【异步电机】矢量控制与标量控制

一. 概述

异步电机的控制方法可以划分为矢量控制与标量控制。

在标量控制中，仅对电压、电流、以及磁链等矢量的幅值和旋转频率进行控制，如恒压频比(VF)控制技术。

在矢量控制中，将矢量的瞬时位置纳入控制范畴，如矢量控制(F0C)、直接转矩控制(DTC)、模型预测控制(MPC) 等高性能控制方法。

简单介绍几个工控产品:

标量+矢量思想

1.所有国产变频器V/F控制中的自动转矩提升功能

2.台达VE系列 SVC（感应电机无感测向量控制） 应用在提升机械、低速传动机械，也会先做参数整定。

3.西门子MM系列FFC控制模式（带磁通电流控制FCC 的V/F 控制）

以上三种功能的实现方法基本相通

矢量控制

1.汇川 SVC(无速度传感器矢量控制),FVC(有速度传感器矢量控制)

2.西门子MM系列变频器，SLVC(无传感器矢量控制),VC(矢量控制)

目前，国产变频器的矢量性能有非常好的表现，大家可以多多支持国产变频器的发展。

举个例子，台达C2000老版本中:

1.V/F控制

2.SVC控制

3.无感FOC控制

4.FOC PG控制

新版本C2000

1.FOC控制

二. 详细介绍

1. VF控制

本质上是一种开环的标量控制，在其控制过程中，通过让电机定子电压与频率的比值保持恒定，来确保电机内部气隙磁链保持不变，从而确保调速过程中电机的有效带载能力不变。

优点: 简单有效，无需要电机参数，普适性强。
广泛应用于一般工业调速场合，如在风机、水泵等场合有着较广的应用。

缺点: 开环控制系统，导致控制的动静态性能差，转矩脉动也较大。

2. 矢量控制

矢量控制以磁场定向为基础，将异步电机励磁回路和转矩回路进行解耦控制，便于控制精度和动态性能的提升。

转子磁场定向矢量控制:

通过坐标变换，将参考坐标选定为转子磁链定向的同步旋转坐标系，经过坐标变换，可将定子电流解耦分解为励磁分量和转矩分量。 其中励磁分量直接决定电机的转子磁链的大小，在转子磁链恒定的情况下，定子电流的转矩分量与电机的电磁转矩成正比。

这样就可以将交流异步电机控制技术转化为类似直流电机的控制方法，进而对其磁链和转矩进行独立控制。

优点: 解耦后的异步电机控制性能可与直流调速相当。

缺点: 传统矢量控制需要大量的坐标变换，且磁场定向的准确度受电机参数的影响较大，若定向不准,则会恶化控制性能。而且由于其电流闭环采用的是依赖于反馈误差的因果控制逻辑，动态响应速度较慢，且受到需要调节相关参数，容易出现超调和震荡。

3. 直接转矩控制

直接转矩控制主要由滞环比较器、转矩和磁链估计、电压矢量选择等几部分组成，其基本原理在于直接对电压矢量和对应的控制信号进行选择，以达到对电磁转矩和定子磁链进行实施控制的目的。

优点:

直接转矩控制在控制电机时，依据转矩和磁链控制误差，按照既定的规律直接对逆变器的输出矢量进行选择，而无需像磁链定向矢量控制那样对定子电流进行转矩分量和励磁分量的分解，也无需电流调节器设计和PWM调制，简化的控制系统的实现过程和运算量，降低了参数依赖性，提升了转矩动态响应性能。

缺点:
(1) 由于电磁转矩和磁链难以或不适宜通过传感器进行检测，而是依赖转矩和磁链观测器对其进行估计，观测器的性能无疑也将影响直接转矩控制系统的实际应用性能。

(2)直接电压矢量的选择，尽管避免的PWM调制运算，并能在一定程度上减少了开关管的平均动作次数，但这也导致了开关频率不固定所引发的谐波问题和开关管发热不均问题。

(3)通过滞环比较器来对转矩进行控制会使得电流和转矩的脉动都比较大，尤其在低速运行时，控制效果较差。

目前在工业上应用最广泛的主要是矢量控制和直接转矩控制两种控制模式。两种控制方式各有侧重。

矢量控制主要应用在宽范围和高精度控制系统中，直接转矩控制主要应用在转矩响应快的场合。同时，二者也各有不足之处，对于前者近些年的主要研究工作重点是提高其控制的鲁棒性，而对于后者则主要在提高其低速性能。