基于AT89C51单片机的电机软启动器设计毕业论文.doc

目 录1 绪论 12 电动机软启动的设计原理 12.1基础理论 12.2 晶闸管 22.3 启动的工作原理 23 模糊控制器设计 33.1模糊控制思路 33.2语言变量、语言值和论域的选择 43.3语言变量和的赋值表的建立 43.4建立模糊控制规律表 63.5模糊条件推理 73.6量化因子KE, KEC和比例因子KU的确定 73.7提高稳态精度并考虑克服颤振 94 硬件电路的设计说明 94.1硬件系统结构示意图 94.2硬件系统软启动电气原理图 104.3 硬件系统电路框图 114.4可靠性及采取的相关措施 125 软件设计 错误!未定义书签5.1 模糊控制的编程思路 错误!未定义书签5.2主程序 135.3 初始化程序 145.4子程序 错误!未定义书签5.5中断程序 156 结束语 15谢辞 15参考文献 1611 绪论在现代工业设备中，三相异步电动机具有结构简单、运行可靠、价格低廉、维修方便、寿命长等优点，因此它在工业生产中应用极为广泛但是异步电动机在启动过程中，瞬时电流冲击大，通常是额定电流的4～7倍，而且启动转矩小，启动转矩冲击也很大这将对电动机本身、拖动设备和电源设备的使用寿命有很大的影响，同时对电网电压也会造成很大的冲击，影响同一电网其他电气设备正常运行。

在大、中功率异步电动机的启动过程中必须限制启动电流随着工厂生产规模的扩大和自动化程度的提高，交流电机应用越来越广泛传统启动异步电动机的方法很多，启动电流虽然得到限制，但仍然有电流冲击由于异步电动机具有参数时变、严重非线性特性、强耦合性等不确定因素，采用传统PID闭环控制解决异步电动机在启动过程中电流冲击，存在如下问题：（1）异步电动机启动过程中的闭环控制是非线性时变系统；（2）PID控制要求建立精确的数学模型，由于被控对象的数学模型不清楚，现有的数学模型也不易于过程实现，难以建立精确的数学模型；（3）PID参数的调整也将是很困难的事由于模糊控制主要是模仿人的控制经验而不是依赖于控制对象——数学模型，因此模糊控制能近似的反映人的控制行为，无需建立控制对象的精确数学模型本设计的软启动器，运用模糊控制原理，设计模糊控制器，通过软件编程适时改变双向晶闸管的导通角，控制电机端电压，减小启动电流，实现适当提高启动转矩和启动过程电流冲击小的软启动过程[1]2 电动机软启动的设计原理2.1基础理论轻载运行降压可减小电动机的损耗,异步电动机的损耗ΔP可用下式表示： ΔP=Pcu1+Pcu2+PFe+Ps+Pm式中：Pcu1、Pcu2--定子和转子铜耗;Ps--杂散损耗;PFe--铁耗 Pm--机械损耗;当电机轻载时，输出功率减少，同时转子铜损Pcu2随之降低；但PFe 、Pm 基本不变。

由于励磁电流保持不变，定子铜损Pcu1 降低并不明显，因此电机效率和功率因数有较大幅度的降低如果在轻载时能适当降低输入电压（因电机铁耗PFe与电压平方成正比，励磁电流也因磁通的减少而下降，使Pcu1减少，从而降低了总损耗Δp），使效率和功率因数得到电提高[2]但应注意端电压也不能过分降低，为了保持同样的轻载转矩，当电压和磁通过份降低时，转子电流必然回升，这时，Pcu1的降低程度就减少，甚至还会引起它们增大；此外过份降低电压有可能使电机带不动负载而产生堵转故障2.2 晶闸管晶闸管是在半导体二极管三极管之后发现的一种新型的大功率半导体器件，它是一种可控制的硅整流元件，亦称可控硅工业上常用的异步电动机都是三相的，因此晶闸管交流调压电路大都采用三相交流调压电路将三对反并联的晶闸管（或三个双向晶闸管）分别接至三相负载就构成了一个典型的三相交流调压电路负载可以是△形连接，也可以是Y形连接通过双向晶闸管相位控制以实现降压节能晶闸管的导通角大小是通过检测电动机的电压与电流之间位移角亦可近似当作功率因数角去实现的当负载较大时其负载电流滞后于电压的位移角即功率因数角Ф就小，也就是功率因数高同样当负载较小时其负载电流滞后于电压的位移角即功率因数角就大，也就是功率因数低。

通过检测上述功率因数角Ф的变化去控制晶闸管的导通角，亦即使负载大时导通角大，电动机的工作电压高反之负载小电动机的工作电压就低[3]2.3 启动的工作原理软启动器设计的基本原理是以不同的速率增加晶闸管的导通角，使电机端电压渐增，这样，既可以大大减小启动电流，又不影响启动转矩启动电流、电压根据负载转矩变化连续可调，此处采用的技术为启动开始后逐渐升压，启动电流平稳地增加，然后进入恒流软启动这里采用了大功率晶闸管，而且使电机启动时的启动电流可根据工况的需要而预先设定并连续可调，并使电机在启动电流始终维持在所设定的电流值，避免了启动冲击电流由图1可见，全电压直接启动的启动电流为额定值的6倍该电流在电动机全压启动自耦降压启动恒流软启动 图1 几种启动方式的比较接近50%转速前几乎不变，这样大的启动冲击电流会给电网带来不良影响（如当配电网容量不足或缺少足够调节能力时，大功率电动机启动会引起严重的线路压降）同时我们还知道，在一般自耦变压器降压起动时（主要在起动过程即结束时），会有二次冲击电流，该冲击电流当然也同样会给配电系统带来不良影响。

但恒流软启动则可根据工况的需要将启动电流设定在所需要的电流值上，启动时该电流基本恒定[4]但在一些工况中我们发现有些设备要求启动力矩很大（如搅拌机，皮带输机等重载启动），因此以后还需派生阶跃恒流软启动和脉冲恒流软启动系列，如图2所示，这样就可较好地解决了该节电控制器可适用各种工况的要求t0t0电流 I 电流 I 阶跃恒流软启动 脉冲恒流软启动图2 两种特殊启动方式3 模糊控制器设计3.1模糊控制思路模糊控制系统是一种自动控制系统，它以模糊数学、模糊语言形式的知识表示和模糊逻辑的规则推理为理论基础，采用计算机控制技术构成的一种具有反馈通道的闭环控制结构的数字控制系统它的组成核心是具有智能性的模糊控制器，这也就是它与其他自动控制系统的不同之处，模糊控制系统也是一种智能控制系统模糊控制技术是一种由模糊数学、计算机科学、人工智能、知识工程等多门学科领域相互渗透，理论性很强的科学技术，实现这种模糊控制技术的理论，即称为“模糊控制理论”因此模糊控制系统组成由单片机、模糊控制器、输入/输出接口、执行机构、被控对象和测量装置等五部分组成。

如图3所示根据工程实际．采用如图 4所示的模糊控制系统框图．模糊控制能克服传统PID控制超调量大的问题，但是普通的模糊控制存在稳态精度差和稳态颤振问题因此，本文采用双模模糊控制，并加人积分环节，这样施加在被控对象上的控制量u具有非线性PID控制律提高了稳态精度，有效抑制了颤振现象A/DD/A执行机构模糊控制器被控制量被控对象测量装置U给定值图3 模糊控制系统组成框图 KesKec粗调控制规则KuKi被控对象Ke1sKec1细调控制Ku1Ki11/su E U + + n + + + ec EC ns u1E ＋ U + ec EC + 图4 模糊控制系统示意图3.2语言变量、语言值和论域的选择模糊控制器的输入语言变量选为电机的电流信号e及其变化率△e，而其输出语言变量可选为电机的端电压u这样就为转速控制系统确定了一个双输入单输出的模糊控制器 输入语言变量误差 E 、误差变化 EC 以及输出语言变量U 的论域均选为｛- 6 ，- 5 ， … ，- l , 0 , l ，… 5 , 6 ｝要提高基本模糊控制器的精度和跟踪性能，就必须对语言变 t 取更多的语言值，即分档越细，性能越好，但同时规则数和系统的计算量也大大增加．影响调试和控制的实时性。

因此，在工程实际应用中，必须选择一个合适的分档次数，使得控制系统既能满足控制精度要求和实时性要求．又能易于工程实现鉴于此，此处 E、 EC 和 U 的语言值均选为 PB、PM、PS、ZE、NS、NM、NB3.3语言变量和的赋值表的建立语言变量的模糊子集的隶属度函数μ(x)究竟选用哪一种好，目前没有统一的理论依据在工程应用的实际中，通常根据经验和实际控制要求确定模糊隶属度函数一般情况下，高斯模糊隶属度函数的正态分布特性能满足大部分工程的精度要求和控制性能，所以采用高斯模糊隶属度函数其数学表达 = （1）uA(x)uA(x)uA(x)10t 图5 隶属度函数图选定隶属度函数μχ(x)的类型之后还得注意它的形状．隶属度函数的形状对控制效果影响很大，如图5所示，图中窄型隶属函数μχ(x)反映模糊集合A具有高分辨率特性，控制的灵敏度高；宽型隶属函数μχ(x)反映模糊集合具有低分辨率控制的灵敏度低一般在系统误差较大的范围内，采用低分辨率隶属函数，而在系统误差较小时，采用具有高分辨率隶属函数．确定隶属度函数后并根据操作者实际经验修正可得如下列表格所示的语言变 t 的赋值表。

表 l~3 所示的分别是语言变量E , EC 和 U 的赋值表表1 语言变量E的赋值表语言值E-6-5-4-3-2-10123456PB00000000000.10.751PM000000000.20.7510.70.2PS0000000.10.710.750.200ZE000000.50.50.500000NS00.20.7510.70.10000000NM0.20.7510.750.200000000NB10.750.20000000000语言值EC-6-5-4-3-2-10123456PB00000000000.20.81PM000000000.20.810.80.2PS0000000.10.710.70.100ZE000000.510.500000NS00.10.710.70.11000000NM0.10.810.70.100000000NB10.750.200000000。