1 引言
同步電機由于其結構特點，有著許多自身的優點。進入20世紀90年代，對于大容量電機調速，世界各國已基本趨向于同步電機。因為與異步電機相比，同步電機在可靠性與維護量、功率因數、變頻器容量、電機尺寸與轉動慣量、控制精度、弱磁比等方面有其自身的優勢。但結構的優勢需要在合適的控制算法下才能發揮它的作用，所以，同步電機的先進控制算法顯得尤為重要。
同步電機相對于異步電機來說，最大的劣勢就是同步電機存在失步現象，這也是制約同步電機應用的最大因素。我們知道，同步電機的功角δ在突然加載的瞬間會突然增大，而且按照傳統控制方法，δ角是自由形成的，是不可控的。當同步電機突然加重載時，δ角可能突變到70°～80°，雖說自控型的同步電機由于轉子位置傳感器的作用，不會超過90°，但同樣會造成同步電機的振蕩，嚴重時甚至可能造成失步[1]。
自1965年美國加利福尼亞州伯克利分校計算機系教授zadeh發表了著名的論文《fuzzy sets》，提出了模糊控制的思想，并給出了數學的定量描述方法，這才標志著模糊數學控制的誕生。這一理論為處理復雜系統提供了一種全新的思想，并在實際中取得了矚目的成就。到了1974年，mamdani創立了基于模糊語言描述控制規則的模糊控制器，并將其成功地應用于工業過程控制。此后，模糊控制和決策的研究與應用領域逐步擴大，并取得了極大的成功。模糊控制最大的優點就是不需要控制系統精確的數學模型，因此，具有很強的魯棒性。
2 原理
現在提出同步電機的δ角控制方案，以δ角為控制目標，使δ角按照事先設定的變化規律變化，這樣就不存在δ角突變的現象，有效避免失步，能提高同步電機動態控制精度和穩定度[2]。δ角控制方案的具體內容是:
通過位置傳感器檢測轉子位置，即d軸的旋轉信息，把電機電樞電流沿d軸、q軸分解為isd、isq。δ角控制同步電機矢量圖如圖1所示。
圖1 同步電機δ角控制矢量圖
由磁場定向控制同步電機的轉矩關系可知，電機定子電流的轉矩分量ｉst為：
(1)
由mt軸系與d軸、q軸系的旋轉變換關系可以求出 isd、isq，分別為:
(2)
轉子激磁電流可以得到:
(3)
在突加負載的過程中，根據負載轉矩計算出負載電流給定值ist和負載角δ，進而計算出同步電機橫軸電流isq:
(4)
控制橫軸電流isq保持不變，從而使橫軸磁鏈ψaq恒定，同時調節isd和if使縱軸磁鏈不變，保持氣隙磁鏈在a點。在同步電機突加負載時，計算出定子電流轉矩分量和δ角，從而得出橫軸電流isq，這樣保持其值不變，采用縱軸電流isd、if混合調制的方法，使δ角按照已知的規律變化到給定值即加載后的穩態值。
3 δ角控制方案
3.1 線性規律控制
下面的工作就是確定δ角的變化規律，最簡單的規律就是δ角按線性規律變化。
設定δ角的變化速率為180°/s，按照每個時間點得到的δ角度，計算出需要調制的電流isd，isq，if，用這些信號控制各自的主電路來實現δ角的直接控制。
傳統磁場定向控制的δ角曲線如圖2所示。采用此方法的δ角控制的曲線如圖3所示。可見，采用δ角控制方法后，δ角的變化有所緩慢，但是顯著減少了δ角的振蕩。同時可以設定δ角變化速率再大一點，這樣可以加快動態過程。
圖2 傳統磁場定向控制δ角變化曲線
圖3 δ角控制方法控制下δ角的變化曲線
3.2 模糊控制
如果引入瞬時δ角和δ角的期望值之差，可以通過傳統pi控制直接控制δ角，也可以采用更先進的模糊控制。下面介紹直接δ角控制的模糊控制方法。δ角的期望值與瞬時值之差，經過模糊控制后得到δ角的變化量，在當前δ角大小的基礎上得到下一時刻δ角的大小，然后計算出需要調制的電流isd，isq，if。模糊控制器的設計[3]:
選擇輸入變量為偏差e和偏差變化率ec，輸出變量u即δ角的變化量。定義e，ec的語言變量為{nb,nm,ns,z,ps,pm,pb},共7個mf，依次代表負大，負中，負小，零，正小，正中，正大。考慮到計算的簡化，采用三角形隸屬函數，其分布如圖4所示，所有mf在變量的正負正負值上是對稱的。
圖4 e和ec的mf分布圖
圖5 u的mf分布圖
定義u的語言變量為{nvb,nb,nm,ns,z,ps,pm,pb,pvb},共9個mf，依次代表負很大……，正很大。也采用三角形隸屬函數分布，其分布如圖5所示，所有mf在變量的正負值上是對稱的。
偏差和偏差變化率的物理論域到整數論域的轉換采用線性量化法[4]。模糊控制器中，e，ec，u分別為單位論域，即[-1,1]，選取合適的量化因子ke，kec，ku來將實際輸入輸出的物理論域轉化到整數論域。隸屬度函數在整個論域內不是均勻分布，而是在原點(穩態點)附近的信號更加精確。通過對控制系統控制經驗的總結歸納，可以確定模糊控制器49條控制規律，具體如表1所示。
附表 用于模糊δ角控制的規則
仿真結果:將瞬時δ角和δ角的期望值之差輸入模糊控制器后，實現了δ角的模糊控制。通過計算機仿真得到模糊控制后的δ角變化曲線如圖6所示。
圖6 模糊控制下的δ角變化曲線
4 結束語
通過以上分析和仿真結果可知:應用直接δ角控制的兩種算法后，相比磁場定向矢量控制，δ角的可控性明顯加強，并且震蕩更小。通過模糊控制器的調節，也取得了較理想的結果。
：鞏經理
：13915946763
：南京塞姆泵業有限公司
