專利名稱：一種風機變槳距控制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及風力發(fā)電裝置技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種風機變槳距控制器。
背景技術(shù)：
風力發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)具有靈活變槳能力以實現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)和功率控制，并減小風 輪機的機械應(yīng)力及改善風力發(fā)電機的運行狀態(tài)。然而目前國內(nèi)的風力發(fā)電系統(tǒng) 中的風機變槳距控制器效果均不理想。 發(fā)明內(nèi)容
本實用新型的目的是提供一種風機變槳距控制器，利用它可以實現(xiàn)靈活高 效地捕獲風能，減小風輪機的機械應(yīng)力，不但可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)和功率控制， 而且可以明顯改善風力發(fā)電機的運行狀態(tài)，其結(jié)構(gòu)簡單，使用方便、可靠，成 本較低。特別適用于大型風力發(fā)電機組上。
本實用新型的主要的技術(shù)方案是 一種風機變槳距控制器，其特征在于具 有單片機主CPU電路，和不同功能傳感器輸出端相連的開關(guān)量隔離輸入電路、 摸擬量隔離調(diào)理電路、脈沖量調(diào)理電路的輸出端分別和單片機的工0 口、 AD轉(zhuǎn)換 口、捕捉口相連；與其繼電器相連的開關(guān)量隔離電路輸入端和單片機的10接口 相連；單片機的CAN通訊接口和CAN通訊驅(qū)動電路相連，CAN通訊驅(qū)動電路可和 系統(tǒng)主控制器相連；單片機的串行通訊接口和串行通訊協(xié)議轉(zhuǎn)換電路相連。
上述硬件結(jié)構(gòu)可配有下列軟件
將來自控制器輸出的槳距角位置指令與槳距角位置反饋經(jīng)誤差放大器比較 后，經(jīng)比例閥控制槳距角的閉環(huán)控制裝置；
將來自控制器的槳距角速度指令經(jīng)比例閥控制槳距角的開環(huán)控制裝置； 需要減小槳距角時，控制器輸出速度命令電壓信號給比例閥，液壓缸使槳 葉改變槳距，向0°位置靠近；需要增大槳距角時，控制器輸出速度命令電壓信 號給比例閥，液壓缸使制器槳葉改變槳距，向卯。位置靠近。所述的單片機為TMS320LF2407單片機為佳，TMS320LF2407單片機通過 RS485串口和C認通訊驅(qū)動電路與外界控制電路連接。
上述風機變槳距控制中可采用，LF2407指令周期為33ns (30MHz)，片內(nèi) 32K的flash程序存儲器，1.5K字的數(shù)據(jù)/程序RAM;兩個事件管理模塊EVA和 EVB;可擴展的外部存儲器共192K字；看門狗定時器模塊(WDT); 40個可單 獨編程或復(fù)用的通用輸入/輸出引腳(GPIO);控制器局域網(wǎng)絡(luò)(CAN) 2.0模塊， 實現(xiàn)基于CAN總線的變槳距控制。
上述風機變槳距控制器中可采用，外部槳角位置和電機轉(zhuǎn)速模擬信號經(jīng)過 低通濾波器MAX4169和比例電路LM324 (由10V的幅值縮小為2.5V)，最后 送到TMS320LF2407的AD轉(zhuǎn)換口 ADCI01 ADCI04;外部的0V/24V的數(shù)字信 號經(jīng)光耦隔離后連接到TMS320LF2407的10引腳；脈沖信號先經(jīng)過MAX4169 濾波電路取出基波，再經(jīng)過滯環(huán)比較器整形后得到新的同頻率的干凈的脈沖信 號也直接連接到TMS320LF2407的IO引腳；控制電壓信號經(jīng)TMS320LF2407 的D0 D15數(shù)據(jù)口、 A0禾PA1的地址選擇口、 W/5讀寫口、 DA一CS片選口連接 到74LVTH16245和DAC7625芯片，轉(zhuǎn)變?yōu)槟M電壓輸出信號，模擬輸出信號 經(jīng)過低通濾波器MAX4169和比例電路LM324，最后送到比例閥，液壓缸使槳 葉以固定速率改變槳距，實現(xiàn)變槳功能；TMS320LF2407通過SCITXD和SCIRXT 與MAX3223芯片連接把信號轉(zhuǎn)換為RS232通訊模式；通過CANTX和CANRX 與SN65HVD231芯片連接把信號轉(zhuǎn)換為CAN通訊模式，分別與本地控制器和 系統(tǒng)主控制器進行通訊聯(lián)系，傳輸風電機組的運行狀態(tài)和運行數(shù)據(jù)，以及故障 信息；TPS767D3XX芯片把5V電壓轉(zhuǎn)換為TMS320LF2407主芯片使用的3.3V 供電電壓；MAX6316芯片通過WDT和^^直接與TMS320LF2407連接實現(xiàn) 系統(tǒng)自動復(fù)位功能。
本實用新型的積極效果是利用它可從實現(xiàn)風機變槳距控制器的各種功能 1)槳距角檢測及槳距角位置控制；2)發(fā)電機功率檢測及發(fā)電機功率控制；3) 與塔底主控制器通信。利用它可以通過控制葉片攻角的改變進行功率調(diào)節(jié)；通 過槳距角控制和速度控制可實現(xiàn)風力發(fā)電機的起動、停止和緊急事故處理，可 使風力發(fā)電機處于良好的運行狀態(tài)。與國外Zond風機技術(shù)相比，本實用新型可 以實現(xiàn)實際的變槳距軟硬件控制系統(tǒng)自主開發(fā)，為我國大型變速變槳風力發(fā)電 控制系統(tǒng)的獨立開發(fā)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。利用本實用新型可以靈活高效的捕獲風能，減小風輪機的機械應(yīng)力，不但可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)和功率控制，而且可以明 顯改善風力發(fā)電機的運行狀態(tài)。并能滿足風力發(fā)電站運行要求，其性能穩(wěn)定， 結(jié)構(gòu)簡單，使用方便、可靠，成本較低。特別適用于大型風力發(fā)電機組上。
以下結(jié)合附圖及實施例作詳述，但不作為對本實用新型的限定。

圖1為變槳距控制器的硬件結(jié)構(gòu)圖。
圖2為主芯片CPU的電路圖。 圖3為看門狗復(fù)位電路圖。 圖4、圖5、圖6為通訊電路圖。 圖7為芯片電源電路圖。 圖8為信號輸出電路圖。
圖9、圖10、圖ll、圖12為信號輸入電路圖。 圖13為主程序流程圖。
以上各圖中的符號說明如下U1—TMS320LF2407; U2—MAX6316; U4— MAX3223; U5—SN65HVD231; U6—MAX3490; U9—74LVTH16245; Ull—DAC7625; U12-—LM324; U13—TPS767D3XX; U14—MAX4169; DPA—MAX4169; DPB—MAX4169; CR1—晶振；R3 R5—電阻；R8—電阻；R1廣R14—電阻；R16 R23—電阻；R25 R26 一電阻；R28 R84—電阻；C1 C12—電容；C15 C21—電容；C24 C30—電容； C38—電容；C40—電容；C69 C80—電容；C23—電解電容；C32 C37—電解電容；
Bl—電感；B3 B5—電感；D4 D7—穩(wěn)壓管；Sl—鍵盤；Pl—串口。
具體實施方式
參見圖1 圖12，該變槳距控制器，結(jié)構(gòu)已如前述。它主要由TMS320LF2407 單片機、RS485、 CAN通訊和輸入/輸出信號電路組成。TMS320LF2407的體系結(jié) 構(gòu)專為實時信號處理而設(shè)計。LF2407指令周期為33ns (30MHz)，片內(nèi)32K的 flash程序存儲器，1.5K字的數(shù)據(jù)/程序RAM;兩個事件管理模塊EVA和EVB; 可擴展的外部存儲器共192K字；看門狗定時器模塊(WDT); 40個可單獨編程 或復(fù)用的通用輸入/輸出引腳(GPIO);控制器局域網(wǎng)絡(luò)(CAN) 2.0?！姥?，可方 便實現(xiàn)基于CAN總線的變槳距控制。
變槳距控制器中的外圍電路主要包括模擬信號的隔離與調(diào)理電路、數(shù)字信 號的隔離電路、通訊接口的隔離和驅(qū)動電路及上述各電路等。上述各外圍電路 也可采用現(xiàn)有技術(shù)。外部槳角位置和電機轉(zhuǎn)速模擬信號經(jīng)過低通濾波器MAX4169和比例電路LM324 (由10V的幅值縮小為2. 5V)，最后送到TMS320LF2407的AD 轉(zhuǎn)換口 ADCI01 ADCI04;外部的0V/24V的數(shù)字信號經(jīng)光耦隔離后連接到 TMS320LF2407的IO引腳；脈沖信號先經(jīng)過MAX4169濾波電路取出基波，再經(jīng)過 滯環(huán)比較器整形后得到新的同頻率的干凈的脈沖信號也直接連接到 TMS320LF2407的10引腳；控制電壓信號經(jīng)TMS320LF2407的D0 D15數(shù)據(jù)口、 AO 和Al的地址選擇口、 Ff/5讀寫口、DA—CS片選口連接到74LVTH16245和DAC7625 芯片，轉(zhuǎn)變?yōu)槟M電壓輸出信號，模擬輸出信號經(jīng)過低通濾波器MAX4169和比 例電路LM324，最后送到比例閥，液壓缸使槳葉以固定速率改變槳距，實現(xiàn)變槳 功能。TMS320LF2407通過SCITXD和SCIRXT與MAX3223芯片連接把信號轉(zhuǎn)換為 RS232通訊模式；通過CANTX和CANRX與SN65HVD231芯片連接把信號轉(zhuǎn)換為CAN 通訊模式，分別與本地控制器和系統(tǒng)主控制器進行通訊聯(lián)系，傳輸風電機組的 運行狀態(tài)和運行數(shù)據(jù)，以及故障信息。TPS767D3XX芯片把5V電壓轉(zhuǎn)換為 TMS320LF2407主芯片使用的3. 3V供電電壓。MAX6316芯片通過WDT和Z^直 接與TMS320LF2407連接實現(xiàn)系統(tǒng)自動復(fù)位功能。
上述CPU板與電源/信號板采用隔離方式。整個變槳距控制系統(tǒng)可采用4塊功
能模塊(連同機械部分)設(shè)計，分別負責電源、功率調(diào)節(jié)、槳角位置、槳角指 令四種不同的功能。現(xiàn)場測試變槳距控制器實現(xiàn)了在線參數(shù)設(shè)定、在自動運行 狀態(tài)下推槳到并網(wǎng)發(fā)電、故障狀態(tài)順槳保護、手動槳角操作、功率調(diào)節(jié)等系統(tǒng) 功能。
控制器采用散熱、電磁屏蔽性好的系統(tǒng)封裝。
軟件說明(參見圖13)
1、軟件功能設(shè)計
槳距控制器完成的主要功能
槳距角檢測及槳距角位置控制；根據(jù)槳距角的測量值調(diào)整槳距角使其適 應(yīng)不同風速條件下的運行狀態(tài)。
發(fā)電機功率檢測及發(fā)電機功率控制；根據(jù)發(fā)電機的輸出功率，調(diào)整槳距 角等自動進行功率控制。
與塔底主控制器通信；與塔底主控制器進行數(shù)據(jù)和參數(shù)交換。 軟件流程圖，如圖13所示。由于DSPLf2407是定點CPU，而控制器需要進行大量的浮點運算，在實際 設(shè)計中采用了 Q格式進行數(shù)值轉(zhuǎn)換。 數(shù)據(jù)對應(yīng)關(guān)系表
(1)槳角(PITCH—pos)對應(yīng)關(guān)系
根據(jù)Q格式的數(shù)值表示范圍，采用Q8格式(一128二〈X二〈-127,9960938)， 槳角的表示范圍是96. 00 -0. 00度。則等式兩邊分別乘以256后得到計算公式。 公式一
實際采樣值=〉實際槳角值
實際槳角值x512
實際采樣值x96 卩1024x10 ~~
x512—5x512-(實際采樣值x 0.111328125x512)—5x512
公
、13,3 二(實際采樣值x 64)-5x512 ^(實際采樣值x64) — 2560
式二
實際采樣值= >實際電壓值
實際電壓值二！x實際采樣值
1024
(2) 功率(POWER—in)對應(yīng)關(guān)系 采樣電路滿偏1023對應(yīng)3. 3v
實際功率值x64二
實際采樣值
1024x-
8
x廳
— 13.3
實際采樣值x訓
x64(^POfe路參考電壓3.3K，比例4)
實際采樣值
0.8x1024
8v對應(yīng)畫kw
1000 二實際功率值(master電路參考電J!2.5v，比例4)
實際電壓值x64二
實際采樣值
12
x-
1024.
二實際采樣值x0. 75
x64
(1)槳角驅(qū)動(PITCH—drv)電壓對應(yīng)關(guān)系DA輸出值=驅(qū)動電壓值+10 x4094 = ((v+100) *82)》2 20
(2)輸出風速線性關(guān)系 風速數(shù)值范圍0 30mph 輸出范圍-10v 10v， OxOOOO OxOfff; 0. 6V對應(yīng)lmph， WIND—SPEED* 136
2、通訊內(nèi)容
系統(tǒng)控制器發(fā)送給變槳控制器的數(shù)據(jù)包括
1)系統(tǒng)運行的重要參數(shù)
風速；
發(fā)電機轉(zhuǎn)速； 環(huán)境溫度；
2) 系統(tǒng)的運行狀態(tài)
系統(tǒng)狀態(tài)自動、待機或停機； 發(fā)電機的并網(wǎng)狀態(tài)并網(wǎng)或脫網(wǎng)； 系統(tǒng)是否超功率保護；
3) 新更改的參數(shù)(從界面獲得)
風力機達到的最小槳角值；
風力機待機時的槳角值；
風力機切入自動運行的起始角度；
推槳(減小槳角)電壓；
順槳(增加槳角)電壓l;
順槳(增加槳角)電壓2;
發(fā)電機的最大有功功率(告知變槳控制器)；
變槳控制器開始工作的功率額定值；
變槳控制器調(diào)節(jié)功率的功率波動范圍；
槳角調(diào)節(jié)誤差范圍。
4) 系統(tǒng)控制器從變槳控制器讀取的數(shù)據(jù)包括.-當前的 際槳角值； 變槳控制器的當前狀態(tài)； 變槳控制器接收到的數(shù)據(jù)的反饋。3、系統(tǒng)控制器和變槳控制器通訊的方式
由于系統(tǒng)控制器和變槳控制器都是由DSP芯片TMS320LF2407實現(xiàn)的，而該 芯片自帶了 CAN通訊接口，所以系統(tǒng)控制器和變槳控制器的通訊就由CAN總線 協(xié)議來實現(xiàn)。
CAN總線通訊的主要特性
1) 低成本的現(xiàn)場總線；
2) 極高的總線利用率；
3) 很遠的數(shù)據(jù)傳輸距離(長達10Km);
4) 高速的數(shù)據(jù)傳輸速率(高達1Mbps);
5) 可根據(jù)報文的ID決定接收或屏蔽該報文；
6) 可靠的錯誤處理和檢錯機制；
7) 發(fā)送的信息遭到破壞后，可自動重發(fā)-，
8) 節(jié)點在錯誤嚴重的情況下具有自動退出總線的功能；
9) 報文不包含源地址或目標地址，僅用標志符來指示功能信息、優(yōu)先級
權(quán)利要求1、一種風機變槳距控制器，其特征在于具有單片機主CPU電路，和不同功能傳感器輸出端相連的開關(guān)量隔離輸入電路、摸擬量隔離調(diào)理電路、脈沖量調(diào)理電路的輸出端分別和單片機的IO口、AD轉(zhuǎn)換口、捕捉口相連；與其繼電器相連的開關(guān)量隔離電路輸入端和單片機的IO接口相連；單片機的CAN通訊接口和CAN通訊驅(qū)動電路相連，CAN通訊驅(qū)動電路可和系統(tǒng)主控制器相連；單片機的串行通訊接口和串行通訊協(xié)議轉(zhuǎn)換電路相連。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的風機變槳距控制器，其特征在于所述的單片機為頂S320LF2407單片機，TMS320LF2407單片機通過RRS485串心和CAN通訊驅(qū)動電路相連。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的風機變槳距控制器，其特征在于采用LF2407片內(nèi)為32K的flash程序存儲器，1. 5K字的數(shù)據(jù)/程序RAM，兩個事件管理模塊EVA和EVB,可擴展的外部存儲器共192K字，看門狗定時器模塊(WDT)， 40個可單獨編程或復(fù)用的通用輸入/輸出引腳(GPIO)，控制器局域網(wǎng)絡(luò)(CAN) 2.0模塊。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的風機變槳距控制器，其特征在于外部槳角位置和電機轉(zhuǎn)速模擬信號經(jīng)過低通濾波器MAX4169和比例電路LM324 (由10V的幅值縮小為2. 5V)，最后送到TMS320LF2407的AD轉(zhuǎn)換口 ADCI0廣ADCI04;外部的0V/24V的數(shù)字信號經(jīng)光耦隔離后連接到TMS320LF2407的10引腳；脈沖信號先經(jīng)過MAX4169濾波電路取出基波，再經(jīng)過滯環(huán)比較器整形后得到新的同頻率的干凈的脈沖信號也直接連接到頂S320LF2407的10引腳；控制電壓信號經(jīng)TMS320LF2407的D(TD15數(shù)據(jù)口、 A0和A1的地址選擇口、 W/5讀寫口、 DA—CS片選口連接到74LVTH16245和DAC7625芯片，轉(zhuǎn)變?yōu)槟M電壓輸出信號，模擬輸出信號經(jīng)過低通濾波器MAX4169和比例電路LM324，最后送到比例閥，液壓缸使槳葉以固定速率改變槳距；TMS320LF2407通過SCITXD和SCIRXT與MAX3223芯片連接把信號轉(zhuǎn)換為RS232通訊模式；通過CANTX和CANRX與SN65HVD231芯片連接把信號轉(zhuǎn)換為CAN通訊模式，分別與本地控制器和系統(tǒng)主控制器進行通訊聯(lián)系；TPS767D3XX芯片把5V電壓轉(zhuǎn)換為TMS320LF2407主芯片使用的3. 3V供電電壓；MAX6316芯片通過WDT和Z^直接與TMS320LF2407連接。
專利摘要本實用新型提供了一種風機變槳距控制器，涉及風力發(fā)電裝置技術(shù)領(lǐng)域。其結(jié)構(gòu)包括，TMS320LF2407單片機的各接口分別和開關(guān)量隔離輸入電路、摸擬量隔離調(diào)理電路、脈沖量調(diào)理電路、串行通訊協(xié)議轉(zhuǎn)換電路、可與繼電器相連的開關(guān)量隔離輸出電路相連，TMS320LF2407單片機通過RS485串口和CAN通訊驅(qū)動電路與外界控制電路連接，CAN通訊驅(qū)動電路和系統(tǒng)主控制器相連，開關(guān)量隔離輸入電路、摸擬量隔離調(diào)理電路、脈沖量調(diào)理電路分別和其傳感器相連。利用本實用新型可以通過控制葉片攻角的改變進行功率調(diào)節(jié)；通過槳距角控制和速度控制可實現(xiàn)風力發(fā)電機的起動、停止和緊急事故處理，使風力發(fā)電機處于良好的運行狀態(tài)。
文檔編號G05B19/042GK201402394SQ200920102358
公開日2010年2月10日 申請日期2009年4月2日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月2日
發(fā)明者景崇友, 淼 王, 王保利, 程志光, 穆桂霞, 趙雙喜 申請人:保定天威集團有限公司