一种直流变桨电机控制系统的制作方法

1.本发明属于直流电机控制领域，特别涉及用于变桨系统的直流电机控制系统。


背景技术：

2.直流变桨控制系统因其可靠性、安全性一直是风力发电机长期使用的核心部件，在国内陆上风力发电变桨系统中占据重大市场份额。
3.直流变桨系统的核心执行机构由直流变桨电机和变桨驱动器组成，直流变桨电机因其可靠简便的顺桨特点在变桨系统中大量应用，因此直流变桨电机驱动装置不仅需匹配变桨电机性能、延伸变桨电机使用工况范围、还需提升可靠性、安全性，是变桨控制系统的核心关键部件之一；变桨驱动器的控制策略主要采用速度控制外环和电流控制内环的传统方法，由于变桨系统应用工况特殊，各厂家变桨设计方案不同，加上直流变桨系统在服役一定年限后，存在升级改造等技术需要，对变桨电机速度反馈方式提出了不同要求，此外，为保证系统安全性，对变桨电机的开环运行也提出新要求，从现在公开的文献来看，涉及直流变桨驱动器控制方法、控制策略的专利和资料有限，针对直流变桨驱动器的开环控制更是寥寥无几。本专利根据直流变桨电机应用工况，发明了一种集成多种测速反馈方式的控制系统，并可实现直流变桨电机开环控制和闭环控制的平滑切换，保证电机在速度反馈方式断线时，电机速度不突跳，电机电流不突变，提高系统安全性。


技术实现要素：

4.根据目前直流变桨驱动器的常规控制方案，为扩展直流变桨电机在直流变桨系统升级改造中应用范围，本发明提供了基于数字量、模拟量速度反馈的方式的闭环控制方法；为提高变桨电机控制稳定性，实现开闭环切换速度平滑对接，实现开闭环切换电流平稳过渡，本发明提供了一种基于转速跟踪和电流环跟踪的开环控制方法。
5.为达到上述目的，一种直流变桨电机控制系统采用的技术方案如下：直流变桨电机控制系统主要由闭环控制单元和开环控制单元两部分组成，以及为保证电机在开闭环运行过程及切换过程中，速度不突跳，电流不突变而采用的稳态控制算法。
6.闭环控制单元部分主要包括速度环控制单元、电流环控制单元以及匹配速度环控制单元的速度设定和转速选择、匹配电流环控制单元的电流反馈等。
7.闭环控制单元工作过程：速度设定值和速度反馈值做差，经过速度环控制单元的pid算法输出，该输出值和电流反馈值做差，经过电流环控制单元的pid算法输出，成为斩波输出单元控制信号，进而控制电机转速和电流。
8.所述速度设定值是期望直流变桨电机运行速度，该设定值可以是模拟量、数字量或者上位机通信给定，也可以是位置控制输出设定。速度设定值在控制方法内部进行标幺化处理，负向最大转速设定~正向最大转速设定在控制方法内部标幺成-100%~100%。
9.所述速度反馈单元用于获取变桨电机实际运行速度；直流变桨电机一般选择测速
发电机作为速度反馈单元，由于服役年限增加，测速发电机由于机械磨损精度和性能都有降低，且更换不易，因此本发明增加增量式编码器、绝对值编码器和旋变编码器，区别于业内单通道速度反馈方式，扩展了驱动器和电机的使用范围；其中，测速发电机和旋变编码器属于模拟量反馈方式，增量式编码器和绝对值编码器属于数字量反馈方式；速度反馈方式通过软件开关选择，实现反馈元器件灵活多变，提升直流变桨电机在服役期间应用广度和时间长度的要求。针对模拟量反馈方式，采用多次采样、均值滤波等算法，降低模拟量受信号不准确、不稳定等问题的干扰。针对数字量信号反馈方式，采用中断优先、惯性滤波等算法，降低数字量信号受接线、运行环境等问题干扰。速度反馈值在控制方法内部进行标幺化处理，负向最大反馈速度~正向最大反馈速度在控制方法内部标幺成-100%~100%。
10.所述电流反馈单元用于获取变桨电机运行过程中实际电流大小，由于直流电机只有单相电流，电流采样采用加权滤波算法；即前次采样值（可以是均值滤波或者惯性滤波后的值）与本次采样的值各占一定比例再求和作为实际的电流采样值的形式；电流采样值在控制方法内部进行标幺化处理，负向最大采样电流~正向最大采样电流在控制方法内部标幺成-100%~100%。
11.所述速度环控制单元用于消除速度设定值和速度反馈值的误差并利用比例-微分-积分算法，输出值作为电流环控制单元输入值，速度环控制单元输出量与电流反馈单元处理结果采样同一量纲。
12.所述电流环控制单元于消除电流环设定值和变桨电机电流采样值的误差并利用比例-微分-积分算法，输出值作为斩波控制单元输入值。
13.所述斩波控制单元用于控制直流变桨电机，斩波输出单元是针对直流变桨电机控制采用的脉冲宽度调节控制方法（pwm控制），其输出为0~100%的占空比用于调节电机转速。
14.开环控制单元部分主要包括速度跟踪单元、电流环控制跟踪单元、直流驱动器开环控制器、电流限制单元以及匹配开环控制单元的电机反馈断线检测单元。
15.开环控制单元工作过程：变桨电机反馈断线检测单元根据速度反馈信号的采样变化判断速度反馈是否断线，检测到速度反馈断线后，开环控制单元记录最后一次闭环控制时变桨电机转速作为开环控制单元输入环节，并将该转速采用折算、标幺和归一方法，在开环控制单元内对应成占空比信号a；同时为保证闭环控制、开环控制切换时电机运行稳定性，开环控制单元记录最后一次闭环控制时电流环控制单元输出信号，并作为开环控制单元另一输入信号b； 开环控制单元的输出信号c同电流环控制单元输出量纲一致，保证在开环闭环切换过渡期间的稳定性,c是前述占空比信号a和另一输入信号b的分段函数，为保证开环控制器稳定，设置过渡时间t1，采取加权平均算法，其函数关系如下：c=f(a)；t《t1c=k1* f(a)+k2* f(b)；t=t1；c= f(b)；t》t1；其中k1、k2是常数；该输出信号c用于斩波单元在反馈断线情况下的电机控制信号。
16.所述电机反馈断线检测单元对直流变桨电机速度反馈信号进行采样和测量，根据设定速度、运行条件，当反馈信号是模拟量时，根据一定时间范围内连续采样的模拟量大小判定是否速度丢失和反馈断线；当反馈信号是数字量时，根据一定时间内捕捉方波数量判
定是否速度丢失和反馈断线。
17.所述速度跟踪单元在控制方法内采用堆栈的形式记录每一程序执行周期的速度反馈值。速度反馈不断线时，堆栈弹出前一次记录值，压入最新的速度反馈值，当速度反馈断线时，以最新的速度反馈值作为速度跟踪值。
18.所述电流环跟踪单元在控制方法内采用堆栈的形式记录每一程序执行周期的电流环控制单元输出值。速度反馈不断线时，堆栈弹出前一次记录值，压入最新的电流环控制单元输出值，当速度反馈断线时，以最新的电流环控制单元输出值作为电流环跟踪值。
19.所述电流限制单元实时采集直流变桨电机电流，当检测到连续多次采样电流变化过大，开环控制单元将按电流变化速率补偿输出信号c，保证开环控制过程中，电流不突变。
20.所述系统还包括电机稳定控制算法，该算法主要包括闭环运行时各环路运行周期控制、开环运行时各环路运行周期控制、斩波控制单元输出信号生成。
21.开闭环运行及切换过程的稳态算法工作原理：在选择合理的闭环及开环运行各环路运行周期后，斩波输出单元控制信号采用电流环控制单元输出和开环控制器输出的分段函数的形式，由闭环控制平滑过渡到开环控制状态。
22.所述闭环运行时各环路运行周期控制是将速度环控制单元作为外环，电流环控制单元作为内环。较快速执行电流环控制单元和相对迟缓执行速度环控制单元可让环路更稳定。同时斩波输出单元的执行速度高于电流环控制单元执行速度所述开环运行时各环路运行周期控制是开环控制单元执行速度与电流环控制单元执行速度相同。
23.所述斩波控制单元输出信号e的生成，是设置过渡时间t2，在过渡时间t2内，针对电流环控制单元输出信号e和开环控制器输出信号c，采取加权平均和分段函数处理的方法输出，由闭环控制平滑过渡到开环控制；其函数关系如下：e=f(d)；t《t2；e= k3* f(d)+ k4* f(c)；t=t2；e= f(c)；t》t2;其中k3、k4是常数。
24.本发明的有益效果是：一种直流变桨电机控制系统，集成了包含测速发电机反馈和旋变编码器反馈等模拟量速度反馈单元以及绝对值编码器反馈和增量式编码器反馈等数字量反馈单元在内的四种测速方式，可根据工况利用软件开关方便选择，极大拓展了老旧风机直流变桨电机的使用范围和寿命。本发明不仅解决了直流电机开闭环的平滑切换、直流电机的开环运行，还解决了直流变桨电机在上述过程中如何稳定可靠运行的问题，适合对可靠性要求较高的风力发电场合应用。
附图说明
25.图1是本发明的原理框图。
26.图2是本发明速度反馈采用旋变反馈时闭环控制方法原理图。
27.图3是本发明在测速单元反馈丢失或断线情况下开环控制方法原理。
28.图4是变桨电机在闭环控制、开环控制及相互切换时的稳态控制方法原理图。
具体实施方式
29.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
30.图1给出了本发明的原理框图。本控制系统对直流变桨电机速度反馈信号进行采样和测量，根据设定速度、运行条件，当反馈信号是模拟量时，根据一定时间范围内连续采样的模拟量大小判定是否速度丢失，反馈断线；当反馈信号是数字量时，根据一定时间内捕捉方波数量判定是否速度丢失，反馈断线。若反馈正常，进入闭环控制过程；若反馈丢失或断线，则进入开环控制过程。闭环控制过程中，通过软件开关选择符合变桨电机实际反馈通道的方式，速度反馈量和速度设定量做差，该差值作为速度环控制单元的输入量；速度环控制单元的输出量和变桨电机电流做差，该差值作为电流环控制单元的输入量；电流环控制单元的输出量作为斩波控制单元的输入信号，控制变桨电机速度和电流。开环控制过程中，开环控制单元记录最后一次闭环控制时变桨电机转速作为开环控制单元输入环节，并将该转速采用折算、标幺和归一方法，在开环控制单元内对应成占空比信号a；同时为保证闭环控制、开环控制切换时电机运行稳定性，开环控制单元记录最后一次闭环控制时电流环控制单元输出信号，并作为开环控制单元另一输入信号b； 开环控制单元的输出信号c是是前述占空比信号a和另一输入信号b的分段函数，为保证开环控制器稳定，设置过渡时间t1，采取加权平均算法，其函数关系如下：c=f(a)；t《t1；c=k1* f(a)+k2* f(b)；t=t1；c= f(b)；t》t1；其中k1、k2是常数；该输出信号用于斩波单元在反馈断线情况下的电机控制信号。
31.图2和图3给出了直流电机在闭环开环两种状态下的控制原理图。图2定义变桨电机的设定速度由可编程逻辑控制器（plc）通过通信方式设定（canopen），速度反馈采用旋变反馈方式。这种闭环控制方法也是变桨电机常用的控制方式。通信设定速度和旋变反馈速度的差值作为速度环控制单元输入，速度环控制单元致力于消除该误差；速度环控制单元输出和电流反馈的差值作为电流环控制单元输入，电流环控制单元致力于消除该误差。电流环控制单元输出信号作为斩波输出单元输入信号控制电机电流转速。图3给出了速度反馈断线或丢失情况下开环控制原理图。速度跟踪单元将记录断线前直流变桨电机速度（此时速度反馈单元尚未断线，速度可测），电流环跟踪单元记录电流环控制单元在断线前的输出信号。两个跟踪单元作为开环控制器输入，开环控制单元的输出是两个跟踪单元信号的分段函数。开环控制下，斩波单元的输出是开环控制单元输出和断线前电流环控制单元输出的分段函数。
32.图4是本发明一个实施例原理框图。为保证系统控制稳定性，闭环控制单元的速度设定、速度反馈判断及信号采集、速度环控制单元，开环控制单元的速度跟踪、电流环跟踪均在执行周期一中执行。闭环控制单元的电流环控制单元，开环控制单元的开环控制器、电
流限制补偿单元，斩波输出单元，以及开闭环控制均用到的电流反馈单元在执行周期二中执行。执行周期一与执行周期二的比例为10:1。定义斩波输出单元的输入信号d即电流环控制单元输出信号，输入信号c即开环控制器经过电流限制后的补偿信号，输出信号e控制直流变桨电机运行。为实现闭环开环切换的稳定性，防止电流突变或者电机速度异常跳变，信号e的控制方法如下：闭环控制状态下，信号e是信号d的函数，即e=f（d）；开环控制状态下，定义状态切换过渡时间t2，计时器t进入过渡时间t2前，信号e保持信号d的函数不变，计时器t超过过渡时间t2以后，信号e是信号c的函数，即e=f（c），过渡时间t2内，信号e是信号c和信号d的函数，即e= k3* f(d)+ k4* f(c)；其中k3、k4为常数。
33.本发明以直流电机为例，但不局限于此类电机，本发明还可以适用于其他类型的电机，例如他励电机、复励电机等。

技术特征：
1.一种直流变桨电机控制系统，其特征在于：包括闭环控制单元和开环控制单元；闭环控制单元包括：速度环控制单元，其输入值分别是速度设定值以及变桨电机速度反馈值；输出值为两者的差值；电流环控制单元，其输入值分别是速度环控制单元的输出值以及变桨电机电流反馈值；输出值为两者的差值；斩波输出单元，采用的脉冲宽度调节控制方法，将接受的电流环控制单元输出值转化为0~100%的占空比用于调节电机转速；开环控制单元包括：电机反馈断线检测单元，对直流变桨电机速度反馈信号进行采样和测量判定是否速度丢失，反馈断线从而实现电机从闭环切换到开环状态；速度跟踪单元，记录最后一次闭环控制时变桨电机转速作为开环控制单元输入信号a；电流环控制跟踪单元，记录最后一次闭环控制时电流环控制单元输出信号作为开环控制单元另一个输入信号b；直流驱动器开环控制器，输入信号a和信号b，输出信号c是信号a、b的分段函数，为保证开环控制器稳定，设置过渡时间t1，采取加权平均算法，其函数关系如下：c=f(a)；t<t1c=k1* f(a)+k2* f(b)；t=t1；c= f(b)；t>t1；其中k1、k2是常数；电流限制单元，实时采集直流变桨电机电流，并按电流变化速率补偿信号c。2.根据权利要求1所述的一种直流变桨电机控制系统，其特征在于：包括用于获取直流变桨电机电流的电流反馈单元，电流采样采用加权滤波算法将采集的电流值输入到电流环控制单元中。3.根据权利要求1所述的一种直流变桨电机控制系统，其特征在于：包括用于检测直流变桨电机运行速度的速度反馈单元，集成了直流变桨电机速度模拟测速反馈和数字测速反馈两种方式，其中模拟测速反馈包括测速发电机方式和旋变反馈方式，数字测速反馈包括增量式编码器反馈方式和绝对值编码器反馈方式。4.根据权利要求1-3任一项所述的一种直流变桨电机控制系统，其特征在于：所述系统还包括电机稳定控制算法，该稳定控制算法特征如下：a将速度环控制单元作为外环，电流环控制单元作为内环；外环和内环执行周期的比例不同，快速执行电流环控制单元和相对迟缓执行速度环控制单元可让环路更稳定；b 同样道理，斩波输出单元的执行速度可以根据实际运行情况，高于或者等于电流环控制单元执行速度；c 开环控制单元执行速度与电流环控制单元执行速度相同；d 斩波输出单元控制信号e是电流环控制单元输出d和开环控制器经过电流限制后输出c的分段函数，为保证平滑从闭环控制切换到开环控制，设置过渡时间t2，在过渡时间内，采取加权的方法输出，逐渐过渡到开环控制，权重值可根据实际情况调整；其函数关系如下：e=f(d)；t<t2；e= k3* f(d)+ k4* f(c)；t=t2；e= f(c)；t>t2;其中k3、k4是常数。

技术总结
本发明涉及一种直流变桨电机控制系统，其特征包括两种速度反馈信号方式共四种测速反馈单元的闭环控制方法，四种测速反馈方式涵盖变桨系统所有的测速方式，并能灵活简单切换；此外还包括直流变桨电机在电机测速反馈单元发生故障或者信号丢失的情况下紧急处理的开环控制方法，直流变桨电机可跟踪该紧急情况发生前的速度信号以及电流控制信号，保证变桨电机平稳运行，保障风力发电机安全；本发明还提出了开闭环单元及切换过程的稳态控制方法，防止电机电流突跳，防止电机速度突变。本发明的设计适合变桨控制用直流电机多变的速度反馈方式，保障风力发电机组可靠安全。保障风力发电机组可靠安全。保障风力发电机组可靠安全。


技术研发人员：张军 李顺民
受保护的技术使用者：华能威海发电有限责任公司
技术研发日：2023.02.21
技术公布日：2023/5/13