專利名稱：風力變槳伺服控制器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及的是一種可應用于風力發(fā)電系統(tǒng)的風力變槳伺服控制器，屬于風
力發(fā)電技術領域。
背景技術：
變槳系統(tǒng)在正常工況下需準確調(diào)節(jié)槳葉角度以便進行風力發(fā)電的功率調(diào)節(jié)，而在 任何故障狀況下都必須保證槳葉的剎車制動和可靠順槳，以保障風力發(fā)電機的整體安全。 順槳就是調(diào)節(jié)槳葉角度往90度方向轉動，使得風機轉速下降。變槳系統(tǒng)是風力發(fā)電機整體 安全性的最關鍵保障環(huán)節(jié)，順槳失敗可能給風機帶來齒輪箱損毀甚至塔架倒塌等災難性后 果。為實現(xiàn)上述功能，目前電動變槳系統(tǒng)一般采用伺服電機進行槳葉驅(qū)動，采用備用電源系 統(tǒng)實現(xiàn)斷電等故障狀況的順槳，采用控制算法與硬件結合實現(xiàn)傳感器等故障狀況的順槳。 變槳系統(tǒng)中的伺服電機可以為直流電機或交流電機，目前采用矢量控制策略等方法，交流 電機包括交流異步電機或永磁同步電機已可以實現(xiàn)超過直流伺服的性能指標，且沒有直流 電機換向裝置帶來的維護和可靠性問題，具有更好的應用前景，所以在絕大多數(shù)工業(yè)應用 領域交流伺服都已逐步取代了直流伺服系統(tǒng)。但目前風力發(fā)電中更多地采用直流伺服變槳 系統(tǒng)，主要原因在于變槳系統(tǒng)對順槳可靠性的高要求及備用電源特點有關在主電源斷電 故障下，系統(tǒng)采用備用電源供電，而備用電源一般為蓄電池組或超級電容組，為一直流電壓 源，此時如果采用直流電機方案可直接將電機的電樞繞組接到備用電源進行順槳，無需其 他變換設備，而現(xiàn)有的交流電機方案必須通過電力電子逆變裝置才能獲取電能完成順槳， 比直流方案多了一個逆變環(huán)節(jié)，從而降低了順槳的可靠度，出于這一點考慮，目前風機系統(tǒng) 中更傾向于選擇直流變槳方案。因此，可以說，在風機變槳系統(tǒng)中，只要能提高交流電機驅(qū) 動系統(tǒng)在斷電故障下的順槳可靠性，交流電機系統(tǒng)就可全面取代直流電機系統(tǒng)，最大程度 地發(fā)揮交流驅(qū)動系統(tǒng)的優(yōu)勢。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術存在的不足，而提供一種采用可靠且穩(wěn)定的 硬件，結合巧妙的備用直流電源設計以提高變槳系統(tǒng)順槳可靠性的風力變槳伺服控制器。 本實用新型的目的是通過如下技術方案來完成的，它主要包含有一以 TMS320F2812為核心的控制板和一以IPM功率器件為核心的逆變器主電路板，以及用于提 高交流伺服控制器可靠性的備用直流電源；它還包含有L1、L2、L3、N、PE五個用于輸入三相 交流電源端口 ，其中，PE端口接地；還包含輸入端口 UB+和UB-通過箝位二極管VD1和VD2 與備用直流電源相連；在所述伺服控制器上設置有用于驅(qū)動風力變槳電機運動的U、V、W輸 出端口。 所述的控制板包含有一選用TMS320 C2000芯片作為高速數(shù)字處理器以及選用高 性能低功耗超高速EPM7032AE芯片作為復雜可編程邏輯電路CPLD ;另外還包含有一選用 ADS7862芯片作為四通道ADC轉換芯片，一選用TLV5625芯片作為雙通道DAC轉換芯片，以
3及包含有RS232/485/CAN通信接口 ，控制信號接口以及按鍵及LED顯示電路，電機碼盤反饋
信號接口 ；所述的控制信號接口用于接收來自上位機或外接輸入/輸出點的指令信號；所
述的電機碼盤反饋接口用于接收伺服電機的光電編碼器反饋的位置信號。 所述的數(shù)字處理器DSP的數(shù)據(jù)總線與復雜可編程邏輯電路CPLD的I/O 口相連，數(shù)
字信號處理器DSP的地址總線與復雜可編程邏輯電路CPLD的I/O 口相連。DSP的外部擴展
控制線與復雜可編程邏輯電路CPLD的I/O 口相連，DSP通過CPLD可方便實現(xiàn)DSP的外圍
芯片擴展及電路相關信號的雙向數(shù)據(jù)傳輸。 所述的逆變器主電路板主要包含有逆變器、整流器、輔助電源、隔離驅(qū)動、電流電 壓檢測、故障保護模塊，其中電流電壓檢測采用霍爾傳感器。 在風機變槳系統(tǒng)中，只要能解決交流電機變頻驅(qū)動的可靠性問題，交流電機就可 完全取代直流電機，最大程度的發(fā)揮其優(yōu)點。變槳系統(tǒng)是風力發(fā)電機整體安全性的最關鍵 保障環(huán)節(jié)，必須保證在任何故障情況下都能完成風機的剎車制動和順槳動作，否則會給風 機帶來災難性后果。因此，研究變槳系統(tǒng)冗余控制提高系統(tǒng)可靠性具有很高的應用價值。本 實用新型提出一種風電變槳伺服控制器可靠且穩(wěn)定的硬件設計及巧妙的備用直流電源設 計，有效提高了系統(tǒng)可靠性。 本發(fā)明的有益效果 (1)采用成熟的備用直流電源，利用巧妙的箝位二極管單向?qū)ǖ奶匦?，為伺服?制器提供了在交流電斷電故障下順利完成順槳過程的保障。大大提高了交流風力變槳伺服 控制系統(tǒng)的可靠性。 (2)在此風力變槳伺服驅(qū)動器中，高速數(shù)字信號處理器DSP和超快可編程邏輯電 路CPLD獨立設計，數(shù)字信號處理器用于實現(xiàn)系統(tǒng)控制算法，復雜可編程邏輯電路CPLD則實 現(xiàn)外部芯片擴展。設計結構復雜，邏輯清晰且抗干擾能力差的不足。 (3)在此風力變槳伺服驅(qū)動器中，采用高度集成的IPM模塊作為功率模板，由于 IPM內(nèi)置保護電路，因此魯棒性大大提高。同時內(nèi)置相關外圍電路，縮短了系統(tǒng)設計周期，縮 小了整個系統(tǒng)體積。 本風力變槳伺服控制器基于可靠而穩(wěn)定的硬件，再加上巧妙的直流備用電源設 計，就可大大提高風力變槳伺服控制器的可靠性，進而最大限度的發(fā)揮交流伺服控制器的 優(yōu)點。
圖1是是本實用新型的外圍接口圖。 圖2是本實用新型的內(nèi)部硬件結構電路圖。 圖3是本實用新型超高速復雜可編程邏輯電路CPLD外圍擴展圖。 圖4是本實用新型的電流信號取樣電路圖。
具體實施方式本實用新型主要包含有一以TMS320F2812為核心的控制板和一以IPM功率器件為 核心的逆變器主電路板，以及用于提高交流伺服控制器可靠性的備用直流電源；它還包含 有Ll、 L2、 L3、 N、 PE五個用于輸入三相交流電源端口 ，其中，PE端口接地；還包含輸入端口
4UB+和UB-通過箝位二極管VD1和VD2與備用直流電源相連；在所述伺服控制器上設置有 用于驅(qū)動風力變槳電機運動的U、 V、 W輸出端口 。 所述的控制板包含有一選用TMS320 C2000芯片作為高速數(shù)字處理器以及選用高 性能低功耗超高速EPM7032AE芯片作為復雜可編程邏輯電路CPLD ;另外還包含有一選用 ADS7862芯片作為四通道ADC轉換芯片，一選用TLV5625芯片作為雙通道DAC轉換芯片，以 及包含有RS232/485/CAN通信接口 ，控制信號接口以及按鍵及LED顯示電路，電機碼盤反饋 信號接口 ；所述的控制信號接口用于接收來自上位機或外接輸入/輸出點的指令信號；所 述的電機碼盤反饋接口用于接收伺服電機的光電編碼器反饋的位置信號。 所述的數(shù)字處理器DSP的數(shù)據(jù)總線與復雜可編程邏輯電路CPLD的I/O 口相連，數(shù) 字信號處理器DSP的地址總線與復雜可編程邏輯電路CPLD的I/O 口相連。DSP的外部擴展 控制線與復雜可編程邏輯電路CPLD的I/O 口相連，DSP通過CPLD可方便實現(xiàn)DSP的外圍 芯片擴展及電路相關信號的雙向數(shù)據(jù)傳輸。 所述的逆變器主電路板主要包含有逆變器、整流器、輔助電源、隔離驅(qū)動、電流電
壓檢測、故障保護模塊，其中電流電壓檢測采用霍爾傳感器。
以下結合附圖對本實用新型具體實施方式
作進一步的說明。 如圖1所示，本實用新型的接口圖，Ll、 L2、 L3、 N、 PE五個端口用于輸入三相交流 電源端口，其中，PE端口接地。輸入端口 UB+和UB-通過箝位二極管VD1和VD2與備用直 流電源相連。當交流電源供電正常時，備用直流電源處于充電狀態(tài)，由于箝位二極管VD1和 VD2單向?qū)ǖ奶匦?，備用直流電源與伺服控制器之間處于阻斷狀態(tài)。當交流電源斷電時， 箝位二極管VD1和VD2因承受正電壓而導通，向伺服控制器提供直流電，直流電經(jīng)過逆變電 路轉換為交流電保證槳葉完成順槳。端口 U、V、W作為伺服控制器的輸出，驅(qū)動風力變槳電 機運動，實現(xiàn)對槳距角的控制。 如圖2所示，本實用新型所述的風力變槳伺服控制器，包括控制板、驅(qū)動板。所 述控制板包含美國TI公司推出的適合電機控制的高速數(shù)字處理器TMS320 C2000芯片、 CPLD采用Altera公司推出的高性能低功耗超高速EPM7032AE芯片、四通道ADC轉換芯片 ADS7862、雙通道DAC轉換芯片TLV5625、 RS232/485/CAN通信接口 、控制信號接口 、按鍵及 LED顯示電路、電機碼盤反饋信號接口 ；EPM7032AE型CPLD由3. 3V電壓供電，可接收5V的 相關信號，因此具有電平轉換功能；控制信號接口用于接收來自上位機或外接輸入/輸出 點的指令信號；電機碼盤反饋接口，用于接收伺服電機的光電編碼器反饋的位置信號；DSP 芯片通過接口電路接收到外部的指令信號和光電編碼器反饋的位置信號后，對它們進行計 算處理，再輸出控制信號到接口電路；接口電路再將控制信號進行適當?shù)霓D換后送到驅(qū)動 板； 所述驅(qū)動板包含逆變器、整流器、輔助電源、隔離驅(qū)動、電流電壓檢測、故障保護 等。功率驅(qū)動的核心為三菱公司生產(chǎn)的IPM模塊。 如圖3所示是逆變器的拓撲結構。圖中虛線框表示智能功率模塊，圖中虛線框表 示智能功率模塊，R4為制動電阻。起動前，整流模塊通過充電電阻R1，向電容C1和C2充 電，以防止充電電流過大。當Cl和C2電壓達到額定值時，繼電器Jl吸合，將Rl短路掉，防 止R1消耗能量。電壓霍爾與兩個電流霍爾分別用來檢測直流母線電壓以及U相和V相電 流。[0027] 如圖4所示，高精度精密電阻Rs串接在電機相繞組PH1中，將交流伺服電機相電 流量轉化為電壓量，而高精度模擬隔離線性運算放大器7840連接于采樣電阻Rs與采樣信 號調(diào)理電路U4之間。電機相繞組對應的智能功率模塊IPM上橋臂懸浮電源Vp經(jīng)限流電阻 Rl及穩(wěn)壓二極管Z1后產(chǎn)生穩(wěn)壓電源VD1，此電源為隔離電源，作為高精度模擬隔離線性運 算放大器HCPL 7840的初級供電電源，接于HCPL 7840的1號腳和4號腳之間；HCPL 7840 的次級供電電源由開關電源提供的系統(tǒng)電源供電，接于HCPL 7840的5號腳和8號腳之間。 精密采樣電阻Rs的一端與HCPL 7840的3號腳相連，精密電阻的另一端則經(jīng)過濾波電阻 Rf與HCPL 7840的2號腳相連，高精度模擬隔離線性運算放大器HCPL 7840的2號腳與3 號腳之間設置有濾波電容C3。 HCPL 7840的6號腳V0+與7號腳V0-之間電壓則為高精度 模擬隔離線性運算放大器的輸出電壓，且HCPL 7840的輸出電壓與精密采樣電阻Rs兩端電 壓成正比。為了消除HCPL 7840供電電源中的諧波，提高電流采樣精度，初級電源中設置有 濾波電容C4、次級電源中設置有濾波電容C2。當串接在電機相繞組PH1中的精密采樣電阻 Rs流過電流時，在采樣電阻Rs的兩端產(chǎn)生的電壓差，此電壓差經(jīng)過高精度模擬隔離線性運 算放大器HCPL 7840作用后自動輸出一對與輸入電壓成正比的差動電壓信號，經(jīng)運算放大 器U3將此差動電壓信號運算放大后輸出一模擬電壓信號，最后由高精度ADC U4將該模擬 電壓信號轉變?yōu)閿?shù)字信號輸出。由于高精度模擬隔離線性運算放大器HCPL 7840的傳輸線 性度相當高，其非線性度典型值為0. 1%，現(xiàn)性放大倍數(shù)的典型值為8.0，即使初級電壓僅 有毫伏級的變化，其次級輸出的差動電壓也會隨之改變，因而其電流采樣精度非常高，從而 使得整個系統(tǒng)的控制性能大大提高。 本實用新型所述風機變槳系統(tǒng)含有控制板和驅(qū)動板兩部分，用于驅(qū)動交流伺服 電機；備用直流電源，用于提高交流伺服控制器的可靠性；具有L1、L2、L3、N、PE五個用于輸 入三相交流電源端口，其中，PE端口接地。輸入端口 UB+和UB-與備用直流電源通過箝位 二極管VD1和VD2相連。箝位二極管VD1和VD2用于保護備用直流電源，確保其單向供電。 端口 U、V、W作為伺服控制器的輸出，用于驅(qū)動風力變槳電機運動，實現(xiàn)對槳距角的控制。風 力變槳電機可以是異步電機，亦可以為永磁同步電機。 所述的風力變槳伺服控制器備用直流電源，在風力變槳伺服控制器交流供電掉電 時，由于二極管VD1和VD2單向?qū)ㄌ匦?，備用直流電源自動接入伺服控制器的直流供電?UB+和UB-，經(jīng)過逆變器后為伺服控制器供電，確保槳葉完成順槳。 所述的風力變槳伺服控制器控制板，采用高速數(shù)字信號處理器DSP、高性能低功耗 復雜可編程邏輯電路CPLD作為核心控制電路，包括多通道AD轉換電路、RS232/485、CAN通 訊接口，按鍵及LED顯示等。 所述的風力變槳伺服控制器控制板，高速數(shù)字信號處理器DSP和超快可編程邏輯 電路CPLD獨立進行設計。通過數(shù)字信號處理器來實現(xiàn)系統(tǒng)控制算法，通過復雜可編程邏輯 電路CPLD實現(xiàn)外部芯片擴展。 所述的風力變槳伺服控制器，數(shù)字處理器DSP的數(shù)據(jù)總線與復雜可編程邏輯電路 CPLD的I/O 口相連，數(shù)字信號處理器DSP的地址總線與復雜可編程邏輯電路CPLD的I/O 口 相連。DSP的外部擴展控制線與復雜可編程邏輯電路CPLD的I/O 口相連，DSP通過CPLD可 方便實現(xiàn)DSP的外圍芯片擴展及電路相關信號的雙向數(shù)據(jù)傳輸。 所述的風力變槳伺服控制器功率板，采用以UC3844為核心的開關電源電路，智能
6功率模塊IPM為核心的主電路，以高精度模擬隔離線性運算放大器為核心的電流采樣電 路。 所述的風力變槳伺服控制器功率板，電流檢測采用高精度精密電阻，將交流伺服 電機相電流量轉化為電壓量，采用高精度模擬隔離線性運算放大器進行電流電壓量處理， 線性度較好，檢測精度較高。
權利要求一種風力變槳伺服控制器，其特征在于它主要包含有一以TMS320F2812為核心的控制板和一以IPM功率器件為核心的逆變器主電路板，以及用于提高交流伺服控制器可靠性的備用直流電源；它還包含有L1、L2、L3、N、PE五個用于輸入三相交流電源端口，其中，PE端口接地；還包含輸入端口UB+和UB-通過箝位二極管VD1和VD2與備用直流電源相連；在所述伺服控制器上設置有用于驅(qū)動風力變槳電機運動的U、V、W輸出端口。
2. 根據(jù)權利要求1所述的風力變槳伺服控制器，其特征在于所述的控制板包含有一選 用TMS320C2000芯片作為高速數(shù)字處理器以及選用高性能低功耗超高速EPM7032AE芯片 作為復雜可編程邏輯電路CPLD ;另外還包含有一選用ADS7862芯片作為四通道ADC轉換芯 片， 一選用TLV5625芯片作為雙通道DAC轉換芯片，以及包含有RS232/485/CAN通信接口 ， 控制信號接口以及按鍵及LED顯示電路，電機碼盤反饋信號接口 ；所述的控制信號接口用 于接收來自上位機或外接輸入/輸出點的指令信號；所述的電機碼盤反饋接口用于接收伺 服電機的光電編碼器反饋的位置信號。
3. 根據(jù)權利要求書2所述的風力變槳伺服控制器，其特征在于所述的數(shù)字處理器DSP 的數(shù)據(jù)總線與復雜可編程邏輯電路CPLD的I/O 口相連，數(shù)字信號處理器DSP的地址總線 與復雜可編程邏輯電路CPLD的I/O 口相連，DSP的外部擴展控制線與復雜可編程邏輯電路 CPLD的I/O 口相連，DSP通過CPLD可方便實現(xiàn)DSP的外圍芯片擴展及電路相關信號的雙向 數(shù)據(jù)傳輸。
4. 根據(jù)權利要求書2所述的風力變槳伺服控制器，其特征在于所述的逆變器主電路板 主要包含有逆變器、整流器、輔助電源、隔離驅(qū)動、電流電壓檢測、故障保護模塊，其中電流 電壓檢測采用霍爾傳感器。
專利摘要一種風力變槳伺服控制器，它主要包含有一以TMS320F2812為核心的控制板和一以IPM功率器件為核心的逆變器主電路板，以及用于提高交流伺服控制器可靠性的備用直流電源；它還包含有L1、L2、L3、N、PE五個用于輸入三相交流電源端口，其中，PE端口接地；還包含輸入端口UB+和UB-通過箝位二極管VD1和VD2與備用直流電源相連；在所述伺服控制器上設置有用于驅(qū)動風力變槳電機運動的U、V、W輸出端口；正常情況下，伺服控制器利用交流電源供電驅(qū)動槳葉運動。若系統(tǒng)交流電源掉電，備用直流電源由于二極管的箝位特性將自動接入伺服控制器，保證槳葉完成順槳。本實用新型硬件可靠且穩(wěn)定，巧妙的備用直流電源設計大大提高了系統(tǒng)的可靠性。
文檔編號F03D7/00GK201486757SQ20092019048
公開日2010年5月26日 申請日期2009年7月30日 優(yōu)先權日2009年7月30日
發(fā)明者呂春松, 朱通, 李社偉 申請人:嘉善友菱機電有限公司