摘 要：本设计主要是通过软件来控制异步电动机的启动过程，以8051单片机为控制核心，经整流后通过控制IGBTPWM逆变器，利用模糊控制技术控制电机转速，实现电机的软启动过程。设计中详细介绍电动机的启动过程和调速原理，以及模糊控制系统的原理，利用模糊原理中良好的鲁棒性能以及单片机和各个芯片的功能特点，并借鉴其他人的经验，建立模糊控制表，通过对硬件的选择、软件程序的设计，改善系统的调速性能，完成异步电动机软启动的运行过程。关键词：模糊控制、异步电动机、8051单片机、变频调速、鲁棒性。Abstract: This design mainly control asynchronous motors starting process by software. The 8051 single chip microprocessor is control core. It goes through commutator and control IGBT-PWM inverter. Using fuzzy control motor speed, realize motor starting. In design, introduce motor starting process control speed theorist and fuzzy control system, using fuzzy robustness and single chip microprocesss character, and others experience, we create fuzzy control calendar. Through choosing hardware and designing program, we improve systems control speed. Then we can finish asynchronous motor software start process.Key words: Fuzzy-control、Asynchronous motor、8051 Single chip microprocessor、Variable Frequence Control Speed、Robustness一、引言随着微电子技术、电力电子技术、微处理器技术的不断发展和普及应用，电动机的调速，从直流发电机电动机组调速，静止晶闸管整流器直流调速逐步过渡到笼型异步电动机变频调速。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47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。同时由于异步电动机是非线性、多变量、强耦合的复杂被控对象，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。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，具有很强的鲁棒性。为此设计异步电动机软启动器中，采用以绝缘栅双极晶闸管（IGBT）为主电路元件、单片机8051为控制核心、运用模糊控制方法，降低电机启动电流，提高启动转矩，实现异步电动机启动过程无电流冲击的软启动过程。二、 异步电动机的调速n = p60f1(1-s)1 异步电动机的调速方法异步电动机的转速公式为式中 f1供电频率（Hz）p极对数s转差率从上式可以看出，有三种方法可以改变异步电动机的转速：（1）改变极对数；（2）控制电源频率；（3）使电动机的转差率发生变化。电动机的电磁功率Pe可看成由两部分组成：一部分是有效功率P2=(1-s)用于拖动负载；另一部分是转差功率Ps=sPe，它是异步电动机实现机电能量转换的媒介。从能量转换的角度看，在调速过程中，如何对待转差功率Ps，是消耗还是回馈，决定了调速方法的效率高低。按此观点调速方法分以下三类：（1）转差功率消耗型调速系统。其全部转差功率转换成发热浪费掉，如降压调速（2）转差功率回馈型调速系统。将大部分转差功率通过变流装置回馈给电网或转化为机械能加以利用。（3）转差功率不变型调速系统。调速过程中，保证转差率s基本不变，从而保证了高效率运行。如极对数调速；另一种是变压变频调速，由于实现高效率高动态性能交流调速，所以已经成为应用最广泛的调速系统。2异步电动机变压变频原理在异步电动机各类调速方法中，变压变频方法效率最高，性能最好。用这种方法调速控制中，同步控制定子电源的电压和频率，保证了转差功率不变。这种电压频率协调控制的方法在控制时能获得基本上平行移动的机械特性，具有较好的控制特性，并在世界范围内获得了广泛应用。三相异步电动机的定子相电势的有效值为E1 = 4.44f1N1kw1m式中 E1相电势有效值(V)；f1定子电源电压频率（Hz）；N1定子每相总匝数；Kw1绕组系数；m每极磁通（Wb）。由式子可知，只要控制好E1和f1，也即在改变频率的同时协调地改变E1，就能使恒等式中的m不变。但由于异步电动机需考虑其额定电压和额定频率的制约，因而需要以基频为界加以分析和区别。2.1基频以下调速E1f1= 常值 由式子可知，要保持m不变，当频率f1从额定值f1N向下调节时，必须同时降低E1，使即采用恒定的电动势/频率的控制方式。U1f1= 常值然而，绕组中的感应电动势是难以直接控制的，当电动势值较高时，可以忽略定子绕组的漏磁阻抗压降，而认为定子相电压U1E1，则得这是恒压频比的控制方式。低频时，U1和E1都较小，定子阻抗压降所占的分量就比较显著，不能再忽略。这时，可以人为地把电压U1抬高一些，以便近似的补偿定子压降。带定子压降补偿的恒压频比控制特性如图1（b）所示，无补偿的控制特性则为图1（a）。2.2 基频以上调速在基频以上调速时，频率可以从f1N往上增高，但电压U1却不能超过额定电压U1N，最多只能保持U1=U1N。由式子可知，这将迫使磁通和频率成反比的降低，相当于直流电动机弱磁升速的情况。把基频以下和基频以上两种情况结合起来，可得到图2所示的变压变频调速控制特性。这样，在基频以下，由于磁通恒定转速也恒定，属于“恒转速调速”性质；而在基频以上，转速升高时转矩降低，基本属于“恒功率调速”。图1 恒压频比控制特性a-无补偿 b-带定子压降补偿U1U1N0f1Nf1ab图2 异步电动机变压变频调速控制特性m（f1）恒功率调速恒转矩调速f1f1NU1，mU1N02.3 电力电压变频装置异步电动机的变压变频调速的核心是如何协调改变电压和频率。然而工业用电是恒压、恒频电源。必须配备电力变压变频装置，即VVVF（Variable Voltage Variable Frequency）装置。间接变压变频装置的特点是，先将50Hz工频电源整流为直流电流或电压，然后通过逆变器转换成可控的交流电。用全桥全波整流，脉宽调制（PMW）逆变器同时调压和调频。这种方法通过电力电子器件IGBT，使开关频率提高到18kHz以上，其逆变器输出已非常接近正弦波。所以这种逆变器又称为正弦波脉宽调制（Sine PWM）逆变器。三、 模糊控制系统设计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”。由此不难想象模糊控制系统组成具有常规计算机控制系统的结构形式，如图3所示，模糊控制系统由模糊控制器、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。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 1模糊控制器的设计模糊控制是根据人的控制经验总结出若干条模糊控制规则，以此为依据由微机具体实施控制，实现形式如图4所示。输入量为给定启动电流值Uig与被检测异步电动机启动电流信号Uiq的偏差和偏差变化率,输入量为异步电动机的电流Iq。其中模糊控制器的输出为对应于SLE4520的调制系数M的给定值。1.1 实测量的模糊化1.1.1 电流偏差的模糊化Uigd/dt模糊化晶闸管电路模糊控制规则模糊判决电动机电流检测EECeecCUIq图4 模糊控制实现框图Uiq电流偏差是指电流的给定值与检测异步电动机启动电流值的偏差值。将电流偏差值的控制范围定为模糊控制区。在模糊控制区内，将电流偏差分为8个模糊状态：PLE（正大电流偏差）、PME（正中电流偏差）、PSE（正小电流偏差）、POE（正零电流偏差）、NOE（负零电流偏差）、NSE（负小电流偏差）、NME（负中电流偏差）、NLE（负大电流偏差）。将电流偏差范围分为13个点，采用三角形隶属函数，给出它们对应于8个模糊状态的隶属度值，如表1所示。表 1 电流偏差的隶属度表 偏差隶属度值 变量-6-5-4-3-2-10123456PLE000000000.10.40.70.81.0PME000000000.20.71.00.70.3PSE0000000.20.71.00.70.30.10POE0000001.00.60.10000NOE00000.10.61.0000000NSE00.10.30.71.00.70.2000000NME0.30.71.00.70.200000000NLE1.00.80.70.40.1000000001.1.2 电流变化率的模糊化将电流变化率定义为一个采样周期内的变化，把该范围定为模糊控制区。将其分为8个模糊状态：PLEC（正大电流变化）、PMEC（正中电流变化）、PSEC（正小电流变化）、POEC（正零电流变化）、NOEC（负零电流变化）、NSEC（负小电流变化）、NMEC（负中电流变化）、NLEC（负大电流变化）。将电流变化率范围分为13个点，采用三角形隶属函数，给出了它们对