CN109347386A - 一种基于svpwm的五相永磁电机最大转矩电流比容错控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于SVPWM的五相永磁电机最大转矩电流比容错控制方法，包括如下步骤：检测电机转速，将给定转速ω^*与反馈转速ω_m比较，利用PI控制器得到q轴给定电流i_qref；将采样的相电流经过降阶矩阵变换得到d‑q‑z轴反馈电流i_df，i_qf，i_zf；计算故障状态下的α‑β轴电压u_α，u_β；将u_α，u_β和i_α，i_β输入到最大转矩电流比(MTPA)容错模块中，利用空间矢量信号注入法，求解电机容错运行时的d轴给定电流i_dref；将d‑q‑z轴的给定电流与反馈电流相比较，通过PI控制器得到d‑q‑z轴的给定电压，利用Park变换矩阵在α‑β轴给定电压中注入高频信号，将含高频信号的α‑β轴电压和z轴电压输入到容错SVPWM模块，产生开关信号，通过逆变器控制电机，实现五相永磁电机的最大转矩电流比容错控制。

Description

一种基于SVPWM的五相永磁电机最大转矩电流比容错控制 方法

技术领域

本发明涉及多相电机容错控制技术领域，特别涉及一种基于SVPWM的五相永磁电机最大转矩电流比容错控制方法。适用于航空航天、电动汽车、舰船推进系统等对电机的可靠性有较高要求的场合。

背景技术

内嵌式永磁电机因为其高转矩密度、高效率以及高可靠性等特点，在电动汽车牵引、航天航空以及舰船推进系统等领域应用越来越广泛。同时，对于飞行器、电动汽车等一些可靠性要求较高的场合，稳定可靠的电机驱动系统尤为重要。因此，永磁电机的高可靠性的容错控制方法受到了广泛的关注。

近年来，国内外学者对于内嵌式永磁同步电机的最大转矩电流比(MTPA)控制和多相电机的容错控制都进行了深入的研究，并取得了丰富的成果。

目前常用的一种高性能的最大转矩电流比控制算法是基于空间矢量信号注入的方法，但是这种方法仅实现了电机正常运行状态下的应用，未能应用于电机故障状态下的MTPA控制。

多相电机的容错控制算法的研究主要都集中在如何获得电机故障状态下的最优容错电流。现有的容错电流计算方法主要包括了从瞬时功率、瞬时转矩以及磁链不变等角度，结合两个常用的优化条件最小铜耗和铜耗相等，通过拉格朗日乘数法等非线性优化工具，来求取容错电流；从电机故障状态下的数学模型出发，利用降阶矩阵，求取容错电流；也有利用智能算法来求取容错电流。但是这些容错电流的计算方法一般都是基于i_d＝0的控制算法，适用于表贴式永磁电机，对于内嵌式永磁电机而言，容错运行时没有充分利用内嵌式永磁电机的磁阻转矩来提升电机的输出转矩性能，也无法使内嵌式永磁电机调速范围宽的优势在容错运行时体现出来。

发明内容

针对传统容错控制难以利用磁阻转矩的缺陷以及现有MTPA算法未能实现带故障运行的现状，本发明提出了一种基于SVPWM的五相永磁电机最大转矩电流比容错控制方法。

为达到技术目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于SVPWM的五相永磁电机最大转矩电流比容错控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，检测五相永磁电机转速，作为电机的反馈转速ω_m，将给定转速ω^*与反馈转速ω_m相比较得到电机的转速误差e，采用PI控制器根据转速误差e计算得到五相永磁电机的q轴电流，PI控制器的输出量为给定的q轴电流i_qref；

步骤2，利用电流传感器采样五相永磁电机的各相电流i_A，i_B，i_C，i_D，i_E,根据采样得到的各相电流来确定五相永磁电机的故障相。根据所确定的故障相来选择对应单相开路时的降阶矩阵，利用所选取的降阶矩阵，对采样得到的五相永磁电机的相电流进行矩阵变换，得到故障时五相永磁电机反馈的α-β轴电流i_α，i_β和d-q-z轴电流i_df，i_qf，i_zf；

步骤3，根据故障相信息，利用容错SVPWM模块中得到的剩余正常相的开关信号、母线电压以及电机反电势，根据故障后电机的电压方程求解得到故障下五相永磁电机的α-β轴电压u_α，u_β；

步骤4，将所得到的α-β轴电压u_α，u_β和电流i_α，i_β，作为输入信号输入到最大转矩电流比(MTPA)模块中，利用空间向量信号注入法，来求得五相永磁电机的d轴电流，MTPA模块的输出为给定的d轴电流i_dref；

步骤5，为减小转矩脉动，z轴的给定电流i_zref为0，分别将给定的d-q-z轴电流i_dref，i_qref，i_zref与反馈的d-q-z轴电流i_df，i_qf，i_zf相比较，得到d-q-z轴电流误差e_id，e_iq，e_iz，采用PI控制器根据得到的d-q-z轴电流误差e_id，e_iq，e_iz计算得到五相永磁电机d-q-z轴的电压，三个PI控制器的输出量分别为五相永磁电机给定d-q-z轴的电压分量u_dref，u_qref，u_zref。

步骤6，将得到的五相永磁电机给定电压d-q轴的电压分量u_d，u_q利用Park变换的逆变换转换为α-β轴电压u_αref，u_βref，然后利用Park变换将高频信号注入到α-β轴电压u_αref，u_βref中，得到含高频电压分量的α-β轴电压u_αh，u_βh；

步骤7，将所得到的含高频电压分量的α-β轴电压u_αh，u_βh和z轴给定电压u_zref都输入到容错SVPWM模块中，根据容错SVPWM算法求解出剩余正常相的开关信号，最后将得到的开关信号输入到逆变器中控制电机，实现五相永磁电机的最大转矩电流比容错运行。

进一步，步骤2中所述的降阶矩阵的推导方法为：在一相开路故障情况下，根据保持故障前后磁动势不变原理以及剩余正常相容错电流幅值相等的约束条件，推导出一相开路故障下的最优容错电流，根据容错电流重构出相应的降阶矩阵；

以A相开路故障为例：

当A相发生开路故障时，五相永磁电机的定子磁动势之和为：

其中，F代表基波磁动势，N是定子绕组匝数，I是定子电流幅值，θ_e是转子电角度，α＝e^jγ,γ相邻两相之间的夹角,γ＝2π/5，i_A,i_B,i_C,i_D和i_E是相电流；

根据剩余相电流要关于故障相电流镜像对称的对称原理，A相开路时，剩余4相电流需要关于A相空间对称，则剩余四相电流的表达式可以表示为：

其中，I₁是B、E相的容错电流幅值，I₂是C、D相的容错电流的幅值，θ₁是B、E相的容错电流的相位，θ₂是C、D相的容错电流的相位；

由于电机绕组采用的是星形连接方式，中性点电流应为0，且为了保证电机故障下的最大转矩输出能力，剩余相的电流幅值要保持相等，则容错电流应满足下列关系：

根据上述的电流计算方法，A相开路时的最优容错电流表达式为：

其中，是d轴的给定电流，是q轴的给定电流；

根据所述电流表达式，可以提取出两个向量，将自然坐标系的量转换到α-β轴坐标系下：

其中，T₁是将自然坐标系的量转换到α轴的向量，T₂是将自然坐标系的量转换到β轴的向量；

五相永磁电机发生单相开路故障时，将损失一个控制自由度，变为4个控制自由度，因为采用星形连接，中性点电流为零占据一个自由度，还剩下三个控制自由度，所述的α-β轴变量各占据一个控制自由度，还剩余一个控制自由度，因此需要引入一个新的子空间，将这个新的子空间命名为z空间，z空间对应变换向量的构造应满足：

其中，Z是将自然坐标系的量转换到z轴的向量；

根据T₁，T₂和Z可以构建出A相开路故障时的降阶Clarke矩阵：

所述降阶Clarke矩阵的逆矩阵为：

A相开路故障时的降阶Park矩阵为：

进一步，步骤3中所述求解故障下五相永磁电机α-β轴电压u_α，u_β的具体方法如下：

五相永磁电机α-β轴电压u_α，u_β分为两个部分来求解，一部分是定子电压中的反电势分量，另一部分是电阻压降和感应电压分量：

所述α-β轴坐标系下反电势分量的求解方法为：

其中，e_α是α轴的反电势分量，e_β是β轴的反电势分量，e_z是z轴的反电势分量，e₀是零序空间的反电势分量，e_B，e_C，e_D和e_E分别是B，C，D和E相的反电势，可以通过下面的表达式来求得：

其中，e_A是A相的反电势，ω_e是电机的电角速度，ψ_m是电机的基波磁链幅值；

所述α-β轴坐标系下电阻压降和感应电压分量的求解方法为：

其中，u_eα是α轴的电阻压降和感应电压分量，u_eβ是β轴的电阻压降和感应电压分量，u_ez是z轴的电阻压降和感应电压分量，u_e0是零序空间的电阻压降和感应电压分量，u_Be，u_Ce，u_De和u_Ee分别是B相，C相，D相和E相的电阻压降和感应电压分量；

所述α-β轴电压u_α，u_β可以表示为：

进一步，所述B相，C相，D相和E相的电阻压降和感应电压分量u_Be，u_Ce，u_De和u_Ee的具体求解方法为：

B相，C相，D相和E相的相电压可以根据开关信号和直流母线电压来求得：

其中，u_B，u_C，u_D和u_E分别是B相，C相，D相和E相的相电压，S_B，S_C，S_D和S_E分别是B相，C相，D相和E相的开关状态，当某一相上桥臂导通，下桥臂关断时，该相的开关状态为1，当上桥臂关断，下桥臂导通时，该相的开关状态为0，U_dc是直流母线电压；

B相，C相，D相和E相的电阻压降和感应电压分量u_Be，u_Ce，u_De和u_Ee为：

进一步，步骤4中所述利用空间向量信号注入法，来求得五相永磁电机的d轴电流的具体操作步骤如下：

步骤4.1：利用电压法计算五相永磁电机α-β轴的磁链ψ_α和ψ_β

步骤4.2：根据求解得到的α-β轴的磁链ψ_α和ψ_β计算定子磁链ψ_s幅值：

步骤4.3：根据反馈的α-β轴的电流i_α和i_β计算定子电流i_s幅值：

步骤4.4：将所得到的定子磁链幅值和电流幅值输入到中心频率为注入频率的带通滤波器中，再将滤波器的输出信号相乘后输入到截止频率为10Hz的低通滤波器，最后将低通滤波器的输出信号送到积分器中，积分器的输出结果就是给定的d轴电流。

进一步，步骤6中所述利用Park变换将高频信号注入到α-β轴电压u_αref，u_βref中的具体方法为：

其中，θ是含高频信号的位置角，θ可以表示为：

θ＝Asin(ω_ht)

其中,A是注入信号的幅值，ω_h是注入信号的角频率，t是时间。

进一步，所述注入信号幅值A和注入信号频率的选择应遵循以下原则：

所述注入信号幅值A应尽可能小，如果所述定子电流i_s幅值和磁链ψ_s幅值中的高频分量不明显，无法提取，可以增大注入信号的幅值A；

注入信号频率与转速环和电流环的带宽无关，仅与逆变器的开关频率有关，注入信号的频率可以尽可能高一点，可以选择开关频率的十分之一。

进一步，步骤7中所述容错SVPWM算法具体方法为：

根据所述降阶Clark变换矩阵，重新构造A相开路故障下的开关矢量：

其中，V_xsα是开关电压矢量x在α轴的分量，V_xsβ开关电压矢量x在β轴的分量，其中x是B、C、D和E相开关状态组成二进制数对应的十进制数，x＝dec(S_B,S_C,S_D,S_E)，dec代表二进制转十进制函数；

新构造的A相开路故障下的开关矢量一共16个，从V₀到V₁₅，其中4个零矢量为V₀，V₅，V₁₀和V₁₅，由于V₅和V₁₀的剩余四相开关状态不完全一致，因此不用于合成参考矢量，所述16个开关矢量将α-β子空间分为8个扇区；

判断α-β子空间的参考矢量处在哪一扇区，每个扇区选取3个非零矢量和两个零矢量来合成参考矢量，根据α-β-z坐标系下的参考矢量以及开关矢量在α-β和z子空间的幅值与相位，求解各开关矢量的作用时间。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明将空间向量信号注入的MTPA算法和使用降阶矩阵的容错SVPWM算法相结合，解决了传统容错控制难以利用磁阻转矩的缺陷以及弥补了现有MTPA算法未能实现带故障运行的遗憾，实现了内嵌式五相永磁同步电机容错运行状态下的MTPA控制。使得内嵌式五相永磁同步电机在容错运行时能够充分利用磁阻转矩分量，减小了容错电流的幅值，提高了电机故障状态下的输出转矩性能，提升了电机的容错运行效率，拓宽了电机容错运行时的调速范围，使其能更好的适用于电动汽车等需要高可靠性和宽调速范围的应用领域。

2、本发明采用的MTPA算法为空间向量信号注入法，与传统在d-q轴电流中注入高频信号的方法相比，空间向量信号注入法是在电压中直接进行信号注入，因此不需要考虑电流控制环带宽对于注入信号的影响，也提升了系统的鲁棒性。

3、本发明采用的PWM调制方式为容错SVPWM策略，与传统容错算法中使用的电流滞环调制方法相比，容错SVPWM策略具有固定的开关频率，不会造成额外的开损耗和电磁干扰，可以用来实现故障状态下的磁场定向控制。

附图说明

图1：采用空间向量信号注入法和容错SVPWM来实现的最大转矩电流比容错控制框图；

图2：MTPA模块原理图；(a)电压法计算定子磁链原理图；(b)MTPA观测器原理图；

图3：开关矢量分布图；(a)α-β子空间分布图；(b)z子空间分布图；

图4：参考矢量合成示意图(a)α-β子空间I扇区；(b)z子空间；

图5：传统i_d＝0容错控制策略切换到基于空间矢量信号注入的最大转矩电流比容错控制策略的转矩和电流波形。

具体实施方式

具体实施例：

图1展示了采用空间向量信号注入法和容错SVPWM来实现的最大转矩电流比容错控制框图，下面结合控制框图来详细介绍该方法的具体实施步骤：

步骤1，检测五相永磁电机转速，作为电机的反馈转速ω_m，将给定转速ω^*与反馈转速ω_m相比较得到电机的转速误差e，采用PI控制器根据转速误差e计算得到五相永磁电机的q轴电流，PI控制器的输出量为给定的q轴电流i_qref。

步骤2，利用电流传感器采样五相永磁电机的各相电流i_A，i_B，i_C，i_D，i_E,根据采样得到的各相电流来确定五相永磁电机的故障相。根据所确定的故障相来选择对应单相开路时的降阶矩阵，利用所选取的降阶矩阵，对采样得到的五相永磁电机的相电流进行矩阵变换，得到故障时五相永磁电机反馈的α-β轴电流i_α，i_β和d-q-z轴电流i_df，i_qf，i_zf。

所述的降阶矩阵的推导方法为：在一相开路故障情况下，根据保持故障前后磁动势不变原理以及剩余正常相容错电流幅值相等的约束条件，推导出一相开路故障下的最优容错电流，根据容错电流重构出相应的降阶矩阵；

以A相开路故障为例：

当A相发生开路故障时，五相永磁电机的定子磁动势之和为：

其中，F代表基波磁动势，N是定子绕组匝数，I是定子电流幅值，θ_e是转子电角度，α＝e^jγ,γ相邻两相之间的夹角,γ＝2π/5，i_A,i_B,i_C,i_D和i_E是相电流；

根据剩余相电流要关于故障相电流镜像对称的对称原理，A相开路时，剩余4相电流需要关于A相空间对称，则剩余四相电流的表达式可以表示为：

其中，I₁是B、E相的容错电流幅值，I₂是C、D相的容错电流的幅值，θ₁是B、E相的容错电流的相位，θ₂是C、D相的容错电流的相位；

由于电机绕组采用的是星形连接方式，中性点电流应为0，且为了保证电机故障下的最大转矩输出能力，剩余相的电流幅值要保持相等，则容错电流应满足下列关系：

根据上述的电流计算方法，A相开路时的最优容错电流表达式为：

其中，是d轴的给定电流，是q轴的给定电流；

根据所述电流表达式，可以提取出两个向量，将自然坐标系的量转换到α-β轴坐标系下：

其中，T₁是将自然坐标系的量转换到α轴的向量，T₂是将自然坐标系的量转换到β轴的向量；

五相永磁电机发生单相开路故障时，将损失一个控制自由度，变为4个控制自由度，因为采用星形连接，中性点电流为零占据一个自由度，还剩下三个控制自由度，所述的α-β轴变量各占据一个控制自由度，还剩余一个控制自由度，因此需要引入一个新的子空间，将这个新的子空间命名为z空间，z空间对应变换向量的构造应满足：

其中，Z是将自然坐标系的量转换到z轴的向量；

根据T₁，T₂和Z可以构建出A相开路故障时的降阶Clarke矩阵：

所述降阶Clarke矩阵的逆矩阵为：

A相开路故障时的降阶Park矩阵为：

步骤3，根据故障相信息，利用容错SVPWM模块中得到的剩余正常相的开关信号、母线电压以及电机反电势，根据故障后电机的电压方程求解得到故障下五相永磁电机的α-β轴电压u_α，u_β。

所述求解故障下五相永磁电机α-β轴电压u_α，u_β的具体方法如下：

五相永磁电机α-β轴电压u_α，u_β分为两个部分来求解，一部分是定子电压中的反电势分量，另一部分是电阻压降和感应电压分量：

所述α-β轴坐标系下反电势分量的求解方法为：

其中，e_α是α轴的反电势分量，e_β是β轴的反电势分量，e_z是z轴的反电势分量，e₀是零序空间的反电势分量，e_B，e_C，e_D和e_E分别是B，C，D和E相的反电势，可以通过下面的表达式来求得：

其中，e_A是A相的反电势，ω_e是电机的电角速度，ψ_m是电机的基波磁链幅值；

所述α-β轴坐标系下电阻压降和感应电压分量的求解方法为：

其中，u_eα是α轴的电阻压降和感应电压分量，u_eβ是β轴的电阻压降和感应电压分量，u_ez是z轴的电阻压降和感应电压分量，u_e0是零序空间的电阻压降和感应电压分量，u_Be，u_Ce，u_De和u_Ee分别是B相，C相，D相和E相的电阻压降和感应电压分量；

所述B相，C相，D相和E相的电阻压降和感应电压分量u_Be，u_Ce，u_De和u_Ee的具体求解方法为：

B相，C相，D相和E相的相电压可以根据开关信号和直流母线电压来求得：

其中，u_B，u_C，u_D和u_E分别是B相，C相，D相和E相的相电压，S_B，S_C，S_D和S_E分别是B相，C相，D相和E相的开关状态，当某一相上桥臂导通，下桥臂关断时，该相的开关状态为1，当上桥臂关断，下桥臂导通时，该相的开关状态为0，U_dc是直流母线电压；

B相，C相，D相和E相的电阻压降和感应电压分量u_Be，u_Ce，u_De和u_Ee为：

所述α-β轴电压u_α，u_β可以表示为：

步骤4，将所得到的α-β轴电压u_α，u_β和电流i_α，i_β，作为输入信号输入到最大转矩电流比(MTPA)模块中，利用空间向量信号注入法，来求得五相永磁电机的d轴电流，MTPA模块的输出为给定的d轴电流i_dref。

所述利用空间向量信号注入法，来求得五相永磁电机的d轴电流的具体操作步骤如下：

步骤4.1：图2(a)中展示了利用电压法来计算五相永磁电机α-β轴的磁链ψ_α和ψ_β的框图，ψ_α和ψ_β的计算方法为：

步骤4.2：根据求解得到的α-β轴的磁链ψ_α和ψ_β计算定子磁链ψ_s幅值：

步骤4.3：根据反馈的α-β轴的电流i_α和i_β计算定子电流i_s幅值：

步骤4.4：图2(b)中展示了MTPA观测器的作用框图，将所得到的定子磁链幅值和电流幅值输入到中心频率为注入频率的带通滤波器中，再将滤波器的输出信号相乘后输入到截止频率为10Hz的低通滤波器，最后将低通滤波器的输出信号送到积分器中，积分器的输出结果就是给定的d轴电流。

步骤5，为减小转矩脉动，z轴的给定电流i_zref为0，分别将给定的d-q-z轴电流i_dref，i_qref，i_zref与反馈的d-q-z轴电流i_df，i_qf，i_zf相比较，得到d-q-z轴电流误差e_id，e_iq，e_iz，采用PI控制器根据得到的d-q-z轴电流误差e_id，e_iq，e_iz计算得到五相永磁电机d-q-z轴的电压，三个PI控制器的输出量分别为五相永磁电机给定d-q-z轴的电压分量u_dref，u_qref，u_zref。

步骤6，将得到的五相永磁电机给定电压d-q轴的电压分量u_d，u_q利用Park变换的逆变换转换为α-β轴电压u_αref，u_βref，然后利用Park变换将高频信号注入到α-β轴电压u_αref，u_βref中，得到含高频电压分量的α-β轴电压u_αh，u_βh；

所述利用Park变换将高频信号注入到α-β轴电压u_αref，u_βref中的具体方法为：

其中，θ是含高频信号的位置角，θ可以表示为：

θ＝Asin(ω_ht)

其中,A是注入信号的幅值，ω_h是注入信号的角频率，t是时间。

所述注入信号幅值A和注入信号频率的选择应遵循以下原则：

所述注入信号幅值A应尽可能小，如果所述定子电流i_s幅值和磁链ψ_s幅值中的高频分量不明显，无法提取，可以增大注入信号的幅值A；

注入信号频率与转速环和电流环的带宽无关，仅与逆变器的开关频率有关，注入信号的频率可以尽可能高一点，可以选择开关频率的十分之一。

步骤7，将所得到的高频电压分量的α-β轴电压u_αh，u_βh和z轴给定电压u_zref都输入到容错SVPWM模块中，根据容错SVPWM算法求解出剩余正常相的开关信号，最后将得到的开关信号输入到逆变器中控制电机，实现五相永磁电机的最大转矩电流比容错运行。

所述容错SVPWM算法具体方法为：

根据所述降阶Clark变换矩阵，重新构造A相开路故障下的开关矢量：

其中，V_xsα是开关电压矢量x在α轴的分量，V_xsβ开关电压矢量x在β轴的分量，其中x是B、C、D和E相开关状态组成二进制数对应的十进制数，x＝dec(S_B,S_C,S_D,S_E)，dec代表二进制转十进制函数。图3(a)中展示了α-β子空间内的开关矢量分布图，图3(b)展示了z子空间内的开关矢量分布图。

新构造的A相开路故障下的开关矢量一共16个，从V₀到V₁₅，其中4个零矢量为V₀，V₅，V₁₀和V₁₅，由于V₅和V₁₀的剩余四相开关状态不完全一致，因此不用于合成参考矢量，所述16个开关矢量将α-β子空间分为8个扇区，其中开关矢量V₁，V₂，V₄，V₇，V₈，V₁₁，V₁₃和V₁₄在α-β子空间的幅值是0.3804U_dc，开关矢量V₆和V₉在α-β子空间的幅值是0.4472U_dc，开关矢量V₃和V₁₂在α-β子空间的幅值是0.6155U_dc。

判断α-β子空间的参考矢量处在哪一扇区，每个扇区选取3个非零矢量和两个零矢量来合成参考矢量，根据α-β-z坐标系下的参考矢量以及开关矢量在α-β和z子空间的幅值与相位，求解各开关矢量的作用时间。

假设α-β子空间的参考矢量处在第一扇区，如图4(a)所示。因此选取开关矢量V₈，V₉，V₁₃以及零电压矢量V₀，V₁₅来合成参考矢量。将参考矢量分解到α-β-z坐标系下，则α-β坐标系下的参考矢量分量可以表示为：

其中，V_refα是参考矢量分解到α轴的分量，V_refβ是参考矢量分解到β轴的分量，T₁,T₂和T₃分别是电压矢量V₈,V₉和V₁₃的所用时间，V_xα和V_xβ分别是开关矢量x在α轴和β轴下的电压分量：

如图4(b)所示，z坐标系下的参考矢量分量V_refz可以表示为：

u_refz＝(T₁V_8z+T₃V_13z)/T_s

＝(0.1902U_dcT₁-0.1902U_dcT₃)/T_s

其中，V_xz是开关矢量x在z轴下的电压分量。

结合上述两个表达式，参考电压在α-β-z坐标系下的分量可以表示为：

其中，矩阵M₁为：

各开关矢量的作用时间为：

图5中展示了传统i_d＝0容错控制策略切换到基于空间矢量信号注入的最大转矩电流比容错控制策略的转矩和电流波形，由实验结果可以看出本发明所述基于空间矢量信号注入的最大转矩电流比容错控制策略能有效降低容错电流的幅值，提升电机故障状态下的输出转矩能力。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种基于SVPWM的五相永磁电机最大转矩电流比容错控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，检测五相永磁电机转速，作为电机的反馈转速ω_m，将给定转速ω^*与反馈转速ω_m相比较得到电机的转速误差e，采用PI控制器根据转速误差e计算得到五相永磁电机的q轴电流，PI控制器的输出量为给定的q轴电流i_qref；

步骤2，利用电流传感器采样五相永磁电机的各相电流i_A，i_B，i_C，i_D，i_E,根据采样得到的各相电流来确定五相永磁电机的故障相，根据所确定的故障相来选择对应单相开路时的降阶矩阵，利用所选取的降阶矩阵，对采样得到的五相永磁电机的相电流进行矩阵变换，得到故障时五相永磁电机反馈的α-β轴电流i_α，i_β和d-q-z轴电流i_df，i_qf，i_zf；

步骤3，根据故障相信息，利用容错SVPWM模块中得到的剩余正常相的开关信号、母线电压以及电机反电势，根据故障后电机的电压方程求解得到故障下五相永磁电机的α-β轴电压u_α，u_β；

步骤4，将所得到的α-β轴电压u_α，u_β和α-β轴电流i_α，i_β，作为输入信号输入到最大转矩电流比模块MTPA中，利用空间向量信号注入法，来求得五相永磁电机的d轴电流，MTPA模块的输出为给定的d轴电流i_dref；

步骤5，为减小转矩脉动，z轴的给定电流i_zref为0，分别将给定的d-q-z轴电流i_dref，i_qref，i_zref与反馈的d-q-z轴电流i_df，i_qf，i_zf相比较，得到d-q-z轴电流误差e_id，e_iq，e_iz，采用PI控制器根据得到的d-q-z轴电流误差e_id，e_iq，e_iz计算得到五相永磁电机d-q-z轴的电压，三个PI控制器的输出量分别为五相永磁电机给定d-q-z轴的电压分量u_dref，u_qref，u_zref；

步骤6，将得到的五相永磁电机给定电压d-q轴的电压分量u_d，u_q利用Park变换的逆变换转换为α-β轴电压u_αref，u_βref，然后利用Park变换将高频信号注入到α-β轴电压u_αref，u_βref中，得到含高频电压分量的α-β轴电压u_αh，u_βh；

步骤7，将所得到的含高频电压分量的α-β轴电压u_αh，u_βh和z轴给定电压u_zref都输入到容错SVPWM模块中，根据容错SVPWM算法求解出剩余正常相的开关信号，最后将得到的开关信号输入到逆变器中控制电机，实现五相永磁电机的最大转矩电流比容错运行。

2.根据权利要求1所述的一种基于SVPWM的五相永磁电机最大转矩电流比容错控制方法，其特征在于，步骤2中所述的降阶矩阵的推导方法为：在一相开路故障情况下，根据保持故障前后磁动势不变原理以及剩余正常相容错电流幅值相等的约束条件，推导出一相开路故障下的最优容错电流，根据容错电流重构出相应的降阶矩阵。

3.根据权利要求1所述的一种基于SVPWM的五相永磁电机最大转矩电流比容错控制方法，其特征在于，步骤3中求解故障下五相永磁电机α-β轴电压u_α，u_β的具体方法如下：

五相永磁电机α-β轴电压u_α，u_β分为两个部分来求解，一部分是定子电压中的反电势分量，另一部分是电阻压降和感应电压分量：

α-β轴坐标系下反电势分量的求解方法为：

其中，e_α是α轴的反电势分量，e_β是β轴的反电势分量，e_z是z轴的反电势分量，e₀是零序空间的反电势分量，e_B，e_C，e_D和e_E分别是B，C，D和E相的反电势，通过下面的表达式来求得：

其中，e_A是A相的反电势，ω_e是电机的电角速度，ψ_m是电机的基波磁链幅值；

所述α-β轴坐标系下电阻压降和感应电压分量的求解方法为：

其中，u_eα是α轴的电阻压降和感应电压分量，u_eβ是β轴的电阻压降和感应电压分量，u_ez是z轴的电阻压降和感应电压分量，u_e0是零序空间的电阻压降和感应电压分量，u_Be，u_Ce，u_De和u_Ee分别是B相，C相，D相和E相的电阻压降和感应电压分量；

所述α-β轴电压u_α，u_β可以表示为：

4.根据权利要求3所述的一种基于SVPWM的五相永磁电机最大转矩电流比容错控制方法，其特征在于，所述B相，C相，D相和E相的电阻压降和感应电压分量u_Be，u_Ce，u_De和u_Ee的具体过程为：

B相，C相，D相和E相的相电压根据开关信号和直流母线电压来求得：

其中，u_B，u_C，u_D和u_E分别是B相，C相，D相和E相的相电压，S_B，S_C，S_D和S_E分别是B相，C相，D相和E相的开关状态，当某一相上桥臂导通，下桥臂关断时，该相的开关状态为1，当上桥臂关断，下桥臂导通时，该相的开关状态为0，U_dc是直流母线电压；

B相，C相，D相和E相的电阻压降和感应电压分量u_Be，u_Ce，u_De和u_Ee为：

5.根据权利要求1所述的一种基于SVPWM的五相永磁电机最大转矩电流比容错控制方法，其特征在于，步骤4中所述利用空间向量信号注入法，来求得五相永磁电机的d轴电流的具体步骤如下：

步骤4.1：利用电压法计算五相永磁电机α-β轴的磁链ψ_α和ψ_β

步骤4.2：根据求解得到的α-β轴的磁链ψ_α和ψ_β计算定子磁链ψ_s幅值：

步骤4.3：根据反馈的α-β轴的电流i_α和i_β计算定子电流i_s幅值：

步骤4.4：将所得到的定子磁链幅值和电流幅值输入到中心频率为注入频率的带通滤波器中，再将滤波器的输出信号相乘后输入到截止频率为10Hz的低通滤波器，最后将低通滤波器的输出信号送到积分器中，积分器的输出结果就是给定的d轴电流。

6.根据权利要求1所述的一种基于SVPWM的五相永磁电机最大转矩电流比容错控制方法，其特征在于，步骤6中所述利用Park变换将高频信号注入到α-β轴电压u_αref，u_βref中的具体步骤为：

其中，θ是含高频信号的位置角，θ可以表示为：

θ＝Asin(ω_ht)

其中，A是注入信号的幅值，ω_h是注入信号的角频率，t是时间。

7.根据权利要求6所述的一种基于SVPWM的五相永磁电机最大转矩电流比容错控制方法，其特征在于，注入信号幅值A和注入信号频率的选择应遵循以下原则：

注入信号幅值A应尽可能小，如果所述定子电流i_s幅值和磁链ψ_s幅值中的高频分量不明显，无法提取，增大注入信号的幅值A；

注入信号频率与转速环和电流环的带宽无关，仅与逆变器的开关频率有关，注入信号的频率尽可能高一点，可以选择开关频率的十分之一。

8.根据权利要求1所述的一种基于SVPWM的五相永磁电机最大转矩电流比容错控制方法，其特征在于，步骤7中所述容错SVPWM算法具体方法为：

根据降阶Clark变换矩阵，重新构造A相开路故障下的开关矢量：

其中，V_xsα是开关电压矢量x在α轴的分量，V_xsβ开关电压矢量x在β轴的分量，其中x是B、C、D和E相开关状态组成二进制数对应的十进制数，x＝dec(S_B,S_C,S_D,S_E)，dec代表二进制转十进制函数；

新构造的A相开路故障下的开关矢量一共16个，从V₀到V₁₅，其中4个零矢量为V₀，V₅，V₁₀和V₁₅，由于V₅和V₁₀的剩余四相开关状态不完全一致，因此不用于合成参考矢量，16个开关矢量将α-β子空间分为8个扇区；

判断α-β子空间的参考矢量处在哪一扇区，每个扇区选取3个非零矢量和两个零矢量来合成参考矢量，根据α-β-z坐标系下的参考矢量以及开关矢量在α-β和z子空间的幅值与相位，求解各开关矢量的作用时间。