CN109707566A - 一种基于57byg步进电机的变桨系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于57BYG步进电机的变桨系统,包括变桨控制模块、电源模块、电机驱动模块、速度检测模块、位置检测模块、风速计、触摸屏显示模块、两相四线步进电机和变桨执行机构。变桨控制模块作为整个电动变桨系统核心,其通过检测风速信号与桨叶的速度和位置信号,经过相应变桨控制算法,得到速度与加速度信号使电机驱动模块激励变桨执行机构产生对应动作,从而实现对风机叶片桨距角的控制;速度检测模块检测桨叶的变桨速度和方向,位置检测模块检测桨叶的位置,各参数显示于触摸屏。本发明的步进电机根据风速信号和桨叶位置信号驱动叶片迅速转至指定位置,能够提高风能转换效率实现风机稳定运行。
Description
技术领域
本发明涉及风力发电技术领域,尤其涉及一种基于57BYG步进电机的变桨系统。
背景技术
近年来,随着全球面临的资源枯竭和人类环境保护意识的增强,风能作为一种可再生、绿色能源越来越受到人们的关注。在可再生新能源中,风力发电是世界上公认的最成熟的可再生能源技术,风力发电已经发展成为一个比较成熟的产业。随着社会的迅速发展,人们对可再生能源需求日益迫切,当前对风电的开发又炽手可热。然而由于风能的间歇性和不稳定性的特点,与人们期望的稳定功率输出相悖,因此风电机组的变桨技术受到广泛的重视。采用变桨的方法可以有效地调节风力发电机的输出功率,并通过调节叶片桨距角实现最大的风能转换效率。
风力机根据其桨距调节方式也可以分为定桨距风力机和变桨距风力机。
由于变桨距风力机组具有在额定功率点以上输出功率平稳的特点,可以使得额定功率点仍然具有较高的功率系数。所以目前的兆瓦级大型风力发电机组多采用变桨距控制技术。变桨距控制系统是风力发电机组最为核心的部分之一,它关系到机组是否能够安全、稳定、高效的运行。因此变桨距控制技术成为了目前风力发电机组的热点研究对象。目前主流的电机变桨控制器多采用DSP进行控制,DSP在数字信号处理方面有一定的优势,其工作原理是将接受的模拟信号转换为数字信号,对数字信号进行运算并且输出运算结果。随着ARM核心处理器的发展,其在数字处理方面的速度与DSP相比已经没有大的差别,且具有集成度高、实时性强、可多任务操作等优点,尤其是其扩展性和事件处理方面的能力是DSP无法相比的。
发明内容
本发明的目的是为了克服DSP控制滞后的不足,提供一种基于ARM的实时变桨系统的快速响应方案。
为了实现上述目的,本发明提供了一种基于57BYG步进电机的变桨系统,包括变桨控制模块、电源模块、电机驱动模块、速度检测模块、位置检测模块、风速计、触摸屏显示模块、两相四线步进电机、变桨执行机构。其中电源模块分别与变桨控制模块和电机驱动模块连接,给后两者供电;触摸屏显示模块和变桨控制模块连接,触摸屏显示模块用于设置变桨控制初始参数并传递给变桨控制模块,同时触摸屏显示模块在变桨控制模块控制下实时显示变桨控制参数信息;变桨控制模块、电机驱动模块、两相四线步进电机、变桨执行机构依次顺序连接,电机驱动模块根据变桨控制模块传递的信号驱动两相四线步进电机转动,两相四线步进电机带动变桨执行机构调节桨距角,速度检测模块采集变桨执行机构中桨叶变桨的速度和加速度信息,位置检测模块采集变桨执行机构中的桨叶位置信息,速度检测模块、位置检测模块和风速计分别与变桨控制模块连接,将桨叶变桨的速度、加速度、桨叶位置和风速的数据信息传递给变桨控制模块。
所述变桨控制模块选用STM32F103VET6芯片。变桨控制模块作为整个电动变桨系统核心,其主要是通过检测变桨执行过程的风速信号和桨叶位置信号,经过变桨控制算法,产生速度与加速度信号使电机驱动机构产生对应动作,从而实现对变桨执行机构的控制;速度检测模块检测变桨时桨叶的转速和转向,并通过触摸屏显示出来。
所述电机驱动模块是一款以双极恒流PWM驱动输出控制电机的驱动器,带有自动半流技术。步进电机在工作时,若切断脉冲输入,电机即处于刹车状态,这是步进电机的优点,但此时电机通过的电流最大,噪声也大,电机发热量剧增,会影响电机性能及使用寿命。为了解决这个问题,设计的步进电机驱动器带有自动半流功能,当切断脉冲输入0.52s后驱动器自动进入半流模式,电机电流值会变为工作时的一半,电机的发热量会减小,噪声也会降低。
所述速度检测模块和位置检测模块的驱动电路相同,均包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、可变电阻、运算放大器、光耦和发光二极管,所述光耦的输入端经第三电阻与电源连接,光耦的输出端与运算放大器的反向输入端连接,运算放大器的反向输入端还经第二电阻与电源连接,运算放大器的正向输入端经可变电阻接地,第一电阻的一端连接电源,发光二极管的阳极与第一电阻的另一端连接,发光二极管的阴极与运算放大器的输出端连接。
本发明的有益效果在于:采用步进电机进行变桨控制,既增加了对变桨执行机构控制的实时性和精度,同时使系统的可扩展性能增强;采用触摸屏输入变桨系统初始参数并实时显示变桨控制过程的参数信息,可以代替目前大部分步进电机系统上的按键,大大简化了系统的外围电路;采用速度检测模块对桨叶变桨速度和加速度进行检测,保证了数据检测的准确性。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图。
图2是本发明的速度检测模块原理图。
图3是本发明的变桨控制模块与电机驱动模块差分方式接线图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明做进一步的描述。
图1是本发明提供的一种基于57BGY步进电机的变桨系统的结构示意图。参照图1所示,一种基于57BYG步进电机的变桨系统,包括变桨控制模块、电源模块、电机驱动模块、速度检测模块、位置检测模块、风速计、触摸屏显示模块、两相四线步进电机、变桨执行机构。其中电源模块分别与变桨控制模块和电机驱动模块连接,给后两者供电;触摸屏显示模块和变桨控制模块连接,触摸屏显示模块用于设置变桨控制初始参数并传递给变桨控制模块,同时触摸屏显示模块在变桨控制模块控制下实时显示变桨控制参数信息;变桨控制模块、电机驱动模块、两相四线步进电机、变桨执行机构依次顺序连接,电机驱动模块根据变桨控制模块传递的信号驱动两相四线步进电机转动,两相四线步进电机带动变桨执行机构调节桨距角,速度检测模块采集变桨执行机构中桨叶变桨的速度和加速度信息,位置检测模块采集变桨执行机构中的桨叶位置信息,速度检测模块、位置检测模块和风速计分别与变桨控制模块连接,将桨叶变桨的速度、加速度、桨叶位置和风速的数据信息传递给变桨控制模块。
变桨控制模块中的STM32F103VET6芯片是一种能耗较低,性能好的控制芯片。通过KEIL的软件编程代替环形脉冲分配器输出控制步进电机的脉冲信号,步进电机的转动速度与输出的脉冲频率成正比,步进电机转动的角度大小与输出的脉冲数成正比,改变输出的脉冲顺序就可以控制步进电机的转动方向。
如图2所示,速度检测模块和位置检测模块的驱动电路相同,均包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、可变电阻、运算放大器、光耦和发光二极管,所述光耦的输入端经第三电阻与电源连接,光耦的输出端与运算放大器的反向输入端连接,运算放大器的反向输入端还经第二电阻与电源连接,运算放大器的正向输入端经可变电阻接地,第一电阻的一端连接电源,发光二极管的阳极与第一电阻的另一端连接,发光二极管的阴极与运算放大器的输出端连接。
如图3所示,电机驱动模块与变桨控制模块相连,用于接收控制模块所产生的四路PWM信号并对其进行放大,然后发送给两相四线步进电机。电机驱动模块由一个全桥驱动电路及其外围电路构成,通过驱动器输出使能信号(ENA-、ENA+);驱动器方向控制信号(DIR-、DIR+);驱动器脉冲控制信号(PUL-、PUL+)这六个端口实现了控制模块与驱动模块以及两相四线步进电机的串联控制。
两相四线步进电机选用混合式步进电机,其型号为57BYG250B,两相四线步进电机的四条引线分别为红色、蓝色、绿色、黑色,其中绿色和黑色为一相(A相)、红色和蓝色为一相(B相),其中A+、A-接电机A相,B+、B-接电机B相,电机通电顺序为A—B—/A—/B—A,改变其通电相序就可以改变步进电机转向。
所谓变桨控制技术,就是调节桨距角。基于风力机所处状态通过对步进电机的速度与加速度进行计算并操动变桨执行机构。变桨控制可分为转速控制阶段、不控制阶段和功率控制阶段三个阶段,在不同的阶段将采取不同的控制策略。
(1)转速控制阶段(3m/s≤风速≤5m/s)
在静止的时候,变桨执行机构的叶片处于顺桨的位置(90度位置)。这时,气流对叶片不会产生切向的力,也就没有转矩。当风速达到启动风速时,变桨执行机构就控制叶片向0度的方向转动,转到气流对桨叶产生一定的攻角,桨叶受力开始转动。
控制策略:当风速较低时,变桨执行机构将桨距角定位至45度,提供高启动转矩。随着风机转速的增加,变桨执行机构控制叶片桨距角逐渐减小,直到风机转速增加到并网转速值。
(2)不控制阶段(5m/s≤风速≤12.5m/s)
又叫做中低风速阶段。是指发电机在并入电网后,由于风速低于额定的风速,发电机就在额定功率下低功率运行。
控制策略:控制系统无需对桨距角定位以获取最大启动扭矩。桨距角将直接从90度逐渐减小到0。控制系统根据风速值大小选择桨距角减小的快慢,启动完成后,桨距角停止在最大开桨位置(0度)。以实现最大性能的风能捕获。
(3)功率控制阶段(12.5m/s≤风速≤25m/s)
又称高风速阶段。当风速达到或者超过额定风速后,但低于机组允许风速时,风力发电机组就进入额定功率状态。这个过程的控制是减小功率偏差的过程,当发电机所发功率超过额定功率,要根据功率偏差的大小适当增大桨距角,反之,则减小桨距角。
控制策略:控制系统调节桨距角从90度按一定速度减小到给定的桨距角值,并根据风速的大小选择叶片桨距角减小的加速度,以确保在启动过程中叶轮转速平稳增加,直到达到合适的并网条件。启动完成后,桨叶按一定减速度停止在该风速下对应于产生额定功率的桨距角位置,通过对步进电机速度与加速度进行计算来保证变桨执行机构操动的稳定平顺,克服叶片抖动现象,实现风电机组平稳的功率输出。
桨叶0度到90度位置安装有限位开关,当桨叶到达该位置时,向主控制器发出限位信号,使叶片以一定的速率从0度顺桨到90度,并控制步进电机在数秒内将桨叶调节为顺桨位置,从而保证系统的安全稳定运行。
桨叶的加速过程中采用两种方法计算速度属性:一是一直加速到所需速度,二是未到所需速度即开始减速。定义max_s_lim为加速至所需速度时的步数、accel_lim为开始减速时的步数、accel为实际执行加速度、decel为实际执行减速度、step为变速运行总步数,则:
如果max_s_lim<accel_lim,加速度受限于最大期望速度。可以推导出减速步数decel_val为:
如果max_s_lim>accel_lim,运行步数不足以加速到最大速度即开始减速,加速度受限于减速时的步数。减速步数decel_val应该为:decel_val=-(step-accel_lim)。
其中负号表明加速度和减速度的方向是相反的。
以上仅是本发明的优选实施方式,本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例,凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰,应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种基于57BYG步进电机的变桨系统,其特征在于:包括电源模块、变桨控制模块、电机驱动模块、速度检测模块、位置检测模块、风速计、触摸屏显示模块、两相四线步进电机和变桨执行机构;其中所述电源模块分别与变桨控制模块和电机驱动模块连接,给后两者供电;触摸屏显示模块和变桨控制模块连接,触摸屏显示模块用于设置变桨控制初始参数并传递给变桨控制模块,同时触摸屏显示模块在变桨控制模块控制下实时显示变桨控制参数信息;变桨控制模块、电机驱动模块、两相四线步进电机、变桨执行机构依次顺序连接,电机驱动模块根据变桨控制模块传递的信号驱动两相四线步进电机转动,两相四线步进电机带动变桨执行机构调节桨距角,速度检测模块采集变桨执行机构中桨叶变桨的速度和加速度信息,位置检测模块采集变桨执行机构中的桨叶位置信息,速度检测模块、位置检测模块和风速计分别与变桨控制模块连接,将桨叶变桨的速度、加速度、桨叶位置和风速的数据信息传递给变桨控制模块。
2.根据权利要求1所述的一种基于57BYG步进电机的变桨系统,其特征在于:所述变桨控制模块的芯片选用STM32F103VET6芯片。
3.根据权利要求1所述的一种基于57BYG步进电机的变桨系统,其特征在于:所述电机驱动模块采用双极恒流PWM输出控制驱动器。
4.根据权利要求1所述的一种基于57BYG步进电机的变桨系统,其特征在于:所述两相四线步进电机选用型号为57BYG250B的混合式步进电机。
5.根据权利要求1所述的一种基于57BYG步进电机的变桨系统,其特征在于:所述速度检测模块和位置检测模块的驱动电路相同,均包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、可变电阻、运算放大器、光耦和发光二极管,所述光耦的输入端经第三电阻与电源连接,光耦的输出端与运算放大器的反向输入端连接,运算放大器的反向输入端还经第二电阻与电源连接,运算放大器的正向输入端经可变电阻接地,第一电阻的一端连接电源,发光二极管的阳极与第一电阻的另一端连接,发光二极管的阴极与运算放大器的输出端连接。
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