[0001] 本发明涉及多相电机容错控制技术领域，特别涉及一种多运行模式双五相永磁电机单相开路容错控制方法。

[0002] 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。与传统五相电机相比，双定子十相电机因其拥有两套五相绕组——主驱外定子和辅驱内定子绕组，具有更高的控制自由度和容错性能。在电动汽车、舰船推动、航空航天等需要高可靠性运行的领域，得到了越来越多的关注和研究。

[0003] 对于传统五相永磁电机来说，利用在气隙磁场中的三次谐波分量，通过注入特定比例的三次谐波电流，可以有效提高电机的输出转矩，但提高的幅度有限。特别是在容错故障下，为维持电机原有高转矩的工况运行，需增大剩余相的电流。这会导致电机的故障程度进一步加大。而多运行模式双五相永磁电机能够通过辅驱内定子绕组解决这一点。

[0004] 近年来，国内外学者就双定子多相电机进行了深入的研究，在协同高效率、混合励磁、宽速域运行等方面取得了丰富的成果。目前对于双定子多相电机研究主要在正常状态的运行，研究双定子多相电机的容错控制很有意义。

[0005] 传统容错控制策略中，在电机开路故障时，多采用增加剩余相电流幅值来弥补转矩缺失。而故障电机特别是在额定转矩工况下采用传统容错策略，相电流在达到额定还需增加幅值来维持故障转矩，从而避免造成电机的二次故障。

[0020] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0021] 图1展示了多运行模式双五相永磁电机单相开路容错控制方法控制框图，下面结合控制框图来详细介绍该方法的具体实施步骤：一种多运行模式双五相永磁电机单相开路容错控制方法，包括如下步骤：
步骤1：根据五相正常状态下的克拉克变换矩阵和帕克变换矩阵，推导多运行模式双五相永磁电机正常状态下同步旋转坐标系下的电压、磁链和转矩模型；
五相电机在正常运行状态时，克拉克变换矩阵为：
其中，TClarke代表正常运行状态下的克拉克变换矩阵； 为相邻两相之间的夹角，；
帕克变换矩阵为：
其中， 代表正常运行状态下的帕克变换矩阵； 为电机的电角度；
内外定子绕组各相电流通过克拉克、帕克变换后得到的旋转正交坐标系下电流分量为：
其中，ido，iqo，idi，iqi分别为外、内定子绕组基波电流在d‑q轴下的分量；id3o，iq3o，id3i,， iq3i为外、内定子绕组三次空间电流在d‑q轴下的电流分量；iA、iB、iC、iD、iE为主驱外定子绕组基波相电流；ia、ib、ic、id、ie为主驱内定子绕组基波相电流；i0为零序电流，因为电机采用星形连接方式，i0=0。

[0022] 在自然坐标系下，双定子电机的电压方程如下：其中，Uso，Usi为主驱外定子绕组和辅驱内定子绕组的相电压矢量；Iso，Isi分别为主驱和辅驱绕组的相电流矢量；Rso，Rsi为主驱和辅驱绕组的电阻矩阵； ， 分别为主驱、辅驱绕组与永磁体之间的磁链；
其中，Lso，Lsi分别为主驱、辅驱绕组的电感矩阵；Moi，Mio为主驱与辅驱的互感矩阵；
， 为永磁磁链；
多运行模式双五相永磁电机的永磁磁链向量表达式为：
其中 ， 分别为主驱外定子和辅驱内定子绕组的基波永磁磁链；
通过克拉克、帕克变换后得到的旋转正交坐标系下电压方程为：
通过坐标变换得到旋转正交坐标系下的磁链方程为：
其中，Moi、Mio分别为内外定子绕组之间的耦合电感， ；
根据永磁磁链和基波电流，利用磁共能法，求得只注入基波电流时的电磁转矩表达式为：
其中，Te代表的是基波电流产生的总电磁转矩； ， 分别为外定子主驱基波
磁链幅值和内定子辅驱基波磁链幅值；Mi(idi)为辅驱内定子绕组与外定子绕组之间的耦合电感通入d轴电流产生的耦合磁链，与idi相关；Mo(ido)为主驱外定子绕组与内定子之间的耦合电感通入d轴电流产生的耦合磁链，与ido相关；两者实际为主驱辅驱绕组之间的互感，对永磁体的总磁通进行分配；Pi，Po为电机外定子和内定子绕组的极对数；
上式基于电机本体特性dq轴的电感相等、Pi和Po相等简化得到。

[0023] 步骤2：根据故障前后基波磁动势之和不变以及故障后的 轴磁动势仍然形成磁链圆两个原则，来推导多运行模式双五相永磁电机在外定子绕组单相开路故障下对应的基波降阶克拉克和帕克变换以及采用铜耗最小和铜耗相等下的剩余相容错电流；推导得到多运行模式双五相永磁电机只有外定子绕组工作下单相故障下的基波
降阶克拉克和帕克变换矩阵为：
当外定子绕组A相发生开路故障时，当外定子A相发生开路故障时，根据变换前后反电势不变的原则，推导得到的基波降阶克拉克变换为：
其中， 为A相开路故障下的基波降阶克拉克变换矩阵；x为修正系数， ；
单相开路故障下的基波降阶帕克变换为：
其中， 代表单相开路故障下的基波降阶帕克变换矩阵；
单相开路故障时，以A相开路故障为例：当A相发生故障时，剩余相电流通过基波降阶克拉克、帕克变换后得到的旋转正交坐标系d‑q‑z‑0下电流分量为：
其中，ido、iqo为基波电流在d‑q轴下的分量；izo为三次空间电流；i0为零序电流，因为电机采用星形连接方式，所以i0=0；iB、iC、iD、iE为主驱外定子绕组剩余相的基波相电流；
对于外定子绕组，在ido=0的控制策略下，外定子主驱绕组采用容错算法，iqo决定着电机的平均输出转矩，在确定的工况下，应当与给定值iqr相等，为一个定值；izo用来进一步优化容错控制，实现故障下的铜耗最小和铜耗相等容错控制；
采用铜耗最小原则时，旋转正交坐标系d‑q‑z‑0坐标系下电流分量所要满足的约束条件为：
此时的容错电流为：
采用铜耗相等原则时，旋转正交坐标系d‑q‑z‑0坐标系下电流分量所要满足的约束条件为：
此时的容错电流为：
Im为即为容错后的q轴电流iqr。

[0024] 步骤3：通过正常五相克拉克和帕克变换结合步骤2的基波降价克拉克和帕克变换推导开路故障下的多模式双五相永磁电机的转矩公式；根据磁共能法，求解电机电磁转矩的公式为：
其中，Wco是电机的磁共能； 是电机的机械角度；Iso，Isi分别为电机外定子绕组和内定子绕组的相电流向量；Lso，Lsi分别为电机外定子绕组和内定子绕组的电感矩阵；
， 分别为外定子和内定子对应的永磁磁链向量；
将步骤2中基波容错电流和永磁磁链代入到所述磁共能法求解电磁转矩的公式
中，求得电机的电磁转矩：
而对于外定子绕组A相开路故障时的永磁磁链向量为：
其对应的转矩公式为：
其中 ， 为容错后的dq轴电流幅值，忽略izo的影响。

[0025] 步骤4：根据步骤3中得到双五相电机开路故障下的转矩方程，设立电机容错运行的两种模式——模式1内定子绕组注入d轴电流idi和模式2内定子绕组注入q轴电流iqi，并推导模式1和模式2对应的转矩公式；根据步骤2推导的外定子绕组容错电流，与故障前的外定子电流进行比较，再联立模式1和模式2的转矩公式推导对应的内定子绕组补偿电流计算公式；由步骤3所述的转矩公式，当主驱外定子绕组发生开路故障时，利用辅驱内定子绕组进行补偿转矩，当使用idi为模式1，此时对应的转矩公式：
其中 为耦合电感值，由电机特性决定；
在使用iqi为模式2，此时对应的转矩公式：
根据转矩公式和步骤2的容错电流，对于内外定子绕组的电流分配推导如下：
其中，容错电流幅值增加的倍数通过系数X来调节，X根据不同的幅值进行变化；
在辅驱内定子注入idi时，根据转矩公式推导注入idi:
在辅驱内定子注入iqi时，根据转矩公式推导注入iqi:
。

[0026] 步骤5：通过比较两种运行模式电机总系统的铜耗确定选择模式1或是模式2来进行补偿电流；具体方法有离线计算再查表选择和在线比较铜耗大小选择模式1或模式2；根据输入转矩和电流情况，对容错电流进行分配，分别推导出采用铜耗相等下模式1和模式2的给定电流和最小铜耗原则下模式1和模式2的给定电流；以系统铜耗大小选择辅驱内定子电流注入具体如下：
步骤5.1：根据步骤2的容错电流代入计算，铜耗计算公式转换到dq轴：
2
其中，Rso，Rsi分别为主驱辅驱绕组的电阻值；对于z空间分量铜耗，Rsoizo 在单相开路等幅值的情况下为 ，远小于 ，忽略不计；
根据步骤2内外定子绕组分配的电流，铜耗公式可简化为：
根据步骤2使用idi注入内定子绕组补偿转矩的铜耗为：
根据步骤2使用iqi注入内定子绕组补偿转矩的铜耗为：
只需要对比两者铜耗的大小来确定所需的注入方式：
其中，当 ，此时的铜耗在同转矩下，注入q轴电流比注入d轴电流小，因此向辅驱内定子注入q轴电流iqi；当 ，此时的铜耗在同转矩下，注入d轴电流比注入q轴电流小，因此向辅驱内定子注入d轴电流idi；展开公式进行简化：
其中，需要根据具体的工况和电机参数列举不同转矩下两者铜耗差异，此时只需将电机中的容错前电机正常运行时的q轴电流和转矩Te注入，通过上述公式在线判别 的正负情况，来确定内定子绕组选择何种电流进行控制，将该模块视为模式判别；
另一种方法是通过已知电机参数，预先计算出各个转矩下工况情况，再通过查表法选择何种电流注入方式；
步骤5.2：将得到的给定基波总电流输入到容错电流计算模块，容错电流模块中的具体计算过程如下：
单相开路故障时，以A相故障为例：根据转矩判别 ，选择对应的运行模式；选择注入iqi:铜耗最小原则时，根据步骤2的容错电流，以增幅最大的容错电流进行补偿，X为
1.468；此时的电流分配为：
铜耗相等原则时，根据步骤2的容错电流，以增幅最大的容错电流进行补偿，X为
1.382；此时的电流分配：
选择注入idi:铜耗最小原则时，根据步骤2的容错电流，以增幅最大的容错电流进行补偿，X为1.468；此时的电流分配为：
铜耗相等原则时，根据步骤2的容错电流，此时的电流分配：
其中以增幅最大的容错电流进行补偿，X为1.382。

[0027] 步骤6：检测双定子永磁电机的转速，作为电机的速度反馈n，将反馈转速与给定转速 进行比较得到转速误差e，将得到的转速误差e输入到PI控制器中，计算得到双定子永磁电机给定基波总电流；按照步骤4和5，根据转矩和电流情况选择模式1和模式2，辅驱内定子绕组注入对应幅值的d轴电流idi或q轴电流iqi；步骤7：根据步骤6得到的总电流，输入到电流分配计算模块中，根据步骤5推导的给定电流，输出分别为idiref , iqiref, iqoref, izoref，其中采用内定子绕组d轴电流id=0控制，因此外定子绕组d轴电流idoref 以及内定子三次谐波电流id3iref ，iq3iref 均为0；
步骤8：利用电流传感器，对双定子永磁电机的电流进行采样，外定子绕组电流经过基波降阶克拉克和帕克变换矩阵，内定子绕组电流经过克拉克和帕克变换矩阵，对剩余正常相电流进行变换，得到旋转正交坐标系下反馈的电流分量；外定子绕组单相开路故障时的反馈电流分量为：ido，iqo，izo,；内定子绕组的反馈电流分量为：idi，iq，id3i，iq3i；
将得到的反馈电流分量与给定电流分量进行比较，将得到的误差送入到PI控制器中，得到旋转正交坐标系下的给定电压分量，外定子绕组单相开路故障时得到的给定电压分量为：Udo，Uqo，Uzo；内定子绕组的给定电压分量为：Udi，Uqi，Ud3i ，Uq3i；
步骤9：将步骤8中得到的给定旋转正交坐标系的电压分量，利用对应的克拉克和帕克变换，变换为自然坐标系下的相电压，将得到的相电压输入到基于载波的脉宽调制（CPWM）模块中，得到各相的开关信号，输入到内外绕组对应的逆变器中，实现双定子永磁电机开路故障下的容错矢量控制。由图2所示，运行电机在不同负载转矩下辅驱容错运行时注入不同电流的情况，对应的铜耗曲线。可通过此曲线之间决定注入idi或iqi。由于运行电机推磁能力偏弱，因此都注入iqi补偿主驱转矩。当遇到新的电机便需要重新描述不同电流的铜耗曲线。

[0028] 由图3（a）（b）所示，当电机负载在4.7Nm主驱外定子绕组发生开路故障，电机单主驱正常运行——开路故障——单主驱容错——辅驱注入电流的电流和转矩波形；图3（a）是辅驱注入idi，图3（b）是主驱注入iqi，两者注入电流都使主驱电流iB和iC在正常状态与容错状态电流幅值不变。在此工况下，图3（a）的ia大于图3（b）的ia，此时选用注入iqi的效率远高于idi。验证了图2的曲线。

[0029] 由图4（a）（b）所示,当电机负载在7Nm主驱外定子绕组发生开路故障，电机单主驱正常运行——开路故障——单主驱容错——辅驱注入电流的电流和转矩波形；图4（a）是辅驱注入idi，图4（b）是主驱注入iqi，两者注入电流都使主驱电流iB和iC在正常状态与容错状态电流幅值不变。在此工况下，图4（a）的ia大于图4（b）的ia，此时选用注入iqi的效率远高于idi。验证图2曲线。

[0030] 最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。