基于模糊控制的电机节能控制器的研究设计

摘要：文章从电机未达到额定荷载、效率利用率低的问题出发，利用了模糊控制理论，通过导通角来控制晶闸管的各种情况，以降低两端电压，提高电机功率因数，从而达到轻载节能的目的。

关键词：三相异步电机；轻载节能；模糊控制；晶闸管；电机节能控制器 文献标识码：A

中图分类号：TM343 文章编号：1009-2374（2016）06-0090-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.06.045

1 模糊控制的理论概述

1.1 PID控制简介

PID控制器产生于1915年，近来控制方法花样很多，但PID控制器一直显得比较优越，具有鲁棒性强、结构简单、稳定性好、容易操作等优点，在工业过程控制当中用得非常多。模糊控制在工程方面大的应用，在理论上的研究都突显得特别快，是智能控制的，很活跃，研究和应用在控制方面领域。模糊集合理论的控制是一类相当好用的控制方法。模糊控制对工业来讲价值不可估量，我们从如下的两种情况可以分析得出：（1）模糊这种新的机制被提出来针对控制领域的规律。它是知识甚至是语义描述的一个叙述过程；（2）非线性的控制器，模糊控制器提出了一个相当容易的方法，对于系统的不确定性用它可以很方便地解决，特别是针对被控制的装置含有非线以及特别难用规律来衡量时，此刻模糊控制是相当有效的。

1.2 模糊集理论基础

普通的集合出现后，有越来越多的应用限制，不同的模糊集合理论是论域符合概念上的元素的程度，0和1是不能绝对模糊的，而是介于0和1之间的实数。在模糊的集合论中，我们知道地位的重要程度是通过各量之间模糊的关系来决定的，这种情况是每个数值元素之间的最基本普通关系。它们是否有关系，关系到什么程度，这就要利用我们新的控制模糊了。我们在手动的控制中，被控制的对象是被执行的量，我们可以采集这些信息数值量化，之后通过我们的头脑进行分析，我们依靠原来的已有知识去总结和判断，结合专家经验分析综合利用，从而得到相对应的数值量操作控制器，我们需要一个过程来进行精确的数值量到模糊量的换化，这样我们就可以用原来有的语言化的规则、控制的经验，利用专家的决策知识进行。然后将这种转化后输入到计算机，我们的思想被模仿，去执行一些控制操作的现象，让被控制的对象得到的控制，这样就形成了模糊的控制系统。

1.3 模糊控制规则的制定与推理

在很多工业控制领域的系统，很多人工控制都是在最基本的用手来控制的，但是对于我们所遇到的超精细的准确化模型来说，控制对象的模型肯定是复杂的，那么普通的控制规则很难精确实现这个过程的操作，但是如果操作的工作人员可以非常准确地操作这个系统，模糊想要的规则、控制目标的策略、控制磁场冲击的规则，关键问题的出现并非是容易的事，况且手动过程精确也不简单，我们的操作员基本的想法思路不是一天能形成的，是经过不断学习，利用之前专家总结的积累的知识原理形成的。控制的方式是存贮目标集合在技术的知识，用我们自己的话来进行控制的方式，我们提取有用的信息的方法可以是手动控制的形式，就能模糊控制制定出所想要的规则，那么系统的控制目标也就可以实现了。核心就是我们前面提的规则，即模糊规则。现在我们要考虑的关键问题是如何建好它。

2 电机软启动和基于模糊控制的节能控制算法的设计

2.1 电机的软启动

我们知道电机运行时的启动问题，开始时电流会上升很快，电压的快速降低肯定会对定子的产生旋转的磁场冲击很大，实际上电机经历强烈的电流，那么对于转子而言危害相当大。从上可以看出这种情形对电机的使用时间寿命来说影响巨大。因而对于电机的降压节能来说，很自然地想到软启动的问题。

2.2 电机软启动实用算法

谈到软启动，我们在设计论文是也考虑到这方面，以恒电流为主导思路，研究了相当简单的方法，下面分别来介绍：（1）已知设定的数值，通过慢慢增大它的导通角来计算；（2）通过仪器不断检测反馈电流，多次检测的值与给定值相比较。定子端电流与设定的大于给定的数值，会停止增加角度，之后如果检测到不过流，针对这种现象再次定量地渐渐增大电流的角度，这样就可以实现恒电流的电机软启动。

2.3 模糊控制算法设计之于三相异步电机

要通过实际的硬件操作来制定模糊规则的确定和模糊推理的实现。对于节能来讲，它是非线性的提法。电机的节能控制用传统控制方法不能做到这点。首先要建立采样模糊控制方法和系统的非线性数学模型，然后根据设定值的误差控制、理论输入变量和电机特点来设计，一个理想的控制模型要达到我们的控制要求，要能够做到节能，除非能够避免各种意外的情况，排除掉各种非线性的影响。我们把电动势和电动势的误差变化的情况作为输出量，导通的角度及功率因数的数值作为另外的输入，设计二维的模糊异步电机因子的积分器。根据我们的观察和测量，降低电压运行的自由度因子，用积分函数来做数值量的输入输出变量，那么规则表就很好制定了，可以根据它的变化率来做。模糊隶属度规则因子的测量选取直接决定了积分选取的误差变化控制性能，那么我们所涉及的控制模糊系统的好坏与隶属度函数因子的积分的选取有关，自由度比

较大。

3 节能控制系统的硬件设计

3.1 系统总体的设计方案

显示电路和过流问题，它们的过零点测量的三个相电压与相电流的关系，计算出模糊控制器的异步电机，处理它们的功率因数角，我们所做的是节约能量，方法是降低电压来进行，这样可以减小开始的电流。关键问题是怎么才能做到这样，如何控制导通的角度，我们采用了脉冲控制双向晶闸管，这样就可以达到要求了。这样涉及的电路有主要的控制电路、电流电压的采样电路、功率因数角的检测电路及触发电路、双向晶闸管电路及控制器供电电路等，再加上LED显示电路和过流保护电路等。

3.2 硬件设计

3.2.1 主控制芯片和晶闸管模块的选型。不管是系统还是设计，我们都会想到价值价格与效率问题，通过新型的保护电路外围采样、更高级的增强型的芯片、较长的寿命的存储器，兼容性能非常强大。程序存储器为8个字节的，数据触发电路的存储器为1024个字节的；数据的芯片存储器为256个双字节的；中断的产生我们是通过设定的14个中断源来做的，8条支路的10位的模拟量到数据量的转换；运行触发电路的速度相当很快，时钟芯片脉冲的输入，这些性能可以很好地满足我们的系统设定要求。电源的芯片采用直流电5伏来提供供电，而直流12伏的电源主要供给外部的。然后采样和触发电路需要再经过7805芯片的高速处理，从而可以很好地保证正常供电了。

3.2.2 电压过零检测、电流过零检测以及过流保护电路。在半个周期内检测电路中的电流是否合格、是否满足额定值，是通过检查电机的电压、触发的角度、过零点的检测等的分析来做到的。过零点的检测电路，首先要去检查交流220V电压时过零点产生的程序中断；异步定时长度的预定启动改变可以分断处理子程序中，在程序中采用的定时功能是用定时器实现的，打开后产生中央处理器触发脉冲。

3.2.3 缺相保护和相序检测。在缺相的判断中，要想控制晶闸管的导通的顺序，只有通过相序的不同，正确的脉冲电流才能进行控制。当通过测量得到电压，需要检测当通过零点时的信号量，还需要检测流过的每一个相序，从而测得它们的电流数值量，这样并不用再加什么附加的电路了。鼠笼型电动机的种类很多，用什么样的链接方式，在断相时首先要分析判断清楚是什么性质。

3.2.4 触发电路。触发电路中门极是否能够可靠触发，我们设计的节能控制器能否正常顺利地运作，角度的导通是通过电路来控制的，必须要求电路具有超高的准确程度和稳定性。为了保证电路可靠工作，需要满足它的晶闸管的控制方式，可以通过测量电压电流值通过触发脉冲，这样参数就会正确。此时，导通时间还受到上述因素的影响。我们在系统中进行了放大电路的设计，这都是需要进行准确的控制设计的。为了实现脉冲宽度的触发，利用了控制放大电路，它是三极管触发的控制电路。

3.2.5 系统的硬件抗干扰技术。电机的工作环境多种多样，复杂恶劣程度不等。作为设计来讲，应考虑到多个方面。安全的运行、准确和可靠的工作是我们关注的非常突出的问题，设计制作过程中还应尽可能避免来自系统内外部的各种电气干扰，系统可靠、安全运行的主要因素是由系统结构设计安装和外部环境条件等来决定的，应采取相应的方式来保证它的运行工作。

4 结语

模糊控制应用到了一种异步电机节能控制器。采用模糊控制的方法来反馈功率的因数，这样就可以达到我们的目的，即节约能源。本系统的设计里采用了比较常用的模糊控制方式，既节约了能源，又保持了电机的稳定运行。当然我们只是解决了小部分的问题，在生产的实践中我们还会遇到许多问题，如电机的节能问题虽然做到了，但是它运行中的反应速度比较慢，两个方面是不能同时满足要求的，它的工作就有了局限性，种种细节问题在实际的运行中还会常常碰到，这就需要我们努力去研究，以做到更好。

参考文献

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作者简介：杨荣秀，女，山东济宁人，济宁市技师学院助理讲师，研究方向：自动化。

（责任编辑：黄银芳）