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。
回复内容：
对：polymania关于图太小了，字看不清。。老兄你大概没理解我的问题，我们一个个来行不。从第五页第一张图里，左上角transformation angle from gating unit，这个是哪里来的？这个angle是什么angle？我前面的问题就是问，这个angle是不是定子的angle？或者是经过计算推导出来的某个虚拟的angle？如果这个问题困扰了我很久了，如果没有好的解答，那么后面整个都推不下去了。内容的回复：
首先我们纠正一个概念，西门子6SE70系列矢量控制变频器是采取的转子磁场定向，那么这个角度就不可能是定子（磁场）的角度。这一点怎么可以确认，只要看EMF模型输出是转子磁通就知道了。其次这个角度是什么角度？根据西门子手册这是transformation angle of field orientation，即磁场定向角。既然以转子磁场定向当然也就是转子磁场定向角。兄台讲得很到位，不理解这个，就没有办法推下去了。刘老师讲得对，不是一个3/2相转换就行，后面经过一个vector rotation交流取样电流才能变成旋转的isd.isq.因为直接得到的是静止坐标变换，而三相旋转磁场可以用正交的旋转磁场代替，而不是静止磁场！这个角度就是旋转磁场与静止磁场的夹角θ，假设静止直角坐标电流分量为iα,iβ
isd=iα*cosθ+iβ*sinθ
isq=-iα*sinθ+iβ*cosθ
这个就是vector rotation功能图完成的计算！
还有一个问题转子磁场定向角怎么计算出来，在西门子使用大全（这个在网上有资料），功能图420页有详细计算框图，兄台可以琢磨一下。
对：polymania关于好吧，转子磁场定向角是怎么计算出来的，我正要问这个问题，被你抢先了。字还是太小，实在看不清。。。这样的话，我们不妨可以推导一下。首先，转子磁场定向角是无法直接测量的。那么就是说，只能靠计算来求。那么怎么求，用什么来求。再看，有哪些量我们可以测量：定子电压矢量（就是定子磁场矢量吧），定子电流矢量，还有转子的机械角度（无位置另当别论）。那靠这几个量怎么求转子磁场定向角？个人觉得除了靠数学模型外，好像没有什么别的方法了。如果有高手有什么方法，请赐教。所以，为什么说电机数学模型在矢量控制中至关重要，我看就是这个原因了。对吧？内容的回复：
你讲的没错，是靠模型计算得到的。这叫做间接法矢量控制。直接法矢量控制的做法我已经概述过。所以不是所有矢量控制都一样，有些可能还赶不上V/F控制！
这个容我再想想，总觉得哪里不太对，等想到了再回来
但是并不能根据有些矢量控制并不理想，断定矢量控制在原理上不可行，或事实上不存在！
刘老师回答的问题看起来好像也对，但实际上有几个关键问题：什么是触发电路？一个-15V到+15V的直流电压，能够触发什么电路？这里面还有几个关键环节！实际这样的电平信号，对于可控硅要求得同步脉冲信号，还有好几个过程，当然除非你说中间所有的电路都属于CF电路，像框图表示那样。实际上一般设备商会将基本脉冲序列的后级，即脉冲放大电路叫做触发电路板，而脉冲序列产生是在控制器或调解器的大板。这总有一定道理吧？所以电流调解器输出的电压一定去了一个特定的地方，在这个地方叫做控制电压是指令。没有接触过直流调速器实际应用，没有读过图纸的，不会知道。教科书基本没有提！我提过的一些技术资料上有，但时空兄提的那本已经不谈了。所以我怎么讲解还是不会听懂的。再说这真的与矢量控制没有多少关系。并不能因为我不懂直流调速原理，矢量控制就不存在！
对：polymania关于引用 煙雨朦朦 的回复内容： 回复内容：对：polymania关于好吧，转子磁场定向角是怎么计算出来的，我正要问这个问题，被你抢先了。字还是太小，实在看不清。。。这样的话，我们不妨可以推导一下。首先，转子磁场定向角是无法直接测量的。那么就是说，只能靠计算来求。那么怎么求，用什么来求。再看，有哪些量我们可以测量：定子电压矢量（就是定子磁场矢量吧），定子电流矢量，还有转子的机械角度（无位置另当别论）。那靠这几个量怎么求转子磁场定向角？个人觉得除了靠数学模型外，好像没有什么别的方法了。如果有高手有什么方法，请赐教。所以，为什么说电机数学模型在矢量控制中至关重要，我看就是这个原因了。对吧？内容的回复：你讲的没错，是靠模型计算得到的。这叫做间接法矢量控制。直接法矢量控制的做法我已经概述过。所以不是所有矢量控制都一样，有些可能还赶不上V/F控制！ 这个容我再想想，总觉得哪里不太对，等想到了再回来 内容的回复：
下载西门子大全好好研究下，我们可以交流。如果找不到留个email地址或qq邮箱，我有空给你发过去。
对：煙雨朦朦的回复：
对哦，矢量控制本来就是人家西门子发明的，去看西门子的资料应该是比较权威的。今年或者明年可能需要设计一个风机PMSM的控制器，所以正在考虑用什么控制策略，V/F，矢量，DTC都是候选。
另外，关于矢量控制是否存在，这个问题根本就没必要拿来讨论，自己不懂就否认其客观存在性，这种逻辑实在是太无知了。我们不懂的东西太多了，比如相对论、弦论、量子力学，再说得广一点，宗教、哲学等等。
刘姥姥的本事之前也见识过，他的论据有时候明显违背经典力学三大定律，自己还沾沾自喜，是不是克拉玛依那个地方实在是太偏僻，所以容易夜郎自大？
引用 煙雨朦朦 的回复内容：
……刘老师回答的问题看起来好像也对，但实际上有几个关键问题：什么是触发电路？一个-15V到+15V的直流电压，能够触发什么电路？这里面还有几个关键环节！实际这样的电平信号，对于可控硅要求得同步脉冲信号，还有好几个过程，当然除非你说中间所有的电路都属于CF电路，像框图表示那样。实际上一般设备商会将基本脉冲序列的后级，即脉冲放大电路叫做触发电路板，而脉冲序列产生是在控制器或调解器的大板。这总有一定道理吧？所以电流调解器输出的电压一定去了一个特定的地方，在这个地方叫做控制电压是指令。……
1、直流速度调节器，实际是电压调节器，不管是速度反馈还是电流反馈，最终都是控制直流电压的大小；
2、电流环，检测的是电机负载电流的大小，在电流很大时，因电枢电阻R的压降大，转速跟不上或者说转矩跟不上负载的需要，通过电流负反馈提高端电压；
3、从以上讨论大家看到，励磁电流、电枢电流分别控制，并没有什么优势：
1）两路独立控制的直流电机，电枢电流的磁场对主磁场的交轴去磁作用，直接影响直流电动机的机械性能，随着电枢负载电流增大，直流电机的转矩迅速下降；
2）所以直流电机为了克服电枢反映，换向极的磁场串励方式；
3）电枢电阻压降IR，使得反电势减小，转速减小，或者说转矩减小，也就是在低电压时，转速与电压不再是线性正比关系，低电压直流电机的转矩也会出现明显不足，也必须通过提高电压提高转矩；
4、如果3-2变换是正确的，它确实把三相异步电机变换成直流电机，电枢反应使得转矩下降的问题怎么解决，这样不仅没有解决问题，而是产生了无法解决的大问题；
5、三相异步电机，定子电流中一部分是励磁电流，另一部分是抵消转子磁势的电流，也就是这个电流保证了电机磁场恒定的，这本来是个好事，比直流电机要好的好事，可是被一些无知者解释的面目全非！
6、要把异步电机的定子电流解耦，你解耦了，换向极串励的问题怎么解决？
7、异步电机变频调速，低频低压时，转矩不足，这和直流电机低压时转矩不足而存在的问题是一样的，都是因为电枢压降IR的原因，都可以通过提升电压来解决；
8、说3-2变换可以解决低频低压转矩不足，分明是睁着眼说瞎话！！！
调速不调电流？如果我说调速的本质就是在调电流呢？直流电机电流与转矩成正比，如果要保持在某个速度上，就需要 输出转矩=负载转矩，也就是(ki*电流=负载转矩)。直流电机 电流=（电压-反电动势）/R，推导出来就是 I=(U-Vbemf)/R => I=(U-kbemf*n)/R => Tload=ki*(U-kbemf*n)/R，整个公式里ki，kbemf，R都是常数，能够调的只有电压U，如果U增加，公式右边变大，也就是输出转矩增加，所以电机加速，n增加，然后公式右边降低，又回到平衡态，如果U减少，道理也是一样，电机会减速。 所以直流电机调压的实质就是在调电流。
直流电机的电流全都是转矩电流，但是交流电机的电流中既包含转矩成分，也包含励磁成分，是两者的向量和，向量就是矢量，转矩成分和励磁成分的夹角是90度。所以用三角函数把两者分开，三相电流换算成两相电流，这就是3/2变换，两者分开就叫“解耦”，意思是让两者不再互相关联，互相关联专业的说法叫“耦合”，然后像调直流电机一样去调电流中的转矩成分，交流电机就可以像直流电机一样调速了。
巫术？老刘你会说希伯来语吗？我猜你不会，那希伯来语也是巫术？拉丁语估计也不会，那拉丁语也是巫术？
荒谬！
中国的技术上不去，原因就是这些把科学当巫术的人盛行。
我对于空洞的辩论是不感兴趣的，也没有时间在这些问题上纠缠。已经举了实际的矢量控制变频器。就不想过多来谈了。不知何时不同的观点互相指着对方为“巫术”，而且提中国的技术，我认为是不合适。刘老师有些讲法也不算错，不过有些问题，只是自己这么认为罢了，比如直流电机的励磁并不一定要复励的。而交流电机调速矢量控制，励磁是可以单独调节的，并不一定需要一个电压补偿一个提升转矩。我前面提到的问题是一个可以很准确回答的问题，可惜没有能够回答。那么能指望那些只是在进行简单思维，就指望能够得到结论的辩论会有结果吗？
另外有几个观点我还是要强调我的观点的不同，不要误以为刘老师得观点是我的观点：
1、要把异步电机的定子电流解耦，你解耦了，换向极复励的问题怎么解决
这是刘老师的观点，我不懂什么叫交流电动机的复励，也不了解交流电机的换向极如何处理！所以没有办法争辩。不知那位仁兄见过这样的系统，发给我图纸资料研究一下，本人不胜感激。有一点应该清楚，交流电动机的矢量控制，虽然受直流电机的启发，但并不是一回事!
2、变频调速，变频器只输出频率、电压矢量，变频器不调节电机运行时的电流，检测反馈电流是为了保护或者是输出更合适的电压矢量；
这也是刘老师的观点。我不知道刘老师在谈矢量控制还是V/F控制。如果是前者，刘老师不承认矢量控制，看来不是。如果是后者，有何必在电压上面加上矢量二字！我的质疑的原因就不谈了。总之不知道这句话，有什么实际意义！
3、看看这些矢量控制的表述，好像电机的电流是电机决定的，电机说输出多少电流就多少，与负载无关一样！
我从没有在矢量控制讨论中说电流是电机决定的这句话，在讨论之前，负载特性的讨论中已经谈到的观点，与刘老师强加于我的观点截然不同！
4、说3-2变换可以解决低频低压转矩不足，分明是睁着眼说瞎话！！！
这同样不是我的观点！话不需要讲得那么难听。事实上谁罔顾事实，是一目了然的。lenze9300等大量矢量控制变频器的存在，不是我们说不是就不是的。原理可以不懂，但凡是自己不懂的东西就不存在。那么还有几样是存在的呢？
至于在技术细节上得错误就没有一一指出了。省得又引起无谓的真论！
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