CN113271048B - 五相永磁容错电机控制驱动系统的开路统一容错控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种五相永磁容错电机矢量与直接转矩控制驱动系统的开路统一容错控制方法。所述控制方法的核心部分为开路故障统一控制策略，所述开路故障统一控制策略原理结构包括获取高品质转矩给定、获取交直轴给定电压、分析容错机理以获取容错电流、基于容错机理以获取故障绕组电压、根据反电势以获取容错电压。本发明从本质上揭示容错机理，基于脉宽调制CPWM方式，提出一种适用于矢量控制和直接转矩控制驱动系统的开路故障统一容错控制策略，有效解决各种新型基本控制算法对应的容错控制方案也将随之多变与复杂化的问题。

Description

五相永磁容错电机控制驱动系统的开路统一容错控制方法

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永磁容错电机矢量与直接转矩控制驱动系统的开路统一容错控制方法。

背景技术

随着全球环境问题日益突出，电动汽车受到越来越多的关注。电动汽车作为载人设备，其安全性和可靠性至关重要。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，在电动汽车、混合动力汽车等电力驱动领域中得到广泛关注和应用。矢量控制(VC)和直接转矩控制(DTC)因其高驱动性能倍受人们的关注。然而，电机驱动系统发生故障将影响到整个应用系统的正常工作，甚至发生安全事故。因此，对多相永磁电机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控制策略的研究主要集中于开路故障。文献“五相永磁同步电机容错控制策略”(电机与控制学报，2014)提出了一种基于铜耗最小原则和铜耗相等原则的五相永磁电机容错电流控制策略；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 control technique for five-phaseinduction 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直接转矩控制方法。但由于上述方法均是基于传统滞环比较控制提出的，存在着开关频率不固定、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 torque control of five-phaseFTFSCW-IPM motor based on analogous three-phase SVPWM for electric vehicleapplications”(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，文献“Remedial field-oriented control of five-phase fault-tolerantpermanent-magnet motor by using reduced-order transformation matrices”(IEEETransactiononIndustrialElectronics，2017)和中国发明专利《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)分别基于VC和 DTC提出了一种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，仍未从本质上实现简化控制器算法和故障时最小化重构控制系统。总体来说，现有的CPWM容错控制方法没有从本质上揭示容错机理，随着近年来各种新型算法的涌现，其相应的容错控制方案也将随之多变与复杂化。

发明内容

发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明从本质上揭示容错机理出发，提出了一种基于CPWM的五相永磁容错电机矢量与直接转矩控制驱动系统的开路统一容错控制方法，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，同时可以适用于各种新型的控制算法，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。

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：一种五相永磁容错电机矢量与直接转矩控制驱动系统的开路统一容错控制方法，包括如下步骤：

步骤1)建立五相永磁容错电机正常运行时的电流数学模型；

五相永磁容错电机运行于正常运行工况下，其电流i_A、i_B、i_C、i_D和i_E表达式如下式所示：

其中，γ＝72°，θ为转子位置电角度，i_d1 ^*、i_q1 ^*为基波电流给定值直轴和交轴分量，i_d3 ^*、 i_q3 ^*为三次谐波电流给定值直轴和交轴分量；

步骤2)获取一相开路、非相邻两相开路和相邻两相开路的容错电流，分析容错机理；

步骤3)利用给定转速与检测到的实际转速之差，构建高品质转矩控制器获取高品质转矩给定T_e ^*，以抑制故障后的电机转矩脉动，同时将负载扰动、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)检测五相永磁容错电机的五相电流i_A、i_B、i_C、i_D和i_E，经Clark和Park变换得到两相旋转坐标系下的电流分量i_d1、i_q1、i_d3、i_q3；

五相永磁容错电机的两相旋转坐标系下的电流分量表示为：

步骤5)利用两相旋转坐标系下的电流分量i_d1、i_q1以及高品质转矩给定T_e ^*，以计算矢量控制VC驱动系统和直接转矩控制DTC驱动系统的交直轴基波电压；

步骤6)基于三次谐波电流为零控制策略，利用两相旋转坐标系下的电流分量i_d3、i_q3以获取交直轴三次谐波电压；

步骤7)基于容错机理以及交直轴电压，计算故障模式下的绕组相电压；

步骤8)根据电机反电势和故障模式下的绕组相电压，获取容错运行模式下的五相绕组给定相电压；

步骤9)将五相绕组给定五相电压指令经电压源逆变器，采用脉宽调制CPWM方式实现五相永磁容错电机VC与DTC驱动系统任意开路故障情况下的无扰运行。

本发明具有以下有益效果：

1)本发明首次提出一种适用于VC和DTC驱动系统的开路故障统一容错控制策略，从本质上揭示容错机理，只需根据五相永磁容错电机驱动系统的交直轴电压给定，即可实现该系统在不同开路故障状态的容错运行，从而解决了各种新型基本控制算法对应的容错控制方案也将随之多变与复杂化的问题。

2)本发明基于高品质转矩控制器设计，使得控制系统即使在开路故障下仍拥有高品质的输出转矩，同时在正常和故障运行下均具有良好动静态性能、抗干扰能力和鲁棒性，综合提高了电机驱动系统的运行性能。

3)本发明基于脉宽调制CPWM方式实现开路故障情况下的无扰运行，能够有效解决传统基于滞环比较器的容错控制方法带来的电流谐波含量高、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CPWM 的容错控制方法，无需变更坐标变换和额外补偿电压，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。

4)本发明中突破传统容错控制一般基于交直轴电流基波分量保证故障前后磁动势相等的技术束缚，考虑三次谐波交直轴电流在故障前后的作用机理，以确保定子磁链轨迹为圆形的同时，进一步提高故障容错运行下的电流质量。

5)本发明基于“i_d＝0”控制和磁链自适应给定控制策略，实现两相旋转坐标系下的容错控制，确保电机运行于不同工况下包括故障运行工况下的直轴电流分量为零，解决了电机在突变负载或故障运行工况的损耗大的问题，有效提高了电机驱动系统的效率。

6)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为本发明五相永磁容错电机的结构示意图；

图2为本发明开路故障统一容错控制策略原理框图；

图3给出了正常和容错运行时的电流矢量图；(a)为正常运行时的电流矢量图；(b)为A相开路故障时的电流矢量图；(c)为非相邻相A、C两相开路故障时的电流矢量图； (d)为相邻相A、B两相开路故障时的电流矢量图；

图4为本发明基于CPWM的五相永磁容错电机容错控制驱动系统的结构框图；(a)容错VC驱动系统；(b)容错DTC驱动系统；

图5为本发明正常工况下变负载和变系统参数时的DTC驱动系统运行仿真波形；(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6为本发明VC驱动系统在正常运行、A、C两相开路故障下无容错运行和容错运行情况下的仿真波形；(a)电流波形；(b)转矩波形；(c)转速波形；

图7为本发明DTC驱动系统在正常运行、A、C两相开路故障下无容错运行和容错运行情况下的仿真波形；(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8为本发明DTC驱动系统在正常运行、A相开路故障下无容错运行和容错运行情况下的仿真波形。(a)电流波形；(b)转矩波形；(c)转速波形；

图9为本发明DTC驱动系统在正常运行、A、B两相开路故障下无容错运行和容错运行情况下的仿真波形；(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永磁容错电机的结构示意图，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；定子部分设置容错齿，能够有效实现各相绕组间的电、磁、热隔离，具有较强的容错性能。

如图2所示，本发明开路故障统一容错控制策略原理框图，包括获取高品质转矩给定、获取交直轴给定电压、分析容错机理以获取容错电流、基于容错机理以获取故障绕组电压、根据反电势以获取容错电压。本发明开路故障统一容错控制策略原理的具体实施步骤包括：

步骤1)建立五相永磁容错电机正常运行时的电流数学模型。

五相永磁容错电机运行于正常运行工况下，其电流表达式如下式所示：

其中，γ＝72°，θ为转子位置电角度，i_d1 ^*、i_q1 ^*为基波电流给定值直轴和交轴分量，i_d3 ^*、 i_q3 ^*为三次谐波电流给定值直轴和交轴分量。

步骤2)获取不同故障模式下(一相开路、非相邻两相开路和相邻两相开路)的容错电流，分析容错机理。

五相永磁容错电机正常运行工况下磁动势表达式为：

MMF₁＝Ni_A+ηNi_B+η²Ni_C+η³Ni_D+η⁴Ni_E (2)

其中，η＝cosγ+jsinγ；N为绕组匝数；i_A、i_B、i_C、i_D、i_E为电机正常运行时的A、B、C、D、E相电流。

当五相永磁容错电机发生单相(A相)开路故障时，故障相A相的电流为零，此时磁动势表达式为：

MMF₂＝ηNi_B1+η²Ni_C1+η³Ni_D1+η⁴Ni_E1 (3)

其中，i_B1、i_C1、i_D1、i_E1为A相故障时的B、C、D、E相电流。

根据故障前后磁动势相等和故障容错电流幅值相等原则，可得A相发生开路后其余非故障相的电流分配情况，如下式所示：

其中，

同理，利用故障前后磁动势相等原则，可分别计算得到相邻两相和非相邻两相开路故障下的容错电流。值得注意的是，发生两相开路故障时，五相永磁容错电机将不存在三次谐波电流，故可将其忽略。

非相邻(A、C)两相开路故障后的容错电流为：

其中，i_B2、i_D2、i_E2为A、C两相故障时的B、D、E相电流。

相邻(A、B)两相开路故障后的容错电流为：

其中，i_C3、i_D3、i_E3为A、B两相故障时的C、D、E相电流。

根据式(1)和(4)～(6)的电流表达式，相应地得到正常和容错运行时的电流矢量图，如图3所示，可以发现，在故障容错模式下，故障电流矢量为零，而非故障相电流矢量的相位发生了平移，并且幅值响应地增大了。因此，当五相永磁容错电机发生故障时，通过相应的容错控制策略保证绕组电流满足图3的关系，可保证电机在不同故障下无扰运行，即为五相永磁容错电机驱动系统故障时的容错机理。

步骤3)利用给定转速与检测到的实际转速之差，构建高品质转矩控制器获取高品质转矩给定T_e ^*，以抑制故障后的电机转矩脉动，同时将负载扰动、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。

五相永磁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。

对于五相永磁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 (8)

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。采用高品质转矩控制策略可消除扰动ΔT_e，故而可抑制五相永磁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，其最大值为α_1m，故α₁满足|α₁|≤α_1m<1。因此，式(7)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^* (10)

即而可得：

根据强鲁棒控制规律，设计高品质转矩控制器为：

其中，

T_m为T_L的最大值，并且大于零；ε为大于零的常数。

可见，所构建的高品质转矩控制器综合考虑负载扰动(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)等因素，因此，该高品质转矩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)检测五相永磁容错电机的五相电流i_A、i_B、i_C、i_D和i_E，经Clark和Park变换得到两相旋转坐标系下的电流分量i_d1、i_q1、i_d3、i_q3。

五相永磁容错电机的两相旋转坐标系下的电流分量表示为：

步骤5)利用两相旋转坐标系下的电流分量i_d1、i_q1以及高品质转矩给定T_e ^*，以计算VC驱动系统和DTC驱动系统的交直轴基波电压。

第一部分，VC驱动系统的交轴基波给定电压获取。

图4(a)给出了容错VC驱动系统。VC驱动系统的交轴基波给定电压获取具体实现步骤包括：

(1)采用i_d＝0控制，给定直轴电流零与直轴电流i_d1之差经PI调节器后得到直轴电压给定u_d1 ^*；

(2)获取交轴电流i_q1 ^*，将i_q1 ^*与直轴电流i_q1之差经PI调节器后得到直轴电压给定u_q1 ^*。

交轴电流i_q1 ^*可由下式得到：

其中，p_r为电机的极对数，ψ_f为永磁磁链幅值。

第二部分，DTC驱动系统的交轴基波给定电压获取。

图4(b)给出了容错DTC驱动系统。DTC驱动系统的交轴基波给定电压获取具体实现步骤包括：

(1)利用上述两相旋转坐标系下的电流分量i_d1、i_q1来计算定子磁链大小、相位以及估算转矩；

定子磁链的交直轴分量的表达式为：

其中，L_s为定子电感。

由上式可得定子磁链幅值大小和相位，为：

由于五相永磁容错电机的交直轴电感接近相等，其估算转矩可由下式得到：

(2)将给定转矩T_e ^*与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 ^*；

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，

为转子磁场矢量；

为定子磁场矢量；δ为定子磁链与转子磁链的夹角，即定子磁链相位角。

对上式两边求导，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，本发明将直轴电流i_d1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。

(3)将定子磁链大小和相位、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交直轴基波电压参考值u_d1 ^*和u_q1 ^*。

根据五相永磁容错电机交直轴电压方程，得到交直轴基波电压参考值的表达式为

步骤6)基于三次谐波电流为零控制策略，利用两相旋转坐标系下的电流分量i_d3、i_q3以获取交直轴三次谐波电压。

具体的，将两相旋转坐标系下的电流分量i_d3、i_q3分别与零作差比较后经PI调节器后得到相应的交直轴三次谐波电压。

步骤7)基于容错机理以及交直轴电压，计算故障模式下的绕组相电压。

五相永磁容错电机的相电压表达式为：

其中，x＝A,B,C,D,E，R_s为定子电阻，i_x为相电流，e_x为相反电势。

则上式可改写为：

当五相容错电机发生故障，上式可用交直轴电压的形式表示，则可得不同故障下的绕组相电压表达式。A相绕组故障下的绕组相电压表达式为：

并且，u_A1＝0，其中，u_Ae1、u_Be1、u_Ce1、u_De1、u_Ee1为A相绕组故障时未考虑反电势情况下的五相绕组相电压；u_ed1 ^*＝u_d1 ^*-e_d1 ^*，u_eq1 ^*＝u_q1 ^*-e_q1 ^*；u_ed3 ^*＝u_d3 ^*-e_d3 ^*，u_eq1 ^*＝u_q3 ^*-e_q3 ^*；e_d1 ^*、e_q1 ^*、e_d3 ^*、e_q3 ^*分别为五相反电势交直轴分量，可通过相反电势经过五相静止坐标系到两相旋转坐标系的坐标变换矩阵得到。

A、C两相绕组故障下的绕组相电压表达式为：

A、B两相绕组故障下的绕组相电压表达式为：

其中，u_Ae3、u_Be3、u_Ce3、u_De3、u_Ee3为A、B两相绕组故障时未考虑反电势情况下的五相绕组相电压。

步骤8)根据电机反电势和故障模式下的绕组相电压，获取容错运行模式下的五相绕组给定相电压。

五相永磁容错电机开路故障下的反电势与正常运行时的反电势一致，由于五相永磁容错电机的永磁磁链幅值变化很小以及反电势的谐波含量很小，其反电势可表示为：

其中，ψ_f为永磁磁链幅值，ω_e为电角速度。

将反电势代入式(21)，可得到不同故障模式下相应的容错电压给定值。A相绕组故障下的给定容错相电压表达式为：

并且，u_A ^*＝e_A。

A、C两相绕组故障下的给定容错相电压表达式为：

A、B两相绕组故障下的给定容错相电压表达式为：

因此，只需已知五相永磁容错电机驱动系统的直轴电压u_d ^*和交轴电压u_q ^*，基于给定容错相电压表达式(26)～(28)，即可实现该系统在电机绕组开路故障状态的容错运行。

步骤9)将五相绕组给定五相电压指令经电压源逆变器，采用脉宽调制CPWM方式实现五相永磁容错电机VC与DTC驱动系统任意开路故障情况下的无扰运行。

值得注意的是，无论采用何种基本控制算法，只需将相应的给定交直轴电压经过开路故障统一容错控制策略，即可实现五相永磁容错电机开路故障情况下的无扰运行，避免了不同新型的基本控制算法导致对应的容错控制策略复杂的问题。

图5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较为正弦；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6和图7分别给出了VC和DTC驱动系统在非相邻两相(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(5)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8～图9分别给出了DTC驱动系统在一相(A)开路故障和相邻两相(A、B)开路故障情况下的仿真结果。可见故障后采用统一容错控制策略的有效性。

综上，本发明的一种五相永磁容错电机矢量与直接转矩控制驱动系统的开路统一容错控制方法。本发明从本质上揭示容错机理，基于脉宽调制CPWM方式，提出一种适用于矢量控制和直接转矩控制驱动系统的开路故障统一容错控制策略，有效解决各种新型基本控制算法对应的容错控制方案也将随之多变与复杂化的问题；同时设计高品质转矩控制器，使得控制系统即使在开路故障下仍拥有高品质的输出转矩，同时在正常和故障运行下均具有良好动静态性能、抗干扰能力和鲁棒性，综合提高了电机驱动系统的运行性能；本发明无需变更坐标变换和额外补偿电压，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；突破传统容错控制一般基于交直轴电流基波分量保证故障前后磁动势相等的技术束缚，考虑三次谐波交直轴电流在故障前后的作用机理，以确保定子磁链轨迹为圆形的同时，进一步提高故障容错运行下的电流质量；基于“i_d＝0”控制和磁链自适应给定控制策略，确保电机运行于不同工况下包括故障运行工况下的直轴电流分量为零，解决了电机在突变负载或故障运行工况的损耗大的问题，有效提高了电机驱动系统的效率。

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 (8)

1.一种五相永磁容错电机矢量与直接转矩控制驱动系统的开路统一容错控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1)建立五相永磁容错电机正常运行时的电流数学模型；

五相永磁容错电机运行于正常运行工况下，其电流i_A、i_B、i_C、i_D和i_E表达式如下式所示：

其中，γ＝72°，θ为转子位置电角度，i_d1 ^*、i_q1 ^*为基波电流给定值直轴和交轴分量，i_d3 ^*、i_q3 ^*为三次谐波电流给定值直轴和交轴分量；

步骤2)获取一相开路、非相邻两相开路和相邻两相开路的容错电流，分析容错机理；

步骤3)利用给定转速与检测到的实际转速之差，构建高品质转矩控制器获取高品质转矩给定T_e ^*，以抑制故障后的电机转矩脉动，同时将负载扰动、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；

所述步骤3)利用给定转速与检测到的实际转速之差，构建高品质转矩控制器获取高品质转矩给定T_e ^*的具体过程包括：

五相永磁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；

对于五相永磁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，采用高品质转矩控制策略可消除扰动ΔT_e，故而可抑制五相永磁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，其最大值为α_1m，故α₁满足|α₁|≤α_1m<1，五相永磁容错电机转矩与转速之间的关系式可改写为：

其中，B_m和J_m分别为B的最大值和J的最小值，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^*

即而可得：

根据强鲁棒控制规律，设计高品质转矩控制器为：

其中，

T_m为T_L的最大值，并且大于零，α_2m为α₂的最大值；|e|为机械角速度与转子给定角速度之差的绝对值；|λ|为λ的绝对值；ε为大于零的常数；

步骤4)检测五相永磁容错电机的五相电流i_A、i_B、i_C、i_D和i_E，经Clark和Park变换得到两相旋转坐标系下的电流分量i_d1、i_q1、i_d3、i_q3；

五相永磁容错电机的两相旋转坐标系下的电流分量表示为：

步骤5)利用两相旋转坐标系下的电流分量i_d1、i_q1以及高品质转矩给定T_e ^*，以计算矢量控制VC驱动系统和直接转矩控制DTC驱动系统的交直轴基波电压；

步骤6)基于三次谐波电流为零控制策略，利用两相旋转坐标系下的电流分量i_d3、i_q3以获取交直轴三次谐波电压；

步骤7)基于容错机理以及交直轴电压，计算故障模式下的绕组相电压；

步骤8)根据电机反电势和故障模式下的绕组相电压，获取容错运行模式下的五相绕组给定相电压；

步骤9)将五相绕组给定五相电压指令经电压源逆变器，采用脉宽调制CPWM方式实现五相永磁容错电机VC与DTC驱动系统任意开路故障情况下的无扰运行。

2.根据权利要求1所述的一种五相永磁容错电机矢量与直接转矩控制驱动系统的开路统一容错控制方法，其特征在于，所述步骤2)具体实现包括：

五相永磁容错电机正常运行工况下磁动势表达式为：

MMF₁＝Ni_A+ηNi_B+η²Ni_C+η³Ni_D+η⁴Ni_E

其中，η＝cosγ+jsinγ；N为绕组匝数；i_A、i_B、i_C、i_D、i_E为电机正常运行时的A、B、C、D、E相电流；

当五相永磁容错电机发生单相开路故障时，假如为A相，故障相A相的电流为零，此时磁动势表达式为：

MMF₂＝ηNi_B1+η²Ni_C1+η³Ni_D1+η⁴Ni_E1

其中，i_B1、i_C1、i_D1、i_E1为A相故障时的B、C、D、E相电流；

根据故障前后磁动势相等和故障容错电流幅值相等原则，同时考虑到三次谐波电流，可得A相发生开路后其余非故障相的电流分配情况，如下式所示：

其中，

同理，利用故障前后磁动势相等原则，可分别计算得到相邻两相和非相邻两相开路故障下的容错电流，发生两相开路故障时，五相永磁容错电机将不存在三次谐波电流，故可将其忽略；非相邻(A、C)两相开路故障后的容错电流为：

其中，i_B2、i_D2、i_E2为A、C两相故障时的B、D、E相电流；

相邻(A、B)两相开路故障后的容错电流为：

其中，i_C3、i_D3、i_E3为A、B两相故障时的C、D、E相电流；

当五相永磁容错电机发生故障时，通过相应的容错控制策略保证绕组电流满足上述容错电流，可保证电机在不同故障下无扰运行，即为五相永磁容错电机驱动系统故障时的容错机理。

3.根据权利要求1所述的一种五相永磁容错电机矢量与直接转矩控制驱动系统的开路统一容错控制方法，其特征在于，所述步骤5)利用两相旋转坐标系下的电流分量i_d1、i_q1以及高品质转矩给定T_e ^*，以计算VC驱动系统和DTC驱动系统的交直轴基波电压的具体实现包括：

第一部分，VC驱动系统的交轴基波给定电压获取；

(1.1)采用i_d＝0控制，给定直轴电流零与直轴电流i_d1之差经PI调节器后得到直轴电压给定u_d1 ^*；

(1.2)获取交轴电流i_q1 ^*，将i_q1 ^*与直轴电流i_q1之差经PI调节器后得到直轴电压给定u_q1 ^*，

交轴电流i_q1 ^*可由下式得到：

其中，p_r为电机的极对数，ψ_f为永磁磁链幅值；

第二部分，DTC驱动系统的交轴基波给定电压获取；

(2.1)利用上述两相旋转坐标系下的电流分量i_d1、i_q1来计算定子磁链大小、相位以及估算转矩；

定子磁链的交直轴分量的表达式为：

其中，L_s为定子电感；

由上式可得定子磁链幅值大小和相位，为：

由于五相永磁容错电机的交直轴电感接近相等，其估算转矩可由下式得到：

(2.2)将给定转矩T_e ^*与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 ^*；

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，

为转子磁场矢量；

为定子磁场矢量；δ为定子磁链与转子磁链的夹角，即定子磁链相位角；

对上式两边求导，得：

故转矩偏差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；发明将直轴电流i_d1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；

(2.3)将定子磁链大小和相位、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交直轴基波电压参考值u_d1 ^*和u_q1 ^*；

根据五相永磁容错电机交直轴电压方程，R_s为定子电阻，得到交直轴基波电压参考值的表达式为

4.根据权利要求1所述的一种五相永磁容错电机矢量与直接转矩控制驱动系统的开路统一容错控制方法，其特征在于，所述步骤6)的具体实现方式是将两相旋转坐标系下的电流分量i_d3、i_q3分别与零作差比较后经PI调节器后得到相应的交直轴三次谐波电压。

5.根据权利要求1所述的一种五相永磁容错电机矢量与直接转矩控制驱动系统的开路统一容错控制方法，其特征在于，所述步骤7)的具体实现包括：

五相永磁容错电机的相电压表达式为：

其中，x＝A,B,C,D,E，R_s为定子电阻，i_x为相电流，e_x为相反电势；

则上式可改写为：

当五相容错电机发生故障，上式可用交直轴电压的形式表示，则可得不同故障下的绕组相电压表达式，A相绕组故障下的绕组相电压表达式为：

并且，u_A1＝0，其中，u_Ae1、u_Be1、u_Ce1、u_De1、u_Ee1为A相绕组故障时未考虑反电势情况下的五相绕组相电压；u_ed1 ^*＝u_d1 ^*-e_d1 ^*，u_eq1 ^*＝u_q1 ^*-e_q1 ^*；u_ed3 ^*＝u_d3 ^*-e_d3 ^*，u_eq1 ^*＝u_q3 ^*-e_q3 ^*；e_d1 ^*、e_q1 ^*、e_d3 ^*、e_q3 ^*分别为五相反电势交直轴分量，可通过相反电势经过五相静止坐标系到两相旋转坐标系的坐标变换矩阵得到；

A、C两相绕组故障下的绕组相电压表达式为：

其中，u_Ae2、u_Be2、u_Ce2、u_De2、u_Ee2为A、C两相绕组故障时未考虑反电势情况下的五相绕组相电压；

A、B两相绕组故障下的绕组相电压表达式为：

其中，u_Ae3、u_Be3、u_Ce3、u_De3、u_Ee3为A、B两相绕组故障时未考虑反电势情况下的五相绕组相电压。

6.根据权利要求5所述的一种五相永磁容错电机矢量与直接转矩控制驱动系统的开路统一容错控制方法，其特征在于，所述步骤8)的具体实现包括：

五相永磁容错电机开路故障下的反电势与正常运行时的反电势一致，由于五相永磁容错电机的永磁磁链幅值变化很小以及反电势的谐波含量很小，其五相反电势可表示为：

其中，ψ_f为永磁磁链幅值，ω为电角速度；

将反电势代入五相永磁容错电机的相电压表达式，可得到不同故障模式下相应的容错电压给定值，A相绕组故障下的给定容错相电压表达式为：

并且，u_A ^*＝e_A；

A、C两相绕组故障下的给定容错相电压表达式为：

A、B两相绕组故障下的给定容错相电压表达式为：

因此，只需已知五相永磁容错电机驱动系统的直轴电压u_d ^*和交轴电压u_q ^*，基于给定容错相电压表达式，即可实现该系统在电机绕组开路故障状态的容错运行。

7.根据权利要求1所述的一种五相永磁容错电机矢量与直接转矩控制驱动系统的开路统一容错控制方法，其特征在于，所述开路故障统一容错控制策略还适用于其他基于采用脉宽调制CPWM方式的驱动控制系统的开路故障容错运行。

8.根据权利要求1所述的一种五相永磁容错电机矢量与直接转矩控制驱动系统的开路统一容错控制方法，其特征在于，矢量与直接转矩控制驱动系统的开路统一容错控制方法还适用于五相永磁直线电机控制系统。

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