基于和利时PLC的交流电机模糊软启动实验系统设计

周震

摘  要：提出了基于和利时LM小型PLC对实验室环境下的小功率交流电动机进行的模糊控制，从而实现软启动实验系统。实验系统在自制和利时PLC实验台的基础上，以LM3108K为核心单元，通过模糊控制算法控制三相智能交流调压模块，对交流电动机的带载启动实现了软启动控制。从实验结果看，本实验系统及其程序设计可达到预期目标，具有一定的参考、借鉴意义。

关键词：模糊控制;软启动;LM3108K;智能交流调压模块

中图分类号：TM571               文献标识码：A               DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.14.005

交流电动机在全压直接启动过程中，启动电流可达到额定电流的4～8倍，但启动转矩仅能达到额定转矩的0.5～1.5倍。为了限制启动电流对电动机自身和电网的影响，软启动控制方式得到了普遍应用。软启动控制系统可分为开环控制系统和闭环控制系统两种基本结构。在闭环控制系统中，传统的控制方式采用闭环PID算法对交流电动机进行恒流软启动。但交流电动机在启动过程中的电流和主电路中的晶闸管调压电路的控制电压之间的数学模型很难确定，同时，交流电动机本身参数的耦合性很强，是高阶非线性的被控对象，因此，采用PID控制参数调试的过程较长，很难取得理想的控制效果。在智能控制算法中，模糊控制理论以模糊数学和模糊语言形式表达为难以建立精确数学模型的被控对象的模糊控制规则。由于模糊控制规则可根据大量的经验结论和操作方法提炼，所以，其描述对于被控对象的控制而言，不需要基于精确的数学模型，同时，在表达方式上更接近人对事物处理判断的模糊控制思维。因此， 交流电动机的软启动过程中，采用基于模糊控制规则的模糊控制能更好地获得预期的控制效果。基本的模糊控制系统的组成如图1所示。

图1  模糊控制系统组成框图

控制系统中的模糊控制器可以采用单片机、PLC或其他计算机装置实现模糊控制算法。在前期完成的自制和利时PLC实验台的基础上，结合和利时PLC模块的特点，对实验室环境下的小功率交流电动机模糊软启动进行了研究，提出了可行的模糊软启动控制实验方案。

1  实验系统硬件方案

实验系统采用实验台上的和利时LM3108KCPU模块和三相交流调压实验区器件组建交流电动机的模糊软启动控制系统，如图2所示。

图2  模糊软启动控制系统

在实验系统中，LM3108KCPU本机提供8点继电器型DO，电压型AI和AO均为0～10 VDC输入/输出信号，精度为1%FS。交流量的公共端子为2M和3M，三相电压电流输入信号范围为0～14 VAC，精度为1%FS。实验用受控交流电动机的额定功率为750 W，额定电流为2.19 A，定子三相绕组接成星形方式，交流电动机加载器为可控磁粉制动器。三相智能交流调压模块可接受LM3108K的一路AO信号，从而对交流电动机进行调压控制。

2  模糊控制算法说明

在模糊算法中，对于模糊输入变量和模糊输出变量，其模糊化等级通常取{0，±1，±2，…，±m}，同时，将对应等级的模糊子集取为以下几种情况之一。

e={负大，负小，零，正小，正大}={NB，NS，ZO，PS，PB};e={负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}={NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB};e={负大，负中，负小，零负，零正，正小，正中，正大}={NB，NM，NS，NZ，PZ，PS，PM，PB};e={负很大，负大，负中大，负中，负中小，负小，负很小，零负，零正，正很小，正小，正中小，正中，正中大，正大，正很大}={NVB，NB，NMB，NM，NMS，NS，NVS，NZ，PZ，PVS，PS，PMS，PM，PMB，PB，PVB}。

在实验中，取交流电机定子电流偏差ei对应的模糊变量为Ei，电流偏差变化率为eiC=de/dt，对应的模糊变量为EiC。将模糊输入变量Ei的模糊化等级取m=3，模糊子集取上述第2种情况，且将每个模糊子集用三角形隶属度函数模糊化。将模糊输入变量EiC的模糊化等级取3，模糊子集取上述第1种情况，且将每个模糊子集用三角形隶属度函数模糊化。模糊控制器的输出量为控制晶闸管模块的控制电压uC，其对应的模糊变量为UC。模糊控制器的输出量的模糊化等级取m=3，模糊子集取上述第2种情况，采用高斯型隶属度函数与每个模糊子集对应。结合交流电动机的恒流软启动控制经验，实验系统的控制规则采用模糊规则表表示，如表1所示。根据模糊控制规则表，按照第一类推理方式可求得总的模糊关系R，可进行模糊推理，并采用加权平均法解模糊得到1张模糊控制查询表，如表2所示。设定输入变量电流偏差ei的实际变化范围为[-eimax，+eimax]，输入变量电流偏差变化率eiC的实际变化范围为[-eiCmax，+eiCmax]，输出变量控制电压uC的实际变化范围为[0，5 V]。需要将输入量的精确量按照式（1）将其转换到对应的论域区间[-3，+3]，并按照转换后的等级查询模糊控制查询表中对应的输出量模糊等级。最后将输出量通过式（2）得到实际的输出控制电压，用于调节交流电动机的三相定子电压。具体转换公式如下：

（1）

（2）

式（1）（2）中：e为精确量，e∈[a，b];为离散后的精确量，∈[-3，+3]。

表1  模糊控制规则表