高架空气断路电力配电开关所用的马达伺服机构

本发明涉及断开、闭合常用的架空电杆安装类型的电力配电开 关、并监视此类电力配电开关状况的遥控执行机构，所述配电开关闭 合触点以输送高电流—电压，而断开用环境空气间隙分开触点以切断 电路。

向电力用户常规供电的最主要的方法是使用通过高架输电线输送 的单相或者三相电。为了使这些电路能够断开、改线、或者以其它的 方式重新安排，常使用空气断路的、单相或者联动三相开关。这些开 关典型地安装在木、钢或者水泥杆上，而操作机构典型地是通过电杆 下用木、钢、或者玻璃纤维的棒或者说杆操作的。操作这些开关的方 法主要是手动，即人类操作员或者说“电工”打开一个安全挂锁然后 操作一个手柄或者说杆去闭、断所述开关。要求扭转操作的旋转所述 杆和需要上下操作杆的往复移动所述杆的两种方法都是常用的。

在近几十年来，随着电力系统的自动和遥控操作越来越在经济上 可行，自动操作这些开关的执行杆的马达驱动系统(马达伺服机构)已 经符合实用。在得不到交流电源时，这些系统必须由直流电池等得到 动力来操作开关。这些系统多数装备有一个简单的、以微处理器为基 础的计算机，在本行业上称作遥控终端装置(RTU)，它使执行装置/开 关组件能够用无线电、纤维光导、电话或者其它常用数据通信技术遥 控操作。

在马达伺服机构中，开发了各种技术把马达的电动力，通过旋转 约90度角(用于旋转操作的执行机构)或者通过竖直移动约一英尺(用 于往复执行机构)转换成操作执行器杆所需要的力。最常用的方法包括 交流或者直流电动机和传动装置，或者各种液压装置，后者包括电动 机驱动的泵、压力腔、阀门等。

所有这些马达伺服机构的共同特点是电力配电开关触点要求正确 地定位和适当地加以张力，并且执行机构的闭断动作要求干脆、快速。 这是必须保证，在闭合时开关的触点提供最大的电流流动表面面积并 且牢固地固定在位以防止交变电动力引起振动和出现电弧。在断开和 闭合的操作时会在触点的周围出现电弧。适当地消除这种电弧则要求 开关机构运动迅速。

尽管开关组件要求相当准确地操作执行机构杆，这些马达伺服机 构的控制系统一般都相当地简单，包含：执行继电器或者马达接触器 的机电组件，它们接合以发起操作；以及输出的杆上的机电限位开关， 限位开关自动地在或者接近于所希望的止动点制动马达并且执行任何 相关的功能(关闭阀门、实施制动等)。在大多数这些控制系统中，到 电工、遥控操作人员或者自动换路系统的反馈还是相当原始的，由简 单的电池状态指示、开关位置指示和可以由接近传感器得到的其它指 示构成，如开关柜门是否打开、开关柜内是否存在手动操作柄，或者 伺服机构和其执行组件是否机械地接合等。

在初始使用时，在理想的条件下所述的伺服机构工作相当不错。 但是当环境因素引起开关组件、伺服机构的工作条件和电池中有效电 能变化时就出现了许多问题。这些问题可以引起开关操作不正确，有 潜在的严重后果。

最明显的问题来自一或者多个开关由于结冰或者熔焊(电弧放电 相关的大电流冲击引起的)触点粘附到其配合表面上。这一般会使马达 转动到其断路器或者保险丝动作断路为止。除非所述断路器能够自动 复位，开关就需要立即进行人为干预；而即使自动复位，也不可能再 成功地工作。另外一个不希望出现的情况是机械受张力而断开电路。 在出现焊坏触点时，末焊的触点不再能牢靠地固定在位。在结冰时， 在问题没有纠正前冰的融化可能会使开关局部开路。

其它的问题涉及克服开关触点粘结和碎片或者结冰所需要力的变 化。伺服机构必须设计得施加必需的力而不是过大力，否则会使开关 装置易于损坏。因为施加在开关上的力取决于许多因素，这是一个用 简单的机电设计难于解决的问题。以任何原因施加过大的力时，希望 能够把这种情况指示给遥控操作者，使之能够进行预防性的维护或者 检查。

另一个问题出自操作速度的不可控制的改变。这些改变由电池的 供电电压充电情况的变化、老化、温度等引起。还可以由开关机械条 件的变化引起，如松弛、腐蚀等。多数情况下，现有的伺服机构中， 限位开关必须在所希望的止动点前在断路位以便使伺服机构能够减慢 速度并且停止。这要求制动距离与限位开关的初始设定相符。限位开 关接触时的速度的变化造成的制动距离的改变不可能在这种机电安排 中得到充分考虑。

现有设计的另一个问题是，在其它事情明显出错时难于为遥控操 作者产生指示。例如，如果执行装置与开关机械地脱钩时，马达伺服 机构可以显现工作正常但是不把开关移动到所要求的位置。尽管接近 传感器可以用来检测这种状态，这些传感器必须放置在不利的室外环 境中，如果适当装备的话则成本高，而且工作不可靠。

另一个问题涉及到调节数字限位开关的复杂性，以及数字限位开 关固有的不可靠性。难于可靠地进行这些开关的机械调节，而只有非 常主观的标准来校正调整。

另一个问题涉及到把所述伺服机构耦连到开关上。这典型地用U 型栓钉滑动配合固定在位的方式进行。这使伺服机构和开关能够机械 地连接而不考虑限位开关的调整。假若没有滑动配合，典型的伺服机 构就在会进行耦连之前要作一些转动，以达到正确位置。这种耦连是 成问题的，并且在高力矩的运转时可能打滑，引起开关偏离调节值。

另一个问题涉及到电工由前面板操作装置时面临的危险条件。现 有设计根本没有使操作人员能够在开关动作前脱离险区的方法。

本发明用一种伺服机构解决上述问题，这种伺服机构结合一个微 控制器，即基于微计算机的控制器，一个独特而强大的良好整合的传 感器阵列、一个响应微控制器向执行机构发出基本力矩和速度的马达 和和驱动，和一个存储在执行机构方面的存储器中的复杂编程算法， 用于动态地管理变化的情况所要求的各种控制模式。所述传感器包括 一个与马达和驱动相关联的编码器，它把信号的位置信号馈向微控制 器，以计算与以下面公开的各种方式断开、闭合和监视开关的状态的 遥控操作指令联合使用的包括位置、速度和制动距离在内的实时信 息。在微控制器的指导下，一个马达驱动开关电路向所述马达选择性 地施加一个电源，例如来自现场电池的电源，按照微控制器响应传感 器输入确定的条件，以不同的速度、力量大小，如不同的力矩，和连 续的或者步进的运动把所述开关驱动到断开或者闭合位置。

在优选的实施例中，由马达和驱动看的输出负荷由马达电流降在 一个电阻上来监视电压检出。检出的负荷作为输入馈向微控制器并且 用作开关操作的计算情报。例如如果向微控制器的输入一起表示在配 电开关上有冰阻塞，就启用一个专为此特殊障碍预先编程的断开或者 闭合的程序。马达伺服力矩和/或速度优选地由一个可以切换的阻尼元 件，例如马达电池电路中的电阻改变。

还是在此优选实施例中，控制算法区分于断开开关(OPEN断开) 的操作和闭合它(CLOSE闭合)的操作之间。断开以执行机构向闭合方 向移动开始，以确定伺服机构是不是断开的，然后以高力矩的断开操 作去把触点尽可能快地从它们的配合表面移开，以消除在供电时会由 开关断开操作引起的电弧。闭合操作以低力矩操作开始，在冰引起一 个而不是所有的控制臂一定程度上贴附在开关体上时，这将防止控制 臂的毁坏。闭合操作后一个短时间的延迟之后，控制开关转向高力矩 模式，在闸刀到达配合面时产生高速度和力矩。开关的触点闭合并且 受到张力时此操作终止于止动终点位置。优选的闭合程序使马达驱动 执行机构和从而驱动开关触点到预定的闭合张力，这使用了存在于马 达和开关之间的机械系统，包括诸如执行机构杆之类的执行机构元件 的弹簧特性。

本优选实施例的另一个方面提供马达起动、正常关闭和在微控制 器控制下的过载关闭，以利于从故障状态下恢复，并且向遥控指挥站 或者控制系统提供另外的状态信息，用于正确地动作。

该优选的控制算法的另一个特点是精确的电池监视和电源管理， 以保证马达伺服机构将发出特定的力矩和速度，以使转换率最大，提 供有价值的电池情况指示，并且在放电终结时有次序地更换电池。

该优选实施例的另一个方面是马达的制动距离并且因此受操纵的 开关触点由馈向微控制器的传感信号动态地计算。这种制动距离计算 由微控制器用于在不同的马达和执行机构速度下把开关触点驱动到所 需要的精确终点位置。

另外，微控制器的算法具有“微动”模式，其中步进地向马达施 加电力，以小量地步进执行机构，用于不同的情况，包括精确的定位 和执行机构杆力矩的调节。

优选实施例中本发明的其它方面包括：

传感和指示马达伺服机构的故障情况的方法，这些故障情况只需 要并且只能通过现场检查排除。

一个基于微控制器的控制系统，它可以在正常的操作不能产生预 期的结果时智能地发挥作用。

开关机构的力矩的多层次控制，以防止由于不完备的开关操作把 开关触点留在任何不完全断开、或者不完全闭合的位置处所造成的损 坏。

不需要任何机械调整就能够选择最终的控制杆在闭合位置的力矩 值。

在马达过载的情况下，在发生损坏前或者需要叫人维修的电路断 路器/保险丝运作之前关断马达，而且在关断后，反向转动马达以把开 关退回到正常或者更正常的位置。

结合马达电流监测电池电压，以能够在低电压时检出马达过载， 另外的情况下低电压可能不会使简单的过电流检测装置动作。

通过上述的微动模式取消非刚性执行机构开关连接的需要。

马达伺服机构中的动态制动以快速和精确地制动开关。

控制逻辑或者算法以可靠地确定配电开关是还断开、闭合或与自 动操作机构脱离连接。

测量电池系统中的可用能量，以通过使用马达发出所需要大小的 力矩，例如经过瞬间地通过断开充电装置去掉表面电荷，加上大的固 定负荷、断开所述负荷然后测量得到的电压的方法测量电池电压；

在大的固定负载下测量电池，并且通过乘以有载和空载电池电压 之差来影射来响应马达转子锁定情况下的电池电压，最终通过施加一 个固定校正因子来校正所述结果。

用光电隔离耦合器(光耦)装备微控制器，以使服务计算机的挂接 能够提供现场控制和马达操作地点的故障检测；以及

在马达伺服机构壳内装入一个受控制的开关箱加热器，并且由温 度传感器的对微控制器的输入来控制它以防止凝结。

下面参照附图进行的说明可以更充分地了解本发明的上述方面和 其它方面，附图中：

图1是电力配电系统中的高架空气断路开关的马达伺服机构的优 选实施例的功能方框图，其中，马达伺服机构根据本发明构成，用于 通过一个执行机构操作开关。

图2为图1所示的马达伺服机构主要机械部件的分布正视图。

图3是图1和2的马达伺服机构用的主电子控制和电池切换电路 示意图。

图4是图1所示的前面板/微程序器的功能方框图。

图5是图1所示的电源控制电路板的主部件功能方框图。

图6a和6b分别是指示器和手动开关，以及马达伺服机构处的控 制面板上的某些指令的布置图。

图7a和7b是图1所示的马达伺服机构编程操作的时间间断流程 图。

图8是图1所示的马达伺服机构的编程操作的编码的位置信号监 视的流程图。

图9是编程操作的指令发送流程图。

图10是编程操作的闭合模式的流程图。

图11是编程操作的断开模式的流程图。

图12是编程操作的断开/闭合模式的流程图。

图13a和13b是编程的电池检测的流程图。

图1所示为马达伺服机构优选实施例，这里称作M1，其中主要 的功能部件包括：一个机械连接到配电开关(见图2，它可以是安装在 电杆上并且由从电杆上伸下到马达伺服机构M1的位置的杆或管机械 推动的众多空气断路式开关之任一种)的驱动连动组件(101)；一个马 达组件(102)；一个大电流部件组件(103)；一个前面板/微处理器板 (104)；一个电源调整电路板；一个通信接口(107)；蓄电池组(106)和 故障指示器(109)。图2示出机械部件的布局。图3示出大电流组件的 接线。图4和5详解前面板/微控制器板和电力调节电路板。图6和6b 示出开关、发光二极管和前面板图示。

驱动连动组件(101，201)，为输出执行机构(202)提供机械驱动。 在优选实施例中，一个蜗轮蜗杆传动箱(203)为M1马达伺服机构提供 机械优势。尽管可以使用许多其它的变速箱和传动比，这个单元有非 常希望的特性，不可能从输出执行机构的末端旋转，在伺服机构静止 时保证稳定的位置。一个90度的传动比1∶1的伞齿轮组件(204)连接 到所述变速箱上，并且使输出轴可以容易地定位在变速箱的中心(仅用 于扭转型单元)。这个组件7安装在封壳的内部，只要能够提供所需要 的效率和应用要求的传动比，也可以使用其它的伞齿轮传动装置。

马达组件(102、205)包括所述马达和一个监测马达运动的数字轴 杆编码器组件(206)，当然也可以把编码器安装在伞齿轮组件上。优选 地用一个3.6马力20V的直流马达提供卓越的速度和力矩性能，当然 可以互换地采用其它的马达。编码器用于监视马达的速度并且用于在 工作中获得一个输出轴位置的指示。这个传感器取消了在执行机构杆 上安装限位开关的必要，并且使马达伺服机构的安装调试精确得多且 方便得多(见下)。我们采用一个零速度霍尔效应正交速度传感器作编 码器(210)，当然可以使用许多其它速度传感器(或者其它的数字编码 器，诸如光编码器)。此传感器对安装在马达轴上的32齿齿轮(208)数 齿。在本文件中，此装置称作数字轴编码器或者“编码器”。

驱动连动装置(101、102、201)优选地把尺寸和传动比定成可提供 基本的机械优越性、动量和力矩。以此方式，开关结构中影响磨擦、 动量等变数的影响变成决定执行机构—开关加速/减速的相对不重要的 因素。

大电流组件(103和图3)包含所有的处理马达的大电流要求的直流 电路。马达通过两个单极、双掷的大电流马达触点(301，302)接通/关 断和正转/反转。优选地把触点接线和设计得实现本行业内公知的发电 制动的概念。触点以在马达关闭时把马达电源线短路的方式接线(把马 达的两个连线相互连接)。这比单纯地让马达自转减速使马达停止得快 得多。发电制动不象机械制动那样到受磨损。发电制动还很好地消除 了高成本且不可靠的机电制动装置的需要。不同于典型的马达伺服机 构，此马达优选地在微控制器的软件控制而不是通过机电手段开通和 关闭。这使软件能够在不充分工作时能够采取校正性动作并且在伺服 机构脱离接合时能够作出更有意义的指示。

大电流组件(103和图3)还含有一个与马达(303)串连的大电流电 阻。两个大电流继电器(触点)控制它的工作(304、305)。一个继电器(旁 路，304)使所述元件在正常的高速马达运转时旁路。在此模式中，马 达产生其最大的力矩和速度。第二个继电器(检测，305)使电池能够经 此电阻短接，以用于实时检测电池的载流容量。在常开的旁路继电器 断开而检测继电器接通时，可以进行电池检测。当旁路继电器断开而 检测继电器断开时，马达以电阻作为限流元件工作。这把马达的最大 可得到的输出力矩限制到精确确定的值并且由控制逻辑用在力矩受限 制的运转上。这个电阻可以在现场更换以修改为不同的开关设定的最 大可得到的输出力矩。变通地，可以采用多抽头电阻，能够用于在现 场调节到不同的逆转力矩和电池检测负荷。

尽管有优选实施例中用一个负载电阻去限制马达伺服机构的速度 和力矩，但是也可以采用大电流的、固态开关装置和脉冲宽度调制而 不偏离本发明的范围。选择继电器而不是固态装置是鉴于成本和此特 定的应用性能要求。

大电流组件(103和图3)内装一个用于监测24V直流电源电流输 出量的传感装置(308)。常态下除非马达开动或者进行电池检测，测量 的电流只有几个安培。优选地用“电流分路器”测量电流，这是一个 大电流的阻性元件，具有与电流成比例的低电压输出。由控制计算机 微控制器(104)实时测量电流优选地使软件和终端用户能够在设备损坏 或者后备马达电流保护动作(见后)前采取校正性行动。

大电流组件(103和图3)包括一个传统的机电电路断路器/开关(306) 为电子电路提供后备保护，防止灾难性事故或者线路问题，并且为断 开系统电源提供方便的手段。经过电源调整电路板(105和图4)上的主 控继电器启动(309)大电流触点电磁线圈。

电源调整电路板(105和图4)处理许多系统的电源控制和维持工 作，加上传感器调整(405)及控制/低电压输出隔离(402)。此电路板有 一个24V电池电压传感器，用于在开关工作时实时地快速监测电池的 电压，还用于与电池检测和监视系统联合。电源调整电路板(105)还含 有一个可以由微控制器(104)控制的电池充电器(401)。在检测电池时可 以关闭充电。在时间上的合适点，微控制器可以把整个系统的电源断 开，防止电池的过分放电并且使之能够更加有意义地向遥控的、操作 人员或者自动控制系统反馈。一个复杂的电池检测方法用于保证可以 为M1得到充足的动力，这在下文进一步讨论。

电源调整电路板(105和图4)含有调节电路和控制计算机使用的其 它传感器的多路模数转换器A/D(405)。安装电路板的箱室的温度传感 器和调节电路用于监视与电池系统相关的状态并且在微控制器的控制 下开通和关闭箱室加热器(403)。为外部空气温度传感器设有一个调节 电路，该温度传感器可以用于检测潜在的结冰和凝结状态。交流电流 电压用一个真实遥控选择器(RMS)传感电路监测。由于由高架配电线 路提供控制，这个传感器可以提供关于配电系统的有用信息，它还可 以用于自动配电分段应用。电源调节电路板还含有一个连接到安装架 上的接近传感器所用的调节电路(407)，此架一般内装一个手动控制手 柄。此手柄使所述开关能够与马达伺服机构手动地脱离连接然后断开 或者闭合。如果此手柄不在其支架中，控制软件阻止操作马达(见下)。

电源调整电路板(105和图4)还含有一个安装在马达上数字轴编码 器用的接口电路(406)。这个传感器的接口电路是本领域内公知的，有 众多的产品可供用于此目的。所述接口电路把来自编码器的信号转换 成两条关键的信息：一个每次传动齿通过所述编码器时发出的间断脉 冲，一个指示轴运动方向的单独信号。来自所述轴编码的经过处理的 信号储存在电池背景只读存储器(BBROM)中一个特殊的区域内，在更 换任何其它的系统数据或者存储器中的软件成分时保留此信号(见下)

所述的电源调整电路板经一个并联的多路总线(404)与前面板微处 理器电路板接口，总线让接线更加简单而且可靠。

作为一种可取的选择，控制器可以设一个用于无线电或者纤维光 导连接的故障电路指示器(109)的装置。这些普遍可以得到的产品由安 装在每个单个的配电载流线路上的电流传感器构成。所述传感器监视 相电流并且在检测到电流超过预先选择的幅度时向控制器传递一个数 字信号。控制器在电源调节电路板上提供三个分开的数字输入(407)， 为此目的每相一个，加上一个无线电接收器和天线(109)。故障信号显 示在前面板上，经远距离通信传输，并且可以用于自动化功能的现场 控制逻辑。

一个24V的直流电池(106、207、307)供应大电流存储的能量来 驱动马达，并且在没有交流电时为系统提供备用电源。我们优选地用 两个12V的33安时铅—酸蓄电池串连，当然可以使用许多其它的类 似电池。

前面板/微控制器电路板(104和图5)管理系统的工作，并且能够 由前面板(501和图6及6b)进行控制和监视功能。控制器以英特尔 80C251系列微控制器(504)为基础，然而也可以同样良好地采用许多 其它微控制器或者有相当速度的微控制器。所述的微控制器含有不易 失的电池背景随机存取存储器(BBRAM)(506)中的数据储存，并且把程 序存储在快闪可擦只读存储器(FLASH)(503)中。它还含有一个日历钟 (505)，用于提供与长期数据储存相关联的时间和数据。

前面板/微控制器电路板(104和图5)含有连接到配电箱门上的一 个接近传感器的数字接口。这是个对于可能的现场窜改性或者说安全 性问题向遥控操作者报警的有价值的指示。当门关闭时，控制逻辑关 闭掉所有消耗电源的发光二极管。

与微控制器的现场连接由一个串行的RS232C和一个称作“安装 软件”的接口软件包进行(108、502)。这个软件使现场的用户能够检 查或者改变控制器中的安装参数、监视实时数据、故障查询数据和事 件驱动或者长期数据储存。串行接口硬件经一个前面板安装的9针 RS232C接插件。变通地，一种式工厂的选择方案使串行线可以在控 制器机壳外经过一个工业标准的光耦口和一个接口电路(502)进行。我 们采用业内普遍可得到的那种机壳内安装的耦连口和本领域普通技术 人员所公知的接口电路。

微控制器软件结构含有一个汇编语言实时核以及一个以“C”程 序语言的子集编写的应用程序环境。本领域内普通技术人员应当了 解，有许多市售的工具套件可以同样良好地用于开发同样的嵌入式实 时微控制器场合。电池背景随机存取存储器(BBRAM)(506)和快闪可擦 只读存储器(FLASH)(503)两者都划分为含有实时核和其它“永久或者 半永久”数据的部分，和在性质上是比较过渡性的应用程序和数据。 这个系统的构成，诸如应用程序和应用数据可以单个替换而不需要整 个存储器全部重装。

可执行软件分区为与硬件中断电平和来源相关的模块。对于本应 用有特殊意义的是以下模块：

1)应用程序任务。这是些集中到一个单一的模块中的低优先等 级功能。每个任务可以安排为在0.1秒、秒分或者小时的时间单位上 运行。

2)时钟中断。这个中断每6.25毫秒执行一次，以处理时间标准 的应用相关事件。6.25毫秒是一个方便的数，准确地说每0.1秒16次。

3)“应用”通信中断。只要交换与外部通信协议(SCADA协议) 相关的数据时，这个中断就启动。

4)“检修口”(502)通信中断。只要与现场连接的PC机交换数据 以配置、安装和检查系统故障/监测系统时，这个中断就启动。

5)模/数(A/D)传感器探测。可在用户选择期间发生此中断，以对 各个模拟输出采样到用户选择的数目。

6)外部(轴编码)中断。此中断用于对安装在马达轴上的传动装置 的齿轮计数齿。

应用程序执行许多生产控制计算机本领域普通技术人员所公知的 功能，所述计算机为或者模仿遥控终端机(RTU)，包括处理业内公知 的通信(传感控制和数据采集SCADA)协议，诸如DNP3.0PG&E协议 等。它还处理许多日常事务功能，诸如处理前面板指令和发光二极管 指示、管理运转数据记录、故障查寻和诊断等。本发明方法的实施主 要集中在以上的说明。

为了支持传感控制和数据采集(SCADA)通信功能，前面板/微控 制器电路板包含一个双路通用异步收发信机(DUART)(507)，它使多至 两通道的同期异步串行通信能够达到38.6KBAUD。这些通道连接到 外部通信硬件接口(107)上。

通信接口(107)包含一个标准的无线电、调制解调器或者其它装置 所用的支架，加上必须的电源连接件、电缆和把流向/流自微控制器的 数字数据流转换成与外界通信必须的形式。这是典型地操作人员位于 电站或者控制中心，也可以是一个自动的控制系统。

控制系统概论

本发明可以很好地以智能的、在微控制器基础上设计取代不精确 的特定性的机电控制系统，包括强劲的马达的速度和力矩和变速箱与 通常意义上的操作人员的特点相结合。这包括几个贯穿所述设计的一 般概念：

1.利用可切换的阻性元件的力矩控制，向执行器输出杆提供不 同大小的速度和力。

2.控制方法区分开断开开关(OPEN)的操作与闭合(CLOSE)它的 操作。断开以执行机构向闭合方向运动开始，以确定伺服机构是否脱 离连接，接着以大力矩的断开操作尽可能快地移动触点脱离其配合表 面，以消除在通电时切换断开可能会引起的电弧。闭合以低力矩的操 作开始，防止在冰引起一个但不是全部臂在一定程度上粘连开关体这 样可能性不大的情况下损坏控制臂。在暂短的延迟之后，控制器切换 到大力矩模式，在闸刀到达其配合表面时产生较高的速度和较大的力 矩。这个操作在制动的终点终止，使开关触点闭合并且受到张力。

3.在微控制器的控制下马达起动、正常停车和过载停车以便于 从故障状态下自动恢复并且向遥控操作人员或者控制系统提供附加的 信息来产生纠正动作。

4.精确的电池监测和电源管理以保证M1会发出特定的力矩和速 度，使电池转换率最高，提供电池状态的有价值的遥控指示，并且在 放电结束时提供有序的关断。

操作的详细说明

在所有时间，M1马达伺服机构都充分地受到微控制器的控制。 在说明M1的正常操作之前，重要地是理解背后工作的一些关键的中 断和应用驱动伺服功能。这些示于图7a、b和8。在这此图中可应用 的中断示于下划线的和放在括号中的相关逻辑上。时钟中断是状态驱 动的。各个个别的状态由进入中断的变量值支配，而且在需要翻转时 中断对状态作必要的调节。各个状态的名字示在流程图各部分内的文 字上，下面划线并且标以“状态”。

对于操作程序流程图和文字，具体操作程序名字都是大写的。混 合字体的下划线的标着“指示”的术语是重要的软件标记。

外部中断

参照图7a，外部中断(编码器中断)(701)只要编码器传感器检测出 齿轮齿通过此传感器运动就发生。所述的齿轮安装在马达驱动轴上。 一个单独的数字输入由所述中断检测以确定运动的方向。在每个中断 中，一个而且仅有一个计数，根据感知的运动方向(702)要么加到存储 位置要么从中减去(输出轴每一整转的齿数模)。我们优选地用一个32 齿的齿轮和一个60∶1转动比的齿轮箱。因此，(假定马达和输出的执 行机构之间经过伞齿轮组件或者传动箱的连接没有故障)每个齿精确地 代表输出轴运动0.1875度，然而也可以采用其它许多齿和传动箱传动 比的组合。这使得执行机构的位置和速度的获取，仅受到编码器监视 下的齿轮的齿数的分辩率的限制。其优点是可以以低成本非常精确计 算位置，但其缺点是需要下述实质性处理，即马达上单个齿轮齿的单 位运动加上移动方向转化绝对的执行机构位置的产生。

所述位置监测逻辑还要求，所有的运动在系统加力时受监测，以 及在减力时要记忆所述的位置。为了保证是这种情况，在必要时要对 马达轴加盖，以防止外部的手动旋转。

下面示出用于保持了解输出执行机构的位置的方法。在加力时， 编码器的初始位置由不易失的存储器(801)读出。周期性地监测编码器 的位置变化(初始采集并且由外部中断积累)。在马达运转时监测暂停 (802)。在控制器运转后，当前新的由编码器获得的输出轴位置保存在 不易失的存储器(803、804)中。另外，只要推导出的位置检测出变化 不是由于马达驱动的控制操作(85、806)引起的，新的值就重新保存在 不易失的存储器中，并且累计所述的变化。如果绝对的编码器位置改 变超过2个计数，就把误差显示出，要求用户检查并且重新校正所述 伺服机构(808)。

编码器中断(701)还提供在到达所希望执行机构位置或者说“止动 点”(703、704)时精确地关闭马达的能力。马达可以以0.1875度的精 确度关闭，使整个开关组件能够停止在非常精确而且可重复的“止动 点”。如果马达由外部中断关闭，这由时钟中断来检测输出来看其是 否确已关断(714)。这给时钟一个信号，把状态转移到“等待旋转减速” 的状态(716)。

时钟中断

再参见图7a，时钟中断确定是否应用程序(“起动马达”状态，705) 已经请求指令。“起动马达”状态支持并且跟踪四个指令：OPEN、 CLOSE、JOG OPEN、和JOG CLOSE。OPEN和CLOSE起始一系列 的管理下述的运转状态转移，相应于把执行机构向OPEN或者CLOSE 方向移动到完成的点。

除了指令处理之外，时钟中断在高速运行时存储可能有助于故障 查询的数据。这些数据包括速度、编码器位置、马达电流、电池电压 和处理状态。在OPEN和CLOSE操作与其JOG的对应操作之间的唯 一区别是在操作过程中JOG做法不记入数据。这是因为JOG变量只 是用于把伺服机构移动一个短距离而不会产生与快速、大力矩运转相 关的问题。

时钟中断-“起动马达”状态

所述的“起动马达”状态等待一个受请求的指令，接通马达并且 初始化变量和时钟计数器(705)，然后转移到下一个状态。马达向两个 方向之一转动。对马达控制向OPEN和CLOSE输出可以通过一个向 时钟中断的“起动马达”状态传递的用户特定配置选择而反向。

时钟中断-“马达接通”状态

时钟中断“马达接通”状态(706)处理关断马达的决策。每个由此 状态管理的操作连续进行到达到以下三个情况之一为止：

1)执行机构的所希望的位置位于或者超过马达应当关闭的时间 已经达到时的那个点(713)。这个情况还由外部中断(上文)检出，并且 时钟中断通过检测马达输出是否已经由一个外部程序(714)关闭而与外 部中断同步。

2)马达过载已经持续过了预定的时间间隔(710)。根据在每个时 钟中断中测量的电源电压和马达电流，过载优选地通过确定马达的有 效阻抗计算。(变通地可以要么只根据电池电压降要么根据马达电流)。 我们用电流除电压就可以得到阻抗，然后平均最新采集的8个取样(50 毫秒数据)的值。如果平均的有效阻抗小于马达的锁定转子、100毫秒 以上的短路电路阻抗的两倍，我们关断就关闭马达(711、715)，以保 持M1系统的软件控制。请注意有许多指标可以用于这个决策。还要 注意这个逻辑必须与后备电路断路器协调以防止后备电路断路器因为 意料中的偶然马达过载产生的大电流发生而动作，同时让电路断路器 能够保护电子元件不受灾害性故障的破坏。

3)达到预定的时间界限(713)。这个时限往往由用于短的执行机 构行程的JOG指令而触发。其它的情况下决不应当在实际上达到这个 界限，除非在运转中位置编码器失灵。

在“马达接通”状态开始之后(在本优选实施例中为10个时标点， 或者说62.5秒)，此中断马上检查传感器而达到内部一致性，在检测 出问题时打出“内部错误”的标志(706、707)。在本优选实施例中进 行以下的检测：

1)编码器应当开始了计数(位置改变＞0)

2)应当出现大于25安培的电流

3)电池电压应当大于12V直流

如果出现这些方面的故障指示，操作继续，但是只继续到当前的 操作结束。

在CLOSE操作中，操作在短的时间中切换进负荷电阻后开始。 这防止在冰阻碍了轴杆运动时对开关施加过大的力。等到预定的时限 以后所述的负荷电阻才切换出电路，当马达切换到大力矩模式时执行 机构轴止动并且受到张力。这限制了作用到开关上的力。在时钟到时 之时(708)时钟中断为旁路继电器(709)供电。

止动距离计算

除了监测以上情况之外，“马达开通”状态还计算过去25毫秒 内的平均速度(712)并且通过检查一个表格内的止动距离动态地刷新 “止动开始点”(也被外部中断使用)。“止动开始点”是马达(或者其 它驱动力)应当关闭以使在马达的单次操作中开关操纵杆能够抵达所希 望的行程终点和力矩处，推导的执行机构轴在该精确点的位置。“止 动开始点”由从所希望的“止动终点”减去“止动距离”推导，以得 到应当关闭马达的位置。我们计算此表格的项目(见下文)，然后再根 据整个M1开关系统的机电模型进行开关操作，但是这些也可以实验 测量和/或在开关操作中进行计算。

止动距离的动态计算是本发明的重要方面，并且产生非常可靠 的、独立于电池电压的或者独立于速度的而达到精确的止动终点的手 段。在本优选实施例中，计算忽略了与马达装备和传动箱齿轮相比较 小的、不重要的开关、控制器杆和连杆的质量，尽管可以容易地加上 为开关建立力学模型的项。控制杆的弹簧常数用在计算中，而且我们 提供在用户输入控制杆的类型和长度来计算弹簧常数的软件或者直接 输入控制杆的弹簧常数。另外，包括计算累计开关装置弹簧常数的项， 它们对止动距离的影响通常是可以忽略不计的(见下)。

止动距离根据后面的公式计算。在优选实施例中，计算止动距离 的公式是三个项的函数：一个固定的控制系统延迟、马达和传动箱独 立于输出负荷或者反馈(无负载)的止动距离、和与驱动用户特定的开 关向其配合触点到一个预定的最终力矩相关联的止动距离方面的下 降。在本优选实施例中，规范了所述公式，以得到由编码器计数的齿 轮齿数，每个齿代表了输出执行机构运动0.1875度。因此所述公式为：

Dstop＝Ddelay+Dbrake-Dforce

此处：

Dstop     止动距离，以编码器计数的齿轮齿数为单位

Ddelay    在控制系统对主控制继电器断电时到马达连线开始短 路时之间，脱离接合的马达—传动箱—执行机构的行程距离。此项通 过把速度乘以平均继电器反应时间计算(本优选实施例是27毫秒)以得 到齿轮齿数。

Dbrake    脱离接合的马达—传动箱—执行机构的从开始制动 (短路马达的引线)到完全停止的行程距离。对于本优选实施例，该距 离是制动时速度的线性函数，并且计算成0.43×速度(以齿轮齿/6.25 毫秒×10为单位)。对于其它的马达—传动箱—执行机构组合，这个 距离公式可以试验获得，或者使用机电模型获得。

Dforce    由于落在其配合触点上的开关施加到系统上的对抗力 造成的止动距离的减少(不可应用于OPEN操作。该项是所希望的终端 力矩、马达伺服机构的力学性能、和整个马达—传动箱—执行机构机 械系统的弹簧常数的函数。

对于预包装的系统，力矩和弹簧常数是固定的，Dforce可以通过 静态地调节马达关闭点直到对于控制杆施加希望量的最终静力矩，然 后从测量出的不耦连伺服机构的止动距离(Ddelay+Dbrake)减去所测量 到的止动距离(Dstop)进行测量。对于本优选实施例(根据配置参数)， 最终力矩调整、开关弹簧常数和控制杆长度是已知的，所以用以下公 式计算Dforce

Dforce＝7+DFtorque+DFspring

上式中：

DFtorque＝(Torque-100)×0.064     (Torque＞＝100)

(或者)

DFtorque＝-(100-Torque)×0.054    (Torque＜＝100)

DFspring＝-(K-42)/0.038           (K＞＝42)

(或者)

DFspring＝(42-K)/0.1              (K＜＝42)

而

Torque    在所希望的止动终端点处的执行机构杆力矩，单位为 英尺—磅。

K         系统的弹簧常数，单位是英尺—磅/度。K值是通过以 下公式计算的：

K＝1/(1/Koper+1/Kswitch+1/Kshaft)

式中：

Koper    传动箱的弹簧常数。在本优选实施例中是111。

Kswitch开关的弹簧常数。这是与开关模型相关的。典型值是200， 但是应当为每个开关提供。

Kshaft    主控制杆的弹簧常数。Kshaft由下式得到：

Kunit/L式中：

Kunit是控制杆每单位长度的弹簧常数。

L是控制杆的长度。

本发明的特征是其灵活性，使参数“Torque”(说明如上)能够设 定为要么是设计的参数要么是终端用户特定的参数。在马达伺服机构 校正(见下)过程中，所述系统向控制杆施加一个预定量的力矩。与此 力矩设定关联的执行机构位置然后记录为开关“CLOSE”位置参考点。 通过应用上述的公式，控制逻辑可以根据用户特写的不同于校正力矩 值修订的止动距离。

在需要选择其它的控制系统部件时可以修改此止动开始点的动态 计算，以通过不同的制动系统、机械驱动效率和其它静力影响以及电 池电压之类的因素，可相当准地预测止动距离。

时钟中断—“等待旋转-减速”状态

启动“等待旋转-减速”状态(717)以在马达完全停止前监视马达 运动。在每个中断时间，监视位置的改变。在上一个中断后，如果观 察到位置改变，就重新开始一个150毫秒的时钟(718)。在时钟倒计时 到零(719、720)时，退出这个状态，从而终止全部操作。在该点，时 间中断进入一个待机状态，等待发出下一个指令(由“起动马达”状 态处理)。

马达控制指令发出

图9示出与马达伺服机构动作程控指令相关联的基本控制逻辑。 在不偏离本发明的范围情况下，这个指令发出程序控制有许多公知的 可能实施方式可供使用。这个逻辑使得可以以“现场/遥控”前面板开 关(901、902、903)位置为基础进行前面板请求或者SCADA(经遥控数 据通信接收)请求。如果前一个请求还在进行(905)，则不顾新的请求 (904)。另外一种方式是，检查请示对与下面各节中详述的所有标志和 状态的一致性(907)，如果不一致就忽略掉(906)。

一个用户设定的参数使得从前面板输入的正常“OPEN”和 “CLOSE”指令起作用前有一个特定的延迟。在909，进行一个检查， 看这种选择是否在实行中。如果是，并且如果延迟时间没有启动，时 钟就开始。在时钟到时之时，所述逻辑发出先要求的指令。如果已经 启动了时钟，并且按了前面板上的任何开关，时钟就撤消，并且忽略 所述的指令。这使用户可以取消一个迟到的指令。

然后开始“开关监视任务”去进行所述请求(908)的详细处理。这 个系统控制任务然后终止，而且重新定在几十分之一秒时间内运转。

与开关操作相关的控制程序

图10至12示出与用户请求开关操作关联的控制顺序。除了流程 图中所示的主要步骤，此控制逻辑进行数个内务处理、设备保护和用 户接口步骤以实现适当的全面运转。下面说明与本发明主题相关的特 定项目。其它的项目是本领域普通技术人员所公知的错误检查的常识 性步骤。

有两个由控制逻辑产生的一般类型的执行机构运动，每个都可以 用于OPEN和CLOSE操作两者上。大力矩(HIGH TORQUE)操作是那 些企图以高速和大力矩把执行机构移动到完全断开和闭合的静止位置 的操作。这些操作可以以串连负荷电阻接在电路内开始，但是总是以 这些电阻旁路而结束。低力矩(LOW TORQUE)操作是那些以串连负荷 电阻接在电路内开始和结束。这些操作是造成执行机构的小的、步进 的运动，并在本文中称为“微动(JOG)”操作。它们用于在一个控制 操作结束时向开关机械施加张力并且在对准/设定行程限位时以小的步 阶移动执行机构。变通地，如果用固态开关装置代替负载电阻，可以 方便地通过限制马达可获得的电压或者电流实施“微动(JOG)”操作。

在开始各个控制程序前，控制器核实电池系统有充足的电力以在 条件最差的负荷要求下保持电压(见下面的电池系统说明)。此逻辑还 检查以保证前面板现场/遥控开关处在与操作来源一致的位置。对于经 过通信取向的请求，开关必须在“遥控”位置。对于前面板操作，开 关必须在“现场”位置。

控制系统的正确操作的关键是多层次的误差情况，要求准许在进 一步操作前有不同形式的纠正性动作。问题按优先等级分类如下： 问题分类     典型原因 视觉/遥控状态指示   措施/排除方法 严重控制 故障 微控制器故障、 存储器故障 微控制器板上的复 位发光二极管LED 亮 控制失灵/检查电源环 节，更换问题电路板 局部控制 存储器故障 内部软件故障， 存储器故障 前面板和微控制器 发光二极管都不 亮，但电源调节板 指示控制器有电 控制失灵/重装软件， 更换问题电路板 内部错误 传感器故障， 线路问题 “错误”和“末准 备好”发光二极管 亮，遥控和现场读 出指示特定问题 只能进行“应急”操 作/只能经过计算机现 场安装软件排除 电池不良 失效或者电池 连接脱开， 供电电源中断 “电池电压低”和 “故障”发光二极 管亮 不能操作/通过纠正问 题排除，重新调出软 件来检测电池或者等 待自动检测请求 电池电压低 电池老化或者 外供电电源中断 “电池电压低”发 光二极管亮 措施—仅警报指示/通 过纠正问题排除，重 新调出软件来检测电 池或者等待自动检测 请求 马达过载 开关阻塞 (熔焊、结冰等) “末准备好”发光 二极管亮 只接受遥控“应急” 操作/拨动“现场/遥 控”开关 伺服机构脱 离接合   执行机构与 开关脱开连接 “末准备好”发光 二极管闪烁 只接受“微动”或者 “应急”指令，直到 执行机构在正常行程 范围内 执行机构行 程错误(“重 新校正”) 没有进行校正、 开关机械问题 “断开、闭合及末 准备好”发光二极 管闪烁 只接受“微动”指令/ 设定/重新设定“行程 限位” 操作手柄 缺失 手柄被取走 “末准备好”发光 二极管亮 把手柄放回其支架前 不论现场和遥控操作 都不能进行

表列情况许多在下面的关于具体操作程序的适当章节中还会更详 细讨论。上面所说的“应急”不应当与流程图中所说的应急逻辑程序 混淆。“应急”操作是由SCADA主站输入的指令的变形。除了忽略 “马达过载”和“内部错误”指示的初始状态之外，这些指令均与正 常的OPEN和CLOSE指令相同

某些指示对于本发明特别重要。只要逻辑认为有理由相信诸如熔 焊/粘连触点或者是结冰可能已弯曲、损坏或者造成开关对偏，就发出 “需要检查”的指示。这些问题被检测成马达过载或者特定类型的传 感器失常，需要对开关作实体检查。仅通过触发前面板现场/遥控开关 即可清除该标示。和其它指示一样，“需要检查”指示保存在不易失 的存储器中，在外供电电源长时断电时不会丢失。

只要逻辑分辨出具有一个强烈提示硬件或者软件功能不正常的问 题时就会发出“内部错误”的指示。这个指示要求电工用安装软件排 除指示的故障。如此办理时，操作人员表示接收到指示。对于偶然事 件造成的指示，排除指示就使开关得以恢复正常工作。对于状态造成 例如传感器故障之类的问题，只有在问题纠正之后才能排除指示。

在运转中超过或者没有设定开关的终末静止点(行程限位)时，则 发出“要求重新校正”指示。

正常闭合(CLOSE)操作

图10是有关在正常情况下闭合开关的操作程序总览图。在操作 的开始，逻辑对上表中列出的指示提出请求，然后开始所述控制程序。 逻辑把“HIGH TORQUE CLOSE(大力矩闭合)”定义为一个可在开始 时电路中串连进电阻的操作。在一个预定的时间，把所述电阻切换出 电路，使最大有效电池电压施加在开关上，这个两步骤程序的目的是 以低力矩开始操作，考虑到严重结冰的情况可能会限制行程。尽管这 是一个不易发生的情况。如果让它在开关大力矩操作下发生，可能会 对开关造成不必要的损坏。

控制程序由图9所述的控制逻辑发起，由图10所示的控制逻辑 管理。参见图10，控制逻辑开始时钟中断(1001)并且等待所述运动程 序完成。此指令被认作成以上讨论的时钟中断的一部分，在适当的开 通和关断马达，然后在马达停转后中断复原。在此时钟中断过程中， 一把串连电阻切换出去，马达就迅速地在其逼近开关触点时达到最大 的运行速度。这个操作程序，从开通马达的点到执行机构停止运动的 点完全由以上所述的时钟和编码器中断处理。关闭操作程序然后恢复 以检查操作的结果(1002、1003、1005)。“马达过载”或者“短行程” (1002，1003)是很可能发生机械阻塞故障的断定性指示。CLOSE(闭合) 操作的最关键的方面是，在操作程序结束时，开关触点最终牢靠地落 在并且结实地保持在其配合表面上。因为机械阻塞几乎肯定不会是这 样的情况，控制器采取立即的应急行动把行程反向转成较安全的断开 位置(1004，见下面的EMERGENCY OPEN(应急断开))。假如没有这 个逻辑，前面的设计就失灵，开关只能部分闭合。在开关通电(或者接 着开始通电)时，部分闭合会产生非常高的电弧和失火的可能性。在 M1安装在没有结冰可能性的条件下，可以选择不执行EMERGENCY OPEN(应急断开)操作步骤，可以在开关输入“内部错误”状态(1006) 作为代替。不可以恢复的错误(1005)由，诸如内部编程不一致、禁用 的状态、对于保护数据或者由超过软件充分诊断能力的硬件故障引起 的其它问题进行的无效检查结论，之类的问题引起。这些问题造成的 情况要求用户重新校正伺服机构并且用安装软件在现场排除错误指 示。

在正常的情况下，执行机构杆会停放在其应当放置的位置，允许 一度或者一度以下的误差。但是，机械/环境的变化可以造成不完全行 程。为了降低这种漂移的影响，在“HIGH TORQUE CLOSE(大力矩 闭合)”完成之后，发起一个第二的“LOW TORQUE CLOSE(小力矩 闭合)”操作以保证开关触点接实。这个操作与大力矩唯一不相同的只 是把串连电阻连续地接入电路而已。这产生一个限流的运转，对执行 机构发出标称100英尺—磅(可以通过改变负载电阻调节)的最大停车 力矩。在马达停止后进行一个内部错误的检查(1008)，如果发现内部 错误，逻辑中止。在这个逻辑点中，由于串连负载电阻的限流性不应 当发生马达过载。从而，在此点马达过载是一个不可恢复的逻辑错误。 在所述的第二操作结束时，检查执行机构的行程(1009)。如果小力矩 操作不产生行程，就认为操作完毕。如果行程超过了预定的阈值，发 出一个伺服机构在机械上末连接或者从开关上“脱钩”的指识(1013)。 另外，如果行程大于零，操作重复进行直到执行机构杆牢靠地保持在 位而没有任何移动为止。

通过在执行机构杆上加上力矩，我们提供附加的保证，开关触点 以正压力保持在其配合表面上。如果没有这个触点牢固地保持在位的 保证，就有出现开关触点反复起弧和振动的可能性，最终造成触点熔 焊或者开关的重大故障。

最后，进行执行机构位置和要求的止动末端的比较(1010)。如果 所述位置在预计的范围内，操作就正常完成了(1012)。如果执行机构 在预计的范围外，发出“要求重新校正”的指示(1011)。这还可以指 示机械问题或者说要求检查的故障。

正常OPEN(断开)操作

图11是与开关在正常情况下断开相关的操作程序的概图。上面 与“正常CLOSE(闭合)”相关的论述也适用于断开操作，下面说明其 它的具体细节：

首先发起“LOW TORQUE CLOSE(小力矩闭合)”操作(1101)，以 确定伺服机构是否从开关上脱离连接(1105、1106)(由行程越位发出信 号)，以及是否有其它功能故障(1102、1103、1104)。这个操作还保证 开关机械在闭合的位置受到张力。这样，当紧接着执行“OPEN(断开)” 操作时，控制杆和开关机构的运动最大化。在部分熔焊、结冰或者开 关触点腐蚀时，这可以提供一定的摆动以助于克服阻塞。

接着，发起“HIGH TORQUE OPEN(大力矩断开)”操作(1107)以 实际断开开关。在此步骤最好马达全速全力矩以减少开关触点在其配 合表面贴近距离之内的时间。优选地所述触点在60赫兹Hz周频的一 或者两周期(16.6至33.2毫秒)之内触点分离开几个英寸以尽可能最大 限度地减少经游离空气的高压电弧放电。

如果一或者多个开关触点粘连或者有机械的阻塞，从而不能完全 断开开关时，就会检测出马达过载或者行程短(1108)。本逻辑区分伺 服机构不足全行程的50％还是大于全行程的50％。不足全行程的50％ 指示可能是触点粘连或者结冰。这触发一个立即的“EMERGENCY CLOSE(应急闭合)”(1110)，以把开关转向完全闭合的位置。这个恢 复性的操作防止开关走向部分断开的最终静止位置，从而最大限度地 减少在其它的情况下会很高的开关损毁和起火的可能性。大于50％的 行程指示某些形式的阻塞或者问题防碍了开关完全断开。因为在在断 开开关的位置上结冰停止它的可能性极小，控制逻辑发出一个内部错 误指示(1109)并且等待现场操作员去解决问题。这个情况也可以由上 面对CLOSE(闭合)操作讨论的其它内部错误引起。

在正常情况下，执行机构杆会停靠在其应当处的位置，允许一度 或者以下的误差。在此第二操作的结束时，检查执行机构的位置 (1114)。把执行机构的位置与希望的停止位置进行比较。如果所述位 置在预计的范围内，操作就以OPEN指示(1116)而正常结束。如果执 行机构停止在其应当的停止终点之外，则发出一个内部错误的指示 (1113)。这是因为开关一经脱离了配合触点之后，就对着非常小的力 运行并且会可靠地抵达其最终的OPEN(断开)点。如果伺服机构停止 在所要求的停止终点附近，OPEN(断开)限度的设定就是错误的，所以 发出“需要校正”的指示。

应急OPEN(断开)/CLOSE(闭合)操作

应急OPEN(断开)/CLOSE(闭合)操作(图12)是自动的子操作，以 在正常的运转中检测出严重的问题(例如编码器故障)时迅速地把开关 置于较安全的条件下。应急OPEN(断开)/CLOSE(闭合)操作是从正常 的OPEN(断开)和CLOSE(闭合)控制程序调出的(图10和11)。这些操 作以负载电阻切换出电路开始(1201)。在时钟中断已经把马达操作完 成(1202)，然后适当地刷新开关位置状态后，这些操作就完成了。 EMERGENCY(应急)操作的完成则调出“要求重新校正”的指示 (1204)，它保证电工会首先检查开关和伺服机构之后再把它转向正常 服务。

超控OPEN(断开)/CLOSE(闭合)操作

由于配电开关必须其中工作的独特和有害的环境，有时应当让马 达能不理会内部错误或者已知问题而去工作。上述这些环境包括外部 的环境因素，例如现场火灾、雪/冰暴和动力电源断电。它们还包括选 择的内部检测出的情况，如输出执行机构机械阻塞。这些情况可能会 使开关处在危险的后果，如易于出现的电弧或者起火。这两个操作只 能通过遥控调出。

开关—伺服机构对准/连接

一种机械连接把开关控制杆固定到M1上(图2、208)。当分开连 接时，不论M1的执行机构位置如何，都可手动操作开关。典型地， 所述连接含有一个机械键锁装置保证两个末端没有打滑的机会。在马 达伺服机构安装时，或者其后手动控制时，执行机构可能需要转动而 使执行机构在连接前对准。在M1中这个能力可以经过小力矩的“微 动”功能方便地完成。这在一套包括在图6a中所示的一个标签或者前 面板丝网印刷的简单的指南中加以说明。这些指南与控制器的内部操 作之间的关系说明如下。

与所有的伺服机构功能一样，前面板操作要求“现场/遥控”开 关处在“现场”位置。一个弹簧加载的、标以“对准/连接”的前面板 开关和一个标以“尚未准备好”的发光二极管实现对准过程。通过暂 时抬起开关，“尚未准备好”的发光二极管会闪烁，除非电池电太低 而不能运转此开关。这给出了信号说明“对准”模式开始，或者说执 行机构的缓慢地、步进的、低力矩的运动开始。通过暂时地抬起或者 放下“OPEN(断开)/CLOSE(闭合)”开关，执行机构就可以“微动”地 缓慢断开或者闭合。达到所要求的执行机构位置时，可以通过再一次 触动“对准/连接”开关退出此模式。

开关校正(设定行程限位)

图6b示出设定执行机构的行程限位的过程的简短说明。此步骤 要求开关处在闭合的、不受张力的位置而准备进行“设定行程限位” 的操作(步骤III)。通过同时抬起“设定行程限位”和“闭合”开关， 用户指出要设定“闭合”的限度。然后逻辑利用“微动”操作完全闭 合并且张紧开关。通过把连续的“微动”指令不再能产生执行机构运 动时的点存储进存储器成为“止动终点”，而操作完成并且设定闭合 的开关位置。这对控制杆额定施加100英尺—磅力矩。

“OPEN(断开)”止动终点，通过让用户把执行机构“微动”到接 近“OPEN(断开)”机械开关停止的位置来确定。用户通过同时抬起“设 定限度”和“OPEN(断开)”开关给出已经达到正确位置时，所述软件 储存所述位置。

为了不运动开关而检测行程限位，用户可以分开连接装置并且执 行“检测”操作。这个请求通过同时抬起“对准/连接”两开关并且要 么抬起要么降下“断开/闭合”开关来提出。这能够快速运动执行机构， 不用进行在其它情况下用于检查不连接情况的小力矩操作。

电池检测

M1的一个重要要求是能够在电池系统中储存的电能量变化时发 出一致的操作，以能够检测电池系统什么时候不能给出所要求的最少 电并相应地使操作瘫痪。M1的关键参数是在其转子“锁定”或者说 由于冰阻塞或者触点熔焊的重负荷下转不动时输送给马达的电压。因 为马达是一个直流的永磁马达，锁定的转子力矩与电源电压成正比。 马达的锁定转子阻抗大致是个常数(在我们的情况下是约0.039欧姆)。 从而电池检测方法的一个重要因素是计算用约0.039欧姆的电阻模拟 马达时电池发出的电压。如果这电压相应于一个低于所需最小值的马 达力矩，则发出一个“不良电池”的指示，于是不能进行开关操作。

参见图13a，电池检测方法以在微控制器控制下关断电池充电为 开始，然后在电池的端子上跨接电池检测电阻(1301)。所述电阻的标 称值约0.25欧姆，当然也可以使用不同大小和精度的电阻。因为对电 池和电流都受到监测，计算中不必要精确的电阻，却可以精确计算出 电阻值。通过0.2秒延迟让电压下降、稳定然后采样，测量电池的电 压和电流，计算存在电池检测电阻负载时的电池阻抗(1302，标称值0.25 欧姆的电阻与电池串连)。电池经电阻短路，并且负荷下的电流和电压 都测量(如果电池充电器在检测开始时没有关闭，软件就关闭电池充电 器)。然后切换出电阻再次测量电池的电压(1302、1303)。后一个测量 (1303)提供电池空载条件下的电压。然后可以用下面的公式计算马达 如果以锁定转子的状态接入时所测量的大约电池电压(1304)：

Vload＝(Vnom×Rmot×Itest)/(Vnom-Vtest+(Rmot×Itest))

式中：

Vload                 锁定转子条件下的电池电压计算值

Vnom                  空载(标称)电池电压

Rmot                  马达锁定转子的内阻

Itest                 加检测电阻时测量的电流

Vtest                 加检测电阻时测量的电压

以上公式是近似的，因为电池的内阻在一定程度上与负荷相关。 在大负荷上的电压降不与较小负荷上的电压降成正比。电池保持比其 它情况下可期望更好(高)的高负荷电压。在电池放电曲线的有用部分 (约生产者低放电率的50％)，此比例是线性的。在本优选实施例中用 的33安培小时铅-酸电池的典型的比例系数是1.6，得出下面的公式：

Vpred＝(Vtest-Vload)×1.6

式中：

Vpred       使用特定的电池在锁定转子条件下的预计电压降

此公式计算为检测(1304)的最终结果。这个检测每日在正常的运 转条件(有交流电)下进行。在电池放电(无交流电)时，每小时进行一次， 在交流电恢复之后头两天内每两小时进行一次。

在正常条件下，电池充电器恒定地向电池系统施加一个浮动的电 压。因为公知的表面电荷效应，这在电池上给予一个较高的电压。所 述电荷必须在其空载电压Vnom取样之前从电池上消除。通过施加检 测负载然后去掉负载(同时关闭充电器)进行空载电压的检测，可以不 用施加较小的负载来泄放表面充电而可靠地测量空载电池电压。

电池系统的监测通过一个可分开、但是与图13b所示相关的过程 完成。这个监测在有交流电同时进行电池检测和没有交流电而电池放 电时启动(1305)。此监测基于电池从充电器脱开下的电池最当前电压 值。从而，监测只是在充电器和检测负载已经断开时向着电池检测结 束的一个短期间作用在交流电源上(1320)。锁定转子条件下预定电压 以没有表面电荷的当前电池电压为基础，减去锁定转子条件下的预定 电压降(1306)来计算。这个预定电压与报警电平设定值(1307)和“电池 不良”电平设定值(1309)比较，并且在这些状况持续存在时(1308、 1310、1311、1315、1318)，发出适当的指示(1316、1319)。如果情况 改善了，例如在电池充电时，排除这些情况(1314、1315)。进行一个 附加的空载电池电压Vnom检测(1313)以确定电池是否已经放电到甚 至不能再支持控制计算机和通信设备形成的小负载。在这个电平下， 控制计算机关断向整个系统的电源供电(1312)，防止对电池造成损坏。

其它实施例

可以设想各种修改。上面的讨论是优选实施例，并且本领域普通 技术人员会清楚，可以对之做几个改变和修改，包括使用等同的装置 和方法步骤而不偏离本发明的精神和范围。

例如，这个设计使用机电继电器和大电流马达触点来切换马达开 /关、反转运行的方向、以及把负载电路切换进/出电路。还可以采用 大电流的、固体开关装置。这些元件有更高和更精确的开关速度，和 精确和快速控制马达力矩的能力。对本发明的本实施例进行小的修改 就可以采容这些元件。

在马达过载和短执行机构行程等异常情况发生时，本实施例采取 预定的纠正动作的决策。毫无疑问，不同地理区域的用户基于感觉到 的遭遇故障的可能性而要求不同的纠正动作。例如沙漠中的用户可以 想要马达过载时CLOSE(闭合)操作的结果而使M1完全停止操作，因 为过载的最可能的原因是内部设备失效。这些个别的纠正动作可以优 选地在设定参数中实施，这些参数使用户能够决定要采取什么样的对 策。

本(扭转)实施例处理由一个旋转的控制杆操作的开关。许多空气 配电开关由往复手柄操作。往复运动的单元可以方便地由水平地安装 输出杆并且附着一个圆柱形的连接以把旋转动作转变成往复动作方便 地构成，或者通过采用一个传动箱组件把马达旋转转变成线性的输出 杆运动。

在某些现在的马达伺服机构中，用液压元件提供驱动力，液压元 件又由马达驱动的泵和阀门馈液和控制。只要作小的修改就可把现有 设计的实施方法就用于这些液压系统。例如可以在输出杆上测量执行 机构的速度和位置，并且如果输出杆没有停靠在其目标位置的预定距 离之内可以发起自动方向反行。

现有的控制逻辑有限地使用外部温度传感器确定结冰情况的出 现。对控制逻辑可以自动地检测出马达过载或者就与结冰情况关联的 不完全行程，并且触发破冰模式，用此模式进行快速的断开/闭合操作 来把冰从开关的闸刀上除去。