基于ARM的风力机电动变桨距控制系统的研究与设计

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1、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，木文提出了一种新型的基TARM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

2、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H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。口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，冃具有集成

3、度高、实吋性强、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X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cor——风力机风轮角速度(rad/s)；R——叶片半径(m)；v——主导风速(m/s)oCp代表了风轮从风能中吸收功率的能力，它是叶尖速比X和桨距角的高阶非线性函数。图1表示出了风能利用系

4、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，风机从风能屮捕获的机械功率为：即在风速一定的情况卜•，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入opt。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，此吋，风机从风能屮获得的机械功率为：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

5、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。木文屮，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出变桨控制器、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，H92

6、00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；4MBFlash可固化Linux内核，32MBSDRAM可扩展，64MBNANDFlash可存储大量数据；实吋吋钟（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；

7、支持RS-232,RS485、JTAG接口以及RJ-4510/100M0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。在本设计屮，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