本發(fā)明涉及到風(fēng)力發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種適用于風(fēng)力發(fā)電機變槳系統(tǒng)的電動機伺服控制器及其控制方法。

背景技術(shù)：

電動機伺服控制器是變漿系統(tǒng)的重要組成部分，變漿系統(tǒng)又是風(fēng)力發(fā)電機的重要組成部分，變槳系統(tǒng)的所有部件都安裝在輪轂上，風(fēng)機正常運行時所有部件都隨輪轂以一定的速度旋轉(zhuǎn)。變槳系統(tǒng)通過控制葉片的角度來控制風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速，進而控制風(fēng)機的輸出功率，并能夠通過空氣動力制動的方式使風(fēng)機安全停機。風(fēng)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(qū)動系統(tǒng)。變槳驅(qū)動系統(tǒng)通過一個小齒輪與變槳軸承內(nèi)齒嚙合聯(lián)動。

風(fēng)機正常運行期間，當風(fēng)速超過機組額定風(fēng)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(fēng)輪的轉(zhuǎn)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(tǒng)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(fā)生嚴重故障或重大事故的情況下可以安全停機。

現(xiàn)有技術(shù)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(wǎng)電壓波動時，特別在電網(wǎng)電壓深度跌落時，會影響轉(zhuǎn)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(qū)動隔離模塊、全橋功率驅(qū)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(jīng)光耦隔離后，控制全橋功率驅(qū)動模塊輸出六相平面電機驅(qū)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(jīng)光耦隔離后，控制全橋功率驅(qū)動模塊輸出六相平面電機驅(qū)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(xiàn)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?qū)崿F(xiàn)X軸、Y軸、θZ自由度的快速準確定位，但是，用于風(fēng)力發(fā)電機變槳系統(tǒng)時，不能給備用電池充電，在電網(wǎng)電壓波動時，特別在電網(wǎng)電壓深度低落時，會影響轉(zhuǎn)速控制，導(dǎo)致整個系統(tǒng)工作穩(wěn)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(qū)動器、變槳電機和超級電容；所述伺服電機驅(qū)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(diào)制電路；所述控制器用于根據(jù)變槳參數(shù)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(qū)動器中設(shè)置有脈沖寬度調(diào)制充放電電路，雖然能夠?qū)Τ夒娙葸M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(wěn)定性。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種電動機伺服控制器及其控制方法，本發(fā)明在電網(wǎng)電壓波動時，特別在電網(wǎng)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(zhuǎn)速控制的精度要求，增強整個系統(tǒng)工作穩(wěn)定性。

本發(fā)明通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)：

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(diào)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(guān)高頻電路，所述直流-直流半橋軟開關(guān)高頻電路包括低壓側(cè)半橋電路、高頻變壓器和高壓側(cè)半橋電路，所述低壓側(cè)半橋電路通過高頻變壓器與高壓側(cè)半橋電路連接，所述后備電源與低壓側(cè)半橋電路連接，所述高壓側(cè)半橋電路與脈沖寬度調(diào)制逆變橋的直流端連接，脈沖寬度調(diào)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(diào)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(shè)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(wǎng)充電步驟，后備電源電量不足時，直流-直流半橋軟開關(guān)高頻電路從直流母線取電，通過高頻變壓器將高壓電轉(zhuǎn)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(diào)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(diào)制逆變橋?qū)⒅绷麟妷耗孀兂山涣麟姡瓿煞烹姟?/p>

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(fā)明所述脈沖寬度調(diào)制逆變橋，即PWM逆變橋。

本發(fā)明所述DSP控制器，即數(shù)字信號處理控制器。

本發(fā)明的工作原理如下：

電動機伺服驅(qū)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(diào)制逆變橋和低壓側(cè)半橋電路、高頻變壓器、高壓側(cè)半橋電路構(gòu)成。

當使用外部電網(wǎng)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(diào)制逆變橋?qū)⒅绷麟娔孀兂山涣麟婒?qū)動伺服電動機運行。

當外部交流電網(wǎng)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(cè)半橋電路和高壓側(cè)半橋電路的相位，完成能量由低壓側(cè)向高壓側(cè)轉(zhuǎn)換，再通過脈沖寬度調(diào)制逆變橋?qū)⒑髠潆娫刺峁┑闹绷麟娹D(zhuǎn)換成交流電驅(qū)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(guān)，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(cè)半橋電路和高壓側(cè)半橋電路的相位，完成能量由高壓側(cè)向低壓側(cè)轉(zhuǎn)換，對后備電源進行充電。

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

本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

一、本發(fā)明，“直流-直流半橋軟開關(guān)高頻電路包括低壓側(cè)半橋電路、高頻變壓器和高壓側(cè)半橋電路，所述低壓側(cè)半橋電路通過高頻變壓器與高壓側(cè)半橋電路連接，所述后備電源與低壓側(cè)半橋電路連接，所述高壓側(cè)半橋電路與脈沖寬度調(diào)制逆變橋的直流端連接，脈沖寬度調(diào)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(diào)制逆變橋的直流端連接”，采用直流-直流半橋軟開關(guān)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(guān)高頻電路和后級的脈沖寬度調(diào)制逆變橋形成的脈沖寬度調(diào)制逆變橋電路級聯(lián)，能夠解決能量在高頻方式下的雙向流動問題，低壓側(cè)半橋電路通過高頻變壓器與高壓側(cè)半橋電路連接，在不需要添加任何輔助開關(guān)和無源諧振網(wǎng)絡(luò)的情況下，通過調(diào)節(jié)控制低壓側(cè)半橋電路的相移和高壓側(cè)半橋電路的相移來實現(xiàn)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(tài)響應(yīng)速度；作為一個完整的技術(shù)方案，能夠通過脈沖寬度調(diào)制逆變橋和直流-直流半橋軟開關(guān)高頻電路的高頻變壓器給后備電源充電；在電網(wǎng)電壓波動時，特別在電網(wǎng)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(zhuǎn)速控制的精度要求，增強整個系統(tǒng)工作穩(wěn)定性。

二、本發(fā)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(xiàn)了軟啟電阻與卸荷電阻的合二為一，減少了系統(tǒng)元器件數(shù)量，提高了系統(tǒng)可靠性。

三、本發(fā)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(nèi)時，將能量傳入后備電源；當電網(wǎng)波動而引起直流母線波動時，能夠?qū)崿F(xiàn)平滑直流母線波動，從而避免伺服電動機轉(zhuǎn)速異常，保證伺服電動機正常運行。

四、本發(fā)明，采用的直流-直流半橋軟開關(guān)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(fā)明，脈沖寬度調(diào)制逆變橋既可以工作在整流狀態(tài)，又可以工作在逆變狀態(tài)，同樣實現(xiàn)了能量的雙向流動，有效減少了整個控制器中的硬件數(shù)量，減小了控制器的體積。

六、本發(fā)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(diào)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(diào)制逆變橋?qū)⒅绷麟妷耗孀兂山涣麟?；采用該控制方法，當電網(wǎng)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(zhuǎn)速波動，提高控制精度。

附圖說明

下面將結(jié)合說明書附圖和具體實施方式對本發(fā)明作進一步的具體說明，其中：

圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)框圖；

圖2為本發(fā)明針對直流電動機控制的原理框圖；

圖3為本發(fā)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(diào)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(guān)高頻電路，所述直流-直流半橋軟開關(guān)高頻電路包括低壓側(cè)半橋電路、高頻變壓器和高壓側(cè)半橋電路，所述低壓側(cè)半橋電路通過高頻變壓器與高壓側(cè)半橋電路連接，所述后備電源與低壓側(cè)半橋電路連接，所述高壓側(cè)半橋電路與脈沖寬度調(diào)制逆變橋的直流端連接，脈沖寬度調(diào)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(diào)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(guān)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(guān)高頻電路和后級的脈沖寬度調(diào)制逆變橋形成的脈沖寬度調(diào)制逆變橋電路級聯(lián)，能夠解決能量在高頻方式下的雙向流動問題，低壓側(cè)半橋電路通過高頻變壓器與高壓側(cè)半橋電路連接，在不需要添加任何輔助開關(guān)和無源諧振網(wǎng)絡(luò)的情況下，通過調(diào)節(jié)控制低壓側(cè)半橋電路的相移和高壓側(cè)半橋電路的相移來實現(xiàn)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(tài)響應(yīng)速度；作為一個完整的技術(shù)方案，能夠通過脈沖寬度調(diào)制逆變橋和直流-直流半橋軟開關(guān)高頻電路的高頻變壓器給后備電源充電；在電網(wǎng)電壓波動時，特別在電網(wǎng)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(zhuǎn)速控制的精度要求，增強整個系統(tǒng)工作穩(wěn)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(shè) 定值時，開關(guān)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(guān)高頻電路相連接，雙向直流-直流半橋軟開關(guān)高頻電路分為低壓側(cè)半橋電路1和高壓側(cè)半橋電路2，低壓側(cè)半橋電路1和高壓側(cè)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(guān)高頻電路的低壓側(cè)半橋電路1相連，雙向直流-直流半橋軟開關(guān)高頻電路的高壓側(cè)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(zhuǎn)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(guān)電路的開關(guān)器件T1-T4的占空比都為0.5，DSP控制器通過控制高壓側(cè)半橋和低壓側(cè)半橋的相位關(guān)系來實現(xiàn)能量傳遞方向的調(diào)節(jié)，變壓器TS1完成高低電壓的轉(zhuǎn)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(guān)的實現(xiàn)。脈沖寬度調(diào)制逆變橋?qū)崿F(xiàn)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(cè)流動時，雙向直流-直流半橋軟開關(guān)電路工作于升壓狀態(tài)，脈沖寬度調(diào)制逆變橋工作在有源逆變狀態(tài)。DSP控制器發(fā)出直流-直流半橋電路中T1-T4的控制波形，通過隔離驅(qū)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(cè)先導(dǎo)通，實現(xiàn)向后級傳遞能量，調(diào)節(jié)T1超前T3的相位，控制傳遞能量的大小。DSP控制器發(fā)出逆變橋電路T5-T8的控制波形，通過隔離驅(qū)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(xiàn)能量向伺服電機傳遞。

當電路中交流側(cè)需要向后備電源充電時，及能量由交流側(cè)向直流側(cè)流動時，雙向直流-直流半橋軟開關(guān)電路工作于降壓狀態(tài)，PWM逆變橋工作在整流狀態(tài)。DSP控制器發(fā)出逆變橋T5-T8的控制波形，通過隔離驅(qū)動電路，使T5-T8工作，控制電壓和電流波形反向。DSP控制器發(fā)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(cè)先導(dǎo)通，可以實現(xiàn)向低壓側(cè)傳遞能量，調(diào)節(jié)T3超前T1的相位，控制傳遞能量的大小，實現(xiàn)能量向后備電源充電。

直流母線電壓穩(wěn)定時，完成對后備電源的充電，電量充至90％，系統(tǒng)根據(jù)直流母線電壓形成閉環(huán)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(xiàn)了直流母線電壓波動平抑。當整個系統(tǒng)完全通過后備電源供電時，通過直流母線電壓為給定值，調(diào)節(jié)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(zhuǎn)速不可控。伺服系統(tǒng)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(qū)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(shè)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(wǎng)充電步驟，后備電源電量不足時，直流-直流半橋軟開關(guān)高頻電路從直流母線取電，通過高頻變壓器將高壓電轉(zhuǎn)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(diào)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(diào)制逆變橋?qū)⒅绷麟妷耗孀兂山涣麟姡瓿煞烹姟?/p>

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(fā)明所述脈沖寬度調(diào)制逆變橋，即PWM逆變橋。

采用該控制方法，當電網(wǎng)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(zhuǎn)速波動，提高控制精度，保證伺服電動機正常運行。