从传统文化角度看新能源汽车的电机控制

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一直很喜欢传统文化，去年就和朋友分享过个人从传统文化角度的看电机，基于“易象斋”的一篇文章上进行延伸，把药物合成拓展一下，从传统文化角度看电机控制。

ps：笔者传统文化知识与电机控制理论知识非常浅薄，以下文章，纯属于个人思考，属于心得分享(有师心自用的成分），无深度，不在具体的控制策略上进行拓展。

“易象斋”文章链接：记个毛的方症对应，任何药都可能治任何病
如文章所言，中医开药时，若缺少其中关键的一味药，可以用其他两三种或多种药材进行剂量搭配，控制药材发力的方向和力道，以满足同样的药效，在一个电机当中，也是同样的思路。

简要说明：新能源汽车上的电机大多为永磁同步电机，这里就以永磁同步电机为例，电机转子为一个永磁体；电机定子上有三相绕组，即U（黄），V（绿），W（红）。转子时刻保持与定子产生的旋转磁场相同的转速，故名永磁同步。
如何进行控制？


第一步：这里将三相静止坐标系Ia，Ib，Ic转化为两项静止坐标系Iα和Iβ。
即输入电流Ia，Ib，Ic，转化为输出电流Iα和Iβ（进行一次Clarke变换）。

第二步：两项静止坐标系α和β，转化为旋转坐标系，d，q。
即输入电流为Iα和Iβ，输出电流为Id，Iq（进行一次Park变换）
直轴电流Id也称为励磁电流，用以控制磁场的大小；交轴电流Iq也称为转矩电流，用以控制力矩大小。

这样，通过一次Clarke变换和park变换，就可以实现对电机的精准控制。
正所谓，孤阴不生，独阳不长，到这一步，已经可以看成一对阴阳的共同作用了，只要阴(Id）阳(Iq）调和(矢量合成）好，就可以控制电机的旋转方向和扭矩大小。

亦如“易象斋”的文章所说，不用去记住什么药的药性，一个高明的医者，能因时制宜，因地制宜，因人制宜，根据病人的身心状态，精准把握各类药物的效用与发力的方向，以达到消除病根的作用，这也是“药方”的含义。
不同的病有不同的机理，不同的病人，同样的病，用不同的药，剂量搭配一起使用，也能把病治好，就好比是电机的电流Id分量和Iq分量，两个给定不同的大小，矢量合成的角度和大小也是不一样的，要对电机进行精准控制，就必须控制好电流Id和Iq，医者开药之前对君臣佐使的搭配要做到心里有数。
矢量合成的方法是一种很好的，化繁为简的思路，如果电机不是三相，而是四相，五相，乃至十相，这要对它们一个一个进行控制，那控制的变量过于繁杂，效率和效果可能都不太好；也许在我看来，部分医者正是不得要领，又想要全部兼顾，开了几十二十几味药，最后得不偿失，病人吃了药却也不见效，却怪病人和药材不好。
执古之道，以御今之有，辩证开方，治病救人的思路也可以运用在电机控制和故障处理修车上。
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一生二，二生三，三生万物——《道德经》
笔者思考1：为什么电机用三相，而不用四相，五相？
笔者浅见，电机有了三，天（U）地（V）人（W），三相已经足够控制一个电机以应对无限复杂的情况。
1：三是稳定的——如果不稳定，无法用来进行控制，该刹车不刹车，该转动无法转动，今天是春天，明天是冬天，这样是不利于万物生长的；
2：三是变化的——如果不变化，也无法用来进行控制，重载需要的扭矩和轻载需要的扭矩是不一样的，平路和爬坡需要的扭矩是不一样的；如果一个地方一直是炎热或者冰冷，这样的气机是比较偏的，是不利于万物生物生长的。
3：三是稳定变化的——如果不是稳定变化，波动太大，转速和力矩抖动，人在汽车上的感觉肯定是不舒服的，今天春天，明天是秋天，或者早上还是炎炎夏日，下午就是冰天雪地，这样人和万物都无法适应，肯定也是不行的。
我想，以上是电机用三相控制的原因，当然大学老师说，出于经济性考虑，在能控制的情况，选用最为简单，经济，高效的方式，而用“三”，已经足够。
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虚其心，实其腹，弱其志，强其骨，——《道德经》
笔者思考2：电机无法一直保持一个既大扭矩和高转速运行状态，当达到电机峰值转矩的时候，再需要提高电机转速，此时转矩必须的减小。
这里用公式来描述可能更加直观：
第一：用初中学过的一个公式，U=IR+E，电压=电流×电阻+电动势，而电机的内阻非常小，通常需要用毫欧表测量，电阻R小，分到的电流I也小，可以简单粗暴的看成U=E，即一个电机最大的反电动势，约等于输入(电池）电压。
第二：E=B×L×V（这里是矢量，用叉乘），这里的E是反电动势，B是磁场强度，L在电机中是线圈绕组长度（固定），V是电机转速，如果一个电机转速一直升高，那么他们的反电动势也一直变大，即E↑=B×L×V↑。
在第一点提到，电机最大的反电动势，就等于母线电压，如果电机转速V一直变大，甚至会超过母线电压，即U<E，此时电机就相当于一个发电机，但这样肯定是不行的，因为电机无法变成了一个速度一直持续不断升高还在不断发电的电机（这就有点像永动机的意味了）。
所以想要电机转速升高，就需要弱磁，即E↑=B↓×L×V↑，在这里也是前文提到的，控制弱磁电流Id，这样才能让反电动势不超过母线电压，弱磁能力越强，电机也就能达到更高的转速，但同样的，弱磁越深，也更加不好控制了。
第三：一个电机功率是有上限的，根据公式P=（T*N）/ 9550，P为功率，T为电机输出扭矩，N为电机转速，9550为单位换算后产生的常数。
P=（T*N）/ 9550
P=U*I
联立这两个公式，最大功率P是恒定的，汽车上的电池电压U也是恒定，那么电流I自然也是恒定的（这里的恒定指最大上限）。
在第二点提到，需要进行弱磁，才能提升电机的转速，而此时电机的扭矩必然是下降的，才能维持恒定(最大）功率，即P=（T↓*N↑）/ 9550，在进入弱磁区后，电机转速和扭矩是一个反比的关系。
如果不进行弱磁，电机转速不断提升，反电动势不断增大，直到逼近母线电压，而电机温度升高，也会让内部的永磁体发生退磁，一旦退磁，电机性能下降，这是无法恢复的。嗯？电机是不是也有点像是礼崩乐坏了？周天子式微，各路诸侯力量超过周天子，最后群雄并起天下大乱，王朝更替，需要建立新的制度……
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这也许正是老子想要告诉我们的，当世道正在加剧崩坏，我们更需要“小国寡民，虚其心，弱其志；终日抱道不离，反者道之动，最后复归于婴儿，重返上古天真”吧，电机到达一定转速后，也需要复归于婴儿（弱磁）才能长久运行下去。