交流電機轉速控制系統設計

王建堂 史富強

摘 要：構建PLC平臺的交流電機轉速控制系統，根據交流電機的設定速度和實際反饋速度，獲取速度誤差和誤差變化量，通過PLC實現變量模糊化和去模糊化，根據交流電機輸出的脈沖寬度調制信號實現交流電機速度的精確控制，仿真系統能實現交流轉速精確控制，有一定實用性價值。

關鍵詞：交流電機;精確控制;仿真

目前交流電機速度控制最常用的方法是采用比例積分微分法，這種控制器參數變化小，不能滿足交流電機調速的需求，如果使用神經網絡、模糊邏輯等智能算法的控制系統，算法復雜，只適合理論上的執行，實用性較差。本文以PLC為平臺，構建模糊邏輯的交流電機速度控制系統，系統通過編程實現模糊控制，輸出交流電機的脈沖寬度調制驅動信號;通過仿真優化實現不同負載條件下交流電機啟動。

1 系統構建

要實現交流電機速度控制系統可構建由PLC控制器、PWM驅動器、H橋和交流電機組成和速度傳感器五部分組成的系統。工作時通過速度傳感器采集交流電機理論速度和實際運行速度，計算出理論速度和實際速度的差值參數，將參數輸入PLC模糊邏輯模塊模糊化處理，以PWM占空比的信號形式輸出，控制交流電機三相H電橋的驅動電壓，實現交流電機轉速的精確控制。

交流電機速度控制系統的整體框架結構由模糊化模塊、規則庫模塊和去模糊化模塊。模糊化處理過程由交流電機速度控制系統將輸入、輸出處理單元轉換成模糊化的變量來進行處理，并檢測的速度誤差。系統的速度誤差變化量定義為系統模糊邏輯控制器的輸入信號變量，將系統模糊邏輯控制器輸出信號定義成PLC可編程控制器的輸出變量來進行處理。如果將交流電機的設定速度定義為，將內燃機車交流電機的實際速度定義為，上述計算公式中和計算過程如公式（1）和（2）所示：

為減少可編程控制器PLC系統計算和存儲空間的限制對研究的影響可選擇S形隸屬函數smf和Z形隸屬函數zmf。圖1是速度控制器輸入和的隸屬度函數值，圖2是系統輸入的隸屬度函數值。

規則數據庫的設計采用模糊數學中模糊化規則進行處理，在速度控制器系統中，對輸入誤差和誤差變化量，采用“IF-THEN”語句執行。對規則數量和模糊變量中的模糊子集劃分相互一致，但是對誤差模糊集和誤差變化量模糊集則采用7個語言術語進行處理。

模糊化去除模塊設計實現系統輸出變量轉換為非常具體數值變量，更具有量化處理的能力。

2 仿真研究

采用PLC程序進行模糊化編程。輸入信息的模糊化處理，程序主體如下：

Q1NB=Deg error in PB*Deg ce in PM

Q2NB=Deg error in PM*Deg ce in PI3

Q3NB=Deg error in PB*Deg ce in PB

Deg out QB =Q1NB十Q2NB十Q3 NB

其次，去模糊化編程主體結構：

Q1= Deg out NB*NB

Q2= Deg out NM*NM

Q3= Deg out NS*NS

Q4= Deg out Z*Z

Q5= Deg out PS*PS

Q6= Deg out PM*PM

Q7= Deg out PB*PB

Q=Q1+Q2+Q3+Q4+QS+Q6+Q7

D=Deg out NB+Deg out NM+Deg out NS+Deg out Z+Deg out PS+Deg out PM+Deg out PB，

U=out put=N/D

Z= 0，NS=5，NM=3 ，NB=4，PB= 4，PM= 3，PS= 1。

最終由系統的可編程PLC控制器采用模糊算法將計算出的輸出信號變量輸入到系統上端的PWM控制驅動器中，再經過H橋電路來精確地控制。

交流電機控制系統的包括交流電機、PLC控制器、PWM驅動器等，主要使用PLC控制器模糊規則，通過系統的輸出信號調整交流電機調速驅動信號的占空比比例關系。應用MATLAB進行仿真，假設交流電機轉速為1750 r/ min，在不同負載下啟動電機，觀測交流電機轉動速度的變化曲線，計算出交流電機轉速上升時間、穩定時間和過沖性能等重要的參數。綜合比較發現交流電機的調速特性是：在加載的負載大情況下，電機調速的速度上升時間表現出比較長的特點，同時速度的穩定時間和過沖率卻很小;當加載的負載比較小的時候，電機啟動時加速的加速度小，速度提升較慢，但穩定性好。經過多次實驗表明，PLC交流電機調整系統可以比較快地控制交流電機轉速到預先設定值;能穩定交流電機的轉速證明交流電機控制系統有一定的有效性和實用價值。

3 結論

交流電機轉速控制可使用西門子PLC實現，經過驗證取得良好的效果。系統通過PLC輸出PWM電機驅動信號的占空比例調節交流電機的橋型調速電路的電壓值，實現交流電機的調速，仿真證實PLC控制器在交流電機速度精確控制方面有一定的實用效果。

參考文獻：

[1]王少鋒.飛航導彈分數階PID控制及其數字實現[J].宇航學報，2005，26（05）：653-656.

[2]李文.一類分數階濾波器逼近階次的選擇[J].電機與控制學報，2010（01）：90-94.

[3]白晶.分數階模型的離散化方法研究[D].大連：大連交通大學，2009.

[4]曹軍義.分數階控制器的數字實現及其特性[J].控制理論與應用，2006，3（05）：791-794.

[5]李文.分數階微分算子的離散化方法比較[J].大連交通大學學報，2008，29（03）：95-98.