知识分享：什么是电机的矢量控制

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矢量控制是一种电机的控制技术，它可将三相电机控制变成和有刷直流电机一样，实现简单控制，且效率高。


TF直流电机
有刷直流电机切换电流是需要通过换向器实现形成旋转磁场，转子在定子的磁力作用下旋转，结构简单转矩大且具有良好的调速性能，这是有刷直流电机的主要特点，直流电机的励磁方向始终是垂直于磁场的方向，控制方法简单有效。


有刷直流电机
有刷直流电机旋转原理：直流电通过换向电刷，通过换向形成磁场，在磁场与定子的相互作用下，带动转子旋转。

而传统的三相感应电机，它输入的是三相对称正弦电压，空间磁链近乎圆形，转矩稳定。但是，缺点也是比较明显的：

1.三相对称正弦交流电产生的是一个随时间和空间都在变化的旋转磁场，是一个多变量的系统；

2.定子电流无法单独调节励磁和转矩，他们之间是强耦合，非线性的复杂关系、体积大、损耗多。；


那么，有没有方法可以把三相感应电机像直流电机那样控制起来简单有效稳定呢？还特别稳定呢？这就是我们前面讲到的矢量控制方式了，这种方法是在上个世纪七十年代提出的一种控制方式，将三相交流经过一系列坐标变换，最终变为直流可控的两相正交电流。解耦复杂的电流关系，使得电机变得简单可控。

这种矢量控制技术可用于交流电机也可用于直流电机，无论是无论是哪种电机，它的转矩都正比于定子磁场和转子磁场的叉乘，即它们所围成的平行四边形的面积。当定子磁场和转子磁场夹角为 90° 的时候，它们所围成的平行四边形的面积最大，这个时候所产生的力矩也最大。


和有刷直流电机一样，它的定子励磁电流和电枢电流各自在自己的回路中，而且分别可控，定子磁场与定子磁场和转子磁场始终能保持垂直，所产生的力矩也最大。如果想使三相电机在控制上达到直流有刷电机的效果，那就必须想办法解耦转矩与励磁之间的关系。如果能控制定子磁场和转子磁场的夹角始终相差 90°，那么直流电机的控制效率会大大提高，这就是矢量控制技术产生的背景。

矢量控制技术也叫做磁场定向控制。它能够解耦复杂的定子电流关系，将定子电流分解成控制励磁的直轴电流，以及控制转矩的交轴电流。

前面提到，三相电机通入的是空间相差 120° 的三路对称正弦电压，在空间形成旋转的磁场。当然，想要在空间产生旋转的磁场，不一定非要三相对称绕组，任意对称的多相绕组都可以在空间产生旋转的磁动势，特别是两相对称正交绕组，也可以达到同样的效果，且两相为相互垂直的独立变量。因此，我们可以将三相电机的模型设想成两相电机模型。以产生和三相电机同样的圆形磁场为准则，两相在空间上互差 90°，一个负责转矩的控制，一个负责励磁的控制，他们之间互不影响。


三相绕组产生的磁场和力矩同两相正交绕组产生的磁场和力矩的大小、方向完全相等，并且以同样的角速度在空间逆时针旋转，形成同样的旋转磁场。这就是常说的三相静止坐标系到两相静止坐标系的变换。

再进一步，我们假定有一个两相正交的对称绕组，分别通以直流电流 Id 、Iq,他们产生的合成磁动势和两相静止坐标系及三相静止坐标系完全相等，且两相正交绕组以磁场同样的角速度旋转，那么 d、q 旋转坐标系和前面的三相静止以及两相静止就可以完全等效，这就是两相静止到两相旋转坐标系的变换。