磁场定向电机控制发展的历史基础

一个多世纪以来，电动机一直是我们生活中不可或缺的一部分。没有它们，就不会有工业革命，您的生活方式将与您所享受和期望的完全不同。电机通常不为人知，默默无闻，默默地做着许多我们认为理所当然的日常琐事，但它们是系统设计者工具包中的重要元素。

为了说明我的观点，我最近在我家周围进行了一次探索，看看我能找到多少台电动机。我没有计算我汽车中的任何电机，因为我真的不知道如何找到它们，我也没有计算我家庭办公室实验室中的任何电机，因为这会扭曲结果。尽管如此，我还是找到了 114 个电机。从井泵中的 230V 电机到笔记本电脑内的小风扇，让处理器保持良好和凉爽。

虽然电机设计在过去一个世纪没有太大变化，但我们控制它们的方式确实发生了变化。我们可以通过添加电子元件来调节电机的电压来控制电机的速度。然而，多年来，变速应用是有刷直流电机的唯一领域，只需将电子开关与电机绕组串联即可改变电压。但是直流电机有很多包袱，其中最重要的是保持磁场正确对齐所需的电刷和换向器。电刷和换向器不仅会产生大量热量和电噪声，它们的使用还会限制电机的寿命(在某些情况下会相当长)。

交流感应电机没有这些问题。然而，它们几乎只以一种速度运行，这取决于驱动它们的电压波形的频率。如果你想以不同的速度运行交流电机，你可以试着打电话给电力公司，让他们今天给你一个不同的频率。或者……您可以找到一种合成自己的交流波形的方法。

为电机合成交流波形的最早尝试是基于晶闸管的控制器，它利用相位控制来改变提供给电机的交流电压和频率。晶闸管控制器很快被基于 PWM 的设计所取代，从而可以更严格地控制电机波形。这些基于 PWM 的交流驱动器被称为“Volts-per-Hertz”控制器，因为它们产生的正弦波电压波形的幅度与其频率成正比。尽管这种交流驱动器比有刷直流电机驱动器需要更多的电子设备，但电子元件的成本随着时间的推移而下降，最终系统成本变得更具竞争力。

只有一个问题。尽管您可以实现变速控制，但与有刷直流电机驱动器相比，扭矩响应相当迟钝。那是因为没有办法直接控制 Volts-per-Hertz 驱动器中的扭矩。对于给定的速度，您唯一可以调节的旋钮是电机的电压，这不是控制扭矩的有效方法。

开发了 Volts-per-Hertz 驱动器的一种变体(称为滑差控制器)，它可以自动调整电机电压以调节滑差，滑差与感应电机上的扭矩成正比。虽然有些应用对此没问题，但其他应用仍然需要更快的扭矩响应，并且仍然受到有刷直流电机的束缚。但这即将改变。

在 1960 年代末和 70 年代初，西门子的一位名叫Felix Blaschke的研究人员正在试验一些方法，以使交流感应电机实现类似于有刷直流电机的转矩响应。他意识到问题的关键是确定转子磁通的角度。

这并不像您在感应电机上想象的那么容易。转子磁通相对于转子不是静止的。它以称为滑差频率的频率在转子表面滑动。Blaschke 的解决方案包括通过直接在电机上进行磁通测量来确定转子磁通角。其他技术(例如，Hasse，1969)通过测量与通量相关但更容易测量的其他参数间接找到通量角。两种技术都有其优点和缺点，但最终结果是相同的。一旦您知道了转子磁通的角度，您就确切地知道如何调整您的三相电流以瞬时控制转矩。

这种通量角方法被称为矢量控制，因为它涉及实时矢量计算以跟踪旋转通量和电流矢量。请记住，对于 Volts-per-Hertz 设计，目标是控制电机电压，而电机电流是偶然的。但是在矢量控制系统中，目标是控制电机电流，而电机电压是附带的。此外，速度由 Volts-per-Hertz 算法直接控制，但在矢量方程中的任何地方都找不到!随着时间的推移，速度只是您对电机施加的任何扭矩的辅助产品。

矢量控制技术的第一个实现基本上是实验室的好奇心，因为计算能力不以嵌入式形式存在以使该技术可行。但幸运的是，正在开发另一种将永远改变电机控制面貌的技术——微处理器。不久之后，几家制造商开始提供基于微处理器的矢量控制解决方案，涵盖广泛的电源选项。很快，“矢量控制”一词成为高性能、高科技驱动的代名词。后来，创造了一个不那么含糊且在技术上更精确的术语：“面向场的控制”。

磁场定向控制是一种高性能的电机控制技术，对各种应用越来越有吸引力。