電磁斥力機構動作速度的自適應調控算法

1、電磁斥力機構動作速度的自適應調控算法引言 電磁斥力機構具有結構簡單，分、合閘速度快的優(yōu)點。它的 力學性能也比傳統電磁機構與永磁機構更好。 但是由于電磁斥力 機構在合、分閘行程結束時，驅動力很小，當應用于真空滅弧室 操作時， 只能靠機構和壓桿的慣性來壓縮觸頭彈簧。 如果速度不 夠，將導致動能不足以完全壓縮觸頭彈簧，造成合閘失敗。如果 速度過快，就會增大觸頭的沖擊，縮短觸頭壽命。因此，對電磁 斥力機構動作速度的控制非常重要。 另外， 電容的老化會使電磁 斥力機構的動作越來越慢， 使它的機械特性變化。 為了保證電磁 斥力機構的機械特性長期穩(wěn)定， 需要一種對電容及其它零件老化 的補償措施。電磁斥力機構

2、的運動過程涉及到電路、 電磁感應、 電磁力以 及機械運動等多個相互作用的動態(tài)過程。 如果要完全控制它的運 動過程， 需要聯合電路方程、 空間磁場與渦流方程以及機械運動 方程來求解。 由于計算過于復雜， 很難通過理論計算直接得到精 確的數據。雖然目前有如 Ansoft 等相關的仿真軟件可以使用， 但是仿真軟件無法精確仿真電路和磁場，也無法計算空氣阻力、 溫度、濕度及零件狀態(tài)所帶來的影響， 僅能給出一個用于物理模 型設計的初值。 由于影響電磁斥力機構的運動因素過多， 且都非 常復雜，從物理模型試驗中也很難測得電磁斥力機構未來的特性 變化。因此，對電磁斥力機構的運動特性進行深入的理論研究及 軟件仿真

3、對生產實踐并沒有很大幫助。如果采用計算機控制技術對其動作時間和速度進行宏觀上 的自適應的控制， 由于計算機或單片機會自動根據歷史數據對機 構的動作特性進行調節(jié)， 設計人員不再需要預先計算出非常精確 的數值。電磁斥力機構的設計成本將大為降低。此外，自適應的 控制方案又能自動補償元件老化造成的動能損失， 生產電磁斥力 機構不再需要精密的元件， 使電磁斥力機構的生產成本也有所下 降。以上兩點說明基于計算機控制技術的電磁斥力機構動作速度 自適應控制方案具有很大的可行性。本文基于計算機控制技術， 并利用十分簡單可靠的控制方法 建立用于電磁斥力的宏觀自適應控制理論。1. 電磁斥力機構的原理簡介電磁斥力機構

4、的研究已有三十余年的歷史， 其結構形式不外 乎靜線圈和動線圈。只是線圈的實現形式不同，有導電盤、導電 筒等單匝形式，也有盤式線圈、筒式線圈等多匝形式。單匝形式 線圈的電能來源為感應電流， 多匝形式線圈的電能來源通常為直 接電源。所有形式的斥力機構工作原理都是一樣的， 由靜線圈和動線 圈的電流產生反向磁場， 使動、 靜線圈之間產生相互作用的排斥 力而推動動線圈運動， 并通過推桿將動能輸出。 最后由保持機構 保持合、分閘狀態(tài)。雖然其動作過程非常復雜，但是本文借助計算機控制技術， 只需對電磁斥力機構進行定性分析即可得到控制 算法的理論依據。2. 電磁斥力機構的特性簡介由文獻 1234的電磁斥力機構特

5、性曲線可以確定， 電磁斥力機構的斥力主要集中在機構動作時間的前50%。如上圖，機構的行程為8mm動作時間約為1.4ms，電磁斥力主要集中在 0.7ms 以前。如上圖所示， 電磁斥力機構的電容儲能電壓改變后， 斥力曲 線僅在 y 方向上拉伸。因此可以確定，電容儲能電壓改變，不會 影響機構觸發(fā)后的電容放電時間。3. 電磁斥力機構的控制3.1 理論依據通常，電磁斥力機構觸發(fā)后， 電容中的大部分能量在機構完 成動作前被釋放。 由于本文不需要用到精確數據， 故可認為電容 的能量在機構動作時間內完全釋放。聯合電容的電勢能公式（5）機構動能公式（6）及能量守衡公式（7）解，得式中，U0為電容儲能電壓，C為儲

6、能電容器電容值，m為機 構運動部件質量，vs為穩(wěn)態(tài)速度，n為能量轉換效率。由第 2 節(jié)結論可以確定， 對于同一臺電磁斥力機構， 僅改變 電容儲能電壓的前提下，其特性曲線僅在 y 軸方向上放大或縮 小。根據圖 2-3 所示的曲線，可近似認為它的穩(wěn)態(tài)速度、平均速 度及每一時間點的瞬時速度之間都是成正比的。再根據式（8），可以近似確定電磁斥力機構動作平均速度也正比于電容儲能電 壓。3.2 控制系統框架 要實現電磁斥力機構動作時間的自適應控制， 單片機必須知 道斥力機構每一次的動作時間，并能主動調節(jié)電壓。因此，如下 圖所示，控制電路除機構的合、分動作觸發(fā)接口外，還應設有斥 力機構位置或速度檢測的接口和

7、充電電路的接口。3.3 控制算法 若已知某次動作的平均速度為 vave ，期望的平均速度為 vexp，那么速度調整系數為。由于機械動作平均速度與電容儲能 電壓成正比， 電壓的調整系數應等于速度的調整系數， 若原設定 電壓為U0,則下一次操作的設定電壓為（9） 由上式可以確定電磁斥力機構動作速度控制的主程序偽代碼如下：1. 系統初始化for （；） 2. 檢測合、分閘儲能電容電壓。 若電容電壓高于設定最大值， 則停止充電； 若電容電壓超過安全值， 則停止充電并給出報警信 號，停止后續(xù)操作；若電容電壓低于設定最小值，則開始充電。3.通過操作面板對期望速度值進行調整。4. 檢測機構的合、分指令。若有

8、合、分動作指令，則觸發(fā)電 磁斥力機構動作，并檢測或計算該次動作速度。5. 若機構無動作，則跳過該步驟。若機構動作，則按迭代式 計算出下一次合閘、或分閘對應的電容充電電壓設定值。6. 向上位機報告開始充電的時間， 停止充電的時間及其它相 關數據。對于上述偽代碼， 若系統性能不好， 可將第 4 步直接置于中 斷函數處理。3.4 自適應調控下的電磁斥力機構調試與維護 電磁斥力機構出廠前及更換儲能電容器或其它零件后， 應試 動作數次，直到動作特性穩(wěn)定后才能運行。若機構第一次動作后， 或機構在長時間正常使用后， 控制系 統發(fā)出電容儲能電壓過高報警，說明當前使用的電容器容量不 足，應更換新電容或重新選型。 更換新電容后應將控制器復位再 做機械