CN201608678U - 一种风电变桨系统全数字交流异步伺服电机驱动器 - Google Patents
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Abstract
一种风电变桨系统全数字交流异步伺服电机驱动器，属于交流异步伺服电机技术领域。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)。优点在于：1)采用全数字化控制，集成度高，控制性能稳定可靠；2)采用异步电机控制，系统环境适应能力强；3)采用双编码器冗余控制，充分保障风机系统安全；4)采用RS485通讯作为人机接口，便于远程监控和调试。
Description
技术领域
本实用新型属于交流异步伺服电机技术领域，特别涉及一种风电变桨系统全数字交流异步伺服电机驱动器，适用于对风电变桨系统交流异步伺服电机的控制。
背景技术
目前国内的风电变桨系统基本上采用的是国外的设备，其中有液压式变桨系统和电动式变桨系统两种，而电动式变桨系统应用更为广泛。电动变桨系统分为直流变桨和交流变桨两种，目前实际应用的系统大部分采用直流变桨方案，此种方案的缺点是，直流电机的寿命较短，需要定期更换电刷，系统维护成本高。交流变桨系统又分为永磁同步电机、直流无刷电机和异步电机三种，前两种方案成本高，而且存在一个电机永磁体失磁的问题。
本实用新型涉及的一种风电变桨系统全数字交流异步伺服电机驱动器，采用异步电机控制，成本低，控制性能稳定可靠，环境适应能力强。
发明内容
本实用新型的目的是提供一种风电变桨系统全数字交流异步伺服电机驱动器。解决了异步伺服电机在风电变桨系统中应用的问题。
本实用新型具体采用以下技术方案：
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；其特征在于：
电机编码器电路F1输出的增量式信号A、B与DSP系统U1的捕获管脚106、107相连，将电机编码器的增量式信号传递给DSP系统U1，电机编码器电路F1的串行数据输入信号SEIAL_DATA1、同步时钟信号CLOCK_OUT1与CPLD系统U2的管脚25、24相连，将电机编码器的绝对式信号传递给CPLD系统U2；
桨距角编码器电路F2的串行数据输入信号SEIAL_DATA2、同步时钟信号CLOCK_OUT2与CPLD系统U2的管脚23、22相连，将桨距角编码器的绝对值信号传递给CPLD系统U2；
CPLD系统U2通过并行总线连接到DSP系统U1，将采集到的电机编码器和桨距角编码器的绝对位置信号传递给DSP系统U1，上述两编码器绝对值信号检测时钟信号由DSP系统U1的管脚119输出给CPLD系统U2的87管脚；
电压电流检测电路F3用于检测母线电压和电机U相和W相电流，其输出端分别接DSP系统U1的模拟量信号输入通道管脚173、174、172，将检测到的母线电压信号Udc及电机定子U相和W相电流信号Iu、Iw上传到DSP系统U1；
DSP系统U1输出6路PWM信号(PWM1-6)至IPM及其驱动电路F4控制电机旋转，DSP系统U1还通过通用I/O管脚104输出开关量信号给IPM及其驱动电路F4控制电机的制动；
IPM及其驱动电路F4输出一路故障保护信号PERR给DSP系统U1的PDPINT外部中断管脚110；
RS485通讯电路F5输出接收信号SCIRXDB到DSP系统U1的91管脚，DSP系统U1通过管脚90输出发送信号SCITXDB给RS485通讯电路F5，DSP系统U1还通过通用I/O管脚63输出开关量信号控制RS485通讯收发转换；
CAN通讯电路F6输出接收信号CANRXA到DSP系统U1的89管脚，DSP系统U1通过管脚87输出发送信号CANTXA给CAN通讯电路F6。
电机编码器电路(F1)的功能是将电机编码器信号输入给DSP系统(U1)和CPLD系统(U2)。包括图2、图3两部分。在图2中，电机的光电编码器(F7)输出的4路推挽式信号(A+、A-、B+、B-)分别接第一至第四限流电阻R19、R18、R14、R15，然后分别通过5V单向TVS管(Z2、Z1)和第五、第六限流电阻R20、R16输入到双路光耦芯片(U12)，双路光耦芯片(U12)输出两路信号A、B到DSP(U1)的106、107脚。为了与DSP电平兼容，光耦(U12)采用3.3V供电。其余管脚及电路为常规接法。在图3中，电机光电编码器(F7)的4路SSI绝对位置信号Clock+、Clock-、Data+、Data-分别接RS422接口芯片(U6)的5、6、8、7管脚，Data+、Data-之间并接终端电阻(R37)；RS422接口芯片(U6)的接收输出管脚2、发送输入管脚3分别接磁耦(U8)的7管脚和6管脚，磁耦(U8)的隔离信号CLOCK_OUT1、SERIAL_DATA1分别通过管脚3、2接CPLD(U2)的24、25脚。编码器(F7)采用24V供电，其余电路为常规接法。
桨距角编码器电路(F2)处理桨距角编码器的输出信号。由于桨距角编码器只是绝对值编码器，因此只有绝对位置信号处理电路，处理方式与电机编码器相同，在此不再说明。
电压电流检测电路(F3)的功能是测量母线电压和电机定子电流。母线电压检测如图4所示，母线(P、N)电压经功率电阻R18和采样电阻R19的分压作用输出电压信号，经电阻R25和电容C14滤波后接隔离放大器(ISO1)的2、3管脚，隔离放大器(ISO1)通过6、7管脚输出差分信号，再经过运放(U5A)转换为单端信号，经过电阻R142、R143的分压处理和跟随放大器的处理后，输出给DSP(U1)的AD转换管脚。其余电路为常规接法。电流检测电路包括U相和W相的电流检测，V相电流依靠软件计算得出。这两相电流检测的电路完全相同，这里就以U相为例来说明。如图5所示，电流检测元件LA100-P/SP50(U3)输出电机的U相定子电流信号经电阻R148、R138和R149的处理转换为电压信号，经偏移和缩小处理后输出信号Iu到DSP的模拟量输入管脚174。其余电路为常规接法。
IPM及其驱动电路(F4)的功能是将DSP的控制信号转化为对电机的控制。本实用新型选择三菱公司的IPM PM100RLA060，驱动电路为该数据手册上的推荐电路，在此不做详细说明。该部分电路的输入信号为由DSP系统(U1)输出的6路PWM脉冲信号(PWM1～6)和DSP由104管脚输出的制动控制信号，输出信号直接控制电机主回路，另外还有一个电源模块故障信号PERR输出给DSP。
RS485通讯电路(F5)的功能是实现DSP系统(U1)和上位机的通讯，实现伺服参数的修改、软件升级、运行状态监视及在线诊断。如图6所示，本实用新型使用了一个兼容3.3V电平的RS485集成驱动芯片(U7)，该芯片具有磁耦隔离功能，其输出的总线信号A、B分别通过RS485专用浪涌保护芯片(Z7)对地保护。其余电路为常规接法。
CAN通讯电路(F6)的功能是提供三个叶片伺服之间以及伺服和上位机之间的通讯接口。如图7所示，DSP(U1)的CAN通讯接口信号CANRXA和CANTXA分别接磁耦(U01)的2、3管脚，磁耦(U01)的6、7管脚分别接CAN驱动芯片(U5)的1、4管脚，CAN驱动芯片(U5)的6、7管脚分别输出CAN总线信号CANL、CANH，经过CAN总线静电保护二极管(Z8)输出到CAN通讯插头J2。其余电路为常规接法。
本实用新型的优点：1)采用全数字化控制，集成度高，控制性能稳定可靠；2)采用异步电机控制，系统环境适应能力强；3)采用双编码器冗余控制，充分保障风机系统安全；4)采用RS485通讯作为人机接口，便于远程监控和调试。
说明书附图
图1为本实用新型的系统原理总图；
图2为本实用新型的电机编码器增量式信号输入电路；
图3为本实用新型的电机编码器绝对式信号输入电路；
图4为本实用新型的电压检测电路；
图5为本实用新型的电流检测电路；
图6为本实用新型的RS485通讯电路；
图7为本实用新型的CAN通讯电路。
具体实施方式
下面将通过附图对本实用新型作进一步的详细说明。
本实用新型包括DSP系统(U1)、可编程逻辑器件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)、智能功率模块IPM及其驱动电路(F4)、RS485通讯电路(F5)、CAN通讯电路(F6)。DSP采用TI公司的TMS320F2812(U1)，是本实用新型的核心部件，控制算法在其上面实现，其内部集成了很多专用于电机控制的模块，大大简化了外围电路。CPLD采用的是ALTERA公司的EPM7256AETI100-7，其作用是采集具有SSI接口的电机编码器和桨距角编码器绝对位置信号，以用于桨叶桨距角的定位控制。
如图1所示。电机编码器电路(F1)将电机编码器的增量式信号通过DSP(U1)的捕获管脚106、107传递给DSP系统(U1)；同时，将电机编码器的绝对式信号通过CPLD(U2)的管脚24、25传递给CPLD系统(U2)。桨距角编码器电路(F2)将桨距角编码器的绝对值信号通过CPLD系统(U2)的管脚22、23传递给CPLD系统(U2)。CPLD系统(U2)将采集到的电机编码器和桨距角编码器的绝对位置信号通过并行总线方式传递给DSP系统(U1)，连线方式为常规连接；另外，两编码器绝对值信号检测需要一个时钟信号由DSP(U1)的管脚119输出给CPLD(U2)的87管脚。电压电流检测电路(F3)用于检测母线电压和电机两相电流，用于电机控制，其输出的母线电压信号Udc及电机定子线电流信号Iu和Iw分别接DSP(U1)的模拟量信号输入通道管脚173、174、172。DSP系统(U1)输出的6路PWM信号PWM1～6通过IPM及其驱动电路(F4)控制电机旋转，同时DSP(U1)还通过通用I/O管脚104输出开关量信号给IPM及其驱动电路(F4)控制电机的制动；IPM及其驱动电路(F4)输出一路故障保护信号PERR给DSP(U1)的PDPINT外部中断管脚110。RS485通讯电路(F5)输出接收信号SCIRXDB到DSP的91管脚，DSP通过管脚90输出发送信号SCITXDB给RS485通讯电路(F5)，另外，DSP还通过通用I/O管脚63输出开关量信号控制RS485通讯收发转换。CAN通讯电路(F6)输出接收信号CANRXA到DSP的89管脚，DSP通过管脚87输出发送信号CANTXA给CAN通讯电路(F6)。
电机编码器电路包括电机编码器增量式信号处理部分和绝对式信号处理部分两部分，如图2、图3所示。图2中，U12：HCPL063L，F7：电机编码器，R14、R15、R18、R19、R28、R29：1kΩ电阻，R16、R20：200Ω电阻，C54、C55、C114、C115：10pF电容，C3：0.1uF电容，Z1、Z2：5V单向TVS管。图3中，U8：ADUM1201BR，U6：MAX490ESA，F7：电机编码器，R37：120Ω电阻，S1：200mA/35V保险。
在图2中，电机的光电编码器(F7)输出的4路推挽式信号(A+、A-、B+、B-)分别接限流电阻R19、R18、R14、R15，然后分别通过5V单向TVS管(Z2、Z1)和限流电阻R20、R16输入到双路光耦芯片(U12)，双路光耦芯片(U12)输出两路信号A、B到DSP(U1)的106、107脚。其余管脚及电路为常规接法。在图3中，电机光电编码器(F7)的4路SSI绝对位置信号Clock+、Clock-、Data+、Data-分别接RS422接口芯片(U6)的5、6、8、7管脚，Data+、Data-之间并接终端电阻(R37)；RS422接口芯片(U6)的接收输出管脚2、发送输入管脚3分别接磁耦(U8)的7管脚和6管脚，磁耦(U8)的隔离信号CLOCK_OUT1、SERIAL_DATA1分别通过管脚3、2接CPLD(U2)的24、25脚。其余电路为常规接法。
电压电流检测电路分别如图4、图5所示。图4中，ISO1：HCPL7840，U5A：LM1458，U46：OP07，R18：330K/1W功率电阻，R19：150Ω 1％电阻，R25：68Ω电阻，R26-R29：3kΩ 1％电阻，R142：5.62kΩ 1％电阻，R143：30.1kΩ 1％电阻，R96：16Ω电阻，C14：0.01uF电容，C16、C17：150pF电容，C58：1000pF电容，D19：3.3V稳压管。图5中，U3：电流霍尔LA100-P/SP50，U45：OP07，R148：50Ω 1％电阻，R138、R149：15Ω 1％电阻，R139、R140：30.1kΩ 1％电阻，R95：16Ω电阻，C57、C88：1000pF电容，D18：3.3V稳压管。
母线电压检测如图4所示，母线(P、N)电压经功率电阻R18和采样电阻R19的分压作用输出电压信号，经电阻R25和电容C14滤波后接隔离放大器(ISO1)的2、3管脚，隔离放大器(ISO1)通过6、7管脚输出差分信号，再经过运放(U5A)转换为单端信号，经过电阻R142、R143的分压处理和跟随放大器的处理后，输出给DSP(U1)的AD转换管脚。其余电路为常规接法。U相定子电流检测如图5所示，电流检测元件LA100-P/SP50(U3)输出电机的U相定子电流信号经电阻R148、R138和R149的处理转换为电压信号，经偏移和缩小处理后输出信号Iu到DSP的模拟量输入管脚174。其余电路为常规接法。
RS485通讯电路如图6所示，U7：ADM2483，J1：RS485通讯插头，JP1：跳线，Z7：SM712，R1、R2：10kΩ电阻，R3、R6：5kΩ电阻，R4、R5：22Ω电阻，R7：120Ω电阻。
DSP利用SCIB接口实现RS485通讯，具体为：ADM2483(U7)的3脚输出信号SCIRXDB经过电阻R10上拉后到DSP的91管脚，DSP的发送数据管脚90输出信号SCITXDB到ADM2483(U7)的6管脚，DSP输出的收发转换信号RTS到ADM2483(U7)的4、5管脚，ADM2483(U7)通过12、13脚输出的A、B信号分别经过电阻R5、R4后，经过电阻R6和R3的上拉和下拉、SM712(Z7)的防浪涌保护后，输出到RS485通讯插头(J1)。R7为通讯终端电阻，可以通过跳线JP1接到总线上去。其余电路为常规接法。
CAN通讯电路如图7所示，U01：ADUM1201，U5：TJA1040，J2：CAN通讯插头，JP2：跳线，Z8：PESD1CAN，R8、R9：60Ω电阻，C51：0.1uF电容。
DSP(U1)的CAN通讯接口信号CANRXA和CANTXA分别接磁耦(U01)的2、3管脚，磁耦(U01)的6、7管脚分别接CAN驱动芯片(U5)的1、4管脚，CAN驱动芯片(U5)的6、7管脚分别输出CAN总线信号CANL、CANH，经过CAN总线静电保护二极管(Z8)输出到CAN通讯插头J2。其余电路为常规接法。
Claims (2)
1.一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)；其特征在于：
电机编码器电路(F1)输出的增量式信号A、B与DSP系统(U1)的捕获管脚106、107相连，将电机编码器的增量式信号传递给DSP系统(U1)，电机编码器电路(F1)的串行数据输入信号SEIAL_DATA1、同步时钟信号CLOCK_OUT1与CPLD系统(U2)的管脚25、24相连，将电机编码器的绝对式信号传递给CPLD系统(U2)；
桨距角编码器电路(F2)的串行数据输入信号SEIAL_DATA2、同步时钟信号CLOCK_OUT2与CPLD系统(U2)的管脚23、22相连，将桨距角编码器的绝对值信号传递给CPLD系统(U2)；
CPLD系统(U2)通过并行总线连接到DSP系统(U1)，将采集到的电机编码器和桨距角编码器的绝对位置信号传递给DSP系统(U1)，上述两编码器绝对值信号检测时钟信号由DSP系统(U1)的管脚119输出给CPLD系统(U2)的87管脚；
电压电流检测电路(F3)用于检测母线电压和电机U相和W相电流，其输出端分别接DSP系统(U1)的模拟量信号输入通道管脚173、174、172，将检测到的母线电压信号Udc及电机定子U相和W相电流信号Iu、Iw上传到DSP系统(U1)；
DSP系统(U1)输出6路PWM信号PWM1-6至IPM及其驱动电路(F4)控制电机旋转，DSP(U1)还通过通用I/O管脚104输出开关量信号给IPM及其驱动电路(F4)控制电机的制动；
IPM及其驱动电路(F4)输出一路故障保护信号PERR给DSP系统(U1)的PDPINT外部中断管脚110；
RS485通讯电路(F5)输出接收信号SCIRXDB到DSP系统(U1)的91管脚，DSP系统(U1)通过管脚90输出发送信号SCITXDB给RS485通讯电路(F5)，DSP系统(U1)还通过通用I/O管脚63输出开关量信号控制RS485通讯收发转换；
CAN通讯电路(F6)输出接收信号CANRXA到DSP系统(U1)的89管脚，DSP系统(U1)通过管脚87输出发送信号CANTXA给CAN通讯电路(F6)。
2.按照权利要求1所述的驱动器，其特征在于，在电机编码器电路(F1)中，电机的光电编码器(F7)输出的4路推挽式信号A+、A-、B+、B-分别接第一至第四限流电阻(R19、R18、R14、R15)，其中第一路推挽式信号A+连接到第一限流电阻(R19)，第二路推挽式信号A-连接到第二限流电阻(R18)，第三路推挽式信号B+连接到第三限流电流(R14)，第四路推挽式信号B-连接到第四限流电阻(R15)，第一限流电阻(R19)和第二限流电阻(R18)之间连接第二单向TVS管(Z2)，第三限流电流(R14)和第四限流电阻(R15)之间连接第一单向TVS管(Z1)，第一单向TVS管(Z1)的负极性端通过第五限流电阻(R20)、第二单向TVS管(Z2)的负极性端通过第六限流电阻(R16)分别连接到双路光耦芯片(U12)的输入端，双路光耦芯片(U12)输出的两路电机编码器增量式信号A、B分别连接到DSP系统(U1)的106、107脚；
电机光电编码器(F7)的4路同步串行接口(SSI)绝对位置信号Clock+、Clock-、Data+、Data-分别接RS422接口芯片(U6)的5、6、8、7管脚，数据输入信号Data+、Data-之间并接终端电阻(R37)；RS422接口芯片(U6)的接收输出管脚2、发送输入管脚3分别接磁耦(U8)的7管脚和6管脚，磁耦(U8)的隔离信号CLOCK_OUT1、SERIAL_DATA1分别通过管脚3、2接CPLD(U2)的24、25脚。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: GUAN HUADIAN TIANREN CONTROL EQUIPMENT CO., LTD. Effective date: 20140107 |
|
| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20140107 Address after: 100085, Beijing, Haidian District on the two street 2, Huadian Tian Ren building, five floor Patentee after: Beijing Huadian Tianren Electric Power Technology Co., Ltd. Patentee after: GU'AN HUADIAN TIANREN CONTROL EQUIPMENT CO., LTD. Address before: 100085, Beijing, Haidian District on the two street 2, Huadian Tian Ren building, five floor Patentee before: Beijing Huadian Tianren Electric Power Technology Co., Ltd. |
|
| CX01 | Expiry of patent term |
Granted publication date: 20101013 |
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| CX01 | Expiry of patent term |