二、矢量控制

矢量控制就是用模拟直流电动机的方法对交流电动机进行控制的一种控制模式。

矢量控制实现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为矢量控制方式。矢量控制方式又有基于转差频率控制的矢量控制方式、无速度传感器矢量控制方式和有速度传感器的矢量控制方式等。

交直流电动机转矩特性的比较

（1）直流电动机

T_e=CTΦI

（2）交流电动机

T_e=CTΦIcosα

式中 T_e——电磁转矩；

CT——转矩系数；

I——电枢电流；

Φ——磁通；

α——功率因数角。

cosα是转子电流的功率因数，只要它为常数，交流电动机的控制就和直流电动机的控制特性相同。因为控制cosα为常数，实际上就是：控制转子（定子）电流的大小，还要控制电流的方向，即矢量控制，如图3-17所示。

依照直流电动机的特点，当变频器得到给定信号后，首先由控制电路把给定信号分解为两个互相垂直的磁场信号，励磁分量Φ_M和转矩分量Φ_T，与之对应的控制信号分别为i_M和i_T。并假设这两个互相垂直的磁场信号在空间是旋转的，转速等于给定频率相对的同步转速。在运行过程中，当负载发生变化导致转速变化时，可通过转速反馈到控制电路，以调制控制信号。调整时令磁场信号i_M不变，而只调整转矩信号i_T，从而使异步电动机得到和直流电动机十分相似的机械特性。

图3-17 矢量控制

（一）矢量控制需要的参数

1）电动机的铭牌数据——电压、电流、转速、磁极对数、效率等。

2）电动机的绕组数据——定子电阻、定子漏磁电抗、转子等效电阻、转子等效漏磁电抗、空载电流等。

（二）反馈矢量控制接法

有反馈矢量控制是各方面性能都比较优越的一种控制方式。但因为它是以有转速反馈为前提的，因此必须安装转速测量装置，现在以旋转编码器为主，有反馈矢量控制方式如图3-18所示。主要适用于如下场合：

图3-18 有反馈矢量控制方式

a）有反馈矢量控制电路图 b）机械特性曲线族

1）要求有较大调速范围，如兼有铣、磨功能的龙门刨床。

2）对动态响应能力有较高要求者。

3）对运行安全有较高要求者，如起重机械。

无反馈矢量控制不需要安装任何附加设备，且机械特性较硬，大多数恒转矩负载可以选择无反馈矢量控制方式，它不但机械特性优于U/f控制方式，且不会发生电动机磁路饱和等问题，故调试方便。

（三）矢量控制方式的适用范围

不宜采用的场合如图3-19所示。

图3-19 不宜采用的场合

a）带多台电动机 b）容量差两档以上 c）8极以上 d）特殊电动机

1）只能用于一台变频器控制一台电动机的情况。

2）电动机容量和变频器要求的配用电动机容量之间，最多只能差一个档次。

3）磁极数一般以2、4、6极为宜。

4）特殊电动机不能用矢量控制功能。如力矩电动机、深槽电动机、双笼型异步电动机。

（四）矢量控制使用要求

1）矢量控制是对电动机的转速（转矩）进行控制，不能对电动机的间接控制量进行控制，即不能进行过程控制。

2）一台变频器只能控制一台电动机。

3）使用前要进行自动扫描，将电动机的参数扫入变频器。

4）矢量控制可从零转速进行控制，调速范围宽，在低速时也有2倍的额定转矩。

5）矢量控制可对转矩或转速进行精确控制，系统响应速度快，速度控制精度高。适用于控制精度高、反应速度快的轧钢、造纸、起重牵引等设备中。

6）开环控制适用于一般控制，闭环控制适用于位置控制。

（五）自动化系统对变频器调速的要求

1）调速性——有良好的调速性能，很宽的调速范围。

2）稳速性——以一定的速度精度在所需速度下稳定运行。

3）快速性——加减速度快，在系统受到干扰时恢复得快（系统反应的快速性是自动控制的一个硬指标）。

（六）矢量控制的主要优点

1）低频转矩大，即使运行在1Hz（或0.5Hz）时，也能产生足够大的转矩，且不会产生在U/f控制方式中容易遇到的磁路饱和现象。

2）机械特性好，在整个频率调节范围内，都具有较硬的机械特性，所有机械特性基本上都是平行的。

3）动态响应好，尤其是有转速反馈的矢量控制方式，其动态响应时间一般都能小于100ms。

（七）矢量控制的主要缺点

1）完全依赖于精确的电动机模型。

2）矢量控制中结构复杂、计算量大、对参数变化敏感。