【導(dǎo)讀】盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包。育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的任。何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。影印、縮印或其他復(fù)制手段保存論文。本人電子文檔的內(nèi)容和紙質(zhì)論文的內(nèi)容。除在保密期內(nèi)的保密論文外，允許論文被查閱和借閱，可以公布（包。括刊登）論文的全部或部分內(nèi)容。論文的公布授權(quán)井岡山大學(xué)教。點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于電力拖動(dòng)系統(tǒng)中。但電機(jī)直接啟動(dòng)時(shí)的電流過大，會(huì)引起較。擊也會(huì)影響電機(jī)本身及拖動(dòng)設(shè)備的使用壽命。電機(jī)軟起動(dòng)控制器是專門為中高。壓三相交流電機(jī)降低啟動(dòng)電流而設(shè)計(jì)的。它在大功率電機(jī)起動(dòng)過程中，通過控。動(dòng)和保護(hù)設(shè)備的作用。行了相關(guān)的仿真實(shí)驗(yàn)。本文以STC89C52RC單片機(jī)為控制核心，設(shè)計(jì)了軟起動(dòng)控制器的硬件電路，包括電源電路、微處理器系統(tǒng)、狀態(tài)監(jiān)測(cè)電路、LCD人機(jī)界面等；在軟件設(shè)計(jì)上，法上采用PID控制作為智能控制器的控制策略。

　　

【正文】 時(shí)觸發(fā)中斷 中斷返回 Y N 選擇 PI 參數(shù) 調(diào)入 PI 調(diào)節(jié)計(jì)算、 輸出返回 開始 第 5 章 軟起動(dòng)器控制算法 22 第 5 章 軟起動(dòng)器控制策略 在本系統(tǒng)中，主要是針對(duì)異步電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)過程中的電流電壓進(jìn)行控制，使起動(dòng)電流電壓在整個(gè)起動(dòng)過程中呈預(yù)計(jì)的趨勢(shì)，無瞬間沖擊且使其連續(xù)變化，是實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)的關(guān)鍵。具體通過控制晶閘管的導(dǎo)通角來使電動(dòng)機(jī)的端電壓漸增，起動(dòng)電流得到控制。 軟起動(dòng)控制策略 PID 控制算法在工業(yè)控制領(lǐng)域中應(yīng)用最廣，其算法簡單，適應(yīng)性強(qiáng)，魯棒性好，能夠滿足一般生產(chǎn)過程的要求。但它的控制質(zhì)量還存在一些問題，如在某一狀態(tài)下整定為最優(yōu)的一組 PID 參數(shù)在另一種狀態(tài)下不一是最好的，因此普通的 PID 調(diào)節(jié)器不能滿足實(shí)時(shí)控制的動(dòng)態(tài)要求。另外它是建 立在對(duì)象精確的數(shù)學(xué)模型上。隨著系統(tǒng)復(fù)雜度的提高，將難以建立系統(tǒng)精確的數(shù)學(xué)模型和滿足實(shí)時(shí)控制的要求。 PID 調(diào)節(jié)器的性能主要取決于它的參數(shù)整定，如能在實(shí)際控制過程中實(shí)時(shí)改變 PID 的參數(shù)使其到更優(yōu)的控制效果。隨著現(xiàn)代控制理論的發(fā)展， PID 控制技術(shù)也在不斷的完善。 PID控制理論 PID 控制方法是在生產(chǎn)過程中普遍采用的控制方法，在電機(jī)、冶金、機(jī)械、化工等行業(yè)中獲得了廣泛的應(yīng)用。將偏差的比例 (P)、積分 (I)、微分 (D)通過線性組合，對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行控制，稱為 PID 控制器。典型的 PID 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 所示。 圖 PID 控制系統(tǒng)原理圖 PID 控制器對(duì)偏差量的控制規(guī)律可由下面公式解釋： (51) 第 5 章 軟起動(dòng)器控制算法 23 式中 為比例時(shí)間常數(shù)； 為 積分時(shí)間常數(shù)； 為微分時(shí)間常數(shù)。理想的 PID調(diào)節(jié)器對(duì)偏差變化的可見，它對(duì)偏差的 任何變化都產(chǎn)生控制作用，以調(diào)整系統(tǒng)輸出，阻止偏差的變化。偏差變化越快，反饋校正量則越大。故微分作用的加入將有助于減小超調(diào)，克服振蕩，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定。它加快了系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減小調(diào)整時(shí)間，從而改善了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。 在單片機(jī)控制系統(tǒng)中，使用的是數(shù)字 PID 控制器，數(shù)字 PID 控制算法通常又分為位置式 PID 控制算法和增量式 PID 控制算法。由于本文的 PID 控制算法的輸出量要控制晶閘管的輸出電壓，此類對(duì)象適合用增量式 PID 控制算法，所以下面主要介紹增量式 PID 控制算法。由于單片機(jī)控制是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時(shí)刻的 偏差值計(jì)算控制量，因此式 (51)中的積分和微分項(xiàng)不能直接使用，需要進(jìn)行離散化處理。以和式代替積分，以增量代替微分，則可以作如下近似變換： (k=0,1,2,3? ) (52) 式 (52)中 是采樣周期。顯然，上述離散化過程中，采樣周期 必須足夠短，能保證有足夠的精度。為書寫方便，將 簡化表示成 內(nèi)。將式可得離散的PID 表達(dá)式為： (53) 式中 k 是采樣序號(hào)， k=0， l， 2?， 為第 k 次采樣時(shí)刻的單片機(jī)輸出值；第 k 次采樣時(shí)刻輸入的偏差值， 是第 k1 次采樣時(shí)刻輸入的偏差值； 是比例系數(shù)， 是積分系數(shù)， 是微分系數(shù)。 從系統(tǒng)的穩(wěn)定性、響應(yīng)速度、超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)精度等各方面來考慮， P、 I、 D 參數(shù)的作用如下： (1) 比例系數(shù)的作用是加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，提高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。越大，系統(tǒng)的響應(yīng)速度越快，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度越高，但易產(chǎn)生超調(diào)，甚至?xí)?dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。第 5 章 軟起動(dòng)器控制算法 24 取值過小，則會(huì)降低調(diào)節(jié)精度，使響應(yīng)速度緩慢，從而延長調(diào)節(jié)時(shí)間，使系統(tǒng)靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性變壞。 (2) 積分作用系數(shù)的作用是消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。越大，系統(tǒng)的靜態(tài)誤差消除越快，但過大，在響應(yīng)過程的初期會(huì)產(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象，從而引起響應(yīng)過程的較大超調(diào)。若過小，將使系統(tǒng)靜態(tài)誤差難以消除，影響系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。 (3) 微分作用系數(shù)的作用是改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，其作用主要是在響應(yīng)過程中抑制 偏差向任何方向的變化，對(duì)偏差變化進(jìn)行提前預(yù)報(bào)。但過大，會(huì)使響應(yīng)過程提前制動(dòng)，從而延長調(diào)節(jié)時(shí)間，而且會(huì)降低系統(tǒng)的抗干擾性能。 第 6 章 軟起動(dòng)控制系統(tǒng)的 Matlab/simulink 仿真 25 第 6 章 軟起動(dòng)控制系統(tǒng)的 Matlab/simulink 仿真 軟起動(dòng)主要環(huán)節(jié)仿真模型 系統(tǒng)試驗(yàn)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中一個(gè)重要的環(huán)節(jié)，試驗(yàn)成功與否意味著系統(tǒng)設(shè)計(jì)成功與否，試驗(yàn)效果體現(xiàn)著系統(tǒng)性能 系統(tǒng)仿真采用 Matlab 及其工具箱 simulink。 MATLAB(MaTrix LABoratory 矩陣實(shí)驗(yàn)室 )是 Mathwork 公司推出的一種面向工程和科學(xué)運(yùn)算的交互式計(jì)算軟件， SIMULINK 是 MATLAB 軟件的擴(kuò)展，主要用于動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的仿真，它與用戶的接口是基于 Windows 的圖形編程方法。 Simulink 中的電氣系統(tǒng)模塊庫 (power System Blockset)涵蓋了電路、電力電子、電氣傳動(dòng)和電力系統(tǒng)中常用的基本元件和模塊 ,該模塊庫是在電機(jī)仿真時(shí)經(jīng)常使用的。 Simulink是用于 MATLAB 下建立系統(tǒng)框圖進(jìn)行仿真的工具，可以用來對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析。但是對(duì)于電路和電機(jī)系統(tǒng)，若只用 Simulink 提 供的基本模塊來構(gòu)造模型比較費(fèi)時(shí)費(fèi)力。而電力系統(tǒng)模型庫 (Power Systems Blockset)是 Simulink 里的特殊工具庫，專門用于解決電路、電力電子、電機(jī)等系統(tǒng)的仿真和分析，其功能非常強(qiáng)大。 依據(jù)軟起動(dòng)系統(tǒng)原理圖，組成智能軟起動(dòng)軟仿真模型，如圖 所示。仿真結(jié)構(gòu)主要環(huán)節(jié)模塊的處理包括：三相交流電壓源、同步脈沖發(fā)生模塊、三相交流調(diào)壓模塊、異步電機(jī)模塊、電流檢測(cè)模塊、 PID 調(diào)節(jié)模塊等環(huán)節(jié)。 圖 三相交流電源模塊及其參數(shù)設(shè)置 第 6 章 軟起動(dòng)控制系統(tǒng)的 Matlab/simulink 仿真 26 (1) 三相交流電壓源 三相交流電源模塊 由三個(gè)單相交流電壓源按星形鏈接構(gòu)成，雙擊模塊即可設(shè)置各相電壓的幅值、頻率和相位等量。其中 A 相相位為 0， B 相和 C 相分別滯后 A 相120176。和 240176。該模塊及其參數(shù)設(shè)置如圖 所示。 圖 三相交流電源模塊及其參數(shù)設(shè)置 (2) 同步脈沖發(fā)生模塊 同步脈沖觸發(fā)模塊由同步電壓測(cè)量和脈沖觸發(fā)模塊組成。脈沖觸發(fā)模塊輸入端為三相相電壓輸入和觸發(fā)角輸入 a，輸出端為 6 個(gè)觸發(fā)脈沖。該電路由同步、鋸齒波形成和移相控制等環(huán)節(jié)組成。輸入電壓經(jīng)過 Relay 產(chǎn)生半周等寬方波，再經(jīng)過Rate Limiter 產(chǎn)生鋸齒波，鋸齒波與移相控制電壓疊加，調(diào)節(jié)鋸齒波的過零點(diǎn)，再經(jīng)過延遲產(chǎn)生前沿可調(diào)、后延固定的晶閘管觸發(fā)脈沖。該模塊及脈沖觸發(fā)模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 所示。 圖 同步脈沖產(chǎn)生模塊 第 6 章 軟起動(dòng)控制系統(tǒng)的 Matlab/simulink 仿真 27 (3) 三相交流調(diào)壓模塊 三相交流調(diào)壓是軟起動(dòng)特點(diǎn)所在。內(nèi)部模型圖如圖 所示。從電氣系統(tǒng)模塊庫電力電子模塊庫中選取 6 個(gè)晶閘管模塊（ Thristor），連接構(gòu)成三對(duì)雙向發(fā)并聯(lián)晶閘管電路，由脈沖觸發(fā)模塊產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖按 VT1 到 VT6 順序觸發(fā)，觸發(fā)脈沖相隔 60176。 圖 三相交流調(diào)壓模塊內(nèi)部模型 (4) 異步電動(dòng)機(jī)模塊 Matlab 電氣系統(tǒng)模塊庫中提供了多種異步電機(jī)模型。本文采用了其中的鼠籠異步電機(jī) (Asynchronous Machine SI Units)。輸入 A、 B、 C 對(duì)應(yīng)定子的三相線路，Tm 為負(fù)載轉(zhuǎn)矩輸入， m 為測(cè)量口。其模型及參數(shù)設(shè)置如圖 所示。 圖 異步電機(jī)模塊及其參數(shù)設(shè)置 第 6 章 軟起動(dòng)控制系統(tǒng)的 Matlab/simulink 仿真 28 (5) 電流檢測(cè)模塊 實(shí)際應(yīng)用的軟起動(dòng)系統(tǒng)，通常是采用電流互感器取反饋信號(hào)，經(jīng)直流、濾波等信號(hào)處理環(huán)節(jié)，以獲得如實(shí)反映起動(dòng)電流（一般為有效值）的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)起來并不簡單。而在仿真建模中，測(cè)量子庫（ measurements）提供了有效值測(cè)量模塊 RMS，可直接加以利用，十分方便。 (6) PI 調(diào)節(jié)模塊 PID 調(diào)節(jié)模塊根據(jù)電流偏差信號(hào)經(jīng) PID 調(diào)節(jié)得出晶閘管觸發(fā)角。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 所示。 圖 PID 調(diào)節(jié)模塊 軟起動(dòng)仿真結(jié)果分析 假設(shè)電機(jī)控制起動(dòng)。按上述參數(shù)建立好電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)控制系統(tǒng)仿真模型如附錄所示，仿真算法采用 ode23tb，相對(duì)誤差 1e3，絕對(duì)誤差 1e3，仿真時(shí)間為 1s。 為了更好的比較軟起動(dòng)和直接起動(dòng)的區(qū)別，圖 給出了直接起動(dòng)的起動(dòng)電流和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速波形，如圖所示。 （ a）起動(dòng)轉(zhuǎn)矩波形 （ b）起動(dòng)電流波形 第 6 章 軟起動(dòng)控制系統(tǒng)的 Matlab/simulink 仿真 29 （ b）轉(zhuǎn)速波形 圖 直接起動(dòng)效果 從圖中可以看到，起動(dòng)瞬間轉(zhuǎn)矩起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和電流的震蕩非常大。起動(dòng)時(shí)交流異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)迅速上升，在 后達(dá)到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速 1500r/min，電流最大值可達(dá)到 85A，是額定電流的 6~7 倍，隨著轉(zhuǎn)速上升，定子電流逐漸減小，直到轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速，電流降低到穩(wěn)定運(yùn)行電流。 圖 為電動(dòng)機(jī)在 PI 調(diào)節(jié)下的恒流軟起動(dòng)波形圖。 （ a）轉(zhuǎn)矩波形 （ b）電流波形 （ c）轉(zhuǎn)速波形 圖 恒流軟起動(dòng)效果 第 6 章 軟起動(dòng)控制系統(tǒng)的 Matlab/simulink 仿真 30 由圖可以得知，起動(dòng)時(shí)定子電流迅速上升至設(shè)定限流值 30A，并保持相對(duì)穩(wěn)定。在此電流的作用下，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速逐漸上升。在 時(shí)轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速1500r/min。與直接起動(dòng)相比，恒流軟起動(dòng)的起動(dòng)電流大致為額定電流的 2~3 倍，符合起動(dòng)要求。但由于維持起動(dòng)電流的電壓不是額定電壓，電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)過程較直接起動(dòng)要慢的多，同時(shí)，起動(dòng)過程中，電流隨著轉(zhuǎn)速上升出現(xiàn)震蕩，轉(zhuǎn)矩也不穩(wěn)定可以看出，本設(shè)計(jì)任存在很大的缺陷。 第 7 章 結(jié)論與展望 31 第 7 章 總結(jié)與展望 廣泛應(yīng)用的三相異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)刻出現(xiàn)的起動(dòng)電流一般高出額定電流的 3～7 倍，會(huì)對(duì)進(jìn)線、供電電網(wǎng)、電動(dòng)機(jī)以及其他設(shè)備造成嚴(yán)重危害。傳統(tǒng)的降壓起動(dòng)存在著降壓效果不明顯、耗能大、有機(jī)械觸點(diǎn)或不能平滑調(diào)節(jié) 電壓等缺點(diǎn)。由高性能控制芯片技術(shù)與電力電子技術(shù)的緊密結(jié)合產(chǎn)生的軟起動(dòng)器可以實(shí)現(xiàn)更靈活的實(shí)現(xiàn)降壓起動(dòng)。 本文在查閱有關(guān)中外文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上對(duì)晶閘管移相交流調(diào)壓感應(yīng)電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)方面進(jìn)行了主要的研究，而對(duì)于軟件方面由于實(shí)驗(yàn)條件等方面的原因未作深入探討，總結(jié)本課題研究的內(nèi)容如下。 (1) 在分析了三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)過程和三相交流調(diào)壓電路的基礎(chǔ)上，研究設(shè)計(jì)了晶閘管調(diào)壓的觸發(fā)方案。 (2) 以 MCS51 系列單片機(jī) 89C52RC 為主控芯片，設(shè)計(jì)了軟起動(dòng)控制系統(tǒng)的硬件電路和軟件程序，包括最小系統(tǒng)及擴(kuò)展電路，同 步信號(hào)檢測(cè)電路，電流檢測(cè)電路，晶閘管驅(qū)動(dòng)電路，鍵盤輸入 /LCD 顯示電路，旁路接觸器電路，霍爾測(cè)速電路。 (3) 根據(jù)軟起動(dòng)控制系統(tǒng)原理，通過 MATLAB/SIMULINK 仿真平臺(tái)搭建了軟起動(dòng)控制系統(tǒng)的仿真模型。通過 PI 控制實(shí)現(xiàn)了限流軟起動(dòng)的仿真驗(yàn)證。 由于時(shí)間及實(shí)驗(yàn)條件的限制，仍還有許多問題有待于進(jìn)一步研究和改進(jìn)，例如系統(tǒng)保護(hù)，軟件程序設(shè)計(jì)， PID 控制參數(shù)不夠合理的內(nèi)容不夠詳實(shí)等。 電機(jī)軟起動(dòng)器將來的發(fā)展方向是更加智能化和多功能化。目前來看，軟起動(dòng)仍以電壓斜坡軟起動(dòng)和限流軟起動(dòng)為主要形式，以后轉(zhuǎn)矩控制的起動(dòng)方式將成為電機(jī)軟起動(dòng)的一種重要起動(dòng)方式。從更長期來看，變頻軟起動(dòng)將成為軟起動(dòng)的主流。這是因?yàn)樽冾l軟起動(dòng)可以在限流 (起動(dòng)電流不超過電機(jī)額定電流值 )的同時(shí)獲得大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，完成包括軟停車在內(nèi)的各種起動(dòng)功能。 致謝 32 致 謝 本畢業(yè)設(shè)計(jì)論文即將完成，意味著我們大學(xué)四年的大學(xué)生活就將結(jié)束了。在踏入社會(huì)之前，要對(duì)所有曾經(jīng)給過我?guī)椭椭С值睦蠋?，同學(xué)和朋友表示衷心的感謝。同時(shí)也要感謝養(yǎng)育我的父母，是他們?yōu)槲仪髮W(xué)和生活付出巨大的犧牲和努力，在這里僅表達(dá)我對(duì)他們的深深地思念和感恩。 這篇論文實(shí)在導(dǎo)師的悉心指導(dǎo)下完成的，他在學(xué)習(xí)和工作方面給了我大量的指導(dǎo)，讓我學(xué)到了很多知識(shí)，也獲得了實(shí)踐鍛煉的機(jī)會(huì)。除此之外，還對(duì)我的生活給予關(guān)懷，使我可以順利的完成在校外的畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)。在此祝愿他身體健康，全家幸福！同時(shí)也要感謝深圳深雄科技有限公司給我提供 良好的實(shí)習(xí)環(huán)境和生活環(huán)境，讓我們?cè)谶@個(gè)陌生的環(huán)境里感受到溫暖。特別要感謝我的部門主管，感謝他對(duì)我的關(guān)懷和教導(dǎo)。感謝老師們，謝謝他們這四年來對(duì)我的教育，每當(dāng)遇到自己無法解決的問題的時(shí)候，總是向他們求教，他們也總是不吝賜教。感謝陪伴我的電氣班的同學(xué)們，感謝他們?cè)诖髮W(xué)期間在學(xué)習(xí)和生活上給予我的幫助。 參考文獻(xiàn) 33 參考文獻(xiàn) [1] 唐小洪，王宏華 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