專利名稱：一種風(fēng)電變槳系統(tǒng)全數(shù)字交流異步伺服電機驅(qū)動器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于交流異步伺服電機技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種風(fēng)電變槳系統(tǒng)全數(shù)字 交流異步伺服電機驅(qū)動器，適用于對風(fēng)電變槳系統(tǒng)交流異步伺服電機的控制。
背景技術(shù)：
目前國內(nèi)的風(fēng)電變槳系統(tǒng)基本上采用的是國外的設(shè)備，其中有液壓式變槳系統(tǒng)和 電動式變槳系統(tǒng)兩種，而電動式變槳系統(tǒng)應(yīng)用更為廣泛。電動變槳系統(tǒng)分為直流變槳和交 流變槳兩種，目前實際應(yīng)用的系統(tǒng)大部分采用直流變槳方案，此種方案的缺點是，直流電機 的壽命較短，需要定期更換電刷，系統(tǒng)維護成本高。交流變槳系統(tǒng)又分為永磁同步電機、直 流無刷電機和異步電機三種，前兩種方案成本高，而且存在一個電機永磁體失磁的問題。本實用新型涉及的一種風(fēng)電變槳系統(tǒng)全數(shù)字交流異步伺服電機驅(qū)動器，采用異步 電機控制，成本低，控制性能穩(wěn)定可靠，環(huán)境適應(yīng)能力強。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的是提供一種風(fēng)電變槳系統(tǒng)全數(shù)字交流異步伺服電機驅(qū)動器。解 決了異步伺服電機在風(fēng)電變槳系統(tǒng)中應(yīng)用的問題。本實用新型具體采用以下技術(shù)方案一種風(fēng)電變槳系統(tǒng)全數(shù)字交流異步伺服電機驅(qū)動器，包括DSP系統(tǒng)Ul、CPLD系統(tǒng) U2、電機編碼器電路F1、槳距角編碼器電路F2、電壓電流檢測電路F3、IPM及其驅(qū)動電路F4、 RS485通訊電路F5、CAN通訊電路F6 ；其特征在于電機編碼器電路F1輸出的增量式信號A、B與DSP系統(tǒng)U1的捕獲管腳106、107相 連，將電機編碼器的增量式信號傳遞給DSP系統(tǒng)U1，電機編碼器電路F1的串行數(shù)據(jù)輸入信 號SEIAL_DATA1、同步時鐘信號CL0CK_0UT1與CPLD系統(tǒng)U2的管腳25、24相連，將電機編碼 器的絕對式信號傳遞給CPLD系統(tǒng)U2 ；槳距角編碼器電路F2的串行數(shù)據(jù)輸入信號SEIAL_DATA2、同步時鐘信號CL0CK_ 0UT2與CPLD系統(tǒng)U2的管腳23、22相連，將槳距角編碼器的絕對值信號傳遞給CPLD系統(tǒng) U2 ；CPLD系統(tǒng)U2通過并行總線連接到DSP系統(tǒng)U1，將采集到的電機編碼器和槳距角 編碼器的絕對位置信號傳遞給DSP系統(tǒng)U1，上述兩編碼器絕對值信號檢測時鐘信號由DSP 系統(tǒng)U1的管腳119輸出給CPLD系統(tǒng)U2的87管腳；電壓電流檢測電路F3用于檢測母線電壓和電機U相和W相電流，其輸出端分別接 DSP系統(tǒng)U1的模擬量信號輸入通道管腳173、174、172，將檢測到的母線電壓信號Udc及電 機定子U相和W相電流信號Iu、Iw上傳到DSP系統(tǒng)Ul ；DSP系統(tǒng)Ul輸出6路P麗信號(P麗1-6)至IPM及其驅(qū)動電路F4控制電機旋轉(zhuǎn)， DSP系統(tǒng)U1還通過通用I/O管腳104輸出開關(guān)量信號給IPM及其驅(qū)動電路F4控制電機的 制動；
4[0012]IPM及其驅(qū)動電路F4輸出一路故障保護信號PERR給DSP系統(tǒng)U1的PDPINT外部 中斷管腳110;RS485通訊電路F5輸出接收信號SCIRXDB到DSP系統(tǒng)U1的91管腳，DSP系統(tǒng)U1 通過管腳90輸出發(fā)送信號SCITXDB給RS485通訊電路F5，DSP系統(tǒng)U1還通過通用I/O管 腳63輸出開關(guān)量信號控制RS485通訊收發(fā)轉(zhuǎn)換；CAN通訊電路F6輸出接收信號CANRXA到DSP系統(tǒng)U1的89管腳，DSP系統(tǒng)U1通 過管腳87輸出發(fā)送信號CANTXA給CAN通訊電路F6。電機編碼器電路(F1)的功能是將電機編碼器信號輸入給DSP系統(tǒng)(U1)和CPLD 系統(tǒng)(U2)。包括圖2、圖3兩部分。在圖2中，電機的光電編碼器(F7)輸出的4路推挽式 信號(A+、A-、B+、B_)分別接第一至第四限流電阻1 19、1 18、1 14、1 15，然后分別通過5乂單 向TVS管(Z2、Z1)和第五、第六限流電阻R20、R16輸入到雙路光耦芯片(U12)，雙路光耦芯 片(U12)輸出兩路信號A、B到DSP(Ul)的106、107腳。為了與DSP電平兼容，光耦(U12) 采用3. 3V供電。其余管腳及電路為常規(guī)接法。在圖3中，電機光電編碼器(F7)的4路SSI 絕對位置信號Clock+、Clock-、Data+、Data-分別接RS422接口芯片(U6)的5、6、8、7管腳， Data+、Data-之間并接終端電阻(R37) ；RS422接口芯片(U6)的接收輸出管腳2、發(fā)送輸入 管腳3分別接磁耦(U8)的7管腳和6管腳，磁耦(U8)的隔離信號CL0CK_0UT1、SERIAL, DATA1分別通過管腳3、2接CPLD(U2)的24、25腳。編碼器(F7)采用24V供電，其余電路為 常規(guī)接法。槳距角編碼器電路(F2)處理槳距角編碼器的輸出信號。由于槳距角編碼器只是 絕對值編碼器，因此只有絕對位置信號處理電路，處理方式與電機編碼器相同，在此不再說 明。電壓電流檢測電路(F3)的功能是測量母線電壓和電機定子電流。母線電壓檢測 如圖4所示，母線(P、N)電壓經(jīng)功率電阻R18和采樣電阻R19的分壓作用輸出電壓信號，經(jīng) 電阻R25和電容C14濾波后接隔離放大器(IS01)的2、3管腳，隔離放大器(IS01)通過6、 7管腳輸出差分信號，再經(jīng)過運放⑴5A)轉(zhuǎn)換為單端信號，經(jīng)過電阻R142、R143的分壓處理 和跟隨放大器的處理后，輸出給DSP(Ul)的AD轉(zhuǎn)換管腳。其余電路為常規(guī)接法。電流檢測 電路包括U相和W相的電流檢測，V相電流依靠軟件計算得出。這兩相電流檢測的電路完 全相同，這里就以U相為例來說明。如圖5所示，電流檢測元件LA100-P/SP50 (U3)輸出電 機的U相定子電流信號經(jīng)電阻R148、R138和R149的處理轉(zhuǎn)換為電壓信號，經(jīng)偏移和縮小處 理后輸出信號Iu到DSP的模擬量輸入管腳174。其余電路為常規(guī)接法。IPM及其驅(qū)動電路(F4)的功能是將DSP的控制信號轉(zhuǎn)化為對電機的控制。本實用 新型選擇三菱公司的IPM PM100RLA060，驅(qū)動電路為該數(shù)據(jù)手冊上的推薦電路，在此不做詳 細說明。該部分電路的輸入信號為由DSP系統(tǒng)(U1)輸出的6路PWM脈沖信號(PWM1 6) 和DSP由104管腳輸出的制動控制信號，輸出信號直接控制電機主回路，另外還有一個電源 模塊故障信號PERR輸出給DSP。RS485通訊電路(F5)的功能是實現(xiàn)DSP系統(tǒng)(U1)和上位機的通訊，實現(xiàn)伺服參 數(shù)的修改、軟件升級、運行狀態(tài)監(jiān)視及在線診斷。如圖6所示，本實用新型使用了一個兼容 3. 3V電平的RS485集成驅(qū)動芯片(U7)，該芯片具有磁耦隔離功能，其輸出的總線信號A、B 分別通過RS485專用浪涌保護芯片(Z7)對地保護。其余電路為常規(guī)接法。[0020]CAN通訊電路(F6)的功能是提供三個葉片伺服之間以及伺服和上位機之間的通 訊接口。如圖7所示，DSP(Ul)的CAN通訊接口信號CANRXA和CANTXA分別接磁耦(U01)的 2、3管腳，磁耦(U01)的6、7管腳分別接CAN驅(qū)動芯片(U5)的1、4管腳，CAN驅(qū)動芯片(U5) 的6、7管腳分別輸出CAN總線信號CANL、CANH，經(jīng)過CAN總線靜電保護二極管(Z8)輸出到 CAN通訊插頭J2。其余電路為常規(guī)接法。本實用新型的優(yōu)點1)采用全數(shù)字化控制，集成度高，控制性能穩(wěn)定可靠；2)采用 異步電機控制，系統(tǒng)環(huán)境適應(yīng)能力強；3)采用雙編碼器冗余控制，充分保障風(fēng)機系統(tǒng)安全； 4)采用RS485通訊作為人機接口，便于遠程監(jiān)控和調(diào)試。說明書附圖
圖1為本實用新型的系統(tǒng)原理總圖；圖2為本實用新型的電機編碼器增量式信號輸入電路；圖3為本實用新型的電機編碼器絕對式信號輸入電路；圖4為本實用新型的電壓檢測電路；圖5為本實用新型的電流檢測電路；圖6為本實用新型的RS485通訊電路；圖7為本實用新型的CAN通訊電路。
具體實施方式
下面將通過附圖對本實用新型作進一步的詳細說明。本實用新型包括DSP系統(tǒng)(U1)、可編程邏輯器件CPLD系統(tǒng)(U2)、電機編碼器電路 (F1)、槳距角編碼器電路(F2)、電壓電流檢測電路(F3)、智能功率模塊IPM及其驅(qū)動電路 (F4)、RS485通訊電路(F5)、CAN通訊電路(F6)。DSP采用TI公司的TMS320F2812 (U1)，是本 實用新型的核心部件，控制算法在其上面實現(xiàn)，其內(nèi)部集成了很多專用于電機控制的模塊， 大大簡化了外圍電路。CPLD采用的是ALTERA公司的EPM7256AETI100-7，其作用是采集具 有SSI接口的電機編碼器和槳距角編碼器絕對位置信號，以用于槳葉槳距角的定位控制。如圖1所示。電機編碼器電路(F1)將電機編碼器的增量式信號通過DSP(Ul)的 捕獲管腳106、107傳遞給DSP系統(tǒng)(U1)；同時，將電機編碼器的絕對式信號通過CPLD(U2) 的管腳24、25傳遞給CPLD系統(tǒng)(U2)。槳距角編碼器電路(F2)將槳距角編碼器的絕對值信 號通過CPLD系統(tǒng)(U2)的管腳22、23傳遞給CPLD系統(tǒng)(U2)。CPLD系統(tǒng)(U2)將采集到的 電機編碼器和槳距角編碼器的絕對位置信號通過并行總線方式傳遞給DSP系統(tǒng)(U1)，連線 方式為常規(guī)連接；另外，兩編碼器絕對值信號檢測需要一個時鐘信號由DSP(Ul)的管腳119 輸出給CPLD(U2)的87管腳。電壓電流檢測電路(F3)用于檢測母線電壓和電機兩相電流， 用于電機控制，其輸出的母線電壓信號Udc及電機定子線電流信號Iu和Iw分別接DSP (U1) 的模擬量信號輸入通道管腳173、174、172。DSP系統(tǒng)(U1)輸出的6路PWM信號PWM1 6 通過IPM及其驅(qū)動電路(F4)控制電機旋轉(zhuǎn)，同時DSP(Ul)還通過通用I/O管腳104輸出開 關(guān)量信號給IPM及其驅(qū)動電路(F4)控制電機的制動；IPM及其驅(qū)動電路(F4)輸出一路故障 保護信號PERR給DSP(Ul)的PDPINT外部中斷管腳110。RS485通訊電路(F5)輸出接收信 號SCIRXDB到DSP的91管腳，DSP通過管腳90輸出發(fā)送信號SCITXDB給RS485通訊電路 (F5)，另外，DSP還通過通用I/O管腳63輸出開關(guān)量信號控制RS485通訊收發(fā)轉(zhuǎn)換。CAN通
6訊電路(F6)輸出接收信號CANRXA到DSP的89管腳，DSP通過管腳87輸出發(fā)送信號CANTXA 給CAN通訊電路(F6)。電機編碼器電路包括電機編碼器增量式信號處理部分和絕對式信號處理部分兩 部分，如圖 2、圖 3 所示。圖 2 中，U12 :HCPL063L，F(xiàn)7 電機編碼器，R14、R15、R18、R19、R28、 R29 :lkQ 電阻，R16、R20 :200Q 電阻，C54、C55、C114、C115 :10pF 電容，C3 0. luF 電容，Zl、 Z2 :5V 單向 TVS 管。圖 3 中，U8 :ADUM1201BR，U6 :MAX490ESA, F7 電機編碼器，R37 :120Q 電阻，SI :200mA/35V 保險。在圖2中，電機的光電編碼器(F7)輸出的4路推挽式信號(A+、A_、B+、B_)分別 接限流電阻R19、R18、R14、R15，然后分別通過5V單向TVS管(Z2、Z1)和限流電阻R20、R16 輸入到雙路光耦芯片(U12)，雙路光耦芯片(U12)輸出兩路信號A、B到DSP(Ul)的106、107 腳。其余管腳及電路為常規(guī)接法。在圖3中，電機光電編碼器(F7)的4路SSI絕對位置 信號 Clock+、Clock-、Data+、Data-分別接 RS422 接 口芯片(U6)的 5、6、8、7 管腳，Data+、 Data-之間并接終端電阻(R37) ；RS422接口芯片(U6)的接收輸出管腳2、發(fā)送輸入管腳3 分別接磁耦(U8)的7管腳和6管腳，磁耦(U8)的隔離信號CL0CK_0UT1、SERIAL_DATA1分 別通過管腳3、2接CPLD(U2)的24、25腳。其余電路為常規(guī)接法。電壓電流檢測電路分別如圖4、圖5所示。圖4中，IS01 :HCPL7840，U5A :LM1458， U46 :0P07, R18 :330K/1W 功率電阻，R19 :150Q 電阻，R25:68Q 電阻，R26_R29:3kQ
電阻，R142 :5. 62kQ 1 % 電阻，R143 :30. IkQ 1 % 電阻，R96 :16 Q 電阻，C14 :0. OluF 電容，C16、C17 :150pF電容，C58 :1000pF電容，D19 :3. 3V穩(wěn)壓管。圖5中，U3 電流霍爾 LA100-P/SP50, U45 :0P07，R148 :50Q 電阻，R138、R149 :15Q 電阻，R139、R140 30. lkQ 電阻，R95:16Q 電阻，C57、C88 1000pF 電容，D18 :3. 3V 穩(wěn)壓管。母線電壓檢測如圖4所示，母線(P、N)電壓經(jīng)功率電阻R18和采樣電阻R19的分 壓作用輸出電壓信號，經(jīng)電阻R25和電容C14濾波后接隔離放大器(IS01)的2、3管腳，隔 離放大器(IS01)通過6、7管腳輸出差分信號，再經(jīng)過運放⑴5A)轉(zhuǎn)換為單端信號，經(jīng)過電 阻R142、R143的分壓處理和跟隨放大器的處理后，輸出給DSP(Ul)的AD轉(zhuǎn)換管腳。其余電 路為常規(guī)接法。U相定子電流檢測如圖5所示，電流檢測元件LA100-P/SP50 (U3)輸出電機 的U相定子電流信號經(jīng)電阻R148、R138和R149的處理轉(zhuǎn)換為電壓信號，經(jīng)偏移和縮小處理 后輸出信號Iu到DSP的模擬量輸入管腳174。其余電路為常規(guī)接法。RS485通訊電路如圖6所示，U7 :ADM2483，J1 :RS485通訊插頭，JP1 跳線，Z7 SM712, RUR2 :10kQ 電阻，R3、R6:5kQ 電阻，R4、R5:22Q 電阻，R7:120Q 電阻。DSP利用SCIB接口實現(xiàn)RS485通訊，具體為ADM2483 (U7)的3腳輸出信號 SCIRXDB經(jīng)過電阻R10上拉后到DSP的91管腳，DSP的發(fā)送數(shù)據(jù)管腳90輸出信號SCITXDB 到ADM2483 (U7)的6管腳，DSP輸出的收發(fā)轉(zhuǎn)換信號RTS到ADM2483 (U7)的4、5管腳， ADM2483 (U7)通過12、13腳輸出的A、B信號分別經(jīng)過電阻R5、R4后，經(jīng)過電阻R6和R3的 上拉和下拉、SM712(Z7)的防浪涌保護后，輸出到RS485通訊插頭(Jl)。R7為通訊終端電 阻，可以通過跳線JP1接到總線上去。其余電路為常規(guī)接法。CAN 通訊電路如圖 7 所示，U01 :ADUM1201，U5 :TJA1040，J2 :CAN 通訊插頭，JP2 跳 線，Z8 :PESD1CAN, R8、R9 60 Q 電阻，C51 0. luF 電容。DSP (U1)的CAN通訊接口信號CANRXA和CANTXA分別接磁耦(U01)的2、3管腳，磁耦(U01)的6、7管腳分別接CAN驅(qū)動芯片(U5)的1、4管腳，CAN驅(qū)動芯片(U5)的6、7管 腳分別輸出CAN總線信號CANL、CANH，經(jīng)過CAN總線靜電保護二極管(Z8)輸出到CAN通訊 插頭J2。其余電路為常規(guī)接法。
權(quán)利要求一種風(fēng)電變槳系統(tǒng)全數(shù)字交流異步伺服電機驅(qū)動器，包括DSP系統(tǒng)(U1)、CPLD系統(tǒng)(U2)、電機編碼器電路(F1)、槳距角編碼器電路(F2)、電壓電流檢測電路(F3)、IPM及其驅(qū)動電路(F4)、RS485通訊電路(F5)、CAN通訊電路(F6)；其特征在于電機編碼器電路(F1)輸出的增量式信號A、B與DSP系統(tǒng)(U1)的捕獲管腳106、107相連，將電機編碼器的增量式信號傳遞給DSP系統(tǒng)(U1)，電機編碼器電路(F1)的串行數(shù)據(jù)輸入信號SEIAL_DATA1、同步時鐘信號CLOCK_OUT1與CPLD系統(tǒng)(U2)的管腳25、24相連，將電機編碼器的絕對式信號傳遞給CPLD系統(tǒng)(U2)；槳距角編碼器電路(F2)的串行數(shù)據(jù)輸入信號SEIAL_DATA2、同步時鐘信號CLOCK_OUT2與CPLD系統(tǒng)(U2)的管腳23、22相連，將槳距角編碼器的絕對值信號傳遞給CPLD系統(tǒng)(U2)；CPLD系統(tǒng)(U2)通過并行總線連接到DSP系統(tǒng)(U1)，將采集到的電機編碼器和槳距角編碼器的絕對位置信號傳遞給DSP系統(tǒng)(U1)，上述兩編碼器絕對值信號檢測時鐘信號由DSP系統(tǒng)(U1)的管腳119輸出給CPLD系統(tǒng)(U2)的87管腳；電壓電流檢測電路(F3)用于檢測母線電壓和電機U相和W相電流，其輸出端分別接DSP系統(tǒng)(U1)的模擬量信號輸入通道管腳173、174、172，將檢測到的母線電壓信號Udc及電機定子U相和W相電流信號Iu、Iw上傳到DSP系統(tǒng)(U1)；DSP系統(tǒng)(U1)輸出6路PWM信號PWM1-6至IPM及其驅(qū)動電路(F4)控制電機旋轉(zhuǎn)，DSP(U1)還通過通用I/O管腳104輸出開關(guān)量信號給IPM及其驅(qū)動電路(F4)控制電機的制動；IPM及其驅(qū)動電路(F4)輸出一路故障保護信號PERR給DSP系統(tǒng)(U1)的PDPINT外部中斷管腳110；RS485通訊電路(F5)輸出接收信號SCIRXDB到DSP系統(tǒng)(U1)的91管腳，DSP系統(tǒng)(U1)通過管腳90輸出發(fā)送信號SCITXDB給RS485通訊電路(F5)，DSP系統(tǒng)(U1)還通過通用I/O管腳63輸出開關(guān)量信號控制RS485通訊收發(fā)轉(zhuǎn)換；CAN通訊電路(F6)輸出接收信號CANRXA到DSP系統(tǒng)(U1)的89管腳，DSP系統(tǒng)(U1)通過管腳87輸出發(fā)送信號CANTXA給CAN通訊電路(F6)。
2.按照權(quán)利要求1所述的驅(qū)動器，其特征在于，在電機編碼器電路(F1)中，電機的光電 編碼器(F7)輸出的4路推挽式信號A+、A-、B+、B-分別接第一至第四限流電阻(R19、R18、 R14、R15)，其中第一路推挽式信號A+連接到第一限流電阻(R19)，第二路推挽式信號A-連 接到第二限流電阻(R18)，第三路推挽式信號B+連接到第三限流電流(R14)，第四路推挽式 信號B-連接到第四限流電阻(R15)，第一限流電阻(R19)和第二限流電阻(R18)之間連接 第二單向TVS管(Z2)，第三限流電流(R14)和第四限流電阻(R15)之間連接第一單向TVS 管(Z1)，第一單向TVS管(Z1)的負極性端通過第五限流電阻(R20)、第二單向TVS管(Z2) 的負極性端通過第六限流電阻(R16)分別連接到雙路光耦芯片(U12)的輸入端，雙路光耦 芯片(U12)輸出的兩路電機編碼器增量式信號A、B分別連接到DSP系統(tǒng)(U1)的106、107 腳；電機光電編碼器(F7)的4路同步串行接口(SSI)絕對位置信號Clock+、Clock-、 Data+、Data_分別接RS422接口芯片(U6)的5、6、8、7管腳，數(shù)據(jù)輸入信號Data+、Data_之 間并接終端電阻(R37) ；RS422接口芯片(U6)的接收輸出管腳2、發(fā)送輸入管腳3分別接磁耦(U8)的7管腳和6管腳，磁耦(U8)的隔離信號CL0CK_0UT1、SERIAL_DATA1分別通過管 腳 3、2 接 CPLD(U2)的 24,25 腳。
專利摘要一種風(fēng)電變槳系統(tǒng)全數(shù)字交流異步伺服電機驅(qū)動器，屬于交流異步伺服電機技術(shù)領(lǐng)域。包括DSP系統(tǒng)(U1)、CPLD系統(tǒng)(U2)、電機編碼器電路(F1)、槳距角編碼器電路(F2)、電壓電流檢測電路(F3)、IPM及其驅(qū)動電路(F4)、RS485通訊電路(F5)、CAN通訊電路(F6)。優(yōu)點在于1)采用全數(shù)字化控制，集成度高，控制性能穩(wěn)定可靠；2)采用異步電機控制，系統(tǒng)環(huán)境適應(yīng)能力強；3)采用雙編碼器冗余控制，充分保障風(fēng)機系統(tǒng)安全；4)采用RS485通訊作為人機接口，便于遠程監(jiān)控和調(diào)試。
文檔編號H02P6/16GK201608678SQ200920246729
公開日2010年10月13日 申請日期2009年11月5日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月5日
發(fā)明者余康, 吳國榮, 李志強, 邵巍龍, 馬紅星, 黃哲, 黃振江 申請人:北京華電天仁電力控制技術(shù)有限公司