一种电机驱动开关设备及其驱动控制装置的制作方法

1.本发明涉及一种电机驱动开关设备及其驱动控制装置，属于高压开关设备领域，尤其涉及一种采用电机驱动的开关设备的驱动控制装置。


背景技术：

2.随着碳达峰碳中和目标的提出，新能源发电接入电力系统势在必行，电力系统的复杂程度将大为提升，数字电网将成为新型电力系统的最佳形态，这就对电网设备的数字控制和智能化水平提出新的要求。作为电力系统的关键设备，开关设备的数字化和智能化提升已迫在眉睫。
3.电机驱动技术是利用伺服电机驱动和控制被控对象运动，以实现预期的力和运动的输出，并能监测动作过程中的电机角度、速度、电流等信号，是实现数字化控制和智能化提升的有效途径，在电动汽车、高铁等领域已有成熟应用。但限于高压开关设备工况的特殊性，需要对电机驱动开关设备的伺服电机和驱动控制装置进行特殊设计。
4.现有电机操作机构中，用于根据分合闸指令生成动作信号的机构控制器、主控制器及各相的电机控制器，均按照各自的功能分离设置，集成度低，不利于检修、更换。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种电机驱动开关设备及其驱动控制装置，用于解决现有电机驱动开关设备的驱动控制装置集成度低的问题。
6.为了实现上述目的，本发明提供了一种电机驱动开关设备的驱动控制装置，包括插装在总线板上的电源板、主控板、机构控制板和驱动板；用于给各板卡供电的电源板包括用于连接外部电源的输入电源端口；机构控制板包括开入端口和开出端口，开入端口用于接收分合闸指令和其他设备开关量以实现联锁功能，开出端口用于输出根据驱动电机状态生成的开关量；驱动板包括用于连接储能单元的储能接口和用于连接驱动电机的电机接口；
7.当机构控制板接收到分合闸指令时，根据分合闸指令生成相应的开关量信号发送至主控板，主控板对开关量信号进行处理生成驱动信号发送至驱动板，驱动板根据驱动信号控制所述储能单元释放能量驱动所述驱动电机进行转动。
8.本发明提供的驱动控制装置，通过将电源板、主控板、机构控制板和驱动板插装在总线板上，电源板通过电源输入端口连接外部电源，进行电源转化后为其他板卡供电，机构控制板通过开入端口接收分合闸指令，并生成相应的驱动信号后发送至驱动板，进而由驱动板根据驱动信号控制储能单元释放能量来驱动操作机构中的驱动电机转动。采用本发明可以提高电机驱动开关设备的驱动控制装置的集成度，从而解决电机驱动开关设备用大功率伺服电机的驱动和控制问题，便于运维检修。
9.进一步地，在上述设备中，所述主控板包括用于处理开关量信号的开入开出量处理电路和dsp运算电路，所述开入开出量处理电路处理接收到的机构控制板根据分合闸指
令生成的开关量信号，计算得到pwm占空比信号发送给驱动板。
10.采用dsp处理电路实现驱动电机的控制算法，采用开入开出量处理电路处理接收到的机构控制板发送的开关量信号，从而触发控制中断子程序，并将在程序执行过程中计算得到的pwm占空比信号发送给驱动板，从而控制驱动电机转动。dsp电路实现开关量信号的数字化处理，处理速度快。
11.进一步地，在上述设备中，所述主控板还包括用于采集电机相电流的电流采集电路和用于采集所述储能单元母线电压的电压采集电路。
12.电流采集电路用于处理电流传感器采集的电机相电流信号，电压采集电路用于处理储能单元的母线电压信号，通过电机电流和储能单元电压对操作机构的状态进行监控，从而判断储能单元电压是否足够为驱动电机供能，并通过电机电流判断驱动电机是否故障，提高对装置状态的监测能力。
13.进一步地，在上述设备中，所述主控板还包括用于处理编码器采集到的驱动电机转子位置信号的位置计算电路。
14.通过位置解算电路处理编码器采集到的电机转子位置信号，从而实现电机闭环控制，提高驱动电机运转的稳定性。
15.进一步地，在上述设备中，所述储能单元采用储能电容，所述驱动电机的主轴上设置有用于采集驱动电机转子位置信号的编码器和用于指示分合闸到位状态的辅助开关。
16.进一步地，在上述设备中，电机驱动开关设备的动触头位置通过所述辅助开关和编码器反馈，若通过辅助开关和编码器反馈的动触头位置一致，则输出电机驱动开关设备的分合闸状态，若通过辅助开关和编码器反馈的动触头位置不一致，则输出报警信号。
17.通过编码器和辅助开关，对驱动电机的转子位置进行判断，并通过辅助开关检测分合闸到位状态，从而对电机驱动开关设备的状态信息进行综合判断，实现电机驱动开关设备的联锁控制，辅助开关采用微动开关。
18.进一步地，在上述设备中，储能电容连接有储能回路，所述储能回路包括用于给储能电容充电的充电模块；储能电容还连接有释能回路，所述释能回路包括断路器和放电电阻，用于检修时释放电能。
19.储能电容连接用于为储能电容充电的充电模块，充电电压及充电的速度可以在充电模块进行中设置，同时实现充电过程中对储能电容的状态的检测；储能电容还连接释能回路，从而在电路检修时，将储能电容中的电能通过电热转化释放掉，保障检修过程的安全。
20.进一步地，在上述设备中，所述驱动板包括驱动电路和功率半导体器件；功率半导体器件的输入侧连接储能接口，输出侧连接电机接口。
21.对驱动板的结构进行介绍，驱动板包括驱动电路和功率半导体器件，便于本发明的实施。
22.进一步地，在上述设备中，还包括前面板，所述前面板设置有用于显示装置运行状态和开关设备运行状态的指示灯。
23.装置还包括前面板，在前面板上设置指示灯，从而能够将装置和操作机构的状态直观地显示出来，便于用户就地查看设备状态、动作过程信息。
24.本发明还提供电机驱动开关设备，包括操作机构和开关本体，操作机构包括驱动
电机，驱动电机传动连接开关本体，其特征在于，还包括上述的电机驱动开关设备的驱动控制装置，电机驱动开关设备的驱动控制装置控制连接驱动电机。
附图说明
25.图1为本发明装置实施例中驱动控制装置的结构示意图；
26.图2为本发明装置实施例中驱动控制装置的接口示意图；
27.图3为本发明装置实施例中驱动控制装置打开前面板时的前视图；
28.图4为本发明装置实施例中驱动控制装置的前视图；
29.图5为本发明设备实施例中操作机构元件布置示意图；
30.图6为本发明设备实施例中操作机构的信号流示意图；
31.图7为本发明设备实施例中电机驱动开关设备充电回路示意图；
32.图8为本发明设备实施例中电机驱动开关设备放电回路示意图；
33.图9为本发明设备实施例中操作机构与开关本体对接示意图；
34.图10为本发明设备实施例中开关本体机械传动系统示意图。
35.图中1为电源板，2为通讯板，3为机构控制板，4为主控板，5为a相驱动板，6为b相驱动板，7为c相驱动板，8为输入电源端口，9为光以太网接口，10为电以太网接口，11为强电开入开出端口，12为弱电开入开出端口，13为母线电流/电压采集端口，14为编码器接口，15为电容a相接口，16为电机a相接口，17为电容b相接口，18为电机b相接口，19为电容c相接口，20为电机c相接口，21为总线板，22为前面板，23为充电模块，24为储能电容，25为充电电阻，26为放电电阻，27为集成式智能驱动控制装置，28为伺服电机，29为辅助开关，30为编码器，31为控制柜体，32为充电小型断路器，33为放电小型断路器，34为操作机构，35为平键，36为联轴节，37为开关本体，38为拐臂，39为连杆，40为绝缘拉杆，41为动触头。
具体实施方式
36.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明了，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。
37.装置实施例：
38.本发明提供的电机驱动开关设备的驱动控制装置是一种集成度较高的集成式智能驱动控制装置(以下简称装置)。如图1、图2、图3和图4所示，装置采用背板插拔式结构，包括电源板1、通讯板2、机构控制板3、主控板4、a相驱动板5、b相驱动板6、c相驱动板7、总线板21和前面板22。所有的板卡集成安装在一个标准的4u机箱内，电源板1、通讯板2、机构控制板3、主控板4、a相驱动板5、b相驱动板6、c相驱动板7和前面板22均与总线板21插装连接，从而实现各板卡之间的信号传递。
39.如图2所示，电源板1由多个电源模块组成，并且电源板1设计有输入电源端口8，以连接外部供电线路或供电电源。电源板1的主要功能是把输入的ac220v或dc220v转化为各板卡所需要的稳定的直流电，为板卡及相关电路正常工作供电。
40.通讯板2设计有光以太网接口9和电以太网接口10，用于连接上层网络。通讯板2能够通过goose报文与上层网络实时交互，从而实现装置与智能变电站的数据通信，除了接收用户指令外，还可以向用户实时反馈设备状态信息和故障报警信息。
41.机构控制板3设计有一组强电开入开出端口11和一组弱电开入开出端口12，强电开入开出端口11用于装置与其他设备或用户的强电通信，弱电开入开出端口12用于装置与用户或其他设备的弱电通信。机构控制板3的功能是接收装置外的开关量信号，并对接收到的开关量信号进行处理和逻辑判断，形成动作信号作为判断结果发送给主控板4，还可以对装置处理过的信号进行开关量输出，用于向其他设备或后台发送开关量信号。
42.主控板4上设置有电流/电压采集电路、位置解算电路、dsp运算电路、开入开出量处理电路及其他滤波和保护电路，主控板4还包括母线电流/电压采集端口13和用于接收电机转子位置反馈信号的编码器接口14。电流采集电路用于处理电流传感器采集的电机电流信号，电压采集电路用于处理储能电容电压信号，位置解算电路用于处理编码器采集到的电机转子位置信号，从而实现电机闭环控制，dsp运算电路用于实现伺服电机的控制算法及伺服驱动的计算，开入开出量处理电路用于处理接收到的机构控制板3发送的动作信号，从而触发控制中断子程序，并在程序执行过程中计算得到pwm占空比信号发送给a相驱动板5、b相驱动板6和c相驱动板7。
43.a相驱动板5、b相驱动板6和c相驱动板7的结构大致相同，各驱动板均包括驱动电路和功率半导体器件两部分，功率半导体器件输入侧连接储能电容，输出侧连接伺服电机。具体地，a相驱动板5通过电容a相接口15连接储能电容，并通过电机a相接口16连接伺服电机；b相驱动板6通过电容b相接口17连接储能电容，并通过电机b相接口18连接伺服电机；c相驱动板7通过电容c相接口19连接储能电容，并通过电机c相接口20连接伺服电机。
44.驱动电路接收主控板4发送的占空比信号进行放大，并将放大后的信号发送到功率半导体器件实现导通和关断操作；通过功率半导体器件导通和关断操作控制流向伺服电机28的电流，从而控制伺服电机28运动，实现伺服驱动功能。
45.如图4所示，前面板22设计有一系列指示信号灯，能够就地显示装置的运行状态及开关设备状态信息；并且设计有通信网口用于外接电子设备，可以方便用户就地查看设备状态信息、动作过程信息，也可以修改运动参数。
46.本发明提供的电机驱动开关设备的驱动控制装置，在标准机箱内集成设计布置各控制板卡，不仅能够解决电机驱动开关设备用大功率伺服电机的驱动和控制问题，便于工程化应用，而且能够实现如下功能：1)通讯管理功能，用于接收上位机或用户指令，接收相关设备的状态信息，向相关设备发送本设备的状态信息，向用户反馈设备的状态信息，实现与用户的数据通信；2)逻辑判断功能,对接收到的本设备及关联设备的状态信息进行处理，判断是否满足开关的联闭锁条件：3)伺服驱动功能，对电机进行大电流、高功率、快速响应的伺服控制，同时对开关设备触头运动实现高精度全过程控制；4)数字控制功能，开关设备触头运动实现参数化设计、程序化控制，其抗负载变化能力大大提升。
47.设备实施例：
48.本发明提供的电机驱动开关设备如图9和图10所示，包括操作机构34、开关本体37以及操作机构和开关设备本体之间的连接部件。开关本体37包括拐臂38、连杆39、绝缘拉杆40及动触头41；连接部件包括平键35和联轴节36。
49.如图5和图6所示，操作机构34以装置实施例中的驱动控制装置为核心，包括充电模块23、储能单元、集成式智能驱动控制装置27、伺服电机28、辅助开关29、编码器30等部分，充电模块23、储能单元、集成式智能驱动控制装置27、伺服电机28、辅助开关29和编码器
30均设置在机构柜体31中。
50.如图6所示，集成式智能驱动控制装置27接收用户指令及设备反馈信息，用户指令可以是电信号，也可以是光信号。集成式智能驱动控制装置27对用户指令及设备反馈信息进行逻辑判断后转化为用户关心的状态信息反馈给用户，还经过伺服运算，生成驱动信号，驱动伺服电机按照预设的运动进行动力输出。
51.充电模块23具备隔离、滤波、升压和整流等功能，用于把操作机构外接的ac220v或ac380v，变换为直流电给储能电容24充电，充电电压及充电的速度可以在充电模块23进行中设置。同时，充电模块23中设置电压、电流传感器，集成式智能驱动控制装置27采样连接电流、电压传感器。在充电模块23为储能电容24充电的过程中，集成式智能驱动控制装置27采集充电电流、充电电压等信号，实现对充电过程中操作机构的工作状态进行监测。
52.储能单元主要包括储能电容24、充电电阻25和放电电阻26。如图7所示，通过储能电容24、充电电阻25、充电模块23及充电小型断路器32构成充电回路，为储能电容24充电。如图8所示，通过储能电容24、放电电阻26及放电小型断路器33构成放电回路，用于在需要检修时，把储能电容24中的电能转化为热能释放掉，保障检修的安全性。
53.伺服电机28是操作机构中的执行元件，主要包括电机本体和编码器30，电机本体接收集成式智能驱动控制装置27输出的大功率电能，实现伺服驱动功能；编码器30实时采集电机转子的位置，并将此信息转化为电信号，反馈给集成式智能驱动控制装置27，参与伺服运动的控制。辅助开关29与伺服电机28的转子机械固定连接，把电机转子所反映的开关状态信息传递给智能驱动控制装置27，参与其中的逻辑判断，实现电机闭环控制。
54.机构柜体31主要为上述元器件及其他电器件及电线的安装提供支撑，同时起防水、防尘、防电磁干扰等作用，为各元器件工作提供稳定可靠的环境。
55.如图9所示，伺服电机28与开关本体37的输入轴通过平键35和联轴节36直接连接，通过联轴节36进行力和运动的传递，机械结构简单、传动环节少，机械可靠性高。
56.电机驱动开关设备的机械特性由程序控制，取消了采用传统操作机构的开关设备中起减速刹车作用的缓冲器。在电机加速阶段，集成式智能驱动控制装置27输出给伺服电机正向电流，在电机减速阶段，集成式智能驱动控制装置27输出给伺服电机反向电流，反向电流起减速刹车的作用，操作振动和冲击明显改善，操作噪声大大减小。
57.电机驱动开关设备的机械特性内置于集成式智能驱动控制装置27的控制程序中，动触头41的运动按照程序中预置的曲线进行，在一定范围内与开关设备的电气负载无关，机械特性稳定性高；而且，对机械特性进行调整和修改时，只需修改控制程序中对应的参数即可，操作方便。
58.电机驱动开关设备中动触头41的位置可以由辅助开关29和编码器30两种方式来反映，并且可以对二者反映的触头位置进行逻辑判断，若二者一致，则输出电机驱动开关设备的分合闸状态，同时对能否响应接收到的分合闸指令作出判断，若二者不一致，则输出报警信息，实现开关动作条件的双确认。
59.此外，电机驱动开关设备通过编码器30实时反映动触头41的位置信息，并在动触头41运动的过程中对其运动实现闭环控制，使动触头41的运动精度提高。闭环控制的方式为:对动触头41的当前位置与控制程序中预置的期望位置进行对比，并对动触头41的在每个时刻的位置进行不断调整，从而使其准确地按照预置曲线进行运动。
60.本发明提供的电机驱动开关设备具有机械可靠性高，操作振动噪声小，动作条件双确认、动触头运动精度高、动触头运动全过程可控、不同电气负载下机械特性稳定性强等特点。
61.本发明的电机驱动开关设备在储能系统、信号触发、逻辑判断、运动控制等多方面存在显著优势。具体地，1)依靠电容器储存开关动作所需的能量，具有储能速度快。安全可靠性高、使用寿命长，免维护等优点；2)通过集成式智能驱动控制装置的开入电平转换来识别分合闸指令，同样通过集成式智能驱动控制装置的开入电平转换来判断与动作相关的其他设备状态，还可以通过开出电平等向后台或用户反馈设备或动作的状态信息，相较于传统操作机构只能接收分合闸指令后，对应电磁铁受电，触发系统完成分合闸操作，具备强大的通讯功能；3)不仅可以通过二次回路实现与其他设备的互联互锁等逻辑功能，还可以针对集成式智能驱动控制装置接收到的相关设备状态信息的电平信号，利用逻辑程序实现更多的互联闭锁功能，且逻辑关系可以通过程序方便的进行修改；4)利用集成式智能驱动控制装置中的功率电子器件，控制和驱动伺服电机按照程序中预制的机械特性进行动作，伺服电机动作所需的能量来自储能电容，控制装置中设计有电流传感器，采集伺服电机电流，反馈给主控板，实现电流环的闭环控制，电机尾部设计有编码器，实时采集电机的位置信息，反馈给主控板，实现位置环和速度环的闭环控制；5)可以对电机在整个运动过程中实现全过程控制，控制精度高，操作机构抗负载变化能力强，机械特性稳定；6)通过参数化控制实现操作机构的输出，其输出机械特性修改方便，可以实现一台操作机构适配多个不同操作功的开关本体；7)操作机构内部只有伺服电机一个机械运动部件，无其他机械传动部件，机械传动环节大为减少，机械可靠性大大增强。
62.综上，本发明提供的电机驱动开关设备的驱动控制装置集信号采集、处理、就地存储和上传等智能化功能，以及伺服驱动等功能与一体，是现代信息技术、电力电子技术等新兴技术在传统的高压开关领域的应用。而且，本发明提供的电机驱动开关设备，具有机械特性柔性可调、不同负载下机械特性稳定性好、智能操控能力强等特点，是开关设备进行智能化转型和数字化控制的典型产品，是数字电网建设对开关设备的要求，是应对以新能源为主的新型电力系统建设带来的电网复杂程度提升的有效手段，实现了开关设备新的操控模式，具有很大的利润空间，尤其随着双谈目标的提出，该产品前景广阔，经济性强。