电机控制系列模块解析（第七篇）—— V/F

最近有上传一些入门的免积分的资料，方便大家上手进行仿真分析。注意查收。还在继续更新中。继续回到咱们的电机控制系列模块解析（第七篇）—— V/F

观测器后续咱们再继续更新，而且最近学术界和工业界对各类位置观测器都做了一些实质性的改进来保证观测器算法的广泛产品化。

一、背景

在电机控制领域中，V/F是指电压（Voltage）与频率（Frequency）的比例关系。这种概念主要应用于交流异步电动机（感应电机）的变频调速控制。当异步电动机工作时，其转矩与定子电压和频率之间存在一定的数学关系，即：T ∝ V × f。其中：T 是电机产生的电磁转矩。V 是施加在定子绕组上的有效线电压。f 是电源供给电机的交流电频率。

在恒转矩区运行时（通常指低频范围），为了保持电机输出转矩不变，随着频率f的降低，需要相应地降低电压V。因此，控制器会按照一个预设的V/F曲线来调整逆变器输出的电压和频率，使得二者成一定比例关系，确保电机在不同速度下稳定运行且输出转矩基本恒定。

V/F 控制方法简单实用，易于实现，是早期交流变频调速系统中的常用技术。然而，它无法充分利用电机在高速下的弱磁特性以进一步提高效率，也无法精确控制电机的磁场定向，因此在需要更高精度和动态性能的应用场合中，往往采用更为复杂的矢量控制或直接转矩控制等高级调速策略。

但是回过头来反思一下做好可靠稳定的无感FOC之后它主要的应用场合： 低速重载启动（或低速下负载未知），转矩精度、转速精度、抗负载扰动能力性能指标有明确要求，大多为中高端应用场合。 而其他中低端场合有更多的可能性，举一个极端一点的例子，比如硬件和电机都正常，客户拿到后上电只希望设置一下电机铭牌参数：额定电压、额定电流、额定频率等，或者说只知道没有铭牌的电机大概的额定电压，然后直接就可启动把电机运行起来，最后再调试1到2个参数优化一下加减速时间或者运行效率即可，这在丹佛斯公司高速电机模组（国内有两家也做得不错）已实现。

二、V/F最近十年已拓展至同步机

同步机（如永磁同步电机，PMSM，如同步磁阻电机，SRM等等）中的V/F控制并不像异步电机那样常见或直接。在同步电机中，电压和频率之间的关系并不是用来维持恒定转矩输出的主要手段，因为同步电机的运行原理与感应电机不同。

同步电机尤其是永磁同步电机，其磁场是由永磁体产生的，因此不存在因频率变化导致的励磁磁场变化问题。

然而，在某些特定场合下，同步电机也可以采用类似于异步电机的V/F控制策略，但这种情况下V/F曲线的意义与异步电机有所不同：

1. 启动阶段：同步电机在启动时可能需要一个初始的V/F控制策略以帮助建立起始旋转磁场，之后再切换到更高级（有时候也不一定很高级）的矢量控制模式。

2. 低速运行时：在速度较低且对动态性能要求不高的应用中，简单的V/F控制可以用于保持基本的转速与力矩平衡，但这通常不会提供高精度的速度控制和良好的动态响应。

3. 宽调速范围：对于一些特殊设计的同步电机或者简化控制系统成本的需求，可能会选择牺牲部分性能指标，采用V/F控制实现较宽的调速范围。

总之，虽然同步电机中的V/F控制不如异步电机中那样普遍和重要，但在特定的应用条件下，它仍然具有一定的实用价值。

上图以功率的角度为切入点，旨在打造高级一点的V/F算法来驱动同步电机或异步电机。就算法鲁棒性而言，优化过的V/F算法可能会比FOC算法更强劲，更有竞争力。但是V/F虽然参数鲁棒性较强，但是动态性能以及低速带载能力还待提升，而转矩估计与前馈电压补偿可以提升特定工况下V/F的动态性能，当然了还可以探索不进行坐标变换的功率补偿，比如在静止坐标系下αβ坐标系下对无功功率和有功功率进行计算，以进行V/F的防振荡计算和节能计算。

三、展望V/F控制

V/F控制虽然在交流电动机的变频调速系统中具有简单、成本低等优点，但也存在一些可以改进的地方以提高性能和适应更广泛的应用场景：

恒转矩范围扩展：传统的V/F控制在低频范围内能提供较好的恒转矩特性，但随着频率升高，电机进入弱磁区后无法继续保持恒定转矩。改进方法包括采用自适应V/F曲线，根据负载情况动态调整电压，尽可能扩大恒转矩工作区域。

高速段效率优化：在电机高速运行时，V/F控制往往会导致电机内部磁场减弱，从而降低工作效率。改进方案是结合电机参数辨识技术，在高频段使用更加精确的控制策略来保持最佳的工作点。

启动和停止阶段处理：改进启动和停止阶段的控制算法，如引入软启动功能，避免直接启动对电网和电机自身的冲击，同时优化停机过程中的能量回收或防止反电动势过高等问题。

改善动态响应和稳定性：V/F 控制在动态响应方面不如矢量控制出色，可以通过加入适当的前馈补偿等功能，提升系统的动态响应速度和稳定性。

温度补偿：随着电机运行温度变化，电阻值会发生变化，这会影响V/F在低速运行过程中控制的效果。改进的方法是在控制系统中加入温度传感器或温度估计算法，实时监测电机温度并进行电流失效保护及相应的电压补偿。

控制功能集成：将V/F控制与其他高级控制策略相结合进一步提升系统的综合性能。

通过上述改进措施，可以在保留V/F控制简单性的同时，增强其在更多工况下的适用性和控制效果。