专利名称：风力变桨伺服控制器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及的是一种可应用于风力发电系统的风力变桨伺服控制器，属于风
力发电技术领域。
背景技术：
变桨系统在正常工况下需准确调节桨叶角度以便进行风力发电的功率调节，而在 任何故障状况下都必须保证桨叶的刹车制动和可靠顺桨，以保障风力发电机的整体安全。 顺桨就是调节桨叶角度往90度方向转动，使得风机转速下降。变桨系统是风力发电机整体 安全性的最关键保障环节，顺桨失败可能给风机带来齿轮箱损毁甚至塔架倒塌等灾难性后 果。为实现上述功能，目前电动变桨系统一般采用伺服电机进行桨叶驱动，采用备用电源系 统实现断电等故障状况的顺桨，采用控制算法与硬件结合实现传感器等故障状况的顺桨。 变桨系统中的伺服电机可以为直流电机或交流电机，目前采用矢量控制策略等方法，交流 电机包括交流异步电机或永磁同步电机已可以实现超过直流伺服的性能指标，且没有直流 电机换向装置带来的维护和可靠性问题，具有更好的应用前景，所以在绝大多数工业应用 领域交流伺服都已逐步取代了直流伺服系统。但目前风力发电中更多地采用直流伺服变桨 系统，主要原因在于变桨系统对顺桨可靠性的高要求及备用电源特点有关在主电源断电 故障下，系统采用备用电源供电，而备用电源一般为蓄电池组或超级电容组，为一直流电压 源，此时如果采用直流电机方案可直接将电机的电枢绕组接到备用电源进行顺桨，无需其 他变换设备，而现有的交流电机方案必须通过电力电子逆变装置才能获取电能完成顺桨， 比直流方案多了一个逆变环节，从而降低了顺桨的可靠度，出于这一点考虑，目前风机系统 中更倾向于选择直流变桨方案。因此，可以说，在风机变桨系统中，只要能提高交流电机驱 动系统在断电故障下的顺桨可靠性，交流电机系统就可全面取代直流电机系统，最大程度 地发挥交流驱动系统的优势。
发明内容本实用新型的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种采用可靠且稳定的 硬件，结合巧妙的备用直流电源设计以提高变桨系统顺桨可靠性的风力变桨伺服控制器。 本实用新型的目的是通过如下技术方案来完成的，它主要包含有一以 TMS320F2812为核心的控制板和一以IPM功率器件为核心的逆变器主电路板，以及用于提 高交流伺服控制器可靠性的备用直流电源；它还包含有L1、L2、L3、N、PE五个用于输入三相 交流电源端口 ，其中，PE端口接地；还包含输入端口 UB+和UB-通过箝位二极管VD1和VD2 与备用直流电源相连；在所述伺服控制器上设置有用于驱动风力变桨电机运动的U、V、W输 出端口。 所述的控制板包含有一选用TMS320 C2000芯片作为高速数字处理器以及选用高 性能低功耗超高速EPM7032AE芯片作为复杂可编程逻辑电路CPLD ;另外还包含有一选用 ADS7862芯片作为四通道ADC转换芯片，一选用TLV5625芯片作为双通道DAC转换芯片，以
3及包含有RS232/485/CAN通信接口 ，控制信号接口以及按键及LED显示电路，电机码盘反馈
信号接口 ；所述的控制信号接口用于接收来自上位机或外接输入/输出点的指令信号；所
述的电机码盘反馈接口用于接收伺服电机的光电编码器反馈的位置信号。 所述的数字处理器DSP的数据总线与复杂可编程逻辑电路CPLD的I/O 口相连，数
字信号处理器DSP的地址总线与复杂可编程逻辑电路CPLD的I/O 口相连。DSP的外部扩展
控制线与复杂可编程逻辑电路CPLD的I/O 口相连，DSP通过CPLD可方便实现DSP的外围
芯片扩展及电路相关信号的双向数据传输。 所述的逆变器主电路板主要包含有逆变器、整流器、辅助电源、隔离驱动、电流电 压检测、故障保护模块，其中电流电压检测采用霍尔传感器。 在风机变桨系统中，只要能解决交流电机变频驱动的可靠性问题，交流电机就可 完全取代直流电机，最大程度的发挥其优点。变桨系统是风力发电机整体安全性的最关键 保障环节，必须保证在任何故障情况下都能完成风机的刹车制动和顺桨动作，否则会给风 机带来灾难性后果。因此，研究变桨系统冗余控制提高系统可靠性具有很高的应用价值。本 实用新型提出一种风电变桨伺服控制器可靠且稳定的硬件设计及巧妙的备用直流电源设 计，有效提高了系统可靠性。 本发明的有益效果 (1)采用成熟的备用直流电源，利用巧妙的箝位二极管单向导通的特性，为伺服控 制器提供了在交流电断电故障下顺利完成顺桨过程的保障。大大提高了交流风力变桨伺服 控制系统的可靠性。 (2)在此风力变桨伺服驱动器中，高速数字信号处理器DSP和超快可编程逻辑电 路CPLD独立设计，数字信号处理器用于实现系统控制算法，复杂可编程逻辑电路CPLD则实 现外部芯片扩展。设计结构复杂，逻辑清晰且抗干扰能力差的不足。 (3)在此风力变桨伺服驱动器中，采用高度集成的IPM模块作为功率模板，由于 IPM内置保护电路，因此鲁棒性大大提高。同时内置相关外围电路，縮短了系统设计周期，縮 小了整个系统体积。 本风力变桨伺服控制器基于可靠而稳定的硬件，再加上巧妙的直流备用电源设 计，就可大大提高风力变桨伺服控制器的可靠性，进而最大限度的发挥交流伺服控制器的 优点。
图1是是本实用新型的外围接口图。 图2是本实用新型的内部硬件结构电路图。 图3是本实用新型超高速复杂可编程逻辑电路CPLD外围扩展图。 图4是本实用新型的电流信号取样电路图。
具体实施方式本实用新型主要包含有一以TMS320F2812为核心的控制板和一以IPM功率器件为 核心的逆变器主电路板，以及用于提高交流伺服控制器可靠性的备用直流电源；它还包含 有Ll、 L2、 L3、 N、 PE五个用于输入三相交流电源端口 ，其中，PE端口接地；还包含输入端口
4UB+和UB-通过箝位二极管VD1和VD2与备用直流电源相连；在所述伺服控制器上设置有 用于驱动风力变桨电机运动的U、 V、 W输出端口 。 所述的控制板包含有一选用TMS320 C2000芯片作为高速数字处理器以及选用高 性能低功耗超高速EPM7032AE芯片作为复杂可编程逻辑电路CPLD ;另外还包含有一选用 ADS7862芯片作为四通道ADC转换芯片，一选用TLV5625芯片作为双通道DAC转换芯片，以 及包含有RS232/485/CAN通信接口 ，控制信号接口以及按键及LED显示电路，电机码盘反馈 信号接口 ；所述的控制信号接口用于接收来自上位机或外接输入/输出点的指令信号；所 述的电机码盘反馈接口用于接收伺服电机的光电编码器反馈的位置信号。 所述的数字处理器DSP的数据总线与复杂可编程逻辑电路CPLD的I/O 口相连，数 字信号处理器DSP的地址总线与复杂可编程逻辑电路CPLD的I/O 口相连。DSP的外部扩展 控制线与复杂可编程逻辑电路CPLD的I/O 口相连，DSP通过CPLD可方便实现DSP的外围 芯片扩展及电路相关信号的双向数据传输。 所述的逆变器主电路板主要包含有逆变器、整流器、辅助电源、隔离驱动、电流电
压检测、故障保护模块，其中电流电压检测采用霍尔传感器。
以下结合附图对本实用新型具体实施方式
作进一步的说明。 如图1所示，本实用新型的接口图，Ll、 L2、 L3、 N、 PE五个端口用于输入三相交流 电源端口，其中，PE端口接地。输入端口 UB+和UB-通过箝位二极管VD1和VD2与备用直 流电源相连。当交流电源供电正常时，备用直流电源处于充电状态，由于箝位二极管VD1和 VD2单向导通的特性，备用直流电源与伺服控制器之间处于阻断状态。当交流电源断电时， 箝位二极管VD1和VD2因承受正电压而导通，向伺服控制器提供直流电，直流电经过逆变电 路转换为交流电保证桨叶完成顺桨。端口 U、V、W作为伺服控制器的输出，驱动风力变桨电 机运动，实现对桨距角的控制。 如图2所示，本实用新型所述的风力变桨伺服控制器，包括控制板、驱动板。所 述控制板包含美国TI公司推出的适合电机控制的高速数字处理器TMS320 C2000芯片、 CPLD采用Altera公司推出的高性能低功耗超高速EPM7032AE芯片、四通道ADC转换芯片 ADS7862、双通道DAC转换芯片TLV5625、 RS232/485/CAN通信接口 、控制信号接口 、按键及 LED显示电路、电机码盘反馈信号接口 ；EPM7032AE型CPLD由3. 3V电压供电，可接收5V的 相关信号，因此具有电平转换功能；控制信号接口用于接收来自上位机或外接输入/输出 点的指令信号；电机码盘反馈接口，用于接收伺服电机的光电编码器反馈的位置信号；DSP 芯片通过接口电路接收到外部的指令信号和光电编码器反馈的位置信号后，对它们进行计 算处理，再输出控制信号到接口电路；接口电路再将控制信号进行适当的转换后送到驱动 板； 所述驱动板包含逆变器、整流器、辅助电源、隔离驱动、电流电压检测、故障保护 等。功率驱动的核心为三菱公司生产的IPM模块。 如图3所示是逆变器的拓扑结构。图中虚线框表示智能功率模块，图中虚线框表 示智能功率模块，R4为制动电阻。起动前，整流模块通过充电电阻R1，向电容C1和C2充 电，以防止充电电流过大。当Cl和C2电压达到额定值时，继电器Jl吸合，将Rl短路掉，防 止R1消耗能量。电压霍尔与两个电流霍尔分别用来检测直流母线电压以及U相和V相电 流。[0027] 如图4所示，高精度精密电阻Rs串接在电机相绕组PH1中，将交流伺服电机相电 流量转化为电压量，而高精度模拟隔离线性运算放大器7840连接于采样电阻Rs与采样信 号调理电路U4之间。电机相绕组对应的智能功率模块IPM上桥臂悬浮电源Vp经限流电阻 Rl及稳压二极管Z1后产生稳压电源VD1，此电源为隔离电源，作为高精度模拟隔离线性运 算放大器HCPL 7840的初级供电电源，接于HCPL 7840的1号脚和4号脚之间；HCPL 7840 的次级供电电源由开关电源提供的系统电源供电，接于HCPL 7840的5号脚和8号脚之间。 精密采样电阻Rs的一端与HCPL 7840的3号脚相连，精密电阻的另一端则经过滤波电阻 Rf与HCPL 7840的2号脚相连，高精度模拟隔离线性运算放大器HCPL 7840的2号脚与3 号脚之间设置有滤波电容C3。 HCPL 7840的6号脚V0+与7号脚V0-之间电压则为高精度 模拟隔离线性运算放大器的输出电压，且HCPL 7840的输出电压与精密采样电阻Rs两端电 压成正比。为了消除HCPL 7840供电电源中的谐波，提高电流采样精度，初级电源中设置有 滤波电容C4、次级电源中设置有滤波电容C2。当串接在电机相绕组PH1中的精密采样电阻 Rs流过电流时，在采样电阻Rs的两端产生的电压差，此电压差经过高精度模拟隔离线性运 算放大器HCPL 7840作用后自动输出一对与输入电压成正比的差动电压信号，经运算放大 器U3将此差动电压信号运算放大后输出一模拟电压信号，最后由高精度ADC U4将该模拟 电压信号转变为数字信号输出。由于高精度模拟隔离线性运算放大器HCPL 7840的传输线 性度相当高，其非线性度典型值为0. 1%，现性放大倍数的典型值为8.0，即使初级电压仅 有毫伏级的变化，其次级输出的差动电压也会随之改变，因而其电流采样精度非常高，从而 使得整个系统的控制性能大大提高。 本实用新型所述风机变桨系统含有控制板和驱动板两部分，用于驱动交流伺服 电机；备用直流电源，用于提高交流伺服控制器的可靠性；具有L1、L2、L3、N、PE五个用于输 入三相交流电源端口，其中，PE端口接地。输入端口 UB+和UB-与备用直流电源通过箝位 二极管VD1和VD2相连。箝位二极管VD1和VD2用于保护备用直流电源，确保其单向供电。 端口 U、V、W作为伺服控制器的输出，用于驱动风力变桨电机运动，实现对桨距角的控制。风 力变桨电机可以是异步电机，亦可以为永磁同步电机。 所述的风力变桨伺服控制器备用直流电源，在风力变桨伺服控制器交流供电掉电 时，由于二极管VD1和VD2单向导通特性，备用直流电源自动接入伺服控制器的直流供电端 UB+和UB-，经过逆变器后为伺服控制器供电，确保桨叶完成顺桨。 所述的风力变桨伺服控制器控制板，采用高速数字信号处理器DSP、高性能低功耗 复杂可编程逻辑电路CPLD作为核心控制电路，包括多通道AD转换电路、RS232/485、CAN通 讯接口，按键及LED显示等。 所述的风力变桨伺服控制器控制板，高速数字信号处理器DSP和超快可编程逻辑 电路CPLD独立进行设计。通过数字信号处理器来实现系统控制算法，通过复杂可编程逻辑 电路CPLD实现外部芯片扩展。 所述的风力变桨伺服控制器，数字处理器DSP的数据总线与复杂可编程逻辑电路 CPLD的I/O 口相连，数字信号处理器DSP的地址总线与复杂可编程逻辑电路CPLD的I/O 口 相连。DSP的外部扩展控制线与复杂可编程逻辑电路CPLD的I/O 口相连，DSP通过CPLD可 方便实现DSP的外围芯片扩展及电路相关信号的双向数据传输。 所述的风力变桨伺服控制器功率板，采用以UC3844为核心的开关电源电路，智能
6功率模块IPM为核心的主电路，以高精度模拟隔离线性运算放大器为核心的电流采样电 路。 所述的风力变桨伺服控制器功率板，电流检测采用高精度精密电阻，将交流伺服 电机相电流量转化为电压量，采用高精度模拟隔离线性运算放大器进行电流电压量处理， 线性度较好，检测精度较高。
权利要求一种风力变桨伺服控制器，其特征在于它主要包含有一以TMS320F2812为核心的控制板和一以IPM功率器件为核心的逆变器主电路板，以及用于提高交流伺服控制器可靠性的备用直流电源；它还包含有L1、L2、L3、N、PE五个用于输入三相交流电源端口，其中，PE端口接地；还包含输入端口UB+和UB-通过箝位二极管VD1和VD2与备用直流电源相连；在所述伺服控制器上设置有用于驱动风力变桨电机运动的U、V、W输出端口。
2. 根据权利要求1所述的风力变桨伺服控制器，其特征在于所述的控制板包含有一选 用TMS320C2000芯片作为高速数字处理器以及选用高性能低功耗超高速EPM7032AE芯片 作为复杂可编程逻辑电路CPLD ;另外还包含有一选用ADS7862芯片作为四通道ADC转换芯 片， 一选用TLV5625芯片作为双通道DAC转换芯片，以及包含有RS232/485/CAN通信接口 ， 控制信号接口以及按键及LED显示电路，电机码盘反馈信号接口 ；所述的控制信号接口用 于接收来自上位机或外接输入/输出点的指令信号；所述的电机码盘反馈接口用于接收伺 服电机的光电编码器反馈的位置信号。
3. 根据权利要求书2所述的风力变桨伺服控制器，其特征在于所述的数字处理器DSP 的数据总线与复杂可编程逻辑电路CPLD的I/O 口相连，数字信号处理器DSP的地址总线 与复杂可编程逻辑电路CPLD的I/O 口相连，DSP的外部扩展控制线与复杂可编程逻辑电路 CPLD的I/O 口相连，DSP通过CPLD可方便实现DSP的外围芯片扩展及电路相关信号的双向 数据传输。
4. 根据权利要求书2所述的风力变桨伺服控制器，其特征在于所述的逆变器主电路板 主要包含有逆变器、整流器、辅助电源、隔离驱动、电流电压检测、故障保护模块，其中电流 电压检测采用霍尔传感器。
专利摘要一种风力变桨伺服控制器，它主要包含有一以TMS320F2812为核心的控制板和一以IPM功率器件为核心的逆变器主电路板，以及用于提高交流伺服控制器可靠性的备用直流电源；它还包含有L1、L2、L3、N、PE五个用于输入三相交流电源端口，其中，PE端口接地；还包含输入端口UB+和UB-通过箝位二极管VD1和VD2与备用直流电源相连；在所述伺服控制器上设置有用于驱动风力变桨电机运动的U、V、W输出端口；正常情况下，伺服控制器利用交流电源供电驱动桨叶运动。若系统交流电源掉电，备用直流电源由于二极管的箝位特性将自动接入伺服控制器，保证桨叶完成顺桨。本实用新型硬件可靠且稳定，巧妙的备用直流电源设计大大提高了系统的可靠性。
文档编号F03D7/00GK201486757SQ20092019048
公开日2010年5月26日 申请日期2009年7月30日 优先权日2009年7月30日
发明者吕春松, 朱通, 李社伟 申请人:嘉善友菱机电有限公司