本发明属于多相容错永磁电机领域，涉及电机的开路故障容错。
背景技术：
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开路故障时，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。因此有必要研究开路故障的容错控制策略。
技术实现要素：
本发明目的是为了解决常规五相永磁同步电机绕组开路故障时，输出转矩下降且波动，存在安全隐患的问题，提供了一种基于功率不变原则的五相永磁电机开路故障容错控制方法。
本发明所述基于功率不变原则的五相永磁电机开路故障容错控制方法包括六个方案。
第一个方案：一相开路，不约束中性点电流为零。
以A相绕组开路为例来说明当电机任意一相绕组发生开路故障时，在不约束中性点电流为零的条件下，所述开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；Tr为电机正常运行状态下的电磁转矩；ωm为电机转子机械角速度；E0为电机空载反电势基波幅值；
系数k1按公式获取。
第二个方案：一相开路，约束中性点电流为零。
以A相绕组开路为例来说明当电机任意一相绕组发生开路故障时，在约束中性点电流为零的条件下，所述开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；Tr为电机正常运行状态下的电磁转矩；ωm为电机转子机械角速度；E0为电机空载反电势基波幅值；
系数k1按
获取；
系数k2按
获取。
第三个方案：相邻两相开路，不约束中性点电流为零。
以A、B相绕组开路为例说明当电机任意相邻两相绕组发生开路故障时，在不约束中性点电流为零的条件下，所述开路故障容错控制方法为：
调整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：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；Tr为电机正常运行状态下的电磁转矩；ωm为电机转子机械角速度；E0为电机空载反电势基波幅值；
系数k1按
获取。
第四个方案：相邻两相开路，约束中性点电流为零。
以A、B相绕组开路为例说明当电机任意相邻两相绕组发生开路故障时，在约束中性点电流为零的条件下，所述开路故障容错控制方法为：
调整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：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；Tr为电机正常运行状态下的电磁转矩；ωm为电机转子机械角速度；E0为电机空载反电势基波幅值；
系数k1按
获取；
系数k2按
获取。
第五个方案：相隔两相开路，不约束中性点电流为零。
以A、C相绕组开路为例说明任意相隔两相绕组发生开路故障时，在不约束中性点电流为零的条件下，所述开路故障容错控制方法为：
调整B、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，id为调整后D相电流，ie为调整后E相电流；Tr为电机正常运行状态下的电磁转矩；ωm为电机转子机械角速度；E0为电机空载反电势基波幅值。
系数k1按
获取。
第六个方案：相隔两相开路，约束中性点电流为零。
以A、C相绕组开路为例说明任意相隔两相绕组发生开路故障时，在约束中性点电流为零的条件下，所述开路故障容错控制方法为：
调整B、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，id为调整后D相电流，ie为调整后E相电流；Tr为电机正常运行状态下的电磁转矩；ωm为电机转子机械角速度；E0为电机空载反电势基波幅值；
系数k1按
获取；
系数k2按
获取。
优选地，第一个方案、第三个方案和第五个方案可以采用五相全桥逆变器或五相六桥臂逆变器进行供电。
优选地，第二个方案、第四个方案和第六个方案可以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进行供电。
本发明的有益效果：本发明公开一种基于功率不变原则的五相永磁电机开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绕组开路故障及两相绕组开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
图1是五相半桥逆变器拓扑示意图；
图2是五相全桥逆变器拓扑示意图；
图3是五相六桥臂逆变器拓扑示意图；
图4是五相永磁同步电机的绕组空间示意图；
图5是采用本发明方法对A相绕组开路、在不约束中性点电流条件下由剩余的B、C、D、E相四相绕组通电保证电机输出平滑转矩的各相电流波形图；
图6是采用本发明方法对A相绕组开路、在约束中性点电流条件下由剩余的B、C、D、E相四相绕组通电保证电机输出平滑转矩的各相电流波形图；
图7是采用本发明方法对A、B相绕组开路、在不约束中性点电流条件下由剩余的C、D、E相三相绕组通电保证电机输出平滑转矩的各相电流波形图；
图8是采用本发明方法对A、B相绕组开路、在约束中性点电流件下由剩余的C、D、E相三相绕组通电保证电机输出平滑转矩的各相电流波形图；
图9是采用本发明方法对A、C相绕组开路、在不约束中性点电流条件下由剩余的B、D、E相三相绕组通电保证电机输出平滑转矩的各相电流波形图；
图10是采用本发明方法对A、C相绕组开路、在约束中性点电流条件下由剩余的B、D、E相三相绕组通电保证电机输出平滑转矩的各相电流波形图；
图11是采用本发明方法对A相绕组开路后由剩余的B、C、D、E四相绕组通电时电机输出转矩波形图；
图12是采用本发明方法对A、B相绕组开路后由剩余的C、D、E三相绕组通电时电机输出转矩波形图；
图13是采用本发明方法对A、C相绕组开路后由剩余的B、D、E三相绕组通电时电机输出转矩波形图。
具体实施方式
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。
本实施方式所述基于功率不变原则的五相永磁同步电机绕组开路故障容错控制方法，给出的是调整前后五相电机瞬时功率不变的情况。使用该方法可以用于约束中性点电流和不约束中性点电流的五相电机驱动系统。
所述基于功率不变原则的五相永磁电机开路故障容错控制方法，五相逆变器拓扑如图1、图2和图3所示，电机绕组空间示意图如图4所示。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、初相角为的五相对称正弦电流iA、iB、iC、iD和iE，，即：
电机各相空载反电势分别为EA、EB、EC、ED和EE，由于电机空载反电势谐波畸变率低，可以认为空载反电势中只含有基波成分，则电机瞬时电磁功率的表达式为：
式中：E0为空载反电势基波幅值，j为各相绕组编号，j＝0，1，2，3，4分别代表A，B，C，D，E相；Tr为电机正常运行状态下的电磁转矩；ωm为电机转子机械角速度。
出现开路故障分为任意一相开路故障、相邻两相开路故障、相隔两相开路故障三类情况。
每一类故障都分为两种情况，一种为不约束中性点电流为零，另一种为约束中性点电流为零，两种情况的容错控制方法不同，分别进行说明。
其中任意一相开路故障以A相开路为例进行说明，其它相开路的控制策略不变。
相邻两相开路故障以A、B相开路为例进行说明，其它任意相邻两相开路的控制策略不变。
相隔两相开路故障以A、C相开路为例进行说明，其它任意相隔两相开路的控制策略不变。
第一个实施例：A相开路，不约束中性点电流为零。
A相绕组开路的情况下，即ia＝0。令电机输出的瞬时电磁功率与故障前保持一致，则需满足：
式中：Tr为正常运行状态下电机输出的平均转矩。
若不约束中性点电流为零时，可以引入铜损耗最小为目标函数：
式中：P为目标函数，λ1为系数。
由拉格朗日乘数法可解得剩余相绕组电流的表达式为：
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；Tr为电机正常运行状态下的电磁转矩；ωm为电机转子机械角速度；E0为电机空载反电势基波幅值。
通过调整B、C、D、E相绕组的电流设定，以维持电机瞬时输出功率不变，来保证电机的平稳运行，并且容错运行时电机铜损最小。
第二个实施例：A相开路，约束中性点电流为零。
约束中性点电流为零时，可以引入铜损耗最小和中性点电流为零作为目标函数：
式中：P为目标函数，λ1和λ2为系数。解得剩余四相电枢绕组电流的表达式如下：
第三个实施例：A、B相开路，不约束中性点电流为零。
当A、B相绕组开路时，即ia＝ib＝0。为了维持故障前后电机输出瞬时输出功率不变，需要通过调整C、D、E相电流来保证电机的平稳运行。
若不约束中性点电流为零时，可以引入铜损耗最小为目标函数：
式中：P为目标函数，λ1为系数。
剩余三相电枢绕组电流的表达式如下：
式中：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；Tr为电机正常运行状态下的电磁转矩；ωm为电机转子机械角速度；E0为空载反电势基波幅值。
第四个实施例：A、B相开路，约束中性点电流为零。
若约束中性点电流为零时，可以引入铜损耗最小和中性点电流为零作为目标函数：
式中：P为目标函数，λ1和λ2为系数。
得到剩余三相电枢绕组电流表达式为：
第五个实施例：A、C相开路，不约束中性点电流为零。
当A、C相绕组开路时，即ia＝ic＝0。为了维持故障前后电机输出瞬时输出功率不变，需要通过调整B、D、E相电流来保证电机的平稳运行。
不约束中性点电流为零时，可以引入铜损耗最小为目标函数：
式中：P为目标函数，λ1和λ2为系数。
解得剩余相绕组电流表达式如下：
式中：ib为调整后B相电流，id为调整后D相电流，ie为调整后E相电流；Tr为电机正常运行状态下的电磁转矩；ωm为电机转子机械角速度；E0为空载反电势基波幅值。
第六个实施例：A、C相开路，约束中性点电流为零。若约束中性点电流为零时，可以引入铜损耗最小和中性点电流为零作为目标函数：
式中：P为目标函数，λ1和λ2为系数。
其它两相开路的情况参照以上方式。
一相绕组开路、相邻两相绕组开路和相隔两相绕组开路在不约束/约束中性点电流条件下由剩余相绕组通电保证电机输出平滑转矩的各相电流波形图分别如图5-10所示；一相绕组开路、相邻两相绕组开路和相隔两相绕组开路后剩余各相绕组通电时电机输出转矩波形图如图11-13所示。
基于功率不变原则下，当电机发生一相绕组开路后，若不约束中性点电流时，平均转矩为250.90N·m，可以维持正常工作状态下的转矩输出，转矩波动为3.63％；若约束中性点电流为零时，平均转矩为248.96N·m，输出转矩可以维持正常工作状态下的转矩输出，转矩波动为7.23％。
基于功率不变原则下，当电机发生相邻两相绕组开路后，若不约束中性点电流时，平均转矩为250.73N·m，可以维持正常工作状态下的转矩输出，转矩波动为5.75％；若约束中性点电流为零时，平均转矩为247.78N·m，输出转矩可以维持正常工作状态下的转矩输出，转矩波动为7.46％。
基于功率不变原则下，当电机发生相隔两相绕组开路后，若不约束中性点电流时，平均转矩为250.57N·m，可以维持正常工作状态下的转矩输出，转矩波动为7.53％；若约束中性点电流为零时，平均转矩为247.05N·m，输出转矩可以维持正常工作状态下的转矩输出，转矩波动为7.09％。
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。