CN111654219B - 一种异步电机容错控制方法及设备 - Google Patents

Abstract

本说明书一个或多个实施例提供的一种异步电机容错控制方法及设备，包括：建立异步电机的动态模型，预测出下一时刻的定子磁链及下一时刻的电磁转矩；根据容错逆变器结构以及预测开关序列，确定逆变器下一时刻中点电压偏移量；根据下一时刻的定子磁链、下一时刻的电磁转矩及电压偏移量构建评价函数，确定评价函数最小时的定子电压矢量为最优电压矢量；根据最优电压矢量时转矩的变化率得到最优电压矢量时的占空比，根据占空比调控异步电机。本说明书一个或多个实施例在电机器件故障时通过占空比进行转矩的预测及控制，有利于减小转矩脉动，抑制电压偏移，降低输出电流谐波含量，整体提高电机在发生故障时的应对效果。

Description

一种异步电机容错控制方法及设备

技术领域

本说明书一个或多个实施例涉及机械控制技术领域，尤其涉及一种异步电机容错控制方法及设备。

背景技术

在异步电动机中开关器件为其重要的组成构件之一，而逆变器更是开关器件的核心。现有技术中，异步电动机的逆变器一般为三电平中点钳位逆变器(Neutral-Point-Clamped，NPC)或两电平逆变器，与后者相比，NPC具有更低的开关器件电压应力，更低的谐波含量，更小的电压偏移等优势。但同时，NPC逆变器拓扑更加复杂，开关器件成倍增加，系统故障率也显著增加，可靠性降低。

如果开关器件发生故障，为保证系统继续运行，则需对其进行容错控制。而现有的对NPC逆变器的软件容错控制中，虽然由于缺少了矢量，容错运行时电压利用率降低一半；但是，电容中点电压波动会随着负载电流增加，输出频率降低也会导致中点电压波动加剧，中点电压不平衡将导致转矩脉动和逆变器二次故障。

发明内容

有鉴于此，本说明书一个或多个实施例的目的在于提出一种异步电机容错控制方法及设备。

基于上述目的，本说明书一个或多个实施例提供的一种异步电机容错控制方法，包括：

建立异步电机的动态模型，根据所述动态模型确定转子磁链，通过前向欧拉法对所述动态模型及所述转子磁链进行离散得到下一时刻的定子磁链，预测下一时刻的电磁转矩；

获取异步电机的开关序列，建立故障逆变器的拓扑结构，根据所述拓扑结构及所述开关序列确定定子电压矢量及拓扑结构电容电流及电压关系，对所述扑结构电容电流及电压关系进行离散化整理得到电压偏移量；

根据所述下一时刻的定子磁链、所述下一时刻的电磁转矩及所述电压偏移量计算评价函数，确定所述评价函数最小时的所述定子电压矢量为最优电压矢量；

根据所述最优电压矢量时转矩的变化率得到所述最优电压矢量时的占空比，根据所述占空比调控异步电机。

在一些实施方式中，所述建立异步电机的动态模型，具体为：

其中，ψ_s为定子磁链矢量，t为单位时间变量，u_s为定子电压矢量，i_s为定子电流矢量，R_s为定子电阻，R_r为转子电阻，L_s为定子电感，L_r为转子电感，ω_r为转子电角速度，为电机漏感系数，L_m为互感，j为数学符号表示复数。

在一些实施方式中，所述下一时刻的定子磁链及所述下一时刻的电磁转矩，具体为：

ψ_s(k+1)＝ψ_s(k)+T_s[u_s(k)-R_si_s(k)]

其中，ψ_s为定子磁链矢量，T_e为电磁转矩，k为时间变量，T_s为控制周期，u_s为定子电压矢量，R_s为定子电阻，i_s为定子电流矢量，p为电机极对数，为定子磁链矢量的复共轭，Im为数学符号表示虚部。

在一些实施方式中，所述定子电压矢量，具体为：

其中，U_s为定子电压矢量，S_b、S_c分别为故障逆变器拓扑结构中b相开关函数及c相开关函数，U_dc为拓扑结构直流环节电压，U_C1、U_C2分别为拓扑结构第一电容电压及第二电容电压，j为数学符号表示复数。

在一些实施方式中，所述对所述扑结构电容电流及电压关系进行离散化整理得到电压偏移量，包括：

所述扑结构电容电流及电压关系，具体为

其中，i_C1、i_C2分别为拓扑结构第一电容电流及第二电容电流，U_C1、U_C2分别为拓扑结构第一电容电压及第二电容电压，C为拓扑结构电容值，拓扑结构中第一电容与第二电容的电容值相同，t为单位时间变量，i_a、i_b、i_c分别为拓扑结构中A相负载电流、B相负载电流及C相负载电流，S_b、S_c分别为故障逆变器拓扑结构中B相开关函数及C相开关函数；

所述电压偏移量，具体为：

其中，ΔU_c为电压偏移量，k为时间变量，T_s为控制周期。

在一些实施方式中，所述评价函数，具体为：

其中，g为评价函数，分别为电磁转矩给定量及定子磁链矢量给定量，T_e、ψ_s、ΔU_C分别为电磁转矩、定子磁链矢量及电压偏移量，k为时间变量，T_en、ψ_sn、U_dc分别为额定转矩、额定磁链及拓扑结构直流环节电压，λ_f、λ_dc分别为磁链及电压的权重系数，I_m为最大电流，||x||为数学运算符，取向量模的绝对值。

在一些实施方式中，所述占空比，具体为：

其中，t_opt为占空比，为电磁转矩给定量，T_e为电磁转矩，T_j为最优电压矢量作用下的电磁转矩，k为时间变量，S_j为优电压矢量的变化率，T_s为控制周期，S_{opt_T}为有效电压矢量的转矩变化率，T_{e_opt}为有效矢量作用下的电磁转矩。

基于同一构思，本说明书一个或多个实施例还提供了一种异步电机容错控制设备，包括：

动态模型模块，建立异步电机的动态模型，根据所述动态模型确定转子磁链，通过前向欧拉法对所述动态模型及所述转子磁链进行离散得到下一时刻的定子磁链，预测下一时刻的电磁转矩；

逆变器模块，获取异步电机的开关序列，建立故障逆变器的拓扑结构，根据所述拓扑结构及所述开关序列确定定子电压矢量及拓扑结构电容电流及电压关系，对所述扑结构电容电流及电压关系进行离散化整理得到电压偏移量；

确定模块，根据所述下一时刻的定子磁链、所述下一时刻的电磁转矩及所述电压偏移量计算评价函数，确定所述评价函数最小时的所述定子电压矢量为最优电压矢量；

控制模块，根据所述最优电压矢量时转矩的变化率得到所述最优电压矢量时的占空比，根据所述占空比调控异步电机。

从上面所述可以看出，本说明书一个或多个实施例提供的一种异步电机容错控制方法及设备，包括：建立异步电机的动态模型，预测出下一时刻的定子磁链及下一时刻的电磁转矩；根据容错逆变器结构以及预测开关序列，确定逆变器下一时刻中点电压偏移量；根据下一时刻的定子磁链、下一时刻的电磁转矩及电压偏移量构建评价函数，确定评价函数最小时的定子电压矢量为最优电压矢量；根据最优电压矢量时转矩的变化率得到最优电压矢量时的占空比，根据占空比调控异步电机。本说明书一个或多个实施例在电机器件故障时通过占空比进行转矩的预测及控制，有利于减小转矩脉动，抑制电压偏移，降低输出电流谐波含量，整体提高电机在发生故障时的应对效果。

附图说明

为了更清楚地说明本说明书一个或多个实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本说明书一个或多个实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本说明书一个或多个实施例提出的故障容错逆变器拓扑结构的示意图；

图2为本说明书一个或多个实施例提出的一种异步电机容错控制方法的流程示意图；

图3为本说明书一个或多个实施例提出的一种异步电机容错控制设备的结构示意图。

具体实施方式

为使本说明书的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本说明书进一步详细说明。

需要说明的是，除非另外定义，本说明书实施例使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件、物件或者方法步骤涵盖出现在该词后面列举的元件、物件或者方法步骤及其等同，而不排除其他元件、物件或者方法步骤。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

如背景技术部分所述，若异步电机的开关器件发生故障，为保证系统继续运行，则需对其进行容错控制。现有容错控制方法可以分为两类，一类是硬件容错，比如增加冗余桥臂；一类是软件容错，故障后利用剩余的电压矢量进行容错控制。硬件容错结构复杂，增加设备成本，现有容错控制大多采用软件容错方式，如图1所示，为三电平NPC逆变器故障后的一种容错控制拓扑结构示意图。其中A相发生故障，将故障桥臂从主电路中切除，同时将故障相与直流母线中点相连，形成八开关三相逆变器拓扑。由于缺少了矢量，容错运行时电压利用率降低一半。但另一方面，电容中点电压波动会随着负载电流增加，输出频率降低也会导致中点电压波动加剧，中点电压不平衡将导致转矩脉动和逆变器二次故障。

结合上述实际情况，本方案的一种异步电机容错控制方案，通过模型预测控制进行开关器件的容错控制，模型预测控制具有概念直观、动态响应快、容易处理非线性约束、多变量控制能力等优点，在电力电子与电力传动领域得到了广泛应用。模型预测转矩控制(model predictive torque control，MPTC)与直接转矩控制相比，直接用精确的模型预测下一时刻电磁转矩、定子磁链等相关变量的变化。通过预测选择集的电压矢量，选择使评价函数最小的电压矢量，作为下一时刻的输出，因此，MPTC在矢量选择方面的准确性和有效性都高于直接转矩控制。

同时，为了改善低采样频率带来的不利影响，采取更高的采样速率，改善系统的稳态性能，但是需要配备更加快速的硬件平台，并且会增加系统的成本。利用基本电压矢量合成虚拟矢量，增加电压矢量选择的自由度，使MPTC具有更大的控制灵活性，从而在稳态下获得满意的性能。虽然可选择的矢量增加，但是在评价函数的计算量也与矢量数量成比例增加。进而，通过无差拍占空比控制的方法被引入到改进传统MPTC的性能中，首先根据评价函数最小化的原则选择最优的电压矢量。然后，根据转矩无差拍的原理计算出最优电压矢量和零矢量的占空比，通过此占空比进行MPTC，有利于减小转矩脉动，抑制中点电压偏移，降低输出电流谐波含量。

以下，通过具体的实施例来详细说明本说明书的技术方案。

参考图2，本说明书一个实施例的异步电机容错控制方法，包括以下步骤：

步骤201，建立异步电机的动态模型，根据所述动态模型确定转子磁链，通过前向欧拉法对所述动态模型及所述转子磁链进行离散得到下一时刻的定子磁链，预测下一时刻的电磁转矩。

本步骤旨在，通过建立的异步电机的动态模型预测出下一时刻的定子磁链及电磁转矩。其中，异步电机即为异步电动机又称感应电动机，是由气隙旋转磁场与转子绕组感应电流相互作用产生电磁转矩，从而实现机电能量转换为机械能量的一种交流电机。之后，下一时刻是指当前时刻的未来一个时刻，根据具体的应用场景可以是下一分钟、下一秒或设定的时间间隔，在本领域中，当前时刻一般使用k表示，下一时刻一般使用k+1表示。

以定子磁链和定子电流为状态变量，异步感应电机的数学模型可表示为：

其中，ψ_s为定子磁链矢量，t为单位时间变量，u_s为定子电压矢量，i_s为定子电流矢量，R_s为定子电阻，R_r为转子电阻，L_s为定子电感，L_r为转子电感，ω_r为转子电角速度，为电机漏感系数，L_m为互感，j为数学符号表示复数，在异步感应电机中一般将定子的相关数据与转子的相关数据通过下角标s与r进行区分。

由此，电磁转矩可以由定子磁链和定子电流观测得出

其中，T_e为电磁转矩，p为电机极对数，为定子磁链矢量的复共轭，Im为数学符号表示虚部。

转子磁链可以表示为

其中，ψ_r为转子磁链矢量，利用前向欧拉法对式(1)与(3)进行离散，消去转子电流和转子磁链，解出k+1时刻的定子磁链与定子电流，

ψ_s(k+1)＝ψ_s(k)+T_s[u_s(k)-R_si_s(k)] (4)

其中，T_s为控制周期，τ_r＝L_r/R_r，τ_s＝L_s/R_s，k_r＝L_m/L_r，v_s为电压矢量，根据k时刻的定子磁链和定子电流可观测得到k时刻的电磁转矩，

同时，k+1时刻的转矩也可进行预测计算。

步骤202，获取异步电机的开关序列，建立故障逆变器的拓扑结构，根据所述拓扑结构及所述开关序列确定定子电压矢量及拓扑结构电容电流及电压关系，对所述扑结构电容电流及电压关系进行离散化整理得到电压偏移量。

本步骤旨在，通过获取到的开关序列及建立的故障逆变器的拓扑结构计算出电压偏移量。

三电平逆变器缺相之后的容错结构由两个桥臂组成，如图1所示，将故障相A的桥臂切除后，该相输出直接与直流环节电容中点相连。

逆变器的输出由各桥臂的开关组合决定，定义各相的开关函数公式(8)，其中x代表B相和C相中的一相，即x＝b，c。

其中，S_x为x相的开关函数，P、O、N为代号，仅表示开关状态，S_x1、S_x2、S_x3及S_x4分别代表x相桥臂上的第1、2、3、4个开关函数。结合如图1所示的逆变器拓扑结构，当S_x＝2时，输出电压为U_C1，当S_x＝1时，输出电压为0，当S_x＝0时，输出电压为-U_C2，由于A相发生故障，A相的输出电压为0，因此逆变器的输出相电压可表示为公式(9)，其中O为直流侧中点：

其中，U_C1、U_C2分别为拓扑结构第一电容电压及第二电容电压。

根据逆变器输出相电压与负载输出相电压的关系，假定负载电压三相平衡，则可得出负载相电压如公式(10)所示，其中N为负载中性点：

因此根据空间矢量的定义，可以得出电机定子电压矢量：

其中，U_s为定子电压矢量。

将式(8)至(10)代入式(11)可得定子电压矢量与相开关函数和电容电压的表达式(12)。

其中，U_dc为拓扑结构直流环节电压。

根据式(11)可以得出八开关三相逆变器的所有电压矢量，包括6个小矢量、2个中矢量和1个零矢量，为保证圆形磁链，仅采用6个小矢量和1个零矢量。当中点电位平衡时，U_C1＝U_C2＝U_dc/2。

当中点电位发生偏移时，定义电位偏移量ΔU_c，表征中点电位的偏移程度，偏移量ΔU_c＝U_C1-U_C2。逆变器的电压矢量图也会发生相应的偏移改变。

假定直流侧两个电容的容值相同，即C₁＝C₂＝C都为统一的拓扑结构电容值。i_c1，i_c2和i_NP分别为流过第一电容C1、第二电容C2和中点O的电流，对中点O的电流应用基尔霍夫电流定律可得。

从式(13)可以看出，中点电位的波动由中点电流引起，是中点电流对时间的累积效应。反过来考虑负载侧，根据逆变器的拓扑结构可以得出中点电流与负载电流的关系。

i_NP＝i_a+|S_b-1|i_b+|S_c-1|i_c (14)

其中，i_a、i_b、i_c分别为拓扑结构中A相负载电流、B相负载电流及C相负载电流。

对于逆变器来说，仅控制逆变器的输出电压矢量可以在一定程度上控制中点电位，但不兼顾负载电流的大小和方向，就会出现输出的电压矢量反而加剧了中点电位不平衡程度的现象。

A相与直流侧电容中点O相连，负载电流流过电容C1和C2，引起中点电压波动，使得U_C1≠U_C2。

因此，第一电容电流i_C1、第二电容电流i_C2与第一电容电压U_C1、第二电容电压U_C2的关系可以表示为：

对式(15)进行离散化，可得U_C1(k+1)和U_C2(k+1)为：

将式(16)整理可以预测出k+1时刻电压矢量作用产生电压的电压偏移量。

步骤203，根据所述下一时刻的定子磁链、所述下一时刻的电磁转矩及所述电压偏移量计算评价函数，确定所述评价函数最小时的所述定子电压矢量为最优电压矢量。

本步骤旨在，计算评价函数，并以此确定出最优电压矢量。传统两电平MPTC评价函数中仅需要转矩和磁链两项，本方案的容错逆变器中需要增加中点电容作为评价项，因此可构建出评价函数：

其中，g为评价函数，分别为电子磁链给定量及定子磁链矢量给定量，T_e、ψ_s、ΔU_C分别为电磁转矩、定子磁链矢量及电压偏移量，k为时间变量，T_en、ψ_sn、U_dc分别为额定转矩、额定磁链及拓扑结构直流环节电压，λ_f、λ_dc分别为磁链及电压的权重系数，||x||为数学运算符，取向量模的绝对值。

考虑到最大电流I_m限制评价函数可以表示为：

其中，最大电流I_m满足：

其中，I_MAX为理论最大电流值。

对评价函数进行计算可最终得到7个不同大小的评价函数g，其分别对应7个定子电压矢量，定子电压矢量的计算过程如式(12)。在这7个定子电压矢量中确定最小的定子电压矢量为最优电压矢量。

步骤204，根据所述最优电压矢量时转矩的变化率得到所述最优电压矢量时的占空比，根据所述占空比调控异步电机。

本步骤旨在，根据最优电压矢量确定出对应的占空比，并以此占空比调控异步电动机。在一个周期内，逆变器中可分别采用6个有效矢量和零矢量进行占空比控制(即前一步骤中提及的7个定子电压矢量)。根据无差拍控制原理：

其中，T_e为电磁转矩，k为时间变量，为电磁转矩给定量，S_opt及S₀分别为有效矢量和零矢量作用时转矩的变化率，t_opt为占空比，T_s为控制周期。

同时，电磁转矩的变化率可以表示为：

T_j(k+1)-T_j(k)＝S_j·T_s (22)

其中，T_j(k+1)、T_j(k)、S_j分别为最优电压矢量作用后k+1时刻的电磁转矩、k时刻的电磁转矩以及最优电压矢量的变化率。

因此，从式(21)和式(22)可计算得出最优电压矢量的占空比为：

其中，t_opt为占空比，为电磁转矩给定量，T_e为电磁转矩，T_j为最优电压矢量作用下的电磁转矩，k为时间变量，S_j为优电压矢量的变化率，T_s为控制周期，S_{opt_T}为有效电压矢量的转矩变化率，T_{e_opt}为有效矢量作用下的电磁转矩。

最后，根据最优电压矢量的占空比可以生成调整后的开关序列，通过新生成的开关序列控制异步电动机的开关器件，最终驱动异步电动机。

通过应用本说明书一个或多个实施例提供的一种异步电机容错控制方法，包括：建立异步电机的动态模型，预测出下一时刻的定子磁链及下一时刻的电磁转矩；根据容错逆变器结构以及预测开关序列，确定逆变器下一时刻中点电压偏移量；根据下一时刻的定子磁链、下一时刻的电磁转矩及电压偏移量构建评价函数，确定评价函数最小时的定子电压矢量为最优电压矢量；根据最优电压矢量时转矩的变化率得到最优电压矢量时的占空比，根据占空比调控异步电机。本说明书一个或多个实施例在电机器件故障时通过占空比进行转矩的预测及控制，有利于减小转矩脉动，抑制电压偏移，降低输出电流谐波含量，整体提高电机在发生故障时的应对效果。

在本说明书的可选实施例中，为了准确表示异步电动机的动态性能，使计算结果更精确的表征电动机的各项数据，所述建立异步电机的动态模型，具体为：

其中，ψ_s为定子磁链矢量，t为单位时间变量，u_s为定子电压矢量，i_s为定子电流矢量，R_s为定子电阻，R_r为转子电阻，L_s为定子电感，L_r为转子电感，ω_r为转子电角速度，为电机漏感系数，L_m为互感，j为数学符号表示复数。

在本说明书的可选实施例中，所述下一时刻的定子磁链及所述下一时刻的电磁转矩，具体为：

ψ_s(k+1)＝ψ_s(k)+T_s[u_s(k)-R_si_s(k)]

其中，ψ_s为定子磁链矢量，T_e为电磁转矩，k为时间变量，T_s为控制周期，u_s为定子电压矢量，R_s为定子电阻，i_s为定子电流矢量，p为电机极对数，为定子磁链矢量的复共轭，Im为数学符号表示虚部。

在本说明书的可选实施例中，所述定子电压矢量，具体为：

其中，U_s为定子电压矢量，S_b、S_c分别为故障逆变器拓扑结构中b相开关函数及c相开关函数，U_dc为拓扑结构直流环节电压，U_C1、U_C2分别为拓扑结构第一电容电压及第二电容电压，j为数学符号表示复数。

在本说明书的可选实施例中，所述对所述扑结构电容电流及电压关系进行离散化整理得到电压偏移量，包括：

所述扑结构电容电流及电压关系，具体为

其中，i_C1、i_C2分别为拓扑结构第一电容电流及第二电容电流，U_C1、U_C2分别为拓扑结构第一电容电压及第二电容电压，C为拓扑结构电容值，拓扑结构中第一电容与第二电容的电容值相同，t为单位时间变量，i_a、i_b、i_c分别为拓扑结构中A相负载电流、B相负载电流及C相负载电流，S_b、S_c分别为故障逆变器拓扑结构中B相开关函数及C相开关函数；

所述电压偏移量，具体为：

其中，ΔU_c为电压偏移量，k为时间变量，T_s为控制周期。

在本说明书的可选实施例中，所述评价函数，具体为：

其中，g为评价函数，分别为电磁转矩给定量及定子磁链矢量给定量，T_e、ψ_s、ΔU_C分别为电磁转矩、定子磁链矢量及电压偏移量，k为时间变量，T_en、ψ_sn、U_dc分别为额定转矩、额定磁链及拓扑结构直流环节电压，λ_f、λ_dc分别为磁链及电压的权重系数，I_m为最大电流，||x||为数学运算符，取向量模的绝对值。

在本说明书的可选实施例中，所述占空比，具体为：

其中，t_opt为占空比，为电磁转矩给定量，T_e为电磁转矩，T_j为最优电压矢量作用下的电磁转矩，k为时间变量，S_j为优电压矢量的变化率，T_s为控制周期，S_{opt_T}为有效电压矢量的转矩变化率，T_{e_opt}为有效矢量作用下的电磁转矩。

基于同一构思，本说明书一个或多个实施例还提供了一种异步电机容错控制设备，参考图3所示，包括：

动态模型模块301，建立异步电机的动态模型，根据所述动态模型确定转子磁链，通过前向欧拉法对所述动态模型及所述转子磁链进行离散得到下一时刻的定子磁链，预测下一时刻的电磁转矩；

逆变器模块302，获取异步电机的开关序列，建立故障逆变器的拓扑结构，根据所述拓扑结构及所述开关序列确定定子电压矢量及拓扑结构电容电流及电压关系，对所述扑结构电容电流及电压关系进行离散化整理得到电压偏移量；

确定模块303，根据所述下一时刻的定子磁链、所述下一时刻的电磁转矩及所述电压偏移量计算评价函数，确定所述评价函数最小时的所述定子电压矢量为最优电压矢量；

控制模块304，根据所述最优电压矢量时转矩的变化率得到所述最优电压矢量时的占空比，根据所述占空比调控异步电机。

作为一个可选的实施例，所述建立异步电机的动态模型，具体为：

其中，ψ_s为定子磁链矢量，t为单位时间变量，u_s为定子电压矢量，i_s为定子电流矢量，R_s为定子电阻，R_r为转子电阻，L_s为定子电感，L_r为转子电感，ω_r为转子电角速度，为电机漏感系数，L_m为互感，j为数学符号表示复数。

作为一个可选的实施例，所述下一时刻的定子磁链及所述下一时刻的电磁转矩，具体为：

ψ_s(k+1)＝ψ_s(k)+T_s[u_s(k)-R_si_s(k)]

其中，ψ_s为定子磁链矢量，T_e为电磁转矩，k为时间变量，T_s为控制周期，u_s为定子电压矢量，R_s为定子电阻，i_s为定子电流矢量，p为电机极对数，为定子磁链矢量的复共轭，Im为数学符号表示虚部。

作为一个可选的实施例，所述定子电压矢量，具体为：

其中，U_s为定子电压矢量，S_b、S_c分别为故障逆变器拓扑结构中b相开关函数及c相开关函数，U_dc为拓扑结构直流环节电压，U_C1、U_C2分别为拓扑结构第一电容电压及第二电容电压，j为数学符号表示复数。

作为一个可选的实施例，所述对所述扑结构电容电流及电压关系进行离散化整理得到电压偏移量，包括：

所述扑结构电容电流及电压关系，具体为

其中，i_C1、i_C2分别为拓扑结构第一电容电流及第二电容电流，U_C1、U_C2分别为拓扑结构第一电容电压及第二电容电压，C为拓扑结构电容值，拓扑结构中第一电容与第二电容的电容值相同，t为单位时间变量，i_a、i_b、i_c分别为拓扑结构中A相负载电流、B相负载电流及C相负载电流，S_b、S_c分别为故障逆变器拓扑结构中B相开关函数及C相开关函数；

所述电压偏移量，具体为：

其中，ΔU_c为电压偏移量，k为时间变量，T_s为控制周期。

作为一个可选的实施例，所述评价函数，具体为：

其中，g为评价函数，分别为电磁转矩给定量及定子磁链矢量给定量，T_e、ψ_s、ΔU_C分别为电磁转矩、定子磁链矢量及电压偏移量，k为时间变量，T_en、ψ_sn、U_dc分别为额定转矩、额定磁链及拓扑结构直流环节电压，λ_f、λ_dc分别为磁链及电压的权重系数，I_m为最大电流，||x||为数学运算符，取向量模的绝对值。

作为一个可选的实施例，所述占空比，具体为：

其中，t_opt为占空比，为电磁转矩给定量，T_e为电磁转矩，T_j为最优电压矢量作用下的电磁转矩，k为时间变量，S_j为优电压矢量的变化率，T_s为控制周期，S_{opt_T}为有效电压矢量的转矩变化率，T_{e_opt}为有效矢量作用下的电磁转矩。

上述实施例的设备用于实现前述实施例中相应的方法，并且具有相应的方法实施例的有益效果，在此不再赘述。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本公开的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本说明书一个或多个实施例的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。

另外，为简化说明和讨论，并且为了不会使本说明书一个或多个实施例难以理解，在所提供的附图中可以示出或可以不示出与集成电路(IC)芯片和其它部件的公知的电源/接地连接。此外，可以以框图的形式示出设备，以便避免使本说明书一个或多个实施例难以理解，并且这也考虑了以下事实，即关于这些框图设备的实施方式的细节是高度取决于将要实施本说明书一个或多个实施例的平台的(即，这些细节应当完全处于本领域技术人员的理解范围内)。在阐述了具体细节(例如，电路)以描述本公开的示例性实施例的情况下，对本领域技术人员来说显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下或者这些具体细节有变化的情况下实施本说明书一个或多个实施例。因此，这些描述应被认为是说明性的而不是限制性的。

尽管已经结合了本公开的具体实施例对本公开进行了描述，但是根据前面的描述，这些实施例的很多替换、修改和变型对本领域普通技术人员来说将是显而易见的。例如，其它存储器架构(例如，动态RAM(DRAM))可以使用所讨论的实施例。

本说明书一个或多个实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本说明书一个或多个实施例的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种异步电机容错控制方法，其特征在于，应用于八开关三相逆变器，包括：

建立异步电机的动态模型，根据所述动态模型确定转子磁链，通过前向欧拉法对所述动态模型及所述转子磁链进行离散得到下一时刻的定子磁链，预测下一时刻的电磁转矩；

获取异步电机的开关序列，建立故障逆变器的拓扑结构，根据所述拓扑结构及所述开关序列确定定子电压矢量及拓扑结构电容电流及电压关系，对所述拓扑结构电容电流及电压关系进行离散化整理得到电压偏移量；

根据所述下一时刻的定子磁链、所述下一时刻的电磁转矩及所述电压偏移量计算评价函数，确定所述评价函数最小时的所述定子电压矢量为最优电压矢量；

根据所述最优电压矢量时转矩的变化率得到所述最优电压矢量时的占空比，根据所述占空比调控异步电机；

所述定子电压矢量为

其中，U_s为定子电压矢量，U_AN为A相负载到负载中性点N的电压，U_BN为B相负载到负载中性点N的电压，U_CN为C相负载到负载中性点N的电压，通过所述定子电压矢量计算所述八开关三相逆变器的9个电压矢量；

所述建立异步电机的动态模型，具体为：

其中，ψ_s为定子磁链矢量，t为单位时间变量，u_s为定子电压矢量，i_s为定子电流矢量，R_s为定子电阻，R_r为转子电阻，L_s为定子电感，L_r为转子电感，ω_r为转子电角速度，为电机漏感系数，L_m为互感，j为数学符号表示复数；

所述下一时刻的定子磁链及所述下一时刻的电磁转矩，具体为：

ψ_s(k+1)＝ψ_s(k)+T_s[u_s(k)-R_si_s(k)]

其中，ψ_s为定子磁链矢量，T_e为电磁转矩，k为时间变量，T_s为控制周期，u_s为定子电压矢量，R_s为定子电阻，i_s为定子电流矢量，p为电机极对数，为定子磁链矢量的复共轭，Im为数学符号表示虚部；

所述定子电压矢量，具体为：

其中，U_s为定子电压矢量，S_b、S_c分别为故障逆变器拓扑结构中b相开关函数及c相开关函数，U_dc为拓扑结构直流环节电压，U_C1、U_C2分别为拓扑结构第一电容电压及第二电容电压，j为数学符号表示复数；

所述对所述拓扑结构电容电流及电压关系进行离散化整理得到电压偏移量，包括：

所述拓扑结构电容电流及电压关系，具体为

其中，i_C1、i_C2分别为拓扑结构第一电容电流及第二电容电流，U_C1、U_C2分别为拓扑结构第一电容电压及第二电容电压，C为拓扑结构电容值，拓扑结构中第一电容与第二电容的电容值相同，t为单位时间变量，i_a、i_b、i_c分别为拓扑结构中A相负载电流、B相负载电流及C相负载电流，S_b、S_c分别为故障逆变器拓扑结构中B相开关函数及C相开关函数；

所述电压偏移量，具体为：

其中，ΔU_c为电压偏移量，k为时间变量，T_s为控制周期；

所述评价函数，具体为：

其中，g为评价函数，分别为电磁转矩给定量及定子磁链矢量给定量，T_e、ψ_s、ΔU_C分别为电磁转矩、定子磁链矢量及电压偏移量，k为时间变量，T_en、ψ_sn、U_dc分别为额定转矩、额定磁链及拓扑结构直流环节电压，λ_f、λ_dc分别为磁链及电压的权重系数，I_m为最大电流，‖x‖为数学运算符，取向量模的绝对值；

所述占空比，具体为：

其中，t_opt为占空比，为电磁转矩给定量，T_e为电磁转矩，T_j为最优电压矢量作用下的电磁转矩，k为时间变量，S_j为优电压矢量的变化率，T_s为控制周期，S_{opt_T}为有效电压矢量的转矩变化率，T_{e_opt}为有效矢量作用下的电磁转矩。

2.一种异步电机容错控制设备，其特征在于，应用于八开关三相逆变器，包括：

动态模型模块，建立异步电机的动态模型，根据所述动态模型确定转子磁链，通过前向欧拉法对所述动态模型及所述转子磁链进行离散得到下一时刻的定子磁链，预测下一时刻的电磁转矩；

逆变器模块，获取异步电机的开关序列，建立故障逆变器的拓扑结构，根据所述拓扑结构及所述开关序列确定定子电压矢量及拓扑结构电容电流及电压关系，对所述拓扑结构电容电流及电压关系进行离散化整理得到电压偏移量；

确定模块，根据所述下一时刻的定子磁链、所述下一时刻的电磁转矩及所述电压偏移量计算评价函数，确定所述评价函数最小时的所述定子电压矢量为最优电压矢量；

控制模块，根据所述最优电压矢量时转矩的变化率得到所述最优电压矢量时的占空比，根据所述占空比调控异步电机；

所述定子电压矢量为

其中，U_s为定子电压矢量，U_AN为A相负载到负载中性点N的电压，U_BN为B相负载到负载中性点N的电压，U_CN为C相负载到负载中性点N的电压，通过所述定子电压矢量计算所述八开关三相逆变器的9个电压矢量；

所述建立异步电机的动态模型，具体为：

其中，ψ_s为定子磁链矢量，t为单位时间变量，u_s为定子电压矢量，i_s为定子电流矢量，R_s为定子电阻，R_r为转子电阻，L_s为定子电感，L_r为转子电感，ω_r为转子电角速度，为电机漏感系数，L_m为互感，j为数学符号表示复数；

所述下一时刻的定子磁链及所述下一时刻的电磁转矩，具体为：

ψ_s(k+1)＝ψ_s(k)+T_s[u_s(k)-R_si_s(k)]

其中，ψ_s为定子磁链矢量，T_e为电磁转矩，k为时间变量，T_s为控制周期，u_s为定子电压矢量，R_s为定子电阻，i_s为定子电流矢量，p为电机极对数，为定子磁链矢量的复共轭，Im为数学符号表示虚部；

所述定子电压矢量，具体为：

其中，U_s为定子电压矢量，S_b、S_c分别为故障逆变器拓扑结构中b相开关函数及c相开关函数，U_dc为拓扑结构直流环节电压，U_C1、U_C2分别为拓扑结构第一电容电压及第二电容电压，j为数学符号表示复数；

所述对所述拓扑结构电容电流及电压关系进行离散化整理得到电压偏移量，包括：

所述拓扑结构电容电流及电压关系，具体为

其中，i_C1、i_C2分别为拓扑结构第一电容电流及第二电容电流，U_C1、U_C2分别为拓扑结构第一电容电压及第二电容电压，C为拓扑结构电容值，拓扑结构中第一电容与第二电容的电容值相同，t为单位时间变量，i_a、i_b、i_c分别为拓扑结构中A相负载电流、B相负载电流及C相负载电流，S_b、S_c分别为故障逆变器拓扑结构中B相开关函数及C相开关函数；

所述电压偏移量，具体为：

其中，ΔU_c为电压偏移量，k为时间变量，T_s为控制周期；

所述评价函数，具体为：

其中，g为评价函数，分别为电磁转矩给定量及定子磁链矢量给定量，T_e、ψ_s、ΔU_C分别为电磁转矩、定子磁链矢量及电压偏移量，k为时间变量，T_en、ψ_sn、U_dc分别为额定转矩、额定磁链及拓扑结构直流环节电压，λ_f、λ_dc分别为磁链及电压的权重系数，I_m为最大电流，‖x‖为数学运算符，取向量模的绝对值；

所述占空比，具体为：

其中，t_opt为占空比，为电磁转矩给定量，T_e为电磁转矩，T_j为最优电压矢量作用下的电磁转矩，k为时间变量，S_j为优电压矢量的变化率，T_s为控制周期，S_{opt_T}为有效电压矢量的转矩变化率，T_{e_opt}为有效矢量作用下的电磁转矩。