孫 雷 岳云濤

（北京建筑大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院 北京 100044）

1 引言

中壓軟啟動(dòng)器因?yàn)閱?dòng)電流小、節(jié)約能源以及減少了對(duì)機(jī)械的啟動(dòng)沖擊，而廣泛應(yīng)用于三相籠型異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)中[1-3]。傳統(tǒng)的降壓啟動(dòng)方法基本上是靠單純的降低電壓來啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)的，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩很小，但存在啟動(dòng)電流及啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩沖擊大的缺點(diǎn)。為保證中壓異步電動(dòng)機(jī)的使用壽命及電網(wǎng)的供電品質(zhì)，中壓電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)器起到了關(guān)鍵性作用。其方式就是控制以不同速率改變晶閘管的導(dǎo)通角，使電動(dòng)機(jī)端電壓漸增，這樣可很好地解決傳統(tǒng)起動(dòng)過程中電流過大及其派生的許多問題。傳統(tǒng)方法采用閉環(huán)PID對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行恒流軟起動(dòng)控制，然而，由于PID控制方法中參數(shù)整定過分依賴控制對(duì)象的特征和數(shù)學(xué)模型，而實(shí)際生產(chǎn)中由于各種偶然和非偶然的因素，導(dǎo)致對(duì)象參數(shù)變化的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，因而單純PID控制較難得到理想的控制效果，而模糊控制技術(shù)是不依賴精確的數(shù)學(xué)模型，對(duì)參數(shù)的變化不敏感，適應(yīng)性強(qiáng)，具有很好的魯棒性[4-7]。因此，本文提出將模糊控制和PID控制相結(jié)合的方法應(yīng)用于中壓異步電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)器的控制中，進(jìn)而可以獲得較好的控制效果。

2 基本原理

本系統(tǒng)中壓軟啟動(dòng)控制器采用了以 TMS320 C2812DSP為核心的模糊 PD控制及其通訊和顯示控制，在電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)過程中，按所期望的啟動(dòng)特性，對(duì)電機(jī)進(jìn)行自動(dòng)控制，使其平滑可靠地完成啟動(dòng)過程。軟啟動(dòng)器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。顯然，由于采用了 DSP2812控制芯片使觸發(fā)脈沖的產(chǎn)生和啟動(dòng)過程迅速完成，大大簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和外圍電路，提高了裝置工作的可靠性及系統(tǒng)的響應(yīng)速度。

此軟起動(dòng)器采用三對(duì)反并聯(lián)的晶閘管串接在電動(dòng)機(jī)的三相供電線路上，利用晶閘管的電子開關(guān)特性，通過80C196KC單片機(jī)控制其觸發(fā)角的大小，以改變晶閘管的開通程度，由此改變電動(dòng)機(jī)輸入電壓的大小，以達(dá)到控制電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)特性。

當(dāng)軟起動(dòng)控制器的微機(jī)控制系統(tǒng)檢測到的電流小于I0時(shí)，系統(tǒng)按模糊控制方法進(jìn)行有關(guān)的模糊推理和決策，來確定晶閘管的觸發(fā)信號(hào)脈沖。當(dāng)檢測到的電流大于I0時(shí)，則按PD控制方法來確定晶閘管的觸發(fā)信號(hào)脈沖。所以本系統(tǒng)按這兩個(gè)階段來控制中壓異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)過程。

當(dāng)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程完成后，K2、K3控制信號(hào)使其相應(yīng)的交流接觸器吸合，短掉所有晶閘管，使電動(dòng)機(jī)直接投網(wǎng)運(yùn)行，避免不必要的能源損耗。

圖1 中壓軟啟動(dòng)控制器原理圖Fig.1 Schematic of medium soft-starter induction motor system

3 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

軟啟動(dòng)器控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，其控制線路由以下幾部分組成：TMS320C2812控制系統(tǒng)，同步電路，脈沖觸發(fā)驅(qū)動(dòng)電路、電流檢測電路及顯示電路等。

3.1 同步電路

同步電路采用單相同步方式。來自電源變壓器的同步信號(hào)經(jīng)由 LM339組成的過零比較器變?yōu)橹芷跒?0ms的方波信號(hào)。經(jīng)過光電耦合器隔離，送到 DSP2812控制器的輸入端口,就可以獲得準(zhǔn)確的同步時(shí)刻。

3.2 脈沖輸出電路

由于軟啟動(dòng)器主回路有六只晶閘管，故需六相獨(dú)立的觸發(fā)脈沖。利用DSP2812系列控制器的六路PWM 口，產(chǎn)生脈沖十分方便且準(zhǔn)確可靠。由于三相平衡控制時(shí)六相觸發(fā)脈沖依次相差60°電角度，所以當(dāng)控制系統(tǒng)由主回路取得電壓同步信號(hào)后，即可根據(jù)觸發(fā)移相角α依次延時(shí)，在PWM口上產(chǎn)生所需的六組觸發(fā)脈沖信號(hào)，系統(tǒng)的快速性和可靠性都提高了?？刂葡到y(tǒng)通過光耦合器與主回路隔離，并向主回路晶閘管傳遞脈沖信號(hào)。

3.3 電流檢測電路

電流檢測可以有兩種方案：一是用電流傳感器直接檢測輸出對(duì)應(yīng)的直流小信號(hào)電壓；二是用電流互感器把負(fù)載交流電流轉(zhuǎn)變成小電流信號(hào)，再經(jīng)過整流、濾波、比例調(diào)節(jié)，變換成直流小信號(hào)電壓輸出到模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的模擬輸入通道進(jìn)行檢測。由于電流傳感器精度及可靠性較高，采用了第一種方案。

4 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

在電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)的控制過程中經(jīng)常會(huì)碰到大滯后、時(shí)變、非線性的復(fù)雜系統(tǒng)。其中，有的參數(shù)未知或緩慢變化；有的存在滯后和隨機(jī)干擾；有的無法獲得精確的數(shù)學(xué)模型。模糊控制是一種近年來發(fā)展起來的新型控制方法，其優(yōu)點(diǎn)是不要求掌握受控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型，而根據(jù)人工控制規(guī)則組織控制決策表，然后由該表決定控制量的大小。將模糊控制和 PD控制結(jié)合起來，既具有模糊控制靈活而適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，又具有 PD控制響應(yīng)速度快的特點(diǎn)。

4.1 模糊控制的實(shí)現(xiàn)

要實(shí)現(xiàn)語言控制的模糊邏輯控制器,必須解決三個(gè)基本問題。第一是先通過電流互感器把電流檢測過來，再通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器把它轉(zhuǎn)換成精確的數(shù)字量，精確輸入量輸入至模糊控制器后，首先要把這些精確的輸入量轉(zhuǎn)換成模糊集合的隸屬函數(shù)，這一部稱為精確量的模糊化。第二個(gè)問題是根據(jù)有經(jīng)驗(yàn)的操做者或者專家的經(jīng)驗(yàn)制定出模糊控制規(guī)則，并進(jìn)行模糊邏輯推理，以得到一個(gè)模糊輸出集合即一個(gè)新的模糊隸屬函數(shù)，這一步稱為模糊控制規(guī)則形成和推理。其目的是用模糊輸入值去適配控制規(guī)則，為每個(gè)控制規(guī)則確定其適配的程度，并且通過加權(quán)計(jì)算合并那些規(guī)則的輸出。要解決的第三個(gè)問題是根據(jù)模糊邏輯推理得到的輸出模糊隸屬函數(shù)，用不同的方法找一個(gè)具有代表性的精確值作為控制量，這一步稱為模糊輸出量的反模糊判決。

（1）精確輸入量的模糊化。本系統(tǒng)是對(duì)電流的偏差值E和偏差的變化率EC進(jìn)行綜合判斷。無論是偏差還是偏差的變化率，都是精確的輸入值，要采用模糊控制技術(shù)就必須把它們轉(zhuǎn)換成模糊集合的隸屬函數(shù)。把偏差E的變化范圍設(shè)定為[?6，6]區(qū)間連續(xù)變化量，使之離散化，構(gòu)成含13個(gè)整數(shù)元素的離散集合：{?6，?5，?4，?3，?2，?1，0，1，2，3，4，5，6}電流偏差 E是在[0，Ist]之間，可以通過式（1）變換

將在[0，Ist]之間變化的變量Χ轉(zhuǎn)換為在[?6，6]之間變化的變量E。

同理，可將 die/dt的區(qū)間[0，20A/S]轉(zhuǎn)換為[?6，6]之間變化的量C。

同理，可將ΔU 的區(qū)間[0，0.1]轉(zhuǎn)換為[?6，6]之間變化的量。

（2）取加權(quán)平均系數(shù)β=0.9,則根據(jù)式（2）

可獲得ΔU的實(shí)際值，從而得到輸出電壓U的值,從而通過CA6100移相觸發(fā)電路確定α的值。

就可得到模糊控制規(guī)則表，如表1所示。

（3）然后進(jìn)行反模糊判決

表1 模糊控制規(guī)則表Tab.1 The rule table of fuzzy control

（a）偏差E在{~6，0}之間E EC 0 1 2 3 4 5 6?6 5 ?5 5 ?5 ?5 ?5 ?5?5 5 4 ?4 ?4 ?4 ?4 ?4?4 4 4 ?3 ?3 ?3 ?3 ?3?3 3 ?3 ?3 ?2 ?2 ?2 ?2?2 2 ?2 ?2 ?2 ?1 ?1 ?1?1 1 1 ?1 ?1 ?1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 2 2 2 2 2 2 2 2 2 3 3 3 3 3 3 3 3 4 4 4 4 4 4 4 4 5 5 5 5 5 5 5 5 6 5 6 6 6 6 6 6（b）偏差E在{0，6}之間

4.2 PD控制的實(shí)現(xiàn)

在A?D中斷服務(wù)程序中，當(dāng)檢測到的電流值大于設(shè)定的電流值時(shí)，為使系統(tǒng)有較快的響應(yīng)速度以有效抑制起動(dòng)過程的振蕩,調(diào)節(jié)器采用比例?微分（P?D）控制。計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中采用的離散P?D控制，其差分方程為

式中ΔU(n)——輸出電壓從第n?1周期到第n周期的變化量；

aaIe(n)——第 n周期電流量與期望值間的誤差；

Kp、Kd——分別為比例系數(shù)和微分時(shí)間常數(shù)。

5 仿真、實(shí)驗(yàn)及結(jié)論

根據(jù)上述軟硬件設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)并制作了一個(gè)軟啟動(dòng)器，被控對(duì)象為1 140 V、85 A的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，其額定轉(zhuǎn)速為970 r/min，仿真波形如圖2所示，實(shí)驗(yàn)波形如圖3所示，圖3是每相可控硅的驅(qū)動(dòng)雙窄脈沖電壓波形，從圖中可以看出可控硅的驅(qū)動(dòng)脈沖電壓在 7V左右，能夠滿足可控硅可靠導(dǎo)通的要求，A相、B相和C相的電流isa、isb和isc在電動(dòng)機(jī)起動(dòng)瞬間的電流幅值明顯降低，并具有較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。通過上述仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以說明：

該軟起動(dòng)器具有：①控制機(jī)理先進(jìn),性能價(jià)格比高，適合于廠礦使用。②電動(dòng)機(jī)起動(dòng)平滑，起始電壓可調(diào)，且可保證電動(dòng)機(jī)起動(dòng)的最小起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。③起動(dòng)時(shí)間可調(diào)，在該時(shí)間范圍內(nèi)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速逐漸上升，以避免轉(zhuǎn)速?zèng)_擊。所以本文所提出的基于模糊 PD控制的中壓軟啟動(dòng)器加快了系統(tǒng)的響應(yīng)速度，提高了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力，使系統(tǒng)的魯棒性增強(qiáng)。

圖2 模糊PD控制的電動(dòng)機(jī)電流和速度仿真波形Fig.2 simulation wave of fuzzy PD control of the motor current and the speed

圖3 實(shí)驗(yàn)輸出觸發(fā)脈沖波形Fig.3 Experiment output of Pulse wave

[1] Suetake,Marcelo,Da Silva,et al.Embedded DSP-based compact fuzzy system and its application for induction-motor V/f speed control[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2011,58(3):750-760.

[2] Febin Daya,Subbiah V,Sanjeevikumar P,et al.Robust speed control of an induction motor drive using wavelet-fuzzy based self-tuning multiresolution controller[J].International Journal of Computational Intelligence Systems,2013,6(4):724-738.

[3] Rubaai Ahmed,Jerry Jan,Smith Sonya T.Performance evaluation of fuzzy switching position controller for automation and process industry control[J].IEEE Transactions on Industry Applications,2011,47(5):2274-2282.

[4] Nasir Uddin M,Huang Zhi Rui,Siddique Hossain A B M.Development and implementation of a simplified self-tuned neuro-fuzzy-based im drive[J].IEEE Transactions on Industry Applications,2014,50(1):51-59.

[5] Rebeiro Ronald S,Uddin M Nasir.Performance analysis of an FLC-based online adaptation of both hysteresis and PI controllers for IPMSM drive[J].IEEE Transactions on Industry Applications,2012,48(1),12-19.

[6] Deenadayalan D,Alexandar Beski I.Fuzzy-based torque ripple optimization and digitalized sector selection in DTC scheme[J].Lecture Notes in Electrical Engineering,2015,326:873-881.

[7] Blessy M S Evangelin,Murugan M.Modeling and controlling of BLDC motor based fuzzy logic[C].2014 International Conference on Information Communication and Embedded Systems(ICICES 2014)Chennai,India,2014.