交流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)設(shè)計

王建堂 史富強(qiáng)

摘 要：構(gòu)建PLC平臺的交流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)，根據(jù)交流電機(jī)的設(shè)定速度和實(shí)際反饋速度，獲取速度誤差和誤差變化量，通過PLC實(shí)現(xiàn)變量模糊化和去模糊化，根據(jù)交流電機(jī)輸出的脈沖寬度調(diào)制信號實(shí)現(xiàn)交流電機(jī)速度的精確控制，仿真系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)交流轉(zhuǎn)速精確控制，有一定實(shí)用性價值。

關(guān)鍵詞：交流電機(jī);精確控制;仿真

目前交流電機(jī)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(shù)變化小，不能滿足交流電機(jī)調(diào)速的需求，如果使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯等智能算法的控制系統(tǒng)，算法復(fù)雜，只適合理論上的執(zhí)行，實(shí)用性較差。本文以PLC為平臺，構(gòu)建模糊邏輯的交流電機(jī)速度控制系統(tǒng)，系統(tǒng)通過編程實(shí)現(xiàn)模糊控制，輸出交流電機(jī)的脈沖寬度調(diào)制驅(qū)動信號;通過仿真優(yōu)化實(shí)現(xiàn)不同負(fù)載條件下交流電機(jī)啟動。

1 系統(tǒng)構(gòu)建

要實(shí)現(xiàn)交流電機(jī)速度控制系統(tǒng)可構(gòu)建由PLC控制器、PWM驅(qū)動器、H橋和交流電機(jī)組成和速度傳感器五部分組成的系統(tǒng)。工作時通過速度傳感器采集交流電機(jī)理論速度和實(shí)際運(yùn)行速度，計算出理論速度和實(shí)際速度的差值參數(shù)，將參數(shù)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(jī)三相H電橋的驅(qū)動電壓，實(shí)現(xiàn)交流電機(jī)轉(zhuǎn)速的精確控制。

交流電機(jī)速度控制系統(tǒng)的整體框架結(jié)構(gòu)由模糊化模塊、規(guī)則庫模塊和去模糊化模塊。模糊化處理過程由交流電機(jī)速度控制系統(tǒng)將輸入、輸出處理單元轉(zhuǎn)換成模糊化的變量來進(jìn)行處理，并檢測的速度誤差。系統(tǒng)的速度誤差變化量定義為系統(tǒng)模糊邏輯控制器的輸入信號變量，將系統(tǒng)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(jìn)行處理。如果將交流電機(jī)的設(shè)定速度定義為，將內(nèi)燃機(jī)車交流電機(jī)的實(shí)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(tǒng)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(shù)smf和Z形隸屬函數(shù)zmf。圖1是速度控制器輸入和的隸屬度函數(shù)值，圖2是系統(tǒng)輸入的隸屬度函數(shù)值。

規(guī)則數(shù)據(jù)庫的設(shè)計采用模糊數(shù)學(xué)中模糊化規(guī)則進(jìn)行處理，在速度控制器系統(tǒng)中，對輸入誤差和誤差變化量，采用“IF-THEN”語句執(zhí)行。對規(guī)則數(shù)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(shù)語進(jìn)行處理。

模糊化去除模塊設(shè)計實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)輸出變量轉(zhuǎn)換為非常具體數(shù)值變量，更具有量化處理的能力。

2 仿真研究

采用PLC程序進(jìn)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(jié)構(gòu)：

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(tǒng)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(tǒng)上端的PWM控制驅(qū)動器中，再經(jīng)過H橋電路來精確地控制。

交流電機(jī)控制系統(tǒng)的包括交流電機(jī)、PLC控制器、PWM驅(qū)動器等，主要使用PLC控制器模糊規(guī)則，通過系統(tǒng)的輸出信號調(diào)整交流電機(jī)調(diào)速驅(qū)動信號的占空比比例關(guān)系。應(yīng)用MATLAB進(jìn)行仿真，假設(shè)交流電機(jī)轉(zhuǎn)速為1750 r/ min，在不同負(fù)載下啟動電機(jī)，觀測交流電機(jī)轉(zhuǎn)動速度的變化曲線，計算出交流電機(jī)轉(zhuǎn)速上升時間、穩(wěn)定時間和過沖性能等重要的參數(shù)。綜合比較發(fā)現(xiàn)交流電機(jī)的調(diào)速特性是：在加載的負(fù)載大情況下，電機(jī)調(diào)速的速度上升時間表現(xiàn)出比較長的特點(diǎn)，同時速度的穩(wěn)定時間和過沖率卻很小;當(dāng)加載的負(fù)載比較小的時候，電機(jī)啟動時加速的加速度小，速度提升較慢，但穩(wěn)定性好。經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)表明，PLC交流電機(jī)調(diào)整系統(tǒng)可以比較快地控制交流電機(jī)轉(zhuǎn)速到預(yù)先設(shè)定值;能穩(wěn)定交流電機(jī)的轉(zhuǎn)速證明交流電機(jī)控制系統(tǒng)有一定的有效性和實(shí)用價值。

3 結(jié)論

交流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制可使用西門子PLC實(shí)現(xiàn)，經(jīng)過驗(yàn)證取得良好的效果。系統(tǒng)通過PLC輸出PWM電機(jī)驅(qū)動信號的占空比例調(diào)節(jié)交流電機(jī)的橋型調(diào)速電路的電壓值，實(shí)現(xiàn)交流電機(jī)的調(diào)速，仿真證實(shí)PLC控制器在交流電機(jī)速度精確控制方面有一定的實(shí)用效果。

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