基于功率不变原则的五相永磁电机短路故障容错控制方法

摘要

基于功率不变原则的五相永磁电机短路故障容错控制方法，属于多相容错永磁电机领域，本发明为解决常规五相永磁同步电机绕组在一相短路故障时，电机转矩输出能力弱、转矩波动大的问题。本发明方法在电机发生端部短路故障时通过调整其它非短路相的电流来维持电机输出功率不变。在电机发生开关管短路故障时，先控制相对桥臂相同位置开关管导通，调整其它非短路相的电流来维持电机输出功率不变，这种方法削弱逆变器开关管短路故障对电机的影响，减小了后续容错控制的难度。

权利要求

1.基于功率不变原则的五相永磁电机短路故障容错控制方法，其特征在于，采用五相六桥臂逆变器或五相全桥逆变器为五相永磁同步电机供电，当A相发生绕组端部短路故障时，在不约束中性点电流大小条件下，所述短路故障容错控制方法为：调整B、C、D、E相绕组的电流按

进行工作，以维持电机输出功率不变；

式中：ib为调整后B相电流，ic为调整后C相电流，id为调整后D相电流，ie为调整后E相电流；Te为电机正常运行状态下的电磁转矩；E0为电机空载反电势基波幅值；θ＝ωt+θ0；

Tsc为短路电流产生的转矩，

且按 获取，其中

RA为短路相绕组电阻；LA为短路相绕组电感；ω为电机定子电流角频率；ωm为电机转子机械角频率；θ0为零时刻电机短路相绕组轴线与转子永磁体直轴间的夹角。

2.基于功率不变原则的五相永磁电机短路故障容错控制方法，其特征在于，采用五相六桥臂逆变器或五相全桥逆变器为五相永磁同步电机供电，当A相发生开关管短路故障时，在不约束中性点电流大小条件下，所述短路故障容错控制方法为：首先，令A相中另一桥臂、与短路开关管位置对应的开关管保持一直导通状态；

然后，调整B、C、D、E相绕组的电流按

进行工作，以维持电机输出功率不变；

式中：ib为调整后B相电流，ic为调整后C相电流，id为调整后D相电流，ie为调整后E相电流；Te为电机正常运行状态下的电磁转矩；E0为电机空载反电势基波幅值；θ＝ωt+θ0；

Tsc为短路电流产生的转矩，

且按 获取，其中

RA为短路相绕组电阻；LA为短路相绕组电感；ω为电机定子电流角频率；ωm为电机转子机械角频率；θ0为零时刻电机短路相绕组轴线与转子永磁体直轴间的夹角。

3.基于功率不变原则的五相永磁电机短路故障容错控制方法，其特征在于，采用五相六桥臂逆变器或五相全桥逆变器为五相永磁同步电机供电，当A相发生绕组端部短路故障时，在约束中性点电流为零的条件下，所述短路故障容错控制方法为：调整B、C、D、E相绕组的电流按

进行工作，以维持电机输出功率不变；

式中：ib为调整后B相电流，ic为调整后C相电流，id为调整后D相电流，ie为调整后E相电流；Te为电机正常运行状态下的电磁转矩；E0为电机空载反电势基波幅值；θ＝ωt+θ0；

Tsc为短路电流产生的转矩，

且按 获取，其中

RA为短路相绕组电阻；LA为短路相绕组电感；ω为电机定子电流角频率；ωm为电机转子机械角频率；θ0为零时刻电机短路相绕组轴线与转子永磁体直轴间的夹角。

4.基于功率不变原则的五相永磁电机短路故障容错控制方法，其特征在于，采用五相六桥臂逆变器或五相全桥逆变器为五相永磁同步电机供电，当A相发生开关管短路故障时，在约束中性点电流为零的条件下，所述短路故障容错控制方法为：首先，令A相中另一桥臂、与短路开关管位置对应的开关管保持一直导通状态；

然后，调整B、C、D、E相绕组的电流按

进行工作，以维持电机输出功率不变；

式中：ib为调整后B相电流，ic为调整后C相电流，id为调整后D相电流，ie为调整后E相电流；Te为电机正常运行状态下的电磁转矩；E0为电机空载反电势基波幅值；θ＝ωt+θ0；

Tsc为短路电流产生的转矩，

且按 获取，其中

RA为短路相绕组电阻；LA为短路相绕组电感；ω为电机定子电流角频率；ωm为电机转子机械角频率；θ0为零时刻电机短路相绕组轴线与转子永磁体直轴间的夹角。

说明书

基于功率不变原则的五相永磁电机短路故障容错控制方法

技术领域

[0001] 本发明属于多相容错永磁电机领域，涉及短路故障容错技术。

背景技术

[0002] 21世纪以来，随着科技和经济的迅速发展，日益严重的环境污染和能源危机问题已经成为制约人类发展的主要因素。传统燃油汽车带来的一系列尾气污染、噪声污染和能源浪费等问题已经不容忽视，发展新能源汽车刻不容缓，其中，纯电动汽车由于其零排放和零污染的优势而备受社会关注。对于纯电动汽车而言，电机是其重要部件，当电机出现故障而丧失正常运行能力时，纯电动汽车将无法继续行驶，因此，有必要研究纯电动汽车用高性能容错电机。与三相永磁电机相比而言，五相永磁同步电机由于其相数的冗余，具有良好的容错运行能力。它可以在电机绕组发生故障的时候，通过逆变器调整剩余相绕组的电流，使电机仍然具有一定的转矩输出能力。当五相电机发生绕组短路故障时，电机各相绕组电流不再对称，输出转矩下降，并伴随着剧烈的转矩波动，这种情况会威胁车辆及车内人员的安全。因此有必要研究短路故障的容错控制策略。。

发明内容

[0003] 本发明目的是为了解决常规五相永磁同步电机绕组在一相短路故障时，电机转矩输出能力弱、转矩波动大的问题，提供了一种基于功率不变原则的五相永磁电机短路故障容错控制方法。

[0004] 五相永磁同步电机A、B、C、D、E相绕组的每相等效串联匝数为N，各相绕组轴线在空间上依次相差2π/5电角度，当五相永磁同步电机正常工作时，其定子绕组的A、B、C、D、E相通以幅值为Im、角频率为ω、初相角为θ0的五相对称正弦电流iA、iB、iC、iD和iE，即[0005] iA＝Imcos(ωt+θ0)

[0006] iB＝Imcos(ωt+θ0-2π/5)

[0007] iC＝Imcos(ωt+θ0-4π/5)

[0008] iD＝Imcos(ωt+θ0-6π/5)

[0009] iE＝Im cos(ωt+θ0-8π/5)

[0010] 若忽略电机相间互感，当五相永磁同步电机任意一相发生绕组端部短路故障时，短路相电流由两部分构成：正弦稳态电流分量和随时间衰减的暂态分量。

[0011] 稳态电流表达式为：

[0012]

[0013] 式中： RA为短路相绕组电阻；LA为短路相绕组电感；ω为电机定子电流角频率；N为电机绕组匝数；kdp为电机绕组因数；Φpm-A为与短路相绕组耦合的永磁磁通；θ0为零时刻电机短路相绕组轴线与转子永磁体直轴间的夹角。

[0014] 暂态电流表达式为：

[0015]

[0016] IA0为t＝0时刻A相电流值。

[0017] 短路稳态短路电流产生的转矩表达式为：

[0018]

[0019] 式中：E0为电机空载反电势基波幅值；ωm为电机转子机械角速度。

[0020] 当五相永磁同步电机采用五相全桥逆变器供电，发生开关管短路故障时，稳态短路电流形式与绕组端部短路故障下相同，经过处理后两种故障可以采用相同的容错控制方法进行补偿。系统检测到五相全桥逆变器某一相某一个开关管发生短路之后，通过控制同一相相对桥臂相同位置开关管导通，削弱逆变器开关管短路故障对电机的影响，减小了后续容错控制的难度。

[0021] 本发明所述基于功率不变原则的五相永磁电机短路故障容错控制方法包括四个方案：

[0022] 第一个方案：一相端部短路，不约束中性点电流。

[0023] 以A相绕组端部短路为例来说明当其中任意一相发生绕组端部短路故障时，在不约束中性点电流大小条件下，所述短路故障容错控制方法为：

[0024] 调整B、C、D、E相绕组的电流按

[0025]

[0026]

[0027]

[0028]

[0029] 进行工作，以维持电机输出功率不变；

[0030] 式中：ib为调整后B相电流，ic为调整后C相电流，id为调整后D相电流，ie为调整后E相电流；Te为电机正常运行状态下的电磁转矩；E0为电机空载反电势基波幅值；θ＝ωt+θ0；

[0031] Tsc为短路电流产生的转矩，

[0032] 且按 获取，其中

[0033] RA为短路相绕组电阻；LA为短路相绕组电感；ω为电机定子电流角频率；ωm为电机转子机械角频率。

[0034] 优选地，不约束中性点电流的条件下采用五相六桥臂逆变器或五相全桥逆变器为五相永磁同步电机供电。

[0035] 第二个方案：一相开关管短路，不约束中性点电流。

[0036] 以A相绕组开关管短路为例来说明当其中任意一相发生开关管短路故障时，在不约束中性点电流大小条件下，所述短路故障容错控制方法为：

[0037] 首先，令A相中另一桥臂、与短路开关管位置对应的开关管保持一直导通状态；

[0038] 然后，调整B、C、D、E相绕组的电流按

[0039]

[0040]

[0041]

[0042]

[0043] 进行工作，以维持电机输出功率不变；

[0044] 式中：ib为调整后B相电流，ic为调整后C相电流，id为调整后D相电流，ie为调整后E相电流；Te为电机正常运行状态下的电磁转矩；E0为电机空载反电势基波幅值；θ＝ωt+θ0；

[0045] Tsc为短路电流产生的转矩，

[0046] 且按 获取，其中

[0047] RA为短路相绕组电阻；LA为短路相绕组电感；ω为电机定子电流角频率；ωm为电机转子机械角频率。

[0048] 优选地，采用五相全桥逆变器为五相永磁同步电机供电。

[0049] 第三个方案：一相端部短路，约束中性点电流。

[0050] 以A相绕组端部短路为例来说明当其中任意一相发生绕组端部短路故障时，在约束中性点电流大小条件下，所述短路故障容错控制方法为：

[0051] 调整B、C、D、E相绕组的电流按

[0052]

[0053]

[0054]

[0055]

[0056] 进行工作，以维持电机输出功率不变；

[0057] 式中：ib为调整后B相电流，ic为调整后C相电流，id为调整后D相电流，ie为调整后E相电流；Te为电机正常运行状态下的电磁转矩；E0为电机空载反电势基波幅值；θ＝ωt+θ0；

[0058] Tsc为短路电流产生的转矩，

[0059] 且按 获取，其中

[0060] RA为短路相绕组电阻；LA为短路相绕组电感；ω为电机定子电流角频率；ωm为电机转子机械角频率。

[0061] 优选地，不约束中性点电流的条件下采用五相半桥逆变器、五相全桥逆变器或五相六桥臂逆变器为五相永磁同步电机供电。

[0062] 第四个方案：一相开关管短路，约束中性点电流。

[0063] 以A相开关管短路为例来说明当其中任意一相发生开关管短路故障时，在约束中性点电流大小条件下，所述短路故障容错控制方法为：

[0064] 首先，令A相中另一桥臂、与短路开关管位置对应的开关管保持一直导通状态；

[0065] 然后，调整B、C、D、E相绕组的电流按

[0066]

[0067]

[0068]

[0069]

[0070] 进行工作，以维持电机输出功率不变；

[0071] 式中：ib为调整后B相电流，ic为调整后C相电流，id为调整后D相电流，ie为调整后E相电流；Te为电机正常运行状态下的电磁转矩；E0为电机空载反电势基波幅值；θ＝ωt+θ0；

[0072] Tsc为短路电流产生的转矩，

[0073] 且按 获取，其中

[0074] RA为短路相绕组电阻；LA为短路相绕组电感；ω为电机定子电流角频率；ωm为电机转子机械角频率。

[0075] 优选地，采用五相全桥逆变器为五相永磁同步电机供电。

[0076] 本发明的有益效果：本发明公开一基于功率不变原则的五相永磁电机短路故障容错控制方法，在保证了电机最大输出转矩不变的前提下，有效的降低了五相电机发生一相短路故障时容错运行的转矩波动，同时保证了容错运行状态下的铜损最小。

附图说明

[0077] 图1是五相半桥逆变器拓扑示意图；

[0078] 图2是五相全桥逆变器拓扑示意图；

[0079] 图3是五相六桥臂逆变器拓扑示意图；

[0080] 图4是五相永磁同步电机的绕组空间示意图；

[0081] 图5是一相绕组短路和逆变器开关管短路两种故障下的短路相电流波形图；

[0082] 图6是一相绕组短路和逆变器开关管短路两种故障下的电机空载转矩波形图；

[0083] 图7是逆变器开关管短路故障时开通相对桥臂相同位置开关管后的短路电流路径图；

[0084] 图8是本发明A相短路后在不约束中性点电流条件下由剩余的B、C、D、E相绕组通电保证电机输出平滑转矩的各相电流波形图；

[0085] 图9是本发明A相短路后在约束中性点电流条件下由剩余的B、C、D、E相绕组通电保证电机输出平滑转矩的各相电流波形图；

[0086] 图10是本发明A相短路后在不约束/约束中性点电流条件下由剩余的B、C、D、E相进行补偿后的转矩波形图。

具体实施方式

[0087] 以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

[0088] 五相永磁同步电机供电的原理示意图如图1、图2和图3所示，绕组空间排布方式图如图4所示。若不考虑电机的相间磁耦合，当五相永磁同步电机发生一相绕组端部短路故障后，短路相电流由两部分构成：正弦稳态电流分量和随时间衰减的暂态分量，下面分别对这两种电流成分进行分析：

[0089] (1)稳态电流部分

[0090] 稳态电流表达式为：

[0091]

[0092] 式中： RA为短路相绕组电阻；LA为短路相绕组电感；ω为电机定子电流角频率；N为电机绕组匝数；kdp为电机绕组因数；Φpm-A为与短路相绕组耦合的永磁磁通；θ0为零时刻电机短路相绕组轴线与转子永磁体直轴间的夹角。

[0093] (2)暂态电流部分

[0094] 暂态电流表达式为：

[0095]

[0096] 式中：IA0为t＝0时刻A相电流值。

[0097] 当电机发生逆变器开关管短路故障后，电机绕组中的短路电流也要经历暂态过程和稳态过程，如果该类故障发生时封锁各门极驱动信号，则电机短路电流暂态过程持续时间变短，稳态短路电流变为脉动直流，平均值不为零，并且幅值相比一相绕组端部短路故障情况显著增大。两种端部短路故障下的电机短路相电流波形图和空载转矩波形图分别如图5和图6所示。

[0098] 当电机发生逆变器开关管短路故障后，如果系统检测到图7中的开关管VT3发生短路之后，封锁开关管VT2、VT4的门极驱动信号，保持开关管VT1处于常开状态，此时电流路径如图7所示，正向电流经由VD1、正极直流母线、VT3流回电机绕组，负向电流经由VT3和VD3、正极直流母线、VT1流回电机绕组，此时，短路相绕组中的电流与一相绕组短路故障情况相似，均为双向流动状态。经过上述处理，逆变器开关管短路故障对电机的影响被削弱，并且减小了后续容错控制的难度。

[0099] 第一个实施例：不约束中性点电流，采用五相六桥臂逆变器或五相全桥逆变器为五相永磁同步电机供电，以A相绕组端部短路为例。

[0100] 在A相绕组端部短路的情况下，令电机输出的瞬时电磁功率与故障前保持一致，则需满足：

[0101]

[0102] 式中： j＝1，2，3，4分别对应B，C，D，E相。

[0103] 若电机各相绕组电气上互相隔离，则无需约束容错状态下的中性点电流，在上式的基础上，进一步以铜损最小为目标定义目标函数：

[0104]

[0105] 式中：P为目标函数，λ为系数，ij为相绕组电流，j＝1，2，3，4，即ij代表B、C、D、E相绕组电流。

[0106] 由拉格朗日乘数法可解得剩余相绕组电流的表达式为：

[0107]

[0108]

[0109]

[0110]

[0111] 按上式调整B、C、D、E相绕组的电流，以维持电机输出功率不变。

[0112] 式中：ib为调整后B相电流，ic为调整后C相电流，id为调整后D相电流，ie为调整后E相电流；Te为电机正常运行状态下的电磁转矩；E0为电机空载反电势基波幅值；θ＝ωt+θ0。

[0113] Tsc为短路电流产生的转矩，

[0114] 且按 获取，其中

[0115] RA为短路相绕组电阻；LA为短路相绕组电感；ω为电机定子电流角频率；ωm为电机转子机械角频率。

[0116] 第二个实施例：不约束中性点电流，采用五相全桥逆变器为五相永磁同步电机供电，A相任一开关管短路。

[0117] 参见图2，五相全桥逆变器每相由四只开关管构成全桥，分为左右两个桥臂，假设当右桥臂的上桥臂开关管短路时，首先将第左桥臂的上桥臂开关管设置为一直导通状态。然后再按

[0118]

[0119]

[0120]

[0121]

[0122] 调整B、C、D、E相绕组电流。

[0123] 全桥逆变器开关管出现短路故障时若按照以往的处理方式封锁各门极驱动信号，则电机短路电流暂态过程持续时间变短，稳态短路电流变为脉动直流，平均值不为零，并且幅值相比绕组端部短路故障情况显著增大，两种端部短路故障下的电机短路相电流波形图5所示，逆变器开关管短路电流幅值明显大于绕组端部短路电流幅值，并且产生的转矩波动和阻力矩大于绕组端部短路电流产生的转矩波动和阻力矩，转矩波形图如图6所示。

[0124] 按照该种处理方式不仅会使短路故障的影响加剧，也会增大容错控制的难度，本实施例所提出的方法可以削弱逆变器开关管短路故障对电机的影响，并且减小后续容错控制的难度，使逆变器开关管短路故障可以和绕组端部短路故障采用相同的容错控制方法。

[0125] 第三个实施例：约束中性点电流为零，采用五相半桥逆变器、五相六桥臂逆变器或五相全桥逆变器为五相永磁同步电机供电，以A相绕组端部短路为例。

[0126] 在A相绕组端部短路的情况下，若各相绕组电气上有耦合，还需要附加中性点电流为零的约束条件，即：

[0127] iB+iC+iD+iE＝0

[0128] 以铜损最小为目标定义的目标函数修正为：

[0129]

[0130] 式中：P为目标函数，λ1和λ2为系数，ij为相绕组电流，j＝1，2，3，4，即ij代表B、C、D、E相绕组电流。

[0131] 由拉格朗日乘数法可解得剩余相绕组电流的表达式为：

[0132]

[0133]

[0134]

[0135]

[0136] 按上式调整B、C、D、E相绕组的电流，以维持电机输出功率不变。

[0137] 式中：ib为调整后B相电流，ic为调整后C相电流，id为调整后D相电流，ie为调整后E相电流；Te为电机正常运行状态下的电磁转矩；E0为电机空载反电势基波幅值；θ＝ωt+θ0。

[0138] Tsc为短路电流产生的转矩，

[0139] 且按 获取，其中

[0140] RA为短路相绕组电阻；LA为短路相绕组电感；ω为电机定子电流角频率；ωm为电机转子机械角频率。

[0141] 第四个实施例：约束中性点电流为零，采用五相全桥逆变器为五相永磁同步电机供电，A相任一开关管短路。

[0142] 参见图2，A相由四只开关管构成全桥逆变器，分为两个桥臂，当第一个桥臂的上桥臂开关管短路时，首先将第二个桥臂的上桥臂开关管设置为一直导通状态。然后再按[0143]

[0144]

[0145]

[0146]

[0147] 调整B、C、D、E相绕组电流。

[0148] 本实施例所提出的方法可以削弱逆变器开关管短路故障对电机的影响，并且减小后续容错控制的难度，使逆变器开关管短路故障可以和绕组端部短路故障采用相同的容错控制方法。

[0149] 一相短路故障容错运行时，不约束中性点电流条件下补偿后的相电流波形如图8所示，约束中性点电流条件下补偿后的相电流波形如图9所示，电机在不约束/约束中性点电流条件下进行补偿后的转矩波形如图10所示。在发生一相短路故障时，采用本文提出的方法进行补偿后，电机平均电磁转矩与故障前相当，并且电机转矩波动大大减小，容错控制效果好。

[0150] 采用五相全桥逆变器为五相永磁同步电机供电时，当某一相的任一开关管短路，令该相中另一桥臂、与短路开关管位置对应的开关管保持一直导通状态。使用该方法可以减小后续容错控制的难度，使逆变器开关管短路故障可以和绕组端部短路故障采用相同的容错控制方法。

[0151] 虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。