本文是一篇电气自动化论文，本文针对五相永磁同步电机正常运行的状态，分析五相电压型逆变器拓扑下32个空间电压矢量分布规律，为了使谐波损耗较小，采用相邻四矢量脉宽调制方法，进而实现矢量控制，利用Matlab/simulink搭建仿真模型，进行结果分析。
1绪论
1.1研究背景和意义
近年来，科技变化日新月异，社会进程不断向前，机械自动化在各行各业中拥有越来越高的使用频率，广大学者对机械自动化中的电机驱动系统模块的研宄也越来越广泛且深刻[1]。电机制造和应用作为我国传统动力行业，经过长久的发展以及改善，与现代国防生产水平密切相关，成为关系国民生活质量的核心与基础，对提升国民经济有重要意义[2]。电机种类多种多样，早期直流电机因为拥有起动和调速性能好、不易于受到电磁干扰影响、易于调节控制等优点，被广泛应用于生产生活中，但是随着科学技术不断进步，并且直流电机的缺点也越来越明显，例如：造价贵、不易于维修、结构较为复杂、电刷和机械换向器易发生故障、可靠性较低等，由此出现了对生产生活更为便利的交流电机[3,4]。交流电机与直流电机相比有许多优势，例如：节能、结构组成简单、容易进行维护修缮，依据此些优势，使得交流电机已经广泛运用于生产、生活等各方各面中[5]。
随着生产与生活水平的不断进步与发展，能源匮乏成为全世界普遍关注的问题，不可再生能源将面临迅速枯竭的危险。随着我国经济持续不断的快速增长，能源压力对我国想要继续不断发展所产生的影响将会愈发重大[6]。资料表明：中国已经在2010年成为世界上最大的能源消费国[7]。永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor,PMSM)建立激磁磁场时充分利用了磁材料，并且省去了电励磁，更为节能[8]；并且上世纪九十年代以来，我国永磁材料的产量和性价比不断提高，永磁材料产业得到巨大发展；进入二十一世纪，永磁体生产中心由发达国家向我国转移，我国已逐步成为永磁材料生产大国，发展永磁电机成为我国的必然趋势[9]。永磁同步电机出现在二十世纪五十年代，它具有更为简单的结构，体积小，没有电刷、换向器等装置，没有无功励磁电流，而且具有高可靠性、高效率等诸多长处[10]。目前，永磁电机在低至几毫瓦的小型家庭玩具到高达千瓦级的大规模船舰电力推进系统中都得到了广泛应用。现代控制理论的快速向前以及电力电子技术的飞速发展，例如矢量控制、直接转矩控制理论的不断创新与进步，使永磁同步电机实现了许多高性能控制。综上可知：正是由于电机材料以及相关技术的不断创新和发展，进而有效推动了永磁电机驱动控制系统的发展进程，从而对其展开大量的学术研究，并且对永磁电机的工程运用也起了非常积极的作用与影响[11]。
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1.2国内外研究现状
1.2.1多相电机及其控制策略研究现状
在实际工程应用中，电机设备问题与人民安全性问题密切相关，由此对电机本体设计以及电机驱动控制系统的研究也越来越受到国内外学者的广泛关注。在二十世纪中末期，White.D.C等学者对机电能量转换理论进行分析与研究，其著作中所研究的交流电机相数拓展为任意自然数，对后续多相电机的相关发展起了奠基的重要作用[26]。多相电机的概念在上世纪六十年代末期首次被提出，英国南安普顿大学Ward.E.E等学者对五相感应电机进行探究，得出此种控制系统下转矩脉动得到有效的降低，并且推断出由于电机相数的增加，电机控制系统出现转矩脉动频率增大、幅值降低的情况[27]。此后，对多相电机的研究也愈加遍及。文献[28]针对具有30相带角的六相感应电机为研究对象，结果分析可知转矩脉动中的六次谐波成分被消弭，但是定子电流谐波幅值确出现了增加的情况，并且发现对于电机是由多套三相绕组所组成的结构类型，电机运行性能会由于每套三相绕组之间相差角度的不同所产生不同程度的变化；然后文献[29]也以六相感应电机为研究对象，并且与三相电机进行比较，为了改善气隙磁动势波形，发现双Y移30的六相电机可以消除大量谐波成分，性能比三相电机更为优越。文献[30]以六相对称永磁同步电机为研究对象，对其电磁转矩和磁链等性能进行仿真分析，可以得出转矩脉动较小的优点。文献[31]提出冗余的概念，提出相位冗余的情况可以提高电机运行的可靠性，并且绕组相数越多，电机可靠性也会进一步的增加，缺相励磁性能也会越好。文献[32]利用矢量空间分解的概念，对多相感应电机数学模型进行了推导，并且提出多维电流调节的概念，对后续的系统控制提供了理论支撑。文献[33]对由三套五相绕组构成的十五相绕组结构的永磁同步电机进行研究，以五相永磁同步电机为基础建立其数学模型，并对其进行仿真以及实验双重分析，验证其性能的优越。文献[34]针对双转子五相永磁同步电机进行研究，发现此种结构下的电机转矩和功率密度都呈现出较为明显的提高，并且也会使电机运行的可靠性增加。文献[35]在详细推导五相永磁同步电机数学模型的理论基础下，提出了多目标优化控制模型，实现了电机系统的高品质运行。文献[36]对五相永磁同步电机与三相永磁同步电机进行对比分析，得到相数增加的五相电机的性能更为优越的结果。以上文献对多相电机的组成结构以及数学模型的建立进行了分析与研究，进一步说明多相电机是工业应用领域中的研究热点，也反应出多相电机与传统三相电机相比而言的优势更为突出的特征。
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2五相永磁同步电机数学模型
2.1自然坐标系下五相永磁同步电机数学模型
本文五相永磁同步电机采用隐极式结构，由以下假设条件得到其自然坐标系下数学模型[2,72]。
(1)电机各相定子绕组对称分布；(2)忽略温度对电机性能造成的影响；(3)忽略铁芯饱和和铁芯损耗的影响；(4)假设电机定、转子表面光滑，不计定子齿、槽的影响；(5)五相绕组对称分布，采用星形连接方式，且无中性点引出。
与三相永磁同步电机数学模型建立过程类似，推导五相电机数学模型。定子电压方程与磁链方程为式2.1、式2.2所示。
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2.2坐标变换
在自然坐标系下，五相电机数学模型是一个高阶多变量的复杂系统，因此引入坐标变换对自然坐标系下五相永磁同步电机数学模型进行转化，具有非常重要的意义。与三相电机坐标变换相同，通过保证不同坐标系下磁动势不变进行转换，进而可以将五相永磁同步电机模型等效为直流电机模型，便于分析与控制[48]。
五相永磁同步电机由于具有容错能力强的优点多用于高可靠性领域中，并且在驱动控制系统中大部分状态是处于正常运行情况下。根据所建立的五相电机数学模型，建立矢量控制方案；五相永磁同步电机驱动控制系统基于逆变器拓扑进行，由于空间矢量脉宽调制技术具有逆变器开关损耗小、转矩脉动低的优点。因此，本章对电机处于正常运行状态下时，采用基于空间矢量脉宽调制技术的矢量控制策略进行分析与研究。
永磁同步电机矢量控制思路是把交流电机等效成为直流电机模型，对电流励磁分量和转矩分量进行独立控制。为了保证获得最大的输出转矩，采用=0di的控制方法[49]。五相永磁同步电机控制系统的驱动是基于逆变器拓扑结构的，矢量控制具备调速范围广、对电机参数变化不敏感等优点，并且矢量控制具有较高的通用性，因此五相永磁同步电机驱动系统采用矢量控制策略[21]。
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3五相永磁同步电机正常运行控制策略.................................15
3.1矢量控制...........................................15
3.2空间电压矢量分布..................................15
4单相开路故障容错控制策略............................22
4.1容错电流计算................................22
4.2空间电压矢量分布.................................23
5相邻两相开路故障容错控制策略......................................31
5.1重构降阶变换矩阵......................................31
5.2空间电压矢量分布...................................33
5相邻两相开路故障容错控制策略
5.1重构降阶变换矩阵
第四章中介绍了五相永磁同步电机发生单相开路故障情况下的容错控制策略，由于五相电机相比三相电机而言定子绕组相数多两相，因此五相电机发生两相开路故障仍具备多相电机容错能力强、可靠性高的优点。由于相邻两相开路故障与不相邻两相开路故障原理相类似，因此，本章通过对五相电机发生相邻两相开路故障下空间电压矢量的重构实现目标矢量的合成，从而实现电机故障后容错矢量控制的高品质运行。
五相PMSM发生相邻两相开路故障，以A、B相断开为例，依据故障前后磁动势不变为原则，可以得到式5.1、式5.2。
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结论
多相永磁同步电机由于相数的冗余，拥有更高的可控自由度以及较强的容错能力，并且具有转矩频率高、脉动小、噪声低的优点，可以实现低压大功率运行，在船舰电力推进、城市轨道交通等高可靠性领域拥有良好的工程应用前景。随着现代先进控制理论以及电力电子技术的不断发展，容错控制技术也得到相应快速的发展。多相电机系统发生故障，会使系统运行出现大幅波动，严重时会使系统停机、停产，危害较大，并且不经济、不安全，从而对安全性和可靠性要求更高的领域必须采取一定的措施使故障的发生对系统运行性能产生较小的影响，甚至于可以几乎不产生影响，因此采用合适的容错控制策略使电机系统继续实现平稳运行意义重大。多相电机控制系统故障类型主要有短路故障和开路故障，而短路故障可以通过一定技术转化为开路故障，由此对开路故障的研究具有更大的现实意义。
本文主要取得研究成果有：
(1)基于传统三相电机坐标变换实现过程，推导了五相电机坐标变换矩阵，并且根据五相永磁同步电机结构建立其数学模型，通过坐标变换矩阵实现自然坐标系和旋转坐标系下数学模型的转换。
(2)针对五相永磁同步电机正常运行的状态，分析五相电压型逆变器拓扑下32个空间电压矢量分布规律，为了使谐波损耗较小，采用相邻四矢量脉宽调制方法，进而实现矢量控制，利用Matlab/simulink搭建仿真模型，进行结果分析。
(3)针对五相永磁同步电机发生单相开路故障的情况，根据故障前后磁动势不变的原则以及以电流幅值相等作为约束条件，得到单相故障后容错电流表达式，通过对容错电流进行观察，可以发现空间矢量大小和方向都会发生改变，进而重新构建空间电压矢量，选取相应电压矢量实现目标矢量的合成，对矢量作用时间进行计算，以及为减小开关损耗，选取适应的矢量开关顺序，从而实现空间矢量脉宽调制方式，搭建仿真模型对其进行仿真分析，验证了对单相开路故障实施的容错控制方法的正确性。
参考文献（略）