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。
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？？？！！！
5、你只要把这个他直流调速的问题说清楚，你的3-2、2-3大家都认了！你的矢量变频就是真的！
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1、首先變換毫不費力，隻要有初中數學基礎就可以。談直流電動機調速原理，不是本議題的主題，並且我已經在前面談過，你已經批評過。不管正確與否我們不爭論，大家可以針對相應觀點去找資料驗証。
2、單相2相運行的異步電動機是指一個還是兩個類型電動機，有沒有人哪怕在其它任何一個地方見過這種描述。矢量控制是對三相旋轉磁場的模型。你那種電動機無法使用矢量控制變頻器，但是可以使用V/F控制的變頻器。可不是每個人都會用。電容啟動的單相電機肯定不能直接連到變頻器輸出的兩相！
3、詳細的矢量控制算法和控制方式，大家可以參考SIMOVERT MASTERDRIVES 使用大全（中文版）下冊“功能圖”部分，裡面有詳細的，電流如何取樣轉換，電機模型、磁通的計算、磁場角度的計算、電流控制量如何變為控制電壓、轉差頻率的計算、弱磁功能塊，各調節器參數如何配合、速度指令如何傳輸、各種控制方式的功能圖。大家看完、看懂，再來辯論。什麼是連接字？什麼是BICO？
4、我從不在任何技術問題上含糊其詞，可能劉老師以為我沒有什麼實際經驗，沒有關系，隻要看一看我在變頻器擂台上相當多的實例，大家可以一一驗証我的言論是不是可信。我是注重實例的。我講過我不懂的我不談！而要能夠接觸這麼多具體的實例，接觸設備就不會少！這麼說吧，上千萬的單獨生產線至少也有七八台！我推薦大家去看西門子使用大全。所有我想講的都在裡頭！
5、我覺得有點奇怪：原來斷定矢量控制是謊言的人，如何變成我如果能講清楚直流調速原理，就可以相信矢量控制是真的了？再說即使我講不清楚直流調速原理，還是有很多人可以比我清楚，你就不承認。再說即使矢量控制我不能講明白，那麼有很多比我明白的人，你信嗎？這好象不是在討論技術問題。
實際批駁我的觀點很容易：
1、存在數學錯誤
2、物理上不可行（真有人用磁感應線圈來檢測磁場的！）
3、舉例中理解不對。比如對框圖中參量理解不對，牽強、望文生意、引用錯誤。
真的與直流調速沒有直接關系（雖然想法是受直流調速啟發），交流調速畢竟是交流電機，沒有人想替換它。
4、還有一種辦法：你可以斷言在實際的西門子變頻器中，根本沒有框圖中的東西。這個我們說了也不算。西門子有大量顯示變量，它的算法是可以驗証的！
引用 煙雨朦朦 的回复内容：
…… 實際批駁我的觀點很容易：1、存在數學錯誤2、物理上不可行（真有人用磁感應線圈來檢測磁場的！）3、舉例中理解不對。比如對框圖中參量理解不對，牽強、望文生意、引用錯誤。真的與直流調速沒有直接關系（雖然想法是受直流調速啟發），交流調速畢竟是交流電機，沒有人想替換它。4、還有一種辦法：你可以斷言在實際的西門子變頻器中，根本沒有框圖中的東西。這個我們說了也不算。西門子有大量顯示變量，它的算法是可以驗証的！
1、批判煙雨朦朦的观点，主要是批判他的把交流电机的调速，通过3-2变换后，变成直流电机的调速就可以了，但是煙雨朦朦不愿意回答这个明白白看得见、摸得着的具体问题避而不谈，可能有难言之隐；
2、3-2，2-3变换煙雨朦朦说对了吗？你只要看看与之相关的同样的论述，你就知道它们的说法各异，他们谁说的对？他们自己去辩论吧！
引用 刘志斌 的回复内容：引用 煙雨朦朦 的回复内容：…… 實際批駁我的觀點很容易：1、存在數學錯誤2、物理上不可行（真有人用磁感應線圈來檢測磁場的！）3、舉例中理解不對。比如對框圖中參量理解不對，牽強、望文生意、引用錯誤。真的與直流調速沒有直接關系（雖然想法是受直流調速啟發），交流調速畢竟是交流電機，沒有人想替換它。4、還有一種辦法：你可以斷言在實際的西門子變頻器中，根本沒有框圖中的東西。這個我們說了也不算。西門子有大量顯示變量，它的算法是可以驗証的！ 1、批判煙雨朦朦的观点，主要是批判他的把交流电机的调速，通过3-2变换后，变成直流电机的调速就可以了，但是煙雨朦朦不愿意回答这个明白白看得见、摸得着的具体问题避而不谈，可能有难言之隐；2、3-2，2-3变换煙雨朦朦说对了吗？你只要看看与之相关的同样的论述，你就知道它们的说法各异，他们谁说的对？他们自己去辩论吧！
主要是批判他的把交流电机的调速，通过3-2变换后，变成直流电机的调速就可以了
這是我的觀點嗎？如果是我何必舉6SE70框圖的例子？我一開始就申明矢量控制算法相當復雜，但是必須從坐標變換講起！我隻是想說明矢量控制器實際存在，不是認為看不見摸不到嗎？所以我給出了能夠表示矢量控制存在的框圖。為了便於理解我採用復平面方式表述轉換關系。這不會影響其變換的實質。
1、异步电机低频段运行，额定转矩不足是大家都知道的吧？
2、异步电机变频50HZ运行，比工频50HZ运行的机械性能差，是大家知道的、也是可以验证的吧？
3、你的西门子矢量控制的变频器，能有例外吗？
1、異步電動機低頻運行，矢量控制確實比V/F控制好，低頻轉矩不足，應該講是啟動轉矩不足，這是在傳統調速時，在啟動時由停止到3-5赫茲的時候電壓過低造成的問題。矢量控制不存在。
2、既然工頻長期運行，為什麼用變頻，那隻是變頻器頻率工作的一個點而已，有什麼關系？
3、使用過就知道了，性能好壞用肉眼是看不出來的，如果我說通常50HZ的電機長期運行在87HZ你信嗎？四極電機可以達到2500RPM你信嗎？但這一切在工業設備太平常了。
关于矢量控制与电机参数有关这一点，本人看过很多资料，但是一直不太能够理解。按照我的理解，是不是说，电流传感器测量到电流矢量的幅值和相位，然后通过模型计算出转子的角度？但是然后根据这个角度，怎么来确定旋转磁场的大小和角度呢？磁链在两者之间起了一个什么作用？这一点不太理解，还望赐教，谢谢。
回复内容：
对：polymania关于等等，转速积分得到角度，用光电码盘的好理解，那无位置传感器的呢，难道EMF模型和电流模型就是用在这里？还有isd和isq分别是励磁和转矩，这个我知道，但是他们对应的坐标系，是电流矢量的坐标系，还是转子角度坐标系，应该是转子角度坐标系吧，否则花这么大力气去求它干嘛？第三，调速实际上最终是控制转矩，那励磁那部分的电流怎么办，就不管了，或者是保持定值？ 内容的回复：
首先我回答你的问题陈述的问题:
（1）isd和isq直角坐标系的电流分量，但本身还不是励磁和转矩！
（2）直角坐标系转换之后的极坐标系的参数，也不是直接由isd、isq变换过来的；
请看面图片
这个框图我做一个解释：
（1）上方3-4区的方框是预控和解耦功能块，其功能是根据定子总电阻、f(set,stator)定子频率设定KK0199、isq(set.active) K0168，转子磁通ψ、isd(set.active) K0183，解耦成解耦的vsd(dc)和vsq(dc)，注意这里是v而不是i！
（2）中间和下方的两个功能块是电流调节器，将isd 变为vsd K0218和前面的vsd(dc)相加、isq变为vsq和前面的vsq(dc)相加，两个和送到K/P转换功能块，这时一个直角坐标到极坐标转换的功能块。之后Vsetp送到磁通计算电路，而Alpha K0229送到门控单元。磁场计算由一组功能块完成。不是磁场就不管了。
我认为理解技术问题，是要依据图纸和原理。
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