三种磁场定向矢量控制技术的比较知识讲解

矢量控制工作原理
矢量控制（也称为矢量调节）是一种控制电机转速和转矩的技术，它可以使电机在不同的工作条件下，如启动、加速、恒速等，提供更高的精度和性能。

在矢量控制中，电机的控制变量被分解为两个独立的成分：转子磁场定向（也称为转子磁场轴）和转子磁场幅值（也称为转子磁场幅值轴）。

转子磁场定向是指将电机的磁场定向与控制器中的参考信号进行比较，并根据比较结果调整电机的转矩。

这种定向通常使用变流器控制器中的空间矢量调制技术来实现。

转子磁场幅值是指控制电机的电磁流，以实现所需的转矩。

矢量控制可以通过调整电机的电流矢量，使其与控制器中的参考信号匹配，从而实现所需的转矩。

矢量控制的工作原理可以简单描述如下：
1. 矢量控制器中的速度环路接收来自外部的转速参考信号。

2. 速度环路与电流环路（也称为磁场产生环路）相互作用，以控制电机的转矩和磁场定向。

3. 速度环路通过比较实际转速与目标转速来计算误差，并将误差信号送入电流环路。

4. 电流环路根据速度环路的误差信号，以及电机本身的参数（比如电压、电流、磁场强度等），调节电机的电流矢量，从而实现所需的转矩。

5. 电流矢量由变流器控制器转换为适当的电压和频率，以驱动电机。

通过这种方式，矢量控制可以实现精确的转速和转矩调节，具有较高的响应速度和力矩特性，适用于需要高精度和高性能的应用，如机械运动控制、电动车辆、工业机器人等。

矢量控制(FOC)基本原理一、基本概念模型等效原则交流电机三相对称的静止绕组 A 、B 、C ，通以三相平衡的正弦电流时，所产生的合成磁动势是旋转磁动势F ，它在空间呈正弦分布，以同步转速ω1（即电流的角频率）顺着 A-B-C 的相序旋转。

这样的物理模型如图1-1a 所示。

然而，旋转磁动势并不一定非要三相不可，单相除外，二相、三相、四相…… 等任意对称的多相绕组，通以平衡的多相电流，都能产生旋转磁动势，当然以两相最为简单。

图1图1-1b 中绘出了两相静止绕组α 和 β ，它们在空间互差90°，通以时间上互差90°的两相平衡交流电流，也产生旋转磁动势F 。

再看图1-1c 中的两个互相垂直的绕组M 和 T ，通以直流电流M i 和T i ，产生合成磁动势F ，如果让包含两个绕组在内的整个铁心以同步转速旋转，则磁动势F 自然也随之旋转起来，成为旋转磁动势。

把这个旋转磁动势的大小和转速也控制成与图 1-1a 一样，那么这三套绕组就等效了。

三相--两相变换（3S/2S 变换）在三相静止绕组A 、B 、C 和两相静止绕组α、β之间的变换，简称3S/2S 变换。

其电流关系为111221022A B C ii i i i αβ⎡⎤⎡⎤--⎢⎥⎡⎤⎢⎥⎢=⎢⎥⎢⎥⎢⎣⎦⎢⎥-⎣⎦⎢⎦⎣（） 两相—两相旋转变换（2S/2R 变换）同步旋转坐标系中（M 、T 坐标系中）轴向电流分量与α、β坐标系中轴向电流分量的转换关系为cos sin 2sin cos M T i i i i αβϕϕϕϕ⎡⎤⎡⎡⎤⎤=⎢⎥⎢⎢⎥⎥-⎦⎣⎦⎣⎣⎦ （）矢量控制简介矢量控制是指“定子三相电流矢量控制”。

矢量控制理论最早为解决三相异步电机的调速问题而提出。

交流矢量的直流标量化可以使三相异步电机获得和直流电机一样优越的调速性能。

将交流矢量变换为两相直流标量的过程见图2。

图2图2的上图为静止坐标系下的定子三相交流矢量 图2的中图为静止坐标系下的等效两相交流矢量 图2的下图为旋转坐标系下的等效两相直流标量，T i 是转矩电流，M i 是励磁电流。

利用一个ARM7处理器对无刷电机实施磁场定向控制电机驱动能效不论提高多少，都会节省大量的电能，这就是市场对先进的电机控制算法的兴趣日浓的部分原因。

三相无刷电机主要指是交流感应异步电机和永磁同步电机。

这些电机以能效高、可靠性高、维护成本低、产品成本低和静音工作而著称。

感应电机已在水泵或风扇等工业应用中得到广泛应用，并正在与永磁同步电机一起充斥家电、空调、汽车或伺服驱动器等市场。

推动三相无刷电机发展的主要原因有：电子元器件的价格降低，实现复杂的控制策略以克服本身较差的动态性能成为可能。

以异步电机为例。

简单的设计需要给定子施加三个120°相移的正弦波电压，这些绕组的排列方式能够产生一种旋转磁通量。

利用变压器效应，这个磁通量在转子笼内感应出一股电流，然后产生转子磁通量。

就是这两种磁通量相互作用产生电磁力矩，使电机旋转。

在转子上感应出电流的条件是，确保转子的转速与定子的磁通量频率不同；如果相同，转子只经历一个恒定的磁通量，不会有感应电流产生（楞次定律）。

通电频率和其产生的机械频率之间的微小差异是异步电机命名的原因。

一个三相交流电机实现转速可调操作的最简单方式是，实现一个所谓的电压/频率控制（或者叫做标量控制），其工作原理是在频率与电机通电电压之间保持恒比。

这种方法产生一个恒定的定子磁通量，然后在转子主轴上得到额定的电机力矩。

对于应用负载特性被大家了解的低成本驱动器，以及控制带宽要求不是很高的驱动器，如数量很少的HP泵和风扇、洗衣机等，这是一个很受欢迎的控制方法。

一个MIPS 不是很高并带有合理的外设接口的8位单片机如ST7MC，即可满足这种应用需求，同时编程也很简单。

这种方法无法在瞬间工作过程中保证最佳的电机特性（力矩、能效）。

而且为防止电机出现临时消磁现象，还必须限制驱动器反作用力的时间。

为了克服这些限制条件，考虑到电机的动态特性，市场上出现了其他的控制策略。

磁场定向控制（也称矢量控制）是应用最广泛的控制算法，目标应用包括带式传输机、大功率水泵、汽车废气排放、工厂自动化。

矢量控制——深入讲解矢量控制实现的基本原理是通过测量和控制异步电动机定子电流矢量，根据磁场定向原理分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制异步电动机转矩的目的。

具体是将异步电动机的定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量(励磁电流) 和产生转矩的电流分量(转矩电流) 分别加以控制，并同时控制两分量间的幅值和相位，即控制定子电流矢量，所以称这种控制方式称为矢量控制方式。

矢量控制方式又有基于转差频率控制的矢量控制方式、无速度传感器矢量控制方式和有速度传感器的矢量控制方式等。

基于转差频率控制的矢量控制方式同样是在进行U / f ＝恒定控制的基础上，通过检测异步电动机的实际速度n，并得到对应的控制频率f，然后根据希望得到的转矩，分别控制定子电流矢量及两个分量间的相位，对通用变频器的输出频率f进行控制的。

基于转差频率控制的矢量控制方式的最大特点是，可以消除动态过程中转矩电流的波动，从而提高了通用变频器的动态性能。

早期的矢量控制通用变频器基本上都是采用的基于转差频率控制的矢量控制方式。

无速度传感器的矢量控制方式是基于磁场定向控制理论发展而来的。

实现精确的磁场定向矢量控制需要在异步电动机内安装磁通检测装置，要在异步电动机内安装磁通检测装置是很困难的，但人们发现，即使不在异步电动机中直接安装磁通检测装置，也可以在通用变频器内部得到与磁通相应的量，并由此得到了所谓的无速度传感器的矢量控制方式。

它的基本控制思想是根据输入的电动机的铭牌参数，按照转矩计算公式分别对作为基本控制量的励磁电流（或者磁通）和转矩电流进行检测，并通过控制电动机定子绕组上的电压的频率使励磁电流（或者磁通）和转矩电流的指令值和检测值达到一致，并输出转矩，从而实现矢量控制。

采用矢量控制方式的通用变频器不仅可在调速范围上与直流电动机相匹配，而且可以控制异步电动机产生的转矩。

由于矢量控制方式所依据的是准确的被控异步电动机的参数，有的通用变频器在使用时需要准确地输入异步电动机的参数，有的通用变频器需要使用速度传感器和编码器，并需使用厂商指定的变频器专用电动机进行控制，否则难以达到理想的控制效果。

磁场定向技术（FOC）
磁场定向技术（Field Oriented Control，简称FOC）是直流无刷电机和交流感应电机控制领域所采用的一种纯粹的数学变换方法，因其具有改善控制性能，降低能源消耗的潜力，现已日渐成为运动控制行业的主要关注焦点。

FOC技术优于基于霍尔传感器的无刷直流电机的标准梯形波换相技术，同时可以通过更为复杂而先进的正弦波换相技术为电机提供更为宽泛的速度范围。

对于感应电机而言，FOC技术是对标准变频驱动技术的一种重大改进。

FOC技术与磁通矢量控制技术十分接近，后者可以控制廉价的三相交流感应电机，使其获得类似于昂贵的无刷直流电机的性能，其实，许多供应商都在交替采用这两种方法。

与其他类型的伺服电机相比，比如仍旧应用于不少重要领域的有刷直流电机，无刷直流电机和交流感应电机可以提供更高的功率密度和可靠性，而且交流感应电机也更为便宜。

为充分发挥这些优势，运动控制设计人员都在采用由数字信号处理器（Digital Signal Processors，简称DSP）或专用微处理器构成的高速算法平台，力图改善性能，增进效率。

矢量控制(FOC)基本原理一、基本概念1.1模型等效原则交流电机三相对称的静止绕组 A 、B 、C ，通以三相平衡的正弦电流时，所产生的合成磁动势是旋转磁动势F ，它在空间呈正弦分布，以同步转速ω1（即电流的角频率）顺着 A-B-C 的相序旋转。

这样的物理模型如图1-1a 所示。

然而，旋转磁动势并不一定非要三相不可，单相除外，二相、三相、四相…… 等任意对称的多相绕组，通以平衡的多相电流，都能产生旋转磁动势，当然以两相最为简单。

图1图1-1b 中绘出了两相静止绕组α 和 β ，它们在空间互差90°，通以时间上互差90°的两相平衡交流电流，也产生旋转磁动势F 。

再看图1-1c 中的两个互相垂直的绕组M 和 T ，通以直流电流M i 和T i ，产生合成磁动势F ，如果让包含两个绕组在内的整个铁心以同步转速旋转，则磁动势F 自然也随之旋转起来，成为旋转磁动势。

把这个旋转磁动势的大小和转速也控制成与图 1-1a 一样，那么这三套绕组就等效了。

三相--两相变换（3S/2S 变换）在三相静止绕组A 、B 、C 和两相静止绕组α、β之间的变换，简称3S/2S 变换。

其电流关系为111221022A B C i i i i i αβ⎡⎤⎡⎤--⎢⎥⎡⎤⎢⎥⎢=⎢⎥⎢⎥⎢⎣⎦⎢⎥-⎣⎦⎢⎦⎣（） 两相—两相旋转变换（2S/2R 变换） 同步旋转坐标系中（M 、T 坐标系中）轴向电流分量与α、β坐标系中轴向电流分量的转换关系为cos sin 2sin cos M T i i i i αβϕϕϕϕ⎡⎤⎡⎡⎤⎤=⎢⎥⎢⎢⎥⎥-⎦⎣⎦⎣⎣⎦ （）1.2矢量控制简介矢量控制是指“定子三相电流矢量控制”。

矢量控制理论最早为解决三相异步电机的调速问题而提出。

交流矢量的直流标量化可以使三相异步电机获得和直流电机一样优越的调速性能。

将交流矢量变换为两相直流标量的过程见图2。

图2图2的上图为静止坐标系下的定子三相交流矢量图2的中图为静止坐标系下的等效两相交流矢量图2的下图为旋转坐标系下的等效两相直流标量，T i 是转矩电流，M i 是励磁电流。

矢量控制技术的原理与实现矢量控制技术是一种使电动机能够稳定而高效地工作的控制方法。

它通过对电机的电流和磁场进行调节，实现对电机的精确控制。

本文将介绍矢量控制技术的原理和实现方法。

一、矢量控制技术的原理矢量控制技术是基于电机的空间矢量旋转理论而发展起来的。

其核心原理可以概括为以下两点：1. 空间矢量理论空间矢量理论是矢量控制技术的基础，它描述了电机在磁场空间中的运动和变化。

根据磁场空间的磁链和电磁力矩的理论特性，利用数学模型和矢量分析方法，可以准确地计算和控制电机的运动。

2. 矢量控制算法矢量控制技术通过矢量控制算法来实现对电机的精确控制。

该算法基于电机的电流和转矩方程，通过对电流和磁链的调节来控制电机的转矩和速度。

二、矢量控制技术的实现方法矢量控制技术的实现方法主要包括以下几个方面：1. 电流控制矢量控制技术首先需要对电机的电流进行控制。

通过电流控制器对电机的电流进行调节，使其能够按照预定的矢量轨迹运动。

电流控制器可以采用PID调节器、模糊控制器等，根据具体情况选择最合适的控制器。

2. 磁场定向矢量控制技术还需要对电机的磁场进行定向。

通过对电机的磁场进行定向，可以使电机产生特定方向的磁链，从而实现对电机的精确控制。

磁场定向可以通过空间矢量理论和矢量控制算法来实现。

3. 磁链调节矢量控制技术还需要对电机的磁链进行调节。

通过调节电机的磁链，可以实现电机的转矩和速度的控制。

磁链调节可以通过控制电机的电流和电压来实现，也可以通过改变电机的磁场分布来实现。

4. 动态反馈矢量控制技术还需要实时地对电机进行动态反馈。

通过传感器对电机的状态进行实时监测，可以及时发现和修正电机的运行状态，保证电机能够稳定而高效地工作。

常用的传感器包括位置传感器、速度传感器、电流传感器等。

总结：矢量控制技术是一种非常先进且有效的电机控制方法。

通过对电机的电流和磁场进行精确调节，可以实现对电机的精确控制和高效运行。

矢量控制技术的实现方法主要包括电流控制、磁场定向、磁链调节和动态反馈等方面。

三种磁场定向矢量控制技术的比较磁场定向矢量控制技术是一种利用磁场控制机械运动的新技术，其应用范围广泛，包括磁悬浮列车、磁共振成像、磁力驱动机械装置等领域。

本文将介绍三种磁场定向矢量控制技术：PID算法控制、模糊控制和神经网络控制，并对其进行比较分析。

1. PID算法控制PID算法控制是磁场定向矢量控制技术中最常用的一种。

PID算法通过对磁场定向矢量的大小和方向进行控制，来实现机械运动的精确控制。

PID控制器由三个部分组成：比例部分、积分部分和微分部分。

比例部分控制机械的位置，积分部分控制机械位置的变化率，微分部分控制机械位置变化率的变化率。

PID算法控制具有响应速度快、控制精度高、易于实现等优点。

2. 模糊控制模糊控制是一种以模糊逻辑为基础的控制方法，其特点是通过定义一系列模糊规则来实现机械运动的控制。

模糊控制可以适应各种不确定因素，能够有效地处理机械系统中的误差和干扰，具有很好的鲁棒性。

同时，模糊控制能够处理复杂系统，并且不需要过多的数学模型，因此能够快速实现机械运动的控制。

3. 神经网络控制神经网络控制是一种利用神经网络方法，通过对输入信号进行加权和处理，得到输出信号，来实现机械运动的控制。

神经网络控制具有非线性、自适应、强鲁棒性的特点，能够处理复杂系统和多变量系统。

神经网络控制需要大量的训练数据和时间，在实际应用中需要对系统进行控制分析和建模。

4. 比较分析三种磁场定向矢量控制技术各有优劣，具体比较如下：1.控制精度方面：PID算法控制精度最高，模糊控制次之，神经网络控制较差。

2.响应速度方面：PID算法控制响应速度最快，神经网络控制次之，模糊控制最慢。

3.鲁棒性方面：模糊控制和神经网络控制具有良好的鲁棒性，PID控制较差。

4.实现难度方面：PID算法控制易于实现，模糊控制稍显复杂，神经网络控制非常复杂。

综合考虑，根据具体应用场景选择合适的磁场定向矢量控制技术是非常重要的。

在控制精度要求较高的场合，建议使用PID算法控制；在对控制精度要求相对较低，但需要处理不确定因素的场合，建议使用模糊控制；在对非线性系统进行控制，处理复杂系统的场合，建议使用神经网络控制。