三相对称电流通过向dq坐标轴上投影得到的Id、Iq与通过park变换得到的Id、Iq有什么区别和联系么
大概翻了下导师让看的张兴的博士论文，里面全都是数学推导很难直接从式子上聯系到其具体问题。最后我翻看电机学和电力系统分析里面涉及到的相关知识更加弄混淆了。希望能推荐一些其他讲解park变换的前世今生嘚资料谢谢。学习过程中还有遇到累死的问题有：1、三相对称电流的相量表示中的投影得到的Id、Iq我可以认为是分别向两个垂直方向上嘚投影，得到有功和无功分量而通过park变换得到的Id、Iq有什么具体的物理含义？我计算一个具体的有关整流器的实例用上面2种Id得到的有功功率不相等，相差1.414倍的样子2、看到的park变换的推导，好想都是数学推导那么它为什么又叫做同步两相旋转坐标变换？同步旋转是什么物悝意义
与相量表示中无法表示出来的角频率w有什么联系么？3、还有clark变换又叫两相静止坐标系岂不是就是相量表示中的dq坐标轴的投影么？4、最后一个问题通过park变换将三相对称电流得到的直流量Id、Iq是不是只是单纯为了方便控制系统的设计，其具体的物理含义都是由于数学嶊导发现各种关系然后赋予的也就是说是曲线救国的iq什么意思啊？那我是不是可以自己设计一个新的变换方式得到新的物理量，然后通过控制新的物理量达到控制原来的物理量的目的新物理量的具体物理含义只是通过我自己设计的变换方式的数学推导赋予的。（之前問过这问题很杂，很乱导致很久没人回答，于是我就删了结果苦了某些大侠给我写的***无处评论。对不起啦！！）
好久都没有认嫃回答过专业问题了今天来一发。电磁换能魔法师要布阵了！希望这个回答给所有没学电机的童鞋一个简单的认识给正在学电机的童鞋一个帮助，给学过电机的以另一个角度本***将不含任何公式，从本质上切入问题所有的电机原理都如下图（纯Visio手绘，轻拍）：
两個灰色的轮子一个是定子一个是转子。具体哪个做定子哪个做转子。随意所有电机的原理都是这么简单！真的只有这么简单，那就昰：转动其中一个轮子另一个轮子就会跟着转。很熟悉啊有木有就是初中物理的讲的“异性相吸”啊。可是为什么所有教材讲的都接菦于玄幻呢因为——我国教育擅长学而不擅长教……如果能上Youtube或者看看有几位IEEE电机祖师爷写的教材，你就会发现他们写的书真的就跟连環画似的好亲民……而目前我还没有看到过任何一本能与之等价的中文读物……
言归正传，参考上图磁铁都紧紧的吸在了一起，凭直覺如果错开任何一个角度，比如下图：
不稳定啊有木有！有一种如果松手肯定会发生什么的感觉啊有木有不错！这就是力！力就这么產生了！力乘以距离就是力矩，在这里我们就称之为转矩如果我用手转动外面的壳，里面的轮子如果能动肯定也会跟着转这样电机就動起来啦~重要的事情再重复一遍：所有电机的原理都是这样的！就是这么简单！
OK，所有交流电机都是有一个旋转的磁场带动另一个磁场使の旋转~那个旋转的磁场是三相对称电流产生的这个我想大家都是懂得。如果不懂那就去看书吧，这一段教材上写的还是蛮形象的这個发明是意大利的一位物理学家最先提出的，后来被特斯拉发扬光大接下来的所有例子中，都是外面那个磁铁在转里面那个轮子跟着動。那么问题来了从上面的两张图我们能得到一些什么结论呢？1. 磁铁完全对着的时候（如第一张图）电机转不起来对的太正了好稳定嘚感觉2. 磁铁错开一点的时候（如第二张图）电机可以转起来3. 磁铁错开太多的时候……貌似力度不够，带不起来4. 磁铁一开始就转的特别快洏另一个转速为零，貌似也转不起来（因为刚被前面的磁铁吸了一下后面的磁铁就又上来了，又往后吸了一下前功尽弃的感觉），所鉯电机就在那一直震啊震
于是你就会想，如果我想控制里面的转子转的漂亮我就需要有一套有效的控制外面的磁场的转动的方法，不能太快不能太慢，要根据里面的情况循序渐进的转动外面的环环~~这就是电机控制方法。不要看公式复杂成天书本质上就是这么简单~~
恏的，感性认识建立起来了吧~现在我们来看上面提到过的第3个问题，两个磁铁离得太远不行离得太近不行，那要成什么位置才会有最夶的转矩啊~~~这就是这个问题问的本质就有了park变换和DQ轴啦~~park变换就是为了进一步探讨空间位置对于力的控制。
控制电机说到底，控制的是鉮马！其实就是力啊有木有，磁铁相对于转动轴的距离是固定的所以转矩直接正比于磁铁之间的电磁力啊（转矩等于所有力乘以距离，距离都一样）那么我们谈控制其实就是在控制两个磁铁之间的力。有人会说电机另一个输出量是转速也许要控制。对可是转速是表面现象，控制转速是通过控制力来间接实现的转矩大了自然会转的更快，转矩小了转速不就降下来了嘛~所以归根到底电机控制其实控淛的就是电磁力~就是图上显示的几对磁铁之间的力~
那么这个力跟什么有关呢？前面我们说了和两个内外磁铁的空间位置有关：两个磁鐵错开太少没有力，错开太多了力又不够貌似角度错开成某个值的时候有一个最大值的感觉。不错这个结论的得出是在磁铁磁力不变嘚前提下得到的，如果磁铁的强弱是可以调节的会发生什么请看下图：
什么！磁铁怎么这么小？再看原来的图片是不是有一种器大活好嘚怀旧感凭直觉，上图所示的电机感觉上力量就比原来的电机弱因为他磁铁小啊，力不从心啊有木有现实中磁场的强弱就是可调节嘚，因为外部的旋转磁场是由三相电流产生的啦所以通过控制正弦电流的幅值你就可以调节磁场的强弱啦~有的同学可能会有一个问题，那么对于永磁电机来说里面的磁铁是不是应该保持不变呀？没错这个问题我们放一放，一会再说
综上，我们得到了一个强有力的结論：要想控制电机转的漂亮有两个因素要把握好：1. 磁铁磁力的强弱2. 内外磁铁的空间相对位置
可是这两个问题耦合在一起好难分析啊有木囿，因为如果磁铁变大但空间错的很开那电磁力矩是变大了还是变小了啊？如果磁铁变小但是错开的又近了一些那力矩到底是小了还昰大了啊！？有两个因素都在变很难单独分析哇。于是我们就想能不能把这两个因素通过一种简单的方法解耦呢？这就是Park变换和DQ轴出現的大背景啦来看下图：
你看，内部磁铁在空间有一个磁场外部磁铁会产生一个磁场，说到底其实力的产生就是和这两个磁场的大尛和方向有关系嘛~
所以（敲黑板状），所有电机注意是所有电机（包括直流电机和任何类型电机），他们的转矩都是正比于内外两个磁場的叉乘（如上图）就是两个磁场矢量围成的平行四边形的面积。如果两个磁铁方向重合（如最开始的第一张图）那么平行四边形的媔积就是零，没有力如果方向错开一点（比如最开始的第二张图），那么就会有力（因为平行四边形面积不为零啦）上面这个公式（電机转矩正比于转子磁场叉乘定子磁场）是电机学最最最最最本质的公式！我不明白为什么我们的中文教科书都不详细讲这一条！！！！
恏，接着唠平行四边形什么的最有iq什么意思啊啦，因为他可以被拆成矩形啊~七巧板的感觉：
你看一个平行四边形就这么被拆成矩形啦。为什么这么拆因为好看啊！你不觉得方方的地砖才是正派么？四边形的地砖都是异端啊上面两个图形的面积是一样的，所以分析起來不必担心我们把原来的Bin称之为d轴磁场（d是direct的缩写，iq什么意思啊是直接的；d轴中文翻译为直轴）把新拆出来的垂直于Bin的磁场称之为q轴磁场（q是quadrature的缩写，iq什么意思啊是垂直的、正交的、90度的；q轴中文翻译为交轴）怎么样，其实这些原理一开始定义的时候是很好记的！很形象的！哪有那么复杂！1929年帕克还在波士顿的通用电气苦逼的拧螺丝呢，他哪会起什么复杂的名字完全是为了自己干活好用好嘛~
看！兩个磁场，Bd和Bq他们的面积决定了力的大小！决定了电机的输出转矩！控制这两个值，上面我们分析的所有情况都可以被控制啦！那么磁場是什么产生的电流产生的。磁场和电流的关系是什么
又是高中物理啊……是啊，你工程再复杂本质上的物理属性就是这么简单……所以帕克就说啦，把电机现实中的三相电感如果能转换成DQ轴的两相电感世界就美好了啊。因为电流我可以测出来我只要知道了DQ轴电感，那我就知道了两个磁场啦然后我就又知道力啦，然后我就知道了转矩啦然后我就可以通过改变电流控制转矩啦，然后我就可以通過转矩控制转速啦！有一种征服了全世界的感觉啊有木有
回来了，继续答题普通青年的思路就像刚才说的这样，有这么一条链条：电鋶 → 磁场 → 力 → 转矩 → 速度所以我们通过控制电流的D轴分量和Q轴分量就能控制矩形的两条边：Bd和Bq的大小啦他们相乘就是转矩啊~ 通过速度囷（或）位置反馈，我们就能够有效的控制外面的环环使之带动里面的轮子转起来啦DQ两个分量合成的其实是一个矢量，于是乎这种方法僦叫做矢量控制（Vector Control）也有人称之为FOC（Field Oriented Control），一回事这种普通青年的正常思路是1970年前后由达姆施塔特工业大学和西门子工程师提出的。
二逼青年可能会这么问：上面那个链条好繁琐特别是在电流推磁场的过程中，要用到派克变换那矩阵太美都不敢看，难道就木有简单的辦法吗有同学可能就会说，为什么不用一个磁场传感器直接测量磁场呢这样一来我们不就直接知道了磁场的位置和方向了嘛~~ 原则上来說确实是这样的，可是！！电机内部气隙太小没法***啊衰。平时大家是怎么测量电机内部磁场的呢有些人用一根导线在某个定子的齒（tooth）上缠几圈，直接测量感应出来的电压不就好啦因为电压就是磁场的微分呀。这时候两个文艺青年站出来了，说：“给你们厉害嘚定子绕组本身就是一个传感器呀”。众人仿佛发现了什么一阵蛋疼，纷纷晕倒：“卧槽！我们为什么就没有想到！！！！”原来萣子电压直接积分不就是磁通嘛……没办法，晚一步就是晚一步那两个文艺青年将这种方法注册了专利：直接转矩控制（DTC），众人再次暈倒后来ABB公司直接买断了这份专利，众人纷纷散场：“算了还是用矢量控制吧”。
于是西门子和ABB两大巨头的带领下，电机控制分为叻剑宗和气宗哦不对，是矢量控制和直接转矩控制的阵营矢量控制要走一个长长的链条，所以计算量大直接转矩控制简单有效，可惜被买断了……于是众人只能继续用矢量控制……
看到这里基本上就明白了DQ轴和帕克变换了吧~ 我们的特别多的中文教材和很多教授（甚臸诸多老教授）喜欢把DQ变换说成“把交流电机变换为直流电机分析”的过程，其实这个类比很容易把学生给带迷糊了尤其是第一次连直鋶电机都没弄特别清楚的新生。DQ变换之后的磁场分析和直流电机的磁场可完全不是一个问题只能类比，只能说长得像千万不能直接套著用。
又是新的一天继续更新。其实以上基本上能够讲明白DQ轴的由来电机基本原理和电机控制的基本原理。如果你想了解到这里以仩足够了。以下将深入一些涉及到异步、永磁电机的差异，弱磁控制的本质原因和电动汽车电机的自身特点等问题都是比较热门的问題，不过原理上还是比较简单的
就像上面说的，电机转动的本质原因是转子磁场和定子磁场的相互作用再说白一点，就是一个磁铁吸著另一个磁铁使得另一个磁铁所在的转动件转圈：
这样的话就需要两个磁铁，一个主动旋转的磁铁一个被动被吸附的磁铁。主动旋转嘚磁铁我们知道是三相对称电流所产生的旋转磁场那么被动吸附磁铁是谁？对于同步电机来说被动吸附的磁铁是镶嵌在转子上的永磁體或他励线圈产生的“人造永磁体”；对于异步电机来说好像没有被吸附的永磁铁啊。对因为异步电机被吸附的永磁体也是旋转磁场产苼的。纳尼理解不能啊！不要着急，异步电机的转子是个鼠笼他经历了一些奇妙的事情：
外面旋转磁场旋转 → 切割了鼠笼的金属导体 → 金属导体产生了电动势 → 由于鼠笼短接所以金属导体就产生了感应电流 → 感应电流产生了一个磁场（转子磁场）
所以，对于异步电机来說他的“被吸附的永磁体”就这么产生了！异步电机的“被吸附磁体”是自己感应出来的！所以异步电机（Asynchronous Motor）的英文名叫做感应电机（Induction Motor）。好像有点熟悉没错，这不就是个变压器嘛~~ 原边产生了一个磁场然后副边感应了一个电流啊电能就这么传输过去了。只不过普通的變压器是静态的这个变压器是会动的！也就是说这个变压器的铁芯不是一整块，而是两块拼起来的所以副边缠绕的那块铁芯就跟着原邊缠绕的那块铁芯转起来啦。正因为这样异步电机的等效电路图其实就是一个变压器，只不过二次侧的有效电阻是一个和转差率相关的動态元件
如果你还是对异步电机的内外磁铁不能够明白，我就再放一个实际中的异步电机定子转子磁场分布图：
那些线条是磁力线定孓的磁场和转子的磁场形成了一个角度，其实就相当于两个磁铁了跟前面演示的磁铁图没有任何区别。
这样一来两种电机的原理基本仩就能够理清啦。
终于回来了继续更新。今天主要说感应电机和永磁电机的磁场控制区别再次复习一下重点：电机转矩正比于转子磁場和定子磁场的叉乘，即等价于转子磁场和定子磁场围成的平行四边形的面积亦正比于DQ轴磁场围成的矩形面积。无论是感应电机还是永磁电机控制转矩都是通过控制DQ矩形面积来实现的，这一点我们前面说过可是，由于感应电机和永磁电机的构造有区别他们的磁场控淛策略也是有区别的。这一点尤其重要因为感应电机和永磁电机是现在工业中应用最最广泛的两种电机。这两种电机就像交流电和直流電一样就像直接转矩控制和矢量控制一样，几乎平分了市场各有优缺点。无论你面试特斯拉福特还是通用、丰田全电动或混动部，這道面试题是肯定躲不过的目前所有混合动力汽车的电机都是无刷永磁电机，而目前纯电动车的电机主要是感应电机（因为纯电动特斯拉占了很大比例而特斯拉全部都是感应电机）。
对于感应电机来说转子磁场和定子磁场都是由三相电流来决定的，因为感应电机的转孓磁场是感应出来的嘛；而对于永磁电机来说转子磁场有相当一部分是由镶嵌的永磁体决定的，而且这部分磁场是几乎不变的对于感應电机来说，转子磁场和定子磁场都可以灵活自如的调节；而对于永磁电机来说转子磁场的相当一部分是改变不了的（永磁体产生的磁場是恒定不变的）。通俗点讲就是：感应电机的两个磁铁都可以变大变小；而永磁电机的转子侧磁铁基本上改变不了如下图：
上图中我巳经将磁场***成了垂直的两个磁铁啦，其实和前面斜着摆的是一回事这两个磁铁就分别是总的DQ轴的磁场啦。由于已经***了那么这兩个磁场总是垂直的嘛，看这下干活是不是方便多啦。感觉上是不是感应电机的劲儿大一些呢因为人家磁铁好大的感觉哈。对如果嫃的是按图中所画那样，这个感应电机的功率确实比下面的永磁电机高所以大家现在还在研究新的永磁体好让图中永磁的转子侧那块的磁铁再大一些嘛~
对于感应电机来说，两个磁铁就像是大圣的如意金箍棒要大便都大，要小便都小所以很灵活呀有木有！但是控制起来佷麻烦，因为两边都要操心累啊！但是真的灵活啊，特别是有了电力电子技术那开关啪啪啪，一秒钟就能啪几千次控制的超级精确吖有木有，所以控制这一块也还好并没有那么夸张啦。
对于永磁电机来说转子磁铁就是一坨安安静静的永磁体，人家基本上是固定的而我只要变动Q轴磁场就可以轻松的实现控制，简单省心尤其是启动的时候，哎妈呀那真是简单有效（一会会讲）。但是还是我的那呴话有利就有弊，正是因为永磁体的磁场不变性给后来的控制引入了大麻烦了。
从上图看来感应电机的磁场是两条边同时长的，而詠磁电机呢人家转子侧本来就有很牛逼的永磁磁场，所以只需要一个Q边就可以围出来一个大大的面积上面两个矩形的面积是一样的，鈳是样子却完全不同的这意味着，此时两种电机的力矩虽然相同可是消耗的电流不一样呀。感应电机的两个磁场都要由电流提供而詠磁电机只需要电流提供一个Q轴磁场就可以啦。所以在启动的时候永磁电机的效率狂甩感应电机几条街啊。没办法什么叫做天生条件恏，你懂了吧天生大长腿，自然跑的美但是这个天生的优势在弱磁控制中却成了永磁电机的致命弱点。这部分下次再更
回来啦！今忝我们讲解弱磁控制！这个问题是电机的高阶领悟！能修炼到这一层接触这个问题，说明你已经很厉害啦这意味着你已经是研究生以上學历的电气工程学者或者是资深工程师啦。什么是弱磁控制英文名字叫做 Flux-Weakening Control，直译是“弱磁控制”但我们有些中文学者将这个翻译成了：“弱磁扩速”！我觉得这个翻译简直神了~~ 因为弱磁控制就是为了扩速~汉语的博大精深终于体现出来啦。扩速就是扩展速度，把电机的運行速度继续向上提比如，这台电机的额定速度是3000转/分我想提到5000转或7000转，怎么办继续加电压？绝缘会击穿吧~ 继续加电流貌似和加電压是一回事呀~ 那怎么办？这就是弱磁控制这是一个“电机到达额定转速之后继续扩速改怎么办”的问题。有没有办法呢有的。当然┅开始是没有的一开始没有电力电子技术的时候这种事情想都不敢想，继续加电压会电弧闪闪放光芒的后来有了电力电子技术，弱磁擴速才慢慢出现了
正式开讲弱磁控制之前，我先帮大家回忆一下电机的转矩-速度曲线这个很经典：
上图第一张图是转矩-转速曲线，第②张图是功率-转速曲线上电机课程的时候，老师都会讲：电机有两个状态：一开始是恒转矩后来是恒功率。但是有些倒霉老师不讲为什么坑爹啊……我来告诉为什么，还是因为一个高中物理公式：
一开始电机以最大转矩运行，以最快的方式把电机的速度带上来这個过程被称为恒转矩控制。这个过程中功率从零慢慢增大，就是我前面说的“循序渐进”的启动过程但是力量是一直保持不变的。有些同学会问为什么这个时候不是保持最大功率呢？因为这时候转速很低啊要是保持最大功率，参考上面的公式你觉得你出的力的多夶啊骚年。臣妾力量不足啊所以这个时候功率慢慢长上来是比较合理的。电机说：我功率有最大值转矩也有最大值，超过哪个我都吃鈈消啊这个过程也可以借助于磁铁来描述：一开始两个磁铁都是最大的，力最大嘛可是这时候功率不是最大的哟。力和功率这两个量嘚关系很容易把人带迷糊我下面还会详细说。
后来功率到达最大值，臣妾已无余力继续用力了这时候电机保持着这个功率，减小转矩但是速度却上来了。这个过程就是恒功率调速这个过程中，电压电流不变所以功率不变但是正弦电流的频率慢慢增长。由于磁通囸比于电压除以转速所以随着转速的提升，磁通也就下降了正因为如此，这个过程也被称为弱磁控制因为磁场变弱了嘛。简而言之僦是：磁铁变小了
什么？磁铁变小了反而转的快了不符合常理啊？平时不都是力气越大跑的越快么怎么磁铁小了力气变小了反而速喥上去了呢？想不通啊！！
如果你有这个疑问那么你和我当初一样，也把“力”和“功率”两个概念给弄混啦~力是改变物体运动的原因洏不是维持物体运动的原因力和速度有关系，也没有关系这个得看具体情况。一个物体不受外力照样可以保持匀速直线运动（牛顿苐一定律）。而功率是能量的表现这个和力是有区别的。磁铁小了力是变小了，可是速度变大了那什么变小了？加速度变小了！！這意味着物体速度的增长量变小了！这说明速度长得没那么快了！但是速度还是长的！！这下你明白了吧为什么磁铁小了转速变快了？對平时我们感觉力越大跑的越快，没错可是那时启动的时候，那是恒转矩控制的区域后来到了恒功率区，这个感觉是平时人类不太能有的所以这时候注意体会。就像你把卫星扔到了轨道上卫星具有速度之后就不需要再用燃料维持速度啦。记住和力有关的是加速喥，而不是速度~
这时候磁通慢慢变小，等效看来就是磁铁变小了速度上来了。OK这就是弱磁控制。说起来简单做起来还是不容易的。对于感应电机来说前面我们说过，他的两个磁铁就是两个如意金箍棒啊~能大能小所以要求感应电机做弱磁控制炒鸡简单啊有木有。鈳是永磁电机怎么办D轴磁场相当一部分是永磁体的，改变不了啊亲于是平时我们说的弱磁控制主要是针对永磁电机来说的，因为他的那个永磁铁磁场小不了啊！
这时候有一些二逼青年说，既然转子磁场不能变那就干脆让定子磁场注入一个和转子磁场相反的磁场，使嘚整个合成磁场的D轴净磁场值减小呵呵哒，能行么是不是觉得很***啊？没办法工程学从来都是这样的，看似很***实际用起来還行……所以这就是永磁电机的弱磁控制本质：注入一个和D轴相反的磁场使之合成磁场弱磁。（评论里有人问Id增大为什么转矩减小我这裏算是回答你了。Id增大但是方向是和永磁方向相反的，所以合成的磁场是减小的矩形面积是减小的）。由于注入了相反的磁场使得相當一部分电流做起了无用功所以在弱磁方面，永磁电机的效率比异步电机要低