搞电机的,尤其是搞电机控制的,没有没听说过Park变换和Clark变换的。哪怕已经忘了具体是咋操作的。就像学过微积分的,没人没听说过牛顿莱布尼茨公式的,哪怕已经忘了具体公式是啥的。
网上搜索Park变换,内容很多,参差不齐,有些讲不透彻,有些上来就用公式吓人,甚至有些还给人以误导。
为啥会出现这两个变换?
按理说还不知道这两个变换到底是啥的时候问这样的问题有点坑人。
我们以近来非常火的电动汽车的驱动电机为例,看看我们对电机都有什么样的要求和我们能给电机提供些什么。
要求:
①挂档踩油门能走。这里已经有个复杂的过程,从零速到有速度。
②踩油门能加速。速度有变化。
③到目标速度,可以基本稳定在这个速度下。
④遇路口踩刹车可减速。
⑤遇红灯踩刹车能刹停。
⑥再起步想要提速快。
⑦还能倒车。
能给的:
油门、刹车。其实就是给了电机电压,以基波来说,幅值,频率,相位。而且幅值频率还有一定限制:电压不会超过一定的值,同时电流也不会超过一定的值,频率也不会超过一定的值。
从你车库起步到你到单位,如果又有堵车,驱动电机可能就一直在变化着工作状态。
电机学里我们学到的几乎都是电机的稳态运行,各种等效电路都是只适用于稳态条件(steady-state condition)。对于这些非稳态,暂态(transient conditon),它们有什么样的表现?百公里加速满足你要求没?是不是一脚油门下去,推背感就来了?
这些都涉及到电机控制,过程还涉及系统的非线性,电机的动态性能(dynamic performance)非常复杂。定子上给三相电,转子做出反应,光是定子的电还不能完全决定转子如何反应,转子还受制于负载情况。
过程得用微分方程偏微分方程来描述,过程参数可能还随时间变化。它不是你对我好我对你好的问题,它可能是你对我好我要迟点对你好的问题,也可能是你对我好我还挺烦的问题。好在电机控制不是不可捉摸的,它有张可循,哪怕非线性,只要有测量有反馈,结果不会超过预期太多,精度要求内可接受。
电机控制比较流行有矢量控制(vector control),又叫磁场定向控制(field oriented control),要理解FOC,必须先理解d-q 模型,d-q model。
电机,定子绕组不动,定子里通上对称的交流电,转子相对于定子在动,定转子就建立了电磁关联。对于定子,我们可以建立它的ds-qs 模型,对于转子,我们可以各自为政,也以它自身为参考,建立转子的dr-qr 模型。只是随着转子的转速、位置不同,这种关联参数就会变化,比如绕线转子,转子与定子之间位置不同,互感就不同,更不要说凸极同步电机,位置不同,自感、互感都会有变化。要是把这种关系直接描述出来,就是参变微分方程,处理起来非常复杂。
为了解决参数变化的问题,聪明人R.H Park,1920代,提出了将同步电机定子上的量(电压、电流、磁链),变换到与转子转速一样的坐标系上。转子在动,就是用转子的眼光看待定子。这就是帕克变换(Park's transformation),经此变换,在电压方程里可以消除时变参数。
1930年代,H.C.Stanley估计是受帕克的影响,照方抓药,提出了将异步电机转子上的量(电压、电流、磁链)变换到静止的定子坐标系上,在电压方程里可以消除时变参数。
工程上就是这样,既然你们可以这样搞,后来G.Kron干脆把定子、转子上的都转换到与旋转磁场一样转速的坐标系上。
D.S.Brereton提出将定子上的量转换到转子坐标系上。
Krause和Thomas后来证明,将定子和转子上的量(电压、电流、磁链)变换到任意转速的坐标系上,都可以消除电压方程里变化的电感参数。
那克拉克变换又是个什么鸟?
克拉克变换是指将三相量(三轴)变换到静止的d-q轴上。
够乱够头大吧?
有些人介绍这些变换时,就上深度了,讲线性变换,逆变换,等幅变换,等功率变换等等。
其实都是先定原则,即用谁的眼光看,然后是操作,就是列一堆三角函数关系,方程组,最后发现在某种坐标系下问题得到了简化,是结果看起来简单,但过程并不简单。有结果了谁他妈在乎过程呢。
好,我们看看到底是怎么变换的。过程冗长,保持耐心。
1.d-q轴是什么鬼?
不管是定子还是转子,磁场轴线为Direct axis,d轴,直轴。与磁场轴线垂直的轴,叫Quadrature axis,q轴,交轴。
注意,这里的垂直是指电角度垂直。一对极时,电角度与机械角度对应得上,多对极时,电角度要是机械角度乘以极对数。
相互垂直就有个坐标轴摆放的问题,谁在前谁在后?那不就是个规则的问题吗?定了就完了,后面遵守规则就完了。q轴在前,d轴在后。后面上图一看就明白。
2.三轴变静态dq两轴。
三相对称定子,以两极为例,abc三相绕组空间120度布置,决定了3个轴,将电压、电流、磁链变换到静止的d-q两轴。以电压量为例。
两个坐标零点肯定重合,d-q轴怎么放呢?找个参考就好了呀,以a相为参考,q轴超前θ角。