专利名称：变桨控制系统串励直流电机的驱动装置的制作方法
技术领域：
本实用新型属于直流电机控制领域，特别涉及用于变桨控制系统串励直流电机驱 动装置。
背景技术：
风力发电作为目前技术成熟的可再生清洁能源，受到各国的广泛重视。变桨控制 系统是风力发电系统中重要的组成部件，其主要功能是控制桨叶节距角随风速的大小进行 自动调节在低风速时，让风力发电机具有最大的起动力矩；风速过高时，改变气流对叶片 的攻角，进而改变风力发电机获得空气动力转矩，使发电机输出功率保持稳定。电机驱动装置是变桨控制系统的关键部件之一。变桨控制系统的电机驱动装置主 要功能包括模拟和数字信号的采集、数字开关量信号和控制信号的输出、故障信息处理和 保护以及与上位机的信息交互等。电机驱动装置的设计跟选用的电机类型密切相关，它决 定了系统的功能、硬件电路结构，软件控制策略等。从现在公开的文献来看，涉及变桨控制 系统用的电机驱动装置的专利和资料十分有限，而目前在风电领域变桨控制系统中最为常 用串励直流电机，因此有必要设计一种性能优良的变桨控制用串励直流电机的驱动装置。
实用新型内容根据目前变桨控制系统串励直流电机驱动装置的开发状况，为了简化设计，提高 驱动装置可靠性，完善变桨控制用串励直流电机控制性能，本实用新型提供了一种换向简 单，保护功能完善的变桨控制用串励直流电机驱动装置。本实用新型的目的通过以下技术方案来实现一种变桨控制系统串励直流电机的驱动装置，包括功率回路部分及控制该功率回 路部分的控制回路部分，所述功率回路部分包括整流单元，用于将输入交流电压变换成直流母线电压；能耗制动单元，由电子开关和功率电阻构成，所述电子开关通过关断和接通能所 述功率电阻，用以通过能耗以降低母线电压而保护驱动装置；功率开关电路，由两相桥臂四个功率开关器件构成，通过脉冲宽度调制和逻辑电 平信号控制两相桥臂上下两组功率开关器件的通断进而用于关断和接通串励直流电机；其 中一个桥臂由逻辑电平信号控制，用于改变接到直流电机电压的方向，从而改变串励直流 电机旋转方向，另一个桥臂由脉冲宽度调制信号控制，通过改变功率开关器件通断的占空 比来改变接到直流电机电枢电压的大小，从而改变串励直流电机转速；控制串励直流电机励磁方向的励磁换向装置，该装置对功率开关电路和串励直流 电机构成的回路产生的正反方向的电流进行处理，使该电流方向恒定，从而所述驱动装置 只需改变串励直流电机的电枢电压方向即可改变电机旋转方向。进一步地，所述功率开关器件选用绝缘栅双极晶体管IGBT，或金属氧化物场效应 管 MOSFET。[0012]进一步地，所述两相桥臂上面一组功率开关器件连接到母线电压的正端，下面一 组功率开关器件连接到母线电压的负端，桥臂的两个中点一端耦合到串励直流电机电枢绕 组，一端耦合到励磁换向电子装置。进一步地，所述功率回路部分还包括用于控制能耗制动单元和功率开关电路的驱 动单元，该驱动单元一端耦合到控制回路部分接受微处理器逻辑信号，另一端耦合到所述 能耗制动单元和功率开关电路以控制其通断。进一步地，所述驱动装置还包括用于检测输入电压是否缺相的相序检测电子装 置，该装置在检测到输入电压缺相时，产生一个跳变电平并保持该电平直到缺相现象消失。进一步地，所述驱动装置还包括用于检测整流环节产生的直流母线电压的电压检 测单元，可将母线电压转换成微处理器能识别的信号。进一步地，所述驱动装置还包括用于检测驱动装置输出电流的电流检测单元，通 过电流传感器件和阻容器件将输出电流转换成微处理器能识别的信号。进一步地，所述驱动装置还包括用于检测串励直流电机实时速度的速度检测单 元，可将由测速发电机、脉冲编码器或者其他速度检测设备采集的信号转换为微处理器能 识别的电信号或者逻辑信号。更进一步地，所述驱动装置的控制回路部分基于微处理器，并包括电机速度信号采集单元，用以采集速度检测装置的速度信号，构成所述驱动装置 的闭环反馈速度信号，并在超速或者零速情况下报警；模拟信号采集单元，用以采集电流检测单元、母线电压检测单元以及电源电压监 控单元和速度给定单元的模拟信号；数字信号采集输入单元，用以采集运行命令逻辑、故障复位逻辑以及相序检测电 子装置产生的电平信号；数字信号输出单元，用以根据驱动装置运行状况，产生数字量信号；脉冲宽度调制信号产生单元，用以根据闭环给定和速度检测装置检测的速度信 号、电流采样电路采样的电流信号产生控制功率开关电路的调制信号；与上位机通信的处理单元，用以与上位机的信息交互。本实用新型的有益效果主要体现在驱动装置采样数字和模拟信号，判断状态是 否正常，非正常时驱动装置报警并切断输出，多种故障逻辑提高装置可靠性；速度及电流信 号采集构成驱动装置闭环算法的反馈信号，由于串励直流电机强的过载能力，通过软件算 法控制能获得低速时大的起动力矩，同时限制最大输出电流，在保证驱动装置快速响应速 度指令的同时保护驱动装置和直流电机不被烧毁；励磁换向装置保证了电机励磁电流方向 恒定，要改变电机转向只需改变电枢绕组电压方向即可，电路简单，换向可靠，也方便软件 实现。本实用新型适合变桨控制系统低速大力矩、频繁起动、响应速度快、对可靠性要求较 高的场合应用。
以下结合附图对本实用新型技术方案作进一步说明
图1是本实用新型的原理框图。图2是本实用新型的功率回路原理图。[0029]图3和图4分别是本实用新型在电机两种不同转向逻辑下电路原理图。图5是利用测速发电机测速的原理框图。图6是利用编码器测速的原理框图。
具体实施方式
本实用新型根据直流串励电机起动转矩大，过载能力强，十分适合诸如变桨控制 中频繁起停场合，且无需外加励磁电源，控制简单等特点，选择该种电机为驱动装置执行机 构。一种变桨控制系统串励直流电机的驱动装置，包括功率回路部分及控制该功率回 路部分的控制回路部分，所述功率回路部分包括(1)整流单元，用于将输入交流电压变换成直流母线电压。(2)能耗制动单元，由电子开关和功率电阻构成，所述电子开关通过关断和接通能 所述功率电阻，用以通过能耗以降低母线电压而保护驱动装置；当母线电压处于正常电压 阀值以下，电子开关关断，能耗制动单元不起作用，当母线电压异常情况下升高超过规定电 压阀值，电子开关打开，功率电阻接入母线，通过能耗的方式降低母线电压达到保护功率电 子器件的目的。(3)功率开关电路，由两相桥臂四个功率开关器件构成，通过脉冲宽度调制和逻辑 电平信号控制两相桥臂上下两组功率开关器件的通断进而用于关断和接通串励直流电机； 其中一个桥臂由逻辑电平信号控制，用于改变接到直流电机电压的方向，从而改变串励直 流电机旋转方向，另一个桥臂由脉冲宽度调制(PWM)信号控制，通过改变功率开关器件通 断的占空比来改变接到直流电机电枢电压的大小，从而改变串励直流电机转速；所述功率 开关器件选用绝缘栅双极晶体管IGBT，或金属氧化物场效应管MOSFET或其他开关器件。所 述两相桥臂上面一组功率开关器件连接到母线电压的正端，下面一组功率开关器件连接到 母线电压的负端，桥臂的两个中点一端耦合到串励直流电机电枢绕组，一端耦合到励磁换 向电子装置。同一个桥臂上下两个功率开关的信号逻辑相反；两个桥臂对称，选择桥臂控制 电压方向或是电压大小可以根据实际情况调整。(4)控制串励直流电机励磁方向的励磁换向装置，该装置对功率开关电路和串励 直流电机构成的回路产生的正反方向的电流进行处理，使该电流方向恒定，从而所述驱动 装置只需改变串励直流电机的电枢电压方向即可改变电机旋转方向。(5)用于控制能耗制动单元和功率开关电路的驱动单元，该驱动单元一端耦合到 控制回路部分接受微处理器逻辑信号，另一端耦合到所述能耗制动单元和功率开关电路以 控制其通断。进一步地，所述驱动装置还包括(6)用于检测输入电压是否缺相的相序检测电子装置，该装置在检测到输入电压 缺相时，产生一个跳变电平并保持该电平直到缺相现象消失。(7)用于检测整流环节产生的直流母线电压的电压检测单元，所述母线电压检测 单元通过分压电阻将母线电压按一定比例变换成微处理器能识别的电压信号。(8)用于检测驱动装置输出电流的电流检测单元，通过电流传感器件和阻容器件 将输出电流转换成微处理器能识别的信号。[0043](9)用于检测串励直流电机实时速度的速度检测单元，可将由测速发电机、脉冲编 码器或者其他速度检测设备采集的信号转换为微处理器能识别的电信号或者逻辑信号。进一步地，所述驱动装置的控制回路部分基于微处理器，并包括(1)电机速度信号采集单元，用以采集速度检测装置的速度信号，构成所述驱动装 置的闭环反馈速度信号，并在超速或者零速情况下报警。(2)模拟信号采集单元，该单元采集电流采样单元、母线电压检测单元以及电源电 压监控和速度给定单元等模拟信号；其中，所述输出电流采样单元由运算放大器及外围器件构成。该单元采集输出电 流检测单元的电流信号作为软件算法的闭环反馈信号，一方面保证电机低速起动时能获得 大的起动力矩，使其迅速响应给定速度；另一方面限制输出电流过大，保护驱动装置和直流 电机。电流采样信号构成所述驱动装置的闭环反馈电流信号。所述电机速度信号采集单元根据电机速度信号检测方式设计若采用测速发电机 测速，则该单元由运算放大器及外围器件构成；若采用编码器测速，则该单元通过微处理器 捕获单元捕捉速度信号。采集的速度信号作为软件算法闭环反馈信号，一方面保证电机跟 踪给定速度；另一方面防止电机速度过大而飞车。速度给定信号构成所述驱动装置闭环给定。电源电压监控信号构成电源电压故障的触发源。所述母线电压检测单元由运算放大器及外围器件构成，采集母线电压检测单元送 来的电压信号。当母线电压超过能耗制动单元动作阀值，控制电路发出制动单元开通指令； 当母线电压超过过压阀值，控制电路报警停机。母线电压信号经过微处理器的逻辑处理，作 为能耗制动单元的触发源，与此同时，若能耗制动单元控制的制动电阻未能降低母线电压， 控制电路将报警。(3)数字信号采集输入单元，该单元采集运行命令逻辑、故障复位逻辑以及相序检 测电子装置产生的电平信号等。其中微处理器在接收到运行命令逻辑后产生运行或停机 命令；在接收到故障复位逻辑后产生故障复位命令；在接收到缺相信号存在后则做报警处 理。所述数字信号输入单元由光藕及外围器件构成。采集的信号主要有缺相逻辑、运行命 令逻辑、故障复位逻辑等。当缺相信号存在，控制电路报警停机；当运行命令存在，在系统无 故障的情况下，控制电路执行运行指令；当故障复位存在，控制电路对故障信号进行软件复 位。(4)数字信号输出单元，该单元根据系统运行状况，产生风扇运行、系统正常等数 字量信号。所述数字信号输出单元由光藕及外围器件构成。数字输出信号主要有风扇运行、 系统正常状态信号等。驱动装置散热器温度超过规定阀值，控制电路发出风扇运行信号；驱 动装置无故障，控制电路发出系统正常状态信号给用户以指示。(5)脉冲宽度调制信号产生单元，该单元根据闭环给定和速度检测装置检测的速 度信号、电流采样电路采样的电流信号等产生控制功率开关电路的调制信号。(6)与上位机通信的处理单元，该单元采用的通信接口优先选用串行通信接口 (RS485或RS232等)，用于用户修改、存储、读取驱动装置的参数，与上位机的信息交互。该控制回路部分工作过程控制电路实时检测数字输入逻辑和模拟输入信号，判 断驱动装置有无故障若没有故障则在有运行命令的情况下，根据给定速度和反馈速度大小以及反馈电流，经过内部算法处理，得到控制功率电路的占空比信号和电机运行方向逻 辑作为驱动单元的输入；若有故障，控制电路将报警并停机。本实用新型的技术方案具体如图1所示，交流三相输入经过交流/直流变换得到 直流母线电压，能耗制动单元在母线电压超过动作阀值的情况下生效以降低母线电压，功 率电路经过脉冲宽度调制得到与速度指令匹配的电压，励磁换向保持励磁绕组电流方向恒 定，电机换向只需通过改变电枢绕组电压方向即可完成。控制电路采集母线电压、输出电流 等模拟信号，电机速度信号根据测速方法的不同可以是模拟信号输入也可以是编码器的脉 冲输入，其中输出电流和电机速度信号构成软件闭环控制算法的输入量；同时基于微处理 器的控制电路也采集相序检测逻辑、运行命令、复位命令等数字信号，输出的数字信号有风 扇运行控制、驱动器运行准备等；驱动器与上位机的信息交互通过通信单元实现。图2给出本实用新型主功率回路原理图。其中T是交流/直流整流单元，C为母 线电容(作用为储能及滤波)，G2是控制能耗电阻R通断的开关器件，G3 G6是两相桥臂 四个开关器件(以绝缘栅双极晶体管IGBT为例)，二极管Dl D4构成串励直流电机励磁 电流换向装置，Ll是串励直流电机励磁绕组，L2是电机电枢绕组。三相交流输入经过二极管整流单元T和母线电容C得到直流母线电压。开关器 件G2和功率电阻R构成能耗制动单元，G2受微处理器逻辑信号控制，决定R是否接入直流 母线回路。开关器件G3 G6构成功率回路两相桥臂，其中G3、G4是同一桥臂上下两个开 关器件，G3的发射极和G4集电极相连，二者驱动信号互补，G5、G6是另一桥臂上下两个开 关器件，G5的发射极和G6集电极相连，二者驱动信号互补；G3、G5集电极接母线电压正端， G4、G6发射极接母线电压负端。由于两相桥臂对称，一桥臂由电机旋转方向逻辑控制，另一 桥臂则由调节输出电压的脉冲宽度调制信号控制，两组信号互换可根据实际应用调整。二 极管Dl D4构成励磁电流换向装置，其中Dl阳极和D2阴极相连，并连接G3、G4组成桥臂 的中点；Dl阴极和D3阴极相连，并连接到直流电机励磁绕组Ll 一端；D2的阳极和D4阳极 相连，并连接到励磁绕组Ll另一端；D3阳极和D4阴极相连，并连接到直流电机电枢绕组L2 一端；电枢绕组L2另一端连接到G5、G6组成桥臂的中点。图3和图4给出了直流电机在正反两种方向旋转时的电路原理图。其中Udc代 表母线电压。定义图3所示电枢绕组电流方向为正向激励，此种情况电机转向为正向；与图 3对应，图4所示电枢绕组电流方向为反向激励，电机转向为反向。图3中电枢绕组L2的电流激励为正向激励，对应的电机转向为正方向，电流路径 为开关管G3、二极管D1、励磁绕组Li、二极管D4、电枢绕组L2、开关管G6。与图3对应，图 4给出直流电机反转时电流路径为开关管G5、电枢绕组L2、二极管D3、励磁绕组Li、二极管 D2、开关管G4。可以看出，电枢绕组的电流方向随着开关器件交替通断而改变，但励磁绕组 电流方向始终不变，根据串励直流电机特性，电机的转向随电枢绕组电流方向变化而变化。 因此，通过软件算法安排功率开关G3 G6的通断逻辑，即可改变电机的转向，控制简单易 行。图5和图6是本实用新型两个实施例原理框图。图5是利用测速发电机测速的连 接图。测速发电机输出的模拟电压信号与电机转速成正比，控制单板通过采样电路将该电 压信号按一定比例转换成控制芯片(单片机或数字信号处理器)能识别的模拟信号，控制 芯片按比例关系处理模/数转换通道获取的数值得到电机转速。图6是利用编码器测速的原理框图。控制芯片的脉冲捕获单元捕捉编码器的脉冲信号，在一定时间内计算脉冲数目， 根据编码器每转的脉冲数计算得到电机转速。 本实用新型尚有多种具体的实施方式。例如所述功率开关器件还可以采用晶闸 管，即通过改变晶闸管通断的导通触发角来改变接到直流电机电枢电压的大小，从而改变 串励直流电机转速。凡采用等同替换或者等效变换而形成的所有技术方案，均落在本实用 新型要求保护的范围之内。
权利要求一种变桨控制系统串励直流电机的驱动装置，包括功率回路部分及控制该功率回路部分的控制回路部分，其特征在于所述功率回路部分包括，整流单元，用于将输入交流电压变换成直流母线电压；能耗制动单元，由电子开关和功率电阻构成，所述电子开关通过关断和接通能所述功率电阻，用以通过能耗以降低母线电压而保护驱动装置；功率开关电路，由两相桥臂四个功率开关器件构成，通过脉冲宽度调制和逻辑电平信号控制两相桥臂上下两组功率开关器件的通断进而用于关断和接通串励直流电机；其中一个桥臂由逻辑电平信号控制，用于改变接到直流电机电压的方向，从而改变串励直流电机旋转方向，另一个桥臂由脉冲宽度调制信号控制，通过改变功率开关器件通断的占空比来改变接到直流电机电枢电压的大小，从而改变串励直流电机转速；控制串励直流电机励磁方向的励磁换向装置，该装置对功率开关电路和串励直流电机构成的回路产生的正反方向的电流进行处理，使该电流方向恒定，从而所述驱动装置只需改变串励直流电机的电枢电压方向即可改变电机旋转方向。
2.根据权利要求1所述的变桨控制系统串励直流电机的驱动装置，其特征在于所述 功率开关器件选用绝缘栅双极晶体管IGBT，或金属氧化物场效应管M0SFET。
3.根据权利要求2所述的变桨控制系统串励直流电机的驱动装置，其特征在于所述 两相桥臂上面一组功率开关器件连接到母线电压的正端，下面一组功率开关器件连接到母 线电压的负端，桥臂的两个中点一端耦合到串励直流电机电枢绕组，一端耦合到励磁换向 电子装置。
4.根据权利要求1所述的变桨控制系统串励直流电机的驱动装置，其特征在于所述 功率回路部分还包括用于控制能耗制动单元和功率开关电路的驱动单元，该驱动单元一端 耦合到控制回路部分接受微处理器逻辑信号，另一端耦合到所述能耗制动单元和功率开关 电路以控制其通断。
5.根据权利要求1所述的变桨控制系统串励直流电机的驱动装置，其特征在于所述 驱动装置还包括用于检测输入电压是否缺相的相序检测电子装置，该装置在检测到输入电 压缺相时，产生一个跳变电平并保持该电平直到缺相现象消失。
6.根据权利要求1所述的变桨控制系统串励直流电机的驱动装置，其特征在于所述 驱动装置还包括用于检测整流环节产生的直流母线电压的电压检测单元，可将母线电压转 换成微处理器能识别的信号。
7.根据权利要求1所述的变桨控制系统串励直流电机的驱动装置，其特征在于所述 驱动装置还包括用于检测驱动装置输出电流的电流检测单元，通过电流传感器件和阻容器 件将输出电流转换成微处理器能识别的信号。
8.根据权利要求1所述的变桨控制系统串励直流电机的驱动装置，其特征在于所述 驱动装置还包括用于检测串励直流电机实时速度的速度检测单元，可将由测速发电机、脉 冲编码器或者其他速度检测设备采集的信号转换为微处理器能识别的电信号或者逻辑信 号。
9.根据权利要求1至8所述的任意一种变桨控制系统串励直流电机的驱动装置，其特 征在于所述驱动装置的控制回路部分基于微处理器，并包括，电机速度信号采集单元，用以采集速度检测装置的速度信号，构成所述驱动装置的闭环反馈速度信号，并在超速或者零速情况下报警；模拟信号采集单元，用以采集电流检测单元、母线电压检测单元以及电源电压监控单 元和速度给定单元的模拟信号；数字信号采集输入单元，用以采集运行命令逻辑、故障复位逻辑以及相序检测电子装 置产生的电平信号；数字信号输出单元，用以根据驱动装置运行状况，产生数字量信号； 脉冲宽度调制信号产生单元，用以根据闭环给定和速度检测装置检测的速度信号、电 流采样电路采样的电流信号产生控制功率开关电路的调制信号； 与上位机通信的处理单元，用以与上位机的信息交互。
专利摘要本实用新型提供了一种变桨控制用串励直流电机驱动装置，包括功率回路部分和控制回路部分，其中功率回路部分包含整流单元、能耗制动单元、功率开关电路、励磁换向装置、以及交流输入相序检测单元、母线电压和输出电流检测单元等；控制回路部分包含模拟信号采样单元、数字信号输入采集电路、速度信号采集单元、数字信号输出单元以及与上位机信息交互单元等。本实用新型的电路设计适合变桨控制用串励直流电机低速大力矩频繁起动，具有快速响应、限流保护和灵活换向的特点，驱动装置功能完善、可靠性高。
文档编号H02H7/09GK201708756SQ20102021730
公开日2011年1月12日 申请日期2010年6月7日 优先权日2010年6月7日
发明者傅建民, 尤林森, 林盈杰, 肖庆恩, 邓杰 申请人:苏州能健电气有限公司