FOC之clark变化推导笔记

本文解析了Clark变换如何从三相正弦信号中分离出D轴和Q轴电流,重点介绍了等幅值变化下的转换公式和123公式,并探讨了其在电机控制中的应用。

如下图

FOC的目的就是 从三相正弦信号中解耦出角度信息和幅值信息,
而幅值信息又分为D轴电流,负责磁场部分,Q轴电流,负责转矩部分。

那么clark变换就是解耦出DQ的第一步 ,为了得到Iα和Iβ的电流
在这里插入图片描述

可以看到,clark就是把abc电流变换成α和β电流,
原理就是矢量分解,也就是abc往α和β轴方向投影(垂直)的长度

由于FOC是等幅值变化,例如Ia变换成Ialpha,幅值是1比1,公式推导中出现了3/2,然后需要乘上一个2/3系数。

也有等功率变换,这里我们不讨论 ,给出一个 链接,这里有解释:
https://blog.youkuaiyun.com/daidi1989/article/details/89926324

然后就出现了图中的123公式。

### 等功率克拉克变换的数学推导与理论解释 克拉克变换Clark Transform)是一种将三相交流信号转换为两相静止坐标系下的直流分量的技术[^1]。在等功率克拉克变换中,确保变换前后功率守恒是一个关键目标。以下是关于等功率克拉克变换的数学推导及其理论解释。 #### 1. 克拉克变换的基本公式 三相系统中的电压或电流可以表示为 \( u_a, u_b, u_c \)。克拉克变换的目标是将其转换为两相坐标系下的分量 \( u_\alpha, u_\beta \),并满足功率守恒条件。基本公式如下: \[ \begin{bmatrix} u_\alpha \\ u_\beta \\ u_0 \end{bmatrix} = \frac{2}{3} \begin{bmatrix} 1 & -\frac{1}{2} & -\frac{1}{2} \\ 0 & \frac{\sqrt{3}}{2} & -\frac{\sqrt{3}}{2} \\ \frac{1}{2} & \frac{1}{2} & \frac{1}{2} \end{bmatrix} \begin{bmatrix} u_a \\ u_b \\ u_c \end{bmatrix} \] 其中: - \( u_\alpha \) 和 \( u_\beta \) 是两相坐标系下的分量。 - \( u_0 \) 是零序分量,通常在对称三相系统中为零。 #### 2. 等功率克拉克变换推导 为了实现等功率变换,需要保证三相系统的总功率等于两相系统的总功率。三相系统的瞬时功率可以表示为: \[ P_{\text{three-phase}} = u_a i_a + u_b i_b + u_c i_c \] 经过克拉克变换后,两相系统的瞬时功率为: \[ P_{\text{two-phase}} = u_\alpha i_\alpha + u_\beta i_\beta \] 通过矩阵变换,可以证明 \( P_{\text{three-phase}} = P_{\text{two-phase}} \)。具体推导如下: 令电流分量 \( i_a, i_b, i_c \) 经过克拉克变换后得到 \( i_\alpha, i_\beta \),则有: \[ \begin{bmatrix} i_\alpha \\ i_\beta \\ i_0 \end{bmatrix} = \frac{2}{3} \begin{bmatrix} 1 & -\frac{1}{2} & -\frac{1}{2} \\ 0 & \frac{\sqrt{3}}{2} & -\frac{\sqrt{3}}{2} \\ \frac{1}{2} & \frac{1}{2} & \frac{1}{2} \end{bmatrix} \begin{bmatrix} i_a \\ i_b \\ i_c \end{bmatrix} \] 将电压和电流的克拉克变换公式代入功率表达式,并利用矩阵运算可以验证功率守恒条件[^1]。 #### 3. 数学验证 假设三相系统是对称的,即 \( u_a + u_b + u_c = 0 \) 且 \( i_a + i_b + i_c = 0 \),此时零序分量 \( u_0 \) 和 \( i_0 \) 均为零。因此,功率表达式简化为: \[ P_{\text{three-phase}} = u_a i_a + u_b i_b + u_c i_c \] 经过克拉克变换后: \[ P_{\text{two-phase}} = u_\alpha i_\alpha + u_\beta i_\beta \] 通过代数计算可得 \( P_{\text{three-phase}} = P_{\text{two-phase}} \),从而验证了等功率变换的正确性。 #### 4. 应用意义 克拉克变换在永磁同步电机(PMSM)控制中具有重要作用,能够将复杂的三相交流信号转换为易于处理的两相直流分量,从而实现磁场定向控制(FOC)。此外,等功率特性确保了能量守恒,提高了控制系统的效率和稳定性[^1]。 ```python import numpy as np # 定义克拉克变换矩阵 T_clark = (2/3) * np.array([ [1, -0.5, -0.5], [0, np.sqrt(3)/2, -np.sqrt(3)/2], [0.5, 0.5, 0.5] ]) # 示例三相电压 u_a, u_b, u_c = 1, -0.5, -0.5 # 转换为两相坐标系 u_alpha_beta_0 = T_clark @ np.array([u_a, u_b, u_c]) u_alpha, u_beta, u_0 = u_alpha_beta_0 print(f"u_alpha: {u_alpha}, u_beta: {u_beta}, u_0: {u_0}") ``` ###
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