[0001] 本申请涉及三相永磁同步电机技术领域，尤其是一种三相永磁同步电机驱动器开路容错控制方法。

[0002] 永磁同步电机(PMSM)因其具有高转矩、高功率密度比和高效率等优点而在工业中得到了广泛的应用。永磁同步电机的电机驱动系统运行时容易出现不同类型的故障，出现故障比例较高的主要是短路故障和开路故障，开路故障主要包括电机绕组开路故障和逆变电路功率器件开路故障，这两种故障均会使三相永磁同步电机会遭受严重的转矩波动和大幅的转矩损失，导致明显的机械振动，甚至停机。

[0003] 为了提高电机驱动系统的运行安全性和可靠性，对三相永磁同步电机针对逆变电路功率器件开路故障的容错控制很有必要，但是目前大部分的开路故障容错控制都需要依赖额外的辅助电路，改变了原有的控制器拓扑结构，比如一般将传统的三相三桥臂拓扑结构改成三相四桥臂拓扑结构来实现，电路复杂度较高，容易带来其他的故障并降低可靠性。

[0047] 下面结合附图对本申请的具体实施方式做进一步说明。

[0048] 本申请公开了一种三相永磁同步电机驱动器开路容错控制方法，该方法基于图1这种常见的三相永磁同步电机(PMSM)的驱动器结构实现，无需额外增加辅助电路，仅通过软件控制来实现容错控制。请结合图2所示的控制框图，该容错控制方法包括如下步骤：

[0049] 步骤1、对驱动器存在功率器件出现开路故障时的三相电流进行傅里叶级数推导，确定故障相电流的傅里叶级数表达式，以及两个健康相电流包含电流集总参数的傅里叶级数表达式。

[0050] 如图1所示，三相永磁同步电机包括三个相绕组分别记为A相绕组、B相绕组和C相绕组，每个相绕组连接逆变电路的一个桥臂中点，每个桥臂包括上桥臂功率器件和下桥臂功率器件。

[0051] 故障相是三相永磁同步电机中与发生开路故障的功率器件所在桥臂相连的相绕组，健康相是三相永磁同步电机中与正常工作的功率器件所在桥臂相连的相绕组。

[0052] 本申请的容错控制方法主要针对逆变电路中单个功率器件出现开路故障的情况，当存在一个功率器件出现开路故障时，三相永磁同步电机中与该出现开路故障的功率器件的一个相绕组为故障相、另外两个相绕组为健康相。比如基于图1的驱动器电路结构，当功率器件T1出现开路故障时，A相绕组为故障相，B相绕组和C相绕组均为健康相。

[0053] 对三相永磁同步电机的驱动器中的逆变电路发生单个功率器件开路故障情况下进行故障电流分析：

[0054] 当逆变电路中所有功率器件都正常工作时，三相永磁同步电机中的A相绕组、B相绕组和C相绕组的相电流iA、iB、iC在静止坐标系中表示为：

[0055]

[0056] 其中，Im是定子电流的幅度，θe是转子位置角度。

[0057] 当驱动器中的逆变电路存在功率器件出现开路故障时，基于正常状态下的相电流使用傅里叶级数即可推导得到故障相电流in和健康相电流ip的表达式。其中，n＝A、B、C分别表示故障相为A相绕组、B相绕组、C相绕组，p＝A、B、C分别表示健康相为A相绕组、B相绕组、C相绕组，且n≠p。

[0058] (1)确定的故障相电流的傅里叶级数表达式为：

[0059]

[0060] 其中，故障相电流的直流分量 故障相电流的高次谐波分量N表示谐波阶次。

[0061] i表示故障相的按相数排列的序列号，当故障相n为A相绕组时n＝A且对应的i＝1，或者，当故障相n为B相绕组时n＝B且对应的i＝2，或者，当故障相n为C相绕组时n＝C且对应的i＝3。

[0062] 当故障相连接的桥臂的上桥臂功率器件发生开路故障时c＝‑1，当故障相连接的桥臂的下桥臂功率器件发生开路故障时c＝1。比如基于图1的电路图，当功率器件T1出现开路故障时，A相绕组为故障相且c＝‑1。

[0063] (2)确定的健康相电流包含电流集总参数的傅里叶级数表达式为：

[0064]

[0065] 其中，Dp为健康相p的电流集总参数。j表示健康相按相数排列的序列号，当健康相p为A相绕组时p＝A且对应的j＝1，或者，当健康相p为B相绕组时p＝B且对应的j＝2，或者，当健康相p为C相绕组时p＝C且对应的j＝3。由于n≠p，因此i≠j。

[0066] 基于此，在六种不同的故障情况下，逆变电路发生单个功率器件开路故障时A相绕组的相电流iAf、B相绕组的相电流iBf、C相绕组的相电流iCf的傅里叶级数表达式分别为：

[0067] (a)A相绕组连接的上桥臂功率器件T1出现开路故障

[0068]

[0069] (b)A相绕组连接的下桥臂功率器件T2出现开路故障

[0070]

[0071] (c)B相绕组连接的上桥臂功率器件T3出现开路故障

[0072]

[0073] (4)B相绕组连接的下桥臂功率器件T4出现开路故障

[0074]

[0075] (5)C相绕组连接的上桥臂功率器件T5出现开路故障

[0076]

[0077] (6)C相绕组连接的下桥臂功率器件T6出现开路故障

[0078]

[0079] 步骤2、基于故障相电流和健康相电流的傅里叶级数表达式得到发生驱动器开路故障后的电磁转矩Tef基于电流集总参数的表达式。

[0080] 三相永磁同步电机在正常工作状态下的电磁转矩 Pr是电机极对数，Ff是永磁体磁链。当逆变电路中存在功率器件出现开路故障时，无法再按照上述公式计算得到开路故障情况下的电磁转矩，但此时发生驱动器开路故障后的电磁转矩Tef仍然可以由相电流和反电动势相互作用产生。因此在根据驱动器出现开路故障的功率器件所在的桥臂位置确定A相绕组、B相绕组、C相绕组中的故障相和健康相，并根据故障相电流和健康相电流的傅里叶级数表达式分别得到逆变电路发生单个功率器件开路故障时A相绕组的相电流iAf、B相绕组的相电流iBf、C相绕组的相电流iCf的表达式后，按照
就能得到发生驱动器开路故障后的电磁转矩Tef的表达
式。

[0081] 其中，wr是电机转子角速度。eA、eB、eC分别是A相绕组、B相绕组、C相绕组的反电动势且：

[0082]

[0083] 步骤3、在满足最大转矩原则的条件下令发生驱动器开路故障后的电磁转矩Tef与正常工作时的电磁转矩Te相等，求解得到电流集总参数。

[0084] 三相永磁同步电机在正常工作状态下的三相绕组的相电流呈正弦波形，电磁转矩是稳定的，如图3所示。当存在功率器件出现开路故障时，故障相电流不再是正弦波形，由于定子电流之和为0，因此健康相电流也会发生恶化，导致电磁转矩显著波动和损失。

[0085] 比如当A相绕组连接的上桥臂功率器件T1出现开路故障时，故障相电流iAf(也即A相绕组的相电流)失去正半周期、负半周期保持健康的正弦波形但有轻微畸变，健康相电流iBf和iCf也相应发生恶化，导致转矩出现显著波动和损失，如图4所示。

[0086] 为了确保三相永磁同步电机的连续运行，应抑制开路故障后的转矩下降，在理想的容错情况下，电机的转矩性能应该与正常情况下的转矩性能相似，因此为了维持故障前后转矩损失最小，令发生驱动器开路故障后的电磁转矩Tef与正常工作时的电磁转矩Te相等，由此代入求解得到两个健康相各自的电流集总参数Dp。

[0087] 比如在一个实例中，当A相绕组连接的上桥臂功率器件T1出现开路故障时，代入可以求解得到B相绕组的电流集总参数DB和C相绕组的电流集总参数DC分别为：

[0088]

[0089] 其他故障情况下可以同理代入求解得到两个健康相的电流集总参数，本申请不再一一赘述。

[0090] 步骤4、将求解得到的电流集总参数代入健康相电流的傅里叶级数表达式，结合故障相电流的傅里叶级数表达式得到三相电流给定值。

[0091] 比如在一个实例中，当A相绕组连接的上桥臂功率器件T1出现开路故障时，将上述得到的电流集总参数DB和DC代入表达式，可以得到A相绕组、B相绕组和C相绕组的电流给定值 为：

[0092]

[0093] 其他故障情况同理可以得到三相电流给定值，本申请不再一一赘述。

[0094] 步骤5、根据三相永磁同步电机的三相电流实际值和三相电流给定值利用PI控制器控制驱动器实现开路容错控制。

[0095] 请参考图2所示的控制框图，在三相永磁同步电机的工作过程中，采集三相永磁同步电机的三相电流实际值ia、ib、ic并转换得到d轴实际电流值id和q轴实际电流值iq。

[0096] 在驱动器的各个桥臂上的各个功率器件都正常工作时，利用转速环得到q轴电流给定值 并取d轴电流给定值 并结合d轴实际电流值id和q轴实际电流值iq基于SVPWM调制方法控制驱动器中各个功率器件的通断。利用PI控制器基于SVPWM调制方法实现的控制过程是本领域的常规方法，该实施例不再详细赘述。

[0097] 在驱动器中存在一个功率器件出现开路故障时，按照本申请的方法得到三相电流给定值 然后对三相电流给定值 转换得到d轴电流给定值和q轴电流给定值 并结合d轴实际电流值id和q轴实际电流值iq基于SVPWM调制方法控制驱动器中各个功率器件的通断。

[0098] 在此基础上，由上述举例的公式可以看出，得到的健康相的电流给定值中包含正切函数，因此电流振幅与正切函数tan项的值呈正相关，tan项会出现逼近无穷大的取值从而导致过电流的问题。比如对于上述举例的故障情况，B相绕组的电流集总参数DB和C相绕组的电流集总参数DC中都包含tan项为tanθe，当θe接近 的时候，tanθe的值趋于无穷大，导致过电流问题。因此实际在进行容错控制之前，还包括对三相电流给定值进行优化修正的步骤，也即步骤4在得到健康相的相电流给定值后，首先对得到的健康相的相电流给定值进行修正后，然后再根据三相电流实际值和修正后的三相电流给定值利用PI控制器控制所述驱动器实现开路容错控制。

[0099] 在一个实施例中，对得到的健康相的相电流给定值进行修正包括：对得到的健康相的相电流给定值中的tan项进行泰勒展开得到tan展开式，并消除tan展开式中的高阶项，从而避免高阶项趋近于无穷值而导致的过电流现象。

[0100] 另外，对得到的健康相的相电流给定值进行修正还包括：对转子位置角度θe∈[θ1，θ2]范围内的健康相的相电流给定值进行平滑过渡修正。θ1和θ2是健康相的相电流给定值到达峰值电流Ipeak的绝对值的转子位置角度，其中，峰值电流Ipeak＝λTIN，λT是过载系数，IN是电机额定电流。请参考图5，对θe∈[θ1，θ2]范围内的相电流给定值进行平滑过渡修正，以帮助平滑过渡并消除过电流。

[0101] 健康相在θe∈[θ1，θ2]范围内的平滑过渡修正后的相电流给定值Ki是取值为正的电流系数，Im是定子电流的幅度，按照相序顺序
位于故障相的后一相的健康相对应的参数k＝1、另一个健康相对应的k＝‑1。

[0102] 比如当A相绕组连接的上桥臂功率器件T1出现开路故障时，请结合图5，θe∈[θ1，θ2]范围内的B相绕组和C相绕组的平滑过渡修正后的相电流给定值 为：

[0103]

[0104] 在一个仿真实例中，以A相绕组连接的上桥臂功率器件T1出现开路故障为例，请结合图6的仿真结果图。转速给定设置为1200rpm，负载给定设置为0.5Nm。在正常工作时，三相绕组的相电流波形是平衡且正弦的，电磁转矩与转速均处于稳定状态。

[0105] 在t＝0.05s时，A相绕组连接的上桥臂功率器件T1出现开路故障，A相绕组的相电流在正半周期期间被限制为零，而在剩余的健康相电流中产生了谐波分量，导致三相绕组的相电流波形都恶化，电磁转矩脉动增加至1.12Nm，转速脉动增加至8.25％，转矩缺失比率增加至42.6％。

[0106] 在t＝0.1s时，应用本申请公开的容错控制方法进行容错控制，从图6中可以看出，经过一个周期的调整后，B相绕组和C相绕组的电流的幅值增大，电磁转矩脉动与转速脉动显著下降，电磁转矩脉动下降至0.65Nm，转速脉动减小至1.8％，转矩的缺失比率减小至5.9％。仿真结果表明本申请的容错控制方法对三相永磁同步电机驱动器单管开路故障具有容错效果，能够有效抑制转矩与转速脉动，减少转矩缺失时间。

[0107] 在另一个仿真实例中，改变电机运行工况，仍以A相绕组连接的上桥臂功率器件T1出现开路故障为例，改变工况后的转速给定设置为600rpm，负载给定设置为1Nm，仿真结果如图7所示。在应用本申请的容错控制方法之后，电机的电磁转矩输出性能得到了改善，电磁转矩脉动由2.83Nm下降至1.26Nm，转速脉动由126.6％下降至20.2％，转矩缺失比率由40.9％下降至7.3％。

[0108] 在电机容错控制运行过程中将转速给定由1200rpm突然降至为1000rpm，负载给定设置为1Nm不变，转速变化的仿真波形如图8所示。从图8中可以看出，经过一到两个周期的调整后，实际转速跟随转速给定的变化降至1000rpm，并且转矩输出仍稳定在1Nm。

[0109] 在电机容错控制运行过程中将负载给定由0.5Nm突然降至为0.3Nm，转速给定设置为1200rpm不变。从图9中可以看出，经过一到两个周期的调整后，实际转矩跟随负载给定的变化降至0.3Nm，并且转速输出仍稳定在1200rpm。

[0110] 经过图8和图9的仿真结果可以看出，本申请方法对转速与负载变化具有良好的动态响应能力及鲁棒性。

[0111] 以上所述的仅是本申请的优选实施方式，本申请不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本申请的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本申请的保护范围之内。