专利名称：一种电动机软起动控制方法
技术领域：
本发明涉及一种电动机软起动控制方法，特别是涉及一种用来协调控制电动机起动电流与转速，分阶段采用不同的决策，构成整个起动过程的控制策略，实现起动过程最优控制效果的动态规划控制方法。
背景技术：
电动机直接起动时产生的大电流(5-7倍以上电机额定电流)对电网、电机及拖动设备危害巨大，可造成继电保护误动作、自动控制失灵等故障。使用软起动装置，可以避免电机直接起动所造成的危害性及影响。从节能的角度，使用软起动装置还有事半功倍的节能效果。目前国内外的电动机软起动一般常采用开环电压斜坡控制方式、闭环电流限幅控制方式、分级变频控制方式、模糊控制、人工神经网络控制等。电压斜坡起动方式简单，起动效果容易受负载和电源变化的影响，控制效果不够精确，需反复调试才能达到比较满意的起动效果。闭环电流限幅控制方式增加了闭环电流检测环节，电流采样不仅用来做晶闸管过电流保护，而且还可以参与电流的闭环调节，电流限幅起动方式受负载和电源变化的影响较小，且稳定性得到极大的提高，起动效果比电压斜坡起动方式提高了。电流限幅起动方式特别适合于恒转矩负载，通过设置电流上限，在电网容量有限的场合使电动机以最小的起动电流快速起动。分级变频控制方式是在电机起动过程中，使电压频率从一个比较小的初始值逐级增大至工频50Hz，从而提高低电压时的转矩。由于频率的离散跳变，定子电流的瞬时值是不连续的，转矩瞬时值也不连续，脉动较大。在实际电机的运行中会出现明显的振动，这是分级变频控制方式最大的缺点。模糊控制及人工神经网络控制均属于智能控制。模糊控制技术不依赖精确的数学模型，对参数变化不敏感，适应性强，具有很好的鲁棒性，在电机的软起动的控制方面取得了良好的控制效果。人工神经网络考虑电机和调压装置模型参数的变化及电机负载类型的多变性，动态特性优良，具有较好的适应性和鲁棒性。上述电机软起动控制方法的主要目的是降低电动机的起动电流，控制目标单一，不考虑起动时间及起动转速等因素。然而在起动过程中，由于不考虑起动时间，常会因为起动时间过长,引起电机发热,造成主回路中的热继电器动作,起动失败。因此,对于电机软起动系统，采用非线性控制的方法实现时间最优控制是一种很有价值的控制策略。针对以上存在的问题，一种电动机动态规划软起动控制方法是一个很好的解决办法，该方法在电机起动过程中的不同阶段采用不同的决策，在起动过程最长的恒流升速阶段采用时间最优控制。不同阶段的决策，构成整个起动过程的控制策略，实现起动电流与转速的协调控制，既可以将起动电流限幅，又可以将起动时间降至最小，提高起动的成功率。本申请者查阅了 2007年到2012年这5年公开的关于电机软起动的专利，共计458项目，这些专利均是关于软起动装置、软起动控制电路、软起动与无功补偿装置等方面的内容，未见涉及软起动控制方法的专利。电机软起动装置在限制起动电流、减小电网电压波动、进行无功功率补偿、节约能源、改善供电质量等方面具有良好的应用效果。由于电动机是非线性、强耦合、时变系统，采用非线性控制方法对其进行控制，优化其控制效果具有重大的工程实践意义。有鉴于此，有必要提供一种电动机软起动控制方法，以解决上述问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种利用动态规划控制方法来控制电动机软起动，使电机起动电流限制在2倍额定电流的基础上，实现电动机转速快速上升至额定转速，起动时间最短，减小电机发热，提高软起动的成功率，并提高工业企业的生产效率。本发明所采用的技术方案是一种电动机软起动控制方法，其特征在于，采用动态规划控制方法，将电动机起动电流限制在2倍额定电流的基础上，实现电动机转速快速上升至额定转速，起动时间最短，具体方法是
(1)根据电动机理想起动特性，将起动过程划分为三个阶段，分别确立这三个阶段对起动电流、转速的控制目标；
(2)实时检测电动机起动过程中的电流和转速，根据起动电流与转速之间的关系，决定三个阶段分别要采取的决策；
(3)对起动过程中最重要的恒流升速阶段，采用满足电动机起动状态约束及起动电流限制在2倍额定电流约束条件下的时间最短控制决策；
(4)三个阶段的决策构成整个起动过程的控制策略，实现一种电动机起动过程最优化。如上所述的电动机软起动控制方法，其特征在于使用动态规划控制技术，实现起动电流和电机转速的协调控制，在起动过程的第一个阶段采用比例控制，增强起动的快速性；第二个阶段采用最优控制，实现满足起动约束条件下，起动时间最短；第三个阶段采用比例积分控制，消除控制系统的稳定误差。如上所述的电动机软起动控制方法，其特征在于实现动态规划控制策略所采用的控制器为DSP，电动机起动状态显示与控制参数设置采用触摸屏。本发明与现有技术相比具有如下优点
(I)分别对起动电流和起动转速进行检测和协调控制，控制系统受电源和负载变化影响小，抗干扰能力强，控制精度高，控制效果好。(2)采用动态规划控制方法，分阶段来进行控制，可满足不同阶段的起动特性，达到理想控制效果。(3)在起动的第二阶段采用时间最优控制，可减小电机发热并提高工业企业的生
产效率。(4)整个控制方法简单，工作可靠性高，采用DPS作为控制器，人机交互界面采用触摸屏，可直观的观测到起动电流与电机转速，并方便修改控制参数，可提高整个软起动控制系统的自动化程度，减轻了操作人员的工作强度，免除了不必要的人力浪费。
图1是本发明的电动机软起动控制方法系统结构图。图2是电动机起动理想起动曲线。
具体实施例方式为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样在本申请所列权利要求书限定范围之内。图1中1.控制器(执行动态规划控制策略)；2.比例因子调节器；3.触发电路；4.软起动装置；5.电动机；6.电流检测装置；7.转速检测装置。图2中曲线I为转速曲线；曲线2为电流曲线。本发明提供一种电动机软起动控制方法，为基于动态规划的控制方法，即针对电动机起动过程具有明显的时序性，将起动过程划分为三阶段，每个阶段采用不同的控制策略，动态调整触发电路的触发角，实现起动过程的最优化。在软起动过程中，通过检测电动机电流与转速，根据电动机理想起动特性，协调控制起动电流、电机转速、起动时间三个量，在将起动电流控制在2倍额定电流的基础上，实现电动机转速快速上升至额定转速，起动时间最短。具体如下
(I)根据电动机理想起动特性，将起动过程划分为三个阶段，分别确立这三个阶段对起动电流、转速的控制目标。( 2)实时检测电动机起动过程中的电流和转速，根据起动电流与转速之间的关系，决定三个阶段分别要采取的 决策。(3)在起动开始的第一个阶段，采用比例控制，增强起动的快速性；第二个阶段采用最优控制，实现满足起动约束条件下，起动时间最短；第三个阶段采用比例积分控制，消除控制系统的稳定误差。(4)对起动过程中最重要的恒流升速阶段，即第二个阶段，采用满足电动机起动状态约束及起动电流限制在2倍额定电流约束条件下的时间最短控制决策。(5)三个阶段的决策构成整个起动过程的控制策略，实现一种电动机起动过程最优化。实现动态规划控制策略所采用的控制器为DSP，电动机起动状态显示与控制参数设置采用触摸屏。下面结合附图对本发明作进一步说明
如图1所示本发明采用了包括控制器1、比例因子调节器2、触发电路3、软起动装置4、电流检测装置6、转速检测装置7组成的装置，对电动机5的起动实现动态规划控制方式。图2为电动机起动理想起动曲线，曲线I为理想转速曲线；曲线2为理想电流曲线。根据图2所示的电动机起动理想起动曲线，可以发现电动机起动过程具有明显的时序性特征，可根据起动时间划分为三个阶段，第I起动阶段是电流上升阶段，在这个阶段当电机电流大于负载电流后，电动机开始起动，电流快速上升至Zffl ;第II阶段为恒流升速阶段，电流保持在人，转速呈线性增长，直至转速达到额定转速/ 这个阶段是起动的主要阶段，且时间最长；第III阶段是转速调节阶段，转速出现超调，电流下降，当电流下降至负载电流时，转速达到峰值，随后电动机在负载阻力作用下减速，直到稳态。电动机起动的这三个阶段，特征都非常明显第一个阶段，转速很小，电流变化很快；第二个阶段，电流维持在Zffl，转速线性增长；第三个阶段，电流下降，转速出现超调。根据这三个阶段的特征，明确每个阶段的控制目标第一个阶段对电流进行控制，控制电流快速达到人；第二个阶段将电流维持在人以及电动机的状态方程作为约束条件，转速由初始状态上升至额定转速作为初始与终端条件，寻求满足目标函数——起动时间最短的控制策略；第三个阶段电流下降，转速有超调，控制转速超调尽量小，转速维持在额定转速。明确各个阶段的控制目标后，为实现控制目标，采用不同的控制决策第一个阶段采用比例控制决策；第二个阶段采用时间最优控制决策；第三个阶段采用比例积分控制决策。这三个阶段的决策序列构成整个起动过程的控制策略，使使电机起动电流限制在2倍额定电流的基础上，实现电动机转速快速上升至额定转速，起动时间最短，减小电动机发热，提高软起动的成功率，并提高工业企业的生产效率。本发明采用DPS作为控制器，人机交互界面采用触摸屏，可直观的观测到起动电流与电机转速，并方便修改控制参数，可提高整个软起动控制系统的自动化程度。本发明可以克服传统软起动方式起动时间过长，容易造成起动失败的缺点，具有起动时间短、起动电流小、起动曲线最优等特点，适合于不同容量电动机的软起动。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
权利要求
1.一种电动机软起动控制方法，其特征在于，采用动态规划控制方法，将电动机起动电流限制在2倍额定电流的基础上，实现电动机转速快速上升至额定转速，起动时间最短，具体方法是(1)根据电动机理想起动特性，将起动过程划分为三个阶段，分别确立这三个阶段对起动电流、转速的控制目标；(2)实时检测电动机起动过程中的电流和转速，根据起动电流与转速之间的关系，决定三个阶段分别要采取的决策；(3)对起动过程中最重要的恒流升速阶段，采用满足电动机起动状态约束及起动电流限制在2倍额定电流约束条件下的时间最短控制决策；(4)三个阶段的决策构成整个起动过程的控制策略，实现一种电动机起动过程最优化。
2.根据权利要求1所述的电动机软起动控制方法，其特征在于使用动态规划控制技术，实现起动电流和电机转速的协调控制，在起动过程的第一个阶段采用比例控制，增强起动的快速性；第二个阶段采用最优控制，实现满足起动约束条件下，起动时间最短；第三个阶段采用比例积分控制，消除控制系统的稳定误差。
3.根据权利要求1所述的电动机软起动控制方法，其特征在于实现动态规划控制策略所采用的控制器为DSP，电动机起动状态显示与控制参数设置采用触摸屏。
全文摘要
本发明提供一种电动机软起动控制方法，为基于动态规划的控制方法，即针对电动机起动过程具有明显的时序性，将起动过程划分为三阶段，每个阶段采用不同的控制策略，动态调整触发电路的触发角，实现起动过程的最优化。在软起动过程中，通过检测电动机电流与转速，根据电动机理想起动特性，协调控制起动电流、电机转速、起动时间三个量，在将起动电流控制在2倍额定电流的基础上，实现电动机转速快速上升至额定转速，起动时间最短。本发明可以克服传统软起动方式起动时间过长，容易造成起动失败的缺点，具有起动时间短、起动电流小、起动曲线最优等特点，适合于不同容量电动机的软起动。
文档编号H02P1/26GK103051255SQ20121056960
公开日2013年4月17日 申请日期2012年12月25日 优先权日2012年12月25日
发明者常雨芳, 武明虎, 黄文聪, 袁佑新, 王粟, 陈静 申请人:湖北工业大学