CN101572522B - 一种傻瓜式自学习的电机软性起停控制装置 - Google Patents

Abstract

一种傻瓜式自学习的电机软性起停控制装置，能实现“傻瓜化”判别负载类型，“自学习”“紧跟”负载变化，给电机系统起动和停止提供一份准确无误的技术参数。本产品使用时无需设置任何参数，使用中也无需任何操作，连接到电源和电机即可使用，并且能达到电机的最佳起停控制，实现产品现场应用的傻瓜化使用，无人化操作、免调试、免维护，不仅缩减了客户管理和维护的成本，更节约了生产厂家的人力、物力和财力，本产品还自带多种电机保护，自带通讯，可组态联网工作，对各种电机适应性高，可广泛用于农业、纺织、冶金、石油化工、水处理、船舶、运输、医药、食品加工、采矿和机械设备等行业，具有较高的应用价值和经济价值。

Description

一种傻瓜式自学习的电机软性起停控制装置

技术领域

本发明属于一种电机的软起、软停控制装置，主要应用于异步电机，具体为一种傻瓜式自学习的电机软起停控制装置，采用全数字模糊自学习算法，自带保护，可组态联网工作的电机控制装置。

背景技术

三相鼠笼式异步电机因其结构的简单，成本的低廉，使用的方便，使其在目前市面上应用最为广泛的电机，但是在起动时，如直接加上其额定电压，则起动电流将达到额定电流的8～100倍，而且在瞬间会产生很高的电流尖峰，对电网的冲击非常之大，又由此产生的机械振动会损害电机转子，轴连接器，中间齿轮，以及负载等。所以一般，都通过降低加到电动机定子绕组的电压来减小电动机的起动电流和起动转矩。传统的起动方式有Y-Δ起动，串电抗器降压起动，自藕变压器降压起动等方式，但上述种种方式，在起动过程中，都有一个线圈电压切换过程，因而对电网存在“二次冲击”的问题，目前有一种通常称为“软起动器”的固态电机起动器，采用闸门式半导体器件，如半导体可控整流器SCRs、闸流晶体管或固态电力开关来实现电机的起动和停止，软起时控制半导体可控整流器SCRs的导通角使输出电压逐渐增加，电动机逐渐加速，将起动电压连续、平滑地上升，直至全导通，达到额定电压，使电机实现无冲击软起动；能彻底的解决传统起动方式带来的“二次冲击”的问题，也得到了广泛的应用。但是由于电机的原理的特殊性，不同功率，不同负载，起停的曲线都不一样，很难用一个或几个数学模型来实现其自动工作，使之在现场应用控制中，实现傻瓜化、无人工干预的软起停操作较为的困难。

通常称为“软起动器”的固态电机起动器大多是采用定斜率的斜坡电压方式、恒定电流方式和两者的结合，斜坡+恒流方式实现，又因前述的三相鼠笼式异步电机原理的特殊性，要实现较为理想的起停操作，与所起停的电机完全适配，则众多相关于电机起动与停止的参数，如软起方式，软起电压，软起时间，起动转距，电流幅度，软停时间，软停电压等，就必须设计成完全开放式的模式，依照具体控制的电机来调试、设定这些参数，所以一般产品在出厂时，在生产的工艺阶段会多加一道参数设定工序，针对一定型号的电机预设相关参数，这样就增加了生产的成本、浪费了资源的配置；而且设定的标准也只是按照固定的负载的类型进行设定。但由于电机应用面极为广泛，而且操作要求有相对技术难度，对于一些实际应用场合，经常会遇到软起停器的电机参数设定与负载类型匹配性不好，需要调试，如遇到客户技术人才匮乏的情况，则只能在每次产品使用时，由厂商专门提供专业的技术调试人员负责技术调试；而且开放化的参数设计方式，也会给产品的使用带来后续维护问题，一些不明产品使用的客户会在不经意之间修改了原来由厂家设定好的技术参数，这样，也不利于客户管理和维护，同时也给厂家的维护费用增加了许多。这样，许多厂商就会更多的面临技术支持人员开销大、培训难、资源得不到合理优化等问题，耗费了大量的人力和财力。而本发明旨在解决上述问题，在技术上能实现“傻瓜化”判别负载类型，“自学习”“紧跟”负载变化，给电机系统起动和停止提供一份准确无误的技术参数；在产品的应用上能大大简化，真正实现了无人化操作方式、傻瓜化使用、免调试、免维护，迄今为止，在电机软起、软停控制领域中尚无相似背景技术，具有很重要的研发意义。

发明内容

本发明要解决的问题是：针对目前的电机起停控制装置耗费人力财力，要定期维护，提供一种傻瓜式自学习的电机软起动、软停止装置，无需设置任何数据，实现产品现场应用的傻瓜化、免调试、免维护、无人化操作，解决现有产品的不足。

本发明的技术方案为：一种傻瓜式自学习的电机软性起停控制装置，连接在电源与电机之间，采用三相反并联的半导体可控整流器SCRs作为功率组件，中央处理器实时采集电机在工况运行中的电流、电压、负载度、功率因素参数，其中，中央处理器配有相应软件，软件包括数据采集模块、多种电机数学模型矩阵模块、傻瓜式模糊自学习算法模块、电机基本驱动模块和系统调度模块，系统调度模块调度软件各模块的流程，数据采集模块采样的电机参数与多种电机数学模型矩阵模块的数据经过傻瓜式模糊自学习算法模块的比对计算后，得到与当前电机参数匹配的信号驱动电机基本驱动模块，基本驱动模块通过移相控制电路和功率驱动电路使半导体可控整流器SCRs相移，控制半导体可控整流器SCRs的导通角，使之加到电机上的电压按中央处理器计算的规律慢慢达到全电压，实现软性起停。

本发明的中央处理器的软件流程分两块，一是首次起动，二是非首次起动，多种电机数学模型矩阵模块包含多种电机数学模型及其起动曲线，当中央处理器接受起动指令后，首先判别是否是首次上电，以区别负载的电机有无变换：

首次起动过程如下：若为首次上电，进行瞬时试运行，数据采集模块计录电机的电流、电压、负载度、功率因数参数，进行数字滤波后传送至傻瓜式模糊自学习算法模块的电机数据阵列，所述瞬时时间＜400ms；傻瓜式模糊自学习算法模块在20ms内将电机参数与多种电机数学模型矩阵模块的数据进行模糊比对，找出最相近的电机数学模型，并计算两者的负载变化度Δe及相关调整因子，调整此电机数学模型的起动曲线，得到本次电机起动曲线，再向电机正式发起动指令，通过电机基本算法库执行电机起动，在起动期间，实时采集相关数据，并数字滤波，存储于傻瓜式模糊自学习算法模块的电机数据阵列；

非首次起动：取前一次起动的电机数据，通过前一次起动的电机数据与本次电机数据计算出同一负载下的负载变化度ΔE，调整前一次的电机起动曲线，再进行起动的发起。

本发明中央处理器还连接显示部分、I/O模块和通讯模块，显示部分为三组不同颜色的LED，I/O模块实现人机交互，通讯模块为RS485通讯，使用Modbus或自定义协议，中央处理器软件对应设有人机交互程序模块和通讯程序模块，还设有故障诊断模块。

本发明还设有电源保护电路和噪声吸收和瞬态保护电路，电源保护电路为UC3844组成的100KHz/50W的开关电源，输入电压范围AC110V～450V，给电机软性起停控制装置供电，噪声吸收和瞬态保护电路保护功率组件免于瞬间的噪声干扰，减少和避免di/dt对半导体可控整流器SCRs的损坏。

三相交流异步电动机的起动转矩Ma直接与所加电压的有关，也就是说，只要改变电机端点的电压就会影响这些值。本发明通过对市场上一百多种不同负载的电机进行现场实施采集，建立多个数学模型，存入多种电机数学模型矩阵模块，并通过上电首次的瞬时测试预起动，快速实时采集电机在工况运行中的电流、电压、极对数，功率因素等电机的参数，采用模糊自学习算法，自动识别负载的类型，并快速计算出一条最合理的软起曲线，递交给电机基本驱动模块去触发串接在电源和被控电机之间、采用三相反并联的半导体可控整流器SCRs，并应用SCRs相移控制技术，控制SCRs的导通角，使之加到电动机上的电压按计算的规律慢慢达到全电压，并保存本次软起数据，为下一次软起的自学习作准备，首次启动后，后面的非首次起动根据前一次起动进行自学习，不断修正完善起动曲线，达到同一负载下的最佳理想曲线，实现电机的傻瓜化运作，软停止时则为软起动的相反过程。

本发明使用时无需设置任何参数，使用中也无需任何操作，连接到电源和电机即可使用，并且能达到电机的最佳起停控制，实现了无人化操作方式、傻瓜化使用、免调试、免维护，相比以往的软起停器产品，不仅缩减了客户管理和维护的成本，更节约了生产厂家的人力、物力和财力资源，使客户和厂家都能将现有的资源进行更合理的配置和优化，彻底地解决了困扰整个行业多年的技术难题。本发明还自带保护，可组态联网工作，具有三组LED指示工作状态，本发明对各种电机适应性高，可广泛用于农业、纺织、冶金、石油化工、水处理、船舶、运输、医药、食品加工、采矿和机械设备等行业，具有较高的应用价值和经济价值。

附图说明

图1是本发明的硬件原理框图。

图2是本发明的软件原理框图。

图3是本发明的软件自学习流程图。

图4为本发明实施例的电流-时间曲线图。

图5为本发明实施例的电流-时间波形图，(a)为首次起动，(b)为第2次起动，(c)为第3次起动，(d)为第7次起动。

具体实施方式

如图1所示，本发明装置串接在电源1和电机2之间，采用三相反并联的半导体可控整流器SCRs 3作为功率组件，高速的中央处理器4控制采集电路采集电机参数，包括电流采集5、电压采集6、相序采集7、同步信号采集8及功率因素采集9等，中央处理器4根据采样回的数据，处理分析，应用SCRs 3的相移技术，控制SCRs 3的导通角，使之加到电机2上的电压按计算的规律慢慢达到全电压，并由显示部分12的3组不同颜色LED实时指示系统的运行状态，如软起中，软停止中，故障报警等信息，使系统状态一目了然；输入/输出I/O模块13实现人机交互功能，控制本装置起停指今输入以及故障报警的输出，通讯模块14采用RS485通讯，使用Modbus或自定义协议，实现全面的上位机远程的控制和监测，电源保护电路15给本发明装置供电，采用UC3844组成的100KHz/50W的开关电源，输入电压从AC110V～450V均能正常工作，抗干扰强，工作稳定，驱动能力强，为本发明的稳定工作提供了保障，噪声吸收和瞬态保护电路16保护功率组件SCRs 3免于瞬间噪声的干扰，减少和避免di/dt对半导件器件的损坏。

本发明能够实现傻瓜式自学习，主要通过中央处理器4的软件系统，采用面向对象的设计理念，主要分为以下几个部分，如图2所示；

1)电机基本驱动模块17，包括SCRs的移相触发控制及三相触发脉冲的时序管理；

2)多种电机数学模型矩阵模块18，它是通过对市场上一百多种不同负载的电机进行现场实施采集，建立多个数学模型形成的多种电机数学模型矩阵数据，主要是为模糊算法做准备；

3)傻瓜式模糊自学习算法模块19，主要是把数据采集模块20采集来的数据进行整理、汇总、可用化分析，控制策略和控制算法的实现，通过模糊自学习算法实现软起、软停止的傻瓜式工作；

4)数据采集模块20，主要负责各种变化量对象的采集和整理，如电压、电流、功率因素部分、相序等信号，并通过不同类型的数字滤波，把数据对象提供给傻瓜式模糊自学习算法模块19；

5)人机接口程序模块21，主要包括I/O对象和状态显示对象；

6)通讯程序模块22，主要是对在RS485的物理层上的应用协议，现在自定义协议和Modbus，也可先配Profibus_DP；

7)故障诊断模块23，主要对象为故障诊断，即对缺相，过载，过温、外部输入错误、电子保险、失速保护等；

8)系统调度模块24，主要负责系统中各模块的总体优化调度，含有同步中断对象、工况对象及其辅助对象。

在各个模块之间，采用消息机制的方式进行耦合、协调和通讯。在上面的八大模块中，系统中的大部分消息是通过系统调度模块24进行集中收发，以协调各个对象之间的关系，各个模块中的与系统调度模块24相关的消息有单向的，也有双向，从而有续快速去完成各自的任务。下面是以起动过程为例，停止大抵相似，如图3，具体执行如下：

流程分两块，一是首次起动25，二是非首次起动26，当中央处理器4接受起动指令后，首先判别是否是首次上电，以区别负载的电机有无变换，

首次起动25过程如下：若为首次上电，进行瞬时试运行，数据采集模块20计录电机的电流、电压、负载度、功率因数参数，进行数字滤波后传送至傻瓜式模糊自学习算法模块19的电机数据阵列，所述瞬时时间＜400ms；傻瓜式模糊自学习算法模块19在20ms内将电机参数与多种电机数学模型矩阵模块18的数据进行模糊比对，找出最相近的电机数学模型，并计算两者的负载变化度Δe及相关调整因子，调整此电机数学模型的起动曲线，得到本次电机起动曲线，再向电机正式发起动指令，通过电机基本算法库执行电机起动，在起动期间，实时采集相关数据，并数字滤波，存储于傻瓜式模糊自学习算法模块19的电机数据阵列，只保存最近三次的数据，一是为了电机保护之用，二是为了起动完成后的最佳数据的收集；

非首次起动26：取前一次起动的电机数据，通过前一次起动的电机数据与本次电机数据计算出同一负载下的负载变化度ΔE，调整前一次的电机起动曲线，再进行起动的发起。第二次，第三次及大于3次的起动因有了前面的数据可以参考，可以直接通过上次的数据计算出相关结果再进行起动的发起，傻瓜式自学习的过程也就在此，首次起动是系统学习负载类型，而三次以上起动是学习在本负载下的负载变化度ΔE，它可以一直保持跟踪和最近三次起动的负载度相吻合，以达到本发明的目的。

下面以一55kW/380V三相异步电机为例说明，额定电流105A，额定转速1400转/分钟，负载为农田灌溉水泵，对于一灌溉水泵来说，软性起停考核的主要参数为软起时间、软起电流，软停时间、软停电流，即用最小的电流，最短的时间，把水泵从停止到额定转速，再从额定转速用最小电流及最短的时间使电机停止。现以软性起动为代表，示波器采集电流/时间波形如图5所示，具体数据如下：

测试数据所得电流/时间曲线图如图4。

从上表和图4、图5中可以充分的看出，采用自学习的方法可以准确捕捉到负载，也取得最佳的起动曲线，启动时间快，软起最大电流仅为额定电流的2～3倍，起动后运行平稳，很快达到最佳起动曲线，首次起动波形中，如图5(a)，突起为＜400ms瞬时试起动，用于判别负载类型。

如上所述，本发明中对负载的更换及变化均能准确把握到，而目前市面上的产品为了适应不同的负载，不同的电机，要开放众多相关的参数，如软起方式，软起电压，软起时间，起动转距，电流幅度，软停时间，软停电压等等参数，在初次使用时需要逐台进行人工预先修正，并要多次起停操作才能人为地找到一个最为理想的起停数据，而且当每一次负载变化时，均要此操作，如果是应用在多变化负载之上，就极为不便，给实际的应用，带来众多的麻烦，本发明无需人工干预，无需设置任何数据，即可使用，真正实现产品运行的傻瓜化，自学习，免调试，免维护，无人化操作，节约了大量的人力和财力，具有极大的现实意义。

Claims (5)

1.一种傻瓜式自学习的电机软性起停控制装置，连接在电源(1)与电机(2)之间，其特征是采用三相反并联的半导体可控整流器SCRs(3)作为功率组件，中央处理器(4)实时采集电机在工况运行中的电流、电压、负载度、功率因素参数，其中，中央处理器(4)配有相应软件，软件包括数据采集模块(20)、多种电机数学模型矩阵模块(18)、傻瓜式模糊自学习算法模块(19)、电机基本驱动模块(17)和系统调度模块(24)，系统调度模块(24)调度软件各模块的流程，多种电机数学模型矩阵模块(18)包含多种电机数学模型及其起动曲线，数据采集模块(20)采样的电机参数与多种电机数学模型矩阵模块(18)的数据经过傻瓜式模糊自学习算法模块(19)的比对计算，找出最相近的电机数学模型，得到与当前电机参数匹配的起动曲线，驱动电机基本驱动模块(17)，基本驱动模块(17)通过移相控制电路(11)和功率驱动电路(10)使半导体可控整流器SCRs(3)相移，控制半导体可控整流器SCRs(3)的导通角，使之加到电机(2)上的电压按中央处理器(4)计算的规律慢慢达到全电压，实现软性起停。

2.根据权利要求1所述的一种傻瓜式自学习的电机软性起停控制装置，其特征是中央处理器(4)的软件流程分两块，一是首次起动(25)，二是非首次起动(26)，当中央处理器(4)接受起动指令后，首先判别是否是首次上电，以区别负载的电机有无变换，首次起动(25)过程如下：若为首次上电，进行瞬时试运行，数据采集模块(20)计录电机的电流、电压、负载度、功率因数参数，进行数字滤波后传送至傻瓜式模糊自学习算法模块(19)的电机数据阵列，所述瞬时时间＜400ms；傻瓜式模糊自学习算法模块(19)在20ms内将电机参数与多种电机数学模型矩阵模块(18)的数据进行模糊比对，找出最相近的电机数学模型，并计算两者的负载变化度Δe及相关调整因子，调整此电机数学模型的起动曲线，得到本次电机起动曲线，再向电机正式发起动指令，通过电机基本算法库执行电机起动，在起动期间，实时采集相关数据，并数字滤波，存储于傻瓜式模糊自学习算法模块(19)的电机数据阵列；

非首次起动(26)：取前一次起动的电机数据，通过前一次起动的电机数据与本次电机数据计算出同一负载下的负载变化度ΔE，调整前一次的电机起动曲线，再进行起动的发起。

3.根据权利要求1或2所述的一种傻瓜式自学习的电机软性起停控制装置，其特征是中央处理器(4)还连接显示部分(12)、I/O模块(13)和通讯模块(14)，显示部分(12)为三组不同颜色的LED，I/O模块(13)实现人机交互，通讯模块(14)为RS485通讯，使用Modbus或自定义协议，中央处理器(4)软件对应设有人机交互程序模块(21)和通讯程序模块(22)，还设有故障诊断模块(23)。

4.根据权利要求1或2所述的一种傻瓜式自学习的电机软性起停控制装置，其特征是还设有电源保护电路(15)和噪声吸收和瞬态保护电路(16)，电源保护电路(15)为UC3844组成的100KHz/50W的开关电源，输入电压范围AC110V～450V，给电机软性起停控制装置供电，噪声吸收和瞬态保护电路(16)保护功率组件免于瞬间的噪声干扰，减少和避免di/dt对半导体可控整流器SCRs(3)的损坏。

5.根据权利要求3所述的一种傻瓜式自学习的电机软性起停控制装置，其特征是还设有电源电路(15)和噪声吸收和瞬态保护电路(16)，电源电路(15)为UC3844组成的100KHz/50W的开关电源，输入电压范围AC110V～450V，给电机软性起停控制装置供电，噪声吸收和瞬态保护电路(16)保护功率组件免于瞬间的噪声干扰，减少和避免di/dt对半导体可控整流器SCRs(3)的损坏。

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