風(fēng)電變槳直流伺服驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)

胡劍生，王海明，李嘉，王旭昊，蘇靜

(許繼集團(tuán)有限公司，河南 許昌 461000)

DesignofWindTurbinePitchDCServoDriver

HUJiansheng，WANGHaiming，LIJia，WANGXuhao，SUJing

(XJGroupCorporation，Xuchang461000，China)

摘要：基于風(fēng)力發(fā)電變槳系統(tǒng)的需求，分析了永磁直流伺服電機(jī)的調(diào)速原理，提出了永磁直流電機(jī)控制策略，并研究建立了全數(shù)字直流伺服控制系統(tǒng)。選用TI公司的TMS320F2812 DSP作為控制核心，介紹了該伺服驅(qū)動(dòng)器的主功率電路和控制電路硬件設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)方法以及整體軟件架構(gòu)和具體實(shí)現(xiàn)流程。通過(guò)旋變解碼試驗(yàn)和動(dòng)態(tài)調(diào)速試驗(yàn)，驗(yàn)證了全數(shù)字直流伺服控制系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：風(fēng)電變槳控制；直流伺服；PWM調(diào)速；數(shù)字信號(hào)處理器；動(dòng)態(tài)特性

中圖分類(lèi)號(hào)：TM46

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-2257(2015)04-0058-04

收稿日期：2014-12-23

作者簡(jiǎn)介：胡劍生(1979-)，男，江西贛州人，中級(jí)工程師，研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)研究與開(kāi)發(fā)，伺服驅(qū)動(dòng)；王海明(1985-)，男，河南商丘人，碩士研究生，中級(jí)工程師，研究方向?yàn)榍度胧郊夹g(shù)、光伏系統(tǒng)控制和伺服驅(qū)動(dòng)。

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(fēng)電技術(shù)是可再生能源技術(shù)中除水電外發(fā)展最成功的一種，在德國(guó)、西班牙、美國(guó)、印度、意大利和丹麥等國(guó)普遍應(yīng)用，在國(guó)內(nèi)相對(duì)滯后，但發(fā)展快速，截止2012年，累計(jì)裝機(jī)容量75 324.2MW，發(fā)展?jié)摿薮?。?duì)于MW級(jí)及以上的風(fēng)電機(jī)組均采用變槳距變速恒頻的機(jī)型，包括雙饋式和永磁同步直驅(qū)式。變槳距控制系統(tǒng)是風(fēng)電機(jī)組安全運(yùn)行的核心部件之一，根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)所處環(huán)境的風(fēng)力狀況，改變?nèi)~片的槳距角，達(dá)到調(diào)節(jié)功率和保護(hù)風(fēng)機(jī)的目的。伺服驅(qū)動(dòng)器是風(fēng)電變槳系統(tǒng)的核心部件和執(zhí)行結(jié)構(gòu)，變槳控制器通過(guò)伺服驅(qū)動(dòng)器對(duì)變槳電機(jī)進(jìn)行控制，達(dá)到調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)槳葉角度的目的。因而對(duì)于變槳系統(tǒng)的要求有：后備電源在電網(wǎng)斷電后，直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)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(qū)動(dòng)電機(jī)順槳時(shí)速度相對(duì)穩(wěn)定，即要求放到電壓平穩(wěn)；系統(tǒng)安全可靠。在風(fēng)電變槳領(lǐng)域中，普遍采用免維護(hù)鉛酸蓄電池作為后備電源，永磁直流電機(jī)伺服系統(tǒng)作為控制系統(tǒng)。

1直流伺服調(diào)速原理

1.1永磁直流電機(jī)調(diào)試方法

直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速方程為：

由上式可見(jiàn)，調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的方法有3種[10-11]，即調(diào)節(jié)電樞供電電壓U(調(diào)壓調(diào)速)；改變電樞回路電阻R(調(diào)阻調(diào)速)；減弱勵(lì)磁磁通Φ(弱磁調(diào)速)。

由于調(diào)阻調(diào)速是有級(jí)調(diào)速，耗能調(diào)速，且會(huì)使電機(jī)機(jī)械特性變軟；減弱磁通雖然能夠平滑調(diào)速，但調(diào)速范圍不大，在基速以上做小范圍的弱磁升速，同時(shí)會(huì)使電機(jī)帶載能力變差，機(jī)械特性變軟；而調(diào)壓調(diào)速能在較大的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)平滑調(diào)速，且機(jī)械特性不變，因此，主流采用高頻PWM調(diào)壓調(diào)速，如圖1所示。

圖1　調(diào)壓調(diào)速特性曲線

圖3　控制系統(tǒng)

1.2PWM產(chǎn)生原理

TI公司TMS320F2812可方便產(chǎn)生3相橋控PWM波。芯片內(nèi)含EVA的2個(gè)通用定時(shí)器，能夠產(chǎn)生2路獨(dú)立的PWM波形(T1PWM和T2PWM)，T1PWM的3個(gè)比較單元每一個(gè)都能產(chǎn)生1對(duì)互補(bǔ)的PWM波形，比較單元1產(chǎn)生PWM1和PWM2，比較單元2產(chǎn)生PWM3和PWM4，比較單元3產(chǎn)生PWM5和PWM6[12]。這樣，EVA一共能產(chǎn)生6路PWM波形。

在此，驅(qū)動(dòng)器采用T1定時(shí)器生成2對(duì)互補(bǔ)的PWM波。下面以T1定時(shí)器介紹PWM生成原理，當(dāng)T1計(jì)數(shù)寄存器T1CNT的值和設(shè)定T1CMPR的值相等時(shí)，就會(huì)發(fā)生比較匹配事件，這時(shí)，如果PWM的功能使能，則T1PWM引腳便可以輸出PWM波形。T1能夠產(chǎn)生2種類(lèi)型的PWM，一種是不對(duì)稱(chēng)的PWM波形，另一種是對(duì)稱(chēng)的PWM波形，取決于T1CNT的計(jì)數(shù)方式。設(shè)計(jì)載波為三角波，選用對(duì)稱(chēng)的PWM波形，配置T1CNT為連續(xù)增/減計(jì)數(shù)模式(對(duì)稱(chēng)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(chǎn)生原理

當(dāng)T1工作于連續(xù)增/減計(jì)數(shù)模式時(shí)，T1CNT1個(gè)周期T=(2T1PR)Tc，其中Tc是計(jì)數(shù)基準(zhǔn)時(shí)鐘。因此，T1PWM的占空比為：

另外，3個(gè)全比較單元每一個(gè)都能通過(guò)相應(yīng)的寄存器設(shè)置死區(qū)時(shí)間，防止上下橋臂管直通。死區(qū)時(shí)間由死區(qū)控制寄存器DBTCONx的[11～8]位死區(qū)定時(shí)器周期,以及DBTCON的[4～2]位死區(qū)定時(shí)器預(yù)定標(biāo)因子決定。

2永磁直流電機(jī)控制策略

伺服系統(tǒng)采用速度、電流雙閉環(huán)控制策略，電流環(huán)為內(nèi)環(huán)，速度環(huán)為外環(huán)?？刂葡到y(tǒng)如圖3所示。

2.1電流內(nèi)環(huán)控制

驅(qū)動(dòng)器電流環(huán)采用PI控制器。電流環(huán)起到2個(gè)作用:一是在啟動(dòng)和大范圍加減速時(shí)起電流調(diào)節(jié)和限幅作用；二是使系統(tǒng)的抗電源擾動(dòng)和負(fù)載擾動(dòng)的能力增強(qiáng)。由于電流環(huán)其時(shí)間常數(shù)小，電流環(huán)的響應(yīng)速度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于速度環(huán)，使電樞電流快速跟蹤電流指令，因此，系統(tǒng)的快速性和穩(wěn)定性得到改善。圖3中電流環(huán)在傳統(tǒng)PI調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)上，增加了電流前饋和死區(qū)補(bǔ)償。電流指令1到電流指令2斜率控制用于防止電流過(guò)沖，電流指令1到指令2的I2T控制用于驅(qū)動(dòng)器熱保護(hù)，當(dāng)電機(jī)堵轉(zhuǎn)或重載時(shí)限值到額定值。

2.2速度外環(huán)控制

速度環(huán)采用PID控制器。根據(jù)給定速度與實(shí)際速度的偏差及時(shí)地控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，從而使在速度差值比較大時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)矩大，速度變化快，以便盡快地把電機(jī)轉(zhuǎn)速拉向給定值，實(shí)現(xiàn)調(diào)速過(guò)程的快速性；而當(dāng)轉(zhuǎn)速接近給定值時(shí)又能使電機(jī)的轉(zhuǎn)矩自動(dòng)減小，這樣可以避免過(guò)大的超調(diào)，使轉(zhuǎn)速很快達(dá)到給定值，實(shí)現(xiàn)靜態(tài)無(wú)差。

3硬件電路設(shè)計(jì)

3.1主功率電路設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)器的主功率電路如圖4所示。采用三相交流輸入，經(jīng)過(guò)EMI濾波器后進(jìn)行三相全波整流，然后通過(guò)母線電容濾波，獲得穩(wěn)定的直流母線電壓。之后通過(guò)高頻PWM變換電路后，控制直流伺服電機(jī)的運(yùn)行。

圖4　伺服驅(qū)動(dòng)器的主功率原理

3.2控制電路設(shè)計(jì)

控制電路是整個(gè)驅(qū)動(dòng)器的控制核心，主要由DSP(TMS320F2812)和FPGA (XC3S250E)構(gòu)成。DSP完成對(duì)電機(jī)控制和算法實(shí)現(xiàn)，對(duì)外通訊；FPGA完成外圍電路控制及邏輯處理，作為DSP的協(xié)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(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，母線或電池電壓采用差分電路轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，輸入給ADC(ADS8558I)。對(duì)于外部的溫度或者電機(jī)溫度采集，采用電阻分壓電路，將不同溫度對(duì)應(yīng)的電阻值轉(zhuǎn)化成電壓量，進(jìn)行ADC轉(zhuǎn)換，根據(jù)設(shè)計(jì)電路進(jìn)而計(jì)算出對(duì)應(yīng)的溫度。

3.2.2　旋變處理電路

為簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，使用專(zhuān)用的單芯片分解器數(shù)字轉(zhuǎn)換器(RDC)，直接將旋變的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)信號(hào)。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(hào)轉(zhuǎn)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(lì)。Type II伺服環(huán)路用于跟蹤輸入信號(hào)，并將正弦和余弦輸入端的信息轉(zhuǎn)換為輸入角度和速度所對(duì)應(yīng)的數(shù)字量。并且其內(nèi)部具有故障檢測(cè)電路，可以檢測(cè)旋變的信號(hào)丟失、超范圍輸入信號(hào)、輸入信號(hào)失配或位置跟蹤丟失。各故障檢測(cè)閾值可以由用戶單獨(dú)編程，以便針對(duì)特定應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化。

3.2.3　故障保護(hù)電路

故障保護(hù)電路是為了保證系統(tǒng)可靠運(yùn)行， 防止運(yùn)行過(guò)程中對(duì)變槳系統(tǒng)單元或者電機(jī)造成損壞而設(shè)計(jì)的。主要包含驅(qū)動(dòng)器對(duì)內(nèi)對(duì)外開(kāi)出短路、過(guò)壓過(guò)流保護(hù)以及PWM脈沖封鎖保護(hù)電路。其中，TMS32F2812是控制器，進(jìn)行檢驗(yàn)和判斷XC3S250E上傳采集的信息量是否在設(shè)定的范圍內(nèi)。如采集母線電壓是否超出設(shè)定值，若超出范圍，則通知FPGA下發(fā)封鎖PWM脈沖的命令，同時(shí)將故障存儲(chǔ)至EEPROM，并用數(shù)碼管顯示故障代碼。

4軟件設(shè)計(jì)

4.1軟件系統(tǒng)架構(gòu)及處理流程

軟件系統(tǒng)由主函數(shù)、中斷服務(wù)函數(shù)和各軟件功能模塊組成。主函數(shù)完成非實(shí)時(shí)常規(guī)任務(wù)的調(diào)用執(zhí)行，中斷服務(wù)函數(shù)實(shí)現(xiàn)緊急任務(wù)的調(diào)用處理，軟件功能模塊為各功能塊的軟件實(shí)現(xiàn)。軟件系統(tǒng)的架構(gòu)及狀態(tài)機(jī)如圖6所示。

圖6　軟件系統(tǒng)的架構(gòu)及狀態(tài)機(jī)

4.2速度控制與電流控制軟件設(shè)計(jì)

結(jié)合上述控制策略，設(shè)計(jì)系統(tǒng)速度控制和電流控制流程如圖7所示。

圖7　速度環(huán)和電流環(huán)控制流程

5實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

5.1旋變解碼測(cè)試

使用試驗(yàn)臺(tái)Danaher電機(jī)拖動(dòng)瑞諾電機(jī)以恒定轉(zhuǎn)速運(yùn)行，設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行旋變解碼定點(diǎn)計(jì)算得到采樣速度，如表1所示。在電機(jī)靜止的條件下，采樣計(jì)算旋變角度位置，同時(shí)使用S640軟件讀出位置數(shù)據(jù)。在電機(jī)主軸旋轉(zhuǎn)1周范圍內(nèi)，記錄多個(gè)采樣點(diǎn)的角度位置數(shù)據(jù)，然后將2個(gè)角度值進(jìn)行對(duì)比，如表2所示。

表1　采集電機(jī)角度比對(duì)表　(°)

表2　采集電機(jī)轉(zhuǎn)速比對(duì)表　r/min

5.2調(diào)速特性試驗(yàn)

將驅(qū)動(dòng)器連接伺服電機(jī)，進(jìn)行調(diào)速試驗(yàn)，通過(guò)調(diào)節(jié)PI參數(shù)組合確保了轉(zhuǎn)速響應(yīng)的快速性、穩(wěn)定性，其轉(zhuǎn)速給定與實(shí)際轉(zhuǎn)速測(cè)試如圖8所示。圖8中線條1表示轉(zhuǎn)速命令給定量，縱軸每格代表480 r/min，線條2為實(shí)際轉(zhuǎn)速，每格代表480 r/min。

圖8　轉(zhuǎn)速給定命令與實(shí)際測(cè)量轉(zhuǎn)速曲線

通過(guò)旋變解碼測(cè)試和調(diào)速特性試驗(yàn)可知，設(shè)計(jì)的直流伺服驅(qū)動(dòng)器采集轉(zhuǎn)速的偏差不超過(guò)20 r/min，動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)速跟蹤響應(yīng)迅速，滿足設(shè)計(jì)的要求。

6結(jié)束語(yǔ)

分析了直流伺服電機(jī)的調(diào)速原理，選用調(diào)壓調(diào)速的控制策略，基于DSP2812設(shè)計(jì)了直流伺服驅(qū)動(dòng)器。通過(guò)旋變解碼測(cè)試試驗(yàn)和動(dòng)態(tài)特性調(diào)速試驗(yàn)，對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行了驗(yàn)證。目前，該驅(qū)動(dòng)器已經(jīng)應(yīng)用于張北某風(fēng)電場(chǎng)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠、調(diào)速平滑和動(dòng)態(tài)特性好等優(yōu)點(diǎn)，能夠在惡劣、強(qiáng)電磁干擾環(huán)境中穩(wěn)定可靠工作，在風(fēng)電變槳系統(tǒng)領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。

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