基于ARM的單神經(jīng)元自適應(yīng)PID電機(jī)軟起動(dòng)的實(shí)現(xiàn)

石守東，楊巨星，蔡恩豐，宋雨倩，包啟樹(shù)，王　華

(1．寧波大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，浙江寧波　315211；2．人民電器集團(tuán)，浙江溫州，325604)

0　引言

雖然三相異步電動(dòng)機(jī)廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，但是三相電動(dòng)機(jī)的直接起動(dòng)，卻存在起動(dòng)沖擊電流(起動(dòng)電流是額定電流的4～8倍)、沖擊扭矩等問(wèn)題。這就導(dǎo)致當(dāng)電機(jī)起動(dòng)時(shí)，沖擊電流會(huì)使配電系統(tǒng)產(chǎn)生較大的波動(dòng)，直接影響其他電力設(shè)備的正常運(yùn)行，同時(shí)沖擊扭矩也會(huì)加快機(jī)械損壞和老化。因此，大功率三相異步電機(jī)只有普遍采用軟起動(dòng)器起動(dòng)電機(jī)，才能在起動(dòng)中使軟啟動(dòng)器更好地調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)電流或電壓，以使電機(jī)平穩(wěn)地起動(dòng)，從而避免沖擊電流和沖擊轉(zhuǎn)矩。

目前，國(guó)內(nèi)大多企業(yè)生產(chǎn)的軟啟動(dòng)器與國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品在技術(shù)上存在差距，主要表現(xiàn)在：電機(jī)軟起動(dòng)器控制方法落后，控制精度差(國(guó)內(nèi)軟起動(dòng)控制器采用的8位或16位單片機(jī)不能實(shí)時(shí)處理復(fù)雜的控制算法)，控制功能弱。針對(duì)存在的這些問(wèn)題，該項(xiàng)目參照國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品，采用32位ARM處理器作為軟起動(dòng)器的控制芯片，同時(shí)應(yīng)用先進(jìn)的控制算法來(lái)控制電機(jī)的起動(dòng)。

選擇采用單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制方法對(duì)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)過(guò)程進(jìn)行控制，原因是單神經(jīng)元作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本單位，具有自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)能力。如果將它與傳統(tǒng)的PID控制方法結(jié)合起來(lái)，通過(guò)自學(xué)習(xí)功能不斷修正PID控制參數(shù)權(quán)重，自動(dòng)尋求系統(tǒng)最優(yōu)的控制品質(zhì)，并在控制過(guò)程中，根據(jù)系統(tǒng)誤差以及誤差變化率對(duì)神經(jīng)元比例系數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，就可以達(dá)到更好的動(dòng)、靜態(tài)性能。

1　軟啟動(dòng)器控制系統(tǒng)構(gòu)架設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的智能軟啟動(dòng)器整體結(jié)構(gòu)包括電動(dòng)機(jī)定子側(cè)電壓/電流檢測(cè)電路，電壓/電流的數(shù)據(jù)采集電路、晶閘管驅(qū)動(dòng)電路、功率因素角檢測(cè)電路、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路、保護(hù)電路、上位機(jī)與軟啟動(dòng)器主控系統(tǒng)并行通信電路、按鍵及液晶顯示電路等。軟件平臺(tái)應(yīng)用32位ARM微處理LPC2378作為控制核心部件[1]，移植并使用實(shí)時(shí)多任務(wù)μC/OS嵌入式操作系統(tǒng)[2]，軟件所有程序模塊都是建立在該系統(tǒng)上進(jìn)行的，該軟起動(dòng)器軟件設(shè)計(jì)的主要目的是提高異步電機(jī)軟啟動(dòng)系統(tǒng)的可靠性與抗干擾性，并且為用戶提供簡(jiǎn)潔、方便、清晰的人機(jī)對(duì)話界面，實(shí)時(shí)監(jiān)控顯示電機(jī)的三相工作電壓、電流、功率、轉(zhuǎn)速等；提供準(zhǔn)確、及時(shí)的保護(hù)，上位機(jī)與軟啟動(dòng)器主控系統(tǒng)并行通信等，因此，該軟啟動(dòng)器具有很好的智能性。

整個(gè)軟啟動(dòng)器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。程序采用模塊化設(shè)計(jì)，主要由主程序模塊、信號(hào)采集模塊、參數(shù)設(shè)置模塊以及數(shù)據(jù)通信模塊組成。主程序模塊主要用于計(jì)算、分析、比較采集到的數(shù)字信號(hào)，執(zhí)行相關(guān)動(dòng)作并顯示相關(guān)數(shù)據(jù)；信號(hào)采集模塊負(fù)責(zé)對(duì)多路交流信號(hào)進(jìn)行周期性高速采樣；參數(shù)設(shè)置模塊主要通過(guò)控制鍵盤(pán)實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話功能，完成對(duì)啟動(dòng)器運(yùn)行參數(shù)的設(shè)置；數(shù)據(jù)通信模塊按照TCP/IP協(xié)議要求，通過(guò)以太網(wǎng)/RS485，組織收發(fā)數(shù)據(jù)包。

圖1　智能軟起動(dòng)控制器原理框圖

該智能控制系統(tǒng)是以鎖相環(huán)為中心的同步信號(hào)檢測(cè)電路，可以避免外界某種因素，使主電路發(fā)生斷相，經(jīng)三相同步變壓器以及過(guò)零比較器取得的同步信號(hào)的相位將發(fā)生變化，導(dǎo)致晶閘管誤觸發(fā)。由于微處理器ARM能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)確定時(shí)，故可簡(jiǎn)化線路，文中采用單相變壓器實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)同步，選用線電壓UBC的過(guò)零信號(hào)作為同步信號(hào)，經(jīng)過(guò)倒相后等到的相電壓UA可以作為微處理器ARM處理的同步脈沖信號(hào)。對(duì)應(yīng)的輸入線電壓UBC波形、經(jīng)比較器產(chǎn)生的方波U1以及倒相后輸出的同步信號(hào)檢測(cè)波形U2如圖2所示。

圖2　同步檢測(cè)波形圖

2　單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制

由于PID控制算法簡(jiǎn)單，魯棒性和可靠性高，所以被廣泛應(yīng)用于過(guò)程控制中。但三相交流異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)過(guò)程是具有非線性、高階、強(qiáng)耦合的時(shí)變系統(tǒng)。如果采用常規(guī)的PID閉環(huán)控制，雖具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)整方便等特點(diǎn)，卻不易在線實(shí)時(shí)調(diào)整參數(shù)，不能取得對(duì)非線性系統(tǒng)很好的控制效果。單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制算法的采用，很好地結(jié)合了PID控制算法簡(jiǎn)單、魯棒性和可靠性高的特點(diǎn)[3]，以及神經(jīng)元有自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)性兩種算法的優(yōu)勢(shì)[4]，不但可以不斷修正PID控制參數(shù)的權(quán)重，同時(shí)可以自動(dòng)尋求系統(tǒng)最優(yōu)的控制品質(zhì)。

單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制結(jié)構(gòu)如圖3所示。圖中誤差計(jì)算器根據(jù)輸入的設(shè)定值Rin(k)和輸出值Y(k)，輸出神經(jīng)元學(xué)習(xí)所需要的誤差向量X1，X2，X3，K為神經(jīng)元的比例系數(shù)。

圖3　單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制結(jié)構(gòu)

單神經(jīng)元自適應(yīng)控制器是通過(guò)對(duì)加權(quán)系數(shù)的調(diào)整來(lái)實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)、自組織功能的，權(quán)系數(shù)的調(diào)整按有監(jiān)督的Hebb學(xué)習(xí)規(guī)則進(jìn)行實(shí)現(xiàn)[5]?？刂扑惴皩W(xué)習(xí)算法為：

(1)

(2)

w1(k)=w1(k-1)+ηIz(k)u(k)x1(k)

(3)

w2(k)=w2(k-1)ηPz(k)u(k)x2(k)

(4)

w3(k)=w3(k-1)+ηDz(k)u(k)x3(k)

(5)

式中：

x1(k)=e(k)

(6)

x2(k)=e(k)-e(k-1)

(7)

x3(k)=Δ2e(k)=e(k)-2e(k-1)+e(k-2)

(8)

z(k)=e(k)

(9)

式中：ηI，ηp，ηD分別為積分，比例，微分的學(xué)習(xí)速率；K為神經(jīng)元的比例系數(shù)，K>0。

對(duì)積分I，比例P和微分D分別采用了不同的學(xué)習(xí)速率ηI，ηP，ηD，以便對(duì)不同的權(quán)系數(shù)分別進(jìn)行調(diào)整。

K值的選擇非常重要。K越大，則快速性越好，超調(diào)量越大，甚至可能使權(quán)系數(shù)不穩(wěn)定。當(dāng)被控對(duì)象時(shí)延增大時(shí)，K值必須減小，以保證系統(tǒng)穩(wěn)定。K值選擇過(guò)小，會(huì)使系統(tǒng)的快速性變差。

3　電機(jī)軟啟動(dòng)仿真系統(tǒng)

由于電機(jī)直接啟動(dòng)會(huì)帶來(lái)很大的沖擊電流，這種沖擊電流對(duì)電網(wǎng)以及電機(jī)的使用壽命都有嚴(yán)重的影響，因此軟啟動(dòng)器的任務(wù)是解決如何降低電機(jī)啟動(dòng)時(shí)帶來(lái)的沖擊電流。所以控制系統(tǒng)采用3對(duì)反向并聯(lián)的晶閘管串聯(lián)到3根火線上，通過(guò)控制觸發(fā)角α來(lái)控制6個(gè)晶閘管的導(dǎo)通與截止。為使加載在電動(dòng)機(jī)兩端的電壓緩慢地上升，就要由較低晶閘管通斷交替頻率開(kāi)始。此時(shí)斷流時(shí)間間隔較長(zhǎng)，當(dāng)電壓達(dá)到穩(wěn)定值之后，通過(guò)繼電器開(kāi)關(guān)短路6個(gè)晶閘管，即軟啟動(dòng)結(jié)束[6]。在軟啟動(dòng)過(guò)程中，三相電路中至少要有一相正向晶閘管與另一相的反向晶閘管同時(shí)導(dǎo)通，三相電路中正向晶閘管的觸發(fā)信號(hào)相位相差2π/3，反向晶閘管的觸發(fā)信號(hào)相位也相差2π/3，但是同一相中反并聯(lián)的兩個(gè)正、反向晶閘管觸發(fā)信號(hào)相位相差π?？刂凭чl管的導(dǎo)通與截止實(shí)際上是對(duì)導(dǎo)通角的控制，實(shí)現(xiàn)異步電機(jī)啟動(dòng)時(shí)電壓、電流的實(shí)時(shí)監(jiān)控[7]。觸發(fā)角α、續(xù)流角φ、導(dǎo)通角θ滿足這個(gè)關(guān)系：θ=π-α+φ；其中觸發(fā)角α要大于續(xù)流角φ．

根據(jù)軟起動(dòng)器的工作原理和控制方法，應(yīng)用Matlab/Simulink軟件工具建立電機(jī)軟起動(dòng)器的仿真系統(tǒng)，系統(tǒng)框圖如圖4所示。其中包括同步信號(hào)檢測(cè)模塊(Detect zero Current/Voltage)、時(shí)鐘信號(hào)模塊(Pulse Generator)、控制脈沖信號(hào)觸發(fā)模塊(Thyristor Control Pulse)、晶閘管調(diào)壓模塊(Thyristor Mode)、電壓電流檢測(cè)模塊(Measure Currenrt/Voltage)、三相異步電機(jī)模型(Asynchronous Machine SI Units)、扭矩模塊(Torque)、誤差輸出模塊(Error Calculation)、設(shè)定模塊(Control Signal)和控制方法模塊(Control Method)。

圖4　仿真系統(tǒng)圖

電機(jī)軟起動(dòng)器仿真系統(tǒng)在時(shí)鐘模塊時(shí)間脈沖統(tǒng)一控制下，首先由電流和電壓過(guò)零檢查模塊檢查電壓和電流過(guò)零點(diǎn)，并計(jì)算出續(xù)流角φ；接著由三相電機(jī)的電流和電壓模塊檢測(cè)電機(jī)的電壓和電流的的大小，并與設(shè)定模塊數(shù)值進(jìn)行比較，計(jì)算出誤差；最后根據(jù)計(jì)算出的續(xù)流角和電壓、電流誤差，由單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制方法[8]計(jì)算出導(dǎo)通角θ，并由控制脈沖信號(hào)觸發(fā)模塊產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，控制晶閘管導(dǎo)通。

4　仿真結(jié)果與分析

對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真。選用電動(dòng)機(jī)參數(shù)如下：P=75 kW，V=380 V，f=50 Hz，n=1 500 r/min，仿真電機(jī)參數(shù)：轉(zhuǎn)子Rr=0．02092 Ω，Lr=0．000335H，定子Rs=0．03552 Ω，Ls=0．000335 H，Lm=0．015 1 H，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=1．252 kg·m2．考慮到最常用的負(fù)載機(jī)械情況，在仿真中選用水泵和風(fēng)機(jī)類(lèi)負(fù)載作為仿真對(duì)象，扭矩正比于電機(jī)轉(zhuǎn)速的平方f∝M×n2，其中系數(shù)M=0．013 33。

電機(jī)起動(dòng)方式采用具有限流功能的電壓斜坡控制方式，如圖5所示。設(shè)初始電壓為U0=50 V，以增加初始轉(zhuǎn)矩，然后控制電壓，隨時(shí)間電壓按斜坡增長(zhǎng)。

三相異步電機(jī)起動(dòng)過(guò)程中A相的電壓變化如圖6所示，A相的電流變化如圖7所示，電機(jī)起動(dòng)過(guò)程中轉(zhuǎn)速變化如圖8所示，電機(jī)轉(zhuǎn)子和定子的電流如圖9和圖10所示。圖11是電機(jī)起動(dòng)導(dǎo)通角變化圖。

圖6　A相電壓變化

仿真結(jié)果表明，將單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制方法應(yīng)用到電機(jī)軟起動(dòng)器中，可以有效地控制電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)定子電流和轉(zhuǎn)子電流的變化速度。并且起動(dòng)過(guò)程電流變化平穩(wěn)，幾乎不存在沖擊電流，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速以平滑的曲線達(dá)到額定轉(zhuǎn)動(dòng)速度。將單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制方法移到軟啟動(dòng)控制平臺(tái)上，在實(shí)際控制中獲得比單獨(dú)的PID控制方法或單神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)控制方法更好的效果。

圖7　A相電流變化

圖8　電機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)速變化

圖9　電機(jī)轉(zhuǎn)子電流變化

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圖10　電子定子電流變化

圖11　電機(jī)啟動(dòng)導(dǎo)通角變化

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