VF控制和矢量控制的一些区别 点击：29685 | 回复：213
发表于：2011-05-27 03:55:08
楼主
我是做变频器开发的一线人员，有过完整的针对三相异步电机和永磁同步电机变频器开发经历，产品也在市场上卖，学历方面，在国内正规学校拿到了电机工程的博士学位（无炫耀之意，只是说明在这个领域比较熟悉），陈伯实老先生的书基本翻烂过，也和陈老先生同桌吃过饭。看到讨论比较热烈，也来发个言，谈谈对变频器VF控制、矢量控制的认识。
针对异步电机，为了保证电机磁通和出力不变 ，电机改变频率时，需维持电压V和频率F的比率近似不变，所以这种方式称为恒压频比（VF）控制。VF控制－控制简单,通用性强,经济性好,用于速度精度要求不十分严格或负载变动较小的场合。从本质上讲，VF控制实际上控制的是三相交流电的电压大小和频率大小，然而交流电有三要素，就是除了电压大小和频率之外，还存在相位。VF控制没有对电压的相位进行控制，这就导致在瞬态变化过程中，例如突加负载的时候，电机转速受冲击会变慢，但是电机供电频率也就是同步速还是保持不变，这样异步电机会产生瞬时失步，从而引起转矩和转速振荡，经过一段时间后在一个更大转差下保持平衡。这个瞬时过程中没有对相位进行控制，所以恢复过程较慢，而且电机转速会随负载变化，这就是所谓VF控制精度不高和响应较慢的原因。
矢量控制国外也叫磁场定向控制，其实质是在三相交流电的电压大小和频率大小控制的基础上，还加上了相位控制，这个相位在具体操作中体现为一个角度，简单的讲就是电机定子电流相对于转子的位置角。我们知道，电机定子三相对称交流电的综合效果是一个旋转磁铁，通电后这个旋转磁场通过感应在转子上生成三相交流电流，这个电流也等效成一个磁铁，这样就相当于定子磁铁拖着转子磁铁旋转了，这个是电机旋转的基本原理。这里有个问题，就是只有定子磁铁和转子磁铁的相对位置靠得最近，产生的力矩才最大，所以如何在电机三相定子绕组上通电获得最大转矩，实际上还和转子位置有关的。矢量控制会通过实测回来的电流结合电机参数，实时计算出转子位置，这个过程就是所谓的“磁场定向”，然后实时决定三相定子绕组上电压的相位，这样理论上可以做到同样的电流下产生的转矩最优，从而减小电机负载变化时的瞬态过程。此外，矢量控制顺便还会根据转子位置求出转速，利用电机参数对转速进行瞬时补偿，进一步优化了控制性能。
综上，我觉得矢量控制和VF控制的最本质的区别就是加入了电压相位控制上。从操作层面上看，矢量控制一般把电流分解成转矩电流和励磁电流，这里转矩电流和励磁电流的比例就是由转子位置角度（也就是定子电压相位）决定的，这时转矩电流和励磁电流共同产生的转矩是最佳。具体实现可以参考陈老先生的书和其他任何一本讲矢量控制的书。宏观上看，矢量控制和VF控制的电压，电流，频率在电机稳定运行时相差不大，都是三相对称交流，基本上都满足压频比关系，只是在瞬态过程如突加、突减负载的情况下，矢量控制会随着速度的变化自动调整所加电压、频率的大小和相位，使这个瞬时过程更快恢复平衡。至于矢量控制里面那些坐标变换，是一种便于理解和描述的手段，不是本质问题。从电机理论来看，在dq同步旋转坐标系里，三相正弦交流量可以转换成两相直流量，这样可以简化运算，便于数字处理，实际上真实系统里并不存在转矩电流和励磁电流的，这些是一种数学抽象，算完了控制完成后最终还是要体现在实际三相交流电上。好比我们数学里的拉普拉斯变化，可以把微分方程变成代数方程简化运算，运算完了后再反变换回去是一个道理。
刘志斌老师可能对矢量控制理解有误，或者可能书上没把物理本质说得很清楚。刘志斌老师的第一点“1、电感的电流落后电压90度，你能控制这个角度吗？”这句话是非常正确，电感的电流落后电压90度，对纯电感而言这个90角度是不可能控制的，但是不能推出“9、所谓对定子电流解耦，对有功电流、无功电流分别控制是句谎言，或者是无知的笑话！”。对电机而言，我想这个论坛里很多人应该学过电机学，知道三相异步电机的等效电路，三相异步电机电感可以认为是不变的，但是转子的等效电阻可以看成两部分，一部分是转子本身的实际电阻r2，不考虑温度什么的这个可以认为不变，另一个是负载等效电阻（1-s）r2/s（s是转差率），这个实际上和转差有关，也就是说跟电机的同步速、负载等因素有关了，这样转子的等效电阻实际上是可变的，电机电感和电阻的比例关系并不是固定的，那么通过改变同步速和相应的电压、相位，对有功电流、无功电流的分别控制是可行的，而矢量控制就是提供了这么一种途径。这里我要澄清一下，“对有功电流、无功电流的分别控制”，并不是说你能把有功电流、无功电流控制到任意值，想怎么控制就怎么控制，对异步电机而言，无功电流永远是感性，这是原理决定的，你不可能把它控制成容性无功，而且有功电流、无功电流的组合产生的转矩必须和负载平衡，这个是约束条件。矢量控制的目标，实际上是“通过对有功电流、无功电流的分别控制实现优化组合”，达到瞬时转矩最优，动态过程最短的目的。而VF控制少了这么一个对电流瞬时控制的过程，是粗线条的控制，理论上就要差些。好比你让一个小弟干活，VF控制就是“小弟，你把这个东西做出来”，给出一个要求就行了；矢量控制就是你不只是告诉小弟把这个东西做出来，而且还要告诉他，第一步怎么搞，第二步怎么搞，细节怎么处理，这样显然后者得到的结果要精细些。
上面是一些理论分析，从实际来看，VF控制是目前变频器主流控制方法，辅以适当的补偿方法可以提高其性能。目前提高VF控制性能的主要方法有：低频力矩补偿、死区补偿、动态磁通控制、跟踪自启动等，可以适用于80%以上的工况。在某些对动态要求很高的场合，则需要使用矢量控制，如伺服、印刷等。矢量控制是根据测量到的电流、电压和磁通等数据，结合电机内部的电阻电感等参数计算出当前的转速和位置，并进行必要的修正，从而在不同频率下运行时，得到更好的控制模式。由于计算量较大，且需要知道电机内部参数，所需数据中的相当部分，一般用户是很难得到的。这给矢量控制的应用带来了困难。对此，变频器都必须配置自动检测电动机参数的功能。总体而言，矢量控制可以得到更好的性能，低频转矩大，动态响应好 ，但应用比较不方便，如果参数不合适可能还不能稳定运行，使用范围受到一些限制。实际中推荐用户能用VF控制就尽量不用矢量控制。事实上大多数情况增加了转矩提升、死区补偿、滑差补偿的高性能的VF能满足绝大部分要求，而且稳定性更好。
目前矢量控制的主要问题是适用性不如VF强，VF基本上什么异步电机都能上，但是矢量控制在专用电机能达到的最高水平让VF望尘莫及。我到西门子参观的时候，他们对电机的控制到了令人震惊的程度，那就是用三台电机分别驱动一台时钟的秒针、分针和时针！想想是什么概念：12小时转一圈啊，这种超低速控制是我想都无法想的。这就是技术差距！这绝对代表了世界上电机控制的最高水平，而基本原理就是矢量控制。
至于ABB的直接转矩控制，世界上独此一家。老实说，我具体测试过波形，是在无法理解是如何实现的，特别是细节部分，体现出的波形跟教科书上的完全不一样。只能说自己孤陋寡闻。
针对异步电机，为了保证电机磁通和出力不变 ，电机改变频率时，需维持电压V和频率F的比率近似不变，所以这种方式称为恒压频比（VF）控制。VF控制－控制简单,通用性强,经济性好,用于速度精度要求不十分严格或负载变动较小的场合。从本质上讲，VF控制实际上控制的是三相交流电的电压大小和频率大小，然而交流电有三要素，就是除了电压大小和频率之外，还存在相位。VF控制没有对电压的相位进行控制，这就导致在瞬态变化过程中，例如突加负载的时候，电机转速受冲击会变慢，但是电机供电频率也就是同步速还是保持不变，这样异步电机会产生瞬时失步，从而引起转矩和转速振荡，经过一段时间后在一个更大转差下保持平衡。这个瞬时过程中没有对相位进行控制，所以恢复过程较慢，而且电机转速会随负载变化，这就是所谓VF控制精度不高和响应较慢的原因。
矢量控制国外也叫磁场定向控制，其实质是在三相交流电的电压大小和频率大小控制的基础上，还加上了相位控制，这个相位在具体操作中体现为一个角度，简单的讲就是电机定子电流相对于转子的位置角。我们知道，电机定子三相对称交流电的综合效果是一个旋转磁铁，通电后这个旋转磁场通过感应在转子上生成三相交流电流，这个电流也等效成一个磁铁，这样就相当于定子磁铁拖着转子磁铁旋转了，这个是电机旋转的基本原理。这里有个问题，就是只有定子磁铁和转子磁铁的相对位置靠得最近，产生的力矩才最大，所以如何在电机三相定子绕组上通电获得最大转矩，实际上还和转子位置有关的。矢量控制会通过实测回来的电流结合电机参数，实时计算出转子位置，这个过程就是所谓的“磁场定向”，然后实时决定三相定子绕组上电压的相位，这样理论上可以做到同样的电流下产生的转矩最优，从而减小电机负载变化时的瞬态过程。此外，矢量控制顺便还会根据转子位置求出转速，利用电机参数对转速进行瞬时补偿，进一步优化了控制性能。
综上，我觉得矢量控制和VF控制的最本质的区别就是加入了电压相位控制上。从操作层面上看，矢量控制一般把电流分解成转矩电流和励磁电流，这里转矩电流和励磁电流的比例就是由转子位置角度（也就是定子电压相位）决定的，这时转矩电流和励磁电流共同产生的转矩是最佳。具体实现可以参考陈老先生的书和其他任何一本讲矢量控制的书。宏观上看，矢量控制和VF控制的电压，电流，频率在电机稳定运行时相差不大，都是三相对称交流，基本上都满足压频比关系，只是在瞬态过程如突加、突减负载的情况下，矢量控制会随着速度的变化自动调整所加电压、频率的大小和相位，使这个瞬时过程更快恢复平衡。至于矢量控制里面那些坐标变换，是一种便于理解和描述的手段，不是本质问题。从电机理论来看，在dq同步旋转坐标系里，三相正弦交流量可以转换成两相直流量，这样可以简化运算，便于数字处理，实际上真实系统里并不存在转矩电流和励磁电流的，这些是一种数学抽象，算完了控制完成后最终还是要体现在实际三相交流电上。好比我们数学里的拉普拉斯变化，可以把微分方程变成代数方程简化运算，运算完了后再反变换回去是一个道理。
刘志斌老师可能对矢量控制理解有误，或者可能书上没把物理本质说得很清楚。刘志斌老师的第一点“1、电感的电流落后电压90度，你能控制这个角度吗？”这句话是非常正确，电感的电流落后电压90度，对纯电感而言这个90角度是不可能控制的，但是不能推出“9、所谓对定子电流解耦，对有功电流、无功电流分别控制是句谎言，或者是无知的笑话！”。对电机而言，我想这个论坛里很多人应该学过电机学，知道三相异步电机的等效电路，三相异步电机电感可以认为是不变的，但是转子的等效电阻可以看成两部分，一部分是转子本身的实际电阻r2，不考虑温度什么的这个可以认为不变，另一个是负载等效电阻（1-s）r2/s（s是转差率），这个实际上和转差有关，也就是说跟电机的同步速、负载等因素有关了，这样转子的等效电阻实际上是可变的，电机电感和电阻的比例关系并不是固定的，那么通过改变同步速和相应的电压、相位，对有功电流、无功电流的分别控制是可行的，而矢量控制就是提供了这么一种途径。这里我要澄清一下，“对有功电流、无功电流的分别控制”，并不是说你能把有功电流、无功电流控制到任意值，想怎么控制就怎么控制，对异步电机而言，无功电流永远是感性，这是原理决定的，你不可能把它控制成容性无功，而且有功电流、无功电流的组合产生的转矩必须和负载平衡，这个是约束条件。矢量控制的目标，实际上是“通过对有功电流、无功电流的分别控制实现优化组合”，达到瞬时转矩最优，动态过程最短的目的。而VF控制少了这么一个对电流瞬时控制的过程，是粗线条的控制，理论上就要差些。好比你让一个小弟干活，VF控制就是“小弟，你把这个东西做出来”，给出一个要求就行了；矢量控制就是你不只是告诉小弟把这个东西做出来，而且还要告诉他，第一步怎么搞，第二步怎么搞，细节怎么处理，这样显然后者得到的结果要精细些。
上面是一些理论分析，从实际来看，VF控制是目前变频器主流控制方法，辅以适当的补偿方法可以提高其性能。目前提高VF控制性能的主要方法有：低频力矩补偿、死区补偿、动态磁通控制、跟踪自启动等，可以适用于80%以上的工况。在某些对动态要求很高的场合，则需要使用矢量控制，如伺服、印刷等。矢量控制是根据测量到的电流、电压和磁通等数据，结合电机内部的电阻电感等参数计算出当前的转速和位置，并进行必要的修正，从而在不同频率下运行时，得到更好的控制模式。由于计算量较大，且需要知道电机内部参数，所需数据中的相当部分，一般用户是很难得到的。这给矢量控制的应用带来了困难。对此，变频器都必须配置自动检测电动机参数的功能。总体而言，矢量控制可以得到更好的性能，低频转矩大，动态响应好 ，但应用比较不方便，如果参数不合适可能还不能稳定运行，使用范围受到一些限制。实际中推荐用户能用VF控制就尽量不用矢量控制。事实上大多数情况增加了转矩提升、死区补偿、滑差补偿的高性能的VF能满足绝大部分要求，而且稳定性更好。
目前矢量控制的主要问题是适用性不如VF强，VF基本上什么异步电机都能上，但是矢量控制在专用电机能达到的最高水平让VF望尘莫及。我到西门子参观的时候，他们对电机的控制到了令人震惊的程度，那就是用三台电机分别驱动一台时钟的秒针、分针和时针！想想是什么概念：12小时转一圈啊，这种超低速控制是我想都无法想的。这就是技术差距！这绝对代表了世界上电机控制的最高水平，而基本原理就是矢量控制。
至于ABB的直接转矩控制，世界上独此一家。老实说，我具体测试过波形，是在无法理解是如何实现的，特别是细节部分，体现出的波形跟教科书上的完全不一样。只能说自己孤陋寡闻。
发表于：2011-06-08 14:13:48
143楼
引用征 的回复内容：
引用五代重歼 的回复内容：引用征 的回复内容：
等待中。。。。。
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http://www.gongkong.com/webpage/forum/201105/2011052611525700002-1.shtml
每当拔不出牙来的时候……某人就选择换一张嘴……让人诧异的是……自信满满的某人居然不主动过来把地址贴上，好让大伙去围观他是怎么乱吠的
怎么没说出个所以然来？
这话……引用这话……要版权的……不过说正经的：象牙他真吐不出来……
我还是个新手……从资历上来说……你们都是我老师……
但是有些老师真的实在是让人无语啊……
发表于：2011-06-10 13:13:17
144楼
民科本来是指民间科学家。但是在中国，这个词异化了，异化成特指一类底子很薄，但却不知天高地厚，雄心壮志的宣称自己取得了某某重大发现的人。
民科一般有这样几个特点：一是底子薄，基本上不超过中学基础。二、口气狂妄，不是宣称驳倒了相对论，就是宣称发明了永动机。三、性格偏执，他们可以几十年如一日的研究那些毫无意义的懂行的人一看就知道不可能的事情。其认真之程度让专业科研工作者自愧不如。
我倾向于认为：狭义的民科一般都是精神病患者，或者具有偏执性人格障碍，非正常人。否则无法解释其“研究”的认真和执着。
举几个民科的例子吧！在一个中学物理论坛，一位民科研究陀螺，声称自己发明了一种关于陀螺的理论。引来好多物理教师（包括我）和他一起讨论。最后我还认真和他讨论，等我清楚的指出他的“理论”的错误以后，他还执迷不悟。在讨论了长达半年之久以后，我终于意识到：他是无法说服的，于是我放弃了。再过两三年回到那个论坛一看，他还在讨论着呢！还有教师陪他一起讨论。再过两三年，谁也没耐心陪他讨论了。
在《天涯社区》还有一位民科，声称自己发现在生命产生的奥秘。他说他可以用试验证明，水或空气可以变成生命。并且说这种转变的奥秘只有他一人才懂得。他做试验：把水放在那里，几天后里面果然有了一些小虫。他认为这就是水变成生命了，虽然有人告诉他：这是因为水中本来就有虫卵，孵化成了小虫。如果先高压灭菌就不会有这种现象了。可是没用，你以为能说服他吗？
还有就是《天涯社区》的那种什么“科学巨人赵兴龙”，自称发明了第二类永动机。没人理他，整天用个小车，贴上花花绿绿的标语，在大街上宣传他的“理论”。十几年如一日。很难想象正常人会如此。
民科一般有这样几个特点：一是底子薄，基本上不超过中学基础。二、口气狂妄，不是宣称驳倒了相对论，就是宣称发明了永动机。三、性格偏执，他们可以几十年如一日的研究那些毫无意义的懂行的人一看就知道不可能的事情。其认真之程度让专业科研工作者自愧不如。
我倾向于认为：狭义的民科一般都是精神病患者，或者具有偏执性人格障碍，非正常人。否则无法解释其“研究”的认真和执着。
举几个民科的例子吧！在一个中学物理论坛，一位民科研究陀螺，声称自己发明了一种关于陀螺的理论。引来好多物理教师（包括我）和他一起讨论。最后我还认真和他讨论，等我清楚的指出他的“理论”的错误以后，他还执迷不悟。在讨论了长达半年之久以后，我终于意识到：他是无法说服的，于是我放弃了。再过两三年回到那个论坛一看，他还在讨论着呢！还有教师陪他一起讨论。再过两三年，谁也没耐心陪他讨论了。
在《天涯社区》还有一位民科，声称自己发现在生命产生的奥秘。他说他可以用试验证明，水或空气可以变成生命。并且说这种转变的奥秘只有他一人才懂得。他做试验：把水放在那里，几天后里面果然有了一些小虫。他认为这就是水变成生命了，虽然有人告诉他：这是因为水中本来就有虫卵，孵化成了小虫。如果先高压灭菌就不会有这种现象了。可是没用，你以为能说服他吗？
还有就是《天涯社区》的那种什么“科学巨人赵兴龙”，自称发明了第二类永动机。没人理他，整天用个小车，贴上花花绿绿的标语，在大街上宣传他的“理论”。十几年如一日。很难想象正常人会如此。
发表于：2011-06-10 13:29:26
146楼
狭义的民科都是一些基础薄弱，自大成狂的精神病患者。一般人既然没有水平研究高深的科学，至少对科学还有着一种敬畏。而“民科”既无对科学的敬畏，更无能力进行科学研究，甚至也没有能力发现他们自己“理论”中的错误之处。但是他们偏偏对自己的理论深信不疑，如果没有人理他，他就会说没有人懂他们的“理论”，如果有人清清楚楚的指出他们的错误之处，他们就会拒绝承认，然后瞎扯一通。
我也研究过哥德巴赫猜想，有一天来了兴趣，花了关天时间，我发现自己居然证明了哥德巴赫猜想。方法就是“质数密度”来证明，质数密度大到一定程度，偶数就必然能用两个质数之和来表达。但是我和民科的区别在于：我对科学还是怀有敬畏之心。我知道几百年无数才智卓绝之士没能证明的绝不可能让我在半天之内证明出来。于是我就开始找错，找到傍晚，终于找到错误了。
如果是民科，他根本没有能力找出错误，恍恍惚惚的觉得证明出来了，他就坚信自己确实证明出来了，然后不管谁怎么指出他的错误，他就是视而不见。
我也研究过哥德巴赫猜想，有一天来了兴趣，花了关天时间，我发现自己居然证明了哥德巴赫猜想。方法就是“质数密度”来证明，质数密度大到一定程度，偶数就必然能用两个质数之和来表达。但是我和民科的区别在于：我对科学还是怀有敬畏之心。我知道几百年无数才智卓绝之士没能证明的绝不可能让我在半天之内证明出来。于是我就开始找错，找到傍晚，终于找到错误了。
如果是民科，他根本没有能力找出错误，恍恍惚惚的觉得证明出来了，他就坚信自己确实证明出来了，然后不管谁怎么指出他的错误，他就是视而不见。
发表于：2011-06-10 13:30:32
147楼
我肯定“所有爱动脑筋思考”的人，尤其“爱那些能够比较合理的运用逻辑思维的人”。。。。。。
我认为，一个整天“爱动脑筋改进农具”、遇事总要问个“为什么”的老农民，比很多所谓的“教授、校长们”要开明、开化得多。。。
本人就曾经听一个大学校长大谈什么“黄道吉凶”。。。就知道这个校长脑袋基本是愚昧的。。。
但是，目前指的那些“民科”，已经超出一般人理解的科学爱好者的“境界”。。。如前面有人所说，很多是“以为科学研究是一蹴而就”的“过于偏执”的那些心理疾病患者吧。。。
这也与中国的很多教育有关，例如鼓吹“牛顿被苹果砸出万有引力”等等传奇故事，而不详细介绍这些故事背后科学家长期的努力和尝试。。。
我支持所有没有受过正规教育的人，搞发明，申请专利。。。但是，我希望他们不要尝试推翻那些在人类实践中无数次证实的一些理论。。。即使“推翻”，也不是他们以为的那种“推翻”方法。。。
我认为，一个整天“爱动脑筋改进农具”、遇事总要问个“为什么”的老农民，比很多所谓的“教授、校长们”要开明、开化得多。。。
本人就曾经听一个大学校长大谈什么“黄道吉凶”。。。就知道这个校长脑袋基本是愚昧的。。。
但是，目前指的那些“民科”，已经超出一般人理解的科学爱好者的“境界”。。。如前面有人所说，很多是“以为科学研究是一蹴而就”的“过于偏执”的那些心理疾病患者吧。。。
这也与中国的很多教育有关，例如鼓吹“牛顿被苹果砸出万有引力”等等传奇故事，而不详细介绍这些故事背后科学家长期的努力和尝试。。。
我支持所有没有受过正规教育的人，搞发明，申请专利。。。但是，我希望他们不要尝试推翻那些在人类实践中无数次证实的一些理论。。。即使“推翻”，也不是他们以为的那种“推翻”方法。。。
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