模糊控制异步电动机软启动设计.docx
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模糊控制异步电动机软启动设计
摘要
本设计主要是通过软件来控制异步电动机的启动过程，以8051单片机为控制核心，经整流后通过控制IGBT—PWM逆变器，利用模糊控制技术控制电机转速，实现电机的软启动过程。
设计中详细介绍电动机的启动过程和调速原理，以及模糊控制系统的原理，利用模糊原理中良好的鲁棒性能以及单片机和各个芯片的功能特点，并借鉴其他人的经验，建立模糊控制表，通过对硬件的选择、软件程序的设计，改善系统的调速性能，完成异步电动机软启动的运行过程。
关键词：
模糊控制、异步电动机、8051单片机、变频调速、鲁棒性。
Abstract
Thisdesignmainlycontrolasynchronousmotor’sstartingprocessbysoftware.The8051singlechipmicroprocessoriscontrolcore.ItgoesthroughcommutatorandcontrolIGBT-PWMinverter.Usingfuzzycontrolmotorspeed,realizemotor’starting.Indesign,introducemotorstartingprocesscontrolspeedtheoristandfuzzycontrolsystem,usingfuzzyrobustnessandsinglechipmicroprocess’scharacter,andothersexperience,wecreatefuzzycontrolcalendar.Throughchoosinghardwareanddesigningprogram,weimprovesystem’scontrolspeed.Thenwecanfinishasynchronousmotorsoftwarestartprocess.
Keywords:
Fuzzy-control、Asynchronousmotor、8051Singlechipmicroprocessor、VariableFrequenceControlSpeed、Robustness
一、引言
随着微电子技术、电力电子技术、微处理器技术的不断发展和普及应用，电动机的调速，从直流发电机—电动机组调速，静止晶闸管整流器直流调速逐步过渡到笼型异步电动机变频调速。
三相异步电动机具有结构简单、运行可靠、价格低廉、维修方便、寿命长等优点，因此它在工业生产中应用极为广泛。
但是异步电动机在启动过程中，瞬时电流冲击大，通常是额定电流的4～7倍，而且启动转矩小，启动转矩冲击也很大。
这将对电动机本身、拖动设备和电源设备的使用寿命有很大的影响，同时对电网电压也会造成很大的冲击，影响同一电网其他电气设备正常运行。
在大、中功率异步电动机的启动过程中必须限制启动电流。
同时由于异步电动机是非线性、多变量、强耦合的复杂被控对象，传统启动异步电动机的方法很多，启动电流虽然得到限制，但仍然有电流冲击。
采用传统PID闭环控制解决异步电动机在启动过程中电流冲击，存在如下问题：
（1）异步电动机启动过程中的闭环控制是非线性时变系统；
（2）PID控制要求建立精确的数学模型，由于被控对象的数学模型不清楚难以建立精确的数学模型；（3）PID参数的调整也将是很困难的事。
由于模糊控制主要是模仿人的控制经验而不是依赖于控制对象——数学模型，因此模糊控制能近似的反映人的控制行为，无需建立控制对象的精确数学模型，具有很强的鲁棒性。
为此设计异步电动机软启动器中，采用以绝缘栅双极晶闸管（IGBT）为主电路元件、单片机8051为控制核心、运用模糊控制方法，降低电机启动电流，提高启动转矩，实现异步电动机启动过程无电流冲击的软启动过程。
二、
异步电动机的调速
1．
60f1（1-s）
异步电动机的调速方法
异步电动机的转速公式为
式中f1——供电频率（Hz）
p——极对数
s——转差率
从上式可以看出，有三种方法可以改变异步电动机的转速：
（1）改变极对数；
（2）控制电源频率；（3）使电动机的转差率发生变化。
电动机的电磁功率Pe可看成由两部分组成：
一部分是有效功率P2=（1-s）用于拖动负载；另一部分是转差功率Ps=sPe，它是异步电动机实现机电能量转换的媒介。
从能量转换的角度看，在调速过程中，如何对待转差功率Ps，是消耗还是回馈，决定了调速方法的效率高低。
按此观点调速方法分以下三类：
（1）转差功率消耗型调速系统。
其全部转差功率转换成发热浪费掉，如降压调速
（2）转差功率回馈型调速系统。
将大部分转差功率通过变流装置回馈给电网或转化为机械能加以利用。
（3）转差功率不变型调速系统。
调速过程中，保证转差率s基本不变，从而保证了高效率运行。
如极对数调速；另一种是变压变频调速，由于实现高效率高动态性能交流调速，所以已经成为应用最广泛的调速系统。
2．异步电动机变压变频原理
在异步电动机各类调速方法中，变压变频方法效率最高，性能最好。
用这种方法调速控制中，同步控制定子电源的电压和频率，保证了转差功率不变。
这种电压频率协调控制的方法在控制时能获得基本上平行移动的机械特性，具有较好的控制特性，并在世界范围内获得了广泛应用。
三相异步电动机的定子相电势的有效值为
E1=4.44f1N1kw1Фm
式中E1——相电势有效值（V）；
f1——定子电源电压频率（Hz）；
N1——定子每相总匝数；
Kw1——绕组系数；
Фm——每极磁通（Wb）。
由式子可知，只要控制好E1和f1，也即在改变频率的同时协调地改变E1，就能使恒等式中的Фm不变。
但由于异步电动机需考虑其额定电压和额定频率的制约，因而需要以基频为界加以分析和区别。
2.1基频以下调速
=常值
由式子可知，要保持Фm不变，当频率f1从额定值f1N向下调节时，必须同时降低E1，使
即采用恒定的电动势/频率的控制方式。
=常值
然而，绕组中的感应电动势是难以直接控制的，当电动势值较高时，可以忽略定子绕组的漏磁阻抗压降，而认为定子相电压U1≈E1，则得
这是恒压频比的控制方式。
低频时，U1和E1都较小，定子阻抗压降所占的分量就比较显著，不能再忽略。
这时，可以人为地把电压U1抬高一些，以便近似的补偿定子压降。
带定子压降补偿的恒压频比控制特性如图1（b）所示，无补偿的控制特性则为图1（a）。
2.2基频以上调速
在基频以上调速时，频率可以从f1N往上增高，但电压U1却不能超过额定电压U1N，最多只能保持U1=U1N。
由式子可知，这将迫使磁通和频率成反比的降低，相当于直流电动机弱磁升速的情况。
把基频以下和基频以上两种情况结合起来，可得到图2所示的变压变频调速控制特性。
这样，在基频以下，由于磁通恒定转速也恒定，属于“恒转速调速”性质；而在基频以上，转速升高时转矩降低，基本属于“恒功率调速”。
0
2.3电力电压变频装置
异步电动机的变压变频调速的核心是如何协调改变电压和频率。
然而工业用电是恒压、恒频电源。
必须配备电力变压变频装置，即VVVF（VariableVoltageVariableFrequency）装置。
间接变压变频装置的特点是，先将50Hz工频电源整流为直流电流或电压，然后通过逆变器转换成可控的交流电。
用全桥全波整流，脉宽调制（PMW）逆变器同时调压和调频。
这种方法通过电力电子器件IGBT，使开关频率提高到18kHz以上，其逆变器输出已非常接近正弦波。
所以这种逆变器又称为正弦波脉宽调制（Sine—PWM）逆变器。
三、
模糊控制系统设计
模糊控制系统是一种自动控制系统，它以模糊数学、模糊语言形式的知识表示和模糊逻辑的规则推理为理论基础，采用计算机控制技术构成的一种具有反馈通道的闭环控制结构的数字控制系统。
它的组成核心是具有智能性的模糊控制器，这也就是它与其他自动控制系统的不同之处，模糊控制系统也是一种智能控制系统。
模糊控制技术是一种由模糊数学、计算机科学、人工智能、知识工程等多门学科领域相互渗透，理论性很强的科学技术，实现这种模糊控制技术的理论，即称为“模糊控制理论”。
由此不难想象模糊控制系统组成具有常规计算机控制系统的结构形式，如图3所示，模糊控制系统由模糊控制器、输入/输出接口、执行机构、被控对象和测量装置等五部分组成。
图3模糊控制系统组成框图
1．模糊控制器的设计
模糊控制是根据人的控制经验总结出若干条模糊控制规则，以此为依据由微机具体实施控制，实现形式如图4所示。
输入量为给定启动电流值Uig与被检测异步电动机启动电流信号Uiq的偏差和偏差变化率,输入量为异步电动机的电流Iq。
其中模糊控制器的输出为对应于SLE4520的调制系数M的给定值。
1.1实测量的模糊化
1.1.1电流偏差的模糊化
Uiq
电流偏差是指电流的给定值与检测异步电动机启动电流值的偏差值。
将电流偏差值的控制范围定为模糊控制区。
在模糊控制区内，将电流偏差分为8个模糊状态：
PLE（正大电流偏差）、PME（正中电流偏差）、PSE（正小电流偏差）、POE（正零电流偏差）、NOE（负零电流偏差）、NSE（负小电流偏差）、NME（负中电流偏差）、NLE（负大电流偏差）。
将电流偏差范围分为13个点，采用三角形隶属函数，给出它们对应于8个模糊状态的隶属度值，如表1所示。
表1电流偏差的隶属度表
偏差隶属度值变量
-6
-5
-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
5
6
PLE
0
0
0
0
0
0
0
0
0.1
0.4
0.7
0.8
1.0
PME
0
0
0
0
0
0
0
0
0.2
0.7
1.0
0.7
0.3
PSE
0
0
0
0
0
0
0.2
0.7
1.0
0.7
0.3
0.1
0
POE
0
0
0
0
0
0
1.0
0.6
0.1
0
0
0
0
NOE
0
0
0
0
0.1
0.6
1.0
0
0
0
0
0
0
NSE
0
0.1
0.3
0.7
1.0
0.7
0.2
0
0
0
0
0
0
NME
0.3
0.7
1.0
0.7
0.2
0
0
0
0
0
0
0
0
NLE
1.0
0.8
0.7
0.4
0.1
0
0
0
0
0
0
0
0
1.1.2电流变化率的模糊化
将电流变化率定义为一个采样周期内的变化，把该范围定为模糊控制区。
将其分为8个模糊状态：
PLEC（正大电流变化）、PMEC（正中电流变化）、PSEC（正小电流变化）、POEC（正零电流变化）、NOEC（负零电流变化）、NSEC（负小电流变化）、NMEC（负中电流变化）、NLEC（负大电流变化）。
将电流变化率范围分为13个点，采用三角形隶属函数，给出了它们对于8个模糊状态的隶属度值，如表2所示。
表2电流变化率的隶属度表
变化隶属度值变量
-6
-5
-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
5
6
PLEC
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0.1
0.4
0.8
1.0
PMEC
0
0
0
0
0
0
0
0.2
0.7
1.0
0.7
0.2
0
PSEC
0
0
0
0
0
0
0.4
1
0.8
0.4
0.1
0
0
POEC
0
0
0
0
0
0
1.0
0.5
0.1
0
0
0
0
NOEC
0
0
0
0
0.1
0.5
1.0
0
0
0
0
0
0
NSEC
0
0
0.1
0.4
0.8
1.0
0.4
0
0
0
0
0
0
NMEC
0
0.2
0.7
1.0
0.7
0.2
0
0
0
0
0
0
0
NLEC
1.0
0.8
0.4
0.1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1.2输出控制的模糊化
将模糊控制器的输出状态规定为15种，分别对应于SLE4520的调制系数M的给定值。
将这15种输出状态分为7个模糊状态，即：
PLC（调制系数最大）、PMC（调制系数大）、PSC（调制系数较大）、OC（调制系数合适）、NSC（调制系数较小）、NMC（调制系数小）、NLC（调制系数最小）。
每种具体输出状态对应这7个模糊状态的隶属度值，如表3所示。
表3SLE4520的调制系数M的隶属度表
变化隶属度值变量
-7
-6
-5
-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
5
6
7
PLC
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0.1
0.4
0.8
1.0
PMC
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0.2
0.7
1.0
0.7
0.2
0
PSC
0
0
0
0
0
0
0
0.4
1.0
0.8
0.4
0.1
0
0
0
OC
0
0
0
0
0
0
0.5
1.0
0.5
0
0
0
0
0
0
NSC
0
0
0
0.1
0.4
0.8
1.0
0.4
0
0
0
0
0
0
0
NMC
0
0.2
0.7
1.0
0.7
0.2
0
0
0
0
0
0
0
0
0
NLC
1.0
0.8
0.4
0.1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1.3模糊控制规则的建立
双输入单输出型模糊控制器的控制规则为“ifEandECthenC”。
根据知识经验，建立模糊控制规则，如表4所示（表中*为实际不存在的情况）
表4模糊控制规则表
EEC
NLE
NME
NSE
NOE
POE
PSE
PME
PLE
NLEC
PLC
PMC
NLC
NLC
NLC
NLC
*
*
NMEC
PLC
PMC
NMC
NMC
NMC
NSC
*
*
NSEC
PLC
PMC
NSC
NSC
NSC
NSC
NMC
NLC
NOEC
PLC
PMC
PSC
OC
OC
NSC
NMC
NLC
POEC
PLC
PMC
PSC
OC
OC
NSC
NMC
NLC
PSEC
PLC
PMC
PSC
PSC
PSC
PSC
NMC
NLC
PMEC
*
*
PSC
PMC
PMC
PMC
NMC
NLC
PLEC
*
*
PLC
PLC
PLC
PLC
NMC
NLC
1.4求模糊控制表
“ifEandECthenC”这种蕴含关系为（E×EC）→C，根据Mamdani推理法，其模糊关系R为：
R=E×EC×C
（1）
式中：
R：
模糊关系矩阵；
E：
电流偏差模糊状态的隶属度值；
EC：
电流变化率模糊控制状态的隶属度值；
C：
输出控制的模糊值。
模糊输出C可写成
C=[E×EC]·R
（2）
模糊控制关系R是一个13×13×15的矩阵。
每次控制要计算这样一个矩阵很困难。
为了提高实时性，简化程序设计采用了查表法求取输出控制量。
为此在离线情况下将R求出，再根据
（2）式计算出每种输入状态下的模糊输出C，最后决策用重心法将C转化为精确的实际值，则求得模糊控制表。
最终计算结果如表5所示。
表5模糊控制表
ECCE
-6
-5
-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
5
6
-6
7
6
7
6
7
7
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4
4
2
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0
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4
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0
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6
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7
7
4
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0
-3
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6
3
2
0
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1
0
0
-1
-1
-1
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4
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4
5
4
4
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0
0
0
-3
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-0
4
4
4
5
1
1
0
-1
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-1
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-4
1
2
2
2
2
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0
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-4
-4
2
1
1
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-4
-4
-3
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-4
-4
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0
0
0
0
-3
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-6
-6
-6
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0
0
0
-2
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0
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-6
-6
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6
0
0
0
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-7
-7
-7
-7
-6
-7
-6
-7
2．模糊控制器的实现
2.1硬件电路
图5硬件电路框图
硬件电路框图如图5所示，它是以Intel公司的MCS-51系列的8051单片机为核心部件，构成模糊控制器的硬件电路。
利用A/D转换器ADC0809转换采集的反馈信号，通过8155扩展I/O口实现显示及键盘输入，将控制信号经SLE4520输出六路控制信号，控制IGBT逆变器的导通与关断，实现电动机变频启动过程。
下面介绍各硬件部分。
2.1.1外扩存储器
由于8051单片机内部集成有4KB的ROM，128B的RAM，为方便存放程序和数据，我们在片外分别扩展程序存储器和数据存储器，程序存储器采用EPROM27128芯片，可扩展16KB的空间，而数据存储器采用RAM6264芯片，可扩展8KB的空间。
扩展的存储芯片的14位或13位地址分别由8051单片机的P0口输出经锁存器后，由锁存器输出提供低8位，而高6位或5位地址则由单片机的P2.0～P2.5或P2.4直接提供。
2.1.1.1地址锁存器74LS373
在8051单片机的16位地址，分别由P2口输出高8位，P0口输出低8位，由于P0口又是数据输入/输出口，在传送时采用分时传送方式，先输出低8位地址，然后再传送数据，在对外部存储器进行读写操作时，地址必须保持不变，故选用地址锁存器存放低8位地址，我们选用74LS373芯片，与8051单片机的连接参见图6。
2.1.1.2程序存储器27128
根据系统容量的要求及价格，我们选用（28引脚）的27128EPROM芯片。
在与8051单片机连接时，具体参见图6。
2.1.1.3数据存储器6264
8051内部有只有128B的RAM，CPU对内部有丰富的操作指令，在实际应用中，仅仅靠片内RAM往往不行，必须扩展外部存储器，我们选用（28引脚）6264芯片。
具体参见图6。
2.1.2扩展I/O口
在8051单片机中，单片机本身提供的输入输出口线并不够，只有P1准双向口的8位I/O线和P3口的某些位线可作为输入输出线使用。
由于在本设计中，需要有键盘输入信息，并且能够在LED七段数码显示出来，需要较多的I/O口线，为满足设计要求，我们选用（40引脚）可编程的RAMI/O扩展接口电路8155芯片。
具体参见图6。
2.1.3单片机与键盘、显示接口
2.1.3.1LED显示接口
LED显示器是单片机应用中最常用的输出器件，它是由若干发光二极管组成，当发光二极管导通时，相应的一个点或一个笔画发光，不同组合的二极管导通，就能显示出各种字符，我们选用七段LED显示器显示时，由于位数较多，采用动态显示法，具体参见图6。
2.1.3.2键盘接口
键盘是由若干按键组成的开关矩阵，它是最简单的单片机输入设备，通过键盘输入数据或命令，实现简单的人机对话。
对于整个系统来说，分别接显示器和键盘，需要太多的I/O接口，浪费I/O口资源，在系统设计中，将键盘与显示器放在一起来考虑，利用8155芯片实现键盘/显示接口，具体参见图6。
2.1.4SLE4520生成PWM脉冲
生成PWM脉冲方法很多，大致分为两大类：
第一类是由模拟电路生成，第二类是由专用集成芯片生成。
由于模拟电路生成PWM脉冲时，硬件开销大，系统可靠性底，易受外界干扰等缺点，我们选用第二类专用集成芯片SLE4520生成。
SLE4520三相PWM集成电路，是一种应用ACOMS技术制作的低功耗高频大规模集成电路，是一种可编程器件，它能把三个8位数字量同时转换成三路相应脉宽的矩形波信号，与8位或16位微机联合使用，可产生三相变频器所需的六路控制信号，输出的SPWM的开关频率可达20KHz，基波频率可达2600Hz，因此，适用于IGBT变频器或其他中频电源变频器。
由模糊控制部分输出的调制系数M，由负载要求给定的U-f曲线可知，某一给定的频率f可得相应的U值，而M=Um/Ud，其中Ud为逆变器的输入直流电压值，Um为正弦波幅值，而Ud可由U-f曲线得，所以M与f成正比的关系。
不同的M只就对应不同的频率，以及区段数S和每个区段的脉冲数N，由公式（a）可得脉冲周期T，公式（b）可得k值，而函数值（sinωt1-sinωt2）完全由S值来确定，由S个区段，就有S个相应的函数值。
由公式（c）就可得S个脉冲
2
宽度的定时初值，存入数据存储器中，这样就可得U相输出脉冲。
根据三相对称关系，V相输出脉冲比U相退后120°，W相输出脉冲比U相导前120°，因此，将U相地址指针后移2S/3个单元，查得的值即为V相输出值，将U相地址指针前移2S/3个单元，查得的值即为W相输出值，用此方法可根据求出的U相脉冲宽度的定时初值来建立V相和W相的输出脉冲宽度的定时初值，也存入数据存储器中，以备查用。
实现过程中，程序完成初始化，根据读入的调制系数M的值，计算出一周期内U相的S个脉冲宽度的定时初值，送RAM区，再根据三相对称关系，分别建立V相和W相S个脉冲宽度的定时初值也送RAM区。
当SLE4520将三组数取走后，主程序将再读取新的值，重复上述计算。
把RAM中U、V、W三相脉冲宽度的定时初值分别送至SLE4520的U相寄存器、V相寄存器、W相寄存器中，由8051产生的同步脉冲，同步启动SLE4520中三个减1计数器开始减法计数，某一减法计数器减到零，SLE4520中相应的过零监测器分别使PH1/1、PH1/2、PH2/1、PH2/2、PH3/1和PH3/2输出信号翻转，用来控制开关器件V1、V2、V3、V4、V5和V6导通或关断，以形成三相SPWM波。
具体参见图6。
2.1.5主回路
给异步电动机提供调频调压电源的电力变换部分为主电路。
它由三部分组成：
将工频电源变换为直流电源的“整流器”；吸收由整流器和逆变器回路产生的电压脉动的“滤波回路”，也是储能回路；将直流功率变换成交流功
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