可控性较差[1-3]。因此，传统高压断路器操动机构仅能实现分、合闸操作，但是分、合闸过程不可控，不能实现动作过程的实时调节和控制。所以，传统高压断路器操动机构无法达到动触头运动特性的理想水平。

永磁同步电机直驱操动机构通过传动装置带动断路器实现分、合闸操作，结构简单，运动部件少，动作可靠性高。在高压断路器电机直驱操动机构研究的基础上，本文针对永磁同步电机应用于高压断路器的分、合闸操作的特殊场合，分析了永磁体尺寸对电机性能的影响，并进行优化设计及仿真验证，提出并设计实现了一种高压断路器电机伺服控制方案。该方案可以实现断路器分、合闸过程中动触头位置和速度的实时控制，得到理想的分合闸特性曲线。

1 永磁同步电机操动机构

1.1 总体结构

本文研究内容的被控对象是一台气体绝缘金属封闭开关设备GIS（gas insulated switchgear）用高压断路器电机直驱机构，其单相结构简图如图1 所示。电机通过法兰与传动轴连接，通过控制电机的旋转直接驱动断路器实现分、合闸操作，电机与断路器本体之间为传动机构，主要包括传动轴、拐臂组件、绝缘拉杆等部件。

图1 GIS 用高压断路器电机直驱机构结构简图Fig.1 Simplified structural diagram of direct motor drive mechanism of HVCB used in GIS

1.2 永磁体尺寸对电机性能的影响分析

在已有大扭矩高动态响应永磁电机设计的基础上，进一步优化永磁同步电机的动态响应特性，并且在降低转动惯量的基础上实现转矩输出的最大化，以实现通过电机驱动高压断路器完成快速分、合闸的任务。增大永磁电机的扭矩出力，需要优化定子外径、永磁体宽度、气隙长度和槽宽等设计参数。

永磁体宽度bm是影响PMSM 转矩性能的重要参数，决定磁通面积，可根据磁负荷来选取，同时也要考虑转子尺寸的限制。随着bm的增加，电机极弧系数增大，若其他参数尺寸不变，则磁通面积会增加，使得电机气隙磁密增大。电机电磁转矩的计算公式为

式中：P1为基波电磁转矩；m 为电机相数；p 为电机极对数；E0为空载反电势；ω 为电角速度；Xq和Xd为定子绕组的交轴电抗和直轴电抗；E0为电机反电势；U 为母线电压；θ 为空间矢量角。

磁阻转矩将随着bm的增大而减小。因bm增大会使交直轴磁路磁导减小，交直轴电抗差值|Xq-Xd|降低，有可能出现磁阻转矩下降的影响超过永磁转矩增长的影响，反而导致电磁转矩最终变小。此外，bm的变化可能导致交轴电抗Xq变化，会增强电机低速运行时的齿槽转矩，加重了电机转矩脉动对输出转矩性能的影响。所以，bm不宜过大或过小，在充分利用转子尺寸空间的基础上，应该尽量保证永磁电机输出较为平稳的电磁转矩。

内置式转子结构的永磁体宽度估算公式为

式中：σ0为空载漏磁系数；τ 为极距；Lef为电枢计算长度；Bm0为空载永磁体工作点的磁密；Br为剩磁感应强度；Bδ1为气隙磁密基波幅值；Kφ为气隙磁通的波形系数；Lm为永磁体轴向长度。

需重点明确的是，空载反电动势E0直接关系到电机的多项性能指标，例如电磁转矩、最大转速、气隙磁密、功率损耗等。当定子电枢绕组开路时，E0被定义为气隙磁场中基波磁通切割定子绕组而感应生成的电动势，计算公式为

式中：f 为频率；Kdq为绕组系数；N 为绕组匝数；Am为永磁体提供的每极磁通截面积；σ0为空载漏磁系数。

由式（2）和式（3）可知，空载反电势的决定性因素都与永磁体宽度有关，Ansoft 仿真研究进一步验证了以上论述，在一定范围内，空载反电势随着永磁体宽度的增加而增大，如图2 所示。同时，由式（1）知，在电机极对数、相数等参数确定后，E0/Xd成为影响电磁转矩中永磁转矩的重要因素，E0越大Xd越小，则永磁转矩越大。因此，需要通过改变永磁体宽度，增大空载反电动势，改变电机交、直轴电抗及E0/Xd，在满足机械硬度的前提下，增大电机输出的峰值转矩。输出峰值转矩和转矩脉动随永磁体宽度变化的曲线分别如图3 和图4 所示。

图2 空载反电势随永磁体宽度变化的曲线Fig.2 Curve of no-load back potential versus permanent magnet width

图3 输出峰值转矩随永磁体宽度变化的曲线Fig.3 Curve of output peak torque versus permanent magnet width

图4 转矩脉动随永磁体宽度变化的曲线Fig.4 Curve of torque pulsation versus permanent magnet width

由图2～图4 可知，当保持其他参数不变时，增大永磁体宽度bm，会增加电机的空载反电动势，进而影响E0/Xd，促进电机输出的永磁转矩部分增大。但未考虑到bm的增大可能导致交轴电感Xq变化，促使齿槽转矩增大，从而加重转矩脉动，甚至可能会减小输出磁阻转矩，降低电机输出电磁转矩。因此，折中考虑，选取永磁体宽度bm=13 mm 为优化后参数，此时电机输出的平均峰值转矩较大，空载反电势较高，且转矩脉动较为合理。

1.3 电机稳态性能仿真

稳态运行时的电机性能与设计目标密切相关，需要详细分析后才能采取适宜的控制策略和输入电流指标。通过Ansoft 软件对电机的输出转矩特性进行仿真，具体结果如图5 和图6 所示。

图5 转矩平面内效率分布Fig.5 Distribution of in-plane efficiency of torque

图6 输出转矩与相电流关系Fig.6 Relationship between output torque and phase current

由图5 可知，当输出转矩越低、转速越高时，电机效率越高。由图6 可知，当定子绕组输入电流越高、转速较低时，电机输出转矩越高。由此说明当控制电机驱动高压断路器分合闸操作时，应当使电机的定子绕组输入最大峰值电流，尽量控制电机转速不要进入弱磁区，此时电机输出的峰值转矩和功率能实现最大化。

1.4 伺服控制系统

本文所提出的伺服控制器设计方案选用数字信号处理DSP（digital signal processing）和复杂可编程逻辑器件CPLD（complex programable logic device）共同作为控制模块核心来实现系统功能。方案中存在多个需要通过通信进行数据交互的外设，DSP 芯片的接口资源不能够满足实际需求。而CPLD 具有接口资源丰富、能够并行运算以及逻辑处理能力强等优势，因此，可以利用CPLD 编程实现与外围芯片及扩展接口的快速数据交互及处理[4-5]。最后，CPLD通过数据总线将数据传输至DSP。这种双核心的方案不仅可以充分发挥不同类型芯片的优势，也能够大大提高系统的可扩展性。

在高压断路器动作过程中对电机运行数据进行存储，能够对断路器运行状况进行观测、评估和分析提供依据。当前，高压断路器伺服控制器动作数据录波暂无标准规定，可借鉴电力系统中的故障录波标准，在RAM 中设置缓存区，实时缓存100 个控制周期的数据，当分、合闸动作发生时，将从缓存区依次将数据转存至RAM 相应的存储区，直至动作结束。方案设计在断路器进行分、合闸过程中，每个控制周期（0.1 ms）存储16 组数据，且掉电时数据不丢失。因此，选择非易失性铁电存储器作为外扩存储器，该存储器兼具FLASH 的掉电数据不丢失优点和RAM 的快速读写优势，且访问方式多样，适用于大量数据频繁快速读写需求[6-7]。

控制系统结构原理如图7 所示。控制系统还包括功率变换模块、转子位置检测模块、电压及电流采样模块以及通信模块等，其中：功率变换模块根据控制信号实现电能变换，驱动永磁同步电机的位置跟随；转子位置检测模块为系统提供电机及断路器位置信息；电压及电流采样模块将控制系统所需要的必要信息进行采集，并反馈给控制模块；通信模块负责控制器与上位机的通信。

图7 控制系统结构原理Fig.7 Schematic of control system structure

2 伺服控制系统电路设计

2.1 电机位置检测电路

高压断路器电机直驱操动机构伺服控制器对于电机位置检测的实时性和准确性要求较高，而旋转变压器是一种能输出与电机转子位置成某种函数关系的电信号交流微特电机，可以用来精确测量转子位置信号。为保证系统控制精度，提高电机控制性能，选用旋转变压器作为位置检测装置且直接集成在电机转轴尾端。该方案可以大大提升位置检测精度，并且可以减少因位置检测装置安装误差导致的系统运行故障[8-9]。

旋转变压器输出的模拟信号需要经过专用芯片进行解码才能得到相应的数字输出，以供控制器使用。现有的相关产品不仅可以实现旋转变压器与转换芯片的直接相连接，同时还提供了故障信号反馈以及丰富的通信接口类型。图8 为本文所提方案旋转变压器解码电路，采用SPI 方式与CPLD 实现数据交互。

图8 旋转变压器解码电路Fig.8 Resolver decoding circuit

2.2 电流检测电路

DSP 芯片配置的ADC 模块具有转换效率快、配置简单等优点，但仅能实现双通道的同步采样，而伺服控制系统的电流、电压采样为多输入、电平快速变化的情况，对于采样同步性的要求较高。AD7606 芯片可以进行多路同步采样，根据需求可以选择不同的采样通道数量，转换效率更高，实时性更好，可以有效避免因采样不同步导致的控制精度下降[10]。

图9 为AD7606 电路设计采样电路，采用并行通信的方式对数据进行读写。电流信号经霍尔传感器和调理电路传入采样芯片输入端，再经通信接口传输至控制芯片。电流信号经空间坐标变换后，由MTPA 算法计算得到给定电压，并与速度环和位置环形成三闭环控制系统。内环的主要作用是加强系统的抗干扰能力，当外部负载波动时，电机电流将发生变化，电流环就可以加强系统的平稳性。

图9 采样电路Fig.9 Sampling circuit

2.3 通信电路

本文所提方案中除有作为控制核心的DSP 和CPLD 外，还设计有存储控制变量的ROM、存储动作过程数据的RAM、采样芯片以及旋转变压器解码芯片，各芯片之间的通信方式如图10 所示。

图10 各芯片间通信方式Fig.10 Mode of communication between chips

RAM 和CPLD 均通过总线连接至DSP 的Xintf外部接口扩展区域，CPLD 使用扩展区域0，RAM使用扩展区域7。ROM 通过SPI 连接至DSP，采样芯片采用并行通信的方式连接至CPLD，而旋转变压解码芯片则通过串行外设接口SPI（serial peripheral interface）连接至CPLD。CPLD 作为主要的通信枢纽，需要根据不同的连接方式编写相应的标准通信协议，保证通信的快速与准确[11]。

3 伺服控制器软件设计

3.1 控制系统

根据伺服控制系统电路设计方案设计软件程序，程序流程如图11 所示。

图11 程序流程Fig.11 Flow chart of program

主程序在完成初始化后，首先进行系统自检，然后进入主中断，持续查询控制指令。当接收到控制指令，DSP 从CPLD 读取位置、速度、电压、电流、状态等信息，并根据给定动触头运动曲线结合永磁同步电机MTPA 控制策略对输出空间矢量脉宽调制SVPWM 波进行调制，经由功率模块驱动永磁同步电机，进而实现断路器动触头的运动控制，直至实现分合闸操作。当断路器完成分合闸操作后，会进行状态锁存，防止外接扰动导致断路器误动作。

3.2 采样系统

系统采样主要包括电机位置采样以及电压、电流采样两个方面，二者分别通过专用芯片进行采样，且采样芯片均与CPLD 相连，通过CPLD 编程实现读写操作。

对采样芯片的操作，除初始化过程中的寄存器配置外，均为数据读写，若每个控制周期由DSP 来进行读写控制，会延长数据读写周期，降低系统控制精度。因此，在CPLD 中设计状态机，实现对采样数据的周期性读写，并存储在特定的寄存器中，DSP可以在控制过程中快速对该寄存器进行操作，避免了采样等待，且采样实时性更高[12]。本方案存在2个采样芯片，且彼此的操作逻辑存在差异，故需要设计2 个状态机，图12 为CPLD 对电压、电流采样芯片数据读写状态机，图13 为CPLD 对旋转变压器解码芯片数据读写状态机。

图12 采样芯片数据读写状态机Fig.12 Sampling chip data read and write state machine

图13 旋转变压器解码芯片数据读写状态机Fig.13 Resolver decoding chip data read and write state machine

3.3 通信系统

为适应智能化电力设备发展需要，设计必要的通信接口，以实现控制系统与上位机之间的信息交互。通信方式采用MODBUS 通信协议，以功能码来实现不同类型数据的读写操作，数据类型主要包括实时数据、动作数据以及充电数据。为避免通信中发生丢帧造成数据异常，需增加CRC 校验，DSP 中未做此相关集成，故需要根据实际的校验规则自主编写相关校验程序。通信报文格式如表1 所示。

表1 通信报文格式Tab.1 Format of communication message

4 调试与检测

伺服控制系统硬件及软件设计完成后，对控制系统与高压断路器电机直驱操动机构进行联机调试，测试样机如图14 所示。

图14 测试样机Fig.14 Prototype

系统上电后，控制系统首先进行自检，然后控制整流器给储能电容充电至设定阈值，等待分、合闸指令。通过控制面板下发分、合闸指令，观察断路器的状态。待分、合闸操作完成后，通过上位机查看录波数据，分、合闸动作数据如图15～图18 所示。

图15 分闸动作及指令Fig.15 Opening action and command

图16 分闸特性曲线Fig.16 Opening characteristic curve

图17 合闸动作及指令Fig.17 Closing action and command

图18 合闸特性曲线Fig.18 Closing characteristic curve

分、合闸过程动触头的直线运动经传动机构转换为电机转轴的旋转运动，电机转子旋转π rad，恰好对应为动触头的行程。分、合闸操作均可在接收到指令后开始执行，且位置跟随性能良好，相电流最大值均出现在刚分点、刚合点附近，符合断路器结构的负载特性。经测试，断路器分闸速度为3.74 m/s，合闸速度为2.02 m/s，满足技术条件要求。

断路器还存在重合闸的动作类型，对于伺服控制器的性能要求更高。通过机械特性测试仪对断路器下发重合闸指令，采集数据并分析特性曲线，结果如图19 和图20 所示。

图19 重合闸动作及指令Fig.19 Reclosing action and command

图20 重合闸特性曲线Fig.20 Reclosing characteristic curve

分、合闸过程中，动触头总运动行程为80 mm，从重合闸动作中的合分过程可以看出，伺服控制器在合闸过程末端及时响应分闸指令，证实了本文所提方案能够在电网故障时及时根据上层指令做出指定动作，对电网起到有效的保护作用。

根据测试结果可以得出，本文所设计的高压断路器伺服控制器方案，能够实现电机直驱高压断路器分、合闸的实时高效控制，并且能够实现动作数据的存储，满足智能电网的建设需求。

5 结语

随着国家智能电网及智能高压开关设备的发展，针对高压断路器电机直驱机构研究的需求，本文在分析优化永磁体尺寸对电机性能影响的基础上，提出了一种高压断路器伺服控制器方案。该方案通过双控制芯片及多外围芯片的设计，实现高压断路器的控制、存储及通信等功能。对本文所设计的伺服控制系统与高压断路器电机操动机构进行联机调试，测试结果证实，该方案能够实现断路器分、合闸过程的精准控制，动态响应速度快，实时性强，并且可以实现数据的交互，进一步提高高压开关设备的智能化水平。