交流異步伺服技術(shù)在風(fēng)電機(jī)組變槳系統(tǒng)開發(fā)中的應(yīng)用

潘天賜

（桂林理工大學(xué)博文管理學(xué)院，廣西 桂林 532100）

0 引 言

1 風(fēng)電機(jī)組變槳系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及作業(yè)原理

風(fēng)電機(jī)組變槳系統(tǒng)主要由6個(gè)模塊組成，分別是傳感器信息采集模塊、減速箱控制模塊、系統(tǒng)備用電源模塊、伺服系統(tǒng)、系統(tǒng)配電模塊及變槳主控制器。其中，伺服系統(tǒng)又可以拆分為傳感器、伺服電機(jī)、伺服驅(qū)動(dòng)器三部分。

風(fēng)電機(jī)組每個(gè)漿葉在伺服控制系統(tǒng)作用下，漿距角變化速度得以控制，通常每個(gè)槳葉每秒鐘變化角度在10°以內(nèi)，0°～92°均能夠得到有效控制[5]。為了實(shí)現(xiàn)獨(dú)立作業(yè)，系統(tǒng)采用伺服電機(jī)單獨(dú)對(duì)各個(gè)槳葉采取獨(dú)立調(diào)節(jié)，利用編碼器反饋電機(jī)轉(zhuǎn)角結(jié)果，在伺服驅(qū)動(dòng)器控制下，實(shí)現(xiàn)槳葉轉(zhuǎn)動(dòng)閉環(huán)控制。當(dāng)電機(jī)減速箱線路得以連接時(shí)，槳葉輪轂內(nèi)齒圈隨著主動(dòng)齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)，在前者所處位置安裝位置開關(guān)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)作業(yè)狀態(tài)實(shí)時(shí)控制。

2 適用于風(fēng)電機(jī)組變槳系統(tǒng)控制的伺服系統(tǒng)選取

伺服系統(tǒng)是風(fēng)電機(jī)組變槳系統(tǒng)控制的核心部分。由于風(fēng)電機(jī)組變槳操控要求較高，除了要求伺服系統(tǒng)具有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力，還要求系統(tǒng)作業(yè)期間定子與轉(zhuǎn)子均發(fā)熱，具有較高的作業(yè)效率，盡可能簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，以便結(jié)構(gòu)優(yōu)化也檢修等工作開展。為了選取一種適合風(fēng)電機(jī)組變槳系統(tǒng)開發(fā)的伺服系統(tǒng)，本文選取3種伺服系統(tǒng)對(duì)比其性能，結(jié)果如表1所示。

對(duì)比表1中的8項(xiàng)指標(biāo)可知，異步交流伺服電機(jī)的性能更佳，雖然制動(dòng)控制方面存在一定難度，但是其他指標(biāo)較其它兩種伺服系統(tǒng)優(yōu)勢更大。因此，本研究選取異步交流伺服電機(jī)作為系統(tǒng)開發(fā)核心工具。

表1 3種伺服系統(tǒng)對(duì)比選取

3 伺服技術(shù)在風(fēng)電機(jī)組變槳系統(tǒng)開發(fā)中的應(yīng)用功能分析

伺服技術(shù)具有較為豐富的控制功能，支持多類型系統(tǒng)開發(fā)，交流異步電機(jī)伺服系統(tǒng)作為新型伺服技術(shù)，在風(fēng)機(jī)組變槳系統(tǒng)中的應(yīng)用，可以發(fā)揮獨(dú)特作用，主要實(shí)現(xiàn)功能如下。

（1）支持電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)同時(shí)控制，依據(jù)風(fēng)電控制相關(guān)參數(shù)運(yùn)算結(jié)果，下發(fā)系統(tǒng)位置控制指令，用于調(diào)整槳葉作業(yè)位置，使得系統(tǒng)操控更加精準(zhǔn)。

（2）伺服系統(tǒng)可以接收冗余編碼器信號(hào)，利用編碼器對(duì)變槳伺服采取控制，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)作業(yè)。為了進(jìn)一步提高編碼器測量數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度，提升閉環(huán)作業(yè)操作水平，伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中添加了位置編碼器，用于測量絕對(duì)位置，為系統(tǒng)操控提供精準(zhǔn)數(shù)據(jù)。

（3）支持系統(tǒng)自診，通過發(fā)出狀態(tài)信號(hào)，與機(jī)組安全鏈建立連接，當(dāng)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)作業(yè)異常時(shí)，立即中斷系統(tǒng)供電裝置，從而快速停機(jī)，在伺服電機(jī)的作用下自行診斷系統(tǒng)，挖掘系統(tǒng)作業(yè)問題，面對(duì)不同種情況生成相應(yīng)的處理策略。

“秦月”由“秦富1號(hào)”和“嘎拉”雜交育成。果實(shí)呈圓形或長圓錐形，大小均勻，果個(gè)與嘎拉接近，果皮鮮紅，果肉黃白，肉質(zhì)細(xì)脆多汁，酸甜適口，較耐貯存。在渭北高原南部地區(qū)8月底成熟，渭北高原中部地區(qū)9月上中旬成熟，剛好趕上中秋節(jié)和國慶節(jié)，是一個(gè)優(yōu)良的中熟蘋果新品種。

（4）具備長期連續(xù)作業(yè)功能。為了避免系統(tǒng)遭受環(huán)境等因素影響，供電模塊作業(yè)異常無法正常為系統(tǒng)供電，伺服系統(tǒng)增加了備用電源，在主電源作業(yè)異常情況下接入電路。

4 基于交流異步伺服技術(shù)的系統(tǒng)硬件開發(fā)

4.1 伺服驅(qū)動(dòng)框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

伺服驅(qū)動(dòng)器是系統(tǒng)的核心控制裝置。本文在開發(fā)系統(tǒng)時(shí)，著重探究了伺服控制硬件框架結(jié)構(gòu)。本研究選取TMS320F812作為核心處理器，利用模擬信號(hào)檢測裝置采集信號(hào)，在多功能控制器及驅(qū)動(dòng)器作用下完成伺服驅(qū)動(dòng)控制。圖1為伺服驅(qū)動(dòng)框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。

圖1中，伺服驅(qū)動(dòng)框架結(jié)構(gòu)主要由模擬信號(hào)調(diào)理、參數(shù)存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)接口、位置反饋信號(hào)接口、中斷接口、電源監(jiān)控、光電隔離、I/O端子、通信接口、泄放控制及驅(qū)動(dòng)隔離電路等裝置構(gòu)成。系統(tǒng)利用通信接口檢測信號(hào)，當(dāng)系統(tǒng)檢測到模擬信號(hào)以后，自動(dòng)對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，經(jīng)過泄放控制將信號(hào)傳輸至功率主回路，經(jīng)過驅(qū)動(dòng)隔離處理實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)作業(yè)功率控制。

圖1 伺服驅(qū)動(dòng)框架結(jié)構(gòu)

4.2 系統(tǒng)作業(yè)安全硬件設(shè)計(jì)

為了提高系統(tǒng)作業(yè)安全性，本研究在系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)開發(fā)層面上進(jìn)行了探究，通過設(shè)置監(jiān)控、復(fù)位等裝置，達(dá)到保護(hù)系統(tǒng)安全運(yùn)行的目的。本系統(tǒng)主要設(shè)置了兩部分安全硬件結(jié)構(gòu)，其中一部分為電源監(jiān)控硬件結(jié)構(gòu)，通過觀察DO電平變化數(shù)值，判斷機(jī)組作業(yè)是否安全；另一部分為看門狗保護(hù)，可在伺服驅(qū)動(dòng)器死機(jī)情況下起到保護(hù)作用。當(dāng)伺服電機(jī)從正常作業(yè)轉(zhuǎn)變?yōu)樗罊C(jī)狀態(tài)時(shí)，看門狗自動(dòng)復(fù)位，檢測到DO狀態(tài)為低電平，此情況下機(jī)組恢復(fù)到安全狀態(tài)。

5 基于交流異步伺服技術(shù)的系統(tǒng)軟件開發(fā)

5.1 異步電機(jī)內(nèi)環(huán)控制開發(fā)

本研究依據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制方程和轉(zhuǎn)子磁鏈方程，構(gòu)建動(dòng)態(tài)作業(yè)原理下的異步電機(jī)作業(yè)模型，利用轉(zhuǎn)子磁場定向矢量控制方法設(shè)計(jì)內(nèi)環(huán)控制結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 異步電機(jī)內(nèi)環(huán)控制結(jié)構(gòu)

圖2中，電機(jī)作業(yè)產(chǎn)生信號(hào)經(jīng)過編碼器處理，生成具有編碼的信號(hào)，利用測量裝置采集位置信號(hào)和速度信號(hào)數(shù)據(jù)，傳送至PI端，經(jīng)過一系列的內(nèi)環(huán)控制處理，完成PWM逆變換，而后變換坐標(biāo)，利用動(dòng)態(tài)模型進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)動(dòng)態(tài)計(jì)算結(jié)果，對(duì)磁場內(nèi)異步電機(jī)矢量進(jìn)行有效控制。關(guān)于矢量控制的軟件結(jié)構(gòu)，主要由位置、速度、電流三部分組成。

5.2 系統(tǒng)通信接口設(shè)置

本系統(tǒng)選取CAN通信協(xié)議作為通信接口設(shè)置工具，創(chuàng)建變槳距主控裝置和伺服驅(qū)動(dòng)器之間通信橋梁，借助RS-232串行接口和RS-485串行接口傳輸信號(hào)。另外，系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息的交換處理采用的技術(shù)為Modbus協(xié)議，按照此協(xié)議轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)信息。

5.3 系統(tǒng)異常作業(yè)狀態(tài)判斷及軟件控制

傳統(tǒng)的伺服系統(tǒng)安全性能薄弱，改善系統(tǒng)異常作業(yè)下的軟件控制體系顯得尤為重要，通過安全診斷，獲取伺服系統(tǒng)當(dāng)前作業(yè)狀態(tài)信息，判斷其是否處于危險(xiǎn)作業(yè)狀態(tài)，為系統(tǒng)修復(fù)處理提供更多時(shí)間。通常，將采集到的系統(tǒng)作業(yè)診斷結(jié)果匯總到DO通道內(nèi)，而后經(jīng)過繼電器轉(zhuǎn)入機(jī)組信息傳輸鏈路內(nèi)，通過啟動(dòng)伺服驅(qū)動(dòng)器，對(duì)機(jī)組作業(yè)狀態(tài)進(jìn)行調(diào)控。以下為兩種常見的伺服系統(tǒng)作業(yè)異常情況，通過分析異常情況特點(diǎn)，制定軟件控制方案。

（1）裝置嚴(yán)重?fù)p傷情況。此類情況描述的是伺服系統(tǒng)中某一裝置或者多個(gè)裝置在遭受嚴(yán)重創(chuàng)傷，出現(xiàn)電壓或者電流過高等情況，導(dǎo)致散熱板過熱、驅(qū)動(dòng)裝置異常等問題產(chǎn)生。面對(duì)此問題采取的軟件控制：封鎖系統(tǒng)的脈寬調(diào)制輸出端，切斷接觸器，使得線路中電流為零，在DO端輸出低電平。當(dāng)管理人員重新為系統(tǒng)上電，才可以連接接觸器，恢復(fù)正常作業(yè)。

（2）編碼器發(fā)生故障。此類故障描述的是槳距角、電機(jī)編碼器斷線，或者編碼器位置差數(shù)值過大，均會(huì)導(dǎo)致其作業(yè)異常。面對(duì)此情況，通過控制伺服狀態(tài)，使其輸出低電平。另外，還可以將順漿動(dòng)作控制模式設(shè)置為VVVF模式，采取緊急狀態(tài)切斷。

6 系統(tǒng)作業(yè)常見的故障及處理建議

由于交流伺服驅(qū)動(dòng)器在系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)中存在系統(tǒng)維護(hù)簡便、開發(fā)難度低等優(yōu)勢，因此成為了風(fēng)電機(jī)組變槳系統(tǒng)開發(fā)的首要選擇工具。隨著風(fēng)力發(fā)電科學(xué)技術(shù)水平的提升，對(duì)順漿控制要求有所提升，當(dāng)前擬定的控制模式仍然存在漏洞，如主電源供電異常等問題。本文以此問題為例來分析系統(tǒng)作業(yè)故障，提出處理建議。

本系統(tǒng)通過設(shè)置備用電源繼續(xù)為系統(tǒng)供電，通常選取超級(jí)電容組或者蓄電池組作為電源裝置，借助逆變器完成順漿操作，但降低了順漿作業(yè)性能。所以，提升系統(tǒng)順漿作業(yè)性能成為了發(fā)揮系統(tǒng)作用的關(guān)鍵，可以采取如下兩種方案改善此類性能。

（1）為系統(tǒng)配備1臺(tái)輔助裝置，通過控制系統(tǒng)作業(yè)頻率及時(shí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)作業(yè)環(huán)境，從而避免伺服器發(fā)生故障。此項(xiàng)操作使用到的裝置為變頻器，當(dāng)檢測到伺服器發(fā)生故障時(shí)，利用該裝置控制交流電機(jī)，使得槳葉從當(dāng)前作業(yè)狀態(tài)立即轉(zhuǎn)變?yōu)轫槤{狀態(tài)。

（2）在伺服控制器現(xiàn)有功能基礎(chǔ)上增加冗余控制功能。該項(xiàng)操作功能指的是借助相鄰槳葉作業(yè)能量，帶動(dòng)與其相鄰且處于故障狀態(tài)下的槳葉立即完成順漿動(dòng)作，使得驅(qū)動(dòng)器得以恢復(fù)到正常作業(yè)狀態(tài)。

7 結(jié) 論

本文圍繞風(fēng)電機(jī)組變槳系統(tǒng)開發(fā)方案展開研究，選取交流異步伺服技術(shù)作為核心技術(shù)，設(shè)計(jì)系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)。該設(shè)計(jì)方案以伺服驅(qū)動(dòng)器作為重點(diǎn)，擬定了硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案和軟件開發(fā)方案。此外，針對(duì)系統(tǒng)作業(yè)期間可能發(fā)生的故障進(jìn)行分析，提出了處理建議。加深了對(duì)交流伺服器控制的探究，有助于為風(fēng)電機(jī)組變槳控制策略研究提供參考依據(jù)。