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基于ARM的风力机电动变桨距控制系统的研究与设计

基于 ARM 的风力机电动变桨距控制系统的研究与设计 【摘要】 为了改善现行的变桨距控制系统的控制效果,本文提出了一种新型 的基于 ARM 的变桨距控制方法。本设计选用 H9200F 作为核心处理器,其功耗 低,片上资源丰富,价格低廉,方便扩展,能够方便的与上位机进行通信,并可 实现在线编程。ARM 负责对风速风向、电机转速、励磁电流、桨叶位置等信号 的采集,并进行 A/D 转换。依照变桨距控制算法进行计算,得出实时风速下桨 叶应到达的位置,进而控制电机的 PWM 脉冲信号的产生,使电机以合适的速度 带动桨叶旋转到适当的位置,实现对桨距角精准、快速的定位。 【关键词】风力发电;电动变桨距;ARM;交流电机;伺服控制 风力机根据其桨距调节方式也主要分为定桨距风力机和变桨距风力机。 由于变桨距风力机组具有在额定功率点以上输出功率平稳的特点, 可以使得 额定功率点仍然具有较高的功率系数。 所以目前的兆瓦级大型风力发电机组多采 用变桨距控制技术。 变桨距控制系统是风力发电机组最为核心的部分之一,它关 系到机组是否能够安全、稳定、高效的运行。因此变桨距控制技术成为了目前风 力发电机组的热点研究对象。 目前主流的电动变桨距控制器多采用 DSP 进行控制,DSP 在数字信号处理 方面有一定的优势, 其工作原理是将接收的模拟信号转换为数字信号,对数字信 号进行运算并输出运算结果。随着 ARM 核心处理器的发展,其在数字处理方面 的速度与 DSP 相比已无大的差别,且具有集成度高、实时性强、可多任务操作, 尤其是其扩展性和事件处理方面的能力是 DSP 无法相比的。所以在此基础上本 文设计了一种基于 ARM 的新型的变桨距控制方法。 1.变桨距的理论原理 风力机基本特性,即风轮的空气动力特性,通常由一簇包含风能利用系数 Cp 和叶尖速比 λ 的无因次性能曲线来表达。Cp 是风能利用系数: 风轮的功率系数最大,即其理论最大值为 0.593,其主要损失部分可以解释 为留在尾气中的旋转动能。 叶尖速比可以表示为: 式中 ωr——风力机风轮角速度(rad/s) ;R——叶片半径(m) ;v——主导 风速(m/s) 。 Cp 代表了风轮从风能中吸收功率的能力,它是叶尖速比 λ 和桨距角的高阶 非线性函数。 图 1 表示出了风能利用系数与浆距角的变化关系:当浆距角不断增 大时,将显著缩小。对于变速风力发电机组,发电机转速和风速的比例变化范围 很宽,叶尖速比也可以在较宽的范围内变化,所以它在 CPmax 点运行的机会很 小。 由风力机的能量转换原理,风机从风能中捕获的机械功率为: 即在风速一定的情况下, 叶轮所获得的功率将取决于风能利用系数。若在任 何风速下,风机都运行在 CPmax 点,则可增加其输出功率。这时候的叶尖速比 就是最佳叶尖速比 λopt。 控制风力机的转速就可以使风机维持在最佳叶尖速比运 行,此时,风机从风能中获得的机械功率为: 这就是变速风力机的变桨理论依据,依据风速的变化及时调整风机的转速, 使风机维持在最佳运行状态。 2.电变桨控制系统的原理与硬件实现 2.1 电变桨控制系统的原理 本控制系统采用独立变桨的控制策略。 所谓独立变桨距既是指风力机的每支 叶片根据自己的控制规律独立地变化桨距角。本文中,变距系统的执行机构采用 电作动筒,节距控制器的输出信号经驱动电路后驱动电作动筒,推动变距机构, 使桨叶节距角变。 2.2 电变桨控制系统的构成 变桨距控制系统由变桨控制器、功率驱动器及变桨伺服电机构成。 2.2.1 变桨控制器 变桨控制器是整个电动变桨系统的核心, 其通过检测功率驱动器的电压或电 流信号,以及风速信号和桨叶位置信号,经相应的运算,产生变化的脉冲信号, 使驱动器产生相应动作,从而实现对功率驱动器的控制。 本文中选用 H9200 作为变桨控制器,H9200 系统的核心是 32 位 ARM920T 核的高速 ARM 处理器 AT91RM9200,AT91RM9200 是一款高性能、低功耗、低 成本的嵌入式 ARM 微处理器, 作为一款高性价比的 ARM 处理器, AT91RM9200 已被广泛应用于各种工业控制系统中。 其系统主板包含 ATMEL 的 AT91RM9200 微处理器, 180MHZ 工作频率下运行在 200MIPS, 内嵌 16KB 数据 Cache 和 16KB 指令 Cache, 以及 MMU; 4MB Flash 可固化 Linux 内核, 32MB SDRAM 可扩展, 64MB NAND Flash 可存储大量数据;实时时钟(RTC) ;16 路 12 位 ADC,支持 单双极性电压信号输入,4-20mA 电流信号输入;支持 RS-232,RS485、JTAG 接口以及 RJ-45 10/100M 自适应以太网接口。ARM 处理器易扩展,用串口通信 来实现与上下位机的通信,并可通过 JTAG 接口实现对 ARM 的在线编程,并可 以进行 LCD 显示器、USB 接口以及网口的扩展,进行远程实时监控。在本设计 中,ARM 主要负责风速风向、电机转速、励磁电流和桨叶位置等信号的采集并 进行 A/D 转换,对采集数据进行计算后,控制电机的 PWM 脉冲信号的产生, 驱动桨叶到合适的位置,实现快速、精准的变桨距控制。 2.2.2 功率驱动器 目前,在低压交流电动机的传动控制中,IPM(智能功率模块)是应用最多 的功率器件[3]。在通用变频器中,IPM 集中了其他功率管的低饱和电压特性与 高频开关特性,成为了主流功率器件。除此之外,IPM 还包含了 IGBT 芯片及外 围的驱动和过压、过流、过热保护电路,有些 IPM 甚至集成了光电耦合器,并 可将检测信号送至 CPU,因此是一种极为经济实用的集成功率器件。因此,本 文设计的风力机电动变桨距控制系统,选用集成 IPM 模块作为功率驱动器。 2.2.3 变桨伺服电机 电动机的选择是电动变桨距控制系统中最为关键的部分。 扭矩大、 结构简单、 重量

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