CN102787974B - 用于风电变桨的全数字式交流永磁同步电机伺服驱动器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种用于风电变桨的全数字式交流永磁同步电机伺服驱动器，所述驱动器包括DSP模块，不控整流模块，功率开关模块，模拟量输入模块，数字量输入模块，数字量输出模块，CANOPEN通讯模块，驱动模块，以及编码器信号采集模块，本发明实时监测数字量输入和模拟量输入，判断驱动装置有无故障，如果没有故障，则按照正常的反馈模式进行控制，如果有故障，则报警停机。本发明的不同模块分别通过不同的印刷电路板实现其功能，板间结构紧凑，控制方法简单精确。
Description
技术领域
本发明涉及一种风力发电变桨技术，具体地说，涉及的是一种用于风电变桨的全数字式交流永磁同步电机伺服驱动器。
背景技术
可再生能源的利用正在日益受到世界各国的重视，而风力发电在改善能源结构和提高能源利用效率上起到了越来越大的作用，我国对于风电产业的发展也是给予了非常大的关注。而伺服驱动器是风电变桨系统的核心组件之一，通过与变桨主控通讯实现对永磁同步电机的控制，以达到对桨叶角度的控制，即可实现紧急状况下顺浆的需求。
目前主流的用于风电变桨项目的伺服驱动器均采用DSP作为控制核心，可以实现比较复杂的控制算法，实现数字化、网络化和智能化。功率器件普遍采用以智能功率模块为核心设计的驱动电路，将整流后的直流电通过三相逆变器变频来驱动伺服电机。不过目前大多数变桨项目中的伺服驱动器都是只能用来驱动直流电机或者感应电机的。而直流电机寿命较短，系统维护成本高，异步电机的调速性能伺服性能差，不利于电机的伺服控制。
现有的用于风电变桨系统的伺服驱动器大多只适用于直流电机或交流异步电机，而没有可以适用于控制永磁同步电机的伺服驱动器。
如申请号为201608678U的中国专利，该专利提供“一种风电变桨系统全数字交流异步伺服电机驱动器，包括DSP系统(U1)、CPLD系统(U2)、电机编码器电路(F1)、桨距角编码器电路(F2)、电压电流检测电路(F3)、IPM及其驱动电路(F4)、RS485通讯电路(F5)、CAN通讯电路(F6)。”该专利技术虽然采用全数字化控制，但只能用于交流异步伺服电机，无法适用于交流永磁同步电机。而交流异步电机存在着不易于控制，调速性能较差等缺点。
针对上述现状，本发明提出了适用于风电变桨系统的永磁同步电机的伺服驱动器，克服了直流电机和异步电机的缺点。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中的上述不足，提供一种用于风电变桨的全数字式交流永磁同步电机伺服驱动器，该伺服驱动器能够适用于控制交流永磁同步电机的伺服驱动器，可以采用六块PCB板层叠式组装，每块板可以各自实现其不同的功能并通过电气接线实现了对永磁同步电机的控制功能。
为实现上述的目的，本发明采用了以下技术方案：
一种用于风电变桨的全数字式交流永磁同步电机伺服驱动器，外围设备有永磁同步电机，变桨主控柜及编码器，所述驱动器包括DSP模块，不控整流模块，功率开关模块，模拟量输入模块，数字量输入模块，数字量输出模块，CANOPEN通讯模块，驱动模块，以及编码器信号采集模块，其中：风机主控与变桨主控通讯，变桨主控通过CANOPEN总线与伺服驱动器通讯，将变桨指令发送至伺服驱动器。DSP模块通过驱动模块控制功率开关模块的开关的通断，将输入来的经过不控整流模块得到的537V直流电进行逆变，输入给永磁同步电机。模拟量输入模块采集电机端的电压电流信号和温度信号以及编码器信号采集模块采集到的电机转子的位置信号并传送给DSP模块。数字量输入模块用以采集运行命令逻辑，数字量输出模块用以输出运行命令逻辑，包括桥接信号，限位开关安全链信号，电源空开信号等。DSP模块实时监测数字量输入和模拟量输入，判断驱动装置有无故障，如果没有故障，则按照正常的反馈模式进行控制，如果有故障，则报警停机。本发明的不同模块分别通过不同的印刷电路板实现其功能，板间结构紧凑，控制方法简单精确。
本发明中，不同的模块可以分别使用不同的印刷电路板以实现其功能，且结构新颖紧凑，可以实现很多功能，而且本发明不同于一般的只能用于交流异步电机或者直流电机的伺服驱动器，本伺服驱动器可以用于永磁同步电机的控制，从而也就获得了永磁电机的优点，结构简单，体积小，重量轻，损耗小，效率高，控制性能好，能够实现高精度，高动态性能，大范围调速或定位控制。采用全数字化控制，集成度高，控制性能稳定可靠。
附图说明
图1为本发明永磁同步电机闭环控制图。
图2为控制板及板间接线图。
图3为伺服驱动器模块框图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的解释，但是以下的内容不用于限定本发明的保护范围。
如图1、3所示，本实施例提供一种用于风电变桨的全数字式交流永磁同步电机伺服驱动器，外围设备有永磁同步电机，变桨主控柜及编码器，所述驱动器主要包括：DSP模块，不控整流模块，功率开关模块，模拟量输入模块，数字量输入模块，数字量输出模块，CANOPEN通讯模块，驱动模块，编码器信号采集模块。风机主控与变桨主控通讯，变桨主控通过CANOPEN通讯模块与伺服驱动器通讯，将变桨指令发送至伺服驱动器。
如图2所示，本实施例中，风电调桨变矩电路板是伺服驱动器的核心单元，一共包含6块板，分别为：CPU板、DB板、MAIN板、CAP板、DIO板、AI板。板间为重叠安装，通过镙柱固定，板子下部固定散热底片。CPU板是主控制板，DB板是整流板，MAIN板是变频驱动板，CAP板是电容板，DIO板是数字量输入输出板，AI板是模拟量输入输出板，其中：
DB板对主电源输入三相交流电进行整流，得到537V直流电；
MAIN板与DB板直接相连，是变频驱动板，接收整流后的直流电，功率开关模块置于变频驱动板上，由功率开关器件组成，通过脉冲宽度调制控制功率开关管的导通，进而控制三相电压的输入，产生三相逆变电压，从而对永磁同步电机的输入电压进行控制；
CAP板上排布电容器组，外部接整流后的直流电压输入，连接主电源和超级电容电源，具有储能功能；
CPU板是主控制板，与变频驱动板，模拟量输入输出板，数字量输入输出板通过排线相连，能够接受采集到的数字模拟量数据并进行处理运算；内置DSP28335芯片，置有光栅编码器接口，旋转编码器接口，用以与编码器进行通信以采样电机和桨叶的位置信号，一个CAN接口用以和上位机PLC通信；
DIO板是数字信号输入输出板，板上有数字信号采集输入单元，数字量输入模块用以采集系统的一些开关量状态，数字量输入包括限位开关的状态，安全链输出使能，充放电空开，电源空开，数字量输出模块主要控制充电档开关，电容充放开关，电机主电源供电开关，润滑油机，控制预充电继电器输出以及安全链输出；
AI板是模拟量输入输出板，用以采集外部霍尔传感器测量的输入电流，外部电压传感器测量的三相交流主电压，直流电压测量接口测量的外部输入的直流电压，以及外部温度测量传感器PT100测量的控制柜温度、电池柜温度和电机温度。
伺服驱动器采用的是TI公司的TM320F28335芯片，具有150MHz的高速处理能力，具备32位浮点处理单元，6个DMA通道支持ADC、McBSP和EMIF，有多达18路的PWM输出，12位16通道ADC。得益于其浮点运算单元，与前代DSC相比，平均性能提高50%，可以很好地实现变桨系统的精确位置控制，速度控制。
如图1所示，风机主控与变桨主控通讯，变桨主控通过CANOPEN总线与伺服驱动器通讯，将变桨指令发送至DSP。编码器采集到的电机转子的位置信号经由调理电路传送给DSP，通过算法得到电机当前的位置反馈信号和转速反馈信号。将转速反馈信号与设定值比较后的误差值传递给转速调节器，实现转速闭环，通过PI调节器输出给定转矩电流分量，再与采集到的电流信号作比较，误差值传递给电流调节器，通过PI调节实现电流闭环控制，输出电压给定信号。电流调节器输出的信号经过空间电压矢量调节之后得到SVPWM信号，作为逆变的控制信号。经过整流得到的直流电在SVPWM信号的控制下通过逆变器实现逆变，输出频率可调的三相交流电，以实现对电机的控制，使桨叶转动到所需的位置。
本发明已经过实验模拟，证明可行。在正常情况下，伺服驱动器接受变桨控制器的指令并执行；在检测到有故障的情况下，伺服驱动器进行紧急顺桨，由伺服驱动器驱动永磁同步电机转动，使桨叶由0°转动到92°，并将故障通过报告给变桨控制器。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
Claims (2)
1.一种用于风电变桨的全数字式交流永磁同步电机伺服驱动器，其特征在于所述驱动器包括DSP模块，不控整流模块，功率开关模块，模拟量输入模块，数字量输入模块，数字量输出模块，CANOPEN通讯模块，驱动模块，以及编码器信号采集模块，其中：风机主控与变桨主控通讯，变桨主控通过CANOPEN总线与伺服驱动器通讯，将变桨指令发送至伺服驱动器；DSP模块通过驱动模块控制功率开关模块的开关的通断，将输入来的经过不控整流模块得到的537V直流电进行逆变，输入给永磁同步电机；模拟量输入模块采集电机端的电压电流信号和温度信号以及编码器模块采集到的电机转子的位置信号并传送给DSP模块；数字量输入模块用以采集系统开关量状态，数字量输出模块用以输出运行命令逻辑，包括桥接信号，限位开关安全链信号，电源空开信号；DSP模块实时监测数字量输入和模拟量输入，判断驱动装置有无故障，如果没有故障，则按照正常的反馈模式进行控制，如果有故障，则报警停机；
所述不同的模块分别使用不同的印刷电路板以实现其功能，具体为：CPU板、DB板、MAIN板、CAP板、DIO板以及AI板，印刷电路板间为重叠安装，通过镙柱固定，印刷电路板下部固定散热底片；CPU板是主控制板，DB板是整流板，MAIN板是变频驱动板，CAP板是电容板，DIO板是数字量输入输出板，AI板是模拟量输入输出板，其中：
DB板对主电源输入三相交流电进行整流，得到537V直流电；
MAIN板与DB板直接相连，是变频驱动板，接收整流后的直流电，功率开关模块置于变频驱动板上，由功率开关器件组成，通过脉冲宽度调制控制功率开关管的导通，进而控制三相电压的输入，产生三相逆变电压，从而对永磁同步电机的输入电压进行控制；
CAP板上排布电容器组，外部接整流后的直流电压输入，连接主电源和超级电容电源，具有储能功能；
CPU板是主控制板，与变频驱动板，模拟量输入输出板，数字量输入输出板通过排线相连，能够接受采集到的数字模拟量数据并进行处理运算；内置DSP28335芯片，置有光栅编码器接口，旋转编码器接口，用以与编码器进行通信以采样电机和桨叶的位置信号，一个CAN接口用以和上位机PLC通信；
DIO板是数字信号输入输出板，板上有数字信号采集输入单元，数字量输入模块用以采集系统的一些开关量状态，数字量输入包括限位开关的状态，安全链输出使能，充放电空开，电源空开，数字量输出模块主要控制充电档开关，电容充放开关，电机主电源供电开关，润滑油机，控制预充电继电器输出以及安全链输出；
AI板是模拟量输入输出板，用以采集外部霍尔传感器测量的输入电流，外部电压传感器测量的三相交流主电压，直流电压测量接口测量的外部输入的直流电压，以及外部温度测量传感器测量的控制柜温度、电池柜温度和电机温度。
2.根据权利要求1所述的用于风电变桨的全数字式交流永磁同步电机伺服驱动器，其特征在于：所述伺服驱动器采用的是TI公司的TM320F28335芯片，具有150MHz的高速处理能力，具备32位浮点处理单元，6个DMA通道支持ADC、McBSP和EMIF，有多达18路的PWM输出，12位16通道ADC。
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