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。
翻资料，关于矢量控制的理解是错的，可以忽略--2014/1/26
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越看越糊涂啊
我是下面这样理解的，但我电机拖动和高等数学都学得一般，在一些细节上可能有误。
首先搞清楚下面几个问题啦。
1）闭环和矢量控制没有直接联系，电流环和转速环的作用是为了实现“快稳准”地对电机进行调速，闭环用来反馈速度信号。矢量控制也是有电流环的，根据是否闭环矢量决定是否有转速环。
2）其实电流环、转速环是为了让电机能够尽可能的跟随控制器给予电机转速预期，和转矩并没有直接的联系。只是“保证转矩”是“保证良好速度跟随性”的基础。经常出现情况：调节电流环和转速环PID后可以让重负载也能起动的更有力，其实是因为调节后让同一反馈值时而输出(频率、电压)变大了的原因，但是这种调节会导致轻载时出现超调或振荡。
2）异步电机0-5Hz低速转矩不够好（搞起重的，对低速转矩要求高），是指低频调速时的转矩，具体是指依据直的V/F曲线进行调速，频率从0开始一直上升，而在5Hz以下出现比额定转矩要低的情况。和起动时加额定电压、频率的电源所产生的的起动转矩是两回事。低频调速的转矩下降是由于低频时难以保证转差率，以及绕组阻抗上的压降导致的（所以一般都会调节低频段的V/F曲线以补偿该压降）。
现在将主角变回矢量控制，先看看简介吧：
矢量控制变频器的基本原理是，通过测量和控制异步电动机定子电流矢量，根据磁场定向原理分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制异步电动机转矩的目的。具体是将异步电动机的定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量 (励磁电流) 和产生转矩的电流分量 (转矩电流) 分别加以控制，并同时控制两分量间的幅值和相位，即控制定子电流矢量，所以称这种控制方式称为矢量控制方式。
A）由描述可以知道矢量控制时会同时存在两个不同的电流，而且他们的幅值和相位不同。也就是两个不同电流和成出来的总电流并不一定是正弦波。
B）电机的模型告诉我们，三相交流电在定子上会产出幅值不变转速为同步速的磁场。而转子上的闭合回路切割磁感线会产生相应的电流和磁场，但转速要比同步速低。而问题就是定子和转子磁场在不同的角度差时会出现不同的力矩，就像两块磁铁，一个的N和另一个的S的相对位置不同时他们之间的力也就不相同。（太具体电机模型问题翻电机拖动到书看吧，我只是翻书的……）
C）而矢量控制则将电流分成两个部分，一部分作为在定子上产生同步速的旋转磁场同时让转子产生对应的电流和磁场，再叠加另一部分电流，其产生的磁场一直与转子的磁场处于一个能产生理想转矩的角度。就是这样一个负责让转子产生磁场（也就是励磁电流），另一个负责让转子产生理想转矩（也就是转矩电流）。因此矢量控制能够实现满载下电机在0Hz产生理想转矩，此时励磁电流产生的磁场在旋转，而转矩电流产生的磁场静止并与转子保持最佳角度。在起重行业常叫做0速制动，让电机达到0Hz后再关闭机械制动器。
D）上面说将电流分开控制，但其实现实情况是两个电流产出的磁场会耦合而影响相互影响，因此直至某人通过数学的坐标变换（类似用极坐标系表示某些曲线要比XY坐标系简单得多）实现两个电流的解耦之前，人们都没有什么太好的办法来控制低频调速的转矩。不过需要的数学计算还是很复杂，后来出现牺牲一点性能但可以简化计算的直接转矩控制。至于他的数学模型各位自行翻资料，在我能力范围外了。
E）要解耦必须要得到电机的精确模型来进行数学计算，所以都会用变频器进行电机参数整定，否则计算出来的电流是错的，可能会导致电机的控制效果比V/F要差。另外当电机的转速到达一定值并匀速运转后，矢量控制合成出来的电流会和普通控制的没有太大差别，效果差不多。
F）上面所说的转矩电流产生的磁场要与转子磁场一直维持在对应角度差上面以产生理想转矩，所以不同的矢量控制方式就会有不同的控制效果了。通过闭环矢量控制一般通过编码器等反馈电机的转子角度，由于角度是准确度，所以出来的效果很好。而无传感矢量控制则是通过电机模型和运行时的电流推算出转子角度，由于该角度并不是太准确，所以在低频调速是的力矩特性要比闭环的差，做不到0速制动。另外还有一些相对较偏门的矢量控制，如丹佛斯的VVC+（电压矢量控制），据说他也是通过数学模型将励磁和转矩解耦，但控制的不是电流而且电压，所以如果电机绕组的电抗等变化较大就会由于压降引起力矩下降。
最后就是上面提到什么参数可以调整控制矢量控制的问题。先看一下矢量控制的框图，你会发现和常见的带转速环、电流环的控制差不多，区别只是对电流的处理上多了个矢量变换。而大部分厂家会对矢量控制的算法做出自有的调整并作为黑匣子，所以关于他的调节参数几乎没有。但是如果要对系统的跟随性、运行平滑度等进行调整，那和一般控制方法一样调整电流环和转速环的PID控制器就可以了。就像是如何将经过PID计算的速度给定值转换PWM波一样，一般用户无需干涉，也很难干涉。
P.S. 貌似有不少错误字，各位看到时用拼音自动脑内转换一下吧……
引用 Ray Cen 的回复内容：
我是下面这样理解的，但我电机拖动和高等数学都学得一般，在一些细节上可能有误。
……
1、你什么不懂也不怕！怕的是你不明白而胡说八道；
2、你只要看着异步电机在工频电网上是怎么运行的，就会明白；
3、异步电机在 工频电网上运行：
1）电机空载时，电流小，几乎都是励磁电流，我们称之为空载电流Io；
2）电机负载运行，负载重电流大，负载轻电流小，电机电流、转矩跟随负载大小轻重自动变化；
3）电机空载时，功率因数最低，电机额定运行时功率因数高；
4、请问Ray Cen ，电机的电流是电机根据负载大小自主变化的，还是受电源控制的？
5、请问Ray Cen ，电机电流中的励磁电流、转矩电流的变化是电机跟随负载大小自主变化的，还是受电源控制的？
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