矢量控制方式：优化与提升

矢量控制是通过控制变频器输出电流的大小、频率和相位来控制电动机的转矩，从而控制电动机的转速。

矢量控制方式是从直流电动机的调速方法得到启发，利用现代计算机技术解决了大量的计算问题，从而使得矢量控制方式得到了成功的实施，成为高性能异步电动机的控制方式。

1.矢量控制基本原理

异步电动机是一个多变量、强耦合、非线性的时变参数系统，很难直接通过外加信号准确控制电磁转矩。但若以转子磁通这一旋转的空间矢量作为参考坐标，利用从静止坐标系到旋转坐标系的变化，则可以把定子电流中的励磁电流分量和转矩电流分量变成标量独立开来，分别进行控制。这样，通过坐标系重建的电动机模型就可等效为一台直流电动机，从而可像直流电动机那样进行快速的转矩和磁通控制，即矢量控制。

矢量控制实现的基本原理是通过测量和控制异步电动机的定子电流矢量，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。

采用矢量控制方式的变频器不仅可以在调速范围上与直流电动机相匹配，而且可以控制异步电动机产生的转矩。

目前在变频器中得到实际应用的矢量控制方式主要有基于转差频率控制的矢量控制方式和无速度传感器的矢量控制方式两种。下面分别介绍这两种控制方式的原理和实现方法。

（1）基于转差频率控制的矢量控制方式

基于转差频率控制的矢量控制方式是在进行U／f恒定控制的基础上，通过检测异步电动机实际速度n，并得到相应的控制频率f，然后根据希望得到的转矩，分别控制定子电流矢量，对变频器的输出频率f进行控制，从而消除动态过程中的转矩电流的波动，提高电动机的动态性能。

有速度传感器的矢量控制如图2-14所示，它采用速度传感器来检测电动机的转速。

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图2-14 有速度传感器的矢量控制

（2）无速度传感器的矢量控制方式

无速度传感器的矢量控制如图2-15所示，它没有应用速度传感器检测电动机转速信息，而是采用电流传感器（或电压传感器）检测提供给定子绕组的电流，然后送到矢量控制的速度换算电路推算出电动机的转速，再参照给定信号形成相应的控制信号去控制PWM逆变电路。

图2-15 无速度传感器的矢量控制

2.矢量控制的特点

矢量控制是利用矢量坐标电路控制电动机定子电流的大小和相位，以达到对电动机在d、q、O坐标系中的励磁电流和转矩电流分别进行控制，进而达到控制电动机转矩的目的；通过控制各矢量的作用顺序和时间以及零矢量的作用时间，又可以形成各种PWM波，达到各种不同的控制目的，如形成开关次数最少的PWM波以减少开关损耗。

基于转差频率的矢量控制方式与转差频率控制方式的定常特性一致，但是基于转差频率的矢量控制方式还要经过坐标变换对电动机定子电流的相位进行控制，使之满足一定的条件，以消除转矩电流过渡过程中的波动。因此，基于转差频率的矢量控制方式比转差频率控制方式在输出特性方面能得到很大的改善。但是，这种控制方式属于闭环控制方式，需要在电动机上安装速度传感器，因此应用范围受到限制。

无速度传感器矢量控制方式是通过坐标变换处理分别对励磁电流和转矩电流进行控制，然后通过控制电动机定子绕组上的电压、电流辨识转速，以达到控制励磁电流和转矩电流的目的。这种控制方式调速范围宽、起动转矩大、工作可靠、操作方便，但计算比较复杂，一般需要专门的处理器来进行计算，因此实时性不是太理想，控制精度受到计算精度的影响。