引言

異步電機(jī)以其優(yōu)良的性能及無需維護(hù)的特點(diǎn)，在工農(nóng)業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。三相異步電機(jī)的啟動(dòng)方法很多，比如直接啟動(dòng)、自耦降壓?jiǎn)?dòng)、延邊三角形啟動(dòng)等等。對(duì)于風(fēng)機(jī)泵類等恒功率負(fù)載，如果在額定電壓下直接啟動(dòng)三相異步電機(jī)，啟動(dòng)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(shí)影響電網(wǎng)上其他用電設(shè)備的正常運(yùn)行，這對(duì)于電機(jī)本身來講，沖擊電流造成局部溫升過大，降低電機(jī)壽命，給機(jī)械系統(tǒng)帶來強(qiáng)大的機(jī)械沖力，沖擊電流會(huì)以電磁波的形式干擾電氣儀表的正常運(yùn)行。因此宜采用軟啟動(dòng)的方法。

1、模糊PID軟啟動(dòng)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(diǎn)是不依賴于被控對(duì)象精確的數(shù)學(xué)模型，適合于非線性、強(qiáng)耦合、不確定性的電機(jī)軟啟動(dòng)復(fù)雜系統(tǒng)。異步電機(jī)軟啟動(dòng)主回路結(jié)構(gòu)見圖1，利用三對(duì)反并聯(lián)的單向晶閘管來實(shí)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(shí)現(xiàn)電機(jī)的平穩(wěn)啟動(dòng)。

交流電機(jī)定子電流經(jīng)過濾波后與啟動(dòng)電流給定值一起作為模糊PID調(diào)節(jié)器的輸入信號(hào)。dsPIC30F6014型單片機(jī)首先計(jì)算出啟動(dòng)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(jìn)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(hào)，送至驅(qū)動(dòng)電路，由觸發(fā)角決定每個(gè)周期觸發(fā)脈沖的產(chǎn)生時(shí)刻，從而調(diào)節(jié)晶閘管的輸出電壓，從而起到限制啟動(dòng)電流，減小沖擊轉(zhuǎn)矩的作用。

2 、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

人們運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)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(shí)存入計(jì)算機(jī)知識(shí)庫中，然后計(jì)算機(jī)根據(jù)控制系統(tǒng)的實(shí)際響應(yīng)情況，運(yùn)用模糊推理，即可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)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(duì)PID的3個(gè)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，以滿足不同時(shí)刻的e和ec對(duì)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(jī)軟啟動(dòng)的過程中，通過檢測(cè)啟動(dòng)電流i設(shè)定值的偏差，以及偏差的變化率，這兩種檢測(cè)信號(hào)作為模糊PID控制器的兩個(gè)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(jìn)而達(dá)到電機(jī)平穩(wěn)軟啟動(dòng)的要求。

（1）模糊化

在電機(jī)軟啟動(dòng)控制器系統(tǒng)中設(shè)計(jì)模糊PID控制器時(shí)，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(shí)或手動(dòng)操作人員長期積累的經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)各參數(shù)的規(guī)則表進(jìn)行模糊推理。模糊推理如下：

3、 仿真結(jié)果

為了驗(yàn)證模糊PID控制器理論設(shè)計(jì)的有效性，借助Matlab的Simulink工具箱建立交流電機(jī)模糊PID仿真系統(tǒng)。交流電機(jī)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(jī)軟啟動(dòng)時(shí)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(dòng)過程中電機(jī)轉(zhuǎn)速平穩(wěn)上升，軟啟動(dòng)效果良好。在0～0．2 s時(shí)間內(nèi)，電磁轉(zhuǎn)矩時(shí)正時(shí)負(fù)，這是因?yàn)樵趩?dòng)初始，晶閘管導(dǎo)通角較小，電機(jī)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(dòng)初始較短時(shí)間內(nèi)（1～2個(gè)周期）存在沖擊電流外，在交流電機(jī)啟動(dòng)過程中，電機(jī)電流保持在設(shè)定值40 A附近，恒流控制效果良好。當(dāng)交流電機(jī)啟動(dòng)完成后，電機(jī)電流回落到12 A附近，電機(jī)進(jìn)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(dòng)電流，抑制沖擊轉(zhuǎn)矩的作用。

4 、結(jié)語

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

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