風電變槳直流伺服驅動器的設計

風電變槳直流伺服驅動器的設計

胡劍生，王海明，李嘉，王旭昊，蘇靜

(許繼集團有限公司，河南 許昌 461000)

DesignofWindTurbinePitchDCServoDriver

HUJiansheng，WANGHaiming，LIJia，WANGXuhao，SUJing

(XJGroupCorporation，Xuchang461000，China)

摘要：基于風力發電變槳系統的需求，分析了永磁直流伺服電機的調速原理，提出了永磁直流電機控制策略，并研究建立了全數字直流伺服控制系統。選用TI公司的TMS320F2812 DSP作為控制核心，介紹了該伺服驅動器的主功率電路和控制電路硬件設計、實現方法以及整體軟件架構和具體實現流程。通過旋變解碼試驗和動態調速試驗，驗證了全數字直流伺服控制系統的整體設計。

關鍵詞：風電變槳控制；直流伺服；PWM調速；數字信號處理器；動態特性

中圖分類號：TM46

文獻標識碼：A

文章編號：1001-2257(2015)04-0058-04

收稿日期：2014-12-23

作者簡介：胡劍生(1979-)，男，江西贛州人，中級工程師，研究方向為嵌入式系統研究與開發，伺服驅動；王海明(1985-)，男，河南商丘人，碩士研究生，中級工程師，研究方向為嵌入式技術、光伏系統控制和伺服驅動。

Abstract：Based on the demand for pitch system of wind power，this paper analyzes the control principle of permanent magnet DC servo motor，proposes the control strategy of permanent magnet DC motor，and studies and has established a full digital DC servo control system.Using the TMS320F2812 DSP of TI Company as the control core，it introduces the hardware design of main power circuit and control circuit of the servo driver，the realization method，the overall software architecture and specific implementation process. Having done the resolver decoding speed test and dynamic test，verified the overall design of the full digital DC servo control system.

Keywords：variablepitchcontrolofwindpower；DCservomotor；PWMcontrol；digitalsignalprocessor；dynamicperformance

0引言

風電技術是可再生能源技術中除水電外發展最成功的一種，在德國、西班牙、美國、印度、意大利和丹麥等國普遍應用，在國內相對滯后，但發展快速，截止2012年，累計裝機容量75 324.2MW，發展潛力巨大。對于MW級及以上的風電機組均采用變槳距變速恒頻的機型，包括雙饋式和永磁同步直驅式。變槳距控制系統是風電機組安全運行的核心部件之一，根據風力發電機所處環境的風力狀況，改變葉片的槳距角，達到調節功率和保護風機的目的。伺服驅動器是風電變槳系統的核心部件和執行結構，變槳控制器通過伺服驅動器對變槳電機進行控制，達到調節風機槳葉角度的目的。因而對于變槳系統的要求有：后備電源在電網斷電后，直接驅動電機完成緊急順槳；后備電源容量大，能夠滿足2～3次順槳；后備電源驅動電機順槳時速度相對穩定，即要求放到電壓平穩；系統安全可靠。在風電變槳領域中，普遍采用免維護鉛酸蓄電池作為后備電源，永磁直流電機伺服系統作為控制系統。

1直流伺服調速原理

1.1永磁直流電機調試方法

直流電動機轉速方程為：

由上式可見，調節電動機轉速的方法有3種[10-11]，即調節電樞供電電壓U(調壓調速)；改變電樞回路電阻R(調阻調速)；減弱勵磁磁通Φ(弱磁調速)。

由于調阻調速是有級調速，耗能調速，且會使電機機械特性變軟；減弱磁通雖然能夠平滑調速，但調速范圍不大，在基速以上做小范圍的弱磁升速，同時會使電機帶載能力變差，機械特性變軟；而調壓調速能在較大的范圍內實現無級平滑調速，且機械特性不變，因此，主流采用高頻PWM調壓調速，如圖1所示。

圖1　調壓調速特性曲線

圖3　控制系統

1.2PWM產生原理

TI公司TMS320F2812可方便產生3相橋控PWM波。芯片內含EVA的2個通用定時器，能夠產生2路獨立的PWM波形(T1PWM和T2PWM)，T1PWM的3個比較單元每一個都能產生1對互補的PWM波形，比較單元1產生PWM1和PWM2，比較單元2產生PWM3和PWM4，比較單元3產生PWM5和PWM6[12]。這樣，EVA一共能產生6路PWM波形。

在此，驅動器采用T1定時器生成2對互補的PWM波。下面以T1定時器介紹PWM生成原理，當T1計數寄存器T1CNT的值和設定T1CMPR的值相等時，就會發生比較匹配事件，這時，如果PWM的功能使能，則T1PWM引腳便可以輸出PWM波形。T1能夠產生2種類型的PWM，一種是不對稱的PWM波形，另一種是對稱的PWM波形，取決于T1CNT的計數方式。設計載波為三角波，選用對稱的PWM波形，配置T1CNT為連續增/減計數模式(對稱的PWM波形)，且PWM輸出高電平有效。生成原理如圖2所示。

圖2　 PWM產生原理

當T1工作于連續增/減計數模式時，T1CNT1個周期T=(2T1PR)Tc，其中Tc是計數基準時鐘。因此，T1PWM的占空比為：

另外，3個全比較單元每一個都能通過相應的寄存器設置死區時間，防止上下橋臂管直通。死區時間由死區控制寄存器DBTCONx的[11～8]位死區定時器周期,以及DBTCON的[4～2]位死區定時器預定標因子決定。

2永磁直流電機控制策略

伺服系統采用速度、電流雙閉環控制策略，電流環為內環，速度環為外環。控制系統如圖3所示。

2.1電流內環控制

驅動器電流環采用PI控制器。電流環起到2個作用:一是在啟動和大范圍加減速時起電流調節和限幅作用；二是使系統的抗電源擾動和負載擾動的能力增強。由于電流環其時間常數小，電流環的響應速度要遠遠大于速度環，使電樞電流快速跟蹤電流指令，因此，系統的快速性和穩定性得到改善。圖3中電流環在傳統PI調節器的基礎上，增加了電流前饋和死區補償。電流指令1到電流指令2斜率控制用于防止電流過沖，電流指令1到指令2的I2T控制用于驅動器熱保護，當電機堵轉或重載時限值到額定值。

2.2速度外環控制

速度環采用PID控制器。根據給定速度與實際速度的偏差及時地控制電機的轉矩，從而使在速度差值比較大時電機轉矩大，速度變化快，以便盡快地把電機轉速拉向給定值，實現調速過程的快速性；而當轉速接近給定值時又能使電機的轉矩自動減小，這樣可以避免過大的超調，使轉速很快達到給定值，實現靜態無差。

3硬件電路設計

3.1主功率電路設計

驅動器的主功率電路如圖4所示。采用三相交流輸入，經過EMI濾波器后進行三相全波整流，然后通過母線電容濾波，獲得穩定的直流母線電壓。之后通過高頻PWM變換電路后，控制直流伺服電機的運行。

圖4　伺服驅動器的主功率原理

3.2控制電路設計

控制電路是整個驅動器的控制核心，主要由DSP(TMS320F2812)和FPGA (XC3S250E)構成。DSP完成對電機控制和算法實現，對外通訊；FPGA完成外圍電路控制及邏輯處理，作為DSP的協處理器。控制電路原理如圖5所示。

圖5　控制電路原理

3.2.1　電流、電壓、溫度采樣處理

電樞電流采用霍爾傳感器隔離采樣后轉換成電壓信號，母線或電池電壓采用差分電路轉換成電壓信號，輸入給ADC(ADS8558I)。對于外部的溫度或者電機溫度采集，采用電阻分壓電路，將不同溫度對應的電阻值轉化成電壓量，進行ADC轉換，根據設計電路進而計算出對應的溫度。

3.2.2　旋變處理電路

為簡化設計，使用專用的單芯片分解器數字轉換器(RDC)，直接將旋變的輸出信號轉換成串行數據信號。采用ADI公司的AD2S1210，它是一款12/14/16位分辨率可編程的旋變信號轉換芯片，且頻率輸出2～20 kHz可編程，集成片上可編程正弦波振蕩器，為旋變器提供正弦波激勵。Type II伺服環路用于跟蹤輸入信號，并將正弦和余弦輸入端的信息轉換為輸入角度和速度所對應的數字量。并且其內部具有故障檢測電路，可以檢測旋變的信號丟失、超范圍輸入信號、輸入信號失配或位置跟蹤丟失。各故障檢測閾值可以由用戶單獨編程，以便針對特定應用進行優化。

3.2.3　故障保護電路

故障保護電路是為了保證系統可靠運行， 防止運行過程中對變槳系統單元或者電機造成損壞而設計的。主要包含驅動器對內對外開出短路、過壓過流保護以及PWM脈沖封鎖保護電路。其中，TMS32F2812是控制器，進行檢驗和判斷XC3S250E上傳采集的信息量是否在設定的范圍內。如采集母線電壓是否超出設定值，若超出范圍，則通知FPGA下發封鎖PWM脈沖的命令，同時將故障存儲至EEPROM，并用數碼管顯示故障代碼。

4軟件設計

4.1軟件系統架構及處理流程

軟件系統由主函數、中斷服務函數和各軟件功能模塊組成。主函數完成非實時常規任務的調用執行，中斷服務函數實現緊急任務的調用處理，軟件功能模塊為各功能塊的軟件實現。軟件系統的架構及狀態機如圖6所示。

圖6　軟件系統的架構及狀態機

4.2速度控制與電流控制軟件設計

結合上述控制策略，設計系統速度控制和電流控制流程如圖7所示。

圖7　速度環和電流環控制流程

5實驗驗證

5.1旋變解碼測試

使用試驗臺Danaher電機拖動瑞諾電機以恒定轉速運行，設計系統進行旋變解碼定點計算得到采樣速度，如表1所示。在電機靜止的條件下，采樣計算旋變角度位置，同時使用S640軟件讀出位置數據。在電機主軸旋轉1周范圍內，記錄多個采樣點的角度位置數據，然后將2個角度值進行對比，如表2所示。

表1　采集電機角度比對表　(°)

表2　采集電機轉速比對表　r/min

5.2調速特性試驗

將驅動器連接伺服電機，進行調速試驗，通過調節PI參數組合確保了轉速響應的快速性、穩定性，其轉速給定與實際轉速測試如圖8所示。圖8中線條1表示轉速命令給定量，縱軸每格代表480 r/min，線條2為實際轉速，每格代表480 r/min。

圖8　轉速給定命令與實際測量轉速曲線

通過旋變解碼測試和調速特性試驗可知，設計的直流伺服驅動器采集轉速的偏差不超過20 r/min，動態轉速跟蹤響應迅速，滿足設計的要求。

6結束語

分析了直流伺服電機的調速原理，選用調壓調速的控制策略，基于DSP2812設計了直流伺服驅動器。通過旋變解碼測試試驗和動態特性調速試驗，對設計進行了驗證。目前，該驅動器已經應用于張北某風電場，具有結構簡單可靠、調速平滑和動態特性好等優點，能夠在惡劣、強電磁干擾環境中穩定可靠工作，在風電變槳系統領域有廣闊的應用前景。

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