首页 > 论文范文 > 工程工业论文 > 电力工业论文 > 外置式伺服电机驱动控制系统在开关设备中的应用研究

外置式伺服电机驱动控制系统在开关设备中的应用研究

2025-05-06 42 上传者：管理员

摘要：为了提升高压隔离开关控制系统的稳定性与运行效率，提出了一种基于天牛须搜索融合粒子群算法的优化模型，用以精准调控外置式伺服电机的驱动。该模型深度融合了天牛须搜索算法的高效寻优特性与粒子群算法强大的群体智能优势，显著优化了系统的控制性能。通过设计本地与远程两种控制场景，对外置式伺服电机展开了控制验证试验。试验结果充分表明，此优化策略具有极高的可靠性与稳定性。该算法凭借更快的收敛速度和响应速度，有力保障了控制操作的即时性，为电力系统控制的优化升级提供了有力的技术支持，在实际工程应用中具有重大价值。

关键词：
外置式伺服电机
天牛须搜索
开关设备
粒子群算法
驱动控制系统
加入收藏

在电力输送系统中,高压隔离开关作为使用较多的元件,其重要性不言而喻｡电力输送系统所处环境常存在较大的不确定性,这就要求高压隔离开关具有良好的性能及高度的稳定性｡据国家电网公司统计,15%的电力系统事故由高压隔离开关故障引发｡其中,因开关质量问题导致高压隔离开关出现误动､拒动等故障的比例占总故障的69.7%[1]｡

许多研究尝试在高压输电系统开关中应用新的材料､结构､技术以及工艺｡文献[2]设计的高压隔离开关触头系统选用特殊材质的铜合金,不需要压紧弹簧就可保障触头具有良好的导电性｡文献[3]根据10kV接地开关的机械结构,设计了一种新型的电动操控机构｡文献[4]研究了一种通过控制电机执行器输出力和位置,进而实现对物理系统精确控制的系统｡外置式伺服电机驱动控制系统在高压电力系统开关设备中的研究应用也越来越多｡该系统具有高效率､强稳定性､高控制准确性､适用于多种使用环境等特性,能够满足高压电力输电系统开关设备的需求｡

10kV开关设备被应用于10kV电力系统中,其在电力的接通､电流的断开､电力系统的稳定性保护､电力输送的控制以及相关系统的隔离等维护电力系统运行方面作用重大,确保电力系统的安全稳定运行｡隔离开关通常用于断开电力设备与电源的连接,在设备检修和维护时用来隔离电源,确保工作人员的安全｡隔离开关一般不用于带负荷切换电流,也不具备断开短路电流的能力,它通常与断路器､负荷开关等设备配合使用,以确保电力系统的安全可靠运行｡因此,实现对隔离开关设备的精准､快速控制十分重要,对其电机的控制更是整个系统的核心环节｡

本文设计了一种外置式伺服电机驱动控制系统,并将其应用在10kV的开关设备中｡同时,搭建了相应的实验测试平台进行验证,结果表明,该系统具有较好的适用性｡

1、10kV开关设备中外置式伺服电机驱动控制系统设计

1.1外置式伺服电机控制系统架构设计

外置式伺服电机控制系统架构如图1所示｡该系统主要分为电源模块､单片机控制模块､驱动模块､电力检测电路模块､光耦隔离放大电路模块､三相输出切换电路模块､霍尔切换模块､电机模块8个模块｡

在该系统架构中,数据实现双向传输,这意味着控制系统不仅向伺服电机发送控制指令,还能够接收来自伺服电机的反馈数据｡双向通信使得伺服电机的状态(如位置､速度､扭矩､温度等)能够实时反馈给控制系统,控制系统依据这些实时反馈信息调整控制指令,从而实现更为精确的闭环控制｡通过双向数据传输,控制系统能够准确判断伺服电机当前的状态,并根据所需工作状况进行快速调整｡这种快速响应提高了系统的控制精度,尤其是在动态负载变化的情况下,系统能够实现快速加速､减速和位置校正,确保动作更加平稳与精准｡双向数据传输允许系统根据反馈信息进行实时调整,这使得系统能够适应环境变化､负载波动等因素,保持运行稳定｡根据反馈数据,控制系统能够在一定程度上避免过载､振动等问题,从而提升其稳定性和可靠性｡

图1外置式伺服电机控制系统架构

单片机控制模块的主要功能是提供PWM信号所需的时钟频率,决定PWM波形的频率和分辨率,然后根据时钟频率生成PWM波形的时序｡在此过程中,采用了一个递增的计数器计数,并在到达设定的占空比值后再次重置｡同时,将计数器的值与设定的占空比值进行比较,当计数器值达到设定的占空比时,输出信号状态改变为高电平或低电平｡驱动模块的主要作用是将控制信号转换为电机所需的电流和电压,以控制电机的转速和输出转矩,通过接收来自控制模块的反馈信号,实现精确的位置控制,确保电机达到预定的位置｡这样不仅能够确保开关动作的稳定可靠,还能在预定的时间内精准实现开关的闭合或开断操作,避免因位置误差导致的接触不良或机械磨损｡这种精确控制通常要求高精度的系统来实时监测开关的位置,并通过伺服电机调整其位置,从而达到所需的操作状态｡根据初始设定的速度参数,调整电机的运行速度,保证电机转速的稳定｡还可以根据负荷变化的需求,调节电流,控制电机的输出转矩｡同时,还能够实时监测电机的运行状态,一旦电机出现异常情况,将会立即启动相应的保护措施,确保整个系统的安全｡

霍尔切换模块中包含霍尔传感器,该传感器主要是检测电机转子的具体位置,通过输出的脉冲信号控制系统提供电机转子实时的位置信息,为控制系统实现位置控制提供精确的定位功能｡霍尔切换模块还可以为控制系统传递信号的频率,控制系统通过信号的频率计算电机的转速,实现对电机速度的实时监测和调节｡在三相伺服电机中,霍尔切换模块还能够提供各相的相位信息,帮助驱动模块正确控制电流的相位,确保电机的平稳运行｡霍尔传感器能够判断电机的旋转方向,控制系统可以据此方向信号动态调整电机的运行策略｡

本文电源模块设计的思路主要是数字电路､控制电路,同时确保输出的电压可变,控制电路CPU选择MP2359芯片｡电路输出电压的表达式如下:

查询MP2359芯片手册,在端口BST与端口SW间接入浮动电容CB,使得端口BST的电压保持略高于输出电压,使MP2359芯片的电源开关始终处于工作状态[6]｡

控制系统的主要参数包括位置､电流､电压､电机转速与加速度､伺服电机输出转矩､电机温度､环境温度､振动与负载等｡

1.2电机驱动控制算法设计

电机驱动控制器广泛应用于工业控制领域,通过调节系统输出实现所需性能｡电机驱动控制器参数的调节需要通过经验､试验或数值优化方法来实现,以满足特定的动态性能要求｡为了提高电机驱动控制器参数的优化效率和精度,近几年来,许多基于智能优化算法的方法被提出,其中,基于天牛须搜索算法与粒子群算法的融合优化方法已成为重要的研究方向｡

天牛须搜索算法(beetleantennaesearchalgorithm,BAS)是一种基于自然界天牛觅食行为的启发式优化算法,模拟天牛在寻找食物过程中的行为,通过在搜索空间中进行探索,寻找更优的解[7-8]｡而粒子群优化算法(particleswarmoptimization,PSO)是一种模仿群鸟觅食方法的高级智能分析算法｡在PSO算法中,每个解(粒子)在搜索空间中代表一个潜在的解,并通过迭代更新位置来逼近最优解｡粒子群优化算法通过“个人经验”和“群体经验”来进行搜索,有效地平衡了全局搜索与局部搜索｡粒子群优化算法在优化连续和离散问题中表现出良好的性能,特别是在多维参数优化问题中,粒子群优化算法具有较强的优势｡考虑到电机驱动控制器参数较多,采用基于天牛须搜索算法与粒子群算法的融合优化方法(BAS-PSO)对电机进行驱动控制｡该方法的流程如图2所示｡

图2天牛须搜索融合粒子群算法流程

首先根据得到信号数据,对BAS进行初始化处理,然后更新天牛左触角､右触角坐标(该坐标表示电机的位置信息),根据天牛须搜索机制,利用局部信息和全局信息,引导粒子向更优解移动｡

由于天牛初始化位置是随机的,可以获得两个触角的位置:

式中:b表示天牛算法的搜索方向,为了保证精确性,搜索的方向随机生成;t为算法的迭代次数;f表示坐标;dt表示两个坐标的距离[9]｡

在粒子群优化过程中,更新的表达式如下:

式中:v为速度;x表示粒子所在的位置;pbest表示粒子所能找到的当前的最佳位置;gbest表示粒子所在全局能处于的最佳位置;w表示其他参数的惯性权重;c1和c2为粒子群优化算法采用的学习因子,一般为非负常数;r1和r2表示粒子群优化算的随机数｡c1和c2赋予粒子自我总结和学习群体中优秀个体的能力,其取值十分重要的,本文取值表达式如下:

控制器优化问题的本质是找到适当的参数Kp､Ki､Kd,本文采用ITAE参数性能指标来进行评估:

本文基于Python,对ITAE的指标进行了仿真模拟,模拟结果如图3所示｡

图3天牛须搜索融合粒子群算法的ITAE仿真

仿真结果表明,在相关参数完全相同的情况下,控制器不仅误差更小,收敛速度也更快,且不易陷入局部最优解,能够更加快速地得到全局最优解｡

2、开关设备中外置式伺服电机驱动控制系统结果分析

2.1算法对比

为了验证本文所提算法的优越性,采用其他的算法对收敛速度进行仿真分析,其收敛速度及ITAE误差分析结果如图4所示｡

图4不同算法的收率速度对比

由图4可以看出,在收敛速度方面,BAS算法的收敛速度在大约30个迭代步数时达到最大值,在50步左右达到稳定;PSO的收敛速度在大约40个迭代步数时达到最大值,在60步左右达到稳定BAS-PSO的收敛速度在大约20个迭代步数时达到最大值,在30步左右达到稳定｡从收敛速度来说,BAS-PSO能够在最小的迭代步数达到最快的收敛速度,并且最快的收敛速度优于其他两种算法｡在达到稳定的收敛速度后,BAS-PSO的稳定收敛速度也较快于BAS和PSO的稳定收敛速度,这说明了BAS-PSO更具优势｡

2.2验证结果分析

本文搭建了相应的实验平台对10kV开关设备的控制系统进行验证｡对隔离开关电驱动开合闸中的电力变化进行监测,总共分为5步:第1步,通过分析电机与离合器之间的啮合过程,控制PWM波形的输出来进行模拟分析;第2步,在电机运行的加速过程,通过控制电机两端电压值的高低,来保证电机能在最短的时间内,以较安全和稳定的方式使电机达到最大的运行速度;第3步,根据需要的完成时间来对电机的速度进行控制,并且实时分析匀速运行的结束时间;第4步,在达到需要减速的时间后,控制器立即发出信号对电机进行减速,并且在最短的时间内让电机的运行速度减到零值;第5步,控制电机以最小的速度且在最短的时间内完成对应力的完全释放,保证后续可以切换到手动模式｡

霍尔传感器采集到的处理后的原始信号电流曲线如图5所示｡

图5原始信号的滤波处理结果

由图5可以看出,通过滤波算法处理后的信号光滑了许多,对电流波形毛刺或噪声的去除都达到了很好的效果;对于信号的处理效率也较高｡

对10kV开关进行了标准验证测试,如表1所示｡

表110kV开关标准验证测试结果

由表1可以看出,所有的测试结果性能均能达到相应的指标,证明了本文设计的合理性｡

3、结语

本文对10kV开关设备中外置式伺服电机驱动控制系统在硬件和软件方面进行了详细的设计与分析,在此基础上,提出了天牛须搜索融合粒子群算法,对外置式伺服电机驱动的控制进行了优化分析,并且和天牛须搜索算法以及粒子群算法进行了详细的比较｡研究结果表明,天牛须搜索融合粒子群算法相较于另外两种算法,在收敛速度与收敛步数上均有显著提升｡对电流的噪声或毛刺进行了滤波处理后,对10kV开关进行标准验证测试,结果表明,本文设计的外置式伺服电机驱动控制系统能够满足实际应用要求｡

参考文献:

[1]蒋赟,陈机林,侯远龙,等.基于AFSMC的步进电机伺服系统控制研究[J].电气自动化,2020,42(2):90-93.

[2]吴上泉.基于DSP的电动六自由度运动模拟器位置伺服控制策略[J].电气自动化,2016,38(6):1-4.

[3]唐鹤,周俊宇,骆国铭.基于实时电网拓扑的母线负荷预测技术研究[J].微型电脑应用,2021,37(2):76-79.

[4]吴蔚,路林吉.基于ARM单片机的直流塑壳断路器的电子式脱扣器设计[J].微型电脑应用,2013,29(4):42-44.

[5]施新勇,丁建平,金梦,等.12kV常压密封开关设备防水､透气和防凝露装置技术研究[J].中国新技术新产品,2024(5):83-85.

[6]李亚琼,黄伟,杨国华.10kV成套开关的结构设计对电气性能的影响分析[J].电子技术,2024,53(5):334-335.

文章来源:程思敏,李晨涛.外置式伺服电机驱动控制系统在开关设备中的应用研究[J].微特电机,2025,53(04):66-70.