喏名L乃农别名阄2018,45 (6)新能源汽车技术I EMCA 基于非对称SVPWM的电动汽车五相永磁
无刷电机容错控制#
刘润泽\王宪磊2，邹梦丽2
(1.塔里木大学机械电气化工程学院，新疆阿拉尔843300;
2.新疆维吾尔自治区普通高等学校现代农业工程重点实验室，新疆阿拉尔843300)
的电压矢量关系了分析，对空间矢量调制，一扇区中选择构成不对称波形的开
作为输出。该非对称空间矢量调制非故障相的电波和脉动。基于开了研究，了新型容错控制系统故障期间的脉动，的动。
关键词！永磁无刷电机"空间矢量脉宽调制"不对称开关信号；故障容错控制
中图分类号：T M351 文献标志码：A文章编号：1673-6540(2018)06-0095-07
F a u l t-T o l e r a n t C o n t r o l o f F i v e-P h a s e P e r m a n e n t M a g n e t B r u s h l e s s M o t o r
B a s e d o n A s y m m e t r i c S V P W M f o r E l e c t r i c V e h i c l e#
LIURun z e1，WANGXianlei2，ZOUMengli2
(1. College of Mechanic and Electrical Engineering，Tarim U niversity，Alar 843300，China;
2.The Key Laboratory of Colleges&Universities Under the Department of Education of
Alar843300，China)
Abstract:A im in g a t the single-phase open c irc u it fa u lt o f five-phase perm anent m agnet brushless m otor fo r
e le ctric v e h ic le，a
f a u lt-to le ra n t control strategy based on asym m etric space vector pulse w id th m o dulatio n control
strategy was proposed. The design o f a n e w ty p e o f fa u lt tole rant con trol was d ivid e d in to t perm anent m agnet brushless m otor d rive system fo r open c irc u it voltage vector re la tio n sh ip u n der fa u lt was a n a lyze d，
and then the space vector m o dulatio n a lgo rithm was im p ro v e d，w h ich in a sector sw itch state o f asym m etric w as output. The asym m etric space pulse w id th vector m o dulatio n cou ld reduce the cu rre n t total harm onic d and torque rip p le o f norm al phases.Based on the experim ental p la tfo rm，the experim ental results showed t fa u lt-to le ra n t adjustable achieved lo w to rq u e rip p le d u rin g system fa ilu re and ke p t good dyn am ic perform ance.
Key words：permanent-magnet brushless motor;space vector pulse width modulation;asymmetrical switching signals;fault-tolerant control
*+驱动系统的功率密度和效率，永磁无刷电机得到
了研究(1_2)。永磁无刷电机 分为三近年来，为了提高电动汽车或混合动力汽车 相电机[34]和多相电机[54]，者 的如
#基金项目：塔里木大学校长基金青年创新资金项目（TDZK&NZD201503 $
作者简介：刘润泽（1972—），男，硕士，研究方向为电气传动系统及其自动化。
王宪磊（1983—），男，硕士，研究方向为电力系统及其自动化。
邹梦丽（1985—$，女，硕士，研究方向为电力电子和电力传动。
一 95 —
新能源汽车技术I EMCA
違权控刹名阄2018,45 (6)
_2〇0
60
120
180 240
300
360
电角度/(°)
图2五相永磁无刷电机反电动势波形
2
基于非对称S V P [M 的故障容错
控制
2. 1
电压矢量关系变化
五相电机在正 作状态下，输入相电流为
又s 5"6C 0S (!) +/#s i n (!)
ib s = c o s ( ! - 2!/5) + I ## s i n ( ! - 2!/5)<
5 " c o s (! - 4!/5) + I ## sS n (! - 4!/5)
^d S = "6
c 〇s (! + 4^/5) + I ## si n (! + 4^/5).
ie s =
I
c o s (! + 2!/5) + I ## si n (! + 2!/5)
⑴
式中：i 、l b s *c < * d s
*e e
勺
电流；
I 、
I
—
d 、g 轴电流参考；
!----电流相角。
电机发生单相开路故障时，为了确保系统继 ，应提供等.
，
则输入相电流变化为(13)
d/s 5 〇
d s = 1.382[I :c o s (!-!/5) +I #s i n (! — !/5)]
<i cs= 1.382[I :c o s (!-4!/5) +I :s i n (!-4!/5)]
d s = 1.382[I :c o s (! + 4!/5) +I #s i n (! + 4!/5)]
、i es= 1.382[I :c o s (! + !/5) +I :s i n (! + !/5)]
( 2)
宽被设计成不相等；为了提高机械固性，米用了燕
尾槽设计。图2所示为空载时的电机反电动势波 形，反电动势的总谐波失真为3.69%，性能较好。
图1
(b
)
样机图片
五相永磁无刷电机
:(1) 容错能力；（2) ;(3) 脉
动 ；（4) 。故多相永磁无刷电
机
的
用
。
相电机 相电机的一
故 障 容 错 力 。 电 机设 计 ，
用容错齿和集中
容错能
力[7^]。 一方面，
设计
的容错控制策
略，
相电机驱动系统的故障容错
。
电机驱动系统
故障类型中，电机
L 或
的开路故障
为
的[9]。对于
三相电机的开路故障， 相电动机驱动系统
和双电机驱动系统的开路故障容错控制方案得
了
的研究[1°_11]。五相电机相对于传统三
相电机更容
容错
，
非
故障相 ， 需要额外增加硬件[12-14]。文献[12-14 ]分别介绍了多相感应电 机和多相永磁电机的开路容错 。文献[15]用了
的电流控制策略确保了多相电机中
一相或两相开路故障后的安全 。文献[12-17]提出了一种永磁无刷电机驱动系统的容错 佳
控制策略，
纹波，同时
大限度地减少电压和电流约束下的铜损。上 述容错控制方案中均采用电流滞环控制 ；现，而空间矢量脉宽调制（Space Vector Pulss
Width Modulation ，SVPWM )在多相电机驱动系统
中已经 使用， 的总谐波失
真[18_19]，但鲜有文献将SVPW M 应用到容错运 控制。
在上述文献研究基础上，本文针对五相永磁无 刷电机的单相开路故障容错 控制，提出了一种 非对称SVPW M 控制策略。新方案较之传统
SVPWM 控制
减少开关损耗并提高驱动系统
，新方案计算简单，易于施，能获取故障运 时较小的转矩脉动。 ，基于样机
开
了相 了验证。
1
五相永磁无刷电机由于五相永磁无刷电机
额外的自由度，
因此提供了 的容错能力，甚至
缺两
相后继 。五相永磁无刷电机结构示意图如
图1所示。从图1中
看出，容错齿和集中绕
的设计
了容错能力。为了扩大槽面积，齿
—
96 —
A /
珑
捉
邊机控剎名用2018,45 (6)新能源汽车技术I EMCA
对比式（1)和式（2)，开路故障后非故障相的 电流幅值增大至原幅值的1.382倍，同时，电压矢量 系也产生了变化，如图3所示。从图3中看 出，A相开路故障后电压矢量消失，而B、E相电压 矢量偏移！\，C、D相电压矢量 。
2. 2开关矢量定义
五相永磁无刷电机及其驱动变频器如图4所 示。从图4中看出，五 了 10开 件，需要10 脉冲控制信号。5上开关的 脉冲控制 为>a、>b、><、>d、>9，+ 开关的 脉冲控制 为>>、>K、><、>]、>]，其中用“1”示上开 、下开 ，“0”示下开 、上开 。图5所示为五相电机中发生A相开路故障时，由不同开关模式产 生的 同的等效负载电路。，开 式为“1000”时，等 载电路如图5 #a)所示；当开
式为“1100”时，等 载电路如图5(b)示。
电压的利用，开关矢量函数如下"
# 5 |#d c(>bep/5 +>ceP!/5 +>A9:4!/5 +>e eTp/5)
⑶式中"#d<—直流电压。
图5两组等效负载配置
基于式(3)，可列出包括零开关矢量！。(0000) 和！5(1111)在内的15个开关矢量及其对应输出 电1所示。图6所示为在"S坐标系中的开关矢量图。从图6和 1中看到，开矢量
!
(0101)和！。（1010)的输出为0，等效负载配置 图5(b)所示，在这种 ，从B相到E相的电流不为零。故！和！。都不是真正的零开关矢量，开关矢量的选择中 使用。
0轴丨扇区2
C扇区3 I U S,
u^\unl()Q y m m
扇 E4 0100 X l X11^11001
扇区5u7
舰6丨扇区T1
LJU U.LQ Q1
0001
图6 轴下的非零矢量图
表1开路故障下的开关矢量表
开矢量开W c>d出
!000000
!00010.4#dc
!00100.4#dc
!001105702#d c
!4010005#dc
!01010
!01100547 2#如
!011105#dc
!8100005#dc
!10010547 2#d c
!
1010100
!1101105#dc
!2110005702#如
!13110105#dc
!4111005#dc
!1511110
2. 3开关矢量选择
开关矢量的选择基于"3参考坐标系 。
图7所示，参考电压矢量！^沿"轴和yS轴分
为！"和！#。2出了基于！"和！#分量的扇区划分，确扇区后需要对合成开关矢量‘化选择。，图6所示，在扇区1中，存在
!(1000)、！（1001)和！3(1101)3 个开关矢量，同时选择这3个矢量并 矢量后，可
一 97 —
新能源汽车技术I EMCA
違权控刹名阄2018,45 (6)
优化开关矢量序列！5(1111) $ !3( 1101) $ !9( 1001) $ !8( 1000) $!◦(0000)& 从优化开列 看出，零开关矢量在扇区1的开始和束
同的，将 非对称PWM 。同
时，开矢量的
化
1个
开
‘
化，这将 减少 开关损耗。图8给
出了 8个扇区中优化开关矢量序列。从图8中可 看出，对于奇数扇区，优化开关矢量从 !+(1111)开始，而偶数扇区则从！0 (0000)开始。
2. 4开关矢量作用时间计算
图9所示为扇区1中参考电压矢量的合成示
意，即参考电压矢量由！8(1000)、！-(1001)和
!3( 1101) 3个开关矢量合成，设3个开关矢量的
时间分别为?1、？和？。 图9中的实线三
角形，！8、！9、！3和！9之间的关系为
!r e f _ ?1 !13 7 ?3 !8_
?2 !9； h
sin 4!/5 sin !
sin (!/5 ： !)
(4)
图7 轴下的参考电压矢量选择其中，@为P [M 的周期，开关矢量！8和！13的幅
值相等，均为0=#<。
表
2
扇区选择表
判定条件1判定条件2
判定条件3
扇区选择
0<!#/!"<0.726 5
扇区 1/!a >0.726 5
扇区 2-0.726 5<!#/!a <0
扇区 8!#/!"<-0.726 5
扇区 7-0.726 5<!#/!"<0
扇区 4!#/!"<-0.726 5
扇区 30<!#/!"<0.726 5
扇区 5!#/!">0.726 5
扇区 6
1111 1101 1001 1000 0000
b\ \ ___；
I
|
M
为了简化计算，可以采用以下条件"?_?3_@1@/2， ?2 _ @2 @s
(5)
从而式(4) 为
@0=#< @20=47 2#<
(6)
sin 4!/5
sin !
sin (!/5 ： !)
当参考电压矢量在"#坐标系中进行分解时， 定义A 和A 为
U
# _ !re fsin !
J # (7)
A 1 _ !"S in !/5 - U
#co stt /5
.A 2 _ !"S in !/5 + U #co stt /5
进而可以计算出开关矢量的作用时间为U# >0
U ">0
U# <0
U#»
U "<0
U#«
11110111_
0110 0010 0000
• •
•
1
j
1 1i _1
1
1 1
1
1 •
(a )扇区1
(b )扇区2
0000
1000 1100
1101
1111
0000
0010 0011 0111
0000
(c )扇区3 (d )扇区4
1111 1110 1100 0100 0000 1111 1011 0011 0001 0000
hi ： ： I I h \ ： I ： ! i
{@1 _ 2.5U/(#csi n4!/5)
1@2 _ 1.545 1A 1 /( #d c sin 4!/5)
可以计算出参考电压矢量位于扇区1时，即
如图10所示，1 PWM 的占空比 "
@0 _ 1 - @1 - @2
Duty 一9 _ 1 - @0/2
< Duty_c _ ( @1 + @2)/2 (9)
(e )扇区5
⑴扇区6
0000 0100 0110 1110 1111 0000 0001 1001 1011 1111
(g )扇区7
(h；!扇
图8 8个扇区的矢量序列图
Duty 一8 _ @0/2
、Duty_e _ @2 + (@ + @0)/2
式中：Duty _9、Duty_c 、Duty _8、Duty_e ---非故障相桥
的实施占空比。
一 98 —
图10扇区1中1个P [M 周期的占空比
汽车电机
3 示给出了 8个扇区的开关矢量作用时
间。图11出了最大输出电压#m a x 的示意，具体
"腿= 0.38#dc 〇
表
3
不同扇区开关矢量作用时间
扇区
1 !#@s /0.4#dcS in ( !/5)
A @/0.647 2#dcsin( !/5)
2 !a@/0.4#dcS in (3!/10) -A T ；/0.470 2#dcs in (3!/10)
3 -!a 7y 0.4#dcS in (3!/10) A2@/0.470 2#dcs in (3!/10)
4 !#@s /0.4#dcS i n (!/5) -A 2@/0.647 2#dcs in (!/5)
5 -!#T ；/0.4#dcS i n (!/5)
-A T ；/0.647 2#dcs in (!/5)
6 -!a 7y 0.4#dcS in (3!/10) A@s /0.470 2#dcs in (3!/10)7
!a@/0.4#dcS in (3!/10) -A 2@/0.470 2#dcs in (3!/10)
图11非对称S V P W M 控制策略的最大输出电压
2.5
非对称
SVPWM 策略的局限性
一步分析当A 相和B 相同时发生开路故
障后，
的参考电流为
•i
C f ,5 2.236/cos ( - 2!/5)
《4= 3.618/cos ($? + 4!/5) (10)
■I : 2.236/cos ($)
如果是D 相和E 相同时发生开路故障后，剩 余的参考电流为
■4= 1.382/cos ($)
< 4 = 2.236/cos ( $? - 3!/5) (11)
.4= 2.236/cos ($? + 3!/5)
空间矢量图中将只剩下8个矢量。由于这些 电压矢量的幅度和方向
则的，
用
电压矢量构建参考矢量。因此，所提出的非
对称SVPWM 控制策略不适用于两相开路故障情
。
新型SVPWM 控制方案的局限性。
3
仿真和试验验证
基于非对称SVPW M 的五相永磁无刷电机容
错控制框图如图12 示。从图12中 看出，
控制器中 了
SVPW M 控制
，
一
：
SVPW M 模块，另一个是非对称SVPW M 控
制
。两者的输出接入到一 路选择开关，
使得正 和单相开路故障 分别
对 SVPWM 策略和非对称SVPWM 策略。
图12五相永磁无刷电机容错控制框图
五相永磁无刷电机的数学模型中，定子电压 方程为[16]
A =$" 7 d %s /d ?
(12)
其中：
%s = ks
" 7
式中"$s 、"、％s —
定子电阻、定子电流和磁链
k s —
定子电感 ，包含定子自感和互
感；
永磁磁 。
A e
A m 定义如下：
'
sin ⑷
'
s i n ( ! - 2 !/5)
A m = &m S i n ( ! - 4!/5)
(13)
s i n ( ! 7 4 !/5)_sin ( ! 7 2!/5) _
为了验证新型非对称SVPWM 控制策略的有 效性， 基于 MATLAB/Simulink 真了仿真研究。仿真模型基于图12 示电机驱动 系统
，控制
为300 r/m in ，负载
为
5 'm ，电机永磁磁链为0.041 W b ，对数为11， 定子电阻1.065 "，定子电感为1.721 mH 。
省机滅刹名闱2018,45 (6)
新能源汽车技术I EMCA
变
频器
一 99 一
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