一种五相永磁电机连续调制容错双随机低振噪控制方法

本发明涉及多相电机容错控制领域，涉及多相电机谐波抑制领域，还涉及电机低振噪控制领域。尤其涉及一种五相永磁同步电机在连续调制容错控制下，实现双随机svpwm低振噪的控制方法。

背景技术：

1、多相电机驱动系统相较于传统的三相电机，具有更大的功率输出、更小的转矩脉动、更高的母线电压利用率、更多的控制自由度、以及更优的容错性能等优点，因此在电动飞机、舰船推进、潜艇等领域具有良好的应用前景。

2、多相电机的容错性能提升了多相电机的可靠性，针对多相电机的容错控制策略层出不穷。故障前后磁动势不变的原则为多相电机容错控制提供了理论基础，该原则通过调整正常相电流的幅值和相位实现电机带故障容错运行。基于这一原则，国内外学者结合不同的容错控制目标，推导了容错电流的解析表达式，通过改变电流给定值和设计电流控制器，实现电机故障容错运行。但容错运行时，pi控制器有限的带宽限制了容错运行性能的提升。针对这一问题，一种适用于容错运行的双向pi控制器被提出，改变谐波空间电流给定值可分别实现铜耗最小、容错电流幅值相等、转矩脉动最小等多种控制目标。双向pi控制器能有效跟随容错运行时交变的电流给定，因而能明显提升电机容错运行性能。上述研究的重点是通过对容错电流的有效控制提高运行性能，但未能分析容错运行时的矢量分布特点，因而未解决扇区分配难的问题，导致不能结合低振噪调制策略抑制高频振噪。

3、为解决扇区分配难的问题，提出了一种非正交降阶解耦矩阵，建立了故障电机的数学模型，分析了容错运行下基本矢量分布，构建了容错开关表，利用直接转矩控制方法实现电机带故障容错运行。然而，该方法每个控制周期仅有单个基本矢量作用到逆变器，可调制的范围局限于有限离散点，导致电机容错运行性能较差。有学者将占空比调制的方法与模型预测容错控制相结合，该方案为零矢量分配一定的作用时间，实现对有效矢量幅值的优化，从而扩大调制范围以改善电机运行性能。然而，由于未能有效利用基本矢量，此时的调制范围虽有所扩大但依然不连续。上述方法分析了电机容错运行时的矢量分布，但忽略了多相电机矢量多的优点，因而未能提出有效的多矢量容错控制策略，导致相电流基波两侧边带谐波分量丰富，容易激发低频径向力。

4、电机一般由采用脉宽调制技术的电压源型逆变器驱动，功率管的开通和关断会在开关频率及其整数倍处产生集中的高频谐波，引起高频振噪。国内外学者针对这一问题开展了大量研究工作，主要从调制策略出发抑制集中的高频谐波。随机pwm技术是现阶段研究较多的一种用于抑制高频谐波的控制策略，该方法无需改变硬件拓扑结构，具有很大的研究价值和广阔的应用前景。目前，常用的随机调制策略主要包括随机零矢量svpwm和随机开关频率svpwm。相比之下，随机开关频率svpwm具有更好的谐波分散效果，但该方法的采样频率会随开关频率随机变化，而控制器参数不能随之改变，从而影响电机运行性能。然而，现有低振噪调制策略不适应于容错运行，这是因为容错矢量分布不规则、扇区分配困难，导致未能建立低振噪调制策略和容错控制的协同工作模式。

技术实现思路

1、本发明将容错虚拟电压矢量代替传统的单个基本矢量，利用相邻两组容错矢量能合成当前时刻的任意参考电压，实现了连续调制的容错控制策略，不仅显著改善了容错运行性能，而且有效抑制了基波两侧的边带谐波。结合随机零矢量—变延时svpwm，在不影响矢量控制运行性能的情况下，将开关频率及其整数倍处的谐波分散到指定频域内，显著降低相电流的高频谐波幅值，实现容错后的低振噪控制。

2、为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

3、五相永磁电机连续调制容错双随机低振噪控制方法，包括以下几个步骤：

4、步骤1：建立降阶解耦矩阵，利用构建的降阶解耦矩阵，建立五相永磁电机单相绕组开路后的数学模型；

5、步骤2：建立故障后的基本电压矢量分布，合成使得谐波空间分量为零的多个基本容错虚拟电压矢量；

6、步骤3：将基本容错虚拟电压矢量进行合成，得到可以生成标准pwm波形的矢量集合；

7、步骤4：将可生成标准pwm波形的矢量进行相邻矢量合成，使得容错矢量集合在空间上均匀分布；

8、步骤5：利用零矢量减小部分矢量的幅值，使得矢量集合在幅值上相同；

9、步骤6：将容错虚拟电压矢量控制集代替传统的单矢量控制集，按照虚拟电压矢量控制集的空间分布，进行扇区判断；

10、步骤7：采用相邻两矢量对参考电压矢量进行合成，计算出矢量作用时间，得到各相占空比；

11、步骤8：在矢量控制的基础上，将一个开关周期内的两个零矢量作用时间随机分配，从而在一定程度上分散集中的开关动作带来的高频pwm谐波；

12、步骤9：采用变延时svpwm，使得开关周期ts随机变化，构成随机零矢量—变延时svpwm算法，将开关频率及其整数倍处的谐波分散到指定的频域内，大幅降低高频谐波幅值。

13、进一步，所述降阶解耦矩阵，使得故障电机的基波空间的电机数学模型与正常电机的一致，降阶解耦矩阵构造如下：

14、

15、式中，δ＝2π/5；

16、五相永磁电机单相绕组开路后的数学模型构造如下：

17、

18、其中，ud和uq分别为dq轴电压，uy为y轴电压；id和iq为dq轴电流，iy为y轴电流；rs为绕组电阻；ld和lq分别为dq轴电感；lls为谐波平面漏感；ψf表示永磁体磁链。

19、进一步，步骤2的具体过程为：采用基本容错虚拟电压矢量预合成的办法，根据基波平面以及谐波平面电压矢量的对应分布情况，利用某些电压矢量在基波平面方向类似，在谐波平面方向相反，从而合成得到谐波平面为零的容错虚拟电压矢量。

20、进一步，步骤3的具体过程为：由于谐波平面为零的基本容错虚拟电压矢量在进行合成参考电压矢量时，无法生成标准的pwm波形，在控制上产生难度，利用基本容错虚拟电压矢量合成过渡矢量，使得在合成参考电压矢量时，能够输出标准的pwm波形。

21、进一步，步骤4的具体过程为：将可生成标准pwm波形的矢量进行相邻矢量合成，使得容错虚拟矢量集合在空间上均匀分布：由于可生成标准pwm波形的矢量集合在空间分布上不规则，矢量集合虽然呈现出左右对称分布的形式，但是矢量的相角相差较大。因此在相邻电压矢量之间角度区域过大的位置，构建新的容错虚拟电压矢量，使得电压空间矢量的分布尽可能均匀。

22、进一步，步骤5的具体过程为：利用零矢量减小部分矢量的幅值，将零矢量与需要减小幅值的空间电压矢量按照一定的比例进行合成，使矢量集合中的所有矢量的幅值相同。

23、进一步，步骤6的具体过程为：按照得到的容错电压矢量控制集的幅角分布，进行扇区判断，将整个基波空间按照空间电压矢量的分布分为14个扇区，按照静止坐标系下的参考电流角度，进行扇区选择，为选取作用矢量提供前提。

24、θref＝atan2(uα,uβ)

25、其中，θref为参考电压矢量的角度，atan2为反正切函数，uα、uβ分别为αβ轴参考电压。

26、进一步，步骤7的具体过程为：将容错虚拟电压矢量代替传统的单个电压空间矢量，利用伏秒平衡原则计算出各容错虚拟矢量作用时间，合成参考电压矢量，利用相邻两个容错虚拟电压矢量和零矢量能合成当前时刻的任意参考电压，实现了连续调制的容错控制策略。

27、进一步，步骤8的具体过程为：采用随机零矢量svpwm，将一个开关周期内两个零矢量作用时间随机分配，随机化开关动作，降低一部分高频pwm谐波，随机零矢量svpwm的原理如下：随机零矢量svpwm通过引入随机变量，随机分配一个开关周期内两个零矢量的作用时间，在不影响合成期望电压矢量的同时，扩展谐波频带，降低谐波尖峰，两个零矢量作用时间表达式为：

28、

29、其中t00、t15分别表示两个零矢量的作用时间，t0表示零矢量作用的总时间，r为范围[0，1]均匀分布的随机数。

30、进一步，步骤9的具体过程为：采用变延时svpwm，使得开关周期ts随机变化；同时，将一个开关周期内两个零矢量作用时间随机分配，构成随机零矢量—变延时svpwm算法，将开关频率及其整数倍处的谐波分散到指定的频域内，大幅降低谐波幅值，变延时svpwm的原理如下：

31、变延时svpwm随机改变开关频率的同时保持采样频率不变，并保证开关频率的平均值等于采样频率；这样不仅保留了随机开关频率svpwm谐波抑制效果明显的优点，且不会影响控制性能；变延时svpwm在每个采样周期计算出下一个开关周期的延时时间δt，则第n个开关周期的表达式为：

32、ts(n)＝tsamp+δtn-δtn-1

33、δt＝rvtdtsamp

34、式中，ts(n)表示生成的n个开关周期，δtn和δtn-1表示第n以及n-1个开关周期的延时时间；tsamp为采样周期；rvtd为[0,1]均匀分布的随机数；随机零矢量—变延时svpwm可将开关频率及其整数倍处的高频谐波分散到指定频域内。

35、本发明的有益效果是：

36、1、本发明构建多个基本矢量构成的容错虚拟电压矢量，不仅无需对谐波空间分量施加控制，而且解决了容错运行扇区分配的难题；结合容错多矢量控制集，可提出连续调制的容错控制策略，保证容错运行性能的同时能够抑制边带谐波。

37、2、本发明使用采样频率不变的随机零矢量—变延时svpwm，克服了传统随机开关频率svpwm采样频率也随机变化导致的调节器参数不适配的缺点，提高了系统的稳定性。

38、3、本发明构建了容错控制和低振噪调制的协同工作模式。