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01 矢量控制概述
1.1 引言
矢量控制是当前交流驱动系统所采用的主流控制算法。其在高转矩控制精度，宽调速范围，容量从几瓦到上百兆瓦的驱动系统中是无所不在，与我们的衣食住行紧密的联系在一起：比如全自动化的纺织机械；包装食品行业的流水线；冶金行业的轧机；高铁的牵引系统等等，所以了解熟悉驱动系统的矢量控制原理对于各类工业现场的工程师来讲是十分必要的，正所谓“知其道，懂其妙”！
西门子变频器提供了丰富驱动控制算法描述的手册：
S120功能手册：https://support.industry.siemens.com/cs/ae/en/view/109781535
S120参数手册：https://support.industry.siemens.com/cs/ae/en/view/109781807
结合相关资料，西家传动推出矢量控制系列话题，带您进入西门子变频器驱动控制世界！
02 矢量控制的本质
2.1 电磁场力与机械力
在驱动系统中主要的控制对象是电机，电机正是工业现场机电能量转换介质。我们可以通过复杂的电磁理论来讨论问题，可是我们更愿意用异性相吸来看待它——电机的能量转换是由定子产生的磁场与动子产生的磁场的相互作用力形成的机械运动来实现的。当然，其机械运动的形式，是旋转的还是直线的，决定于定子与动子的机械结构。有图有真相，小编上图：
图1-1 旋转电机的定子磁场与动子磁场的电磁力及相对机械运动关系
这里有人会问，定子或动子磁场咋画个箭头？岂不是有方向了？！磁场在电机应用上来讲，是一个二维物理量：量的大小及方向。对于具备方向的物理量将其定义为矢量。通过数学来表达矢量：
代表矢量，而
代表幅值大小，相对于矢量的概念，这就是标量；θ为相对于某一坐标系的空间位置。对于这个参考坐标系的选择将是矢量控制探索之路的下一个驿站。两块磁铁之间的吸引力的大小很大程度上决定于磁场的强弱以及相互的空间的位置，直观感受上，显然，在平面空间中，当动子与定子的磁场完全重合时基本不产生任何磁吸力；当正交（相互垂直）时将产生大的吸引力，定子机械上相对于大地是静止的，那么当吸引力大于转子上的负载力（力矩）时，转子将在力（力矩）作用下发生机械运动。说了这么多，上硬菜——电机力矩统一公式：
表示动子和定子产生的电磁力（或力矩），也是个矢量，其方向由左手定则决定；
表示动子的磁场矢量；
表示定子的磁场矢量。
运算符是数学家为描述上面力（力矩）产生过程的描述的一种表达，数学上称之为矢量积运算。对于电机来讲，由于其运动形式基本固定——旋转或直线等，那么其力或力矩的方向对应其运动趋势，关系（1-1）中的力（力矩）方向是确定的，矢量积运算规则：
的量大小计算为
，就有如下力（力矩）大小的标量计算公式：
图1-2 旋转电机动子磁场与静止磁场的空间的位置关系φ
至于定子磁场投影于动子磁场（如图），后续给大家介绍。
同时附加电机的机械运动方程（标量方程，原因是运动方向确定）：
，表示负载力（力矩）；
表示摩擦力（力矩）；
表示包括电机在内的机械惯量；
表示加速度。03 结束语
至此，电机的机电方程就建立起来的，简单明了吧！需要注意的是：这个是电机统一力矩公式，无关电机的类型——异步、同步等等。
很多同学来质疑了：有了公式（1-2）和（1-1）我们是否就能纵横天下了？那西门子变频器手册里为啥有成百上千个与矢量控制相关的参数？为此，在接下来的推文中会陆续推出西门子变频器在矢量控制算法中所体现出的博大精深之处，从电机统一公式入手逐渐给大家介绍有关矢量控制的坐标系及其变换，等效电路，标幺值系统，不同的电机类型选择不同的磁场定向方式，编码器系统对于矢量控制的意义，无编码器运行问题，模型切换的概念，低频运行的力矩特性，与SVPWM矢量调试算法的结合等相关议题。敬请期待！
04 参考文献
【1】SINAMICS – Low Voltage Engineering Manual
【2】SINAMICS S120 - List Manual
【3】SINAMICS S120 – Function Manual
【4】SINAMICS S120 – Commissioning Manual
本文摘自：网络
