矢量控制：真实 or 谎言 ？ 点击：27601 | 回复：415
孔子曰：“朝闻道，夕死可矣”。
变频器的技术发展很快无数，从最初的V/F控制，到后来的闭环矢量控制，再到开环矢量控制，经历了一个较长的过程。其中开环矢量控制在1980年代由日本安川公司率先得以实现，是一个非常成熟的控制体系。本人做过实验，开环矢量控制，以安川616G5为例，在1Hz的运行频率下，也能达到150%的额定转矩。
我国在自动控制领域与日本或其它发达国家的已经存在巨大差距，如果到现在，我们还停留在讨论“矢量是否是个骗局”这样的一个水平上，无疑将对初学者学习变频器知识会有很大的伤害。所以发表此篇文章，力求深入浅出，方便大家理解矢量的基本含义。如有不对的地方，敬请朋友们提出指正的意见。
“矢”者，箭也。我们知道，要让弓箭发挥作用，力度和方向都要控制好。所谓“矢量”，指的是既有大小又有方向的量。那么，“矢量控制”，也就是对方向和力度同时进行控制。
如何理解矢量控制，我们需要先搞清电机的力的来源。我们一般所指的电机力，都来源于一个基本的原理，就是磁铁同极性的排斥力，或者是异极性的吸引力。在此，可以先把电机的运动简化为2块磁铁之间试图对齐，而我们努力不让它们对齐的结果。
从简单的开始，我们先来看看直流电机。对于直流电机，天生就实现了矢量控制。
1.先看看两块磁铁分别在哪里？定子是一块空间位置固定不变的磁铁（在此，我们只讨论最为常见的他励方式），转子是另一块磁铁。
2.有人会问，一块固定的磁铁，一块旋转的磁铁，磁力线还怎么对齐啊？请看下一条。
3.转子通电即产生磁场，形成另一块磁铁。这个磁铁与定子磁铁的夹角恰好为90度。
4.转子受到磁力的影响产生转动，会偏过一个很小角度，然而此时通过换向器和电刷的配合，转子磁场很快又调整回来了。也就是说，转子虽然在动，转子所形成的的磁场基本没有动。
5.这样，方向的控制，通过电刷、换向器、转子绕组的配合得以实现。
6.此时，只要控制好转子的电流，就控制了力的大小。
接下来，我们再来看看交流电机的情况。
1. 定子通过的是三相交流电，产生的是一个旋转磁场。因此，可以认为定子磁铁是不断旋转的。
2. 要实现矢量控制，首先必须让转子的磁铁也同步地转起来。
3. 电机的电磁转矩与定子磁场强度、转子磁场强度、2块磁铁之间的夹角的正弦成正比。关于这一点不难理解，两块磁铁对齐的时候（0度，sin0°=0;）,不存在电磁转矩；两块磁铁相差90度的时候（sin90°=1;）,电磁转矩达到顶峰；
4. 接下来控制的目标就是：
1）稳定其中的一个旋转磁场的强度（恒定磁场）；
2）控制磁铁之间角度为90度（磁场定向FOC）；
3）控制另一个磁场（受控磁场）的强度以达到控制电磁转矩大小（力矩控制）。
5. 关于坐标变换的物理意义（以同步电机为例）：
1）在电机不失步的情况下，可以认为两个磁极之间相对静止，最多在夹角0~90度之间移动。
2）既然交流电产生的是一个旋转磁场，那么自然可以把它想像成一个直流电产生的恒磁场，只不过这个恒磁场处于旋转当中。
3）如果恒磁场对应的直流电流产生的磁场强度，与对应交流电产生的磁场强度相等，就可以认为两者等同。
4）坐标变换基于以上认知，首先认为观察者站在恒定磁场上并随之运转，观察被控磁场的直流电线圈电流及两个磁场之间的夹角。
5）实际的坐标变化计算出的结果有两个，直轴电流Id和交轴电流Iq。通过Id和Iq可以算出两者的矢量和（总电流），及两个磁场之间的夹角。
6）直轴电流Id是不出力的，交轴电流Iq是产生电磁转矩关键因素。
6. 对于交流同步隐极电动机(常见于交流伺服电机)：
1）其转子磁场是恒定的（由磁钢片决定）。
2）转子的当前磁极位置用旋转编码器实时检测。
3）定子磁极（旋转磁场）的位置从A相轴线为起点，由变频器所发的正弦波来决定。
4）实际上先有定子磁场的旋转，然后才有转子磁场试图与之对齐而产生的跟随。
5）计算出转子磁场与A相轴线之间的偏差角度。
6）通过霍尔元件检测三相定子电流，以转子磁场与A相轴线之间的偏差角度作为算子（相当于观察者与转子磁场同步旋转），通过坐标变换分解出定子旋转磁场中与转子磁极对齐的分量（直轴电流Id）,产生转矩的分量（交轴电流Iq）。
7）定子电流所产生旋转磁场与观察者基本同步，最多在夹角0~90度之间移动。移动量是多少，会体现在直轴电流Id、交轴电流Iq的数值对比上。
8）驱动器通过前面的速度环的输出产生电流环的给定，通过第6）条引入电流环的反馈Iq，通过PI控制产生Iq输出。
9）设定Id=0。这一点不难理解，使两个磁极对齐的电流我们是不需要的。通过这一点，我们实现了磁场定向FOC（控制磁铁之间角度为90度）。
10）计算出了Iq, Id=0。引入偏差角度算子通过坐标反变换变换产生了三相电流的输出。
11）当Iq>0, 定子旋转磁场对转子磁场的超前90度，电磁转矩依靠两个磁场之间异性相吸的原理来产生，这时候电磁转矩起到加速的作用。
12）当Iq<0, 定子旋转磁场对转子磁场的仍然超前90度，但是定子磁场的N、S极调换了一下，电磁转矩依靠两个磁场之间同性相排斥的原理来产生，这时候电磁转矩起到减速制动的作用。
13）从本质上讲，我们是依靠控制定子旋转磁场对转子磁场的夹角及该磁场的强度来实现矢量控制的。
7. 对于交流感应电动机（即异步电机）：
1）定子通入三相交流电，产生定子旋转磁场，旋转磁场以定子A相轴线为起点出发，并与定子电流相位对齐。
2）定子旋转磁场切割转子绕组，产生三相感应电势e=dλ/dt，λ为穿过转子绕组的磁链。e产生转子电流，然后产生另一个旋转磁场－－－－-转子旋转磁场。如果λ随空间（或时间）正弦变化，则e所产生的转子旋转磁场滞后穿越转子的旋转磁链90度。
3）转子旋转磁场的旋转速度叠加在旋转的转子上。事实上，这两个磁场之间的旋转是同步的。
4）与同步电机不同，感应电机的两个磁场之间不可能发生失步。因为转子速度一旦慢了，定子旋转磁场切割转子的速度就会加快，转子三相感应电势产生转子电流进而产生转子旋转磁场速度就必然加快。导致的结果仍然是两者同步。
5）感应电机的电磁转矩便由这两个磁场之间的试图对齐的力产生。
6）转子旋转磁场与转子电流对齐。
7）如果不考虑转子漏感的影响，转子为纯阻性负载，转子感应电势e与转子电流同相位。此时，这定子旋转磁场与转子旋转磁场之间的角度相差90度。
8）实际上，转子有漏感，且转差率越大，漏感越大，导致转子电流滞后转子电势一个角度，也就是说转子旋转磁场要比感应电势e滞后一个角度。
9）所以，受转子漏感的影响，我们无法保证定子旋转磁场和转子旋转磁场相差90度，它们之间相差的角度大于90度而小于180度。那么，我们就必须控制控制定子旋转磁场中与转子旋转磁场正交的部分，也就是穿过转子绕组的净磁链。
10）与同步电机的第1个区别在于，同步电机的转子磁场自然产生，因此定子上无需直轴电流来产生磁场（Id=0），只需控制交轴电流Iq。而感应电机的定子电流既需要直轴电流来产生定子旋转磁场，又需要交轴电流来产生转子旋转磁场。
11）与同步电机的第2个区别在于，感应电机矢量控制体现在保持定子磁场穿越转子绕组的部分强度恒定，控制转子电流自身产生的旋转磁场的大小。
12）转子起始磁极位置认为是0。在运转的过程中通过旋转编码器对其不断进行检测。为什么可以认为起始磁极位置=0，因为这一误差会随时间衰减到0。
13）定子磁极（定子旋转磁场）的位置从A相轴线为起点，由变频器所发的正弦波来决定。
14）计算出转子旋转磁极与A相轴线之间的偏差角度。
15）通过霍尔元件检测三相定子电流，以转子旋转磁场与A相轴线之间的偏差角度作为算子，通过坐标变换分解出其中产生与转子磁极对齐的分量（直轴电流Id）,产生转矩的分量（交轴电流Iq）。
16）保持Id为恒定值，即保证穿过转子绕组的净磁链恒定。
17）控制与Id相差90度的Iq大小，也就控制了转子旋转磁场的大小。
2008.12.22 首次发表
2008.12.26日更正部分错误。
2013.10.02 加入直流电机的铺垫，以利于理解。
7.矢量控制变频器得实例
1.LENZE9300矢量变频器
速度稳定性问题本质还是转矩控制问题，对于速度跟随性能要求高的，以及速度稳定精度要求高的，用矢量控制变频器设计的系统，比简单的V/f 控制方式表现要好，性能要优良。比如定型机的左右链同步的处理上，以及整个牵引传动中，配合旋转变压器做速度测试元件，系统十分可靠。该变频器在使用时需要正确配置参数，对电机参数敏感。如果电机参数设置不正确，可能导致故障或运行电流变大！该变频器优点是使用简单，虽然有上千参数但是它可以通过选择某些参数，进行一系列参数同时配置。相当于宏配置。门富士定型机采用该变频器。
2.SIEMENS 6SE70系列变频器，这个是优良的矢量控制变频器。前面已经给了一些框图来说明是矢量控制。实际上直流母线的变频器，甚至可以组成多轴的伺服控制器。
当然有些变频器声称是矢量控制但是由于其模型和算法过于简单喝粗超，往往不能达到矢量控制得动态性能和稳态精度。
目前的基本情况是几乎在所有领域交流传动全面取代直流调速。交流调速不如直流调速的说法已经没有太大说服力。其中一个原因就在于使用矢量控制和直接转矩控制（也属于矢量控制）。这是一个事实只要进行市场调查即可，我说与实际相去甚远就是这个意思。
我公司现在应用设备没有直流调速的，但在一条生产线上使用几十台矢量控制变频器得有很多台！
我见过日本生产的分切机采用交流控制技术，比美国杜森百瑞采用直流电机调速的设备控制精度要高得多！如果生产1000m上下不会超过1m，而美国得机器至少相差10m。主要就是停机时动态性能不行。交流技术今非昔比，主要是功率电子元件得发展，和控制算法的改进。电机还是那个电机，使用的方法不同。现代控制的状态空间方法、自学习算法、预估模型等发展，使原先看来不可能的变为可能。如无编码器变频器（要达到有编码器系统的性能），也需要电机模型识别。
不能简单的认为只有物理的才是真实的，对现有物理参数进行重新解读以取得新的信息，提出新的方法，是创新的一个方面。
引用 煙雨朦朦 的回复内容：
……不能简单的认为只有物理的才是真实的，对现有物理参数进行重新解读以取得新的信息，提出新的方法，是创新的一个方面。
1、你的3-2变换很费力，现在给你一个现实中就有的系统，例如他励直流电机；
2、你的3-2变换很费力，现在给你一个现实中就有的系统，例如单相2相运行的交流异步电机；
3、免得你费力变换，面对现实中的实物，大家看得到、你也摸得着的实际2正交独立控制的系统，你给大家示范一下，矢量控制是怎么控制的？控制出了什么特性！
4、那么繁的3-2变换都能一字一板的说出来，这个实际操作的简单问题你不会含糊其辞吧？？？！！！
矢量控制是用矢量分析的方法，來分析描述系統，建立模型。當然你也可以用微分方程組得到同樣的結論。因為它同時控制轉子磁鏈和磁場角度，不同於傳統的V/f控制方式，V/f特性是由一個模擬函數或算法實現，隻是產生一個開關頻率。因為角度表方向，磁鏈表大小。所以叫矢量控制。矢量控制本身就是交流電動機磁場模擬直流電動機磁場而提出的，直流調速沒有矢量控制的概念！系統性能不能隻是因為你是矢量控制不是矢量控制，或直流還是交流評判。應用實例可以說明一些採取矢量控制的變頻器已經可以用於原來是伺服控制器應用的場所，那一般需要快速跟隨、定位精度好。比如說，6SE70系列變頻器可以組成6軸以上的伺服控制系統。系統加減速沒有抖動。隨便找一個矢量控制，未必趕得上傳統控制器。原因在於模型和模型參數以及電機的匹配問題。我們論証的主要點在於：一、矢量控制是真實的，並且很成熟；二、實例証明矢量控制已經取代直流調速。
我舉分切機的例子，正是要說明我的觀點：交流與直流在控制上性能已經沒有什麼區別。交流系統設計的好甚至比直流系統還優秀。如果人們真在乎，我怎麼來比較杜森百瑞分切機和日本分切機的差別。首先你要玩過這兩種機器才行，要不恐怕不會明白我說什麼！
引用 煙雨朦朦 的回复内容：技术讨论需要一定条件，不是哲学也不是玄学，如果对一个问题有疑问，没有问题？我可以坦白的说看看《电气传动技术手册》和SIMOVERT DRIVES使用大全吧。如果还没看过，或还看不懂基本概念，不要声音那么高。我们研究问题要讲究例证，不能言论没有依据，不懂没有什么，装懂就不好。我呢，总讲人家观点不对，也是不太厚道，但都是人家逼我讲的。哪一次不是不想讲又非要你讲。说你讲不出，就是不懂，其实大多争论，我真的懒得理。累了，随你怎么去吧！如果我的论述会给某人一点帮助，我也很高兴。不过我是不指望，有几个明白我讲什么！
1、关于3-2、2-3变换，我辩论过，大家可以去看我的相关帖子；
2、这里不想和煙雨朦朦辩论3-2、2-3变换，因为没有人能判断谁对谁错，煙雨朦朦的发言自己都可能说不清楚；
3、任何变换都有目的，例如煙雨朦朦的3-2变化是爲了实现2路分别控制，在煙雨朦朦看来直流电机的2路分别控制有优势，比三相异步交流电机定子1路耦合状态有很多好处；
4、只要煙雨朦朦把直流电机2路独立分别控制比三相交流电机的1路耦合状态的优势说明白，大家就承认矢量控制的存在！煙雨朦朦何乐而不为之？
5、是不是明白白看得见、摸得着的东西不好骗人？？？
- 为什么变频器容易烧电机
[8560] - 关于变频器故障责任问题[5898]
- 请教：零线和地线共用接在变频...[9573]
- 电动自行车蓄电池在放电的同...[9195]
- 富士变频器报警ER1/ER2/ER3/...[8131]
- 富士变频器没有频率输出[5330]
- 为什么用西门子MM440变频器面...[9213]
- 变频器在工程应用中需要注意...[5769]
- VF控制和矢量控制的一些区别[28474]
- 请问：132KW的电机需要选择多...[6830]
官方公众号
智造工程师
-
客服
-
小程序
-
公众号
工控网智造工程师好文精选
