基于DSP的模糊PD控制算法的研究

孫 雷 岳云濤

（北京建筑大學電氣與信息工程學院 北京 100044）

1 引言

中壓軟啟動器因為啟動電流小、節約能源以及減少了對機械的啟動沖擊，而廣泛應用于三相籠型異步電動機的啟動中[1-3]。傳統的降壓啟動方法基本上是靠單純的降低電壓來啟動電動機的，啟動轉矩很小，但存在啟動電流及啟動轉矩沖擊大的缺點。為保證中壓異步電動機的使用壽命及電網的供電品質，中壓電動機軟啟動器起到了關鍵性作用。其方式就是控制以不同速率改變晶閘管的導通角，使電動機端電壓漸增，這樣可很好地解決傳統起動過程中電流過大及其派生的許多問題。傳統方法采用閉環PID對電動機進行恒流軟起動控制，然而，由于PID控制方法中參數整定過分依賴控制對象的特征和數學模型，而實際生產中由于各種偶然和非偶然的因素，導致對象參數變化的現象時有發生，因而單純PID控制較難得到理想的控制效果，而模糊控制技術是不依賴精確的數學模型，對參數的變化不敏感，適應性強，具有很好的魯棒性[4-7]。因此，本文提出將模糊控制和PID控制相結合的方法應用于中壓異步電動機軟啟動器的控制中，進而可以獲得較好的控制效果。

2 基本原理

本系統中壓軟啟動控制器采用了以 TMS320 C2812DSP為核心的模糊 PD控制及其通訊和顯示控制，在電動機的啟動過程中，按所期望的啟動特性，對電機進行自動控制，使其平滑可靠地完成啟動過程。軟啟動器的系統結構如圖1所示。顯然，由于采用了 DSP2812控制芯片使觸發脈沖的產生和啟動過程迅速完成，大大簡化了系統結構和外圍電路，提高了裝置工作的可靠性及系統的響應速度。

此軟起動器采用三對反并聯的晶閘管串接在電動機的三相供電線路上，利用晶閘管的電子開關特性，通過80C196KC單片機控制其觸發角的大小，以改變晶閘管的開通程度，由此改變電動機輸入電壓的大小，以達到控制電動機的啟動特性。

當軟起動控制器的微機控制系統檢測到的電流小于I0時，系統按模糊控制方法進行有關的模糊推理和決策，來確定晶閘管的觸發信號脈沖。當檢測到的電流大于I0時，則按PD控制方法來確定晶閘管的觸發信號脈沖。所以本系統按這兩個階段來控制中壓異步電動機的起動過程。

當電動機起動過程完成后，K2、K3控制信號使其相應的交流接觸器吸合，短掉所有晶閘管，使電動機直接投網運行，避免不必要的能源損耗。

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

3 控制系統的硬件設計

軟啟動器控制系統的硬件結構如圖1所示，其控制線路由以下幾部分組成：TMS320C2812控制系統，同步電路，脈沖觸發驅動電路、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經由 LM339組成的過零比較器變為周期為20ms的方波信號。經過光電耦合器隔離，送到 DSP2812控制器的輸入端口,就可以獲得準確的同步時刻。

3.2 脈沖輸出電路

由于軟啟動器主回路有六只晶閘管，故需六相獨立的觸發脈沖。利用DSP2812系列控制器的六路PWM 口，產生脈沖十分方便且準確可靠。由于三相平衡控制時六相觸發脈沖依次相差60°電角度，所以當控制系統由主回路取得電壓同步信號后，即可根據觸發移相角α依次延時，在PWM口上產生所需的六組觸發脈沖信號，系統的快速性和可靠性都提高了。控制系統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。

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應的直流小信號電壓；二是用電流互感器把負載交流電流轉變成小電流信號，再經過整流、濾波、比例調節，變換成直流小信號電壓輸出到模/數轉換器的模擬輸入通道進行檢測。由于電流傳感器精度及可靠性較高，采用了第一種方案。

4 控制系統的軟件設計

在電動機軟起動的控制過程中經常會碰到大滯后、時變、非線性的復雜系統。其中，有的參數未知或緩慢變化；有的存在滯后和隨機干擾；有的無法獲得精確的數學模型。模糊控制是一種近年來發展起來的新型控制方法，其優點是不要求掌握受控對象的精確數學模型，而根據人工控制規則組織控制決策表，然后由該表決定控制量的大小。將模糊控制和 PD控制結合起來，既具有模糊控制靈活而適應性強的優點，又具有 PD控制響應速度快的特點。

4.1 模糊控制的實現

要實現語言控制的模糊邏輯控制器,必須解決三個基本問題。第一是先通過電流互感器把電流檢測過來，再通過模數轉換器把它轉換成精確的數字量，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換成模糊集合的隸屬函數，這一部稱為精確量的模糊化。第二個問題是根據有經驗的操做者或者專家的經驗制定出模糊控制規則，并進行模糊邏輯推理，以得到一個模糊輸出集合即一個新的模糊隸屬函數，這一步稱為模糊控制規則形成和推理。其目的是用模糊輸入值去適配控制規則，為每個控制規則確定其適配的程度，并且通過加權計算合并那些規則的輸出。要解決的第三個問題是根據模糊邏輯推理得到的輸出模糊隸屬函數，用不同的方法找一個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。本系統是對電流的偏差值E和偏差的變化率EC進行綜合判斷。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就必須把它們轉換成模糊集合的隸屬函數。把偏差E的變化范圍設定為[?6，6]區間連續變化量，使之離散化，構成含13個整數元素的離散集合：{?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轉換為在[?6，6]之間變化的變量E。

同理，可將 die/dt的區間[0，20A/S]轉換為[?6，6]之間變化的量C。

同理，可將ΔU 的區間[0，0.1]轉換為[?6，6]之間變化的量。

（2）取加權平均系數β=0.9,則根據式（2）

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

就可得到模糊控制規則表，如表1所示。

（3）然后進行反模糊判決

表1 模糊控制規則表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控制的實現

在A?D中斷服務程序中，當檢測到的電流值大于設定的電流值時，為使系統有較快的響應速度以有效抑制起動過程的振蕩,調節器采用比例?微分（P?D）控制。計算機實時控制系統中采用的離散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——分別為比例系數和微分時間常數。

5 仿真、實驗及結論

根據上述軟硬件設計方案，設計并制作了一個軟啟動器，被控對象為1 140 V、85 A的感應電動機，其額定轉速為970 r/min，仿真波形如圖2所示，實驗波形如圖3所示，圖3是每相可控硅的驅動雙窄脈沖電壓波形，從圖中可以看出可控硅的驅動脈沖電壓在 7V左右，能夠滿足可控硅可靠導通的要求，A相、B相和C相的電流isa、isb和isc在電動機起動瞬間的電流幅值明顯降低，并具有較快的動態響應速度。通過上述仿真和實驗結果可以說明：

該軟起動器具有：①控制機理先進,性能價格比高，適合于廠礦使用。②電動機起動平滑，起始電壓可調，且可保證電動機起動的最小起動轉矩。③起動時間可調，在該時間范圍內，電動機的轉速逐漸上升，以避免轉速沖擊。所以本文所提出的基于模糊 PD控制的中壓軟啟動器加快了系統的響應速度，提高了整個系統的可靠性和抗干擾能力，使系統的魯棒性增強。

圖2 模糊PD控制的電動機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 實驗輸出觸發脈沖波形Fig.3 Experiment output of Pulse wave

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