1 引言
风能作为清洁的可再生的绿色能源，已经受到世界各国的普遍重视，风力发电技术也开始成为越来越多国家的研究重点。国外大型风力发电机组尤其是兆瓦级以上的风力机组一般采用电动变桨距控制技术。本文是在这个大背景下，应用三相交流异步电动机和矢量控制原理，对电动变桨伺服控制系统进行了详细研究。电动变桨伺服控制系统需要对叶片角度进行精确的定位控制，传统伺服系统中，位置环设计成比例积分控制环节，无法完全满足该电动变桨伺服系统的要求。本文为了进一步加强位置环的跟随性能，采用了积分分离控制器。通过matlab仿真结果表明，在交流电动变桨伺服系统中位置环采用积分分离控制，可以使伺服系统获得快速的动态响应，并且通过对位置环比例系数的调节，可以保证系统定位的高精度、无超调。

2 电动变桨积分分离pi位置控制器的设计
2.1 系统结构设计
目前，大型风电机组普遍采用独立变桨距的三桨叶结构。每个桨叶分别采用一个带位移反馈的伺服电机进行单独调节。位移传感器采用增量式编码器，安装在电动机输出轴上，采集电机转动角度。由于桨距角的变化速度都很慢，而一般的伺服电机额定转速都为每分钟几千转，因此需要一个减速机构。伺服电机连接减速箱，通过主动齿轮与桨叶轮毂内齿圈相连，带动桨叶进行转动，实现对桨叶节距角的直接控制^[1]。
积分分离的pi电动变桨位置伺服系统结构如图1所示。本伺服系统采用位置环、速度环、电流环的三环控制方式，其中pwm调制方式采用电压空间矢量法（svpwm），驱动电源采用电压型逆变器。图中θ_d为给定角位移，θ为电机转轴的实际角位移，e为θ_d和θ进行比较而得到的偏差，则有：
e(t) = θ_d(t) - θ(t) （1）
图1中，u为pi控制的转速期望值；ω_d为期望电机转速；ω为实际电机转速；ω_d与ω的偏差经过转速调节器产生期望的电机电磁转矩ted。由于速度环与电流环要求实现快速响应和具有良好的抗干扰性能，可按典型ⅱ型系统设计，采用一般的pi调节器即可^[2]。

图1 积分分离pi控制的电动变桨交流伺服系统

2.2 积分分离pi控制器的设计
传统的pi控制结构简单，而且对大多数过程均有较好的控制效果，在工业控制中得到了广泛的应用，因此目前大多数变桨位置控制器均采用pi控制。其离散pi控制规律为：
（2）
式中，u(k)为k时刻控制器的输出量；k_p，k_i分别为比例系数，积分系数；e(k)为当前时刻的交流伺服系统的实际位置与期望值之差。
由式(2)可得到控制器输出第k个周期时刻的控制量u(k))和第k-1个周期时刻的控制量u(k-1)之间的增量为：
vu= u(k)- u(k-1) = k_p[e(k) - e(k-1)]+ ki e(k-1) （3）
在pi控制中，积分环节的作用是消除静态误差，提高系统的控制精度。如果在误差较大的初始阶段引入积分环节，会造成pi的积分累积，从而引起系统较大的超调。因此，本文针对pi控制的缺点，设计了一种积分分离的控制方法。
积分分离pi控制器的基本设计思想是当输入有较大变化，指令值与实际反馈的偏差值大于一定阈值（会产生较大超调）时，不进行积分，只进行比例调节。而当偏差值小于一定值时，恢复积分调节以消除系统的静态误差^[3]。假设e(k)为偏差值，ε为阈值(ε>0)，在积分项前加入一个系数β，β按如下取值：
（4）
设采样周期为t，控制量为u，则在第k个采样周期，积分分离的pi位置式控制数学公式可表示为：
(5)
积分分离pi控制算法的程序框图如图2所示。

图2　积分分离pi控制算法的程序框图

3 仿真试验结果
在交流电动变桨伺服控制系统的matlab仿真中，采用的交流异步电动机的额定功率为4kw，额定转速为1420r/min，额定电压为230v，额定转矩为20n·m，转动惯量为0.0180kg·m²。图3为给定10°角位移，电机在空载情况下的位置跟踪响应曲线。虚线为单纯的pi控制下的响应曲线，实线为积分分离pi控制下系统的响应曲线。通过仿真试验表明，积分分离pi控制充分发挥了pi控制调节精度高的优点，提高了系统的控制精度。

图3　位置跟随响应曲线

4 结束语
本文在电动变桨位置伺服系统中采用积分分离pi方法控制位置环，当位置环误差较大时，取消积分环节；当误差较小时，引入积分环节，从而使系统的静态和动态性能指标较为理想。仿真试验结果表明，在位置环中采用积分分离控制，不仅使系统具有快速的动态响应，而且具有无超调的高定位精度，满足了电动变桨位置伺服系统的控制要求。

作者简介
孙传华(1982-) 女 研究生 兰州交通大学自动化与电气工程学院控制理论与控制工程专业，主要从事电机控制，伺服控制技术方面的研究。