技术领域
[0001] 本
发明涉及
风力发电领域中变桨驱动装置，尤其是一种用于驱动直流电机的直流电机驱动器。
[0002]
背景技术
[0003]
风能作为一种发展迅猛的清洁
能源，具有广阔的发展前景。变桨控制系统是风电系统中重要的部件，其主要是用于控制桨叶
节距角随风速的大小进行
自动调节，电机驱动器是变桨控制系统中重要的部件之一，电机驱动器要求驱动器功率大、调速响应要快、调速平稳、精确；还有就是风场的环境都很恶劣，系统设备之间的干扰都很大，这要求驱动器要能够精确控制。目前普遍采用
单片机控制技术，但是驱动器所处的环境恶劣，各种干扰严重等，单片机控制已经不能满足控制的要求，鉴于此有必要设计一种性能优良且用于变桨控制系统的直流电机驱动器。
[0004]
发明内容
[0005] 本发明的目的在于解决上述的技术问题，提供一种性能可靠的，控制准确的直流电机驱动器。
[0006] 本发明是通过以下技术方案来实现：一种直流电机驱动器，包括三相
整流器，该三相整流器对输入的三相交流电整流后输出两路直流电到驱动
电路，该驱动电路的输出端输出稳压驱动驱动直流电机M，其特征在于，还包括
编码器，该编码器接收直流电机M的转速
信号，所述编码器输出端连接有驱动控制电路的电机转速输入端，所述驱动控制电路还接收外部输入的使能信号和设定转速信号，所述驱动控制电路的控制输出端输出
控制信号到所述驱动电路，驱动电路根据接收到的控制信号调节电机的运转状态。
[0007] 三相整流器接三相交流电源，并对输入的三相交流电进行整流，输出直流电，输出的直流电经过滤波后输送到
母线上，母线连接到驱动电路驱动直流电机工作，编码器接收直流电机M的转速信号，并将转速信号送至驱动控制电路，通过外部设备向驱动控制电路输入使能信号和设定转速信号，驱动控制电路对输入的信号进行处理后输出控制信号到驱动电路，由驱动电路控制直流电机的转动方向和转速。本驱动器采
电流反馈和转速反馈来实现对电机的转速控制。
[0008] 所述编码器为直流电机M的转速反馈器件，编码器对采集到的转速信号进行
频率-
电压转换，并将此电压信号传送到所述驱动控制电路设置的转速控制电路（9）；编码器对采集到的转速信号进行频率-电压转换，得到的是一个直流电压信号，此电压信号的大小与直流电机的转速成正比。
[0009] 所述驱动控制电路还设置有上电复位电路和差分输入电路，所述上电复位电路的输入端接收使能信号，该上电复位电路的输出端连接有模拟
开关的控制端，所述差分输入电路的两输入端分别接收两设定转速信号，该差分输入电路的输出端与所述模拟开关的一端连接，该模拟开关的另一端连接所述转速控制电路的设定信号输入端，该转速控制电路的输出端连接有电流控制电路的第一输入端；所述驱动控制电路设置有电流整定电路，该电流整定电路接收所述驱动电路的反馈电流，所述电流整定电路的输出端与所述电流控制电路的第二输入端连接，所述电流整定电路的输出端还连接有电流设置放大电路的输入端，该电流设置放大电路的输出端与所述电流控制电路的第一输入端连接；所述电流控制电路的输出端连接有PWM脉宽调
制芯片的第一输入端，所述转速控制电路的输出端还
串联解码电路后与所述PWM
脉宽调制芯片的第二输入端连接，所述PWM脉宽调制芯片的第一输出端PUA和第二输出端PUC分别连接有高压驱动芯片的第一输入端和第二输入端，所述PWM脉宽调制芯片的第二输出端PUC和第三输出端PDA分别接第一或非
逻辑门电路两输入端，该第一或非
逻辑门电路的输出端与所述高压驱动芯片的第三输入端连接，所述PWM脉宽调制芯片的第一输出端PUA和第四输出端PDC分别接第二或非逻辑门电路两输入端，该第二或非逻辑门电路的输出端与所述高压驱动芯片的第四输入端连接，所述高压驱动芯片的输出四路控制信号到所述驱动电路。
[0010] 模拟开关接收输入的使能信号的控制，当向上电复位电路输入使能信号，上电复位电路控
制模拟开关接通，转速控制电路接收到设定的转速信号，同时转速控制电路还接收编码器输出的直流电压信号，转速控制电路对输入的信号进行求和运算和PI运算（比例积分运算）后，输出转速控制信号到电流控制电路，电流控制电路还接收电机反馈电流信号，电流控制电路对输入的信号进行PI运算，求出控制信号送到PWM脉宽调制芯片，解码电路对由转速控制电路送来的信号进行解码求出电机的方向信号，送到PWM脉宽调制芯片；其中电流设置放大电路主要完成峰值电流和额定电流的设置，并将电机反馈电流放大，当电机在运转中电机的反馈电流超过电机设定的额定电流时就输出一信号到电流控制电路关断电流控制电路的
输出信号，为了防止电机过载启动，电流设置放大电路中还设计一延时电路，来保证通过一定的延时后又才输出信号控制电流控制电路输出控制信号，起到保护电机的目的。
[0011] PWM脉宽调制芯片主要功能是根据电流控制电路送来的信号和解码电路送来的电机运转方向信号，输出对应的脉宽信号，脉宽信号的占空比是根据电流控制电路送来的控制信号，由PWM脉宽调制芯片产生，PWM脉宽调制芯片对其第一输出端PUA和第二输出端PUC输出的信号先进行微分运算后送到高压驱动芯片，PWM脉宽调制芯片第二输出端PUC和第三输出端PDA输出的信号经过或非运算及 运算后送到高压驱动芯片，PWM脉宽调制芯片第一输出端PUA和第四输出端PDC输出的信号经过或非运算及 运算后送到高压驱动芯片，高压驱动芯片根据PWM脉宽调制芯片送来的脉宽信号进行转换后输出控制信号到驱动电路，驱动电路为IGBT（绝缘栅双极型晶体管），通过控制IGBT开通与关断,达到控制直流电机转速和转向的目的，实现对直流电机的精确控制。电流反馈的双闭环PI调节电路、直流电机反向放电可控电路、脉宽极限控制电路来实现对电机的精确控制。
[0012] 所述驱动电路包括四个绝缘栅双极型晶体管，该四个绝缘栅双极型晶体管组成桥式驱动电路，该桥式驱动电路的正极接母线的正端，桥式驱动电路的负极接母线的负端，所述桥式驱动电路两输出端跨接直流电机M，所述四个绝缘栅双极型晶体管的栅极分别与所述高压驱动芯片的四个输出端连接。
[0013] 驱动电路为四个绝缘栅双极型晶体管组成的桥式驱动电路，高压驱动芯片设置有四个驱动端分别连接一个绝缘栅双极型晶体管的栅极，高压驱动芯片根据PWM脉宽调制芯片的输出信号，输出脉冲驱动信号控制四个绝缘栅双极型晶体管，即可精确控制直流电机的运转方向和转速。
[0014] 驱动控制电路和驱动电路结构简单，性能可靠。
[0015] 所述桥式驱动电路的正端还串联过流检测电路后与所述高压驱动芯片的过流检测端连接，所述桥式驱动电路的负端还与所述高压驱动芯片的电流检测端连接，所述高压驱动芯片还设置有故障输出端，该故障输出端连接有故障检测电路的故障输入端，该故障检测电路还接收
温度传感器的温度信号、驱动电路的输入电压信号，该故障检测电路的输出端连接有故障保持电路的输入端，所述故障检测电路的输出端还串联工作指示灯和继电器后接地，所述故障保持电路还接收所述上电复位电路的控制信号，所述故障保持电路还输出控制信号到所述故障检测电路。
[0016] 高压驱动芯片接收直流电机的反馈电流，并对直流电机的电流大小进行判断，实现高压驱动芯片根据控制要求，自动调节输出控制信号的脉冲宽度；过流检测电路检测直流电机的电流大小，如果电机的电流超过设定的额定值，过流检测电路向高压驱动芯片发送过流信号，高压驱动芯片关断脉冲驱动信号，起到保护直流电机的目的，同时高压驱动芯片向故障检测电路发送故障信号，故障检测电路还接收温度传感器的温度信号、驱动电路的电压信号，故障检测电路主要对电机过流、欠压、过温检测和判断，当没有故障时继电器和工作指示灯工作；只要故障故障检测电路接收到任何一个故障信号，故障检测电路输出故障信号到故障保持电路，同时继电器和工作指示灯停止工作，此时系统控制停止工作，即使故障消失，系统也停止工作，只有从重输入使能信号将故障复位掉，系统才能工作。
[0017] 所述三相整流器与所述驱动电路之间还设置
滤波器，滤波器对输入的电流进行滤波后输送到母线上，所述驱动电路两输入端分别接在母线上，在母线上还连接有母线保护电路，该母线保护电路的正极接第一稳压管的正极，该第一稳压管的负极接第二稳压管的正极，该第二稳压管的负极接第三稳压管的正极，该第三稳压管的负极与第一电位器的一端连接，该第一电位器的另一端接第一
三极管的基极，该第一三极管的集
电极接正极，该第一三极管的发射极与第二三极管T2的基极连接，所述第一电位器的另一端还与第一
二极管的正极连接，该第一二极管的负极与所述第二三极管的集电极连接，该第二三极管的发射极与第二
电阻的一端连接，该第二电阻的另一端串联第三电阻后与母线保护电路的负极连接，所述第二电阻的另一端还接第五绝缘栅双极型晶体管的栅极，该第五绝缘栅双极型晶体管的集电极串联功率器后接正极，发射极接负极。
[0018] 通过调节第一电位器阻值来设定
直流母线的保护值。当母线上的电压值高于设定值，此时第一三极管、第二三极管触发导通，输出控制信号控制第五绝缘栅双极型晶体管导通，将母线上的多余
能量释放到功率
电阻器上，起到保护母线的目的。当母线上的电压等于或低于设定值，此时第一三极管、第二三极管截止，第五绝缘栅双极型晶体管截止。
[0019] 所述电流控制电路输出端还连接有脉宽限制电路，该脉宽限制电路设置有
运算放大器，所述PWM脉宽调制芯片的脉宽限制信号输出端与第二二极管的正极连接，该第二二极管的负极串联第四电阻后与所述
运算放大器正相输入端连接，所述运算放大器同相输入端还串联电容器后接地；所述电流控制电路输出端串联第五电阻后与电位器的一端连接，该电位器的另一端串联第六电阻后接地，所述电位器的中间头与所述运算放大器
反相输入端连接，该运算放大器的输出端接第三二极管的负极，该第三二极管的正极与所述所述电流控制电路输出端连接。
[0020] PWM脉宽调制芯片输出的三角波信号经整流滤波后在运算放大器的同相输入端得到一固定的直流电压，通过调整电位器设定极限脉宽信号，当由电流控制电路送来的控制信号的电压在运算放大器的反相输入端产生的电压高于运放正相输入端的电压，运算放大器输出就为低电平，通过第三二极管钳位后控制信号也变为低电平，当PWM脉宽调制芯片的控制信号为低电平，它的输出端就没有脉宽信号输出，起到保护电机过流的目的。
[0021] 本发明具有的优点在于：运行可靠，调速响应快，电流反馈的双闭环PI调节、直流电机反向放电、脉宽极限控制来实现对电机的精确控制，且抗干扰能力强；保护功能完善，适合风电变桨控制系统启动力矩大，频繁调节。
[0023] 图1是本发明的电路
框图；图2是驱动单元电路原理图；
图3是母线保护电路原理图；
图4是极限脉宽控制电路原理图；
图5是电机反向放电电路原理图。
[0024]
具体实施方式
[0025] 下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
[0026] 参见图１，一种直流电机驱动器，包括三相整流器1，该三相整流器1接三相交流电源，并对输入的三相交流电进行整流，输出的直流电是经过滤波器滤波后输送到母线上，通过驱动电路3驱动直流电机工作，还包括编码器，该编码器接收直流电机M的转速信号，并将转速信号送至驱动控制电路5，所述驱动控制电路5还接收外部输入的使能信号和设定转速信号，通过外部设备向驱动控制电路5输入使能信号和设定转速信号，驱动控制电路5对输入的信号进行处理后输出控制信号到驱动电路3，由驱动电路3根据需求控制直流电机的转动方向和转速。本驱动器是应用在
风力发电变桨，驱动器由三个完全相同的驱动控制单元组成，每个驱动控制单元都是接在直流母线上的。
[0027] 如图2所示，编码器为直流电机M的转速反馈器件，编码器对采集到的转速信号进行F-V(频率-电压)转换，得到的是一个直流电压信号，此电压信号的大小与直流电机的转速成正比。编码器将电压信号传送到所述驱动控制电路5设置的转速控制电路9，其中电路设置的电位器P2和电位器XP是调节转速控制信号大小的，电位器P1起到对转速控制信号调零的作用。
[0028] 所述驱动控制电路5还设置有上电复位电路6和差分输入电路7，所述上电复位电路6的输入端接收使能信号，该上电复位电路6的输出端连接有模拟开关8的控制端，所述差分输入电路7的两输入端分别接收两设定转速信号，该差分输入电路7的输出端与所述模拟开关8的一端连接，该模拟开关8的另一端连接所述转速控制电路9的设定信号输入端，模拟开关8接收输入的使能信号的控制，当向上电复位电路6输入使能信号，上电复位电路6控制模拟开关8接通，转速控制电路9接收到设定转速信号，同时转速控制电路9还接收编码器输出的直流电压信号，输入的信号进行求和运算和PI运算（比例积分运算）后，输出转速控制信号到电流控制电路10；驱动控制电路5设置有电流整定电路11，该电流整定电路11接收所述驱动电路3的反馈电流，所述电流整定电路11的输出整定后的电流到电流控制电路10，所述电流整定电路11的输出端还连接有电流设置放大电路12的输入端，设定电机的峰值电流和电机额定电流，并将设定信号输送到电流控制电路10；电流控制电路10的输出端连接有PWM脉宽调制芯片13的第一输入端，所述转速控制电路9的输出端还串联解码电路14后与所述PWM脉宽调制芯片13的第二输入端连接，解码电路14对由转速控制电路送来的信号进行解码判断出电机的运转方向信号，并送到PWM脉宽调制芯片13，PWM脉宽调制芯片13主要功能是根据电流控制电路10送来的控制信号和解码电路14送来的电机运转方向信号，输出对应的脉宽信号，脉宽信号的占空比是根据电流控制电路10送来的控制信号，由PWM脉宽调制芯片13产生，PWM脉宽调制芯片13对其第一输出端PUA和第二输出端PUC输出的信号先进行微分运算后送到高压驱动芯片17，PWM脉宽调制芯片13第二输出端PUC和第三输出端PDA输出的信号经过或非运算及 运算后送到高压驱动芯片17，PWM脉宽调制芯片13第一输出端PUA和第四输出端PDC输出的信号经过或非运算及 运算后送到高压驱动芯片17，高压驱动芯片17根据PWM脉宽调制芯片13送来的脉宽信号进行处理和转换后输出控制信号到驱动电路3，驱动电路3为四个绝缘栅双极型晶体管Q1~Q4组成的桥式驱动电路，高压驱动芯片17设置四个驱动端分别连接一个绝缘栅双极型晶体管的栅极，高压驱动芯片17根据PWM脉宽调制芯片13的输出信号，输出脉冲驱动信号控制四个绝缘栅双极型晶体管的导通，假设控制第一绝缘栅双极型晶体管Q1和第四绝缘栅双极型晶体管Q4触发，电机正转，那么控制第二绝缘栅双极型晶体管Q2和第三绝缘栅双极型晶体管Q3触发，电机就反转。通过控制四个绝缘栅双极型晶体管的导通顺序和导通频率，便可控制直流电机的运转方向和转速，该驱动控制电路和驱动电路结构简单，性能可靠。
[0029] 高压驱动芯片17接收直流电机的反馈电流，并对直流电机的电流大小进行判断，实现高压驱动芯片17根据控制要求，自动调节输出控制信号的脉冲宽度；过流检测电路18检测直流电机的电流大小，如果电机的电流超过设定的额定值，过流检测电路18向高压驱动芯片17发送过流信号，高压驱动芯片17关断脉冲驱动信号，起到保护直流电机的目的，同时高压驱动芯片17向故障检测电路19发送故障信号，故障检测电路19还接收温度传感器的温度信号、驱动电路3的电压信号，故障检测电路主要对电机过流、欠压、过温检测和判断，当没有故障时继电器和工作指示灯工作；只要故障故障检测电路19接收到至少一个故障信号，故障检测电路19输出故障信号到故障保持电路，同时继电器和工作指示灯停止工作，此时系统控制停止工作，即使故障消失，系统也停止工作，只有从重输入使能信号将故障复位掉，系统才能工作。
[0030] 如图3所示，在直流母线上还连接有母线保护电路，该母线保护电路的正极接第一稳压管DZ1的正极，该第一稳压管DZ1的负极接第二稳压管DZ2的正极，该第二稳压管DZ2的负极接第三稳压管DZ3的正极，该第三稳压管DZ3的负极与第一电位器W1的一端连接，该第一电位器W1的另一端接第一三极管T1的基极，该第一三极管T1的集电极接正极，该第一三极管T1的发射极与第二三极管T2的基极连接，所述第一电位器W1的另一端还与第一二极管D1的正极连接，该第一二极管D1的负极与所述第二三极管T2的集电极连接，该第二三极管T2的发射极与第二电阻R2的一端连接，该第二电阻R2的另一端串联第三电阻R3后与母线保护电路的负极连接，所述第二电阻R2的另一端还接第五绝缘栅双极型晶体管Q5的栅极，该第五绝缘栅双极型晶体管Q5的集电极串联功率发热器后接正极，发射极接负极。通过调节第一电位器W1阻值来设定直流母线的保护值。当母线上的电压值高于设定值，此时第一三极管T1、第二三极管T2触发导通，输出控制信号控制第五绝缘栅双极型晶体管Q5导通，将母线上的多余能量释放到功率电阻器上，起到保护母线的目的。当母线上的电压等于或低于设定值，此时第一三极管T1、第二三极管T2截止，第五绝缘栅双极型晶体管Q5截止，母线保护电路工作原理简单，在设计时电阻、电容、稳压管要选用
精度高温升小的元件，就能保证电路工作稳定可靠。
[0031] 如图4所示，电流控制电路10输出端还连接有脉宽限制电路，该脉宽限制电路设置有运算放大器21，PWM脉宽调制芯片13的脉宽限制信号输出端与第二二极管D2的正极连接，该第二二极管D2的负极串联第四电阻R4后与所述运算放大器21正相输入端连接，所述运算放大器21正相输入端还串联电容器后接地；电流控制电路10输出端串联第五电阻R5后与电位器W2的一端连接，该电位器W2的另一端串联第六电阻R6后接地，所述电位器W2的中间头与所述运算放大器21反相输入端连接，该运算放大器21的输出端接第三二极管D3的负极，该第三二极管D3的正极与所述所述电流控制电路10输出端连接。PWM脉宽调制芯片13输出的三角波信号经整流滤波后在运算放大器21的正相脚得到一固定的直流电压，通过调整滑动变阻器设定极限脉宽信号，当由电流控制电路送来的控制信号的电压在运算放大器21的反相输入端产生的电压高于运放正相输入端的电压，运算放大器21输出就为低电平，通过第三二极管D3钳位后控制信号也变为低电平，当PWM脉宽调制芯片13的控制信号为低电平，它的输出端就没有脉宽信号输出，起到保护电机过流的目的。
[0032] 本发明设计采用控制IGBT来泄放电机的反向电势到直流母线上。现结合图5具体加以说明，现设定电机的方向信号为正转，设定PWM脉宽调制芯片13的PDC脚、PUA脚输出的脉宽
波形如图5，此时PDA脚、PUC脚输出低电平，PUA脚的波形径微分运算和或非运算后得到LN3脚的波形，此脚波形的低电平宽度根据不同电机的功率来调整电路中的电阻、电容值的大小。PDC脚的信号经或非运算后得到LN1脚的波形，高压驱动芯片17将输入的波形反相后输出HO1、LO3、LO1驱动波形，当HOI和LO3为高电平，第一绝缘栅双极型晶体管Q1、第四绝缘栅双极型晶体管Q4导通电机正转，当HOI LO3为低电平时第一绝缘栅双极型晶体管Q1、第四绝缘栅双极型晶体管Q4截止，此时LO1为高电平控制第二绝缘栅双极型晶体管Q2导通，将电机上的反向电势泄放到直流母线上。如果电机反转，LO3为高电平控制第四绝缘栅双极型晶体管Q4导通，将电机上的反向电势泄放到直流母线上。设计此种泄放电路能快速可靠的将反向电势释放，比传统用二极管作泄放的优点是IGBT能承受更大的反向能量和电压，且反向泄放是可控的。
[0033] 本发明所述的直流电机驱动器采用转速反馈和电流反馈的双闭环PI调节，电机调速时响应速度快调速平稳，启动电流小，控制的转速精度能控制在实际转速的±0.5％范围内。通过模
块化设计，使产品的通用性、互换性、可维修性得到加强，提高了驱动器的
稳定性、可靠性和抗干扰能力。
[0034] 本发明的上述
实施例仅仅是为说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的
基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
