矢量控制（VC）与变压变频控制（V/F）比较

1.矢量控制与变压变频控制的比较

两种控制各有优势，可针对不同应用场景进行选择。一般而言，控制效果优先的场景适合矢量控制的驱动器，成本优先的场景适合变压变频的变频器。

电机控制技术的发展同样遵循“更高、更快、更强”的奥林匹克精神（Olympic Motto）。除了追求“更高”的电机转速外，“更快”的动态响应、“更强”的带载能力也是电机运行的重要特性。在同等条件下，矢量控制相较于变压变频控制，具有“更快”的动态响应和“更强”的带载能力。

2. 矢量控制（VC）

矢量控制是一种控制效果好，但难度较高的控制方法，目前被广泛用于数控机床、工业控制、机器人等对控制性能要求较高的领域。

三相交流电机输入正弦电流后，气隙中产生旋转磁场。该磁场与转子磁场相互作用产生转矩。由于交流电机是一个多变量、强耦合的复杂系统，调节某一相电流无法实现对磁场或转矩的独立控制，这给交流电机控制造成了很大困难。为解决该问题，德国达姆施塔特工业大学（Darmstadt）的 K.Hasse 和西门子公司的 F.Blaschke，在二十世纪七十年代提出了通过坐标变换把交流电机的定子电流分解成磁场分量电流和转矩分量电流，并分别加以控制，从而获得类似于直流调速系统的控制特性。该方法就是磁场定向控制（FOC）。由于该方法用矢量表示三相电压、电流以及磁链等物理量，因此也称为矢量控制（VC）。

磁场定向有三种方式：转子磁场定向、气隙磁场定向和定子磁场定向。其中，以转子磁场定向应用最广。气隙磁场定向和定子磁场定向在磁链关系中均存在耦合，无法完全实现磁链和转矩解耦控制。而转子磁场定向可以将交流电动机的定子电流分解成磁场分量电流（励磁电流）和转矩分量电流（负载电流）并分别加以控制。即励磁电流分量和转矩电流分量二者完全解耦，从而获得类似于直流调速系统的动态性能，其可控性最优。

矢量控制的特点包括：

（1）“更快”的动态响应

‐ 电流、速度和位置都是闭环控制，动态响应速度快，稳态控制精度高，电机转速对负载变化的自适应性及对抗扰动的鲁棒性强

（2）“更强”的带载能力

‐ 单位电流输出转矩能力强，能用较小的电流输出较大的扭力

‐ 配合优异的动态响应特性，使电机带载不掉速

（3）抑制发热，能量转化效率高

‐ 矢量控制在同扭力下，电流更小，电机铜耗低

‐ 矢量控制可灵活控制主磁通，在轻载工况下减小电机磁负荷，降低电机铁耗

‐ 矢量控制的电流谐波含量小，减小电机的附加损耗

（4）算法复杂，精度高

‐采用多环控制结构：内环是电流环，用于磁场和转矩的闭环控制；外环用于速度或位置的闭环控制

‐矢量控制系统算法复杂，需实时测量或解算电机的速度和转子磁链位置，同时进行坐标变换，对处理器的算力要求高

（5）不易过流

‐可直接控制电机电流，能限制起动和制动电流

‐同扭力下，电流更小，配合动态响应实时调节，降低电流过载的发生概率

（6）对电机参数敏感

‐需测量电机的电阻、电感等参数用于控制。驱动参数区别较大的不同电机时，需重新调试适配

矢量控制原理框图

3. 变压变频控制（V/F）

V/F控制实现简单，但控制性能较差，常用于风机、泵等对控制性能要求不高的领域。

由于感应电机的反电势与其同步角频率和气隙磁链的乘积成正比，忽略定子阻抗压降时，可近似认为电机电压与其同步角频率和气隙磁链（磁通）的乘积成正比。当通过降低频率来改变电机转速时，如果不调整电机电压，则电机的气隙磁链将增大。电机工作于额定工况时，电机主磁通已接近饱和，磁链继续增加将会导致主磁路过饱和，从而使励磁电流急剧增加，导致铁耗增加，甚至导致电机过流。在调节频率的同时使电机电压也成比例的变化，则可近似保持气隙磁链不变，从而避免上述问题，这种控制方法称为变压变频控制（V/F），也称为恒磁通控制。

V/F控制的主要特点包括：

（1）成本低

‐ V/F控制是一种开环控制方法，常用于感应电机控制，成本较低

（2）对电机参数变化不敏感

‐ 只需电机铭牌参数即可运行，控制应用简单

（3）精度不高，动态响应慢

‐ 由于开环控制，系统稳态控制精度不高，动态响应速度慢

‐ 当负载变化或受到外部扰动时，电机转速会出现较大变化，出现掉速甚至故障停机

（4）容易过流

‐ 不能直接控制电机电流，无法限制起动和停止时的电流

‐ 当电机过载时，容易出现过电流导致设备过载停机甚至损坏。

V/F控制原理框图