為何需要向量控制？向量控制用在什麼馬達？
向量控制有哪些特性？我們怎麼實現向量控制？
首先，我們從馬達轉動的物理基礎——弗萊明左手定則開始講起，
瞭解了弗萊明左手定則以後，我們介紹交流馬達的主流控制策略——向量控制，
以及向量控制針對不同馬達的重要性，
最後以實現向量控制的基本硬體架構作結。
本篇為《電力電子學圖鑑》的學習整理，
如果有興趣的朋友可以去看看，並從中瞭解到更多生活中電力電子學的應用。
一、弗萊明左手定則
弗萊明左手定則即：當電流通過一個磁場時，會在與電流方向和磁場方向都垂直的方向上產生一個力。
這個力的方向可以用弗萊明左手定則來確定：
當左手的食指指向磁場方向，中指指向電流方向，則大拇指指向的方向就是力（轉矩）的方向。
最明顯的例子就是直流馬達，因為在直流馬達中，
磁場通常由永磁體或電磁鐵產生，而電流則通過馬達的定子或轉子線圈。
當這個電流在磁場中流動時，根據弗萊明左手定則，
它會經歷一個垂直於電流和磁場的力，這個力使馬達的轉子旋轉。
在直流馬達的操作中，由於電流和磁場的方向相對固定，
所以產生的力（轉矩）的方向也相對固定，這使得轉矩的方向和效果非常明顯。
這與交流馬達的情況不同，在交流馬達中，電流和磁場的方向會隨著交流電源的頻率而周期性變化。
總而言之，弗萊明左手定則說明了電流、磁場和力量方向之間的關係，
這三者之間呈現90度的正交角，是電磁學的一個基本原理，適用於所有馬達。
在馬達中，這種正交關係特別重要，因為它影響著馬達的轉矩和效率。
在理解了馬達轉動的物理基礎以後，
我們直接介紹現代交流馬達的主流控制策略：向量控制。
二、向量控制
向量控制，也被稱為矢量控制或場向量控制，
是一種用於交流（AC）馬達，特別是在感應馬達和永磁同步馬達中的控制策略。
為何需要向量控制呢？
因為向量控制使交流馬達的控制性能接近直流馬達，
克服了交流馬達在傳統控制策略下的一些限制，如非線性特性和控制複雜性等。
因此，在現代馬達控制系統中向量控制的角色十分關鍵。
向量控制的原理
在向量控制中，
我們通過調整電流在轉子磁場定義的d軸（磁通軸）和q軸（轉矩軸）上的分量，
來分別控制磁通量和轉矩，
以確保馬達的轉子磁場與流經定子繞組的電流相互正交，形成90度角。
這種正交關係允許我們根據電磁作用力的原理最大化轉矩的產生，
從而實現高效的驅動效果。
公式上來說，轉矩 τ 可以表示為：
τ=K×I×B×sin(θ)
其中 K 是比例常數，I 是電流，B 是磁場強度，而 θ 是電流與磁場之間的角度。
當 θ=90° 時，sin(90°)=1，所以轉矩達到最大值。
向量控制使馬達能夠以最高效率運行，同時提供所需的轉矩和速度性能，
因此有高精密度與高反應性等優點。
向量控制中的座標變換
在這種控制策略中，馬達的三相系統被轉換成兩個互相垂直的軸——d軸（直軸）和q軸（交軸），此即座標變換。
這種座標轉換允許我們將馬達的動態行為分解為兩部分：
一部分是與磁通相關（d軸），另一部分是與產生轉矩相關（q軸）。
調整電流的相位角，實際上是在調整電流在d軸和q軸上的分量。
這種調整使得控制系統能夠分別獨立地控制馬達的磁通和轉矩。
舉例來說，其中一種最大化轉矩的方式，就是讓電流僅沿q軸流動，
則電流與磁場的角度為90度，電流與磁場的作用力得以最大化。
關於此座標變換的影片講解，可見以下：（影片時間2:26~5:54）
向量控制對於不同馬達
向量控制對於永磁同步馬達、無刷直流馬達、感應馬達的重要性不同，原因如下：
- 永磁同步馬達（PMSM）：簡單來說，因為定子產生的旋轉磁場需要與轉子的磁場保持同步，所以PMSM通常需要向量控制來精確控制磁場和電流的關係，從而精準地控制轉矩和速度。這種控制策略要求同時調節馬達的d軸（磁通）和q軸（轉矩）電流，確保馬達運行高效且有很好的性能表現。舉例來說，通常會將d軸上的電流調整為零或一個固定值，以避免干擾轉子的永磁體磁場，同時通過調節q軸上的電流來控制轉矩的產生。如果沒有向量控制，PMSM將無法實現其設計的高性能和精準的控制特性。
- 無刷直流馬達（BLDC）：BLDC馬達通常使用六步或三步換相，這是一種比向量控制簡單的控制策略。它不要求同時對磁通和轉矩進行精細調控，因此雖然向量控制可以提升BLDC的性能，但並非必需。BLDC馬達可以在較簡單的開關控制下運行，但使用向量控制可以改善其性能，如提供更平滑的轉矩輸出和更好的速度控制。
- 感應馬達（異步馬達）：感應馬達可以在沒有向量控制的情況下運行，但它們的性能會受限。傳統上，感應馬達使用V/f控制，在這種情況下，馬達的速度控制不如向量控制下那麼精確。對於要求高性能應用，如需要精確的速度和轉矩控制，向量控制可以提供更好的結果。
總之，向量控制是為了提供精準的控制和提升馬達性能，
特別是在要求動態響應快和控制精度高的應用中。
對於PMSM和高性能應用的感應馬達，向量控制是非常重要的。
而對於BLDC，雖然它可以在沒有向量控制的情況下運行，但採用向量控制可以進一步提高其性能。
三、實現向量控制的基本硬體架構
進行向量控制時，逆變器的角色至關重要，它負責控制電流向量的大小和方向。
為了準確實現這一點，就如同我們在永磁同步馬達中提到的：
使用旋轉編碼器或霍爾效應感測器等感測器，以實時監測轉子的位置和速度。
接著，憑藉對轉子位置和速度的精準監測，
我們來調整逆變器，以產生具有適當頻率和相位的電流。
如圖，總結向量控制所需元素如下：
- 逆變器：將直流電源轉換成可變頻率、可變相位的交流電源，用於驅動馬達。
- 馬達：通常是一個永磁同步馬達（PMSM）或感應馬達（IM），需進行精確控制的目標設備。
- 轉子位置感測器：如編碼器或解析器，提供轉子確切位置的即時回饋。
- 控制電路：通常是一個微處理器或數字信號處理器（DSP），負責執行向量控制算法，如轉換、調變和反饋控制等。
- 電流感測器：用於測量馬達繞組中的實際電流，提供精確的電流回饋給控制單元。
控制電路尤其關鍵，它會根據轉子位置感測器的數據，
調整逆變器輸出，以確保電流向量正確地對齊於轉子的磁場，
從而實現有效的轉矩產生和速度控制。
四、重點整理
我們從弗萊明左手定則出發，
通過對弗萊明左手定則的基本了解，我們接著介紹更進階的向量控制，
最後以向量控制的運作機制作結。
以下為本篇的重點整理：
1. 弗萊明左手定則
a. 弗萊明左手定則闡明了電流、磁場、和力（轉矩）三者之間的互動關係，其中力的方向由左手的食指（磁場方向）、中指（電流方向）和大拇指（力的方向）的排列來確定。
b. 直流馬達是該定則影響最為明顯的案例，因其電流和磁場方向固定不變，產生的轉矩方向和效果易於觀察和預測。
c. 這個定則為理解所有類型的馬達（無論直流或交流）如何產生轉矩提供了基礎。
2. 向量控制
a. 向量控制是對AC馬達，尤其是感應馬達和永磁同步馬達的一種先進控制策略。
b. 控制策略包括將三相系統轉換成兩個直交軸——d軸和q軸，並獨立調節每軸上的電流，分別控制磁通和轉矩。
c. 正交性使得按照電磁力原理最大化轉矩成為可能，從而提高了驅動效率和性能。
3. 實現向量控制的基本硬體架構
a. 逆變器在執行向量控制時扮演關鍵角色，負責精確調節電流向量以同步電流與轉子狀態。
b. 需要旋轉編碼器或霍爾效應感測器等感測器來實時監測轉子位置和速度，以及相應地調整逆變器輸出。
c. 向量控制的實施需要逆變器、馬達、位置感測器、控制電路、電流感測器的協同工作，以達到精確控制馬達的目的。
這些點整理了弗萊明左手定則的基本概念、向量控制的策略和原理，
以及實現向量控制硬體架構所需的主要元素，
為進一步深入理解馬達控制和動力系統設計提供了基礎。