1 引言
風(fēng)能作為清潔的可再生的綠色能源，已經(jīng)受到世界各國(guó)的普遍重視，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)也開(kāi)始成為越來(lái)越多國(guó)家的研究重點(diǎn)。國(guó)外大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組尤其是兆瓦級(jí)以上的風(fēng)力機(jī)組一般采用電動(dòng)變槳距控制技術(shù)。本文是在這個(gè)大背景下，應(yīng)用三相交流異步電動(dòng)機(jī)和矢量控制原理，對(duì)電動(dòng)變槳伺服控制系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)研究。電動(dòng)變槳伺服控制系統(tǒng)需要對(duì)葉片角度進(jìn)行精確的定位控制，傳統(tǒng)伺服系統(tǒng)中，位置環(huán)設(shè)計(jì)成比例積分控制環(huán)節(jié)，無(wú)法完全滿足該電動(dòng)變槳伺服系統(tǒng)的要求。本文為了進(jìn)一步加強(qiáng)位置環(huán)的跟隨性能，采用了積分分離控制器。通過(guò)matlab仿真結(jié)果表明，在交流電動(dòng)變槳伺服系統(tǒng)中位置環(huán)采用積分分離控制，可以使伺服系統(tǒng)獲得快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，并且通過(guò)對(duì)位置環(huán)比例系數(shù)的調(diào)節(jié)，可以保證系統(tǒng)定位的高精度、無(wú)超調(diào)。
2 電動(dòng)變槳積分分離pi位置控制器的設(shè)計(jì)
2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
目前，大型風(fēng)電機(jī)組普遍采用獨(dú)立變槳距的三槳葉結(jié)構(gòu)。每個(gè)槳葉分別采用一個(gè)帶位移反饋的伺服電機(jī)進(jìn)行單獨(dú)調(diào)節(jié)。位移傳感器采用增量式編碼器，安裝在電動(dòng)機(jī)輸出軸上，采集電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度。由于槳距角的變化速度都很慢，而一般的伺服電機(jī)額定轉(zhuǎn)速都為每分鐘幾千轉(zhuǎn)，因此需要一個(gè)減速機(jī)構(gòu)。伺服電機(jī)連接減速箱，通過(guò)主動(dòng)齒輪與槳葉輪轂內(nèi)齒圈相連，帶動(dòng)槳葉進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)槳葉節(jié)距角的直接控制[1]。
積分分離的pi電動(dòng)變槳位置伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。本伺服系統(tǒng)采用位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)的三環(huán)控制方式，其中pwm調(diào)制方式采用電壓空間矢量法（svpwm），驅(qū)動(dòng)電源采用電壓型逆變器。圖中θd為給定角位移，θ為電機(jī)轉(zhuǎn)軸的實(shí)際角位移，e為θd和θ進(jìn)行比較而得到的偏差，則有：
e(t) = θd(t) - θ(t) （1）
圖1中，u為pi控制的轉(zhuǎn)速期望值；ωd為期望電機(jī)轉(zhuǎn)速；ω為實(shí)際電機(jī)轉(zhuǎn)速；ωd與ω的偏差經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器產(chǎn)生期望的電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩ted。由于速度環(huán)與電流環(huán)要求實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)和具有良好的抗干擾性能，可按典型ⅱ型系統(tǒng)設(shè)計(jì)，采用一般的pi調(diào)節(jié)器即可[2]。
圖1 積分分離pi控制的電動(dòng)變槳交流伺服系統(tǒng)
2.2 積分分離pi控制器的設(shè)計(jì)
傳統(tǒng)的pi控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且對(duì)大多數(shù)過(guò)程均有較好的控制效果，在工業(yè)控制中得到了廣泛的應(yīng)用，因此目前大多數(shù)變槳位置控制器均采用pi控制。其離散pi控制規(guī)律為：
（2）
式中，u(k)為k時(shí)刻控制器的輸出量；kp，ki分別為比例系數(shù)，積分系數(shù)；e(k)為當(dāng)前時(shí)刻的交流伺服系統(tǒng)的實(shí)際位置與期望值之差。
由式(2)可得到控制器輸出第k個(gè)周期時(shí)刻的控制量u(k))和第k-1個(gè)周期時(shí)刻的控制量u(k-1)之間的增量為：
vu= u(k)- u(k-1) = kp[e(k) - e(k-1)]+ ki e(k-1) （3）
在pi控制中，積分環(huán)節(jié)的作用是消除靜態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的控制精度。如果在誤差較大的初始階段引入積分環(huán)節(jié)，會(huì)造成pi的積分累積，從而引起系統(tǒng)較大的超調(diào)。因此，本文針對(duì)pi控制的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種積分分離的控制方法。
積分分離pi控制器的基本設(shè)計(jì)思想是當(dāng)輸入有較大變化，指令值與實(shí)際反饋的偏差值大于一定閾值（會(huì)產(chǎn)生較大超調(diào)）時(shí)，不進(jìn)行積分，只進(jìn)行比例調(diào)節(jié)。而當(dāng)偏差值小于一定值時(shí)，恢復(fù)積分調(diào)節(jié)以消除系統(tǒng)的靜態(tài)誤差[3]。假設(shè)e(k)為偏差值，ε為閾值(ε>0)，在積分項(xiàng)前加入一個(gè)系數(shù)β，β按如下取值：
（4）
設(shè)采樣周期為t，控制量為u，則在第k個(gè)采樣周期，積分分離的pi位置式控制數(shù)學(xué)公式可表示為： 
(5)
積分分離pi控制算法的程序框圖如圖2所示。
圖2 積分分離pi控制算法的程序框圖
3 仿真試驗(yàn)結(jié)果
在交流電動(dòng)變槳伺服控制系統(tǒng)的matlab仿真中，采用的交流異步電動(dòng)機(jī)的額定功率為4kw，額定轉(zhuǎn)速為1420r/min，額定電壓為230v，額定轉(zhuǎn)矩為20n·m，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為0.0180kg·m2。圖3為給定10°角位移，電機(jī)在空載情況下的位置跟蹤響應(yīng)曲線。虛線為單純的pi控制下的響應(yīng)曲線，實(shí)線為積分分離pi控制下系統(tǒng)的響應(yīng)曲線。通過(guò)仿真試驗(yàn)表明，積分分離pi控制充分發(fā)揮了pi控制調(diào)節(jié)精度高的優(yōu)點(diǎn)，提高了系統(tǒng)的控制精度。
圖3 位置跟隨響應(yīng)曲線
4 結(jié)束語(yǔ)
本文在電動(dòng)變槳位置伺服系統(tǒng)中采用積分分離pi方法控制位置環(huán)，當(dāng)位置環(huán)誤差較大時(shí)，取消積分環(huán)節(jié)；當(dāng)誤差較小時(shí)，引入積分環(huán)節(jié)，從而使系統(tǒng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)較為理想。仿真試驗(yàn)結(jié)果表明，在位置環(huán)中采用積分分離控制，不僅使系統(tǒng)具有快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，而且具有無(wú)超調(diào)的高定位精度，滿足了電動(dòng)變槳位置伺服系統(tǒng)的控制要求。
作者簡(jiǎn)介
孫傳華(1982-) 女 研究生 蘭州交通大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院控制理論與控制工程專業(yè)，主要從事電機(jī)控制，伺服控制技術(shù)方面的研究。
參考文獻(xiàn)
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[2] 楊耕,羅應(yīng)立.電機(jī)與運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)[m]. 北京:清華大學(xué)出版社,2006.
[3] 劉金錕. 先進(jìn)pid控制-matlab仿真[m]. 北京:電子工業(yè)出版社,2004.
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