本发明涉及电工、电机设计及控制、航天航空、电动汽车领域，尤其涉及五相永磁电机的容错控制策略。适用于航空航天，电动汽车等对可靠性要求较高的场合。
背景技术：
随着永磁电机的广泛运用在电动汽车，航空航天等对高可靠性有很高要求的场合，因此，电机在故障之后可以无扰运行越来越受到国内外学者的重视进而成为新的研究热点，因此容错控制算法的效果及是否易于实现成为容错控制算法能否应用于实际的关键因素。
多相电机因为相数带来了更多的自由度，使得能够在不改变硬件的前提下实现电机开路之后的勿扰运行，实现无扰运行的前提时故障前后磁动势保证不变，通常通过调整电流幅值和相位实现。
电机的开路故障一直时电机在应用过程中最长见的故障之一，因此，目前国内外学者对电机容错控制的研究有很大部分都是针对电机绕组开路故障的研究。目前，国内外学者对开路容错控制算法的研究主要集中在基于矢量控制的容错控制以及基于直接转矩控制的容错控制。其中直接转矩的容错控制还是基于最基本的开关表加滞环控制器的容错策略且研究的较少，大多数学者的控制策略还是以矢量控制的容错为主。
电机矢量控制是经典的控制策略，在一般的调速应用中，通常采用速度环加电流环的控制结构，而容错控制的实现一般是根据电机故障的特点，对电流环重新设计，以实现电机故障后的勿扰运行。
最简单的方法是采用滞环控制器实现电机的容错控制，方法简单易懂，实现起来也很方便，但是滞环控制带来了频率不固定的缺陷，且损耗较大，目前已经很少有对滞环实现开路容错控制的研究。
采用双pi控制器的容错控制策略可以实现开关频率固定，控制效果也较好，但是控制结构复杂，pi控制器是较多继而带来了参数调整困难，实际应用可能性不高。
利用基于容错电流幅值相等的解耦矩阵，使用pi控制器实现电机的容错运行时一种较新的方法，但是该方法需要对反电动势进行补偿，而且pi控制器将电机系统看成是一个连续的控制系统，但是实际的电机控制系统是离散系统。
利用有限控制集模型预测控制的电流控制策略实现电机的容错也是一种较新的方法，但是该方法一个控制周期只作用一个矢量，因此控制效果不理想，而且五相电机在一相开路之后还有16个电压矢量，根据有限集模型预测控制的控制方法，该策略需要分别将16个电压矢量代入到预测电流表达式，这无疑需要占用大量的硬件资源同时也很耗时间，长计算时间也将意味着较低的开关频率，这将导致控制效果不佳。
技术实现要素：
本发明根据现有技术的不足与缺陷，提出了一种基于虚拟电压矢量的有限控制集模型预测容错控制策略，目的在于提高电机开路容错的动态响应，减少计算量，同时提升容错控制效果。
本发明的技术方案具体包括如下步骤：
步骤1.根据五相电机开路故障建立降维的容错解耦矩阵；
步骤2.根据所建立的容错解耦矩阵求解此时在一维两相静止坐标系下的uα,uβ，三维静止坐标系下的uy；
步骤3.根据uα,uβ,uy画出此时的五相电机开路之后的电压矢量分布图；
步骤4.根据容错之后损耗最小的原则合成五相电机开路之后的电压矢量分布图；
步骤5.将合成之后的虚拟电压矢量所需的开关状态及对应的占空比写进查找表；
步骤6.列写出五相电机开路之后的离散数学方程；
步骤7.根据步骤1所列的容错解耦矩阵写出对应的价值函数；
步骤8.在每个控制周期，将每个存储在查找表内的虚拟电压矢量代入电机的离散方程求解每个电压矢量对应的电流值；
步骤9.价值函数评判出下一时刻预测电流值与给定电流值误差最小的电压矢量；
步骤10.通过pwm波形生成模块发出所需的逆变器开关序列。
本发明具有以下有益效果：
1)本发明的开路容错控制策略大大减小了普通限控制集五相电机有开路容错控制策略的计算量；
2)本发明的开路容错控制策略在一个控制周期内使用两个开关状态，提高了电机容错运行的稳态效果，改善了电流转矩波形；
3)本发明的开路容错控制策略简单易于实现，不需要调制单元，也不需要调节电流环的参数，大大减少了整定时间；
4)本发明采用了有限集模型预测控制的思想，所以有较好的动态性能；
附图说明
图1五相电机有限控制集模型预测虚拟电压矢量开路容错控制框图；
图2有限控制集模型预测虚拟电压矢量开路容错控制流程图；
图3有限控制集模型预测虚拟电压矢量开路容错控制稳态定子电流波形；
图4有限控制集模型预测虚拟电压矢量开路容错控制稳态dqx电流波形；
图5有限控制集模型预测虚拟电压矢量开路容错控制稳态转矩波形；
图6五相电机开路容错控制基本电压矢量图；
图7五相电机开路容错控制虚拟电压矢量图；
图8正常到容错控制切换定子电流波形；
图9正常到容错控制切换dqx电流波形；
图10正常到容错控制切换转矩波形；
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的具体
五相电机在开路故障之后，可以利用多相电机的自由度在不改变硬件结构的情况下通过容错控制算法实现电机的无扰运行。根据磁动势不变的原则，可以计算出五相电机在一相开路之后，铜耗最小的电流表达式为：
式中i为正常运行时的电流幅值，ω为角频率。
图1为本发明提出的有限控制集模型预测开路容错控制的控制框图，从控制框图可以看出，本发明的控制算法无需调整电流环参数，没有调制单元。图2为控制流程图,根据控制流程图可以看出，本发明每个控制周期需要计算8个虚拟矢量对应的电流值。图3是本发明提出的容错控制算法稳态下的定子电流波形，从稳态波形可以看出，定子电流表达式与理论计算相同，这证明了本发明提出的控制方法式正确的，图4是本发明是本发明提出的容错控制算法稳态下的基波平面及三次平面的电流波形，即使不需要调节电流环参数，本发明提出的控制策略依然很好的控制的dq平面，三次空间平面也控制在0点附近，较好的实现了铜耗最小的控制目标。图5时本发明提出的容错控制算法稳态下的转矩波形，转矩波形脉动较小，证实了本发明的容错控制可以实现故障之后的无扰运行。
图6是五相电机开路之后为实现无扰运行使用的解耦矩阵计算之后的电压矢量图，从该图可以看出，五相电机开路故障之后还有16个电压矢量，图7是本发明提出的电压矢量合成之后的虚拟电压矢量图，经过合成，虚拟电压矢量变成8个。
图8是五相电机正常运行到容错控制切换的定子电流波形图，从波形图上可以看出，电流波形正弦性非常好，谐波含量较低，并且幅值相位满足磁动势不变铜耗最小的电流表达式，这证明了本发明提出的铜耗最小的容错控制在突发故障之后切换到容错控制经过短暂时间调整可以实现容错。图9是五相电机正常运行到容错控制切换的基波平面及三次平面的电流波形，从图中可以看出，切换过了，本发明提出的控制策略依然很好的控制的dq平面，三次空间平面也控制在0点附近，较好的实现了铜耗最小。图10是五相电机正常运行到容错控制切换的转矩波形图，从转矩波形上可以看出，在切换点附件转矩由波动，但是在很短的时间之后平均转矩与正常运行一致，转矩波动几乎相等，证明了本发明提出的容错控制算法控制效果较好。
实施过程1
步骤1.五相电机定子坐标系到静止坐标系解耦矩阵为；
步骤2.当a相开路时，消除与a相相关的那一列，删除与第一第二行不正交的第三行；
步骤3.为了实现故障前后反电动势保持不变，在第一行加入待定系数x；
步骤4.根据步骤3的矩阵根据下面的公式求解待定系数x；
式中ea，eb，ec，ed，ee为五相反电动势；eα，eβ为两相静止坐标下的反电动势。
步骤5.当x＝-1时，满足静止坐标系下的反电动势故障前后保持不变，此时的矩阵变为
该矩阵即为本发明容错控制所需的解耦矩阵。
实施过程2
步骤1.根据实施过程1中的解耦矩阵及故障之后逆变器模型求解出uα,uβ,uy；
式中uα,uβ,为五相电机基波平面的两相静止坐标系下的电压矢量，uy时五相电机三次平面在两相静止坐标系下的电压矢量，sb,sc,sd,se为正常相b、c、d、e相的开关信号。
步骤2.五相电机绕组开路之后该相电流变为0，因此连接a相的逆变器失去作用，电压矢量由25个减小24，表1为根据步骤1求得的的24个电压矢量；
步骤3.根据步骤2中的表1画出电压空间矢量图，见图7；
步骤4.矢量合成的原则就是根据步骤2中的表1，通过不同两个矢量乘以相应的每个周期作用的时间使得三次平面的uy合成为0，见图8；
步骤5.根据步骤4的合成原则合成出新的矢量即虚拟电压矢量，画出新的电压矢量图；
表1
根据解耦矩阵求解出uα,uβ,uy,其中uy是三维平面静止坐标系下的电压，对转矩的产生没有作用，只产生损耗，5相电机一相开路之后还有24个矢量，其中包括两个零矢量，因此在单位电压下，基波空间矢量写为复数形式分别为如下。
(1).基波平面uαβ1＝0.2236-i0.3804，位于第一象限，与之对应的三次平面uy1＝-i0.2351；
(2).基波平面uαβ2＝-0.2236-i0.2351，位于第三象限，与之对应的三次平面uy2＝-i0.3804；
(3).基波平面uαβ3＝-i0.6155，位于负虚轴，与之对应的三次平面uy3＝i0.1453；
(4).基波平面uαβ4＝-0.2236+i0.2351，位于第二象限，与之对应的三次平面uy4＝-i0.3804；
(5).基波平面uαβ5＝-i0.1453，位于负虚轴，与之对应的三次平面uy5＝-i0.6155；
(6).基波平面uαβ6＝-0.4472，位于负实轴，与之对应的三次平面uy6＝0；
(7).基波平面uαβ7＝-0.2236-i0.3804，位于第三象限，与之对应的三次平面uy7＝-i0.2351；
(8).基波平面uαβ8＝0.2236+i0.3804，位于第一象限，与之对应的三次平面uy8＝i0.2351；
(9).基波平面uαβ9＝0.4472，位于正实轴，与之对应的三次平面uy9＝0；
(10).基波平面uαβ10＝i0.1453，位于正虚轴，与之对应的三次平面uy10＝i0.6155；
(11).基波平面uαβ11＝0.2236-i0.2351，位于第四象限，与之对应的三次平面uy11＝i0.3804；
(12).基波平面uαβ12＝i0.6155，位于正虚轴，与之对应的三次平面uy12＝-i0.1453；
(13).基波平面uαβ13＝0.2236+i0.2351，位于第一象限，与之对应的三次平面uy13＝-i0.3804；
(14).基波平面uαβ14＝-0.2236+i0.3804，位于第斯象限，与之对应的三次平面uy14＝i0.2351。
步骤6.根据步骤5和步骤4的分析结果将虚拟电压矢量的合成矢量及对应的作用时间写为查找表，见表2。表2中，kv表示合成虚拟电压矢量的第一个矢量作用的时间，1-kv表示合成虚拟电压矢量的第二个矢量作用的时间，vvi(i＝1，1….8)代表合成的虚拟电压矢量(以vv2为例，vv2时由13号矢量及8号矢量合成而来，其中13号矢量一个控制周期作用0.382的时间，8号矢量作用0.618的时间)。
为了实现铜耗最小的容错控制策略，需要将三维平面通过不同电压矢量合成为零，本发明利用位于同一象限或同一坐标轴上同方向的矢量合成虚拟电压矢量实现损耗的抑制。
(1).uy8*t8+uy13*(1-t8)＝0,t8＝0.618，此时基波空间的合成矢量为vv2＝uαβ8*t8+uαβ13*(1-t8)＝0.394exp(55.47°)；
(2).uy4*t4+uy14*(1-t4)＝0,t4＝0.382,此时基波空间的合成矢量为vv4＝uαβ4*t4+uαβ14*(1-t4)＝0.394exp(124.53°)；
(3).uy2*t2+uy7*(1-t2)＝0,t2＝0.382,此时基波空间的合成矢量为vv6＝uαβ2*t2+uαβ7*(1-t2)＝0.394exp(235.47°)；
(4).uy1*t1+uy11*(1-t1)＝0,t1＝0.618,此时基波空间的合成矢量为vv8＝uαβ1*t1+uαβ11*(1-t1)＝0.394exp(-55.47°)；
(5).uy10*t10+uy12*(1-t10)＝0,t10＝0.191，此时基波空间的合成矢量为vv3＝uαβ10*t10+uαβ12*(1-t10)＝0.526exp(90°)；
(6).uy3*t3+uy5*(1-t3)＝0,t3＝0.809，此时基波空间的合成矢量为vv7＝uαβ3*t3+uαβ5*(1-t3)＝0.526exp(270°)；
(7).位于正虚轴的uαβ9对应的三维空间矢量为uy9＝0，满足铜耗最小条件，因此无需合成vv1＝uαβ9＝0.44726exp(0°)；
(8).位于负虚轴的uαβ6对应的三维空间矢量为uy6＝0，满足铜耗最小条件，因此无需合成vv5＝0.44726exp(180°)。
表2
步骤7.将表2的开关矢量对应的开关序列及每个矢量的作用时间及其对应的开关状态写成开关表。根据虚拟电压矢量的合成原则，计算出各矢量作用时间，将8个虚拟电压矢量代入故障之后的离散电机方程，计算出的8个结果通过价值函数选出使得下一时刻误差最小的那个虚拟电压矢量，
(1).当选择的虚拟电压矢量是vv1时，控制算法在这一周期内9号矢量作用ts；
(2).当选择的虚拟电压矢量是vv2时，控制算法在这一周期内13号矢量作用0.382ts，8号矢量作用0.618ts；
(3).当选择的虚拟电压矢量是vv3时，控制算法在这一周期内10号矢量作用0.191ts，12号矢量作用0.809ts；
(4).当选择的虚拟电压矢量是vv4时，控制算法在这一周期内4号矢量作用0.382ts，14号矢量作用0.618ts；
(5).当选择的虚拟电压矢量是vv5时，控制算法在这一周期内6号矢量作用ts；
(6).当选择的虚拟电压矢量是vv6时，控制算法在这一周期内2号矢量作用0.382ts，7号矢量作用0.618ts；
(7).当选择的虚拟电压矢量是vv7时，控制算法在这一周期内5号矢量作用0.191ts，3号矢量作用0.809ts；
(8).当选择的虚拟电压矢量是vv8时，控制算法在这一周期内11号矢量作用0.382ts，1号矢量作用0.618ts。
实施过程3
步骤1.五相正常情况下的离散电机数学方程；
式中ud(k),uq(k)为五相电机基波空间在k时刻同步旋转坐标系下的dq轴电压，ux(k),uy(k)为五相电机三次空间在k时刻两相静止坐标系下的电压；id(k),iq(k)为五相电机k时刻基波空间在同步旋转坐标系下的dq轴电流，ix(k),iy(k)为五相电机k时刻三次空间在两相静止坐标系下的电流；rs为绕组电阻值；ld,lq为电机的dq轴电感值；lls为电机的漏感值；ω为角速度；ψpm为永磁体磁链。
步骤2.将
式中id(k+1)，iq(k+1)为k+1时刻dq轴电流预测值，ix(k+1)，iy(k+1)为k+1时刻xy轴电流预测值，ts为控制周期，其他变量定义见步骤1。
步骤3.根据步骤2的电机的状态方程预测出电机在下一时刻的电流值，正常运行时五相电机共有25个电压矢量，将这五个电压矢量分别代入步骤2的四个方程；
步骤4.根据五相电机的特点写出有限集模型预测控制的价值函数；
式中
步骤5.将步骤3中的的25组预测值分别代入步骤4中的价值函数，选出误差最小的那一组矢量，即为电机在下一时刻给定电流与预测电流误差最小的开关序列；
步骤6.根据实施方式1中所提到的解耦矩阵，可以实现故障容错之后电机的离散方程保证不变，五相电机开路后，剔除关于ix的方程，此时列写出五相电机开路之后的离散数学方程如下所示：
式中变量定义见步骤1，步骤2。
步骤7.根据实施方式2中步骤6中的表2所列写的虚拟电压矢量经过旋转坐标变换代入步骤6中的五相电机开路容错的电流预测方程中，分别求出8个虚拟电压矢量对应的三组电流值；
步骤8.根据步骤7中求得的电流值代入容错控制下的价值函数，如下所示，选出使得g最小的那一组电压矢量；
式中变量定义见步骤4。
步骤9.将选出的最优矢量经过pwm波形生成单位发出开关信号。
该控制策略采用一种降阶的解耦矩阵，根据该矩阵求出容错控制后的电压空间矢量分布，根据该分布图，结合铜耗最小原则，计算出虚拟电压矢量的合成方式并最终推导出虚拟电压矢量的分布，通过pwm波生成模块发出所需的开关序列。
综上，本发明的一种基于虚拟电压矢量模型预测容错控制方法，电机利用有限集模型预测控制的思想结合基本电压矢量合成虚拟电压矢量的思路实现电机的开路容错控制。本发明利用一种降阶解耦矩阵，计算出电机在此解耦矩阵下的电压空间矢量分布，在此基础上根据铜耗最小的原则合成出虚拟电压矢量，推导出开路故障之后电机的离散数学方程，以此建立控制模型，利用价值函数判断输出电机在下一时刻输出的最优电流值所需的虚拟电压矢量，最后通过pwm生成模块生成所需的开关信号，实现虚拟电压矢量的开路容错控制。使用本发明可以减少运算量，改善电机的电流波形，进而减小转矩波动，具有较大的应用前景。
应理解上述施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。