CN112436776B - 用于五相分数槽集中绕组容错电机的开路容错直接转矩控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于五相分数槽集中绕组容错电机的开路容错直接转矩控制方法。本发明设计稳健控制器，使得控制系统不但具有较好的开路故障容错运行性能；提出通用电压容错控制策略，无需变更坐标变换和补偿电压，即不需要改变控制系统的结构，只需改变其中一个模块的控制策略，即可实现不同故障下的容错运行；通过磁链自适应给定控制策略得到定子磁链给定值，确保电机运行于不同工况下时的直轴电流均为零，提高了电机效率。与现有的容错直接转矩控制方法相比，本发明能够在拥有电流谐波含量小、转矩脉动低的前提下，提高开关频率和电机效率，实现不同故障下的高可靠无扰运行。

Description

用于五相分数槽集中绕组容错电机的开路容错直接转矩控制 方法

技术领域

本发明属于多相电机容错控制技术领域，尤其涉及一种用于五相分数槽集中绕组容错电机的开路容错直接转矩控制方法。

背景技术

多相永磁电机具有高效率、高功率密度、宽调速范围、低转矩脉动和强容错能力等优点，在航空航天、电动汽车、舰船推进系统等领域得到广泛关注和应用。直接转矩控制具有转矩响应快、系统结构简单以及对参数变化鲁棒性强等优点而倍受人们的关注。然而，电机直接转矩控制驱动系统发生故障将影响到整个应用系统的正常故障，甚至发生安全事故。因此，对多相永磁电机的直接转矩控制驱动系统进行容错控制研究，提高电机驱动系统的可靠性具有重要的现实意义。

目前，国内外学者对多相永磁电机容错直接转矩控制策略的研究主要集中于开路故障。中国发明专利《六相永磁同步电机缺任意两相容错型直接转矩控制方法》(专利号CN201410516177.7)公开了一种偏置60度六相永磁同步电机缺任意两相容错型直接转矩控制方法，解决了任意两相断路或逆变桥两相故障后继续运行的难题；中国发明专利《一种基于新型容错开关表的五相永磁同步电机容错直接转矩控制方法》(专利号CN201910669271.9)和文献“Openphasefault-tolerant direct torque controltechnique for five-phase induction motor drives”(IEEETransactiononIndustrialElectronics，2017)提出了一种基于虚拟空间电压矢量的容错开关表的容错控制方法。但由于上述方法均是基于传统滞环比较是直接转矩控制，存在这开关频率不固定、转矩和磁链脉动大等问题。为克服滞环比较控制带来的问题，文献“Fault-tolerant direct torquecontrol of five-phase FTFSCW-IPM motor based on analogous three-phase SVPWMfor electric vehicle applications”(IEEE Transaction on Vehicular Technology，2017)针对五相永磁电机一相开路故障，提出了相应的SVPWM容错控制方法，克服了基于滞环控制的容错控制系统的缺点，但是，该类容错控制策略是基于故障后电压矢量重构，算法相对复杂，不利于工程化。为此，中国发明专利《一种五相永磁直线电机一相开路容错直接推力控制方法》(专利号CN201810025607.3)开了一种基于虚拟定子磁链的CPWM容错方法，无需重构故障后的电压矢量，但是由于采用两套坐标变换矩阵，实际上电机正常运行与故障容错运行时采用两套独立控制算法，仍未从本质上简化控制器算法、故障时最小化重构控制系统。另外，现有容错直接转矩控制方法均未考虑运行过程中直轴电流增大导致降低电机驱动系统效率降低的问题。

发明内容

发明目的：针对现有技术中存在的问题，提出了一种用于五相分数槽集中绕组容错电机(fault-tolerant fractional-slot concentrated winding interiorpermanent，下文简称为：FTFSCW-IPM)的容错直接转矩控制方法，提高电机驱动系统的稳健运行能力，使得控制系统不但具有较好的开路故障容错运行性能，还具备良好动静态性能、抗干扰能力和鲁棒性，同时可以实现不同故障下最小化重构控制系统与节省控制器CPU内存资源，并且，能够实现逆变器开关频率固定、电流波形谐波含量低、电机系统效率高。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案是：一种用于五相分数槽集中绕组容错电机的开路容错直接转矩控制方法，包括如下步骤：

步骤1)检测五相分数槽集中绕组容错电机的五相电流i_A、i_B、i_C、i_D和i_E，经Park变换得到两相旋转坐标系下的电流分量i_d、i_q，然后将两相旋转坐标系下的电流分量i_d、i_q送至磁链和转矩计算模块；

步骤2)利用上述两相旋转坐标系下的电流分量i_d、i_q通过磁链和转矩计算模块来计算定子磁链大小、相位和电磁转矩；

步骤3)构建稳健控制器，将给定转速与检测到的实际转速之差经稳健控制器后得到给定转矩T_e ^*，所构建的稳健控制器将负载扰动、系统参数变化以及由故障引起的电磁转矩脉动因素均考虑进去；

步骤4)将上述给定转矩T_e ^*与步骤2)中所述计算转矩之差经转速PI调节器后得到转矩角增量Δδ，并通过磁链自适应给定控制策略得到定子磁链的给定值ψ_s ^*；

步骤5)将上述步骤2)中定子磁链大小和相位、步骤4)中转矩角增量Δδ以及定子磁链的给定值ψ_s ^*通过预期电压计算，得到两相旋转坐标系上的电压参考值u_d ^*和u_q ^*；

步骤6)当五相分数槽集中绕组容错电机正常运行时，将上述步骤4)中两相旋转坐标系上的电压参考值u_d ^*和u_q ^*通入Park逆变换模块，得到相应的给定五相相电压；当检测到电机发生故障时，则将电压参考值u_d ^*和u_q ^*通入通用电压容错控制模块，得到相应不同故障下的给定五相相电压；

步骤7)将所述步骤6)中的给定五相电压指令经电压源逆变器，采用脉宽调制CPWM方式实现五相分数槽集中绕组容错电机正常情况与发生故障情况下的直接转矩控制运行。

进一步，所述步骤1)中，五相分数槽集中绕组容错电机的两相旋转坐标系下的电流分量i_d、i_q表示为：

式中，θ为转子位置电角度。

进一步，步骤2)的具体步骤包括：

定子磁链的交直轴分量的表达式为：

式中，ψ_d、ψ_q分别为定子磁链直轴分量和交轴分量；i_d、i_q分别为直轴电流和交轴电流；L_s分别为定子电感；ψ_f为永磁磁链幅值；

由上式可得定子磁链幅值大小和相位，为：

式中，ψ_s为定子磁链幅值；δ为定子磁链与转子磁链的夹角；

由于五相分数槽集中绕组容错电机的交直轴电感接近相等，其转矩的表达式为：

其中，p_r为电机的极对数。

进一步，步骤3)的具体步骤包括：

五相分数槽集中绕组容错电机转矩与转速之间关系为：

其中，ω为机械角速度，B为摩擦系数，J为转动惯量，T_L为负载转矩；

对于五相分数槽集中绕组容错电机系统处于故障模式下，其电磁转矩的表达式为

T_e＝T_b+ΔT_e

其中，T_b代表电磁转矩无脉动分量，ΔT_e代表电磁转矩由故障引起的脉动分量，所以，设计T_b以保证五相电机的系统性能，而将ΔT_e被认为是系统的不确定性因素，采用稳健控制策略可消除扰动ΔT_e，故而抑制五相分数槽集中绕组容错电机在故障后转矩脉动。

假设ΔT_e＝α₁T_b，其中，α₁未知，但是有界限，满足

|α₁|为α₁的绝对值，

为α₁的最大值，因此，转矩与转速之间关系可改写为：

其中，B_m和J_m分别为B和J的最大值，并且大于零，可以根据电机系统极端环境得到相应的数值；α₂＝1-(J_m/J)，α₂的取值范围为：0≤α₂<1，令e＝ω-ω^*，ω^*为转子给定角速度，则上式可改写为：

根据稳健控制规律，设计稳健控制器为：

其中，

|e|为e的绝对值；|ω|为ω的绝对值；T_m为T_L的最大值，并且大于零；

为α₂的最大值；

ε为大于零的常数。

进一步，步骤4)的具体步骤包括：

五相永磁电机的电磁转矩本质是转子磁场与定子磁场相互作用的结果，即有：

其中，

为定子磁链矢量；

转子永磁磁链矢量。

对转矩计算公式上式两边求导，得：

可见，转矩偏差ΔT_e与转矩角增量Δδ之间具有非线性关系，因此，转矩角Δδ可由ΔT_e通过PI调节器后得到；

另外，定子磁链给定若为定值，当电机空载或突加重载运行时，需要额外的直轴电流分量来维持定子磁链不变，额外的直轴电流分量会增加电机损耗，降低系统效率，为解决上述问题，将步骤1)中直轴电流i_d与零作差比较后经PI调节器作为定子磁链给定，因此，给定的定子磁链可根据负载情况进行自适应地调节，以确保电机运行于不同工况下的直轴电流分量为零。

进一步，步骤5)的具体步骤包括：

五相分数槽集中绕组容错电机交直轴电压方程为

其中，R_s为定子电阻；

根据式上式，可得所需预期电压的表达式为

进一步，步骤6)的具体步骤包括：

第一部分，计算电机正常运行工况时五相相电压给定值；

根据五相电机的Park逆变换，可得五相分数槽集中绕组容错电机的五相相电压给定值，为：

第二部分，计算电机不同故障运行情况下五相相电压给定值；

假如A相发生断路，相邻两相为A、B两相，非相邻两相为A、C两相，根据故障前后磁动势相等，利用幅值相等原则，可得五相分数槽集中绕组容错电机一相、相邻两相和非相邻两相发生断路后其余非故障相B、C、D、E的电流分配情况分别为：

上述电流参考值为i_d ^*和i_q ^*，五相永磁电机的电压方程表示为

当五相电机发生开路故障时，其根本上与正常运行工况下一样，相电感可认为不变，并且五相磁链瞬时值保持不变，由于三次谐波分量可被忽略，五相反电势可表示为

将上述两式相减，可得：

上式中的容错电压可用如下形式表示为：

其中，u_ed ^*＝u_d ^*-e_d ^*，u_eq ^*＝u_q ^*-e_q ^*；

进而，可得A相开路故障、A、B两相开路故障和A、C两相开路故障情况下的容错电压为

进而可得五相分数槽集中绕组容错电机在发生A相开路故障、A、B两相开路故障和A、C两相开路故障情况下的给定相电压分别为

因此，当发生开路故障时，只需满足上式中不同故障下的给定电压，就可确保五相分数槽集中绕组容错电机无扰运行。

本发明具有以下有益效果：

1)本发明首次将稳健控制器、磁链自适应给定控制策略、通用电压容错控制策略和SPWM控制方法综合运用于五相永磁同步电机直接转矩控制系统中，综合提高了电机驱动系统的稳健运行能力，使得控制系统不但具有较好的开路故障容错运行性能，还具备良好动静态性能、抗干扰能力和鲁棒性。

2)本发明不同于传统基于滞环比较器的容错直接转矩控制方法，能够有效解决传统方法通过滞环比较器带来电压判别误差、开关表查询带来程序复杂以及转矩脉动大、开关频率不固定等问题；并且相对于基于SVPWM的容错直接转矩控制方法，无需判别扇区和计算故障下的空间电压矢量重构，大大简化了控制算法；此外，相对于现有的基于SPWM的容错直接转矩控制方法，无需变更坐标变换和补偿电压，即不需要改变控制系统的结构，只需改变其中一个模块的控制策略，即可实现不同故障下的容错运行，简化了控制器算法，做到真正意义上的不同故障下最小化重构控制系统与节省控制器CPU内存资源。

3)基于磁链自适应给定控制策略，实现两相旋转坐标系下的容错直接转矩控制，确保电机运行于不同工况下的直轴电流分量为零，从而降低了电机损耗，提高了电机效率；同时，设计稳健控制器抑制电机故障时所带来的转矩脉动，无需像现有的容错直接转矩控制那样设置专门的电压矢量或增加PI控制器以抑制故障引起的转矩脉动。

4)所提出方法计算量小，简单易于实现，有利于新理论的工程化和实用化。

附图说明

图1为本发明五相FTFSCWM-IPM电机的结构示意图；

图2为本发明五相FTFSCWM-IPM电机开路直接转矩控制策略的结构框图；

图3为本发明直接转矩控制策略在两相旋转坐标系下的矢量图；

图4为本发明正常工况下变负载和变系统参数时的运行仿真波形；(a)电流波形；(b)转矩波形；(c)转速波形；(d)定子磁链幅值波形；(e)交直轴电流波形

图5为本发明A、C两相开路故障下无容错和容错直接转矩控制运行时的仿真波形；(a)电流波形；(b)转矩波形；(c)转速波形；(d)定子磁链幅值波形；

图6为本发明A、B两相开路故障下无容错和容错直接转矩控制运行时的仿真波形；(a)电流波形；(b)转矩波形；(c)转速波形；

图7为本发明A相开路故障下无容错和容错直接转矩控制运行时的电流和转矩波形。(a)电流波形；(b)转矩波形；(c)转速波形。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明的控制对象为五相FTFSCWM-IPM电机的结构示意图，包括定子、转子、永磁体、电枢齿、容错齿、电枢绕组；电枢齿和容错齿沿定子内圈周向间隔均匀分布，并且电枢齿的齿宽和容错齿的齿宽不相等；电枢齿上绕有电枢绕组线圈，为单层集中绕组，两相邻的单层集中绕组之间由容错齿进行隔离；转子内嵌入永磁体，呈“V”型分布；电枢齿和容错齿的总齿数为20，永磁体的极对数为18；由于定子采用单层集中绕组，大大降低了电机直轴磁路的磁阻，从而降低了电机的凸极率，使得交直轴电感接近相等。

图2所示，本发明五相FTFSCWM-IPM电机开路直接转矩控制策略的结构框图，包括五相FTFSCWM-IPM电机、Park变换、磁链和转矩计算模块、强稳健转矩给定模块、转矩PI调节器、磁链给定PI调节器、预期电压计算模块、Park逆变换、容错控制模块、CPWM模块和逆变器。

本发明用于五相FTFSCW-IPM电机的开路容错直接转矩控制方法的具体实施步骤包括：

步骤1)检测五相FTFSCW-IPM电机的五相电流i_A、i_B、i_C、i_D和i_E，经Park变换得到两相旋转坐标系下的电流分量i_d、i_q，然后将两相旋转坐标系下的电流分量i_d、i_q送至磁链和转矩计算模块。

五相FTFSCW-IPM电机的两相旋转坐标系下的电流分量表示为

式中，θ为转子位置电角度。

步骤2)利用上述两相旋转坐标系下的电流分量i_d、i_q来计算定子磁链大小、相位和电磁转矩。

定子磁链的交直轴分量的表达式为：

式中，ψ_d、ψ_q分别为定子磁链直轴分量和交轴分量；i_d、i_q分别为直轴电流和交轴电流；L_s分别为定子电感；ψ_f为永磁磁链幅值。

由式(2)可得定子磁链幅值大小和相位，为：

式中，ψ_s为定子磁链幅值；δ为定子磁链与转子磁链的夹角。

由于五相FTFSCW-IPM电机的交直轴电感接近相等，其转矩的表达式为：

其中，p_r为电机的极对数。

步骤3)构建稳健控制器，将给定转速与检测到的实际转速之差经稳健控制器后得到给定转矩T_e ^*，具体如下：

五相FTFSCW-IPM电机转矩与转速之间关系为：

其中，ω为机械角速度，B为摩擦系数，J为转动惯量，T_L为负载转矩。

对于五相FTFSCW-IPM电机系统处于故障模式下，其电磁转矩的表达式为

T_e＝T_b+ΔT_e (6)

其中，T_b代表电磁转矩无脉动分量，ΔT_e代表电磁转矩由故障引起的脉动分量。所以，设计T_b以保证五相电机的系统性能，而将ΔT_e被认为是系统的不确定性因素。采用稳健控制策略可消除扰动ΔT_e，故而可抑制五相FTFSCW-IPM电机在故障后转矩脉动。

假设ΔT_e＝α₁T_b，其中，α₁未知，但是有界限，满足

|α₁|为α₁的绝对值，

为α₁的最大值。因此，式(5)可改写为：

其中，B_m和J_m分别为B和J的最大值，并且大于零，可以根据电机系统极端环境得到相应的数值；α₂＝1-(J_m/J)，α₂的取值范围为：0≤α₂<1。令e＝ω-ω^*，ω^*为转子给定角速度，则：

ω＝e+ω^* (8)

将(8)代入(5)，可得：

根据稳健控制规律，设计稳健控制器为：

其中，

|e|为e的绝对值；|ω|为ω的绝对值；T_m为T_L的最大值，并且大于零；

为α₂的最大值；

ε为大于零的常数。

可见，所构建的稳健控制器将负载扰动(T_L)、系统参数变化(J和B)以及由故障引起的电磁转矩脉动(ΔT_e)这些因素均考虑进去，因此，该稳健控制器不仅可以抑制故障引起的电磁转矩脉动，同时对负载扰动、系统参数变化等不确定因素具有较好的抗干扰性能。

步骤4)将上述给定转矩T_e ^*与步骤2)中所述计算转矩之差经转速PI调节器后得到转矩角增量Δδ，并通过磁链自适应给定控制策略得到定子磁链的给定值ψ_s ^*。

图3给出本发明直接转矩控制策略在两相旋转坐标系下的矢量图，可知，五相永磁电机的电磁转矩本质是转子磁场与定子磁场相互作用的结果，即有：

其中，

为定子磁链矢量；

转子永磁磁链矢量。

对转矩计算公式(11)两边求导，得：

式(12)表明，转矩偏差ΔT_e与转矩角增量Δδ之间具有非线性关系，因此，转矩角Δδ可由ΔT_e通过PI调节器后得到。

另外，定子磁链给定若为定值，当电机空载或突加重载运行时，需要额外的直轴电流分量来维持定子磁链不变。额外的直轴电流分量会增加电机损耗，降低系统效率。为解决上述问题，本发明将步骤1)中直轴电流i_d与零作差比较后经PI调节器作为定子磁链给定，因此，给定的定子磁链可根据负载情况进行自适应地调节，以确保电机运行于不同工况下的直轴电流分量为零。

步骤5)将上述步骤2)中定子磁链大小和相位、步骤4)中转矩角增量Δδ以及定子磁链的给定值ψ_s ^*通过预期电压计算，得到两相旋转坐标系上的电压参考值u_d ^*和u_q ^*。

五相FTFSCW-IPM电机交直轴电压方程为

根据式(13)，可得所需预期电压的表达式为

步骤6)当五相FTFSCW-IPM电机正常运行时，将上述步骤4)中两相旋转坐标系上的电压参考值u_d ^*和u_q ^*通入Park逆变换模块，得到相应的给定五相相电压；当检测到电机发生故障时，则将电压参考值u_d ^*和u_q ^*通入通用电压容错控制模块，得到相应不同故障下的给定五相相电压。

第一部分，计算电机正常运行工况时五相相电压给定值。

根据五相电机的Park逆变换，可得五相FTFSCW-IPM电机的五相相电压给定值，为：

第二部分，计算电机不同故障运行情况下的五相相电压给定值。

五相电机正常运行工况下电流表达式如下式所示：

正常运行工况下磁动势表达式为：

MMF₁＝Ni_A+εNi_B+ε²Ni_C+ε³Ni_D+ε⁴Ni_E (17)

一相(A相)故障运行工况下磁动势表达式为：

MMF₂＝εNi'_B+ε²Ni'_C+ε³Ni'_D+ε⁴Ni'_E (18)

故障前后磁动势相等，利用幅值相等原则，可得A相发生断路后其余非故障相的电流分配情况，如下式所示：

同样，可得相邻两相(A、B两相)和非相邻两相(A、C两相)故障时的电流分配情况分别为：

五相永磁电机的电压方程表示为

当五相电机发生开路故障时，其根本上与正常运行工况下一样。相电感可认为不变，并且五相磁链瞬时值保持不变。由于三次谐波分量可被忽略，五相反电势可表示为

对式(22)进行改写，表示为

将式(24)表示成式(16)的形式，可得：

其中，u_ed ^*＝u_d ^*-e_d ^*，u_eq ^*＝u_q ^*-e_q ^*。

进而，可得A相故障后容错电压为

同样，可得A、B两相故障后容错电压和A、C两相故障后容错电压分别为

进而可得五相FTFSCW-IPM电机在发生A相开路故障、A、B两相开路故障和A、C两相开路故障情况下的给定相电压分别为

因此，当发生A相开路故障时，只需给定电压满足式(31)，就可确保五相FTFSCW-IPM电机无扰运行。相应的，当发生A、B两相开路故障时，给定电压满足式(30)，而发生A、C两相开路故障时，给定电压满足式(31)，均可保证五相FTFSCW-IPM电机直接转矩控制驱动系统的无扰运行。

步骤7)将所述步骤6)中给定五相相电压指令经电压源逆变器，采用脉宽调制CPWM方式实现五相FTFSCW-IPM电机正常情况与发生故障情况下的直接转矩控制运行。

图4给出了正常工况下变负载和变系统参数时的运行仿真结果。电机运行工况为：转速为800r/min，初始负载为2N·m，0.3s时突变为8N·m，并且转动惯量变为原来的两倍。由仿真结果可以发现，本发明驱动系统电流很正弦；突变负载和转动惯量对系统的运行几乎没有影响，说明本发明具有较好抗负载扰动和系统参数变化能力；此外，在整个运行过程中，定子磁链能够自适应地变化，以保证直轴电流为零，提高电机效率。

图5给出了非相邻两相(A、C)开路故障情况下的仿真结果。电机运行工况为：转速500r/min，负载为5N·m，电机故障发生时间为0.2s，0.3s时采用容错控制策略。可以看出在0.2s发生故障后，故障相电流变为零，电磁转矩脉动和磁链脉动明显增大，并且转速开始震荡。当在0.3s采用容错控制策略时，转速迅速恢复至参考转速，电流更加正弦，并且与公式(21)中的理论值一致，转矩也迅速稳定，相对于故障下的转矩脉动大大降低了，并且，磁链的脉动也明显下降。此外，图6～图7分别给出了非相邻两相(A、B)开路和一相(A)开路故障情况下的仿真结果。可见故障后采用容错控制策略的有效性。

综上，本发明的一种用于五相FTFSCW-IPM电机的开路容错直接转矩控制方法。先根据两相旋转坐标系的电流分量计算定子磁链大小、相位和电磁转矩；构建将负载扰动、系统参数变化以及由故障引起的电磁转矩脉动等因素均考虑进去的稳健控制器，以获得给定转矩；磁链自适应给定控制策略得到定子磁链的给定值；给定转矩与计算转矩之差经转速PI调节器后得到转矩角增量；所述定子磁链大小和相位估计值、定子磁链给定值以及转矩角增量经预期电压计算，得到两相旋转坐标系上的两相交流电压参考值；当电机正常运行时，直接将上述两相旋转坐标系上的电压参考值经过Park逆变换，得到相应的给定五相相电压，当检测到电机发生故障时，则将电压参考值通过通用电压容错控制，得到相应不同故障下的给定五相相电压；最后，将给定五相电压指令经电压源逆变器，采用脉宽调制CPWM方式实现五相FTFSCW-IPM电机正常情况与发生故障情况下的直接转矩控制运行。本发明中，设计稳健控制器，使得控制系统不但具有较好的开路故障容错运行性能，还具备良好动静态性能、抗干扰能力和鲁棒性；提出通用电压容错控制策略，无需变更坐标变换和补偿电压，即不需要改变控制系统的结构，只需改变其中一个模块的控制策略，即可实现不同故障下的容错运行，简化了控制器算法，做到真正意义上的不同故障下最小化重构控制系统与节省控制器CPU内存资源；通过磁链自适应给定控制策略得到定子磁链给定值，确保电机运行于不同工况下时的直轴电流均为零，提高了电机效率。与现有的容错直接转矩控制方法相比，本发明能够在拥有电流谐波含量小、转矩脉动低的前提下，提高开关频率和电机效率，实现不同故障下的高可靠无扰运行，同时，还具有良好动静态性能、抗干扰能力和鲁棒性。

以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于五相分数槽集中绕组容错电机的开路容错直接转矩控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1)检测五相分数槽集中绕组容错电机的五相电流i_A、i_B、i_C、i_D和i_E，经Park变换得到两相旋转坐标系下的电流分量i_d、i_q，然后将两相旋转坐标系下的电流分量i_d、i_q送至磁链和转矩计算模块；

步骤2)利用上述两相旋转坐标系下的电流分量i_d、i_q通过磁链和转矩计算模块来计算定子磁链大小、相位和电磁转矩；

步骤3)构建稳健控制器，将给定转速与检测到的实际转速之差经稳健控制器后得到给定转矩T_e ^*，所构建的稳健控制器将负载扰动、系统参数变化以及由故障引起的电磁转矩脉动因素均考虑进去；

步骤3)的具体步骤包括：

五相分数槽集中绕组容错电机转矩与转速之间关系为：

其中，ω为机械角速度，B为摩擦系数，J为转动惯量，T_L为负载转矩；

对于五相分数槽集中绕组容错电机系统处于故障模式下，其电磁转矩的表达式为

T_e＝T_b+ΔT_e

其中，T_b代表电磁转矩无脉动分量，ΔT_e代表电磁转矩由故障引起的脉动分量，所以，设计T_b以保证五相电机的系统性能，而将ΔT_e被认为是系统的不确定性因素，采用稳健控制策略可消除扰动ΔT_e，故而抑制五相分数槽集中绕组容错电机在故障后转矩脉动；

假设ΔT_e＝α₁T_b，其中，α₁未知，但是有界限，满足

|α₁|为α₁的绝对值，

为α₁的最大值，因此，转矩与转速之间关系可改写为：

其中，B_m和J_m分别为B和J的最大值，并且大于零，可以根据电机系统极端环境得到相应的数值；α₂＝1-(J_m/J)，α₂的取值范围为：0≤α₂<1，令e＝ω-ω^*，ω^*为转子给定角速度，则上式可改写为：

根据稳健控制规律，设计稳健控制器为：

其中，

|e|为e的绝对值；|ω|为ω的绝对值；T_m为T_L的最大值，并且大于零；

为α₂的最大值；

ε为大于零的常数；

步骤4)将上述给定转矩T_e ^*与步骤2)中所述计算转矩之差经转速PI调节器后得到转矩角增量Δδ，并通过磁链自适应给定控制策略得到定子磁链的给定值ψ_s ^*；

步骤5)将上述步骤2)中定子磁链大小和相位、步骤4)中转矩角增量Δδ以及定子磁链的给定值ψ_s ^*通过预期电压计算，得到两相旋转坐标系上的电压参考值u_d ^*和u_q ^*；

步骤6)当五相分数槽集中绕组容错电机正常运行时，将上述步骤4)中两相旋转坐标系上的电压参考值u_d ^*和u_q ^*通入Park逆变换模块，得到相应的给定五相相电压；当检测到电机发生故障时，则将电压参考值u_d ^*和u_q ^*通入通用电压容错控制模块，得到相应不同故障下的给定五相相电压；

步骤7)将所述步骤6)中的给定五相电压指令经电压源逆变器，采用脉宽调制CPWM方式实现五相分数槽集中绕组容错电机正常情况与发生故障情况下的直接转矩控制运行。

2.根据权利要求1所述的用于五相分数槽集中绕组容错电机的开路容错直接转矩控制方法，其特征在于，所述步骤1)中，五相分数槽集中绕组容错电机的两相旋转坐标系下的电流分量i_d、i_q表示为：

式中，θ为转子位置电角度。

3.根据权利要求2所述的用于五相分数槽集中绕组容错电机的开路容错直接转矩控制方法，其特征在于，步骤2)的具体步骤包括：

定子磁链的交直轴分量的表达式为：

式中，ψ_d、ψ_q分别为定子磁链直轴分量和交轴分量；i_d、i_q分别为直轴电流和交轴电流；L_s分别为定子电感；ψ_f为永磁磁链幅值；

由上式可得定子磁链幅值大小和相位，为：

式中，ψ_s为定子磁链幅值；δ为定子磁链与转子磁链的夹角；

由于五相分数槽集中绕组容错电机的交直轴电感接近相等，其转矩的表达式为：

其中，p_r为电机的极对数。

4.根据权利要求3所述的用于五相分数槽集中绕组容错电机的开路容错直接转矩控制方法，其特征在于，步骤4)的具体步骤包括：

五相永磁电机的电磁转矩本质是转子磁场与定子磁场相互作用的结果，即有：

其中，

为定子磁链矢量；

转子永磁磁链矢量；

对转矩计算公式上式两边求导，得：

可见，转矩偏差ΔT_e与转矩角增量Δδ之间具有非线性关系，因此，转矩角Δδ可由ΔT_e通过PI调节器后得到；

另外，定子磁链给定若为定值，当电机空载或突加重载运行时，需要额外的直轴电流分量来维持定子磁链不变，额外的直轴电流分量会增加电机损耗，降低系统效率，为解决上述问题，将步骤1)中直轴电流i_d与零作差比较后经PI调节器作为定子磁链给定，因此，给定的定子磁链可根据负载情况进行自适应地调节，以确保电机运行于不同工况下的直轴电流分量为零。

5.根据权利要求3所述的用于五相分数槽集中绕组容错电机的开路容错直接转矩控制方法，其特征在于，步骤5)的具体步骤包括：

五相分数槽集中绕组容错电机交直轴电压方程为

其中，R_s为定子电阻；

根据式上式，可得所需预期电压的表达式为

6.根据权利要求5所述的用于五相分数槽集中绕组容错电机的开路容错直接转矩控制方法，其特征在于，步骤6)的具体步骤包括：

第一部分，计算电机正常运行工况时五相相电压给定值；

根据五相电机的Park逆变换，可得五相分数槽集中绕组容错电机的五相相电压给定值，为：

第二部分，计算电机不同故障运行情况下五相相电压给定值；

假如A相发生断路，相邻两相为A、B两相，非相邻两相为A、C两相，根据故障前后磁动势相等，利用幅值相等原则，可得五相分数槽集中绕组容错电机一相、相邻两相和非相邻两相发生断路后其余非故障相B、C、D、E的电流分配情况分别为：

上述电流参考值为i_d ^*和i_q ^*，五相永磁电机的电压方程表示为

当五相电机发生开路故障时，其根本上与正常运行工况下一样，相电感可认为不变，并且五相磁链瞬时值保持不变，由于三次谐波分量可被忽略，五相反电势可表示为

将上述两式相减，可得：

上式中的容错电压可用如下形式表示为：

其中，u_ed ^*＝u_d ^*-e_d ^*，u_eq ^*＝u_q ^*-e_q ^*；

进而，可得A相开路故障、A、B两相开路故障和A、C两相开路故障情况下的容错电压为

进而可得五相分数槽集中绕组容错电机在发生A相开路故障、A、B两相开路故障和A、C两相开路故障情况下的给定相电压分别为

因此，当发生开路故障时，只需满足上式中不同故障下的给定电压，就可确保五相分数槽集中绕组容错电机无扰运行。

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