專利名稱：風(fēng)力變槳伺服控制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及的是一種可應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的風(fēng)力變槳伺服控制器，屬于風(fēng)
力發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
變槳系統(tǒng)在正常工況下需準(zhǔn)確調(diào)節(jié)槳葉角度以便進(jìn)行風(fēng)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(dòng)和可靠順槳，以保障風(fēng)力發(fā)電機(jī)的整體安全。 順槳就是調(diào)節(jié)槳葉角度往90度方向轉(zhuǎn)動(dòng)，使得風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降。變槳系統(tǒng)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)整體 安全性的最關(guān)鍵保障環(huán)節(jié)，順槳失敗可能給風(fēng)機(jī)帶來齒輪箱損毀甚至塔架倒塌等災(zāi)難性后 果。為實(shí)現(xiàn)上述功能，目前電動(dòng)變槳系統(tǒng)一般采用伺服電機(jī)進(jìn)行槳葉驅(qū)動(dòng)，采用備用電源系 統(tǒng)實(shí)現(xiàn)斷電等故障狀況的順槳，采用控制算法與硬件結(jié)合實(shí)現(xiàn)傳感器等故障狀況的順槳。 變槳系統(tǒng)中的伺服電機(jī)可以為直流電機(jī)或交流電機(jī)，目前采用矢量控制策略等方法，交流 電機(jī)包括交流異步電機(jī)或永磁同步電機(jī)已可以實(shí)現(xiàn)超過直流伺服的性能指標(biāo)，且沒有直流 電機(jī)換向裝置帶來的維護(hù)和可靠性問題，具有更好的應(yīng)用前景，所以在絕大多數(shù)工業(yè)應(yīng)用 領(lǐng)域交流伺服都已逐步取代了直流伺服系統(tǒng)。但目前風(fēng)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(duì)順槳可靠性的高要求及備用電源特點(diǎn)有關(guān)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(jí)電容組，為一直流電壓 源，此時(shí)如果采用直流電機(jī)方案可直接將電機(jī)的電樞繞組接到備用電源進(jìn)行順槳，無需其 他變換設(shè)備，而現(xiàn)有的交流電機(jī)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(gè)逆變環(huán)節(jié)，從而降低了順槳的可靠度，出于這一點(diǎn)考慮，目前風(fēng)機(jī)系統(tǒng) 中更傾向于選擇直流變槳方案。因此，可以說，在風(fēng)機(jī)變槳系統(tǒng)中，只要能提高交流電機(jī)驅(qū) 動(dòng)系統(tǒng)在斷電故障下的順槳可靠性，交流電機(jī)系統(tǒng)就可全面取代直流電機(jī)系統(tǒng)，最大程度 地發(fā)揮交流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)勢。

發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，而提供一種采用可靠且穩(wěn)定的 硬件，結(jié)合巧妙的備用直流電源設(shè)計(jì)以提高變槳系統(tǒng)順槳可靠性的風(fēng)力變槳伺服控制器。 本實(shí)用新型的目的是通過如下技術(shù)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(gè)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(shè)置有用于驅(qū)動(dòng)風(fēng)力變槳電機(jī)運(yùn)動(dòng)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(fù)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(zhuǎn)換芯片，一選用TLV5625芯片作為雙通道DAC轉(zhuǎn)換芯片，以
3及包含有RS232/485/CAN通信接口 ，控制信號(hào)接口以及按鍵及LED顯示電路，電機(jī)碼盤反饋
信號(hào)接口 ；所述的控制信號(hào)接口用于接收來自上位機(jī)或外接輸入/輸出點(diǎn)的指令信號(hào)；所
述的電機(jī)碼盤反饋接口用于接收伺服電機(jī)的光電編碼器反饋的位置信號(hào)。 所述的數(shù)字處理器DSP的數(shù)據(jù)總線與復(fù)雜可編程邏輯電路CPLD的I/O 口相連，數(shù)
字信號(hào)處理器DSP的地址總線與復(fù)雜可編程邏輯電路CPLD的I/O 口相連。DSP的外部擴(kuò)展
控制線與復(fù)雜可編程邏輯電路CPLD的I/O 口相連，DSP通過CPLD可方便實(shí)現(xiàn)DSP的外圍
芯片擴(kuò)展及電路相關(guān)信號(hào)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(dòng)、電流電 壓檢測、故障保護(hù)模塊，其中電流電壓檢測采用霍爾傳感器。 在風(fēng)機(jī)變槳系統(tǒng)中，只要能解決交流電機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)的可靠性問題，交流電機(jī)就可 完全取代直流電機(jī)，最大程度的發(fā)揮其優(yōu)點(diǎn)。變槳系統(tǒng)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)整體安全性的最關(guān)鍵 保障環(huán)節(jié)，必須保證在任何故障情況下都能完成風(fēng)機(jī)的剎車制動(dòng)和順槳?jiǎng)幼鳎駝t會(huì)給風(fēng) 機(jī)帶來災(zāi)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(yīng)用價(jià)值。本 實(shí)用新型提出一種風(fēng)電變槳伺服控制器可靠且穩(wěn)定的硬件設(shè)計(jì)及巧妙的備用直流電源設(shè) 計(jì)，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(fēng)力變槳伺服 控制系統(tǒng)的可靠性。 (2)在此風(fēng)力變槳伺服驅(qū)動(dòng)器中，高速數(shù)字信號(hào)處理器DSP和超快可編程邏輯電 路CPLD獨(dú)立設(shè)計(jì)，數(shù)字信號(hào)處理器用于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制算法，復(fù)雜可編程邏輯電路CPLD則實(shí) 現(xiàn)外部芯片擴(kuò)展。設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，邏輯清晰且抗干擾能力差的不足。 (3)在此風(fēng)力變槳伺服驅(qū)動(dòng)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(hù)電路，因此魯棒性大大提高。同時(shí)內(nèi)置相關(guān)外圍電路，縮短了系統(tǒng)設(shè)計(jì)周期，縮 小了整個(gè)系統(tǒng)體積。 本風(fēng)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(shè) 計(jì)，就可大大提高風(fēng)力變槳伺服控制器的可靠性，進(jìn)而最大限度的發(fā)揮交流伺服控制器的 優(yōu)點(diǎn)。

圖1是是本實(shí)用新型的外圍接口圖。 圖2是本實(shí)用新型的內(nèi)部硬件結(jié)構(gòu)電路圖。 圖3是本實(shí)用新型超高速復(fù)雜可編程邏輯電路CPLD外圍擴(kuò)展圖。 圖4是本實(shí)用新型的電流信號(hào)取樣電路圖。
具體實(shí)施方式本實(shí)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(gè)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(shè)置有 用于驅(qū)動(dòng)風(fēng)力變槳電機(jī)運(yùn)動(dòng)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(fù)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(zhuǎn)換芯片，一選用TLV5625芯片作為雙通道DAC轉(zhuǎn)換芯片，以 及包含有RS232/485/CAN通信接口 ，控制信號(hào)接口以及按鍵及LED顯示電路，電機(jī)碼盤反饋 信號(hào)接口 ；所述的控制信號(hào)接口用于接收來自上位機(jī)或外接輸入/輸出點(diǎn)的指令信號(hào)；所 述的電機(jī)碼盤反饋接口用于接收伺服電機(jī)的光電編碼器反饋的位置信號(hào)。 所述的數(shù)字處理器DSP的數(shù)據(jù)總線與復(fù)雜可編程邏輯電路CPLD的I/O 口相連，數(shù) 字信號(hào)處理器DSP的地址總線與復(fù)雜可編程邏輯電路CPLD的I/O 口相連。DSP的外部擴(kuò)展 控制線與復(fù)雜可編程邏輯電路CPLD的I/O 口相連，DSP通過CPLD可方便實(shí)現(xiàn)DSP的外圍 芯片擴(kuò)展及電路相關(guān)信號(hào)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(dòng)、電流電
壓檢測、故障保護(hù)模塊，其中電流電壓檢測采用霍爾傳感器。
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步的說明。 如圖1所示，本實(shí)用新型的接口圖，Ll、 L2、 L3、 N、 PE五個(gè)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(dāng)交流電源供電正常時(shí)，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奶匦裕瑐溆弥绷麟娫磁c伺服控制器之間處于阻斷狀態(tài)。當(dāng)交流電源斷電時(shí)， 箝位二極管VD1和VD2因承受正電壓而導(dǎo)通，向伺服控制器提供直流電，直流電經(jīng)過逆變電 路轉(zhuǎn)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(dòng)風(fēng)力變槳電 機(jī)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)槳距角的控制。 如圖2所示，本實(shí)用新型所述的風(fēng)力變槳伺服控制器，包括控制板、驅(qū)動(dòng)板。所 述控制板包含美國TI公司推出的適合電機(jī)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(zhuǎn)換芯片 ADS7862、雙通道DAC轉(zhuǎn)換芯片TLV5625、 RS232/485/CAN通信接口 、控制信號(hào)接口 、按鍵及 LED顯示電路、電機(jī)碼盤反饋信號(hào)接口 ；EPM7032AE型CPLD由3. 3V電壓供電，可接收5V的 相關(guān)信號(hào)，因此具有電平轉(zhuǎn)換功能；控制信號(hào)接口用于接收來自上位機(jī)或外接輸入/輸出 點(diǎn)的指令信號(hào)；電機(jī)碼盤反饋接口，用于接收伺服電機(jī)的光電編碼器反饋的位置信號(hào)；DSP 芯片通過接口電路接收到外部的指令信號(hào)和光電編碼器反饋的位置信號(hào)后，對(duì)它們進(jìn)行計(jì) 算處理，再輸出控制信號(hào)到接口電路；接口電路再將控制信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)換后送到驅(qū)動(dòng) 板； 所述驅(qū)動(dòng)板包含逆變器、整流器、輔助電源、隔離驅(qū)動(dòng)、電流電壓檢測、故障保護(hù) 等。功率驅(qū)動(dòng)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)。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(dòng)電阻。起動(dòng)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(dāng)Cl和C2電壓達(dá)到額定值時(shí)，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(gè)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(jī)相繞組PH1中，將交流伺服電機(jī)相電 流量轉(zhuǎn)化為電壓量，而高精度模擬隔離線性運(yùn)算放大器7840連接于采樣電阻Rs與采樣信 號(hào)調(diào)理電路U4之間。電機(jī)相繞組對(duì)應(yīng)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(yùn) 算放大器HCPL 7840的初級(jí)供電電源，接于HCPL 7840的1號(hào)腳和4號(hào)腳之間；HCPL 7840 的次級(jí)供電電源由開關(guān)電源提供的系統(tǒng)電源供電，接于HCPL 7840的5號(hào)腳和8號(hào)腳之間。 精密采樣電阻Rs的一端與HCPL 7840的3號(hào)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(hào)腳相連，高精度模擬隔離線性運(yùn)算放大器HCPL 7840的2號(hào)腳與3 號(hào)腳之間設(shè)置有濾波電容C3。 HCPL 7840的6號(hào)腳V0+與7號(hào)腳V0-之間電壓則為高精度 模擬隔離線性運(yùn)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(jí)電源中設(shè)置有 濾波電容C4、次級(jí)電源中設(shè)置有濾波電容C2。當(dāng)串接在電機(jī)相繞組PH1中的精密采樣電阻 Rs流過電流時(shí)，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(yùn) 算放大器HCPL 7840作用后自動(dòng)輸出一對(duì)與輸入電壓成正比的差動(dòng)電壓信號(hào)，經(jīng)運(yùn)算放大 器U3將此差動(dòng)電壓信號(hào)運(yùn)算放大后輸出一模擬電壓信號(hào)，最后由高精度ADC U4將該模擬 電壓信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)輸出。由于高精度模擬隔離線性運(yùn)算放大器HCPL 7840的傳輸線 性度相當(dāng)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(jí)電壓僅 有毫伏級(jí)的變化，其次級(jí)輸出的差動(dòng)電壓也會(huì)隨之改變，因而其電流采樣精度非常高，從而 使得整個(gè)系統(tǒng)的控制性能大大提高。 本實(shí)用新型所述風(fēng)機(jī)變槳系統(tǒng)含有控制板和驅(qū)動(dòng)板兩部分，用于驅(qū)動(dòng)交流伺服 電機(jī)；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(gè)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(hù)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(dòng)風(fēng)力變槳電機(jī)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)槳距角的控制。風(fēng) 力變槳電機(jī)可以是異步電機(jī)，亦可以為永磁同步電機(jī)。 所述的風(fēng)力變槳伺服控制器備用直流電源，在風(fēng)力變槳伺服控制器交流供電掉電 時(shí)，由于二極管VD1和VD2單向?qū)ㄌ匦裕瑐溆弥绷麟娫醋詣?dòng)接入伺服控制器的直流供電端 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(fēng)力變槳伺服控制器控制板，采用高速數(shù)字信號(hào)處理器DSP、高性能低功耗 復(fù)雜可編程邏輯電路CPLD作為核心控制電路，包括多通道AD轉(zhuǎn)換電路、RS232/485、CAN通 訊接口，按鍵及LED顯示等。 所述的風(fēng)力變槳伺服控制器控制板，高速數(shù)字信號(hào)處理器DSP和超快可編程邏輯 電路CPLD獨(dú)立進(jìn)行設(shè)計(jì)。通過數(shù)字信號(hào)處理器來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制算法，通過復(fù)雜可編程邏輯 電路CPLD實(shí)現(xiàn)外部芯片擴(kuò)展。 所述的風(fēng)力變槳伺服控制器，數(shù)字處理器DSP的數(shù)據(jù)總線與復(fù)雜可編程邏輯電路 CPLD的I/O 口相連，數(shù)字信號(hào)處理器DSP的地址總線與復(fù)雜可編程邏輯電路CPLD的I/O 口 相連。DSP的外部擴(kuò)展控制線與復(fù)雜可編程邏輯電路CPLD的I/O 口相連，DSP通過CPLD可 方便實(shí)現(xiàn)DSP的外圍芯片擴(kuò)展及電路相關(guān)信號(hào)的雙向數(shù)據(jù)傳輸。 所述的風(fēng)力變槳伺服控制器功率板，采用以UC3844為核心的開關(guān)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(yùn)算放大器為核心的電流采樣電 路。 所述的風(fēng)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(jī)相電流量轉(zhuǎn)化為電壓量，采用高精度模擬隔離線性運(yùn)算放大器進(jìn)行電流電壓量處理， 線性度較好，檢測精度較高。
權(quán)利要求一種風(fēng)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(gè)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(shè)置有用于驅(qū)動(dòng)風(fēng)力變槳電機(jī)運(yùn)動(dòng)的U、V、W輸出端口。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)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(fù)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(zhuǎn)換芯 片， 一選用TLV5625芯片作為雙通道DAC轉(zhuǎn)換芯片，以及包含有RS232/485/CAN通信接口 ， 控制信號(hào)接口以及按鍵及LED顯示電路，電機(jī)碼盤反饋信號(hào)接口 ；所述的控制信號(hào)接口用 于接收來自上位機(jī)或外接輸入/輸出點(diǎn)的指令信號(hào)；所述的電機(jī)碼盤反饋接口用于接收伺 服電機(jī)的光電編碼器反饋的位置信號(hào)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求書2所述的風(fēng)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(fù)雜可編程邏輯電路CPLD的I/O 口相連，數(shù)字信號(hào)處理器DSP的地址總線 與復(fù)雜可編程邏輯電路CPLD的I/O 口相連，DSP的外部擴(kuò)展控制線與復(fù)雜可編程邏輯電路 CPLD的I/O 口相連，DSP通過CPLD可方便實(shí)現(xiàn)DSP的外圍芯片擴(kuò)展及電路相關(guān)信號(hào)的雙向 數(shù)據(jù)傳輸。
4. 根據(jù)權(quán)利要求書2所述的風(fēng)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(dòng)、電流電壓檢測、故障保護(hù)模塊，其中電流 電壓檢測采用霍爾傳感器。
專利摘要一種風(fēng)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(gè)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(shè)置有用于驅(qū)動(dòng)風(fēng)力變槳電機(jī)運(yùn)動(dòng)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(dòng)槳葉運(yùn)動(dòng)。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(dòng)接入伺服控制器，保證槳葉完成順槳。本實(shí)用新型硬件可靠且穩(wěn)定，巧妙的備用直流電源設(shè)計(jì)大大提高了系統(tǒng)的可靠性。
文檔編號(hào)F03D7/00GK201486757SQ20092019048
公開日2010年5月26日 申請(qǐng)日期2009年7月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月30日
發(fā)明者呂春松, 朱通, 李社偉 申請(qǐng)人:嘉善友菱機(jī)電有限公司