一種電動機伺服控制器及其控制方法與流程

本發明涉及到風力發電技術領域，尤其涉及一種適用于風力發電機變槳系統的電動機伺服控制器及其控制方法。

背景技術：

電動機伺服控制器是變漿系統的重要組成部分，變漿系統又是風力發電機的重要組成部分，變槳系統的所有部件都安裝在輪轂上，風機正常運行時所有部件都隨輪轂以一定的速度旋轉。變槳系統通過控制葉片的角度來控制風輪的轉速，進而控制風機的輸出功率，并能夠通過空氣動力制動的方式使風機安全停機。風機的葉片通過變槳軸承與輪轂相連，每個葉片都要有自己的相對獨立的電控同步的變槳驅動系統。變槳驅動系統通過一個小齒輪與變槳軸承內齒嚙合聯動。

風機正常運行期間，當風速超過機組額定風速時，為了控制功率輸出變槳角度限定在0度到30度之間通過控制葉片的角度使風輪的轉速保持恒定。任何情況引起的停機都會使葉片順槳到90度位置。當變槳系統的主電源供電失效后，就需要備用電池供電進行變槳操作，以確保機組發生嚴重故障或重大事故的情況下可以安全停機。

現有技術的電動機伺服控制器存在諸多不足之處，如：不具備給備用電池充電的功能，必須要外部再安裝充電器；在電網電壓波動時，特別在電網電壓深度跌落時，會影響轉速控制；在完全由備用電池供電時，會因為備用電池放電電壓下降而造成速度控制精度下降；需要軟啟電阻和卸荷電阻兩個功率電阻。

公開號為CN 101510749，公開日為2009年08月19日的中國專利文獻公開了一種基于雙DSP的3自由度平面電機伺服控制器，其特征在于：包括主控和從控單元，主控和從控單元包括各自的DSP芯片、光耦驅動隔離模塊、全橋功率驅動模塊、電流傳感器模塊、位置傳感器模塊，主控單元的DSP芯片給出PWM信號，經光耦隔離后，控制全橋功率驅動模塊輸出六相平面電機驅動電流，通過激光位置傳感器采集兩路平面電機X軸位置；從控單元的DSP芯片給出PWM信號，經光耦隔離后，控制全橋功率驅動模塊輸出六相平面電機驅動電流，通過激光位置傳感器采集一路平面電機Y軸位置；主從DSP通過CAN總線實時交換同步控制信號，使用3自由度同 步控制策略控制平面電機實現X軸、Y軸、θZ自由度的快速準確定位。

該專利文獻公開的基于雙DSP的3自由度平面電機伺服控制器，雖然能夠實現X軸、Y軸、θZ自由度的快速準確定位，但是，用于風力發電機變槳系統時，不能給備用電池充電，在電網電壓波動時，特別在電網電壓深度低落時，會影響轉速控制，導致整個系統工作穩定性變差。

公開號為CN 102042167A，公開日為2011年05月04日的中國專利文獻公開了一種變槳裝置，其特征在于，包括：伺服電機驅動器、變槳電機和超級電容；所述伺服電機驅動器包括主電回路、控制器和充放電電路；所述主電回路與所述變槳電機連接，用于向變槳電機提供電能；所述充放電電路與所述超級電容連接，所述充放電電路為脈沖寬度調制電路；所述控制器用于根據變槳參數控制所述變槳電機進行變槳操作。

該專利文獻公開的變槳裝置，伺服電機驅動器中設置有脈沖寬度調制充放電電路，雖然能夠對超級電容進行充放電，但在完全由超級電容供電時，會因為超級電容放電電壓下降而造成速度控制精度下降，影響整個變槳裝置的工作穩定性。

技術實現要素：

本發明為了克服上述現有技術的缺陷，提供一種電動機伺服控制器及其控制方法，本發明在電網電壓波動時，特別在電網電壓深度跌落時，后備電源能夠向伺服電動機提供充足的電能，保證槳葉電動機轉速控制的精度要求，增強整個系統工作穩定性。

本發明通過下述技術方案實現：

一種電動機伺服控制器，包括伺服電動機、后備電源、軟啟電路、卸荷電路和連接在交流電上的整流電路，其特征在于：還包括脈沖寬度調制逆變橋和用于給所述后備電源進行充放電的直流-直流半橋軟開關高頻電路，所述直流-直流半橋軟開關高頻電路包括低壓側半橋電路、高頻變壓器和高壓側半橋電路，所述低壓側半橋電路通過高頻變壓器與高壓側半橋電路連接，所述后備電源與低壓側半橋電路連接，所述高壓側半橋電路與脈沖寬度調制逆變橋的直流端連接，脈沖寬度調制逆變橋的交流端與伺服電動機連接，所述整流電路與脈沖寬度調制逆變橋的直流端連接。

還包括功率電阻，所述軟啟電路包括軟啟電阻，卸荷電路包括卸荷電阻，軟啟電阻和卸荷電阻共用一個功率電阻，形成軟啟卸荷電路。

所述后備電源為鋰電池或超級電容。

一種電動機伺服控制器的控制方法，其特征在于，包括下述步驟：

a、過壓保護步驟，上電階段，軟啟繼電器K1斷開，功率電阻R1給直流母線電容C3、C4充電,充滿電后，軟啟繼電器K1閉合；運行階段，直流母線電容C3、C4兩端電壓達到絕緣柵雙極性晶體管的設定最大保護門限電 壓值時，通過功率電阻R1泄放能量，完成過壓保護；

b、后備電源電網充電步驟，后備電源電量不足時，直流-直流半橋軟開關高頻電路從直流母線取電，通過高頻變壓器將高壓電轉化為低壓直流電為后備電源充電；

c、后備電源能量回饋充電步驟,當能量需要從伺服電動機向后備電源傳遞時，脈沖寬度調制逆變橋形成的逆變電路將交流電變成直流電，再通過高頻變壓器將高壓直流電斬波成低壓直流電壓，完成充電；

d、后備電源放電步驟，當能量需要從后備電源傳到伺服電動機時，高頻變壓器將后備電源提供的低直流電壓升壓成額定直流母線電壓，通過脈沖寬度調制逆變橋將直流電壓逆變成交流電，完成放電。

所述步驟b、步驟c和步驟d中所采用的高頻變壓器均是帶有漏感的高頻隔離變壓器。

本發明所述脈沖寬度調制逆變橋，即PWM逆變橋。

本發明所述DSP控制器，即數字信號處理控制器。

本發明的工作原理如下：

電動機伺服驅動器由采樣控制電路、伺服電動機、后備電源、軟啟電路、卸荷電路、軟啟和卸荷公用的功率電阻，以及連接在交流電上的整流電路、脈沖寬度調制逆變橋和低壓側半橋電路、高頻變壓器、高壓側半橋電路構成。

當使用外部電網供電時，連接在輸入交流電上的整流電路將交流電整流為直流電，通過軟啟電阻給母線電容充電，完成充電過程后，閉合軟啟繼電器，通過脈沖寬度調制逆變橋將直流電逆變成交流電驅動伺服電動機運行。

當外部交流電網深度跌落或者斷電時，立即啟動后備電源供電，通過控制高頻變壓器兩邊低壓側半橋電路和高壓側半橋電路的相位，完成能量由低壓側向高壓側轉換，再通過脈沖寬度調制逆變橋將后備電源提供的直流電轉換成交流電驅動伺服電動機。

當母線電壓超過額定保護值時，打開卸荷回路開關，通過卸荷電阻完成卸荷。

在運行中，隨時檢查后備電源電量，當電量低于額定電量的90％時，通過控制高頻變壓器兩邊低壓側半橋電路和高壓側半橋電路的相位，完成能量由高壓側向低壓側轉換，對后備電源進行充電。

運行過程中，當伺服電動機制動產生過大的能量時，脈沖寬度調制逆變橋可以作為整流器用，將交流電整流為直流電供應給母線電容和后備電源。

本發明的有益效果主要表現在以下幾個方面：

一、本發明，“直流-直流半橋軟開關高頻電路包括低壓側半橋電路、高頻變壓器和高壓側半橋電路，所述低壓側半橋電路通過高頻變壓器與高壓側半橋電路連接，所述后備電源與低壓側半橋電路連接，所述高壓側半橋電路與脈沖寬度調制逆變橋的直流端連接，脈沖寬度調制逆變橋的交流端與伺服電動機連接，所述整流電路與脈沖寬度調制逆變橋的直流端連接”，采用直流-直流半橋軟開關高頻電路拓撲可以完成能量的雙向流動，將直流-直流半橋軟開關高頻電路和后級的脈沖寬度調制逆變橋形成的脈沖寬度調制逆變橋電路級聯，能夠解決能量在高頻方式下的雙向流動問題，低壓側半橋電路通過高頻變壓器與高壓側半橋電路連接，在不需要添加任何輔助開關和無源諧振網絡的情況下，通過調節控制低壓側半橋電路的相移和高壓側半橋電路的相移來實現高頻變壓器的功率傳輸，整個控制器中不存在大的延時器件，極大的提高了動態響應速度；作為一個完整的技術方案，能夠通過脈沖寬度調制逆變橋和直流-直流半橋軟開關高頻電路的高頻變壓器給后備電源充電；在電網電壓波動時，特別在電網電壓深度跌落時，后備電源能夠向伺服電動機提供充足的電能，保證槳葉電動機轉速控制的精度要求，增強整個系統工作穩定性。

二、本發明，還包括功率電阻，所述軟啟電路包括軟啟電阻，卸荷電路包括卸荷電阻，軟啟電阻和卸荷電阻共用一個功率電阻，形成軟啟卸荷電路，實現了軟啟電阻與卸荷電阻的合二為一，減少了系統元器件數量，提高了系統可靠性。

三、本發明，當伺服電動機制動時，母線電壓還在絕緣柵雙極性晶體管的耐壓門限值范圍內時，將能量傳入后備電源；當電網波動而引起直流母線波動時，能夠實現平滑直流母線波動，從而避免伺服電動機轉速異常，保證伺服電動機正常運行。

四、本發明，采用的直流-直流半橋軟開關高頻電路能夠使能量反向流動給后備電源充電，極大的提高了能源利用率。

五、本發明，脈沖寬度調制逆變橋既可以工作在整流狀態，又可以工作在逆變狀態，同樣實現了能量的雙向流動，有效減少了整個控制器中的硬件數量，減小了控制器的體積。

六、本發明，上電階段，軟啟繼電器K1斷開，通過功率電阻R1給直流母線電容C3、C4充電；充滿電后，軟啟繼電器K1閉合；運行階段，當直流母線電容電壓達到絕緣柵雙極晶體管的最大保護門限值，通過功率電阻R1泄放能量；當能量需要從伺服電動機向后備電源傳遞時，脈沖寬度調制逆變橋形成的逆變電路起整流作用，將交流電變成直流電，然后通過高頻變壓器將高壓直流電斬波成低壓直流電壓；當能量需要從后備電源傳到伺服電動機時，高頻變壓器將直流電壓升壓成較高的直流電壓，通過脈沖 寬度調制逆變橋將直流電壓逆變成交流電；采用該控制方法，當電網電壓異常波動時，能夠平抑直流母線波動，避免伺服電動機的轉速波動，提高控制精度。

附圖說明

下面將結合說明書附圖和具體實施方式對本發明作進一步的具體說明，其中：

圖1為本發明的系統框圖；

圖2為本發明針對直流電動機控制的原理框圖；

圖3為本發明針對交流電動機控制的原理框圖。

具體實施方式

實施例1

參見圖1-圖3，一種電動機伺服控制器，包括伺服電動機、后備電源、軟啟電路、卸荷電路和連接在交流電上的整流電路，其特征在于：還包括脈沖寬度調制逆變橋和用于給所述后備電源進行充放電的直流-直流半橋軟開關高頻電路，所述直流-直流半橋軟開關高頻電路包括低壓側半橋電路、高頻變壓器和高壓側半橋電路，所述低壓側半橋電路通過高頻變壓器與高壓側半橋電路連接，所述后備電源與低壓側半橋電路連接，所述高壓側半橋電路與脈沖寬度調制逆變橋的直流端連接，脈沖寬度調制逆變橋的交流端與伺服電動機連接，所述整流電路與脈沖寬度調制逆變橋的直流端連接。

還包括功率電阻，所述軟啟電路包括軟啟電阻，卸荷電路包括卸荷電阻，軟啟電阻和卸荷電阻共用一個功率電阻，形成軟啟卸荷電路。

所述后備電源為鋰電池或超級電容。

采用直流-直流半橋軟開關高頻電路拓撲可以完成能量的雙向流動，將直流-直流半橋軟開關高頻電路和后級的脈沖寬度調制逆變橋形成的脈沖寬度調制逆變橋電路級聯，能夠解決能量在高頻方式下的雙向流動問題，低壓側半橋電路通過高頻變壓器與高壓側半橋電路連接，在不需要添加任何輔助開關和無源諧振網絡的情況下，通過調節控制低壓側半橋電路的相移和高壓側半橋電路的相移來實現高頻變壓器的功率傳輸，整個控制器中不存在大的延時器件，極大的提高了動態響應速度；作為一個完整的技術方案，能夠通過脈沖寬度調制逆變橋和直流-直流半橋軟開關高頻電路的高頻變壓器給后備電源充電；在電網電壓波動時，特別在電網電壓深度跌落時，后備電源能夠向伺服電動機提供充足的電能，保證槳葉電動機轉速控制的精度要求，增強整個系統工作穩定性。

工作時，在軟啟繼電器K1開啟時，二極管整流橋通過功率電阻R1給直流母線電容充電；待充電完成后，軟啟繼電器閉合。當母線電壓達到設 定值時，開關器件Q11動作，將通過功率電阻R1將直流母線正負極短接，完成卸荷。

后備電源與直流-直流半橋軟開關高頻電路相連接，雙向直流-直流半橋軟開關高頻電路分為低壓側半橋電路1和高壓側半橋電路2，低壓側半橋電路1和高壓側半橋電路2之間通過高頻變壓器T1相連，后備電源與雙向直流-直流半橋軟開關高頻電路的低壓側半橋電路1相連，雙向直流-直流半橋軟開關高頻電路的高壓側半橋2與逆變橋電路的直流端相連，也與二極管整流橋的直流輸出端相連，逆變橋的逆變端和伺服電機相連。還包括用于充放電控制、逆變與整流控制的DSP控制器、電池巡檢儀、轉接板、電源板、交流濾波器等組成。DSP控制器及其外圍接口電路完成對整個工作過程的控制。

用于后備電源充放電的雙向直流-直流半橋軟開關電路的開關器件T1-T4的占空比都為0.5，DSP控制器通過控制高壓側半橋和低壓側半橋的相位關系來實現能量傳遞方向的調節，變壓器TS1完成高低電壓的轉換，Lr為變壓器的漏感，它是用于變換器能量傳遞的重要元件，同時也保證軟開關的實現。脈沖寬度調制逆變橋實現整流和逆變的功能。

當二極管整流橋前級斷電需要后備電源供電，即能量由后備電源中向交流側流動時，雙向直流-直流半橋軟開關電路工作于升壓狀態，脈沖寬度調制逆變橋工作在有源逆變狀態。DSP控制器發出直流-直流半橋電路中T1-T4的控制波形，通過隔離驅動電路，使T1-T4工作。T1-T4的占空比都為0.5，但T1的相位超前T3，此時高頻變壓器的低壓側先導通，實現向后級傳遞能量，調節T1超前T3的相位，控制傳遞能量的大小。DSP控制器發出逆變橋電路T5-T8的控制波形，通過隔離驅動電路使T5-T8工作，控制逆變輸出電壓和電流波形相位，實現能量向伺服電機傳遞。

當電路中交流側需要向后備電源充電時，及能量由交流側向直流側流動時，雙向直流-直流半橋軟開關電路工作于降壓狀態，PWM逆變橋工作在整流狀態。DSP控制器發出逆變橋T5-T8的控制波形，通過隔離驅動電路，使T5-T8工作，控制電壓和電流波形反向。DSP控制器發出T1-T4的控制波形，T1-T4的占空比都為0.5，但T3的相位超前T1，此時高頻變壓器的高壓側先導通，可以實現向低壓側傳遞能量，調節T3超前T1的相位，控制傳遞能量的大小，實現能量向后備電源充電。

直流母線電壓穩定時，完成對后備電源的充電，電量充至90％，系統根據直流母線電壓形成閉環反饋，當直流母線電壓高于額定值時為后備電源充電，但直流母線電壓低于額定電壓時，電池向母線放電。實現了直流母線電壓波動平抑。當整個系統完全通過后備電源供電時，通過直流母線電壓為給定值，調節后備電源升壓比，避免了因為后備電源電壓下降而造 成電動機轉速不可控。伺服系統可以實時通過后備電源電壓、放電電流和放電時間計算后備電源存儲電荷能力的變化。當后備電源存儲能力降低到門限值，伺服驅動可以做到提前報警。

實施例2

一種電動機伺服控制器的控制方法，包括下述步驟：

a、過壓保護步驟，上電階段，軟啟繼電器K1斷開，功率電阻R1給直流母線電容C3、C4充電,充滿電后，軟啟繼電器K1閉合；運行階段，直流母線電容C3、C4兩端電壓達到絕緣柵雙極性晶體管的設定最大保護門限電壓值時，通過功率電阻R1泄放能量，完成過壓保護；

b、后備電源電網充電步驟，后備電源電量不足時，直流-直流半橋軟開關高頻電路從直流母線取電，通過高頻變壓器將高壓電轉化為低壓直流電為后備電源充電；

c、后備電源能量回饋充電步驟,當能量需要從伺服電動機向后備電源傳遞時，脈沖寬度調制逆變橋形成的逆變電路將交流電變成直流電，再通過高頻變壓器將高壓直流電斬波成低壓直流電壓，完成充電；

d、后備電源放電步驟，當能量需要從后備電源傳到伺服電動機時，高頻變壓器將后備電源提供的低直流電壓升壓成額定直流母線電壓，通過脈沖寬度調制逆變橋將直流電壓逆變成交流電，完成放電。

所述步驟b、步驟c和步驟d中所采用的高頻變壓器是帶有漏感的高頻隔離變壓器。

本發明所述脈沖寬度調制逆變橋，即PWM逆變橋。

采用該控制方法，當電網電壓異常波動時，能夠平抑直流母線波動，避免伺服電動機的轉速波動，提高控制精度，保證伺服電動機正常運行。