具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

如图1所示，一种多相电机故障的空间矢量脉宽调制方法，包括如下步骤：

S1、当多相电机出现一相断相故障时，建立断相后的电机模型，根据磁动势守恒和最大输出转矩为条件建立新型空间电压矢量向量图；

S11、建立六相电机正常运行时的电流；

当六相电机发生单相故障，本实施例以E相故障为例。如图2所示，为对称六相PMSM定子绕组结构图。为满足断相前后电机运行状态不变，则需保证电机合成磁动势不变的原则，六相PMSM的合成磁动势可以表示为：

式中，是电角度，N是每相绕组的匝数。以B相为例，绕组函数为六相电机正常运行时的绕组电流为：

S12、以各相电流的最大幅值作为目标函数，得到修正后的剩余五相电流；

将各相电流的最大幅值作为目标函数：

电流的优化目标是使f₁最大，常规的解析法很难对其求解，可以利用MATLAB最优工具箱提供极小值计算函数fmincon来进行求解。根据断路前后合成磁势不变原则，可得：

根据三角函数公式，可将剩余相电流表示为：

式中，a_X和b_X表示的是剩余五相电流在α轴和β轴上的投影量。以三角函数的形式对剩余五相电流进行代入，并将正弦项和余弦项分离可得：

除了式(6)外，考虑到六相电机绕组采用共中性点，因此各相电流还需满足如下约束条件：

可将f₁作为目标函数，以上式为约束条件，当E相断相时，可求解出剩余五相电流的表达式：

式中：I_m为电机正常运行时的相电流幅值。

S13、根据修正后的电流相位和幅值得到所述多相电机出现一相断相故障后的空间向量图。

根据得到的修正后的电流相位和幅值可以得到故障后空间向量图，图3所示为故障前后的空间向量图。S_X(x＝A,D,B,C,F)为逆变器某一桥臂的开关状态，当S_X＝1时，表明上管导通，下管关断；当S_X＝0时，表明上管关断，下管导通。由于E相的开路，S_E和被舍弃，六相逆变器变成了五相逆变器。在此系统中，如图4所示，有两种基本的等效电路图4(a)和4(b)。 4(a)是将两个桥臂上管打开，三个桥臂下管打开或以相反的方式三个桥臂的上管打开，两个桥臂的下管打开。4(b)是将一个桥臂的上管打开，四个桥臂的下管打开或以同理的相反的方式打开。对于五相逆变器而言，有2⁵＝32种不同的开关状态，将每一种开关状态采用二进制格式表示，例如：开关状态V21(10101)代表着A、B、F三个桥臂的上管导通，D、C两个桥臂的下管导通，其等效电路图属于4(a)情况中的一种。这32种开关状态对应的电压矢量V_s的值可以推导为：

分别将32种开关状态代入式(9)可以得到如表1所示，各电压矢量的值。将电压矢量幅值和相位画在矢量图上可以得到如图5所示的空间电压矢量向量图。

表1：各基本电压电压矢量幅值数据表；

S2、根据电压矢量大同时共模电压小选择所述空间电压矢量向量图中的十个电压矢量作为基本电压矢量；

基本电压矢量选择和扇区划分如图6所示，所选择的十个基本电压矢量的基本等效电路图均属于4(a)型里的两种情况，即三个桥臂上管导通或为两个桥臂上管导通，当为三个桥臂上管导通时，共模电压U_NO可由式(10)第一行求得，当为两个桥臂上管导通时，共模电压U_NO可由式(10)第二行求得：

其中，N为电机中性点，O为直流母线中点，故十个基本电压矢量的共模电压U_NO为

S3、判断参考电压矢量所在扇区，根据每次动作最少开关管为优化目标确定各基本电压矢量作用顺序并计算基本电压矢量作用时间。

根据参考电压矢量V_ref的极坐标角度值判断V_ref所在的扇区，例如当时，即为第一扇区。当参考电压矢量V_ref位于第K扇区时，选择与其相邻的两个基本电压矢量和零矢量来合成参考矢量。并以降低器件损耗为目标，在每个扇区内选择合适的开关顺序进行目标矢量的合成。以第一扇区为例，基本电压矢量的顺序为： V31(11111)-V25(11001)-V24(11000)-V0(00000)-V24(1100 0)-V25(11001)-V31(11111)。每个扇区的空间矢量选择顺序如图7所示。当V_ref处于第一扇区时，基本电压矢量选择与其相邻的两个非零电压矢量，即V25和V24.假设矢量V25和V24作用时间为T₁和T₂，系统采样时间为 T_S，合成参考电压矢量V_ref的具体作用时间如图8所示。根据平衡等效原则可以得到下式：

V_refT_s＝V₂₅T₁+V₂₄T₂+T₀(V₃₁或V₀) (11)

T₁+T₂+T₀＝T_S (12)

根据三角形正弦定理，可以得到：

要合成所需要的参考电压空间矢量，需要计算各矢量作用时间T₁、T₂、T₀。将式(11)(12) 代入(13)可以得到各矢量作用时间：

当V_ref位于其他扇区时，各矢量作用时间如表2。

表2：各扇区里相应基本电压矢量作用时间数据表；

通过查询表1可知：V₂₅＝0.6045·U_dc，V₂₄＝0.5591·U_dc。将其代入式(14)得到：

为了进一步说明本申请的适用于多相电机故障的空间矢量脉宽调制方法，本实施例采通过如下方式进行验证：

本实施例的六相永磁同步电机参数：每相绕组电阻R＝1.4Ω，极对数P＝3，d轴电感 L_d＝4.85mH，q轴电感L_q＝4.85mH，转动惯量J＝15e^-3kg/m²。仿真中，对称六相PMSM故障运行时转速分别为500rpm和1000rpm，负载转矩分别为10N·M和20N·M两种情况下运行。

图9所示为一种适用于多相电机故障的空间矢量脉宽调制方法的仿真模型框图，其中包括参考电压矢量V_ref作为输入后的扇区判断模块、矢量作用时间计算模块、基本电压矢量选择模块、载波比较发波模块。

图10是系统在稳态运行下的调制波波形，其中B相和C相对称，D相和F相对称，故图中以A、D、B三路波形为例。根据图片可以看出，每一相均近似为马鞍波，验证了本发明所述的设计方法的可行性与有效性，同时说明了本发明较传统SVPWM一样能够提高电压利用率。

图11是系统在容错运行状态下的启动转速波形图，转速最先设定为500rpm，并在0.25s 时设定为1000rpm。根据仿真波形可以看出系统在启动过程中经过0.016s达到稳态500rpm，超调量最大为6rpm，且稳态后系统波动在1rpm以内图12所示为此部分局部放大图。当在 0.25s时给定转速设定为1000rpm，系统动态响应同为0.016s，并在此后达到稳态1000rpm。说明了本发明所述的设计方法在系统容错运行时具有很小的超调量且极快的响应速度。

图13所示为恒定速度下负载突变时电机转速波形图，图13所示为恒定速度下负载突变时电机转速波形图。电机处于恒定速度1000rpm，负载转矩为10N·M稳定运行时，在0.2s加到20N·M，在0.4s又减为10N·M的负载转矩。图13可以看出在加载时，系统响应时间为 0.005s。图14可以看出在加载时，转矩突升为25N·M，并在0.005s后稳定为20N·M，转矩相应快速。说明了本发明所述的空间矢量脉宽调制方法具有良好的鲁棒性，且在保证转矩的同时，能够大幅减小由定子绕组开路故障引起的转矩脉动。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。