CN112290859A - 采用无差拍电流跟踪的正弦或梯形反电势五相永磁电机短路容错控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用无差拍电流跟踪的正弦或梯形反电势五相永磁电机短路容错控制方法。该方法充分利用了故障状态下的五相永磁电机的三次谐波空间，提出了针对正弦反电势和梯形反电势的五相永磁电机在单相短路故障情况下的容错控制策略，使得五相永磁电机在容错运行时也能够充分利用其三次谐波空间。本发明提高了电机故障状态下输出转矩的性能，提升了电机的容错运行效率，使得电机能够拥有更好的容错性能以及动态响应；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；与传统容错算法中使用的电流滞环调制方法相比，降低了逆变器的开关损耗。

Description

采用无差拍电流跟踪的正弦或梯形反电势五相永磁电机短路 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，特别涉及一种五相永磁电机的单相短路容错控制方法。该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

五相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、航天航空以及海上巡航系统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。

对于五相永磁电机来说，除了人为的在气隙磁场中注入三次谐波分量，永磁体的加工设计误差、充磁不理想等都会使气隙中存在一定的三次谐波成分。对于含有三次谐波磁场的五相永磁电机，通过注入特定比例的三次谐波电流，可以有效降低气隙磁密的峰值，提高铁心材料的利用率和电机的输出转矩。

近年来，国内外学者对于无差拍模型预测控制和多相电机的短路容错控制都进行了深入的研究，并取得了丰富的成果。

目前常用的一种无差拍模型预测电流控制能够实现信号的跟踪，但是这种方法的现有研究主要都集中在电机正常运行状态下的应用，未能实现电机故障短路状态下的无差拍模型预测电流控制。

多相电机的短路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分析了短路电流的模型以及三次谐波反电动势对补救绕组短路的影响，使用一种在线最佳电流参考产生技术；使用成本函数，固定框架控制策略，以在相短路条件下实现最佳电流控制；也有以消除短路电流的影响，使短路故障下的模型等效于开路故障。然而这些方法都没有充分利用五相电机的三次谐波空间，且这些短路容错控制策略大多依赖电机反电势的实际值，会给容错控制带来误差。

发明内容

针对传统短路容错控制没有充分利用五相电机的三次谐波空间、依赖电机实际反电势、以及现有无差拍模型预测电流控制未能实现带故障运行的现状，本发明提出了一种采用无差拍电流跟踪的正弦或梯形反电势五相永磁电机短路容错控制方法。

为达到技术目的，本发明采用如下技术方案：

一种采用无差拍电流跟踪的正弦或梯形反电势五相永磁电机短路容错控制方法，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_r，采用PI控制器根据转速误差e_r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_q；

步骤2，对短路电流进行补偿，将短路故障等效成开路故障分析处理；

步骤3，重构单相短路情况下的基波空间和三次谐波空间的降阶矩阵；

步骤4，忽略磁阻转矩，利用降阶矩阵得到故障下的基波空间和三次谐波空间中电机的转矩表达式；

步骤5，针对正弦反电势和梯形反电势，构建了由短路相电流和短路相反电势相互作用而产生的额外转矩脉动表达式；

步骤6，为了抵消短路电流引起的额外转矩脉动，通过基波空间和三次谐波空间的转矩表达式，生成能够抵消此转矩脉动的短路抑制电流i_d1s、i_q1s、i_z1s、i_d3s、i_q3s、i_z3s，其中，i_d1s、i_q1s、i_z1s为基波空间中的短路抑制电流，i_d3s、i_q3s、i_z3s为三次谐波空间中的短路抑制电流；

步骤7，针对正弦反电势和梯形反电势的五相永磁电机，通过q轴电流i_q，以及故障情况下的基波空间和三次谐波空间的转矩表达式，得到用以维持平稳输出转矩的开路容错参考电流i_d1o、i_q1o、i_z1o、i_d3o、i_q3o、i_z3o，其中，i_d1o、i_q1o、i_z1o为基波空间中的开路容错参考电流，i_d3o、i_q3o、i_z3o为三次谐波空间中的开路容错参考电流；

步骤8，根据叠加定理，首先将基波空间中的d₁-q₁-z₁轴和三次谐波空间中的d₃-q₃-z₃轴上用以维持平稳输出转矩的参考电流和短路抑制电流经过坐标变换转换到自然坐标系中并叠加，其次通过基波空间的降阶变换矩阵的逆矩阵，将在自然坐标系中整合之后的电流变换到d₁-q₁-z₁轴上，从而形成最优的短路容错参考电流i_dr、i_qr、i_zr；

步骤9，构建正弦反电势五相永磁电机和梯形反电势五相永磁电机在故障状态下的离散模型，采用无差拍模型预测电流控制得到短路故障下的最优容错参考电压u_dr、u_qr、u_zr；

步骤10，将所得到的最优容错参考电压u_dr、u_qr、u_zr经过坐标变换后输入到CPWM模块中，得到各相的开关信号；随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短路容错控制。

进一步，步骤2所述将短路故障等效成开路故障分析处理的原因：短路故障发生时，故障相对于电机的影响主要分为两个方面：故障相缺失对转矩输出的影响，故障相短路电流对转矩输出的影响；当故障相短路电流产生的转矩影响被抵消时，短路故障模型就能被等效成开路故障模型。

进一步，步骤3所述基波空间和三次谐波空间的降阶矩阵的构建方法为：在单相开路故障发生后，除去与故障相对应的元素，以故障前后电机的磁链以及反电势在α-β平面内圆形轨迹不变为原则进行重构；

假如为正弦反电势和梯形反电势的五相永磁电机的A相开路故障：

当A相发生开路故障时，去除A相对应元素后的矩阵为：

其中，

为A相故障下clarke变换矩阵；α＝0.4π。

故障情况下，新clarke变换矩阵的第一行元素与第三行元素不正交，为了得到基波空间上的降阶变换矩阵，去除矩阵的第三行元素，并根据故障前后电机的磁链以及反电势在α-β平面的圆形轨迹不变为原则，对矩阵进行重构，得到A相开路故障时基波空间上的降阶clarke变换矩阵以及对应的park变换矩阵为：

其中，

为基波空间上的降阶clarke变换矩阵；

为基波空间上的降阶park变换矩阵；θ表示转子的位置角。

故障情况下，新clarke变换矩阵的第一行元素与第三行元素不正交，为了得到三次谐波空间上的降阶变换矩阵，去除矩阵的第一行元素，并根据故障前后电机的磁链以及反电势在α₃-β₃平面的圆形轨迹不变为原则，对矩阵进行重构，得到A相开路故障时三次谐波空间上的降阶clarke变换矩阵以及对应的park变换矩阵为：

其中，

为三次谐波空间上的降阶clarke变换矩阵；

为三次谐波空间上的降阶park变换矩阵。

进一步，步骤4所述基波空间和三次谐波空间的转矩表达式。

步骤4.1：电流不变时磁共能对机械角求导，对于梯形反电势电机，忽略磁阻转矩，其基波空间和三次谐波空间中电机的转矩表达式为：

其中，T_{e1(Trapezoid)}为梯形反电势电机在基波空间中的转矩；T_{e3(Trapezoid)}为梯形反电势电机在三次谐波空间中的转矩；P为电机极对数；Ψ₁表示基波磁链幅值；Ψ₃表示三次谐波磁链幅值；θ为转子的位置角；i_d1，i_q1表示基波旋转坐标系上的d₁-q₁轴电流；i_d3，i_q3表示三次谐波旋转坐标系上的d₃-q₃轴电流；i_z1可以称为基波空间上的广义零序分量；i_z3可称为三次谐波空间上的广义零序分量；

步骤4.2：电流不变时磁共能对机械角求导，对于正弦反电势电机，忽略磁阻转矩，其基波空间和三次谐波空间的转矩表达式为：

其中，T_e1(sin)为正弦反电势电机在基波空间中的转矩；T_e3(sin)为正弦反电势电机在三次谐波空间中的转矩。

进一步，步骤5所述针对正弦反电势和梯形反电势电机，短路电流和短路相反电势之间相互作用而产生的额外转矩脉动的表达式为：

步骤5.1：针梯形反电势电机，忽略磁阻转矩，短路电流与短路相反电势之间产生的永磁转矩为：

其中，T_{sc(Trapezoid)}为短路电流引起的额外转矩；i_sc为短路电流；ω为电机的电角速度，且满足θ＝ωt；e_a(Trapezoid)为梯形电机的A相反电势，其表达式如下：

步骤5.2：针对正弦反电势电机，忽略磁阻转矩，短路电流与短路相反电势之间产生的永磁转矩为：

其中，T_sc(sin)为短路电流引起的额外转矩；e_a(sin)为正弦电机的A相反电势，其表达式如下：

进一步，步骤6所述针对正弦反电势和梯形反电势电机，为抵消由短路电流引起的额外转矩脉动，短路抑制电流为：

步骤6.1：针对梯形反电势电机，通过合理分配基波空间和三次谐波空间上同步旋转坐标系中的电流就可以抵消由短路引起的额外转矩脉动，其短路抑制电流表达式为：

其中，i_{d1s(Trapezoid)}、i_{q1s(Trapezoid)}、i_{z1s(Trapezoid)}表示基波空间中，同步旋转坐标系d₁-q₁-z₁轴上的短路抑制电流；i_{d3s(Trapezoid)}、i_{q3s(Trapezoid)}、i_{z3s(Trapezoid)}表示三次谐波空间中，同步旋转坐标系d₃-q₃-z₃轴上的短路抑制电流；

步骤6.2：针对正弦反电势电机，通过合理分配三次谐波空间上同步旋转坐标系中的电流就可以抵消由短路引起的额外转矩脉动，其短路抑制电流表达式为：

其中，i_d3s(sin)、i_q3s(sin)、i_z3s(sin)表示三次谐波空间中，同步旋转坐标系d₃-q₃-z₃轴上的短路抑制电流。

进一步，步骤7所述针对正弦反电势和梯形反电势电机，通过q轴电流i_q，得到用以维持平稳输出转矩的开路容错参考电流，其具体方式为：

步骤7.1：针对梯形反电势电机，通过合理分配基波空间和三次谐波空间上同步旋转坐标系中的电流就可以产生与故障前相同的转矩，且抑制额外的转矩脉动，其开路容错参考电流表达式为：

其中，i_{d1o(Trapezoid)}、i_{q1o(Trapezoid)}、i_{z1o(Trapezoid)}表示基波空间中，同步旋转坐标系d₁-q₁-z₁轴上的开路容错参考电流；i_{d3o(Trapezoid)}、i_{q3o(Trapezoid)}、i_{z3o(Trapezoid)}表示三次谐波空间中，同步旋转坐标系d₃-q₃-z₃轴上的开路容错参考电流；

步骤7.2：针对正弦反电势电机，通过合理分配基波空间上同步旋转坐标系中的电流就可以产生与故障前相同的转矩，其开路容错参考电流表达式为：

其中，i_d1o(sin)、i_q1o(sin)、i_z1o(sin)表示基波空间中，同步旋转坐标系d₁-q₁-z₁轴上的开路容错参考电流。

进一步，步骤8所述针对正弦反电势和梯形反电势电机，首先将d₁-q₁-z₁和d₃-q₃-z₃轴上的开路容错参考电流和短路抑制电流经过坐标变换转换到自然坐标系中并叠加，其次将在自然坐标系中整合之后的电流变换到d₁-q₁-z₁轴上，从而形成最优的短路容错参考电流i_dr、i_qr、i_zr。

进一步，步骤9所述的采用无差拍模型预测电流控制得到短路故障下的最优容错参考电压u_dr、u_qr、u_zr。此时无差拍模型预测电流控制所需的故障状态下的离散模型构建如下：

步骤9.1：针对梯形反电势的五相永磁电机在单相开路故障情况下，定子电压方程式：

其中，L_d、L_q、L_s表示基波空间旋转坐标系下各个坐标轴的电感分量；R_s表示定子电阻；θ为转子的位置角；ω为电机的电角速度；u_d、u_q、u_z表示基波空间中同步旋转坐标系d₁-q₁-z₁轴上的电压分量；i_d、i_q、i_z表示基波空间中同步旋转坐标系d₁-q₁-z₁轴上的电流分量；Ψ₁表示基波磁链幅值；Ψ₃表示三次谐波磁链幅值；

步骤9.2：针对梯形反电势的五相永磁电机，利用前向欧拉离散将连续的定子电压方程式转换为离散方程：

其中，T_s表示采样时间；i_d(k)、i_q(k)、i_z(k)表示当前时刻基波空间中同步旋转坐标系d₁-q₁-z₁轴上的电流分量；i_d(k+1)、i_q(k+1)、i_z(k+1)表示下一时刻基波空间中同步旋转坐标系d₁-q₁-z₁轴上的电流分量；u_d(k)、u_q(k)、u_z(k)表示当前时刻基波空间中同步旋转坐标系d₁-q₁-z₁轴上的电压分量；

步骤9.3：针对梯形反电势的五相永磁电机，令下一时刻的电流等于最优短路容错参考电流，带入当前采样周期的电流，就能够得到当前时刻所需要的最优短路容错电压，写成矩阵形式如下所示：

步骤9.4：令最优短路容错电压矩阵表达式中的Ψ₃为零，则针对正弦反电势电机的最优短路容错电压的矩阵表示如下所示：

进一步，步骤10所述将所得到的最优容错参考电压u_dr、u_qr、u_zr经过坐标变换后输入到CPWM模块中，得到各相的开关信号；随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短路容错控制。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明充分利用了故障状态下的五相永磁电机的三次谐波空间，提出了针对正弦反电势和梯形反电势的五相永磁电机在单相短路故障情况下的容错控制策略。使得五相永磁电机在容错运行时也能够充分利用其三次谐波空间，提高了电机故障状态下输出转矩的性能，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、本发明采用的故障状态下无差拍模型预测电流控制算法，与传统PI控制器相比，能够在故障状态下更好的追踪交变的容错参考电流的同时使得电机能够拥有更好的容错性能以及动态响应。

3、本发明采用的PWM调制方式为基于载波的脉宽调制CPWM，与传统容错算法中使用的电流滞环调制方法相比，CPWM具有固定的调制周期，可以降低逆变器的开关损耗。

附图说明

图1：五相永磁电机在单相短路故障下的容错控制框图。

图2：最优容错参考电流生成框图；(a)梯形反电势电机；(b)正弦反电势电机

图3：梯形反电势五相永磁电机的容错运行情况。

图4：正弦反电势五相永磁电机的(a)故障波形；(b)容错波形。

图5：五相永磁电机故障情况下的dqz轴跟踪情况。

具体实施方式

本发明公开了一种采用无差拍电流跟踪的正弦或梯形反电势五相永磁电机短路容错控制方法，包括如下步骤：检测电机转速，将给定转速ω^*与实际反馈转速ω_m进行比较，利用PI控制器得到电机q轴的给定电流i_q；利用q轴的给定电流i_q，通过基波空间和三次谐波空间的转矩表达式，得到维持输出转矩的参考电流i_d1o、i_q1o、i_z1o、i_d3o、i_q3o、i_z3o；以抑制短路电流引起的转矩脉动为目标，可获得与短路电流i_sc相关的短路抑制电流i_d1s、i_q1s、i_z1s、i_d3s、i_q3s、i_z3s；将维持输出转矩的参考电流和短路抑制电流在各自的空间中叠加，最终通过变换矩阵整合到基波空间中，形成最优容错参考电流i_dr、i_qri_zr；剩余正常相的当前采样电流经过坐标变换转换到d₁-q₁-z₁轴上，与最优参考电流一起，经过无差拍模型预测电流控制，得到最优容错参考电压u_dr、u_qr、u_zr；将最优容错参考电压输入到CPWM模块中，得到每相的开关信号，通过逆变器控制电机，实现正弦反电势和梯形反电势的五相永磁电机的短路容错控制。

下面将结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

一种采用无差拍电流跟踪的正弦或梯形反电势五相永磁电机短路容错控制方法，其控制框图如图1所示。

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_r，采用PI控制器根据转速误差e_r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_q。

步骤2，短路故障发生时，故障相对于电机的影响主要分为两个方面：故障相缺失对转矩输出的影响，故障相短路电流对转矩输出的影响。当故障相短路电流产生的转矩影响被抵消时，短路故障模型就能被等效成开路故障模型。

步骤3，基波空间和三次谐波空间的降阶矩阵的构建：在单相开路故障下，除去与故障相对应的元素，以故障前后电机的磁链以及反电势在α-β平面的圆形轨迹不变为原则进行重构；

当A相发生开路故障时，去除A相对应元素后的矩阵为：

其中，

为A相故障下clarke变换矩阵；α＝0.4π。

故障情况下，新clarke变换矩阵的第一行元素与第三行元素不正交，为了得到基波空间上的降阶变换矩阵，去除矩阵的第三行元素，并根据故障前后电机的磁链以及反电势在α-β平面的圆形轨迹不变为原则，对矩阵进行重构，得到A相开路故障时基波空间上的降阶clarke变换矩阵以及对应的park变换矩阵为：

其中，

为基波空间上的降阶clarke变换矩阵；

为基波空间上的降阶park变换矩阵；θ表示转子的位置角。

故障情况下，新clarke变换矩阵的第一行元素与第三行元素不正交，为了得到三次谐波空间上的降阶变换矩阵，去除矩阵的第一行元素，并根据故障前后电机的磁链以及反电势在α₃-β₃平面的圆形轨迹不变为原则，对矩阵进行重构，得到A相开路故障时三次谐波空间上的降阶clarke变换矩阵以及对应的park变换矩阵为：

其中，

为三次谐波空间上的降阶clarke变换矩阵；

为三次谐波空间上的降阶park变换矩阵。

步骤4，针对正弦反电势和梯形反电势的五相永磁电机，其故障状态下基波空间和三次谐波空间的转矩表达式：

步骤4.1：电流不变时磁共能对机械角求导，对于梯形反电势电机，忽略磁阻转矩，其基波空间和三次谐波空间中电机的转矩表达式为：

其中，T_{e1(Trapezoid)}为梯形反电势电机在基波空间中的转矩；T_{e3(Trapezoid)}为梯形反电势电机在三次谐波空间中的转矩；P为电机极对数；Ψ₁表示基波磁链幅值；Ψ₃表示三次谐波磁链幅值；θ为转子的位置角；i_d1，i_q1表示基波旋转坐标系上的d₁-q₁轴电流；i_d3，i_q3表示三次谐波旋转坐标系上的d₃-q₃轴电流；i_z1可以称为基波空间上的广义零序分量；i_z3可称为三次谐波空间上的广义零序分量；

步骤4.2：电流不变时磁共能对机械角求导，对于正弦反电势电机，忽略磁阻转矩，其基波空间和三次谐波空间的转矩表达式为：

其中，T_e1(sin)为正弦反电势电机在基波空间中的转矩；T_e3(sin)为正弦反电势电机在三次谐波空间中的转矩。

步骤5，针对正弦反电势和梯形反电势电机，短路电流和短路相反电势之间相互作用而产生的额外转矩脉动的表达式为：

步骤5.1：针梯形反电势电机，忽略磁阻转矩，短路电流与短路相反电势之间产生的永磁转矩为：

其中，T_{sc(Trapezoid)}为短路电流引起的额外转矩；i_sc为短路电流；ω为电机的电角速度，且满足θ＝ωt；e_a(Trapezoid)为梯形电机的A相反电势，其表达式如下：

步骤5.2：针对正弦反电势电机，忽略磁阻转矩，短路电流与短路相反电势之间产生的永磁转矩为：

其中，T_sc(sin)为短路电流引起的额外转矩；e_a(sin)为正弦电机的A相反电势，其表达式如下：

步骤6，针对正弦反电势和梯形反电势电机，为抵消由短路电流引起的额外转矩脉动，短路抑制电流为：

步骤6.1：针对梯形反电势电机，通过合理分配基波空间和三次谐波空间上同步旋转坐标系中的电流就可以抵消由短路引起的额外转矩脉动，其短路抑制电流表达式为：

其中，i_{d1s(Trapezoid)}、i_{q1s(Trapezoid)}、i_{z1s(Trapezoid)}表示基波空间中，同步旋转坐标系d₁-q₁-z₁轴上的短路抑制电流；i_{d3s(Trapezoid)}、i_{q3s(Trapezoid)}、i_{z3s(Trapezoid)}表示三次谐波空间中，同步旋转坐标系d₃-q₃-z₃轴上的短路抑制电流；

步骤6.2：针对正弦反电势电机，通过合理分配三次谐波空间上同步旋转坐标系中的电流就可以抵消由短路引起的额外转矩脉动，其短路抑制电流表达式为：

其中，i_d3s(sin)、i_q3s(sin)、i_z3s(sin)表示三次谐波空间中，同步旋转坐标系d₃-q₃-z₃轴上的短路抑制电流。

步骤7，述针对正弦反电势和梯形反电势电机，通过q轴电流i_q，得到用以维持平稳输出转矩的开路容错参考电流，其具体方式为：

步骤7.1：针对梯形反电势电机，通过合理分配基波空间和三次谐波空间上同步旋转坐标系中的电流就可以产生与故障前相同的转矩，且抑制额外的转矩脉动，其开路容错参考电流表达式为：

其中，i_{d1o(Trapezoid)}、i_{q1o(Trapezoid)}、i_{z1o(Trapezoid)}表示基波空间中，同步旋转坐标系d₁-q₁-z₁轴上的开路容错参考电流；i_{d3o(Trapezoid)}、i_{q3o(Trapezoid)}、i_{z3o(Trapezoid)}表示三次谐波空间中，同步旋转坐标系d₃-q₃-z₃轴上的开路容错参考电流；

步骤7.2：针对正弦反电势电机，通过合理分配基波空间上同步旋转坐标系中的电流就可以产生与故障前相同的转矩，其开路容错参考电流表达式为：

其中，i_d1o(sin)、i_q1o(sin)、i_z1o(sin)表示基波空间中，同步旋转坐标系d₁-q₁-z₁轴上的开路容错参考电流。

步骤8，根据叠加定理，首先将d₁-q₁-z₁和d₃-q₃-z₃轴上用以维持平稳输出转矩的参考电流和短路抑制电流经过坐标变换转换到自然坐标系中并叠加，其次通过基波空间的降阶变换矩阵的逆矩阵，将在自然坐标系中整合之后的电流变换到d₁-q₁-z₁轴上，从而形成最优的短路容错参考电流i_dr、i_qr、i_zr。其叠加过程如图2所示。其中，(a)为梯形反电势电机最优容错参考电流生成方法；(b)为正弦反电势电机最优容错参考电流生成方法。

步骤9，采用无差拍模型预测电流控制得到短路故障下的最优容错参考电压u_dr、u_qr、u_zr。此时故障状态下的无差拍模型预测电流控制模型为：

步骤9.1：针对梯形反电势的五相永磁电机在单相开路故障情况下，无差拍模型预测电流控制模型为：

步骤9.2：针对正弦反电势的五相永磁电机在单相开路故障情况下，无差拍模型预测电流控制模型为：

步骤10，将所得到的最优容错参考电压u_dr、u_qr、u_zr经过坐标变换后输入到CPWM模块中，得到各相的开关信号；随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短路容错控制。

由图3和图4所示，当采用本发明所用的容错控制策略时，不论是正弦反电势永磁电机还是梯形反电势永磁电机，容错之后的转矩脉动明显降低，证明了所提容错策略的正确性。

由图5可知，在容错运行过程中，dqz轴的实际反馈电流都很好的追踪上了最优容错参考电流。

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)

1.一种采用无差拍电流跟踪的正弦或梯形反电势五相永磁电机短路容错控制方法，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_r，采用PI控制器根据转速误差e_r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_q；

步骤2，对短路电流进行补偿，将短路故障等效成开路故障分析处理；

步骤3，重构单相短路情况下的基波空间和三次谐波空间的降阶矩阵；

步骤4，忽略磁阻转矩，利用降阶矩阵得到故障下的基波空间和三次谐波空间中电机的转矩表达式；

步骤5，针对正弦反电势和梯形反电势，构建了由短路相电流和短路相反电势相互作用而产生的额外转矩脉动表达式；

步骤6，为了抵消短路电流引起的额外转矩脉动，通过基波空间和三次谐波空间的转矩表达式，生成能够抵消此转矩脉动的短路抑制电流i_d1s、i_q1s、i_z1s、i_d3s、i_q3s、i_z3s，其中，i_d1s、i_q1s、i_z1s为基波空间中的短路抑制电流，i_d3s、i_q3s、i_z3s为三次谐波空间中的短路抑制电流；

步骤7，针对正弦反电势和梯形反电势的五相永磁电机，通过q轴电流i_q，以及故障情况下的基波空间和三次谐波空间的转矩表达式，得到用以维持平稳输出转矩的开路容错参考电流i_d1o、i_q1o、i_z1o、i_d3o、i_q3o、i_z3o，其中，i_d1o、i_q1o、i_z1o为基波空间中的开路容错参考电流，i_d3o、i_q3o、i_z3o为三次谐波空间中的开路容错参考电流；

步骤8，根据叠加定理，首先将基波空间中的d₁-q₁-z₁轴和三次谐波空间中的d₃-q₃-z₃轴上用以维持平稳输出转矩的参考电流和短路抑制电流经过坐标变换转换到自然坐标系中并叠加，其次通过基波空间的降阶变换矩阵的逆矩阵，将在自然坐标系中整合之后的电流变换到d₁-q₁-z₁轴上，从而形成最优的短路容错参考电流i_dr、i_qr、i_zr；

步骤9，构建正弦反电势五相永磁电机和梯形反电势五相永磁电机在故障状态下的离散模型，采用无差拍模型预测电流控制得到短路故障下的最优容错参考电压u_dr、u_qr、u_zr；

步骤10，将所得到的最优容错参考电压u_dr、u_qr、u_zr经过坐标变换后输入到CPWM模块中，得到各相的开关信号；随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短路容错控制。

2.根据权利要求1所述的一种采用无差拍电流跟踪的正弦或梯形反电势五相永磁电机短路容错控制方法，其特征在于，所述步骤2中短路故障发生后，故障相对于电机的影响主要分为两个方面：故障相缺失对转矩输出的影响，故障相短路电流对转矩输出的影响；当故障相短路电流产生的转矩影响被抵消时，短路故障模型就能被等效成开路故障模型。

3.根据权利要求1所述的一种采用无差拍电流跟踪的正弦或梯形反电势五相永磁电机短路容错控制方法，其特征在于，所述步骤3中包括，单相开路故障发生后，除去与故障相对应的元素，以故障前后电机的磁链以及反电势在α-β平面内圆形轨迹不变为原则进行重构；

假如为正弦反电势和梯形反电势的五相永磁电机的A相开路故障：

当A相发生开路故障时，去除A相对应元素后的矩阵为：

其中，

为A相故障下clarke变换矩阵；α＝0.4π。

故障情况下，新clarke变换矩阵的第一行元素与第三行元素不正交，为了得到基波空间上的降阶变换矩阵，去除矩阵的第三行元素，并根据故障前后电机的磁链以及反电势在α-β平面的圆形轨迹不变为原则，对矩阵进行重构，得到A相开路故障时基波空间上的降阶clarke变换矩阵以及对应的park变换矩阵为：

其中，

为基波空间上的降阶clarke变换矩阵；

为基波空间上的降阶park变换矩阵；θ表示转子的位置角；

故障情况下，新clarke变换矩阵的第一行元素与第三行元素不正交，为了得到三次谐波空间上的降阶变换矩阵，去除矩阵的第一行元素，并根据故障前后电机的磁链以及反电势在α₃-β₃平面的圆形轨迹不变为原则，对矩阵进行重构，得到A相开路故障时三次谐波空间上的降阶clarke变换矩阵以及对应的park变换矩阵为：

其中，

为三次谐波空间上的降阶clarke变换矩阵；

为三次谐波空间上的降阶park变换矩阵。

4.根据权利要求1所述的一种采用无差拍电流跟踪的正弦或梯形反电势五相永磁电机短路容错控制方法，其特征在于，所述步骤4具体为：

短路故障发生后，忽略磁阻转矩，利用降阶矩阵得到基波空间和三次谐波空间中电机的转矩表达式；

步骤4.1：电流不变时磁共能对机械角求导，对于梯形反电势电机，忽略磁阻转矩，其基波空间和三次谐波空间中电机的转矩表达式为：

其中，T_{e1(Trapezoid)}为梯形反电势电机在基波空间中的转矩；T_{e3(Trapezoid)}为梯形反电势电机在三次谐波空间中的转矩；P为电机极对数；Ψ₁表示基波磁链幅值；Ψ₃表示三次谐波磁链幅值；θ为转子的位置角；i_d1，i_q1表示基波旋转坐标系上的d₁-q₁轴电流；i_d3，i_q3表示三次谐波旋转坐标系上的d₃-q₃轴电流；i_z1可以称为基波空间上的广义零序分量；i_z3可称为三次谐波空间上的广义零序分量；

步骤4.2：电流不变时磁共能对机械角求导，对于正弦反电势电机，忽略磁阻转矩，其基波空间和三次谐波空间的转矩表达式为：

其中，T_e1(sin)为正弦反电势电机在基波空间中的转矩；T_e3(sin)为正弦反电势电机在三次谐波空间中的转矩。

5.根据权利要求1所述的一种采用无差拍电流跟踪的正弦或梯形反电势五相永磁电机短路容错控制方法，其特征在于，所述步骤5中短路故障发生后，针对正弦反电势和梯形反电势电机，构建短路电流和短路相反电势相互作用而产生的额外转矩脉动的表达式具体如下：

步骤5.1：针梯形反电势电机，忽略磁阻转矩，短路电流与短路相反电势之间产生的永磁转矩为：

其中，T_{sc(Trapezoid)}为短路电流引起的额外转矩；i_sc为短路电流；ω为电机的电角速度，且满足θ＝ωt；e_a(Trapezoid)为梯形电机的A相反电势，其表达式如下：

步骤5.2：针对正弦反电势电机，忽略磁阻转矩，短路电流与短路相反电势之间产生的永磁转矩为：

其中，T_sc(sin)为短路电流引起的额外转矩；e_a(sin)为正弦电机的A相反电势，其表达式如下：

6.根据权利要求1所述的一种采用无差拍电流跟踪的正弦或梯形反电势五相永磁电机短路容错控制方法，其特征在于，所述步骤6中包括：

短路故障发生后，针对正弦反电势和梯形反电势电机，为抵消由短路电流引起的额外转矩脉动，需要生成短路抑制电流，其具体过程为：

步骤6.1：针对梯形反电势电机，通过合理分配基波空间和三次谐波空间上同步旋转坐标系中的电流就可以抵消由短路引起的额外转矩脉动，其短路抑制电流表达式为：

其中，i_{d1s(Trapezoid)}、i_{q1s(Trapezoid)}、i_{z1s(Trapezoid)}表示基波空间中，同步旋转坐标系d₁-q₁-z₁轴上的短路抑制电流；i_{d3s(Trapezoid)}、i_{q3s(Trapezoid)}、i_{z3s(Trapezoid)}表示三次谐波空间中，同步旋转坐标系d₃-q₃-z₃轴上的短路抑制电流；

步骤6.2：针对正弦反电势电机，通过合理分配三次谐波空间上同步旋转坐标系中的电流就可以抵消由短路引起的额外转矩脉动，其短路抑制电流表达式为：

其中，i_d3s(sin)、i_q3s(sin)、i_z3s(sin)表示三次谐波空间中，同步旋转坐标系d₃-q₃-z₃轴上的短路抑制电流。

7.根据权利要求1所述的一种采用无差拍电流跟踪的正弦或梯形反电势五相永磁电机短路容错控制方法，其特征在于，所述步骤7中包括：

短路故障发生后，针对正弦反电势和梯形反电势电机，通过q轴电流i_q，得到用以维持平稳输出转矩的开路容错参考电流，其具体方式为：

步骤7.1：针对梯形反电势电机，通过合理分配基波空间和三次谐波空间上同步旋转坐标系中的电流就可以产生与故障前相同的转矩，且抑制额外的转矩脉动，其开路容错参考电流表达式为：

其中，i_{d1o(Trapezoid)}、i_{q1o(Trapezoid)}、i_{z1o(Trapezoid)}表示基波空间中，同步旋转坐标系d₁-q₁-z₁轴上的开路容错参考电流；i_{d3o(Trapezoid)}、i_{q3o(Trapezoid)}、i_{z3o(Trapezoid)}表示三次谐波空间中，同步旋转坐标系d₃-q₃-z₃轴上的开路容错参考电流；

步骤7.2：针对正弦反电势电机，通过合理分配基波空间上同步旋转坐标系中的电流就可以产生与故障前相同的转矩，其开路容错参考电流表达式为：

其中，i_d1o(sin)、i_q1o(sin)、i_z1o(sin)表示基波空间中，同步旋转坐标系d₁-q₁-z₁轴上的开路容错参考电流。

8.根据权利要求1所述的一种采用无差拍电流跟踪的正弦或梯形反电势五相永磁电机短路容错控制方法，其特征在于，所述步骤9中包括：

短路故障发生后，采用无差拍模型预测电流控制得到短路故障下的最优容错参考电压u_dr、u_qr、u_zr，此时无差拍模型预测电流控制所需的故障状态下的离散模型构建如下：

步骤9.1：针对梯形反电势的五相永磁电机在单相开路故障情况下，定子电压方程式：

其中，L_d、L_q、L_s表示基波空间旋转坐标系下各个坐标轴的电感分量；R_s表示定子电阻；θ为转子的位置角；ω为电机的电角速度；u_d、u_q、u_z表示基波空间中同步旋转坐标系d₁-q₁-z₁轴上的电压分量；i_d、i_q、i_z表示基波空间中同步旋转坐标系d₁-q₁-z₁轴上的电流分量；Ψ₁表示基波磁链幅值；Ψ₃表示三次谐波磁链幅值；

步骤9.2：针对梯形反电势的五相永磁电机，利用前向欧拉离散将连续的定子电压方程式转换为离散方程：

其中，T_s表示采样时间；i_d(k)、i_q(k)、i_z(k)表示当前时刻基波空间中同步旋转坐标系d₁-q₁-z₁轴上的电流分量；i_d(k+1)、i_q(k+1)、i_z(k+1)表示下一时刻基波空间中同步旋转坐标系d₁-q₁-z₁轴上的电流分量；u_d(k)、u_q(k)、u_z(k)表示当前时刻基波空间中同步旋转坐标系d₁-q₁-z₁轴上的电压分量；

步骤9.3：针对梯形反电势的五相永磁电机，令下一时刻的电流等于最优短路容错参考电流，带入当前采样周期的电流，就能够得到当前时刻所需要的最优短路容错电压，写成矩阵形式如下所示：

步骤9.4：令最优短路容错电压矩阵表达式中的Ψ₃为零，则针对正弦反电势电机的最优短路容错电压的矩阵表示如下所示：

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