风电变桨直流伺服驱动器的设计

胡剑生，王海明，李嘉，王旭昊，苏静

(许继集团有限公司，河南 许昌 461000)

DesignofWindTurbinePitchDCServoDriver

HUJiansheng，WANGHaiming，LIJia，WANGXuhao，SUJing

(XJGroupCorporation，Xuchang461000，China)

摘要：基于风力发电变桨系统的需求，分析了永磁直流伺服电机的调速原理，提出了永磁直流电机控制策略，并研究建立了全数字直流伺服控制系统。选用TI公司的TMS320F2812 DSP作为控制核心，介绍了该伺服驱动器的主功率电路和控制电路硬件设计、实现方法以及整体软件架构和具体实现流程。通过旋变解码试验和动态调速试验，验证了全数字直流伺服控制系统的整体设计。

关键词：风电变桨控制；直流伺服；PWM调速；数字信号处理器；动态特性

中图分类号：TM46

文献标识码：A

文章编号：1001-2257(2015)04-0058-04

收稿日期：2014-12-23

作者简介：胡剑生(1979-)，男，江西赣州人，中级工程师，研究方向为嵌入式系统研究与开发，伺服驱动；王海明(1985-)，男，河南商丘人，硕士研究生，中级工程师，研究方向为嵌入式技术、光伏系统控制和伺服驱动。

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

风电技术是可再生能源技术中除水电外发展最成功的一种，在德国、西班牙、美国、印度、意大利和丹麦等国普遍应用，在国内相对滞后，但发展快速，截止2012年，累计装机容量75 324.2MW，发展潜力巨大。对于MW级及以上的风电机组均采用变桨距变速恒频的机型，包括双馈式和永磁同步直驱式。变桨距控制系统是风电机组安全运行的核心部件之一，根据风力发电机所处环境的风力状况，改变叶片的桨距角，达到调节功率和保护风机的目的。伺服驱动器是风电变桨系统的核心部件和执行结构，变桨控制器通过伺服驱动器对变桨电机进行控制，达到调节风机桨叶角度的目的。因而对于变桨系统的要求有：后备电源在电网断电后，直接驱动电机完成紧急顺桨；后备电源容量大，能够满足2～3次顺桨；后备电源驱动电机顺桨时速度相对稳定，即要求放到电压平稳；系统安全可靠。在风电变桨领域中，普遍采用免维护铅酸蓄电池作为后备电源，永磁直流电机伺服系统作为控制系统。

1直流伺服调速原理

1.1永磁直流电机调试方法

直流电动机转速方程为：

由上式可见，调节电动机转速的方法有3种[10-11]，即调节电枢供电电压U(调压调速)；改变电枢回路电阻R(调阻调速)；减弱励磁磁通Φ(弱磁调速)。

由于调阻调速是有级调速，耗能调速，且会使电机机械特性变软；减弱磁通虽然能够平滑调速，但调速范围不大，在基速以上做小范围的弱磁升速，同时会使电机带载能力变差，机械特性变软；而调压调速能在较大的范围内实现无级平滑调速，且机械特性不变，因此，主流采用高频PWM调压调速，如图1所示。

图1　调压调速特性曲线

图3　控制系统

1.2PWM产生原理

TI公司TMS320F2812可方便产生3相桥控PWM波。芯片内含EVA的2个通用定时器，能够产生2路独立的PWM波形(T1PWM和T2PWM)，T1PWM的3个比较单元每一个都能产生1对互补的PWM波形，比较单元1产生PWM1和PWM2，比较单元2产生PWM3和PWM4，比较单元3产生PWM5和PWM6[12]。这样，EVA一共能产生6路PWM波形。

在此，驱动器采用T1定时器生成2对互补的PWM波。下面以T1定时器介绍PWM生成原理，当T1计数寄存器T1CNT的值和设定T1CMPR的值相等时，就会发生比较匹配事件，这时，如果PWM的功能使能，则T1PWM引脚便可以输出PWM波形。T1能够产生2种类型的PWM，一种是不对称的PWM波形，另一种是对称的PWM波形，取决于T1CNT的计数方式。设计载波为三角波，选用对称的PWM波形，配置T1CNT为连续增/减计数模式(对称的PWM波形)，且PWM输出高电平有效。生成原理如图2所示。

图2　 PWM产生原理

当T1工作于连续增/减计数模式时，T1CNT1个周期T=(2T1PR)Tc，其中Tc是计数基准时钟。因此，T1PWM的占空比为：

另外，3个全比较单元每一个都能通过相应的寄存器设置死区时间，防止上下桥臂管直通。死区时间由死区控制寄存器DBTCONx的[11～8]位死区定时器周期,以及DBTCON的[4～2]位死区定时器预定标因子决定。

2永磁直流电机控制策略

伺服系统采用速度、电流双闭环控制策略，电流环为内环，速度环为外环。控制系统如图3所示。

2.1电流内环控制

驱动器电流环采用PI控制器。电流环起到2个作用:一是在启动和大范围加减速时起电流调节和限幅作用；二是使系统的抗电源扰动和负载扰动的能力增强。由于电流环其时间常数小，电流环的响应速度要远远大于速度环，使电枢电流快速跟踪电流指令，因此，系统的快速性和稳定性得到改善。图3中电流环在传统PI调节器的基础上，增加了电流前馈和死区补偿。电流指令1到电流指令2斜率控制用于防止电流过冲，电流指令1到指令2的I2T控制用于驱动器热保护，当电机堵转或重载时限值到额定值。

2.2速度外环控制

速度环采用PID控制器。根据给定速度与实际速度的偏差及时地控制电机的转矩，从而使在速度差值比较大时电机转矩大，速度变化快，以便尽快地把电机转速拉向给定值，实现调速过程的快速性；而当转速接近给定值时又能使电机的转矩自动减小，这样可以避免过大的超调，使转速很快达到给定值，实现静态无差。

3硬件电路设计

3.1主功率电路设计

驱动器的主功率电路如图4所示。采用三相交流输入，经过EMI滤波器后进行三相全波整流，然后通过母线电容滤波，获得稳定的直流母线电压。之后通过高频PWM变换电路后，控制直流伺服电机的运行。

图4　伺服驱动器的主功率原理

3.2控制电路设计

控制电路是整个驱动器的控制核心，主要由DSP(TMS320F2812)和FPGA (XC3S250E)构成。DSP完成对电机控制和算法实现，对外通讯；FPGA完成外围电路控制及逻辑处理，作为DSP的协处理器。控制电路原理如图5所示。

图5　控制电路原理

3.2.1　电流、电压、温度采样处理

电枢电流采用霍尔传感器隔离采样后转换成电压信号，母线或电池电压采用差分电路转换成电压信号，输入给ADC(ADS8558I)。对于外部的温度或者电机温度采集，采用电阻分压电路，将不同温度对应的电阻值转化成电压量，进行ADC转换，根据设计电路进而计算出对应的温度。

3.2.2　旋变处理电路

为简化设计，使用专用的单芯片分解器数字转换器(RDC)，直接将旋变的输出信号转换成串行数据信号。采用ADI公司的AD2S1210，它是一款12/14/16位分辨率可编程的旋变信号转换芯片，且频率输出2～20 kHz可编程，集成片上可编程正弦波振荡器，为旋变器提供正弦波激励。Type II伺服环路用于跟踪输入信号，并将正弦和余弦输入端的信息转换为输入角度和速度所对应的数字量。并且其内部具有故障检测电路，可以检测旋变的信号丢失、超范围输入信号、输入信号失配或位置跟踪丢失。各故障检测阈值可以由用户单独编程，以便针对特定应用进行优化。

3.2.3　故障保护电路

故障保护电路是为了保证系统可靠运行， 防止运行过程中对变桨系统单元或者电机造成损坏而设计的。主要包含驱动器对内对外开出短路、过压过流保护以及PWM脉冲封锁保护电路。其中，TMS32F2812是控制器，进行检验和判断XC3S250E上传采集的信息量是否在设定的范围内。如采集母线电压是否超出设定值，若超出范围，则通知FPGA下发封锁PWM脉冲的命令，同时将故障存储至EEPROM，并用数码管显示故障代码。

4软件设计

4.1软件系统架构及处理流程

软件系统由主函数、中断服务函数和各软件功能模块组成。主函数完成非实时常规任务的调用执行，中断服务函数实现紧急任务的调用处理，软件功能模块为各功能块的软件实现。软件系统的架构及状态机如图6所示。

图6　软件系统的架构及状态机

4.2速度控制与电流控制软件设计

结合上述控制策略，设计系统速度控制和电流控制流程如图7所示。

图7　速度环和电流环控制流程

5实验验证

5.1旋变解码测试

使用试验台Danaher电机拖动瑞诺电机以恒定转速运行，设计系统进行旋变解码定点计算得到采样速度，如表1所示。在电机静止的条件下，采样计算旋变角度位置，同时使用S640软件读出位置数据。在电机主轴旋转1周范围内，记录多个采样点的角度位置数据，然后将2个角度值进行对比，如表2所示。

表1　采集电机角度比对表　(°)

表2　采集电机转速比对表　r/min

5.2调速特性试验

将驱动器连接伺服电机，进行调速试验，通过调节PI参数组合确保了转速响应的快速性、稳定性，其转速给定与实际转速测试如图8所示。图8中线条1表示转速命令给定量，纵轴每格代表480 r/min，线条2为实际转速，每格代表480 r/min。

图8　转速给定命令与实际测量转速曲线

通过旋变解码测试和调速特性试验可知，设计的直流伺服驱动器采集转速的偏差不超过20 r/min，动态转速跟踪响应迅速，满足设计的要求。

6结束语

分析了直流伺服电机的调速原理，选用调压调速的控制策略，基于DSP2812设计了直流伺服驱动器。通过旋变解码测试试验和动态特性调速试验，对设计进行了验证。目前，该驱动器已经应用于张北某风电场，具有结构简单可靠、调速平滑和动态特性好等优点，能够在恶劣、强电磁干扰环境中稳定可靠工作，在风电变桨系统领域有广阔的应用前景。

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