基于DSP的模糊PD控制算法的研究

孙 雷 岳云涛

（北京建筑大学电气与信息工程学院 北京 100044）

1 引言

中压软启动器因为启动电流小、节约能源以及减少了对机械的启动冲击，而广泛应用于三相笼型异步电动机的启动中[1-3]。传统的降压启动方法基本上是靠单纯的降低电压来启动电动机的，启动转矩很小，但存在启动电流及启动转矩冲击大的缺点。为保证中压异步电动机的使用寿命及电网的供电品质，中压电动机软启动器起到了关键性作用。其方式就是控制以不同速率改变晶闸管的导通角，使电动机端电压渐增，这样可很好地解决传统起动过程中电流过大及其派生的许多问题。传统方法采用闭环PID对电动机进行恒流软起动控制，然而，由于PID控制方法中参数整定过分依赖控制对象的特征和数学模型，而实际生产中由于各种偶然和非偶然的因素，导致对象参数变化的现象时有发生，因而单纯PID控制较难得到理想的控制效果，而模糊控制技术是不依赖精确的数学模型，对参数的变化不敏感，适应性强，具有很好的鲁棒性[4-7]。因此，本文提出将模糊控制和PID控制相结合的方法应用于中压异步电动机软启动器的控制中，进而可以获得较好的控制效果。

2 基本原理

本系统中压软启动控制器采用了以 TMS320 C2812DSP为核心的模糊 PD控制及其通讯和显示控制，在电动机的启动过程中，按所期望的启动特性，对电机进行自动控制，使其平滑可靠地完成启动过程。软启动器的系统结构如图1所示。显然，由于采用了 DSP2812控制芯片使触发脉冲的产生和启动过程迅速完成，大大简化了系统结构和外围电路，提高了装置工作的可靠性及系统的响应速度。

此软起动器采用三对反并联的晶闸管串接在电动机的三相供电线路上，利用晶闸管的电子开关特性，通过80C196KC单片机控制其触发角的大小，以改变晶闸管的开通程度，由此改变电动机输入电压的大小，以达到控制电动机的启动特性。

当软起动控制器的微机控制系统检测到的电流小于I0时，系统按模糊控制方法进行有关的模糊推理和决策，来确定晶闸管的触发信号脉冲。当检测到的电流大于I0时，则按PD控制方法来确定晶闸管的触发信号脉冲。所以本系统按这两个阶段来控制中压异步电动机的起动过程。

当电动机起动过程完成后，K2、K3控制信号使其相应的交流接触器吸合，短掉所有晶闸管，使电动机直接投网运行，避免不必要的能源损耗。

图1 中压软启动控制器原理图Fig.1 Schematic of medium soft-starter induction motor system

3 控制系统的硬件设计

软启动器控制系统的硬件结构如图1所示，其控制线路由以下几部分组成：TMS320C2812控制系统，同步电路，脉冲触发驱动电路、电流检测电路及显示电路等。

3.1 同步电路

同步电路采用单相同步方式。来自电源变压器的同步信号经由 LM339组成的过零比较器变为周期为20ms的方波信号。经过光电耦合器隔离，送到 DSP2812控制器的输入端口,就可以获得准确的同步时刻。

3.2 脉冲输出电路

由于软启动器主回路有六只晶闸管，故需六相独立的触发脉冲。利用DSP2812系列控制器的六路PWM 口，产生脉冲十分方便且准确可靠。由于三相平衡控制时六相触发脉冲依次相差60°电角度，所以当控制系统由主回路取得电压同步信号后，即可根据触发移相角α依次延时，在PWM口上产生所需的六组触发脉冲信号，系统的快速性和可靠性都提高了。控制系统通过光耦合器与主回路隔离，并向主回路晶闸管传递脉冲信号。

3.3 电流检测电路

电流检测可以有两种方案：一是用电流传感器直接检测输出对应的直流小信号电压；二是用电流互感器把负载交流电流转变成小电流信号，再经过整流、滤波、比例调节，变换成直流小信号电压输出到模/数转换器的模拟输入通道进行检测。由于电流传感器精度及可靠性较高，采用了第一种方案。

4 控制系统的软件设计

在电动机软起动的控制过程中经常会碰到大滞后、时变、非线性的复杂系统。其中，有的参数未知或缓慢变化；有的存在滞后和随机干扰；有的无法获得精确的数学模型。模糊控制是一种近年来发展起来的新型控制方法，其优点是不要求掌握受控对象的精确数学模型，而根据人工控制规则组织控制决策表，然后由该表决定控制量的大小。将模糊控制和 PD控制结合起来，既具有模糊控制灵活而适应性强的优点，又具有 PD控制响应速度快的特点。

4.1 模糊控制的实现

要实现语言控制的模糊逻辑控制器,必须解决三个基本问题。第一是先通过电流互感器把电流检测过来，再通过模数转换器把它转换成精确的数字量，精确输入量输入至模糊控制器后，首先要把这些精确的输入量转换成模糊集合的隶属函数，这一部称为精确量的模糊化。第二个问题是根据有经验的操做者或者专家的经验制定出模糊控制规则，并进行模糊逻辑推理，以得到一个模糊输出集合即一个新的模糊隶属函数，这一步称为模糊控制规则形成和推理。其目的是用模糊输入值去适配控制规则，为每个控制规则确定其适配的程度，并且通过加权计算合并那些规则的输出。要解决的第三个问题是根据模糊逻辑推理得到的输出模糊隶属函数，用不同的方法找一个具有代表性的精确值作为控制量，这一步称为模糊输出量的反模糊判决。

（1）精确输入量的模糊化。本系统是对电流的偏差值E和偏差的变化率EC进行综合判断。无论是偏差还是偏差的变化率，都是精确的输入值，要采用模糊控制技术就必须把它们转换成模糊集合的隶属函数。把偏差E的变化范围设定为[−6，6]区间连续变化量，使之离散化，构成含13个整数元素的离散集合：{−6，−5，−4，−3，−2，−1，0，1，2，3，4，5，6}电流偏差 E是在[0，Ist]之间，可以通过式（1）变换

将在[0，Ist]之间变化的变量Χ转换为在[−6，6]之间变化的变量E。

同理，可将 die/dt的区间[0，20A/S]转换为[−6，6]之间变化的量C。

同理，可将ΔU 的区间[0，0.1]转换为[−6，6]之间变化的量。

（2）取加权平均系数β=0.9,则根据式（2）

可获得ΔU的实际值，从而得到输出电压U的值,从而通过CA6100移相触发电路确定α的值。

就可得到模糊控制规则表，如表1所示。

（3）然后进行反模糊判决

表1 模糊控制规则表Tab.1 The rule table of fuzzy control

（a）偏差E在{~6，0}之间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}之间

4.2 PD控制的实现

在A−D中断服务程序中，当检测到的电流值大于设定的电流值时，为使系统有较快的响应速度以有效抑制起动过程的振荡,调节器采用比例−微分（P−D）控制。计算机实时控制系统中采用的离散P−D控制，其差分方程为

式中ΔU(n)——输出电压从第n−1周期到第n周期的变化量；

aaIe(n)——第 n周期电流量与期望值间的误差；

Kp、Kd——分别为比例系数和微分时间常数。

5 仿真、实验及结论

根据上述软硬件设计方案，设计并制作了一个软启动器，被控对象为1 140 V、85 A的感应电动机，其额定转速为970 r/min，仿真波形如图2所示，实验波形如图3所示，图3是每相可控硅的驱动双窄脉冲电压波形，从图中可以看出可控硅的驱动脉冲电压在 7V左右，能够满足可控硅可靠导通的要求，A相、B相和C相的电流isa、isb和isc在电动机起动瞬间的电流幅值明显降低，并具有较快的动态响应速度。通过上述仿真和实验结果可以说明：

该软起动器具有：①控制机理先进,性能价格比高，适合于厂矿使用。②电动机起动平滑，起始电压可调，且可保证电动机起动的最小起动转矩。③起动时间可调，在该时间范围内，电动机的转速逐渐上升，以避免转速冲击。所以本文所提出的基于模糊 PD控制的中压软启动器加快了系统的响应速度，提高了整个系统的可靠性和抗干扰能力，使系统的鲁棒性增强。

图2 模糊PD控制的电动机电流和速度仿真波形Fig.2 simulation wave of fuzzy PD control of the motor current and the speed

图3 实验输出触发脉冲波形Fig.3 Experiment output of Pulse wave

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