CN116317761B - 一种可变电容驱动电机转矩控制方法及装置 - Google Patents

一种可变电容驱动电机转矩控制方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明属于电机控制技术领域，提供了一种可变电容驱动电机转矩控制方法及装置。其中本发明的方法包括：获取电机的实际转矩值和实际磁链值；根据实际转矩值和实际磁链值获取k+1时刻的预测转矩值和预测磁链值；根据实际磁链值和定子磁链额定值的关系，确定工作模式并选取价值函数以确定输出矢量值；所述价值函数根据预测转矩值、预给定的转矩参考值，和，预测磁链值及实际磁链值计算获得，输出矢量值作用于逆变器以改变电机的转矩，转矩参考值根据可变电容确定；电机带动可变电容转动，以使可变电容到达匹配位置。本发明基于磁链是否需要限幅进行分情况处理，提高了电机的控制效果，从而提升了可变电容的调节效率。

Description

一种可变电容驱动电机转矩控制方法及装置
技术领域
本发明涉及电机控制技术领域，具体涉及一种可变电容驱动电机转矩控制方法及装置。
背景技术
等离子体在半导体、LCD面板、太阳能等行业有着相当广泛且关键的应用，射频是产生等离子体的关键设备之一。射频源的特征阻抗通常为50Ω，但是等离子体的工艺种类很多，等离子体反应腔室各异，这就带来了射频源与等离子体之间的阻抗匹配问题。阻抗匹配器主要有自动式、手动式及固定式几种。其目的均为实现阻抗匹配，将射频功率最大化地输送至反应腔室。
当在反应腔室内进行特定工艺时，反应腔室内的阻抗变化很大，因而计算得到的可变电的调整量就很大，即，需要对可变电容进行大范围的调整，从而往往造成阻抗匹配的速率较慢不能满足反应腔室内的阻抗变化，进而造成阻抗匹配失败、导致工艺无法进行；即使在某一时间勉强匹配成功，但由于阻抗变化很大，可变电容会随着阻抗的变化发生很大的调整，在调整的过程中可能会造成阻抗匹配失败。在此期间，电机转矩脉动，稳定性低，影响着匹配效率。
为了解决上述问题，需要一种电机转矩的控制方法，针对阻抗匹配时可变电容需要大范围调整时，分情况对用于调整可变电容电容值的电机进行转矩控制，降低电机转矩脉动，从而提高匹配效果。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明提供了一种可变电容驱动电机转矩控制方法及装置，以解决目前射频源与等离子体之间进行阻抗匹配时，可变电容进行大范围调整时，驱动可变电容电容值变化的电机转矩脉动，导致稳定性及阻抗匹配效率低的问题。
第一方面，本发明提供的一种可变电容驱动电机转矩控制方法，包括：
获取电机的实际转矩值和实际磁链值/>；
根据实际转矩值和实际磁链值/>获取k+1时刻的预测转矩值/>和预测磁链值/>；
根据实际磁链值和定子磁链额定值/>的关系，确定工作模式并选取价值函数以确定输出矢量值；所述价值函数根据预测转矩值/>、预给定的转矩参考值/>，和，预测磁链值/>及实际磁链值/>计算获得，所述输出矢量值作用于逆变器以改变电机的转矩，所述转矩参考值/>根据可变电容当前位置确定；
电机带动可变电容转动，以使可变电容到达匹配位置。
可选地，所述预测转矩值和所述预测磁链值/>通过转矩控制模型获取，所述转矩控制模型的确定方法，具体包括：
根据永磁无刷直流电机连续方程，将定子磁链作为输出变量，获取电机状态空间方程：
式中，，/>为转子角频率，/>为定子电阻，/>、/>为电机/>轴旋转坐标系上的电感分量，/>分别为电机/>轴转子磁链分量，/>为转子永磁体磁链；/>，/>、/>为电机/>轴定子磁链分量，/>，/>、分别为电机/>轴定子电压分量，/>、/>由三相定子绕组电压/>经过Clark和Park坐标变换后得到；
根据一阶前向欧拉公式对电机状态空间方程进行离散化，获取电机定子磁链离散数学模型为：
式中，I为单位矩阵，为控制周期；根据电机当前时刻采样得到的定子磁链，以预测在不同矢量作用下的下一个控制周期的定子磁链/>；
同理，得到电机定子电流预测模型为：
其中，，/>；
电机的转矩控制模型表示为：
，其中/>为电机极对数。
可选地，所述根据实际磁链值和定子磁链额定值/>的关系，确定工作模式并选取价值函数以确定输出矢量值，具体包括：
当定子磁链额定值大于等于磁链实际值/>，利用价值函数一在六个非零矢量和两个零矢量中寻找最优解并确定转矩差值参数/>，分别计算第一电压矢量u opt1和第二电压矢量u opt2的占空比/>、/>；
当定子磁链额定值小于磁链实际值/>，利用价值函数二在六个非零矢量和两个零矢量中选择出最优矢量，最优矢量直接作用于逆变器以控制电机。
可选地，所述价值函数一具体为；
所述价值函数二具体为；其中，λ 1、λ 2分别转矩和磁链误差的权重系数。
可选地，当定子磁链额定值大于等于磁链实际值/>时，在计算第一电压矢量u opt1和第二电压矢量u opt2的占空比/>、/>之后，所述方法还包括：
根据给定转速值和实际转速值/>经PI调节器获取输出转矩参考值/>，并根据输出转矩参考值/>和实际转矩值/>经滞环控制器获取滞环输出信号/>；所述滞环输出信号与所述实际转矩值/>是否在滞环区间内相关联。
可选地，当定子磁链额定值大于等于磁链实际值/>，所述矢量值的输出，具体包括：
当实际转矩值在滞环区间外时，第二电压矢量u opt2补偿第一电压矢量u opt1，在一个控制周期中第一电压矢量u opt1和第二电压矢量u opt2作用后接零矢量；第一电压矢量的占空比为/>，第二电压矢量的占空比为/>，零矢量的占空比为/>；
当实际转矩值在滞环区间内时，在一个控制周期中第一电压矢量u opt1直接接零矢量；第一电压矢量的占空比为/>，零矢量的占空比为/>。
可选地，所述滞环输出信号
其中，为滞环的容差值，“/>”或“/>”表示实际转矩值/>在滞环区间外，“”表示观测到实际转矩值/>大于输出转矩参考值/>，需要减小电磁转矩；“/>”表示实际转矩值/>小于输出转矩参考值/>，发出增大电磁转矩的信号；“/>”表示实际转矩值/>在滞环区间内，系统保持当前的状态。
可选地，所述第一电压矢量u opt1的占空比和所述第二电压矢量u opt2的占空比/>分别为：
，其中，/>、/>分别为零矢量和第一电压矢量u opt1应用于电机的转矩变化率；
，其中，/>，/>为k+1时刻不同矢量作用下的转矩控制值，n 1、n 2、n 0分别为第一电压矢量u opt1、第二电压矢量u opt2和零矢量u 0作用下转矩差值参数。
第二方面，本发明提供的可变电容驱动电机转矩控制装置，所述装置执行计算机程序时实现上述任一种方法的步骤。
采用上述技术方案，本申请具有如下有益效果：
根据实际磁链值和定子磁链额定值/>的关系，以确定磁链是否需要限幅，分情况选取价值函数，在磁链不需要限幅时直接考虑转矩跟踪的控制效果，起到了转矩环控制器的作用；当磁链需要限幅时，起到了限制磁链幅值以及兼顾转矩控制的作用，降低了电机转矩脉动，从而提高了阻抗匹配的效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
图1示出了本发明实施例提供的一种可变电容驱动电机转矩控制方法的逻辑图；
图2示出了本发明实施例提供的一种可变电容驱动电机转矩控制方法的流程图；
图3示出了本发明实施例提供的电压矢量分布示意图；
图4中的(a)-(c)示出了本发明实施例提供的电压矢量作用示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只是作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。
如图1、图2所示，本发明实施例提供的一种可变电容驱动电机转矩控制方法，包括：
S1、获取电机的实际转矩值和实际磁链值/>；
S2、根据实际转矩值和实际磁链值/>获取k+1时刻的预测转矩值/>和预测磁链值/>；
S3、根据实际磁链值和定子磁链额定值/>的关系，确定工作模式并选取价值函数以确定输出矢量值；所述价值函数根据预测转矩值/>、预给定的转矩参考值/>，和，预测磁链值/>及实际磁链值/>计算获得，所述输出矢量值作用于逆变器以改变永磁电机的转矩；
S4、电机带动可变电容转动，以使可变电容到达匹配位置。
基于本实施例中的技术方案，根据实际磁链值和定子磁链额定值/>的关系，以确定磁链是否需要限幅，分情况选取价值函数，在磁链不需要限幅时直接考虑转矩跟踪的控制效果，起到了转矩环控制器的作用；当磁链需要限幅时，起到了限制磁链幅值以及兼顾转矩控制的作用。
步骤S2中，预测转矩值和预测磁链值/>通过转矩控制模型获取，其中转矩控制模型的确定方法，具体包括：
根据永磁无刷直流电机连续方程，将定子磁链作为输出变量，获取电机状态空间方程：
式中，，/>为转子角频率，/>为定子电阻，/>、/>为电机/>轴旋转坐标系上的电感分量，/>分别为电机/>轴转子磁链分量，/>为转子永磁体磁链；/>，/>、/>为电机/>轴定子磁链分量，/>，/>、分别为电机/>轴定子电压分量，/>、/>由三相定子绕组电压/>经过Clark和Park坐标变换后得到；
根据一阶前向欧拉公式对电机状态空间方程进行离散化，获取电机定子磁链离散数学模型为：
式中，I为单位矩阵，为控制周期；根据电机当前时刻采样得到的定子磁链，以预测在不同矢量作用下的下一个控制周期的定子磁链/>；
同理，得到电机定子电流预测模型为：
其中，，/>；
电机的转矩控制模型表示为：
，其中/>为电机极对数。
步骤S3，具体包括：
当定子磁链额定值大于等于磁链实际值/>，利用价值函数一在六个非零矢量和两个零矢量中寻找最优解并确定转矩差值参数/>，分别计算第一电压矢量/>和第二电压矢量/>的占空比/>、/>；价值函数一具体为/>；本步骤还包括：
根据给定转速值和实际转速值/>经PI调节器获取输出转矩参考值/>，并根据输出转矩参考值/>和实际转矩值/>经滞环控制器获取滞环输出信号/>；所述滞环输出信号与所述实际转矩值/>是否在滞环区间内相关联。
当定子磁链额定值小于磁链实际值/>，利用价值函数二在六个非零矢量和两个零矢量中选择出最优矢量，最优矢量作用于逆变器以控制电机；价值函数二具体为，式中/>、/>分别转矩和磁链误差的权重系数。
其中，给定转速值根据阻抗匹配时可变电容的当前位置确定，本实施例中给定的电机用于带动可变电容往指定位置转动，用以改变网络阻抗实现阻抗匹配。
图3示出了本实施例提供的电压矢量分布示意图，本发明采用的三相两电平逆变器可以提供八个基本电压矢量，包含六个有效电压矢量(u1(100)、u2(110)、u3(010)、u4(011)、u5(001)、u6(101))和两个零矢量(u0(000)、u7(111))，其中u1~u6为六个有效电压矢量，S1~S6为1~6号扇区。
图4示出了本发明实施例提供的电压矢量作用示意图；为了进一步提升无磁链环有限集模型预测转矩控制的性能，本发明在该方法的模式一中采用三矢量的预测方法。第一电压矢量是通过价值函数1在八个电压矢量(包括六个非零矢量和两个零矢量)寻求最优解得到；第二电压矢量/>是在第一电压矢量/>的作用下，通过转矩滞环控制器判断此时实际转矩/>的跟踪状态。
如图4中的(a)和图4中的(b)，当实际转矩在滞环边界外时，第二电压矢量/>起到调整转矩的作用，利用表1所示的空间电压矢量选择表输出合适的第二矢量/>，其中为滞环控制器的输出符号。
表1
此时第一电压矢量和第二电压矢量/>的占空比分别为/>和/>，在一个控制周期第一电压矢量/>和第二电压矢量/>作用后接零矢量，则零矢量的占空比为。
如图4中的(c)所示，当实际转矩在滞环边界内时，此时实际转矩/>接近转矩期望值/>，不需要第二电压矢量/>较正，因此在一个控制周期中第一电压矢量/>直接接零矢量，此时系统的模式一相当于工作在传统双矢量模型预测控制下，第一电压矢量/>的占空比分别为/>，则零矢量的占空比为/>。在第一电压矢量/>作用下以第Ⅰ扇区为例，当转矩滞环控制器输出“/>”时，意味着此时需要增加转矩，第二电压矢量/>输出电压矢量/>；当滞环控制器输出“/>”时，意味着此时需要减小转矩，输出电压矢量；当滞环控制器输出“/>”时，意味着此时实际转矩/>处于滞环区间之内，系统保持当前的状态，不进行第二电压矢量/>的选取。
具体地，转矩滞环控制的输出函数形式如下式：
其中，为滞环的容差值，/>为滞环控制器的输出符号，“/>”代表此时观测到实际转矩/>大于转矩给定值/>，需要减小电磁转矩；“/>”代表此时实际转矩/>小于转矩给定值，应当发出增大电磁转矩的信号。“/>”代表此时实际转矩/>处于容差值之内，系统保持当前的状态。
其中第一电压矢量和第二电压矢量/>的占空比/>和/>的计算如下：
第一电压矢量的占空比/>可通过转矩无差拍原理得到，即/>。当零矢量和第一电压矢量/>应用于永磁无刷直流电机时，转矩变化率/>和/>分别表示为
利用转矩无差拍原理可得
则第一电压矢量在一个周期内的占空比/>可表示为
为了有效降低转矩脉动，采用第二电压矢量来调整实际转矩。想要计算第二电压矢量/>的占空比/>，首先定义转矩差值参数/>
式中，为k+1时刻不同电压矢量作用下的转矩控制值。
基于转矩无差拍原理，即可得
式中，、/>、/>分别为第一电压矢量/>、第二电压矢量/>和零矢量/>作用下转矩差值参数。
由上式可得第二电压矢量的占空比/>为
在计算第一电压矢量和第二电压矢量/>的占空比/>和/>后，需要根据电压矢量的作用顺序生成逆变器开关信号。
为了减小系统的开关损耗，零矢量的选择需要依据一个控制周期内的其上一个电压矢量来决定，当第一电压矢量/>或者第二电压矢量/>为/>、/>、/>时，选择零矢量/>进行组合；当第一电压矢量/>或者第二电压矢量/>为/>、、u6(101)时，选择零矢量u7(111)。
在本发明另一实施例中，本发明还提供了一种可变电容驱动电机转矩控制装置，可变电容驱动电机转矩控制装置与上述可变电容驱动电机转矩控制方法采用了相同的发明构思，能够取得相同的有益效果，在此不再赘述。
以上实施例仅用以对本申请的技术方案进行了详细介绍，但以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明实施例的方法，不应理解为对本发明实施例的限制。本技术领域的技术人员可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明实施例的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种可变电容驱动电机转矩控制方法，其特征在于，包括：
获取电机的实际转矩值和实际磁链值/>；
根据实际转矩值和实际磁链值/>获取k+1时刻的预测转矩值/>和预测磁链值；
根据实际磁链值和定子磁链额定值/>的关系，确定工作模式并选取价值函数以确定输出矢量值；所述价值函数根据预测转矩值/>、预给定的转矩参考值/>和预测磁链值/>及实际磁链值/>计算获得，所述输出矢量值作用于逆变器以改变电机的转矩，所述转矩参考值/>根据可变电容确定；具体包括：
当定子磁链额定值大于等于磁链实际值/>，利用价值函数一在六个非零矢量和两个零矢量中寻找最优解并确定转矩差值参数/>，分别计算第一电压矢量u opt1和第二电压矢量u opt2的占空比/>、/>；第一电压矢量/>是通过价值函数一在八个电压矢量包括六个非零矢量和两个零矢量寻求最优解得到，第二电压矢量/>是利用空间电压矢量选择表输出的；所述价值函数一具体为/>；价值函数二具体为；其中，/>、/>分别为转矩和磁链误差的权重系数；空间电压矢量选择表为：
为滞环控制器的输出符号；
当定子磁链额定值大于等于磁链实际值/>，矢量值的输出，具体包括：
当实际转矩值在滞环区间外时，第二电压矢量u opt2补偿第一电压矢量u opt1，在一个控制周期中第一电压矢量u opt1和第二电压矢量u opt2作用后接零矢量；第一电压矢量的占空比为/>，第二电压矢量的占空比为/>，零矢量的占空比为/>；
当实际转矩值在滞环区间内时，在一个控制周期中第一电压矢量u opt1直接接零矢量；第一电压矢量的占空比为/>，零矢量的占空比为/>；所述第一电压矢量u opt1的占空比/>和所述第二电压矢量u opt2的占空比/>分别为：
，其中，/>、/>分别为零矢量和第一电压矢量u opt1应用于电机的转矩变化率；
，其中，/>，/>为k+1时刻不同矢量作用下的转矩控制值，n 1、n 2、n 0分别为第一电压矢量u opt1、第二电压矢量u opt2和零矢量u 0作用下转矩差值参数；
当定子磁链额定值小于磁链实际值/>，利用价值函数二在六个非零矢量和两个零矢量中选择出最优矢量，最优矢量直接作用于逆变器以控制电机；
电机带动可变电容转动，以使可变电容到达匹配位置。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预测转矩值和所述预测磁链值/>通过转矩控制模型获取，所述转矩控制模型的确定方法，具体包括：
根据永磁无刷直流电机连续方程，将定子磁链作为输出变量，获取电机状态空间方程：
，
式中，，/>为转子角频率，/>为定子电阻，/>、/>为电机/>轴旋转坐标系上的电感分量，/>分别为电机/>轴转子磁链分量，/>为转子永磁体磁链；/>，/>、/>为电机/>轴定子磁链分量，/>，/>、/>分别为电机/>轴定子电压分量，/>、/>由三相定子绕组电压/>经过Clark和Park坐标变换后得到；
根据一阶前向欧拉公式对电机状态空间方程进行离散化，获取电机定子磁链离散数学模型为：
，
式中，I为单位矩阵，为控制周期；根据电机当前时刻采样得到的定子磁链，以预测在不同矢量作用下的下一个控制周期的定子磁链/>；
同理，得到电机定子电流预测模型为：
，
其中，，/>；
电机的转矩控制模型表示为：
，其中/>为电机极对数。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当定子磁链额定值大于等于磁链实际值/>时，在计算第一电压矢量u opt1和第二电压矢量u opt2的占空比/>、/>之后，所述方法还包括：
根据给定转速值和实际转速值/>经PI调节器获取输出转矩参考值/>，并根据输出转矩参考值/>和实际转矩值/>经滞环控制器获取滞环输出信号/>；所述滞环输出信号/>与所述实际转矩值/>是否在滞环区间内相关联。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述滞环输出信号
，
其中，为滞环的容差值，“/>”或“/>”表示实际转矩值/>在滞环区间外，“/>”表示观测到实际转矩值/>大于输出转矩参考值/>，需要减小电磁转矩；“/>”表示实际转矩值/>小于输出转矩参考值/>，发出增大电磁转矩的信号；“/>”表示实际转矩值/>在滞环区间内，系统保持当前的状态。
5.一种可变电容驱动电机转矩控制装置，其特征在于，所述装置实现权利要求1-4任一所述方法的步骤。
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