矢量控制的通俗理解

Posted 2020-11-12 mrl杨

关于矢量控制，通俗理解是：  

1. 先把电机想像成2块飞速旋转磁铁，定子磁铁和转子磁铁。进一步可以引申为定子磁场和转子磁场。  

2. 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；  3. 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）。  4. 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。  5. 对于交流同步隐极电动机： 

1） 其转子磁场是恒定的。  

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超前角度及该磁场的强度来实现矢量控制的。