克拉克变换

发布时间 2023-04-17 15:33:58作者: 扰扰

克拉克变换

  我们知道,交替开关的MOS管可以实现电机的转动,而这些交替开关的MOS管是以极其快的速度在周期性进行的,把这些周期性的开启和关断过程联系起来,并且对其各个相进行单独观察,就可以得到三个相A、B、C的电流随时间变换的曲线,如下图所示,他们之间存在120°的相位差。

 

  换一个角度来思考此问题,实际上,我们只要能够控制这个相位差为120°的sin状波形,就能够实现针对电机的控制。

  而克拉克变换就是实现这个波形控制的第一步。

3.1-2

  克拉克变换里的克拉克是一个真实存在的人 ,她的全名叫:伊迪丝·克拉克(Edith Clarke,1883 年 2 月 10 日 - 1959 年 10 月 29 日)。她是美国第一位专业从事电气工程师工作的女性, 也是美国第一位电气工程女教授。 她是第一位在美国电气工程师学会发表论文的女性,第一位专业地位得到 Tau Beta Pi 认可的女性工程师,也是第一位被任命为美国电气工程师学会院士的女性。 她专门从事电力系统分析,并撰写了交流电力系统的电路分析。

  接下来我们来看一看这位传奇女性所提出来的克拉克变换。

  我们知道,虽然说是要控制120度的sin状型波形来实现电机控制,但是只要仔细想一想,就会知道这个波形其实是极难控制和改变参数的。首先相与相之间是相互耦合的,MOS管一打开就会至少同时打开两个相,所以只想改变一相来实现电机控制是肯定不行的,必须得三相捷联起来一起改变,才能够实现电机的控制。所以,实现电机控制的问题就会变成很复杂。

  显然,人的本性不容许我们把问题进一步复杂化,因此,我们需要对这个问题进行降维,尽量把这个多变量耦合的问题降解为最好是单一变量的控制问题,克拉克变换就是想做这件事。

  所谓克拉克变换,实际上就是降维解耦的过程,把难以辨明和控制的三相相位差120°电机波形降维为两维矢量。

  它的思路其实特别的简单,第一就是把三相随时间变换的,相位差为120°的电流波形抽象化为三个间隔120°的矢量。

  第二就是利用三角函数对矢量进行降维,降维到两个坐标轴,从此复杂的三相变化问题就降解为了α-β坐标轴的坐标上的数值变化问题。

 

  上图中,左边是我们把三相120度相位差的sin状波形抽象化为矢量之后的样子,而右边就是我们需要把这三个矢量进行投影的坐标轴。只要我们把三个矢量都投影到坐标轴上,那么,一个三矢量问题就变成一个二维坐标平面问题。

  下面我们来进行一次投影过程的详细推导。

  万恶之源的开始,就是三角函数:

 

 
显然,针对α-β坐标系中α轴,有:

 

  针对α-β坐标系中β轴,有

  把上面的投影结果列成矩阵形式,有:

 

  这就是克拉克变换的第一步,作投影。

  上面的步骤都很简单,但是我们会发现,往往最终论文或者资料上克拉克变换的体现形式都不是上面这样子,而是会加上一个系数,如

23232323[����]=23[1−12−12032−32][������]32

(等幅值变换系数),或者32(等功率吧变换系数)。分别对应两个变换方式,分别为等功率(系数:32)变换方式和等幅值(系数:32)变换方式。这里仅讨论等赋值变换加上系数后,原本的投影式变为:[IαIβ]=32[1021232123]iaibic

  这就是克拉克变换的等辐值形式。

  何为等幅值变换?用α相电流输入1A电流的特例来举例,当电流输入时候,根据基尔霍夫电流定律(电路中任一个节点上,在任意时刻,流入节点的电流之和等于流出节点的电流之和,如下图),有:

��+��+��=0ia+ib+ic=0  设定
 
������12[������]=[−11212]������[����]=[1−1212032−32][������]=[1−12−12032−32][−11212]=[−320]−323.1-5ia为-1,则根据上面的式子,有ibic21,列成矩阵形式后,如下所示:iaibic=12121  将这个ia,ib,ic的参数带入到我们上面的 直接投影式子中,得到:[IαIβ]=[1021232123]iaibic=[1021232123]12121=[230]  这就看出问题了,显然,尽管矢量a与α轴重合,但是由于b,c相电流投影的存在,导致在a相输入1A电流,反应在α轴上的电流并不是等赋值的1A,而是23

  因此,为了让式子等辐值,即使得a相1A时,反应在α轴上的电流也是1A,我们就得乘上系数

2323[����]=23[1−12−12032−32][−11212]=23[−320]=[−10]32,针对上面的投影式乘上32后,式子变换为:[IαIβ]=32[1021232123]12121=32[230]=[10]

  这就是克拉克变换的等幅值表现形式。

  基于等赋值变换,我们就能够得到α、β相位与

������[����]=23[1−12−12032−32][������]ia,ib,ic的关系,已知等赋值变换式:[IαIβ]=32[1021232123]iaibic

  移项

��=23(��−12��−12��)��=23[��−12(��+��)]Iα=32(ia21ib21ic)Iα=32[ia21(ib+ic)]

  又根据上面所提到的基尔霍夫电流定律:

��+��+��=012��=−12(��+��)��=23[��+12��]��=23×32����=��ia+ib+ic=021iaIαIαIα=21(ib+ic)=32[ia+21ia]=32×23ia=ia

  通过上述步骤,成功推导

��=������=23×(32��−32��)=33×(��−��)=13×(��−��)Iα=ia。 进一步的,可求Iβ,已知:Iβ=32×(23ib23ic)=33×(ibic)=31×(ibic)

  又根据上面所提到的基尔霍夫电流定律:

��+��+��=0��=−(��+��)��=13×(��−��)=13×(��+��+��)=13×(2��+��)ia+ib+ic=0icIβ=(ia+ib)=31×(ibic)=31×(ib+ia+ic)=31×(2ib+ia)

  综合上述步骤,我们已经得到了列出

����������{��=����=13×(2��+��)ia,ib,ic电流与Iα,Iβ电流的关键关系式,总结如下:{Iα=iaIβ=31×(2ib+ia)

  可以看出,在式子中,我们消去了变量

��ic,这是因为由于基尔霍夫电流定律的存在,我们并不需要知道所有三相电流,我们只需要知道两相电流就能够求解得到另外一相的电流,反映在硬件上,我们就可以省去一路的电流传感器!节省了成本!