异步电动机的矢量控制

    矢量控制是一种高性能异步电动机控制方式，它基于电动机的动态数学模型，分别控制电动机的转矩电流和励磁电流，具有直流电动机相类似的控制性能。

    直流电动机具有励磁和电枢两套绕组。两套绕组在机械上是独立的，在空间上互差90°；两套绕组在电气上也是分开的，分别由不同电源供电。在励磁电流恒定时，直流电动机所产生的电磁转矩和电枢电流成正比，控制直流电动机的电枢电流可以控制电动机的转矩，因而直流电动机具有良好的控制性能。当进行闭环控制时，可以很方便地构成速度、电流双闭环控制，系统具有良好的静、动态性能。

    异步电动机亦有两套多相绕组（定子绕组和转子绕组），其中定子绕组和外部电源相接，在定子绕组中流过定子电流。转子绕组只是通过电磁感应在转子绕组中产生感应电动势，并流过电流同时定子侧的电磁能量转变为机械能供给负载。因此异步电动机的定子电流中包括了励磁电流分量和转子电流分量。由于励磁电流是异步电动机定子电流的一部分，很难像直流电动机那样仅仅控制异步电动机的定子电流，达到控制电动机转矩的目的。事实上，异步电动机所产生的电磁转矩和定子电流并不成比例，定子电流大并不能保证电动机的转矩大。例如，异步电动机起动时，定子电源几乎是额定电流的5～7倍，但起动转矩仅仅是额定转矩的0.8～1.2倍。

    但是，根据异步电动机的动态数学方程式，它具有和直流电动机的动态方程式相同的形式，因而如果选择合适的控制策略，异步电动机应能得到和直流电动机相类似的控制性能，这就是矢量控制。

    在认识矢量控制原理时，经常要碰到所谓的3/2、2/3变换的计算，这里的3、2指的是电动机的三相和两相。从产生电动机的旋转磁场看，三相绕组中通以三相对称电流可以产生圆形旋转磁场，两相绕组中通以互差90°的电流亦可以产生圆形旋转磁场。因此从磁场的作用看，三相绕组所产生的磁场可以用两相绕组所产生的磁场来等效，这是分析电动机运行原理的基本方式。矢量控制中的3/2、2/3变换的计算亦是一种等效计算。将三相电动机等效为两相电动机后，电动机的定子绕组只有两个，而且在空间上互差90°。同样，可以用两相绕组等效多相转子绕组。从几何上看，直流电动机的两套绕组在空间上亦是互差90°，因而变换后的异步电动机具有和直流电动机相类似的绕组结构。

    另外，从产生旋转磁场角度考虑，旋转磁场是交流电流产生的还是由直流电流产生的，这并不影响电动机性能的分析。如果设想它是由直流电产生的，那产生磁场的绕组需要以电动机的同步转速。这时，在控制计算中需要增加旋转变换，即将静止的定子绕组通以交流电产生的旋转变换，并将静止的定子绕组通以交流电产生的旋转磁场等效为由旋转的绕组通以直流电所产生的磁场。旋转变换是矢量控制又一重要变换。

    矢量控制和标量控制的主要区别是，前者不仅控制电流的大小，而且控制电流的相位，而标量控制只控制电流的大小。有关矢量控制的原理在有关专业书籍中有详细的分析。

    矢量控制技术经过近30年的发展，在异步电动机变频调速中已经获得广泛应用。但是，矢量控制技术需要对电动机参数进行正确估算，如何提高参数的准确性是一直研究的课题。如果能对电动机参数（主要是转子电阻R2）进行实时辨识，则可随时修改系统参数。另外一种思路是设计新的控制方法，降低性能参数的敏感性。前几年发展起来的直接转矩控制采用滞环比较控制电压矢量，使得磁通、转矩跟踪给定值，系统具有良好的静、动态性能，在电气机车、交流伺服系统中展现良好的应用前景。