BLDCM

BLDCM三相繞組的電壓平衡方程可表示為

定子繞組產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩方程與運動方程分別為：

式中：

u_a、u_b、u_c——為定子相繞組電壓;

r——為定子每相電阻;

i_a、i_b、i_c——為定子相繞組電流;

e_a、e_b、e_c——為定子相繞組電動勢;

L——為每相繞組的電感;

M——為每相繞組間的互感;

p——為微分算子;

T_e——為電磁轉(zhuǎn)矩;

T_L——為負載轉(zhuǎn)矩;

B——為阻尼系數(shù);

J——為轉(zhuǎn)動慣量;

ω——為電機機械角速度。

根據(jù)其數(shù)學模型分析可知，為了能夠?qū)﹄姍C運動速度進行控制，進而控制開關(guān)觸頭的運動過程，須在兩相繞組的兩端加上可變電壓，采用脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)來獲得可變電壓。DS觸頭運動的驅(qū)動力由BLDCM提供，觸頭運動速度的調(diào)整是通過改變PWM 的占空比來實現(xiàn)的。不同的占空比下電機帶動觸頭運動的行程是不同的，如圖1所示，從左至右依次為占空比是90%、75%、65%、60%電機運動的行程曲線。從圖1中可以得出，占空比越大，行程曲線的上升斜率越大，即電機轉(zhuǎn)速越大;隨著占空比的減小，行程曲線斜率變小，即電機轉(zhuǎn)速變小。

通過實時改變PWM 的占空比可以實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)速的控制，進而實現(xiàn)對開關(guān)觸頭運動過程的控制，使觸頭運動能夠在特定的行程點達到特定的速度要求。

1、BLDCM 操動機構(gòu)

圖2為550kV配電機操動機構(gòu)的隔離開關(guān)實物圖。DS電機操動機構(gòu)是一臺配有限位器的BLDCM，它通過拐臂直接驅(qū)動DS傳動主軸，帶動開關(guān)觸頭實現(xiàn)分合操作，克服了以往的高壓隔離開關(guān)操動機構(gòu)采用彈簧、液壓或氣動技術(shù)，具有的連桿多、結(jié)構(gòu)復雜等缺點．

2、DS電機機構(gòu)控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)選用DSP作為控制模塊核心來完成整個系統(tǒng)的功能。該系統(tǒng)還包括分合閘隔離驅(qū)動控制電路、電機位置檢測電路、速度檢測電路、繞組線圈電流檢測電路以及電容充放電控制電路等。電動機操動機構(gòu)及控制器的電氣原理圖如圖3所示。

1)分合閘隔離驅(qū)動控制電路設(shè)計。采用功率開關(guān)器件IGBT來控制三相繞組電流的通斷，并設(shè)置RCD緩沖電路改變器件的開關(guān)軌跡控制各種瞬態(tài)過壓，降低器件開關(guān)損耗，保護器件安全運行。如圖3所示，在IGBT關(guān)斷過程中，電容C通過二極管充電，吸收關(guān)斷過程產(chǎn)生的du/dt，在IGBT開通后，通過電阻R放電。吸收二極管必須選用快速恢復二極管，其額定電流應(yīng)不小于主電路器件額定電流的1/10。此外，應(yīng)盡量減小線路電感，應(yīng)選用內(nèi)部電感盡量小且高頻特性好的吸收電容。

2)電機位置檢測電路設(shè)計。位置檢測電路起著測量轉(zhuǎn)子磁極相對位置的作用，為邏輯開關(guān)電路提供正確的換相信息，然后控制定子繞組換相。本控制系統(tǒng)采用三個鎖存型霍爾元件按一定角度固定在霍爾盤上作為電機位置檢測傳感器?；魻柋P固定在電機外殼上，制作一個圓形磁鋼模擬電機內(nèi)部磁場分布，磁鋼固定在電機主軸上。當電機運動時帶動磁鋼旋轉(zhuǎn)，霍爾元件輸出電平發(fā)生變化，DSP通過捕獲霍爾元件輸出信號獲取電機轉(zhuǎn)子所處位置。

3)速度檢測電路設(shè)計。采用光電旋轉(zhuǎn)編碼器去檢測轉(zhuǎn)子的速度，光電旋轉(zhuǎn)編碼器由固定在定子上的光電耦合開關(guān)和固定在轉(zhuǎn)子軸上的遮光盤所組成。光電耦合開關(guān)沿圓周均勻分布，每只光耦合開關(guān)由相互對著的紅外發(fā)光二極管和光敏三極管組成。遮光盤位于發(fā)光二極管和光敏三極管中間，盤上開有一定角度的窗口。紅外發(fā)光二極管通電后發(fā)出紅外光，當遮光盤隨電機轉(zhuǎn)子一同旋轉(zhuǎn)時，紅外光間斷地照在光敏三極管上，使其不斷導通和截止，其輸出信號反映了轉(zhuǎn)子的速度。

4)繞組線圈電流檢測電路設(shè)計。傳統(tǒng)的電流檢測電路多利用分壓電阻的方式，此種方法簡單，但電阻會因為溫漂而發(fā)生變化，無法保證測量的精度。同時外部電路與控制電路之間沒有電氣隔離，極易造成主回路中的較高電壓對控制回路的沖擊，對控制系統(tǒng)的安全構(gòu)成威脅。因此在電流測量電路中，采用可實現(xiàn)電氣隔離的霍爾型電流傳感器CHF-400B，傳感器輸出電壓與輸入電流成比例，比值為1/100。電機在正常運行過程中每相繞組中的電流是交變的，但是A/D模塊的輸入電壓范圍是0～3.3V，所以在傳感器輸出信號前應(yīng)先通過加法器，再經(jīng)過比例運算電路以保證線圈電流信號的安全性。

5)電容充放電控制電路設(shè)計。BLDCM 采用儲能電容代替?zhèn)鹘y(tǒng)的彈簧等儲能方式。在控制系統(tǒng)中設(shè)計了電容的充放電控制回路，當控制器上電后，首先對電容器組進行充電，由DSP采集電容電壓的信號并進行處理，當電壓值達到系統(tǒng)操作要求時，DSP發(fā)出停止充電指令，切斷外界電源。

對DS操動機構(gòu)電機控制系統(tǒng)進行搭建并做了大量的試驗，可以得到以下結(jié)論：

1)結(jié)合對BLDCM數(shù)學模型分析，提出并研究了DS電機操動機構(gòu)控制技術(shù)。該操動系統(tǒng)將高壓電器技術(shù)和電機控制系統(tǒng)相關(guān)理論及應(yīng)用技術(shù)結(jié)合，克服了傳統(tǒng)DS機構(gòu)操動過程的不可控.經(jīng)過運行、調(diào)試，結(jié)果證明了該方案的可行性。

2)通過調(diào)速控制系統(tǒng)，能夠使DS觸頭在特定行程段達到特定的速度以滿足550kVDS技術(shù)指標要求。

3)BLDCM操動機構(gòu)不僅能提供基本的DS驅(qū)動功能，更能夠?qū)崿F(xiàn)DS操動過程的智能化操作，為高壓隔離開關(guān)操動機構(gòu)提供了更先進的應(yīng)用平臺新技術(shù)。