趙瑞杰，王大為，陶學(xué)軍，李朝鋒

（許繼電氣股份有限公司，河南 許昌 461000）

風(fēng)電變槳直流伺服驅(qū)動(dòng)器的研制

趙瑞杰，王大為，陶學(xué)軍，李朝鋒

（許繼電氣股份有限公司，河南 許昌 461000）

針對(duì)風(fēng)力發(fā)電變槳系統(tǒng)的需求和永磁直流伺服電機(jī)的調(diào)速原理，對(duì)直流伺服驅(qū)動(dòng)器的控制策略和控制電路進(jìn)行了研究。在此基礎(chǔ)上，研制了1臺(tái)7.5kW的直流伺服驅(qū)動(dòng)器，并進(jìn)行了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究。該驅(qū)動(dòng)器在傳統(tǒng)的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)和PI調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)上，增加了轉(zhuǎn)速前饋、電流前饋和死區(qū)補(bǔ)償?shù)葎?dòng)態(tài)校正補(bǔ)償環(huán)節(jié)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了該控制策略的先進(jìn)性，其中電流內(nèi)環(huán)的帶寬達(dá)到了350Hz，整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)也完全達(dá)到了風(fēng)電變槳系統(tǒng)的要求。

風(fēng)電機(jī)組；伺服；變槳控制；死區(qū)補(bǔ)償；前饋

1 引言

風(fēng)電是目前安全、環(huán)保、最具發(fā)展?jié)摿图夹g(shù)相對(duì)成熟的新能源行業(yè)［1-2］。風(fēng)能已經(jīng)成為我國(guó)水能之外最具規(guī)模應(yīng)用前景的零排放、可再生能源。對(duì)于MW級(jí)及以上的風(fēng)電機(jī)組均采用變槳距變速恒頻的機(jī)型，包括雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和永磁同步直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。其中變槳距控制系統(tǒng)是風(fēng)電機(jī)組安全運(yùn)行的核心部件之一，根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)所處環(huán)境的風(fēng)力狀況，改變?nèi)~片的槳距角，達(dá)到調(diào)節(jié)功率和保護(hù)風(fēng)機(jī)的目的。伺服驅(qū)動(dòng)器是風(fēng)電變槳系統(tǒng)的核心部件和執(zhí)行結(jié)構(gòu)，變槳控制器通過(guò)伺服驅(qū)動(dòng)器對(duì)變槳電機(jī)進(jìn)行控制，達(dá)到調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)槳葉角度的目的。

由于電刷和換向器的原因，直流電機(jī)需要定期維護(hù)，導(dǎo)致其在伺服領(lǐng)域中的應(yīng)用逐步被交流伺服電機(jī)所替代。但是直流電機(jī)可以在伺服驅(qū)動(dòng)器故障的情況下，由直流電源直接拖動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，正好滿(mǎn)足風(fēng)電變槳系統(tǒng)的緊急順槳功能。因此直流伺服電機(jī)在風(fēng)電變槳領(lǐng)域得到了大范圍的應(yīng)用。近年來(lái)，隨著永磁材料和工藝的發(fā)展，永磁直流電動(dòng)機(jī)成為直流電動(dòng)機(jī)的主流。

由于直流電機(jī)在傳統(tǒng)伺服領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越少，而風(fēng)電行業(yè)又是一個(gè)新興行業(yè)，目前對(duì)于直流電機(jī)伺服控制的研究基本處于停滯狀態(tài)。傳統(tǒng)的直流電機(jī)控制系統(tǒng)為轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)的方式，文獻(xiàn)［3］已經(jīng)進(jìn)行了詳細(xì)的分析。但是該控制方式的動(dòng)態(tài)特性差，無(wú)法滿(mǎn)足風(fēng)電變槳的要求。文獻(xiàn)［4-5］提出了直流伺服電機(jī)模糊控制的理念，采用了系統(tǒng)重構(gòu)的方式進(jìn)行電機(jī)控制，該控制方式不需要精確的電機(jī)參數(shù)，提高了驅(qū)動(dòng)器的兼容能力，但是控制結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制參數(shù)難以整定，不適合工程應(yīng)用。

傳統(tǒng)的PI控制很難滿(mǎn)足伺服系統(tǒng)的高性能要求［6］，本文在研究直流伺服驅(qū)動(dòng)器的硬件控制電路的基礎(chǔ)上，優(yōu)化了PWM控制算法，增加了速度前饋、電流前饋和死區(qū)補(bǔ)償?shù)葎?dòng)態(tài)校正環(huán)節(jié)。同時(shí)研制了1臺(tái)7.5kW的直流伺服驅(qū)動(dòng)器，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，各性能指標(biāo)優(yōu)，達(dá)到了風(fēng)電變槳系統(tǒng)的技術(shù)要求，目前已經(jīng)在風(fēng)電行業(yè)大規(guī)模應(yīng)用。

2 硬件電路

2.1 永磁直流電機(jī)的調(diào)速方法

永磁直流電機(jī)是他勵(lì)直流電機(jī)的一種，其轉(zhuǎn)速特性可以用下式表示：

他勵(lì)直流電機(jī)的調(diào)速轉(zhuǎn)速有3種：1）改變電樞回路里的串聯(lián)電阻Ra；2）減小氣隙磁通Ф；3）改變電樞端電壓Ud。

目前主流的調(diào)速方法是采用高頻PWM脈沖電壓的方式來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。

2.2 驅(qū)動(dòng)器主功率回路及工作過(guò)程分析

本文研制的直流伺服驅(qū)動(dòng)器，采用H橋電路，其主電路如圖1所示。

圖1 驅(qū)動(dòng)器的主電路原理圖Fig.1 Main circuit schematic of the driver

為降低直流電機(jī)永磁材料的渦流損耗，采用了單極性倍頻的PWM模式，在不提高功率器件開(kāi)關(guān)頻率的前提下，比常規(guī)雙極性PWM調(diào)制方式的紋波電流降低了75%。

電機(jī)正向旋轉(zhuǎn)時(shí)，驅(qū)動(dòng)器的主要工作波形如圖2所示，其中Vg1～Vg4分別為開(kāi)關(guān)管IG1～I(xiàn)G4的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，Ud為電機(jī)兩端電壓波形，ID1～I(xiàn)D4分別為IG1～I(xiàn)G4的體二極管。從圖2可以看出，電機(jī)在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，加在電機(jī)兩端的電壓為正電壓或者零電壓，頻率為開(kāi)關(guān)頻率的2倍。

電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)，可以把1個(gè)開(kāi)關(guān)周期分成4個(gè)階段進(jìn)行分析，如圖3所示。

圖2 正轉(zhuǎn)時(shí)驅(qū)動(dòng)器的主要工作波形Fig.2 Forward rotation key waveforms of driver

圖3 正轉(zhuǎn)時(shí)驅(qū)動(dòng)器的電流路徑圖Fig.3 Forward rotation current map of driver

t0-t1階段：電流通過(guò) DC＋、IG1，電機(jī)＋、電機(jī)-、IG4，回到DC-；電機(jī)端電壓Ud為母線電壓。

t1-t2階段：電流通過(guò) DC＋、IG1，電機(jī)＋、電機(jī)-、ID3，回到DC＋；電機(jī)端電壓Ud為0。

t2-t3階段：電流通過(guò) DC＋、IG1，電機(jī)＋、電機(jī)-、IG4，回到DC-；電機(jī)端電壓Ud為母線電壓。

t3-t4階段：電流通過(guò) DC-，ID2，電機(jī)＋、電機(jī)-、IG4，回到DC-；電機(jī)端電壓Ud為0。

電機(jī)反向旋轉(zhuǎn)時(shí)的工作過(guò)程和正向旋轉(zhuǎn)相似，此處不再具體分析。

2.3 驅(qū)動(dòng)器控制回路

該伺服驅(qū)動(dòng)器的控制系統(tǒng)框圖見(jiàn)圖4，主要分為5部分：以DSP芯片（TMS320C2812）作為處理器的算法控制單元，A／D采集及處理單元，速度位置采集處理單元，I／O單元，人機(jī)接口，IGBT驅(qū)動(dòng)單元。DSP是伺服驅(qū)動(dòng)器的“大腦”，完成控制算法的實(shí)現(xiàn)，PWM脈沖信號(hào)的生成、邏輯信號(hào)處理和保護(hù)功能的實(shí)現(xiàn)。

圖4 驅(qū)動(dòng)器控制系統(tǒng)框圖Fig.4 Block diagram of driver control system

3 伺服電機(jī)的控制系統(tǒng)

本文研制的直流伺服驅(qū)動(dòng)器是速度伺服系統(tǒng)，其控制由速度環(huán)和電流（轉(zhuǎn)矩）環(huán)構(gòu)成，電流環(huán)為內(nèi)環(huán)，速度環(huán)為外環(huán)。其中電流環(huán)控制器是最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，其響應(yīng)速度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于速度環(huán)。電流環(huán)的作用主要有3個(gè)：1）使電機(jī)繞組電流實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地跟隨電流指令信號(hào)；2）對(duì)電網(wǎng)的波動(dòng)起及時(shí)抗擾的作用；3）限制最大電樞電流，有效地保護(hù)驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)。

3.1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型

首先作如下的近似處理：暫不考慮電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)變化的影響，忽略電機(jī)的靜摩擦和粘滯效應(yīng)。該直流伺服系統(tǒng)的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的方框圖如圖5所示，轉(zhuǎn)速環(huán)在傳統(tǒng)PI調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)上，增加了速度前饋環(huán)節(jié)，轉(zhuǎn)速給定的信息不通過(guò)轉(zhuǎn)速環(huán)的調(diào)制，直接加在電流環(huán)的給定，大大提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。

圖5 驅(qū)動(dòng)器的控制框圖Fig.5 Control block diagram of driver

其中，ASR為速度環(huán)控制器；ACR為電流環(huán)控制器（其中包括功率單元的滯后效應(yīng)1／（Tss＋1）和功率電路的放大倍數(shù)Ks）；Kt為電機(jī)的轉(zhuǎn)矩系數(shù)；J為電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩；L為電機(jī)繞組的電感；R為電機(jī)繞組的阻抗。

3.2 電流環(huán)的設(shè)計(jì)及優(yōu)化

本文研制的驅(qū)動(dòng)器電流環(huán)采用PI調(diào)節(jié)器，其系統(tǒng)方框圖見(jiàn)圖6。

圖6 電流環(huán)控制框圖Fig.6 Control block diagram of current loop

電流環(huán)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和帶寬是表征驅(qū)動(dòng)器性能的一個(gè)重要參數(shù)，為提高驅(qū)動(dòng)器的性能指標(biāo)，電流環(huán)在傳統(tǒng)PI調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)上，增加了電流前饋和死區(qū)補(bǔ)償，如圖6所示。其中電流前饋是把電流給定的信息不通過(guò)電流環(huán)調(diào)制，直接在電流環(huán)的輸出端進(jìn)行體現(xiàn)，主要目的是補(bǔ)償電機(jī)電樞繞組的內(nèi)阻對(duì)控制環(huán)的影響，極大地提高了電流環(huán)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力；死區(qū)補(bǔ)償回路可以在一定程度上抵消功率回路上下橋臂的開(kāi)通死區(qū)時(shí)間，提高電流環(huán)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。

沒(méi)有死區(qū)補(bǔ)償時(shí)，電流環(huán)在10Hz的階躍給定下的實(shí)際繞組電流波形見(jiàn)圖7；圖8是有死區(qū)補(bǔ)償時(shí)的電流波形。對(duì)比圖7和圖8，死區(qū)補(bǔ)償效果非常明顯，電流過(guò)零的波形得到明顯改善。

圖7 無(wú)死區(qū)補(bǔ)償時(shí)的電流波形Fig.7 Current waveform of no dead zone compensation

圖8 有死區(qū)補(bǔ)償時(shí)的電流波形Fig.8 Current waveform after dead zone compensation

4 試驗(yàn)

采用前面介紹的主電路結(jié)構(gòu)和控制策略，本文研制了1臺(tái)7.5kW的直流伺服驅(qū)動(dòng)器，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。為驗(yàn)證伺服系統(tǒng)的功率特性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，采用的測(cè)試平臺(tái)如圖9所示。

圖9 測(cè)試平臺(tái)示意圖Fig.9 Schematic diagram of the test platform

在電流環(huán)試驗(yàn)中，為消除電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)對(duì)電流環(huán)的影響，負(fù)載電機(jī)始終處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)。電流環(huán)的幅頻特性曲線見(jiàn)圖10；電流環(huán)的相頻特性曲線見(jiàn)圖11。

圖10 電流環(huán)幅頻特性曲線Fig.10 Current loop amplitude-frequency characteristic curve

圖11 電流環(huán)相頻特性曲線Fig.11 Current loop phase-frequency characteristic curve

從圖10和圖11可以看到，在相移45°時(shí)的電流環(huán)帶寬為350Hz。在0～800Hz測(cè)試范圍內(nèi)，無(wú)任何震蕩現(xiàn)象，說(shuō)明電流環(huán)特性?xún)?yōu)良，達(dá)到了設(shè)計(jì)的目標(biāo)。

電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速2 000r／min運(yùn)行時(shí)，從空載到額定負(fù)載時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速的動(dòng)態(tài)波形如圖12所示。從圖12中可以看到，負(fù)載突變時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速波動(dòng)不超過(guò)75r／min，恢復(fù)時(shí)間不超過(guò)150ms，完全滿(mǎn)足風(fēng)電變槳的要求。

圖12 突加負(fù)載時(shí)轉(zhuǎn)速的動(dòng)態(tài)波形Fig.12 Sudden load the dynamic waveform of speed

5 結(jié)論

本文在分析風(fēng)電變槳用直流永磁伺服電機(jī)特性的基礎(chǔ)上，研制了1臺(tái)7.5kW的直流伺服驅(qū)動(dòng)器，在傳統(tǒng)的PI調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)上，增加了轉(zhuǎn)速前饋、電流前饋和死區(qū)補(bǔ)償?shù)葎?dòng)態(tài)校正補(bǔ)償環(huán)節(jié)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，驅(qū)動(dòng)器的各項(xiàng)性能指標(biāo)良好，理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合，達(dá)到了設(shè)計(jì)的目標(biāo)。

［1］ 云天吉，翁莎莎.風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀［J］.農(nóng)村電氣化，2007，28（15）：47-49.

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［6］ 嵇啟春，孫育剛.位置伺服系統(tǒng)控制算法的研究［J］.電氣傳動(dòng)，2010，40（5）：60-62.

修改稿日期：2012-02-03

Development of DC Servo Driver for Pitch Control of Wind Power

ZHAO Rui-jie，WANG Da-wei，TAO Xue-jun，LI Chao-feng

（XJElectricCo.，Ltd.，Xuchang461000，Henan，China）

According to the requirements of pitch systems for wind turbine and the speed control principle of permanent magnet DC servo motor，the control strategy and control circuits of DC servo drive were studied.On the basis of the study，one 7.5kW DC servo drive was developed and corresponding experiments was made.The 7.5kW DC servo drive increased dynamic correction and compensation part such as speed feedforward，current feedforward，dead-space compensation and etc based on the traditional double closed-loop DC drive system and PI controller.The result of experiment indicates that the control strategy is advanced，of which the bandwidth of the inner current reached 350Hz and the dynamic response of the overall system also meet the requirements of pitch system completely.

wind turbine；servo；pitch control；dead time compensation；feedforward

TM921

A

趙瑞杰（1978-），男，碩士研究生，高級(jí)工程師，Email：ruijiezh＠xjgc.com

2011-07-10