VF控制和矢量控制的區(qū)別

/VF控制和矢量控制的一些區(qū)別我是做變頻器開發(fā)的一線人員，有過完整的針對(duì)三相異步電機(jī)和永磁同步電機(jī)變頻器開發(fā)經(jīng)歷，產(chǎn)品也在市場(chǎng)上賣，學(xué)歷方面，在國內(nèi)正規(guī)學(xué)校拿到了電機(jī)工程的博士學(xué)位（無炫耀之意，只是說明在這個(gè)領(lǐng)域比較熟悉），陳伯實(shí)老先生的書基本翻爛過，也和陳老先生同桌吃過飯。看到討論比較熱烈，也來發(fā)個(gè)言，談?wù)剬?duì)變頻器VF控制、矢量控制的認(rèn)識(shí)。

針對(duì)異步電機(jī)，為了保證電機(jī)磁通和出力不變，電機(jī)改變頻率時(shí)，需維持電壓V和頻率F的比率近似不變，所以這種方式稱為恒壓頻比（VF）控制。VF控制－控制簡(jiǎn)單,通用性強(qiáng),經(jīng)濟(jì)性好,用于速度精度要求不十分嚴(yán)格或負(fù)載變動(dòng)較小的場(chǎng)合。從本質(zhì)上講，VF控制實(shí)際上控制的是三相交流電的電壓大小和頻率大小，然而交流電有三要素，就是除了電壓大小和頻率之外，還存在相位。VF控制沒有對(duì)電壓的相位進(jìn)行控制，這就導(dǎo)致在瞬態(tài)變化過程中，例如突加負(fù)載的時(shí)候，電機(jī)轉(zhuǎn)速受沖擊會(huì)變慢，但是電機(jī)供電頻率也就是同步速還是保持不變，這樣異步電機(jī)會(huì)產(chǎn)生瞬時(shí)失步，從而引起轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速振蕩，經(jīng)過一段時(shí)間后在一個(gè)更大轉(zhuǎn)差下保持平衡。這個(gè)瞬時(shí)過程中沒有對(duì)相位進(jìn)行控制，所以恢復(fù)過程較慢，而且電機(jī)轉(zhuǎn)速會(huì)隨負(fù)載變化，這就是所謂VF控制精度不高和響應(yīng)較慢的原因。

矢量控制國外也叫磁場(chǎng)定向控制，其實(shí)質(zhì)是在三相交流電的電壓大小和頻率大小控制的基礎(chǔ)上，還加上了相位控制，這個(gè)相位在具體操作中體現(xiàn)為一個(gè)角度，簡(jiǎn)單的講就是電機(jī)定子電流相對(duì)于轉(zhuǎn)子的位置角。我們知道，電機(jī)定子三相對(duì)稱交流電的綜合效果是一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁鐵，通電后這個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)通過感應(yīng)在轉(zhuǎn)子上生成三相交流電流，這個(gè)電流也等效成一個(gè)磁鐵，這樣就相當(dāng)于定子磁鐵拖著轉(zhuǎn)子磁鐵旋轉(zhuǎn)了，這個(gè)是電機(jī)旋轉(zhuǎn)的基本原理。這里有個(gè)問題，就是只有定子磁鐵和轉(zhuǎn)子磁鐵的相對(duì)位置靠得最近，產(chǎn)生的力矩才最大，所以如何在電機(jī)三相定子繞組上通電獲得最大轉(zhuǎn)矩，實(shí)際上還和轉(zhuǎn)子位置有關(guān)的。矢量控制會(huì)通過實(shí)測(cè)回來的電流結(jié)合電機(jī)參數(shù)，實(shí)時(shí)計(jì)算出轉(zhuǎn)子位置，這個(gè)過程就是所謂的“磁場(chǎng)定向”，然后實(shí)時(shí)決定三相定子繞組上電壓的相位，這樣理論上可以做到同樣的電流下產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩最優(yōu)，從而減小電機(jī)負(fù)載變化時(shí)的瞬態(tài)過程。此外，矢量控制順便還會(huì)根據(jù)轉(zhuǎn)子位置求出轉(zhuǎn)速，利用電機(jī)參數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行瞬時(shí)補(bǔ)償，進(jìn)一步優(yōu)化了控制性能。

綜上，我覺得矢量控制和VF控制的最本質(zhì)的區(qū)別就是加入了電壓相位控制上。從操作層面上看，矢量控制一般把電流分解成轉(zhuǎn)矩電流和勵(lì)磁電流，這里轉(zhuǎn)矩電流和勵(lì)磁電流的比例就是由轉(zhuǎn)子位置角度（也就是定子電壓相位）決定的，這時(shí)轉(zhuǎn)矩電流和勵(lì)磁電流共同產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩是最佳。具體實(shí)現(xiàn)可以參考陳老先生的書和其他任何一本講矢量控制的書。宏觀上看，矢量控制和VF控制的電壓，電流，頻率在電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)相差不大，都是三相對(duì)稱交流，基本上都滿足壓頻比關(guān)系，只是在瞬態(tài)過程如突加、突減負(fù)載的情況下，矢量控制會(huì)隨著速度的變化自動(dòng)調(diào)整所加電壓、頻率的大小和相位，使這個(gè)瞬時(shí)過程更快恢復(fù)平衡。至于矢量控制里面那些坐標(biāo)變換，是一種便于理解和描述的手段，不是本質(zhì)問題。從電機(jī)理論來看，在dq同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系里，三相正弦交流量可以轉(zhuǎn)換成兩相直流量，這樣可以簡(jiǎn)化運(yùn)算，便于數(shù)字處理，實(shí)際上真實(shí)系統(tǒng)里并不存在轉(zhuǎn)矩電流和勵(lì)磁電流的，這些是一種數(shù)學(xué)抽象，算完了控制完成后最終還是要體現(xiàn)在實(shí)際三相交流電上。好比我們數(shù)學(xué)里的拉普拉斯變化，可以把微分方程變成代數(shù)方程簡(jiǎn)化運(yùn)算，運(yùn)算完了后再反變換回去是一個(gè)道理。

劉志斌老師可能對(duì)矢量控制理解有誤，或者可能書上沒把物理本質(zhì)說得很清楚。劉志斌老師的第一點(diǎn)“1、電感的電流落后電壓90度，你能控制這個(gè)角度嗎？”這句話是非常正確，電感的電流落后電壓90度，對(duì)純電感而言這個(gè)90角度是不可能控制的，但是不能推出“9、所謂對(duì)定子電流解耦，對(duì)有功電流、無功電流分別控制是句謊言，或者是無知的笑話！”。對(duì)電機(jī)而言，我想這個(gè)論壇里很多人應(yīng)該學(xué)過電機(jī)學(xué)，知道三相異步電機(jī)的等效電路，三相異步電機(jī)電感可以認(rèn)為是不變的，但是轉(zhuǎn)子的等效電阻可以看成兩部分，一部分是轉(zhuǎn)子本身的實(shí)際電阻r2，不考慮溫度什么的這個(gè)可以認(rèn)為不變，另一個(gè)是負(fù)載等效電阻（1-s）r2/s（s是轉(zhuǎn)差率），這個(gè)實(shí)際上和轉(zhuǎn)差有關(guān)，也就是說跟電機(jī)的同步速、負(fù)載等因素有關(guān)了，這樣轉(zhuǎn)子的等效電阻實(shí)際上是可變的，電機(jī)電感和電阻的比例關(guān)系并不是固定的，那么通過改變同步速和相應(yīng)的電壓、相位，對(duì)有功電流、無功電流的分別控制是可行的，而矢量控制就是提供了這么一種途徑。這里我要澄清一下，“對(duì)有功電流、無功電流的分別控制”，并不是說你能把有功電流、無功電流控制到任意值，想怎么控制就怎么控制，對(duì)異步電機(jī)而言，無功電流永遠(yuǎn)是感性，這是原理決定的，你不可能把它控制成容性無功，而且有功電流、無功電流的組合產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩必須和負(fù)載平衡，這個(gè)是約束條件。矢量控制的目標(biāo)，實(shí)際上是“通過對(duì)有功電流、無功電流的分別控制實(shí)現(xiàn)優(yōu)化組合”，達(dá)到瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩最優(yōu)，動(dòng)態(tài)過程最短的目的。而VF控制少了這么一個(gè)對(duì)電流瞬時(shí)控制的過程，是粗線條的控制，理論上就要差些。好比你讓一個(gè)小弟干活，VF控制就是“小弟，你把這個(gè)東西做出來”，給出一個(gè)要求就行了；矢量控制就是你不只是告訴小弟把這個(gè)東西做出來，而且還要告訴他，第一步怎么搞，第二步怎么搞，細(xì)節(jié)怎么處理，這樣顯然后者得到的結(jié)果要精細(xì)些。

上面是一些理論分析，從實(shí)際來看，VF控制是目前變頻器主流控制方法，輔以適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償方法可以提高其性能。目前提高VF控制性能的主要方法有：低頻力矩補(bǔ)償、死區(qū)補(bǔ)償、動(dòng)態(tài)磁通控制、跟蹤自啟動(dòng)等，可以適用于80%以上的工況。在某些對(duì)動(dòng)態(tài)要求很高的場(chǎng)合，則需要使用矢量控制，如伺服、印刷等。矢量控制是根據(jù)測(cè)量到的電流、電壓和磁通等數(shù)據(jù)，結(jié)合電機(jī)內(nèi)部的電阻電感等參數(shù)計(jì)算出當(dāng)前的轉(zhuǎn)速和位置，并進(jìn)行必要的修正，從而在不同頻率下運(yùn)行時(shí)，得到更好的控制模式。由于計(jì)算量較大，且需要知道電機(jī)內(nèi)部參數(shù)，所需數(shù)據(jù)中的相當(dāng)部分，一般用戶是很難得到的。這給矢量控制的應(yīng)用帶來了困難。對(duì)此，變頻器都必須配置自動(dòng)檢測(cè)電動(dòng)機(jī)參數(shù)的功能?？傮w而言，矢量控制可以得到更好的性能，低頻轉(zhuǎn)矩大，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，但應(yīng)用比較不方便，如果參數(shù)不合適可能還不能穩(wěn)定運(yùn)行，使用范圍受到一些限制。實(shí)際中推薦用戶能用VF控制就盡量不用矢量控制。事實(shí)上大多數(shù)情況增加了轉(zhuǎn)矩提升、死區(qū)補(bǔ)償、滑差補(bǔ)償?shù)母咝阅艿腣F能滿足絕大部分要求，而且穩(wěn)定性更好。

目前矢量控制的主要問題是適用性不如VF強(qiáng)，VF基本上什么異步電機(jī)都能上，但是矢量控制在專用電機(jī)能達(dá)到的最高水平讓VF望塵莫與。我到西門子參觀的時(shí)候，他們對(duì)電機(jī)的控制到了令人震驚的程度，那就是用三臺(tái)電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)一臺(tái)時(shí)鐘的秒針、分針和時(shí)針！想想是什么概念：12小時(shí)