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V/F控制方式是控制变频器输出的三相交流电的电压幅值和频率，并没有对相位进行控制，因此在负载突然增大时，电机速度会变慢，但是变频器的输出频率仍然保持不变。此时电机会产生瞬时失步，从而引起转矩和速度振荡，经过较长时间后，在更大的转差保持平衡，这个回复过程很慢，因此V/F控制适用于控制精度和动态响应要求不高的应用类型。
对于控制要求较高的应用，需要加入相位的控制，此时就需要用矢量控制。矢量控制的基本思想就是将交流电动机经过坐标变换等效为直流电动机，然后参考直流电动机的控制方法进行控制器设计，再经过相应的反变换，进而控制交流电动机。交流电动机模型由于多变量、非线性、强耦合的原因，控制要复杂得多，其转矩控制特性比较差。而直流电动机的励磁和电枢部分可以单独调节，在励磁恒定的情况下，只需控制直流电动机的电枢电流即可实现对电动机转矩的控制，因此具有良好的转矩特性。
西门子公司的工程师F. Blaschke于20世纪70年代首次提出矢量控制理论，其等效变换有以下三个步骤：
1）将交流电动机等效为直流电动机：将交流电动机的三相定子电流 i a 、 i b 、 i c 通过三相-二相变换转换为静止坐标系下的交流电流 i α 、 i β 。
2）对速度、磁场两个分量进行独立控制：将静止坐标系下的交流电流 i α 、 i β 通过磁场定向旋转变换转换为旋转坐标系下的直流电流 i d 、 i q ，其中 i d 即等效为直流电动机的励磁电流， i q 即等效为与转矩成正比的电枢电流。
3）对直流电动机进行变频调速控制：根据直流电动机的控制方法求得直流电动机的控制量，然后进行坐标反变换还原为对交流电动机的控制，将直流电流转换为交流电流，再转换为三相定子电流以完成对交流电动机的矢量控制。等效的交流电动机绕组和直流电动机绕组如图3-12所示。
图3-12 等效的交流电动机绕组和直流电动机绕组
矢量控制是将异步电动机的定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量（励磁电流）和产生转矩的电流分量（转矩电流）分别加以控制，并同时控制两分量间的幅值和相位，即控制定子电流矢量。矢量控制时，对电动机参数的依赖很大，所以必须对电动机做旋转自整定，自整定前，必须设置正确的电动机参数，控制系统是一个以转矩做内环、速度做外环的双闭环系统，它既可以控制电动机的速度，也可以控制电动机的转矩，如图3-13所示。
图3-13 矢量控制的简易功能图
1. 矢量控制和V/F控制切换
开环速度矢量控制也称为不带编码器的矢量控制（Sensorless Vector Control，SLVC），这种控制方式实际磁通量或电动机的实际速度原则上须通过一个电气电动机模型计算得出，该模型借助电流或电压进行计算。在0Hz左右的低频区内，模型无法足够精确地计算出电动机的速度，因此在低频范围内这种控制方式会从矢量控制切换为V/F控制。
V/F控制和矢量控制之间的切换是由时间条件和频率条件（p1755、p1756和p1758）决定的，如图3-14所示。
图3-14 SLVC的切换前提
2. 静态转矩设置
可以拖动电机反向负载的称为主动负载，例如提升机、起升机构等。当主动负载采用无编码器的矢量控制时，因为在零速时为开环控制，在开环控制中模型计算出的速度实际值与设定值相同，因此此时变频器并不输出转矩，因此需要进行静态转矩的设置：p1610静态转矩设定值（无编码器）（出厂设置为50%），以保证变频器在零速时能够输出一个大于负载的转矩，如图3-15所示。
对于主动负载在低速范围内的加速过程，由于开环控制响应较慢，因此也可以依据所需的转矩上限设置加速附加转矩p1611。如果驱动的负载转动惯量几乎保持恒定，请优先使用p1496加速前馈控制这种方法，而不是增大加速附加转矩p1611。驱动的负载转动惯量可通过旋转测量确定。
图3-15 静态转矩设置
本节以西门子SINAMICS G120C变频器为例，简要介绍如何通过西门子驱动调试软件Starter调试无编码器矢量控制的相关参数。SINAMICS G120C是西门子驱动SINAMICS系列的紧凑型变频器，其将控制单元和功率模块集于一体，得益于其紧凑的机械设计和高功率密度，SINAMICS G120C变频器能够内置于控制箱和开关柜中，从而节省空间。SINAMICS G120C变频器融合了多种特性，应用范围广泛，能够实现对交流异步电动机的持续速度控制，可应用于多种工业领域，例如输送带、混料机、挤出机、泵、风机、压缩机以及简单的搬运机械等。SINAMICS G120C变频器产品外形如图3-16所示。
图3-16 SINAMICS G120C变频器产品外形
西门子驱动调试软件Starter用于西门子SINAMICS系列大部分驱动装置的调试，能够实现在线监控、修改参数、本地控制、电机识别和优化、脚本编程、驱动控制图表（DCC）编程、故障检测和复位以及跟踪记录等强大调试功能，将复杂的参数转化为详细的功能图，如图3-17所示，使得从输入到输出的控制流程一目了然，大大提高了调试者的效率，也使得调试者对于变频器内部的控制逻辑有了深入的了解。关于该软件的详细介绍，可参考西门子SINAMICS Starter入门指南。
图3-17 Starter软件中的斜坡函数功能图
对于无编码器的矢量控制的调试可分为以下步骤：
1. 应用类型和控制模式的选择
采用无编码器的矢量控制，首先要选择动态驱动控制（DDC），该应用类型会自动地选择无编码器的矢量控制模式。双击左侧菜单栏的“Configuration”，单击右侧“Wizard”标签，通过配置向导进行应用类型的选择，如图3-18所示。
图3-18 通过配置向导选择应用类型
也可以在应用类型中选择专家模式（Expert），在接下来的控制模式中选择20（无编码器的矢量控制），如图3-19所示。
也可以通过左侧“Expert list”的参数列表，通过参数进行应用类型和控制模式的选择，如图3-20所示，这两种设置方式是相同的。
在参数列表更改应用类型时，需要设参数p10=1，进入快速调试模式，如图3-21所示。
图3-19 配置向导选择控制模式
图3-20 通过参数列表选择应用类型和控制模式
图3-21 修改调试模式
2. 电机数据设置
因为无编码器的矢量控制需要根据电机数据进行计算并建立电气电机模型，因此电机的数据一定要根据电机铭牌设置正确。如前面所示，可以通过配置向导进行电机数据的设置，也可以通过参数列表进行设置，如图3-22、图3-23所示。
图3-22 通过配置向导输入电机数据
图3-23 通过参数列表输入电机数据
（1）电机识别和自动优化
电机铭牌的参数相对于电机模型的建立是有限的，因此变频器还需要通过计算和自动优化等措施获得充足的电机数据以建立正确的电机模型。
主要分为三个步骤：
1）自动计算电机参数：通过已输入的电机铭牌数据，自动计算电机其他相关数据，例如：电机转动惯量、冷态电机定子电阻、冷态电机转子电阻、电机总电感、电机热模型、电机励磁时间、最大电流、最大速度、参考速度和参考电流等。
双击左侧菜单栏“Commissioning”选项下的“Identification/optimization”，通过右侧下拉列表选择“Complete calculation of the motor/control parameters”，如图3-24所示，或者通过修改参数p340=1。
2）电机静态测量：对于无编码器的矢量控制电机模型，定子的电阻尤为重要，而通过铭牌数据估算的定子电阻等数据并不准确，因此需要向电机通电并通入一定电流，测得准确的定子电阻、转子电阻等等效电路数据，如图3-25所示。
图3-24 电机识别的选择
图3-25 异步电动机和电缆等效电路图
与上一步自动计算电机参数相同，在下拉列表中选择“Stationary measurement”并激活，在下一次变频器起动时就会自动进行电机静态测量，如图3-26所示。如果已知电机动力电缆的电阻，最好在静态测量前输入p352，这样会提高无编码器的矢量控制在低速度下的特性。
图3-26 电机静态测量
激活电机静态测量后，变频器会输出报警A7991，如图3-27所示，测量结束后，报警自动消除。在静态测量过程中，电机会通电，并且在变频器输出端子上会有电压，电机轴在检测过程中最多会旋转半圈，测量过程中并不会输出转矩。
图3-27 激活静态测量报警
对于电机的起动，Starter软件提供了控制面板，可以在软件上控制电机的起停，大大地方便了电机的优化，如图3-28所示，当离开控制面板页面时，控制使能信号会自动失效，因此无需担心电机失控。
图3-28 软件控制面板起停电机
3）电机动态测量：通过上面两个步骤，矢量控制的电机模型已经准确建立，但是负载的转动惯量等特性并未测得，因此还需要进行电机的动态测量，又称为电机旋转测量，如图3-29所示，激活步骤与上两步相同。相应的激活旋转测量后，变频器会输出A7980报警，并在下一次变频器起动时执行旋转测量，测量结束后，报警自动消除，如图3-30所示。执行旋转测量时，电机会快速转动，因此应注意操作人员和设备的安全。可以通过参数p1965来设置执行旋转测量时电机的速度，该值出厂设置为40%的额定速度。
电机旋转测量会测定负载的转动惯量，并根据转动惯量设置速度控制器，还会测量异步电动机饱和特性曲线和额定励磁电流，从而明显地改善转矩精度，执行电机旋转测量一般分为两步：
①接入负载前，执行完整的旋转测量。异步电动机空载可以得到更准确的饱和特性曲线和额定励磁电流。
②接入负载后，再次执行速度控制器优化，这样可以基于已经改变的负载转动惯量更准确地设置速度控制器。
当调试时，电机已经接入负载且不方便拆除时，可以执行简化的旋转测量。在电机首次接通时测量出转动惯量、励磁电流和饱和特性曲线。通过设置参数p1959.12=1，激活简化测量，设置p1959.13=1，选择测量结束后直接进入运行状态而不是停止。在简化的旋转测量中，励磁电流和转动惯量的检测精度较低。
（2）设置静态转矩
矢量控制为双闭环控制系统，它的内环为电流环，外环为速度环。电流控制器在初次调试时会自动地设置，能够充分满足大部分应用的需求，正常运行中无需再进行设置。
图3-29 电机旋转测量
图3-30 激活旋转测量报警
在Starting current中进行静态转矩的设置。根据零速时最大负载的转矩来设置p1610，由于开环响应较慢，可以设置一些加速转矩p1611，以提高低速时控制的响应速度，如图3-31所示。
图3-31 静态转矩设置
开环矢量控制相比于V/F控制在任何速度下都有较好的转矩输出，因此广泛应用于一些对转矩输出有一定要求的场合，但是其速度和转矩精度不高，对于速度和转矩精度以及动态响应性要求较高的应用场合还需要用到闭环矢量控制。