變槳控制系統串勵直流電機的驅動控制電路及控制方法
2023-10-10 09:22:34
專利名稱：變槳控制系統串勵直流電機的驅動控制電路及控制方法
技術領域：
本發明屬於直流電機控制領域，特別涉及用於變槳控制系統串勵直流電機的驅動 控制電路及控制方法。
背景技術：
風力發電作為目前技術成熟的可再生清潔能源，受到各國的廣泛重視。變槳控制 系統是風力發電系統中重要的組成部件，其主要功能是控制槳葉節距角隨風速的大小進行 自動調節在低風速時，讓風力發電機具有最大的起動力矩；風速過高時，改變氣流對葉片 的攻角，進而改變風力發電機獲得空氣動力轉矩，使發電機輸出功率保持穩定。電機驅動裝置是變槳控制系統的關鍵部件之一。變槳控制系統的電機驅動裝置主 要功能包括模擬和數位訊號的採集、數字開關量信號和控制信號的輸出、故障信息處理和 保護以及與上位機的信息交互等。電機驅動裝置的設計跟選用的電機類型密切相關，它決 定了系統的功能、硬體電路結構，軟體控制策略等。從現在公開的文獻來看，涉及變槳控制 系統用的電機驅動裝置的專利和資料十分有限，而目前在風電領域變槳控制系統中最為常 用串勵直流電機，因此有必要設計一種性能優良的變槳控制用串勵直流電機的驅動裝置， 並提供特定的驅動控制電路。
發明內容
本發明的目的在於提供了一種安全可靠的適用於變槳控制系統串勵直流電機的 驅動控制電路。本發明的目的通過以下技術方案來實現一種變槳控制系統串勵直流電機的驅動控制電路，基於一微處理器，並包括電機速度信號採集單元，用以採集速度檢測裝置的速度信號，構成所述驅動裝置 的閉環反饋速度信號，並在超速或者零速情況下報警；模擬信號採集單元，用以採集輸出電流檢測單元、母線電壓檢測單元以及電源電 壓監控單元和速度給定單元的模擬信號；數位訊號採集輸入單元，用以採集運行命令邏輯、故障復位邏輯以及相序檢測電 子裝置產生的電平信號；數位訊號輸出單元，用以產生數字量信號；脈衝寬度調製信號產生單元，用以調製信號；與上位機通信的處理單元，用以與上位機的信息交互；以及驅動所述變槳控制系統串勵直流電機的功率迴路部分的驅動單元。進一步地，所述功率迴路部分包括整流單元，用於將輸入交流電壓變換成直流母線電壓；能耗制動單元，由電子開關和功率電阻構成，所述電子開關通過關斷和接通能所 述功率電阻，用以通過能耗以降低母線電壓而保護驅動裝置；
功率開關電路，由兩相橋臂四個功率開關器件構成，通過脈衝寬度調製和邏輯電 平信號控制兩相橋臂上下兩組功率開關的通斷進而用於關斷和接通串勵直流電機；其中一 個橋臂由邏輯電平信號控制，用於改變接到直流電機電壓的方向，從而改變串勵直流電機 旋轉方向，另一個橋臂由脈衝寬度調製信號控制，通過改變功率開關通斷器件的佔空比來 改變接到直流電機電樞電壓的大小，從而改變串勵直流電機轉速；控制串勵直流電機勵磁方向的勵磁換向裝置，該裝置對功率開關電路和串勵直流 電機構成的迴路產生的正反方向的電流進行處理，使該電流方向恆定，從而所述驅動裝置 只需改變串勵直流電機的電樞電壓方向即可改變電機旋轉方向。進一步地，所述驅動單元用於控制功率迴路部分的能耗制動單元和功率開關電 路，該驅動單元一端耦合到控制迴路部分接受微處理器邏輯信號，另一端耦合到所述能耗 制動單元和功率開關電路以控制其通斷。進一步地，所述輸出電流檢測單元由運算放大器及外圍器件構成，所述電流採樣 信號構成所述驅動控制電路的閉環反饋電流信號。進一步地，若採用測速發電機測速，所述電機速度信號採集單元由運算放大器及 外圍器件構成。進一步地，若採用編碼器測速，所述電機速度信號採集單元通過微處理器捕獲單 元捕捉速度信號。進一步地，所述母線電壓檢測單元由運算放大器及外圍器件構成，採集母線電壓 檢測單元送來的電壓信號。一種如上述的變槳控制系統串勵直流電機的驅動控制電路的控制方法，其控制過 程為控制電路實時檢測數字輸入邏輯和模擬輸入信號，判斷驅動裝置有無故障若沒有 故障則在有運行命令的情況下，根據給定速度和反饋速度大小以及反饋電流，經過內部算 法處理，得到控制功率電路的佔空比信號和電機運行方向邏輯作為驅動單元的輸入；若有 故障，控制電路將報警並停機。本發明的有益效果主要體現在驅動電路簡單可靠，實用性強，適合於目前變槳控 制系統串勵直流電機的驅動。
下面結合附圖對本發明技術方案作進一步說明圖1是本發明的原理框圖。圖2和圖3分別是本發明在電機兩種不同轉向邏輯下電路原理圖。圖4是利用測速發電機測速的原理框圖。圖5是利用編碼器測速的原理框圖。
具體實施例方式本發明根據直流串勵電機起動轉矩大，過載能力強，十分適合諸如變槳控制中頻 繁起停場合，且無需外加勵磁電源，控制簡單等特點，選擇該種電機為驅動裝置執行機構。一種變槳控制系統串勵直流電機的驅動裝置，包括功率迴路部分及控制該功率回 路部分的控制迴路部分，所述功率迴路部分包括
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(1)整流單元，用於將輸入交流電壓變換成直流母線電壓。(2)能耗制動單元，由電子開關和功率電阻構成，所述電子開關通過關斷和接通能 所述功率電阻，用以通過能耗以降低母線電壓而保護驅動裝置；當母線電壓處於正常電壓 閥值以下，電子開關關斷，能耗制動單元不起作用，當母線電壓異常情況下升高超過規定電 壓閥值，電子開關打開，功率電阻接入母線，通過能耗的方式降低母線電壓達到保護功率電 子器件的目的。(3)功率開關電路，由兩相橋臂四個功率開關器件構成，通過脈衝寬度調製和邏輯 電平信號控制兩相橋臂上下兩組功率開關器件的通斷進而用於關斷和接通串勵直流電機； 其中一個橋臂由邏輯電平信號控制，用於改變接到直流電機電壓的方向，從而改變串勵直 流電機旋轉方向，另一個橋臂由脈衝寬度調製(PWM)信號控制，通過改變功率開關器件通 斷的佔空比來改變接到直流電機電樞電壓的大小，從而改變串勵直流電機轉速；所述功率 開關器件選用絕緣柵雙極電晶體IGBT，或金屬氧化物場效應管M0SFET或其他開關器件。所 述兩相橋臂上面一組功率開關器件連接到母線電壓的正端，下面一組功率開關器件連接到 母線電壓的負端，橋臂的兩個中點一端耦合到串勵直流電機電樞繞組，一端耦合到勵磁換 向電子裝置。同一個橋臂上下兩個功率開關的信號邏輯相反；兩個橋臂對稱，選擇橋臂控制 電壓方向或是電壓大小可以根據實際情況調整。(4)控制串勵直流電機勵磁方向的勵磁換向裝置，該裝置對功率開關電路和串勵 直流電機構成的迴路產生的正反方向的電流進行處理，使該電流方向恆定，從而所述驅動 裝置只需改變串勵直流電機的電樞電壓方向即可改變電機旋轉方向。(5)用於控制能耗制動單元和功率開關電路的驅動單元，該驅動單元一端耦合到 控制迴路部分接受微處理器邏輯信號，另一端耦合到所述能耗制動單元和功率開關電路以 控制其通斷。進一步地，所述驅動裝置還包括(6)用於檢測輸入電壓是否缺相的相序檢測電子裝置，該裝置在檢測到輸入電壓 缺相時，產生一個跳變電平並保持該電平直到缺相現象消失。(7)用於檢測整流環節產生的直流母線電壓的電壓檢測單元，所述母線電壓檢測 單元通過分壓電阻將母線電壓按一定比例變換成微處理器能識別的電壓信號。(8)用於檢測驅動裝置輸出電流的電流檢測單元，通過電流傳感器件和阻容器件 將輸出電流轉換成微處理器能識別的信號。(9)用於檢測串勵直流電機實時速度的速度檢測單元，可將由測速發電機、脈衝編 碼器或者其他速度檢測設備採集的信號轉換為微處理器能識別的電信號或者邏輯信號。進一步地，所述驅動裝置的控制迴路部分基於微處理器，並包括(1)電機速度信號採集單元，用以採集速度檢測裝置的速度信號，構成所述驅動裝 置的閉環反饋速度信號，並在超速或者零速情況下報警。(2)模擬信號採集單元，該單元採集電流採樣單元、母線電壓檢測單元以及電源電 壓監控和速度給定單元等模擬信號；其中，所述輸出電流採樣單元由運算放大器及外圍器件構成。該單元採集輸出電 流檢測單元的電流信號作為軟體算法的閉環反饋信號，一方面保證電機低速起動時能獲得 大的起動力矩，使其迅速響應給定速度；另一方面限制輸出電流過大，保護驅動裝置和直流電機。電流採樣信號構成所述驅動裝置的閉環反饋電流信號。所述電機速度信號採集單元根據電機速度信號檢測方式設計若採用測速發電機 測速，則該單元由運算放大器及外圍器件構成；若採用編碼器測速，則該單元通過微處理器 捕獲單元捕捉速度信號。採集的速度信號作為軟體算法閉環反饋信號，一方面保證電機跟 蹤給定速度；另一方面防止電機速度過大而飛車。速度給定信號構成所述驅動裝置閉環給定。電源電壓監控信號構成電源電壓故障的觸發源。所述母線電壓檢測單元由運算放大器及外圍器件構成，採集母線電壓檢測單元送 來的電壓信號。當母線電壓超過能耗制動單元動作閥值，控制電路發出制動單元開通指令； 當母線電壓超過過壓閥值，控制電路報警停機。母線電壓信號經過微處理器的邏輯處理，作 為能耗制動單元的觸發源，與此同時，若能耗制動單元控制的制動電阻未能降低母線電壓， 控制電路將報警。(3)數位訊號採集輸入單元，該單元採集運行命令邏輯、故障復位邏輯以及相序檢 測電子裝置產生的電平信號等。其中微處理器在接收到運行命令邏輯後產生運行或停機 命令；在接收到故障復位邏輯後產生故障復位命令；在接收到缺相信號存在後則做報警處 理。所述數位訊號輸入單元由光藕及外圍器件構成。採集的信號主要有缺相邏輯、運行命 令邏輯、故障復位邏輯等。當缺相信號存在，控制電路報警停機；當運行命令存在，在系統無 故障的情況下，控制電路執行運行指令；當故障復位存在，控制電路對故障信號進行軟體復 位。(4)數位訊號輸出單元，該單元根據系統運行狀況，產生風扇運行、系統正常等數 字量信號。所述數位訊號輸出單元由光藕及外圍器件構成。數字輸出信號主要有風扇運行、 系統正常狀態信號等。驅動裝置散熱器溫度超過規定閥值，控制電路發出風扇運行信號；驅 動裝置無故障，控制電路發出系統正常狀態信號給用戶以指示。(5)脈衝寬度調製信號產生單元，該單元根據閉環給定和速度檢測裝置檢測的速 度信號、電流採樣電路採樣的電流信號等產生控制功率開關電路的調製信號。(6)與上位機通信的處理單元，該單元採用的通信接口優先選用串行通信接口 (RS485或RS232等)，用於用戶修改、存儲、讀取驅動裝置的參數，與上位機的信息交互。該控制迴路部分工作過程控制電路實時檢測數字輸入邏輯和模擬輸入信號，判 斷驅動裝置有無故障若沒有故障則在有運行命令的情況下，根據給定速度和反饋速度大 小以及反饋電流，經過內部算法處理，得到控制功率電路的佔空比信號和電機運行方向邏 輯作為驅動單元的輸入；若有故障，控制電路將報警並停機。本發明的技術方案具體如圖1所示，交流三相輸入經過交流/直流變換得到直流 母線電壓，能耗制動單元在母線電壓超過動作閥值的情況下生效以降低母線電壓，功率電 路經過脈衝寬度調製得到與速度指令匹配的電壓，勵磁換向保持勵磁繞組電流方向恆定， 電機換向只需通過改變電樞繞組電壓方向即可完成。控制電路採集母線電壓、輸出電流等 模擬信號，電機速度信號根據測速方法的不同可以是模擬信號輸入也可以是編碼器的脈衝 輸入，其中輸出電流和電機速度信號構成軟體閉環控制算法的輸入量；同時基於微處理器 的控制電路也採集相序檢測邏輯、運行命令、復位命令等數位訊號，輸出的數位訊號有風扇 運行控制、驅動器運行準備等；驅動器與上位機的信息交互通過通信單元實現。
圖2和圖3給出了直流電機在正反兩種方向旋轉時的電路原理圖。其中Udc代 表母線電壓。定義圖2所示電樞繞組電流方向為正向激勵，此種情況電機轉向為正向；與圖 2對應，圖3所示電樞繞組電流方向為反向激勵，電機轉向為反向。圖2中電樞繞組L2的電流激勵為正向激勵，對應的電機轉向為正方向，電流路徑 為開關管G3、二極體D1、勵磁繞組L1、二極體D4、電樞繞組L2、開關管G6。與圖3對應，圖 3給出直流電機反轉時電流路徑為開關管G5、電樞繞組L2、二極體D3、勵磁繞組L1、二極體 D2、開關管G4。可以看出，電樞繞組的電流方向隨著開關器件交替通斷而改變，但勵磁繞組 電流方向始終不變，根據串勵直流電機特性，電機的轉向隨電樞繞組電流方向變化而變化。 因此，通過軟體算法安排功率開關G3 G6的通斷邏輯，即可改變電機的轉向，控制簡單易 行。圖4和圖5是本發明兩個實施例原理框圖。圖4是利用測速發電機測速的連接圖。 測速發電機輸出的模擬電壓信號與電機轉速成正比，控制單板通過採樣電路將該電壓信號 按一定比例轉換成控制晶片(單片機或數位訊號處理器)能識別的模擬信號，控制晶片按 比例關係處理模/數轉換通道獲取的數值得到電機轉速。圖5是利用編碼器測速的原理框 圖。控制晶片的脈衝捕獲單元捕捉編碼器的脈衝信號，在一定時間內計算脈衝數目，根據編 碼器每轉的脈衝數計算得到電機轉速。本發明尚有多種具體的實施方式。例如所述功率開關器件還可以採用晶閘管，即 通過改變晶閘管通斷的導通觸發角來改變接到直流電機電樞電壓的大小，從而改變串勵直 流電機轉速。凡採用等同替換或者等效變換而形成的所有技術方案，均落在本發明要求保 護的範圍之內。
權利要求
一種變槳控制系統串勵直流電機的驅動控制電路，其特徵在於基於一微處理器，並包括，電機速度信號採集單元，用以採集速度檢測裝置的速度信號，構成所述驅動裝置的閉環反饋速度信號，並在超速或者零速情況下報警；模擬信號採集單元，用以採集輸出電流檢測單元、母線電壓檢測單元以及電源電壓監控單元和速度給定單元的模擬信號；數位訊號採集輸入單元，用以採集運行命令邏輯、故障復位邏輯以及相序檢測電子裝置產生的電平信號；數位訊號輸出單元，用以產生數字量信號；脈衝寬度調製信號產生單元，用以調製信號；與上位機通信的處理單元，用以與上位機的信息交互；以及驅動所述變槳控制系統串勵直流電機的功率迴路部分的驅動單元。
2.根據權利要求1所述的變槳控制系統串勵直流電機的驅動控制電路，其特徵在於 所述功率迴路部分包括，整流單元，用於將輸入交流電壓變換成直流母線電壓；能耗制動單元，由電子開關和功率電阻構成，所述電子開關通過關斷和接通能所述功 率電阻，用以通過能耗以降低母線電壓而保護驅動裝置；功率開關電路，由兩相橋臂四個功率開關器件構成，通過脈衝寬度調製和邏輯電平信 號控制兩相橋臂上下兩組功率開關的通斷進而用於關斷和接通串勵直流電機；其中一個橋 臂由邏輯電平信號控制，用於改變接到直流電機電壓的方向，從而改變串勵直流電機旋轉 方向，另一個橋臂由脈衝寬度調製信號控制，通過改變功率開關通斷器件的佔空比來改變 接到直流電機電樞電壓的大小，從而改變串勵直流電機轉速；控制串勵直流電機勵磁方向的勵磁換向裝置，該裝置對功率開關電路和串勵直流電機 構成的迴路產生的正反方向的電流進行處理，使該電流方向恆定，從而所述驅動裝置只需 改變串勵直流電機的電樞電壓方向即可改變電機旋轉方向。
3.根據權利要求2所述的變槳控制系統串勵直流電機的驅動控制電路，其特徵在於 所述驅動單元用於控制功率迴路部分的能耗制動單元和功率開關電路，該驅動單元一端耦 合到控制迴路部分接受微處理器邏輯信號，另一端耦合到所述能耗制動單元和功率開關電 路以控制其通斷。
4.根據權利要求1所述的變槳控制系統串勵直流電機的驅動控制電路，其特徵在於 所述輸出電流檢測單元由運算放大器及外圍器件構成，所述電流採樣信號構成所述驅動控 制電路的閉環反饋電流信號。
5.根據權利要求1所述的變槳控制系統串勵直流電機的驅動控制電路，其特徵在於 若採用測速發電機測速，所述電機速度信號採集單元由運算放大器及外圍器件構成。
6.根據權利要求1所述的變槳控制系統串勵直流電機的驅動控制電路，其特徵在於 若採用編碼器測速，所述電機速度信號採集單元通過微處理器捕獲單元捕捉速度信號。
7.根據權利要求1所述的變槳控制系統串勵直流電機的驅動控制電路，其特徵在於 所述母線電壓檢測單元由運算放大器及外圍器件構成，採集母線電壓檢測單元送來的電壓 信號。
8. 一種根據權利要求1所述的變槳控制系統串勵直流電機的驅動控制電路的控制方 法，其特徵在於其控制過程為，控制電路實時檢測數字輸入邏輯和模擬輸入信號，判斷驅 動裝置有無故障若沒有故障則在有運行命令的情況下，根據給定速度和反饋速度大小以 及反饋電流，經過內部算法處理，得到控制功率電路的佔空比信號和電機運行方向邏輯作 為驅動單元的輸入；若有故障，控制電路將報警並停機。
全文摘要
本發明提供了一種變槳控制系統串勵直流電機的驅動控制電路，基於一微處理器，並包括電機速度信號採集單元；模擬信號採集單元；數位訊號採集輸入單元；數位訊號輸出單元；脈衝寬度調製信號產生單元；與上位機通信的處理單元；以及驅動所述變槳控制系統串勵直流電機的功率迴路部分的驅動單元。本發明的有益效果主要體現在驅動電路簡單可靠，實用性強，適合於目前變槳控制系統串勵直流電機的驅動。
文檔編號H02H7/08GK101860310SQ201010193180
公開日2010年10月13日 申請日期2010年6月7日 優先權日2010年6月7日
發明者傅建民, 尤林森, 林盈傑, 肖慶恩, 鄧傑 申請人:蘇州能健電氣有限公司