一种风机变桨距控制器.pdf

本发明提供了一种风机变桨距控制器，涉及风力发电装置技术领域。包括TMS320LF2407单片机的各接口分別和：开关量隔离输入电路、摸拟量隔离调理电路、脉冲量调理电路、串行通讯协议转换电路、可与继电器相连的开关量隔离输出电路相连，TMS320LF2407单片机通过RS485串口和CAN通讯驱动电路与外界控制电路连接，CAN通讯驱动电路和系统主控制器相连，开关量隔离输入电路、摸拟量隔离调理电路、脉冲量调理电路分別和传感器相连；并有相关软件。本发明可以通过控制叶片攻角的改变进行功率调节；通过桨距角控制和速度控制可实现风力发电机的起动、停止和紧急事故处理，可使风力发电机处于良好的运行。

1、  一种风机变桨距控制器，其特征在于具有单片机主CPU电路，和不同功能传感器输出端相连的开关量隔离输入电路、摸拟量隔离调理电路、脉冲量调理电路的输出端分別和单片机的IO口、AD转换口、捕捉口相连；与其继电器相连的开关量隔离电路输入端和单片机的IO接口相连；单片机的CAN通讯接口和CAN通讯驱动电路相连，CAN通讯驱动电路可和系统主控制器相连；单片机的串行通讯接口和串行通讯协议转换电路相连；并具有下列软件装置：
将来自控制器输出的桨距角位置指令与桨距角位置反馈经误差放大器比较后，经比例阀控制桨距角的闭环控制装置；
将来自控制器的桨距角速度指令经比例阀控制桨距角的开环控制装置；
需要减小桨距角时，控制器输出速度命令电压信号给比例阀，液压缸使桨叶改变桨距，向0°位置靠近；需要增大桨距角时，控制器输出速度命令电压信号给比例阀，液压缸使桨叶改变桨距，向90°位置靠近。

2、  根据权利要求1所述的风机变桨距控制器，其特征在于所述的单片机为TMS320LF2407单片机，TMS320LF2407单片机通过RRS485串心和CAN通讯驱动电路相连。

3、  根据权利要求2所述的风机变桨距控制器，其特征在于采用，LF2407指令周期为33ns(30MHz)，片内32K的flash程序存储器，1.5K字的数据/程序RAM，两个事件管理模块EVA和EVB，可扩展的外部存储器共192K字，看门狗定时器模块(WDT)，40个可单独编程或复用的通用输入/输出引脚(GPIO)，控制器局域网络(CAN)2.0模块，实现基于CAN总线的变桨距控制。

4、  根据权利要求3所述的风机变桨距控制器，其特征在于外部桨角位置和电机转速模拟信号经过低通滤波器MAX4169和比例电路LM324(由10V的幅值缩小为2.5V)，最后送到TMS320LF2407的AD转换口ADCI01~ADCI04；外部的0V/24V的数字信号经光耦隔离后连接到TMS320LF2407的IO引脚；脉冲信号先经过MAX4169滤波电路取出基波，再经过滞环比较器整形后得到新的同频率的干净的脉冲信号也直接连接到TMS320LF2407的IO引脚；控制电压信号经TMS320LF2407的D0~D15数据口、A0和A1的地址选择口、W/R读写口、DA_CS片选口连接到74LVTH16245和DAC7625芯片，转变为模拟电压输出信号，模拟输出信号经过低通滤波器MAX4169和比例电路LM324，最后送到比例阀，液压缸使桨叶以固定速率改变桨距，实现变桨功能；TMS320LF2407通过SCITXD和SCIRXT与MAX3223芯片连接把信号转换为RS232通讯模式；通过CANTX和CANRX与SN65HVD231芯片连接把信号转换为CAN通讯模式，分别与本地控制器和系统主控制器进行通讯联系，传输风电机组的运行状态和运行数据，以及故障信息；TPS767D3XX芯片把5V电压转换为TMS320LF2407主芯片使用的3.3V供电电压；MAX6316芯片通过WDT和RESET直接与TMS320LF2407连接实现系统自动复位功能。

一种风机变桨距控制器
技术领域
本发明涉及风力发电装置技术领域，具体涉及一种风机变桨距控制器。
背景技术
风力发电系统应能灵活变桨以实现转速调节和功率控制，减小风轮机的机械应力及改善风力发电机的运行状态。然而目前的风力发电系统中的风机变桨距控制器效果均不理想。
发明内容
本发明的目的是提供一种风机变桨距控制器，它可以灵活高效的捕获风能，减小风轮机的机械应力，不但可以实现转速调节和功率控制，而且可以明显改善风力发电机的运行状态，其结构简单，使用方便、可靠，成本较低。特别适用于大型风力发电机组上。
本发明的主要的基本的技术方案是：一种风机变桨距控制器，其特征在于具有单片机主CPU电路，和不同功能传感器输出端相连的开关量隔离输入电路、摸拟量隔离调理电路、脉冲量调理电路的输出端分别和单片机的IO口、AD转换口、捕捉口相连；与其继电器相连的开关量隔离电路输入端和单片机的IO接口相连；单片机的CAN通讯接口和CAN通讯驱动电路相连，CAN通讯驱动电路可和系统主控制器相连；单片机的串行通讯接口和串行通讯协议转换电路相连；并具有下列软件装置：
将来自控制器输出的桨距角位置指令与桨距角位置反馈经误差放大器比较后，经比例阀控制桨距角的闭环控制装置；
将来自控制器的桨距角速度指令经比例阀控制桨距角的开环控制装置；
需要减小桨距角时，控制器输出速度命令电压信号给比例阀，液压缸使桨叶改变桨距，向0°位置靠近；需要增大桨距角时，控制器输出速度命令电压信号给比例阀，液压缸使制器桨叶改变桨距，向90°位置靠近。
所述的单片机为TMS320LF2407单片机为佳，TMS320LF2407单片机通过RS485串口和CAN通讯驱动电路与外界控制电路连接。
上述风机变桨距控制中采用，LF2407指令周期为33ns(30MHz)，片内32K的flash程序存储器，1.5K字的数据/程序RAM；两个事件管理模块EVA和EVB；可扩展的外部存储器共192K字；看门狗定时器模块(WDT)；40个可单独编程或复用的通用输入/输出引脚(GPIO)；控制器局域网络(CAN)2.0模块，实现基于CAN总线的变桨距控制。
上述风机变桨距控制器中可采用，外部桨角位置和电机转速模拟信号经过低通滤波器MAX4169和比例电路LM324(由10V的幅值缩小为2.5V)，最后送到TMS320LF2407的AD转换口ADCI01～ADCI04；外部的0V/24V的数字信号经光耦隔离后连接到TMS320LF2407的IO引脚；脉冲信号先经过MAX4169滤波电路取出基波，再经过滞环比较器整形后得到新的同频率的干净的脉冲信号也直接连接到TMS320LF2407的IO引脚；控制电压信号经TMS320LF2407的D0～D15数据口、A0和A1的地址选择口、W/R读写口、DA_CS片选口连接到74LVTH16245和DAC7625芯片，转变为模拟电压输出信号，模拟输出信号经过低通滤波器MAX4169和比例电路LM324，最后送到比例阀，液压缸使桨叶以固定速率改变桨距，实现变桨功能；TMS320LF2407通过SCITXD和SCIRXT与MAX3223芯片连接把信号转换为RS232通讯模式；通过CANTX和CANRX与SN65HVD231芯片连接把信号转换为CAN通讯模式，分别与本地控制器和系统主控制器进行通讯联系，传输风电机组的运行状态和运行数据，以及故障信息；TPS767D3XX芯片把5V电压转换为TMS320LF2407主芯片使用的3.3V供电电压；MAX6316芯片通过WDT和RESET直接与TMS320LF2407连接实现系统自动复位功能。
本发明的积极效果是：具有风机变桨距控制器的各种功能：1)桨距角检测及桨距角位置控制；2)发电机功率检测及发电机功率控制；3)与塔底主控制器通信。它可以通过控制叶片攻角的改变进行功率调节；通过桨距角控制和速度控制可实现风力发电机的起动、停止和紧急事故处理，可使风力发电机处于良好的运行状态。与国外Zond风机技术相比，本发明实现了一套实际的变桨距软硬件控制系统完全自主开发，为我国大型变速变桨风力发电控制系统的独立开发奠定了技术基础。变桨距风力发电系统可以灵活高效的捕获风能，减小风轮机的机械应力，不但可以实现转速调节和功率控制，而且可以明显改善风力发电机的运行状态。并能满足风力发电站运行要求，功能完善，性能稳定，其结构简单，使用方便、可靠，成本较低。特别适用于大型风力发电机组上。
以下结合附图及实施例作详述，但不作为对本发明的限定。
附图说明
图1为变桨距控制器的硬件结构图。
图2为主芯片CPU的电路图。
图3为看门狗复位电路图。
图4、图5、图6为通讯电路图。
图7为芯片电源电路图。
图8为信号输出电路图。
图9、图10、图11、图12为信号输入电路图。
图13为主程序流程图。
以上各图中的符号说明如下：U1-TMS320LF2407；U2-MAX6316；U4-MAX3223；U5-SN65HVD231；U6-MAX3490；U9-74LVTH16245；U11-DAC7625；U12-LM324；U13-TPS767D3XX；U14-MAX4169；DPA-MAX4169；DPB-MAX4169；CR1-晶振；R3~R5-电阻；R8-电阻；R11~R14-电阻；R16~R23-电阻；R25~R26-电阻；R28~R84-电阻；C1~C12-电容；C15~C21-电容；C24~C30-电容；C38-电容；C40-电容；C69~C80-电容；C23-电解电容；C32~C37-电解电容；B1-电感；B3~B5-电感；D4~D7-稳压管；S1-键盘；P1-串口。
具体实施方式
参见图1～图12，该变桨距控制器，主要由TMS320LF2407单片机、RS485、CAN通讯和输入/输出信号电路组成。TMS320LF2407的体系结构专为实时信号处理而设计。LF2407指令周期为33ns(30MHz)，片内32K的flash程序存储器，1.5K字的数据/程序RAM；两个事件管理模块EVA和EVB；可扩展的外部存储器共192K字；看门狗定时器模块(WDT)；40个可单独编程或复用的通用输入/输出引脚(GPIO)；控制器局域网络(CAN)2.0模块，可方便实现基于CAN总线的变桨距控制。
变桨距控制器中的外围电路主要包括模拟信号的隔离与调理电路、数字信号的隔离电路、通讯接口的隔离和驱动电路及上述各电路等。上述各外围电路也可采用现有技术。外部桨角位置和电机转速模拟信号经过低通滤波器MAX4169和比例电路LM324(由10V的幅值缩小为2.5V)，最后送到TMS320LF2407的AD转换口ADCI01~ADCI04；外部的0V/24V的数字信号经光耦隔离后连接到TMS320LF2407的IO引脚；脉冲信号先经过MAX4169滤波电路取出基波，再经过滞环比较器整形后得到新的同频率的干净的脉冲信号也直接连接到TMS320LF2407的IO引脚；控制电压信号经TMS320LF2407的D0~D15数据口、A0和A1的地址选择口、W/R读写口、DA_CS片选口连接到74LVTH16245和DAC7625芯片，转变为模拟电压输出信号，模拟输出信号经过低通滤波器MAX4169和比例电路LM324，最后送到比例阀，液压缸使桨叶以固定速率改变桨距，实现变桨功能。TMS320LF2407通过SCITXD和SCIRXT与MAX3223芯片连接把信号转换为RS232通讯模式；通过CANTX和CANRX与SN65HVD231芯片连接把信号转换为CAN通讯模式，分别与本地控制器和系统主控制器进行通讯联系，传输风电机组的运行状态和运行数据，以及故障信息。TPS767D3XX芯片把5V电压转换为TMS320LF2407主芯片使用的3.3V供电电压。MAX6316芯片通过WDT和RESET直接与TMS320LF2407连接实现系统自动复位功能。
上述CPU板与电源/信号板采用隔离方式。整个变桨距控制系统可采用4块功能模块(连同机械部分)设计，分别负责电源、功率调节、桨角位置、桨角指令四种不同的功能。现场测试变桨距控制器实现了在线参数设定、在自动运行状态下推桨到并网发电、故障状态顺桨保护、手动桨角操作、功率调节等系统功能。
控制器采用散热、电磁屏蔽性好的系统封装。
软件说明：(参见图13)
1、软件功能设计
桨距控制器完成的主要功能：
·桨距角检测及桨距角位置控制；根据桨距角的测量值调整桨距角使其适应不同风速条件下的运行状态。
·发电机功率检测及发电机功率控制；根据发电机的输出功率，调整桨距角等自动进行功率控制。
·与塔底主控制器通信；与塔底主控制器进行数据和参数交换。
软件流程图，如图13所示。
由于DSP Lf2407a是定点CPU，而控制器需要进行大量的浮点运算，在实际设计中采用了Q格式进行数值转换。
数据对应关系表
(1)桨角(PITCH_pos)对应关系：
根据Q格式的数值表示范围，采用Q8格式(-128＝＜X＝＜-127.9960938)，桨角的表示范围是96.00～-0.00度。则等式两边分别乘以256后得到计算公式。
公式一：
实际采样值＝＞实际桨角值




公式二
实际采样值＝＞实际电压值

(2)功率(POWER_in)对应关系：
采样电路满偏1023对应3.3v


(master电路参考电压2.5v，比例4)8v对应1000kw


(1)桨角驱动(PITCH_drv)电压对应关系

(2)输出风速线性关系
风速数值范围：0～30mph
输出范围-10v～10v，0x0000～0x0fff；
0.6V对应1mph，WIND_SPEED*136
2、通讯内容
系统控制器发送给变桨控制器的数据包括：
1)系统运行的重要参数
风速；
发电机转速；
环境温度；
2)系统的运行状态
系统状态：自动、待机或停机；
发电机的并网状态：并网或脱网；
系统是否超功率保护；
3)新更改的参数(从界面获得)
风力机达到的最小桨角值；
风力机待机时的桨角值；
风力机切入自动运行的起始角度；
推桨(减小桨角)电压；
顺桨(增加桨角)电压1；
顺桨(增加桨角)电压2；
发电机的最大有功功率(告知变桨控制器)；
变桨控制器开始工作的功率额定值；
变桨控制器调节功率的功率波动范围；
桨角调节误差范围。
4)系统控制器从变桨控制器读取的数据包括：
当前的实际桨角值；
变桨控制器的当前状态；
变桨控制器接收到的数据的反馈。
3、系统控制器和变桨控制器通讯的方式
由于系统控制器和变桨控制器都是由DSP芯片TMS320LF2407a实现的，而该芯片自带了CAN通讯接口，所以系统控制器和变桨控制器的通讯就由CAN总线协议来实现。
CAN总线通讯的主要特性：
1)低成本的现场总线；
2)极高的总线利用率；
3)很远的数据传输距离(长达10Km)；
4)高速的数据传输速率(高达1Mbps)；
5)可根据报文的ID决定接收或屏蔽该报文；
6)可靠的错误处理和检错机制；
7)发送的信息遭到破坏后，可自动重发；
8)节点在错误严重的情况下具有自动退出总线的功能；
9)报文不包含源地址或目标地址，仅用标志符来指示功能信息、优先级信息。