矢量控制的形象描述 磁場強度, 定向 關于矢量控制，鄙人的通俗理解是： 1. 先把電機想像成2塊飛速旋轉磁鐵，定子磁鐵和轉子磁鐵。進一步可以引申為定子磁場和轉子磁場。 2. 電機的電磁轉矩與定子磁場強度、轉子磁場強度、2塊磁鐵之間的夾角的正弦成正比。關于這一點不難理解，兩塊磁鐵對齊的時候（0度，sin0=0;）,不存在電磁轉矩；兩塊磁鐵相差90度的時候（sin90=1;）,電磁轉矩達到頂峰； 3. 接下來控制的目標就是： 1）穩定其中的一個旋轉磁場的強度（恒定磁場）； 2） 控制磁鐵之間角度為90度（磁場定向FOC）； 3） 控制另一個磁場（受控磁場）的強度以達到控制電磁轉矩大小（力矩控制）。 4. 關于坐標變換的物理意義（以同步電機為例）： 1）在電機不失步的情況下，可以認為兩個磁極之間相對靜止，最多在夾角0~90度之間移動。 2）既然交流電產生的是一個旋轉磁場，那么自然可以把它想像成一個直流電產生的恒磁場，只不過這個恒磁場處于旋轉當中。 3）如果恒磁場對應的直流電流產生的磁場強度，與對應交流電產生的磁場強度相等，就可以認為兩者等同。 4）坐標變換基于以上認知，首先認為觀察者站在恒定定磁場上并隨之運轉，觀察被控磁場的直流電線圈電流及兩個磁場之間的夾角。 5）實際的坐標變化計算出的結果有兩個，直軸電流Id和交軸電流Iq。通過Id和Iq可以算出兩者的矢量和（總電流），及兩個磁場之間的夾角。 6）直軸電流Id是不出力的，交軸電流Iq是產生電磁轉矩關鍵因素。 5. 對于交流同步隱極電動機： 1） 其轉子磁場是恒定的。 2） 轉子的當前磁極位置用旋轉編碼器實時檢測。 3） 定子磁極（旋轉磁場）的位置從A相軸線為起點，由變頻器所發的正弦波來決定。 4） 實際上先有定子磁場的旋轉，然后才有轉子磁場試圖與之對齊而產生的跟隨。 5） 計算出轉子磁場與A相軸線之間的偏差角度。 6） 通過霍爾元件檢測三相定子電流，以轉子磁場與A相軸線之間的偏差角度作為算子（相當于觀察者與轉子磁場同步旋轉），通過坐標變換分解出定子旋轉磁場中與轉子磁極對齊的分量（直軸電流Id）,產生轉矩的分量（交軸電流Iq）。 7） 定子電流所產生旋轉磁場與觀察者基本同步，最多在夾角0~90度之間移動。移動量是多少，會體現在直軸電流Id、交軸電流Iq的數值對比上。 8） 驅動器通過前面的速度環的輸出產生電流環的給定，通過第6）條引入電流環的反饋Iq，通過PI控制產生Iq輸出。 9） 設定Id=0。這一點不難理解，使兩個磁極對齊的電流我們是不需要的。通過這一點，我們實現了磁場定向FOC（控制磁鐵之間角度為90度）。 10） 計算出了Iq, Id=0。引入偏差角度算子通過坐標反變換變換產生了三相電流的輸出。 11） 當Iq>0, 定子旋轉磁場對轉子磁場的超前90度，電磁轉矩依靠兩個磁場之間異性相吸的原理來產生，這時候電磁轉矩起到加速的作用。 12） 當Iq<0, 定子旋轉磁場對轉子磁場的仍然超前90度，但是定子磁場的N、S極調換了一下，電磁轉矩依靠兩個磁場之間同性相排斥的原理來產生，這時候電磁轉矩起到減速制動的作用。 13） 從本質上講，我們是依靠控制定子旋轉磁場對轉子磁場的超前角度及該磁場的強度來實現矢量控制的。 6. 對于交流感應電動機： 1） 定子通入三相交流電，產生定子旋轉磁場，旋轉磁場以定子A相軸線為起點出發，并與定子電流相位對齊。 2） 定子旋轉磁場切割轉子繞組，產生三相感應電勢e=dλ/dt，λ為穿過轉子繞組的磁鏈。e產生轉子電流，然后產生另一個旋轉磁場－－－－-轉子旋轉磁場。如果λ隨空間（或時間）正弦變化，則e所產生的轉子旋轉磁場滯后穿越轉子的旋轉磁鏈90度。 3） 轉子旋轉磁場的旋轉速度疊加在旋轉的轉子上。事實上，這兩個磁場之間的旋轉是同步的。 4） 與同步電機不同，感應電機的兩個磁場之間不可能發生失步。因為轉子速度一旦慢了，定子旋轉磁場切割轉子的速度就會加快，轉子三相感應電勢產生轉子電流進而產生轉子旋轉磁場速度就必然加快。導致的結果仍然是兩者同步。 5） 感應電機的電磁轉矩便由這兩個磁場之間的試圖對齊的力產生。 6） 轉子旋轉磁場與轉子電流對齊。 7） 如果不考慮轉子漏感的影響，轉子為純阻性負載，轉子感應電勢e與轉子電流同相位。此時，這定子旋轉磁場與轉子旋轉磁場之間的角度相差90度。 8） 實際上，轉子有漏感，且轉差率越大，漏感越大，導致轉子電流滯后轉子電勢一個角度，也就是說轉子旋轉磁場要比感應電勢e滯后一個角度。 9） 所以，受轉子漏感的影響，我們無法保證定子旋轉磁場和轉子旋轉磁場相差90度，它們之間相差的角度大于90度而小于180度。那么，我們就必須控制控制定子旋轉磁場中與轉子旋轉磁場正交的部分，也就是穿過轉子繞組的凈磁鏈。 10） 與同步電機的第1個區別在于，同步電機的轉子磁場自然產生，因此定子上無需直軸電流來產生磁場（Id=0），只需控制交軸電流Iq。而感應電機的定子電流既需要直軸電流來產生定子旋轉磁場，又需要交軸電流來產生轉子旋轉磁場。 11） 與同步電機的第2個區別在于，感應電機矢量控制體現在保持定子磁場穿越轉子繞組的部分強度恒定，控制轉子電流自身產生的旋轉磁場的大小。 12） 轉子起始磁極位置認為是0。在運轉的過程中通過旋轉編碼器對其不斷進行檢測。為什么可以認為起始磁極位置=0，因為這一誤差會隨時間衰減到0。 13） 定子磁極（定子旋轉磁場）的位置從A相軸線為起點，由變頻器所發的正弦波來決定。 14） 計算出轉子旋轉磁極與A相軸線之間的偏差角度。 15） 通過霍爾元件檢測三相定子電流，以轉子旋轉磁場與A相軸線之間的偏差角度作為算子，通過坐標變換分解出其中產生與轉子磁極對齊的分量（直軸電流Id）,產生轉矩的分量（交軸電流Iq）。 16） 保持Id為恒定值，即保證穿過轉子繞組的凈磁鏈恒定。 17） 控制與Id相差90度的Iq大小，也就控制了轉子旋轉磁場的大小。 作者wj863 樓主說： “1. 先把電機想像成2塊飛速旋轉磁鐵，定子磁鐵和轉子磁鐵。進一步可以引申為定子磁場和轉子磁場。” 我認為樓主沒有注意到： 1、2快磁鐵是兩個獨立體，不是相關體，所以你可以任意改變它們之間的夾角； 2、可是轉子磁鐵與定子磁鐵不是兩個獨立體，他們之間的夾角是負載決定的，不是人為控制的！ 樓主說： “3. 接下來控制的目標就是： 1）穩定其中的一個旋轉磁場的強度（恒定磁場）； 2） 控制磁鐵之間角度為90度（磁場定向FOC）； 3） 控制另一個磁場（受控磁場）的強度以達到控制電磁轉矩大小（力矩控制）。” 我認為： 1、交流電機的主旋轉磁場Φo是穩定的，不變的； 2、轉子磁場是轉子切割磁力線感應產生的感應電勢、感應電流的磁場，轉子的磁場方向決定轉子的電流； 3、轉子電流有等效電阻的轉矩電流I2，還有轉子感抗的無功電流I2’，轉子的磁場方向tgδ=I2/I2’，當無功電流I2’=0時，δ=90度； 4、可見轉子的方向決定轉子感抗的無功電流I2’，而無功電流I2’是客觀存在，不能改變，所以人為的控制轉子方向無從下手！ 樓主說： 4. 關于坐標變換的物理意義（以同步電機為例）： 1）在電機不失步的情況下，可以認為兩個磁極之間相對靜止，最多在夾角0~90度之間移動。 2）既然交流電產生的是一個旋轉磁場，那么自然可以把它想像成一個直流電產生的恒磁場，只不過這個恒磁場處于旋轉當中。 3）如果恒磁場對應的直流電流產生的磁場強度，與對應交流電產生的磁場強度相等，就可以認為兩者等同。 4）坐標變換基于以上認知，首先認為觀察者站在恒定定磁場上并隨之運轉，觀察被控磁場的直流電線圈電流及兩個磁場之間的夾角。 5）實際的坐標變化計算出的結果有兩個，直軸電流Id和交軸電流Iq。通過Id和Iq可以算出兩者的矢量和（總電流），及兩個磁場之間的夾角。 6）直軸電流Id是不出力的，交軸電流Iq是產生電磁轉矩關鍵因素。 我認為： 1、“交流電產生的是一個旋轉磁場”，就是電機空載時三相空載電流Io產生的主旋轉磁場Φo； 2、當負載時，轉子被負載拖著向后旋轉一個角度δ時，由于電機磁勢平衡原理，電機定子繞組又有了另外一個電流I1，那么這個電流I1的旋轉磁場對應的是轉子旋轉磁場； 3、那么對定子繞組空載時三相空載電流Io，實際的坐標變化計算出一個直流磁場；那么對負載時的定子電流I1，實際的坐標變化也可以計算出一個直流磁場。 4、按照樓主的意思應該是對負載時的定子電流I1，實際的坐標變化計算出一個直流磁場。坐標變化計算出的結果有兩個，直軸電流Id和交軸電流Iq。通過Id和Iq可以算出兩者的矢量和（總電流），及兩個磁場之間的夾角δ。 5、那就是說，對定子電流坐標變化計算出的不能是一個直流磁場，應該是兩個直流磁場，一個對應主旋轉磁場Φo，一個對應轉子旋轉磁場N2I2； 6、現在的問題是，要把三相定子電流分成Io和I1，然后分別坐標變化計算出兩個直流磁場，并計算出它門的交角δ； 7、樓主認為三相定子電流坐標變換出來的就是主旋轉磁場，然后在計算與轉子磁場的交角，實際上是轉子磁場與轉子磁場的交角，轉子磁場被計算了兩次！！！ 樓主說： 5. 對于交流同步隱極電動機： …… 5） 計算出轉子磁場與A相軸線之間的偏差角度。 6） 通過霍爾元件檢測三相定子電流，以轉子磁場與A相軸線之間的偏差角度作為算子（相當于觀察者與轉子磁場同步旋轉），通過坐標變換分解出定子旋轉磁場中與轉子磁極對齊的分量（直軸電流Id）,產生轉矩的分量（交軸電流Iq）。 我認為： 1、樓主對三相定子電流，直接坐標變換是錯誤的； 2、對三相定子電流，坐標變換分解出的不是定子旋轉磁場的，而是轉子旋轉磁場的； 3、三相定子電流中的勵磁電流Io，坐標變換后才是主旋轉磁場的； 4、三相定子電流中與轉子磁勢平衡的電流I1，坐標變換后是轉子旋轉磁場的； 5、以A相軸線為起點定子電流的轉矩電流和勵磁電流差90度，以A相軸線為起點定子電流的旋轉磁場的角度與轉矩電流和勵磁電流的比值相關，不是確定的，檢測出的哪個角度沒有意義！！！ 1、這里大家只要回答一個問題，同步電機的電流是不是跟隨負載變化的，負載大電流大； 2、如果是，電機三相負載電流就是與轉子磁勢平衡的電流，與轉子相關，與主旋轉磁場Φo無關； 3、把定子電流坐標變換后的當然不是主旋轉磁場Φo； 1、A相軸線與轉子磁場的夾角沒有任何物理意義； 2、如果A相軸線與A相電壓有確定的關系，那A相電流與A相軸線就沒有確定的關系，因為電流與電壓的相位差不確定； 樓主說： “6. 對于交流感應電動機： 1） 定子通入三相交流電，產生定子旋轉磁場，旋轉磁場以定子A相軸線為起點出發，并與定子電流相位對齊。” 我認為： 1、定子三相交流電流，由三部分構成，主旋轉磁場的勵磁電流Io、負載轉矩電流、轉子感抗電流； 2、他們的矢量關系是，負載轉矩電流與定子三相交流電壓同相位，轉子感抗電流與勵磁電流Io同相位，定子三相交流電流落后定子三相交流電壓一個功率因數角δ； 3、本來是主旋轉磁場Φo與轉子旋轉磁場的夾角，“以定子A相軸線為起點出發，并與定子電流相位對齊。”的說法，全亂了套； 4、這里大家一定要明白，交流電機負載工作時，三相定子電流就是負載電流，就是與轉子電流磁勢平衡的電流，主旋轉磁場的勵磁電流只占一小部 樓主說： “6. 對于交流感應電動機： …… 2） 定子旋轉磁場切割轉子繞組，產生三相感應電勢e=dλ/dt，λ為穿過轉子繞組的磁鏈。e產生轉子電流，然后產生另一個旋轉磁場－－－－-轉子旋轉磁場。如果λ隨空間（或時間）正弦變化，則e所產生的轉子旋轉磁場滯后穿越轉子的旋轉磁鏈90度。 3） 轉子旋轉磁場的旋轉速度疊加在旋轉的轉子上。事實上，這兩個磁場之間的旋轉是同步的。” 我認為： 1、空載時，認為轉子與定子同步，轉子沒有電流，定子只有勵磁電流Io，鐵心中只有主旋轉磁場Φo； 2、負載時： 1）負載拖著轉子速度減小，與同步轉速有轉差△n=n1-n2； 2）轉子導體由于轉差切割主旋轉磁場Φo的磁力線，而產生感應電勢、感應電流I2； 3）主旋轉磁場Φo同性磁極面下，轉子導體電流I2方向相同，和直流電機主磁極面下電樞導體電流方向相同一樣，轉矩效應最大，這種轉子導體電流I2的磁場為交軸磁場，即與主旋轉磁場Φo夾角90度，此時異步電機的機械硬特性與他勵直流電機相同； 4）如果負載增大，轉差△n增大，轉子電勢的交流頻率△n/60增大，轉子感抗電流I2’增大，I2’落后I2電工角90度，轉子感抗電流I2’的磁場與主旋轉磁場Φo直軸； 5）這樣轉子電流（I2+I2’），與主旋轉磁場Φo夾角δ度，tgδ=I2/I2’，當負載為最大轉矩，轉差為臨界轉差△n臨=n1-n臨，tgδ=I2/I2’=-1，δ=135度； 6）由于定子電流必須與轉子電流磁勢平衡，所以定子電流有：I1N1=I2N2 ，I1’N1=I2’N2 ，其中I1叫轉矩電流，I1’叫無功電流； 7）由于定子電流、轉子電流磁勢平衡，所以鐵心主旋轉磁場Φo負載時大小不變； 樓主說： 6. 對于交流感應電動機： …… 7） 如果不考慮轉子漏感的影響，轉子為純阻性負載，轉子感應電勢e與轉子電流同相位。此時，這定子旋轉磁場與轉子旋轉磁場之間的角度相差90度。 8） 實際上，轉子有漏感，且轉差率越大，漏感越大，導致轉子電流滯后轉子電勢一個角度，也就是說轉子旋轉磁場要比感應電勢e滯后一個角度。 9） 所以，受轉子漏感的影響，我們無法保證定子旋轉磁場和轉子旋轉磁場相差90度，它們之間相差的角度大于90度而小于180度。那么，我們就必須控制控制定子旋轉磁場中與轉子旋轉磁場正交的部分，也就是穿過轉子繞組的凈磁鏈。 我認為： 1、樓主7）8）關于轉子磁場轉矩電流I2、感抗電流I2’的描述是正確的，負載越大轉差越大，感抗電流I2’越大，轉子電流（I2+I2’）的磁場方向與主旋轉磁場Φo的交角δ隨著負載增大轉差增大而改變，tgδ=I2/I2’，當轉差增大到臨界轉差，I2=I2’ ，tgδ=I2/I2’=1，δ=135度，堵轉時，tgδ=I2/I2’→0 ，δ→180度； 2、樓主在9）中又說，“所以，受轉子漏感的影響，我們無法保證定子旋轉磁場和轉子旋轉磁場相差90度”，也是正確的，因為轉子感抗是客觀存在，不能人為的控制； 3、但是樓主再下來的說法有錯誤，“那么，我們就必須控制控制定子旋轉磁場中與轉子旋轉磁場正交的部分，也就是穿過轉子繞組的凈磁鏈。”，那感抗部分才是影響轉子轉動的原因，應該是感抗電流的控制； 4、剛才說了，負載大，轉差大，感抗大，是負載大小改變轉子方向的，只有根據負載控制轉差，才能控制轉子的方向； 5、那有人想，能不能把轉子感抗電流控制住？不能！這就是物理規律，好象能量守恒定律一樣的規律； 樓主說： 6. 對于交流感應電動機： …… 10） 與同步電機的第1個區別在于，同步電機的轉子磁場自然產生，因此定子上無需直軸電流來產生磁場（Id=0），只需控制交軸電流Iq。而感應電機的定子電流既需要直軸電流來產生定子旋轉磁場，又需要交軸電流來產生轉子旋轉磁場。 11） 與同步電機的第2個區別在于，感應電機矢量控制體現在保持定子磁場穿越轉子繞組的部分強度恒定，控制轉子電流自身產生的旋轉磁場的大小。 我認為： 1、空載時，同步電機的轉子磁極是電機主旋轉磁極的一部分，所以同步電機較異步電機的勵磁電流小； 2、負載時，同步電機的轉子磁極被負載拖著向后轉過一個角度δ： 1）這時，轉子磁極的直軸分量Em cosδ減小，導致定子勵磁電流增大，因為電機主旋轉磁極要保持不變，當轉子磁極偏移δ=90度時，Em cosδ=0，定子勵磁電流增大到與異步電機勵磁電流大小一樣； 2）這時，轉子磁極的交軸分量Em sinδ增大，電機定子產生相應的轉矩電流I1，因為定子轉矩電流I1的磁勢I1N1要與轉子磁極的交軸分量Em sinδ平衡，所以定子轉矩電流I1=Em sinδ/N1； 3）從以上兩點知道，同步電機負載時，定子電流與異步電機定子電流的變化是一樣的，有轉矩電流、無功勵磁電流的產生和變化；樓主的“同步電機的轉子磁場自然產生，因此定子上無需直軸電流來產生磁場（Id=0），只需控制交軸電流Iq。”的說法有錯誤！ 4）所以同步電機與異步電機不同的是，負載變化時，同步電機的轉子磁極與主旋轉磁場只有一個小于90度的交角，電機學上叫功角，而異步電機的轉子轉速與主旋轉磁場的轉速有一個轉差，在電機學上叫異步； 5）能不能人為的控制轉子磁極的功角，不能，只能根據負載大小，控制負載控制功角； 回復 35# 劉志斌 劉老師發言還比較多，不能一一看明白。 這里引用您其中一段的原文： “ 1、A相軸線與轉子磁場的夾角沒有任何物理意義； 2、如果A相軸線與A相電壓有確定的關系，那A相電流與A相軸線就沒有確定的關系，因為電流與電壓的相位差不確定；” 我學識淺薄，不過PMSM還是看過一些，權威論文也看過一些，您的1說沒有意義好像不太正確。A軸線只是一個物理位置，在國內常見的文章和書籍中，在PMSM中，A軸線與永磁體轉子之間的角度就是在電機控制中所用的電角度。而國外一般定義是a軸負90°電角度的位置為0°，即轉子位置與該位置的角度差為轉子位置。為何此夾角沒有任何物理意義。不過如果您否定矢量控制，那么就沒有和您討論的必要。我說的角度差的問題也是很多人在使用MATLAB做仿真時不理解的問題。不知道您是否做過仿真甚至實物控制。否則也能理解你提出該意見。 或者說我只看了這一條，沒有看其他樓，斷章取義了。 “而國外一般定義是a軸負90°電角度的位置為0°，即轉子位置與該位置的角度差為轉子位置。” 1、“a軸負90°電角度的位置為0°”，這個零度應該是定子勵磁電流及其主旋轉磁場的0位置； 2、這時候a軸就是三相交流電壓的0位置，這樣符合定子勵磁電流落后三相交流電壓90度； 1、這個問題的關鍵是沒有一個統一的大家公認的理論體系，概念的不確定性，導致理解的偏差和結論的對立和矛盾； 2、討論只能是相互照顧理解對方表達的真實意義； 3、我覺得是這樣，先從大家公認的基礎出發，然后找思考的共同點： 1）交流電機的頻率、同步轉速是確定的； 2）轉子轉速是可以確定的； 3）這樣轉差是可以確定的，如果根據轉差，確定轉子磁場的方向； 4）定子勵磁電流，既空載電流是確定的； 5）轉子磁場的方向、勵磁電流的大小可以對定子電流矢量分解，求得轉矩電流，無功電流 對于同步電機： 1）交流電機的頻率、同步轉速是確定的； 2）轉子轉速是可以確定的； 3）定子勵磁電流，既空載電流是確定的； 4）定子負載電流是已知的； 5）根據勵磁電流的大小、定子電流的大小矢量分解，求得轉矩電流、無功電流、功角； |
