利用模糊PID控制方法實現(xiàn)電機軟啟動裝置的恒流平穩(wěn)軟啟動控制

引言

異步電機以其優(yōu)良的性能及無需維護的特點，在工農(nóng)業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。三相異步電機的啟動方法很多，比如直接啟動、自耦降壓啟動、延邊三角形啟動等等。對于風機泵類等恒功率負載，如果在額定電壓下直接啟動三相異步電機，啟動電流非常大（一般為Ie的5～8倍），易引起電網(wǎng)電壓下降，同時影響電網(wǎng)上其他用電設(shè)備的正常運行，這對于電機本身來講，沖擊電流造成局部溫升過大，降低電機壽命，給機械系統(tǒng)帶來強大的機械沖力，沖擊電流會以電磁波的形式干擾電氣儀表的正常運行。因此宜采用軟啟動的方法。

1、模糊PID軟啟動電路的結(jié)構(gòu)及原理

模糊PID復(fù)合控制方法最大的優(yōu)點是不依賴于被控對象精確的數(shù)學模型，適合于非線性、強耦合、不確定性的電機軟啟動復(fù)雜系統(tǒng)。異步電機軟啟動主回路結(jié)構(gòu)見圖1，利用三對反并聯(lián)的單向晶閘管來實現(xiàn)交流調(diào)壓，晶閘管調(diào)壓的控制方式采用相位控制，用來改變晶閘管的相位角α，得到不同的電壓（頻率不變），從而實現(xiàn)電機的平穩(wěn)啟動。

交流電機定子電流經(jīng)過濾波后與啟動電流給定值一起作為模糊PID調(diào)節(jié)器的輸入信號。dsPIC30F6014型單片機首先計算出啟動電流設(shè)定值與反饋電流的偏差和偏差的變化率，然后以電流及電流的偏差作為輸入量，經(jīng)過模糊化后進行模糊推理，最后將模糊推理結(jié)果通過解模糊后作為輸出調(diào)節(jié)量。解模糊調(diào)節(jié)器輸出的觸發(fā)信號，送至驅(qū)動電路，由觸發(fā)角決定每個周期觸發(fā)脈沖的產(chǎn)生時刻，從而調(diào)節(jié)晶閘管的輸出電壓，從而起到限制啟動電流，減小沖擊轉(zhuǎn)矩的作用。

2 、控制系統(tǒng)設(shè)計

人們運用模糊數(shù)學的基本理論和方法，把規(guī)則的條件和操作用模糊集表示，并把這些模糊控制規(guī)則及有關(guān)信息作為知識存入計算機知識庫中，然后計算機根據(jù)控制系統(tǒng)的實際響應(yīng)情況，運用模糊推理，即可自動實現(xiàn)對PID參數(shù)的最佳調(diào)整，這就是模糊PID控制。模糊PID控制器以誤差e和誤差變化率ec作為輸入，利用模糊控制規(guī)則在線對PID的3個參數(shù)進行調(diào)整，以滿足不同時刻的e和ec對PID參數(shù)自整定的要求。模糊PID控制器的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。在交流電機軟啟動的過程中，通過檢測啟動電流i設(shè)定值的偏差，以及偏差的變化率，這兩種檢測信號作為模糊PID控制器的兩個輸入，分別用e（kt），ec（kt）表示，輸出為KP，KI，KD，再通過反模糊化，經(jīng)過調(diào)節(jié)器輸出控制晶閘管的導(dǎo)通角，調(diào)整電壓的輸出，進而達到電機平穩(wěn)軟啟動的要求。

（1）模糊化

在電機軟啟動控制器系統(tǒng)中設(shè)計模糊PID控制器時，采用雙輸入／三輸出模式的Fuzzy控制器結(jié)構(gòu)。分別用e（kT），ec（kT）表示，輸出為KP，KI，KD。為了方便描述，定義如下：

（3）規(guī)則庫和模糊推理

模糊控制器的規(guī)則庫是基于專家知識或手動操作人員長期積累的經(jīng)驗，根據(jù)各參數(shù)的規(guī)則表進行模糊推理。模糊推理如下：

3、 仿真結(jié)果

為了驗證模糊PID控制器理論設(shè)計的有效性，借助Matlab的Simulink工具箱建立交流電機模糊PID仿真系統(tǒng)。交流電機參數(shù)：額定功率為2．2 kW，額定電壓為220 V，定子電阻為0．457 Ω，定子電感為2 mH，轉(zhuǎn)子電阻為0．815 Ω，轉(zhuǎn)子電感為2 mH，互感為69．36 mH。交流電機軟啟動時的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、電流變化如圖4所示。

從圖4中可以看出，啟動過程中電機轉(zhuǎn)速平穩(wěn)上升，軟啟動效果良好。在0～0．2 s時間內(nèi)，電磁轉(zhuǎn)矩時正時負，這是因為在啟動初始，晶閘管導(dǎo)通角較小，電機相電流斷續(xù)。在0．2 s以后，隨著晶閘管導(dǎo)通角的增大，電磁轉(zhuǎn)矩趨于平穩(wěn)。除了在啟動初始較短時間內(nèi)（1～2個周期）存在沖擊電流外，在交流電機啟動過程中，電機電流保持在設(shè)定值40 A附近，恒流控制效果良好。當交流電機啟動完成后，電機電流回落到12 A附近，電機進入穩(wěn)定工作狀態(tài)。這說明該模糊PID控制器能夠有效地起到減小啟動電流，抑制沖擊轉(zhuǎn)矩的作用。

4 、結(jié)語

本文以dsPIC30F6014單片機和晶閘管為核心構(gòu)成電機軟啟動裝置，采用一種新的模糊PID控制方法，實現(xiàn)了交流電機的平穩(wěn)軟啟動。上述仿真實驗結(jié)果表明，利用模糊PID原理實現(xiàn)交流電機的恒流平穩(wěn)軟啟動控制，可以有效地解決電機啟動過程中沖擊電流大的問題，具有良好的啟動性能和魯棒性。該軟啟動器能夠根據(jù)負載情況調(diào)整參數(shù)，限制啟動電流，減小沖擊轉(zhuǎn)矩，并且具有較小的超調(diào)量。該設(shè)計綜合了以往電機軟啟動的優(yōu)點，使之具有實用性和普遍性。

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