吉林大学学报(工学版) ›› 2026, Vol. 56 ›› Issue (2): 345-354.doi: 10.13229/j.cnki.jdxbgxb.20240849

• 车辆工程·机械工程 • 上一篇    

T型三电平逆变器驱动永磁同步电机容错控制

林海(),宋春然,程思怡,李演明   

  1. 长安大学 电子与控制工程学院，西安 710064
  • 收稿日期:2024-07-28 出版日期:2026-02-01 发布日期:2026-03-17
  • 作者简介:林海（1978-），男，副教授，博士.研究方向：电磁与机电系统设计与控制技术，基于多电平逆变器的电机驱动技术，电机系统设计及控制技术.E-mail：linhai@chd.edu.cn
  • 基金资助:
    陕西省自然科学基础研究计划项目(2022JM-298)

Fault-tolerant control for driving permanent magnet synchronous motor using T-type three-level inverter

Hai LIN(),Chun-ran SONG,Si-yi CHENG,Yan-ming LI   

  1. School of Electronics and Control Engineering，Chang'an University，Xi'an 710064，China
  • Received:2024-07-28 Online:2026-02-01 Published:2026-03-17

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摘要：

在T型三电平逆变器的永磁同步电机矢量控制系统中，开关管常出现开路或短路故障，此类故障会使原有调制策略失效，引起三相电流畸变，导致转速和转矩波动，严重影响系统稳定性。为解决这些问题，提出了一种容错T型三电平逆变器拓扑及相应的容错五段式空间矢量脉冲宽度调制（SVPWM）策略。新拓扑能够将潜在的短路故障统一转化为开路故障，从而减少短路故障对系统的损害。根据故障相数对故障进行分类，当故障类型满足容错调制策略的可行性要求时，系统从原调制策略自动切换到容错五段式SVPWM策略，确保系统在故障状态下正常运行。仿真和实验结果验证了本文所提逆变器拓扑和容错调制策略在实际应用中的有效性和可靠性。

关键词: T型三电平逆变器, 空间矢量脉冲宽度调制, 永磁同步电机, 容错控制

Abstract:

In the vector control system of a T-type three-level inverter for permanent magnet synchronous motors，switch failures such as open circuits or short circuits are common occurrences.These failures can disrupt the original modulation strategy，leading to distortion in the three-phase currents，which in turn causes fluctuations in speed and torque，severely impacting system stability.To mitigate these issues，this study proposes a fault-tolerant topology for the T-type three-level inverter and a corresponding fault-tolerant five-segment space vector pulse width modulation（SVPWM）strategy.The new topology can uniformly convert potential short-circuit faults into open-circuit faults，thereby reducing the damage caused by short-circuit faults to the system.Faults are categorized based on the number of affected phases，and when the fault type meets the feasibility requirements of the fault-tolerant modulation strategy，the system automatically switches to the fault-tolerant five-segment SVPWM strategy to ensure normal operation during fault conditions.Simulation and experimental results validate the effectiveness and reliability of the proposed topology and modulation strategy in practical applications.

Key words: T-type three-level inverter, space vector pulse width modulation, permanent magnet synchronous motor, fault-tolerant control

中图分类号: 

  • TM464

图1

容错T型三电平逆变器"

图2

单相典型故障"

图3

两相典型故障"

图4

三相典型故障"

表1

调制策略可行性"

故障类型故障开关管容错调制策略可行性
单相SC1、SC4√
SC2、SC3√
SC1、SC2×
两相SB1、SC1√
SB1、SC4×
SB2、SC2√
SB1、SC2、SC3√
三相SA1、SB1、SC1√
SA4、SB1、SC1×
SA1、SB2、SC2×
SA2、SB2、SC2√

图5

新扇区划分"

表2

矢量顺序表"

扇区号矢量顺序
作用时间T1/2-T2/2-T3-T2/2-T1/2
Ⅰ（1）NNN-PNN-PON-PNN-NNN
Ⅰ（2）NNN-PON-PPN-PON-NNN
Ⅱ（1）NNN-OPN-PPN-OPN-NNN
Ⅱ（2）NNN-NPN-OPN-NPN-NNN
ⅢNNN-NPN-NPP-NPN-NNN
Ⅳ（1）NNN-NOP-NPP-NOP-NNN
Ⅳ（2）NNN-NNP-NOP-NNP-NNN
Ⅴ（1）NNN-NNP-ONP-NNP-NNN
Ⅴ（2）NNN-ONP-PNP-ONP-NNN
ⅥNNN-PNN-PNP-PNN-NNN

表3

矢量作用时间表"

扇区号矢量作用时间
Ⅰ（1）T11/2-T12/2-T13-T12/2-T11/2
Ⅰ（2）T21/2-T22/2-T23-T22/2-T21/2
Ⅱ（1）T11/2-T13/2-T12-T13/2-T11/2
Ⅱ（2）T21/2-T23/2-T22-T23/2-T21/2
ⅢT31/2-T32/2-T33-T32/2-T31/2
Ⅳ（1）T11/2-T13/2-T12-T13/2-T11/2
Ⅳ（2）T21/2-T23/2-T22-T23/2-T21/2
Ⅴ（1）T11/2-T12/2-T13-T12/2-T11/2
Ⅴ（2）T21/2-T22/2-T23-T22/2-T21/2
ⅥT31/2-T33/2-T32-T33/2-T31/2

图6

开关时序图"

图7

开关时序分解"

表4

调制波高度表"

大扇区小扇区调制波高度：Ta1、Ta2、Tb1、Tb2、Tc1、Tc2
Ⅰ1TA、TA、TS/2、TB、TS/2、TS/2
2TA、TA、TB、TA、TS/2、TS/2
Ⅱ1TB、TA、TA、TA、TS/2、TS/2
2TS/2、TB、TA、TA、TS/2、TS/2
Ⅲ—TS/2、TS/2、TA、TA、TB、TB
Ⅳ1TS/2、TS/2、TB、TA、TA、TA
2TS/2、TS/2、TS/2、TB、TA、TA
Ⅴ1TS/2、TB、TS/2、TS/2、TA、TA
2TB、TA、TS/2、TS/2、TA、TA
Ⅵ—TA、TA、TS/2、TS/2、TB、TB

图8

基于T型三电平逆变器永磁同步电机容错控制系统框图"

表5

仿真模型参数"

参数取值
定子电阻Rs/Ω0.958
直轴电感Ld/mH5.25
交轴电感Lq/mH12
固定磁链Ψ/Wb0.187 2
直流侧电压Udc/V1 000
给定转速Vref/rpm1 000
负载转矩TL/（N·m-1）10

图9

C相故障特性"

图10

B、C相故障特性"

图11

三相故障特性"

表6

实验平台参数"

参数取值
定子电阻Rs/Ω1.15
直轴电感Ld/mH2.1
交轴电感Lq/mH2.1
固定磁链Ψ/Wb0.020 669
额定电压U/V48
额定电流I/A2.8
额定转速V/（r·min-1）3 000
直流侧电压Udc/V48
分压电容C1、C2/μF330
开关频率f/kHz10
给定转速Vref/（r·min-1）1 000
负载转矩TL/（N·m-1）0.5
继电器动作时间TJ/ms<10
熔断器动作时间TF/ms15~20
中断更新时间TI/ms0.1

图12

实验平台"

图13

C相故障特性"

图14

BC相故障特性"

图15

三相故障特性"

[1] 陈丹江, 柳玉甜, 张少中. 三电平T型逆变器开关控制策略研究[J]. 控制工程, 2022, 29(5): 927-934.
Chen Dan-jiang, Liu Yu-tian, Zhang Shao-zhong. Switch control strategies of three-level T-type inverter[J]. Control Engineering of China, 2022, 29(5): 927-934.
[2] 许水清, 黄文展, 何怡刚, 等. 基于自适应滑模观测器的中点钳位型三电平并网逆变器开路故障诊断[J]. 电工技术学报, 2023, 38(4): 1010-1022.
Xu Shui-qing, Huang Wen-zhan, He Yi-gang, et al.Open-circuit fault diagnosis method of neutral point clamped three-level grid-connected inverter based on adaptive sliding mode observer[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2023, 38(4):1010-1022.
[3] 苗贝贝, 沈艳霞. NPC三电平逆变器的开关管开路故障诊断[J]. 电源学报, 2019, 17(5): 65-72.
Miao Bei-bei, Shen Yan-xia. Diagnosis of open-circuit switch faults in neutral-point-clamped three-level inverter[J]. Journal of Power Supply, 2019, 17(5): 65-72.
[4] 刘嘉庆, 姜建国. 基于NPC三电平的永磁同步电机控制研究[J]. 大电机技术, 2023, 2023(5): 25-31, 37.
Liu Jia-qing, Jiang Jian-guo. Research on PMSM control based on NPC three-level[J]. Large Motor Technology, 2023, 2023(5): 25-31, 37.
[5] Wang X Q, Wang Z, Xu Z X, et al. Diagnosis and tolerance of common electrical faults in T-type three-level inverters fed dual three-phase PMSM drives[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2020, 35(2): 1753-1769.
[6] 朱琴跃, 徐璟然, 谭喜堂, 等. 器件共享型三电平逆变器容错控制[J]. 电机与控制学报, 2021, 25(7): 107-119.
Zhu Qin-yue, Xu Jing-ran, Tan Xi-tang, et al.Fault-tolerant control of device sharing three-level inverter[J]. Electric Machines and Control, 2021, 25(7): 107-119.
[7] 陈志远, 陈杰, 邢相洋, 等. T型三电平逆变器并联系统的故障容错控制方法[J]. 中国电机工程学报,2021, 41(20): 7079-7093.
Chen Zhi-yuan, Chen Jie, Xing Xiang-yang, et al.The fault tolerance control method in three-level T-type inverter parallel system[J]. Proceedings of the Chinese Society of Electrical Engineering, 2021, 41(20): 7079-7093.
[8] 张斌, 杨来宝, 刘鑫, 等. 三相八开关容错逆变器驱动PMSM系统模型预测直接转矩控制[J]. 太阳能学报, 2019, 40(4): 1076-1084.
Zhang Bin, Yang Lai-bao, Liu Xin, et al. Model predictive torque control of PMSM system driven by three phase eight switch fault-tolerant inverter[J]. Acta Energiae Solaris Sinica, 2019, 40(4): 1076-1084.
[9] Chen D J, Zheng L Y. Fault-tolerant control for three-phase three-level T-type inverters with a redundant leg[J]. Archives of Electrical Engineering, 2022, 6: 931-948.
[10] Pang X Z, Chen A L, Li X Y, et al. Carrier-based fault tolerant control strategies for three-level T-type inverter with unbalanced neutral-point voltage[J]. IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, 2024, 12(4): 4154-4164.
[11] Kumar B, Peddapati S. An improved T-type multi-phase fault tolerant inverter with preserved rated output[J]. IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Industrial Electronics, 2024, 5(3): 962-973.
[12] 马晓军, 李敏裕, 魏曙光, 等. T型逆变器开路故障诊断[J]. 电工技术学报, 2018, 33(10): 2324-2333.
Ma Xiao-jun, Li Min-yu, Wei Shu-guang, et al. Open circuit fault diagnosis of T-type inverter[J].Transactions of China Electrotechnical Society, 2018, 33(10): 2324-2333.
[13] 张建忠, 耿治, 徐帅. 基于T型逆变器的APF故障诊断与容错控制[J]. 中国电机工程学报, 2019, 39(1): 245-255.
Zhang Jian-zhong, Geng Zhi, Xu Shuai. Fault dia-gnosis and fault tolerant control for APF based on T-type inverter[J]. Proceedings of the Chinese-Society of Electrical Engineering, 2019, 39(1): 245-255.
[14] 李善寿, 陶勇, 叶伟, 等. 抑制T型三电平逆变器共模电压的调制策略[J]. 高电压技术, 2022, 48(7):2826-2839.
Li Shan-shou, Tao Yong, Ye Wei, et al. Modula- tion strategy with reduced common mode voltage for T-type three-level inverter[J]. High Voltage En-gineering, 2022, 48(7): 2826-2839.
[15] Sajitha M, Ramchand R. Space vector PWM scheme for three phase three level T-type NPC inverter[C]∥ 2019 2nd International Conference on Intelligent Computing,Instrumentation and Control Technologies(ICICICT), Kannur, India, 2019: 523-528.
[16] Vu P, Trang N V, Manh N D, et al. Modifiedspace vector modulation technique for three phase three level T-type inverter[J]. International Journal of Renewable Energy Research, 2021, 11(3): 1230-1237.
[1] 李麟,李君,庞博,曲大为,袁新枚. 基于观测器的逆变器特性自学习与补偿控制[J]. 吉林大学学报(工学版), 2022, 52(7): 1534-1540.
[2] 贾一帆, 初亮, 许楠, 徐哲. 车用双电源开绕组电机驱动系统绕组模式切换及电流控制策略[J]. 吉林大学学报(工学版), 2018, 48(1): 20-29.
[3] 李炜, 李亚洁. 基于离散事件触发通信机制的非均匀传输网络化控制系统故障调节与通信满意协同设计[J]. 吉林大学学报(工学版), 2018, 48(1): 245-258.
[4] 王伟华, 穆嘉毅, 符容, 范永凯, 王文楷. 混合动力汽车凸极式永磁同步电机电流解耦控制[J]. 吉林大学学报(工学版), 2017, 47(3): 693-700.
[5] 李兵强, 陈晓雷, 林辉, 吕帅帅, 马冬麒. 机电伺服系统高精度自适应反推滑模控制[J]. 吉林大学学报(工学版), 2016, 46(6): 2003-2009.
[6] 赵彬, 郭孔辉, 许男, 杨一洋. 基于H∞鲁棒SUKF算法的永磁同步电机转速观测器设计[J]. 吉林大学学报(工学版), 2016, 46(4): 1017-1022.
[7] 曹慧超， 李炜. 离散事件触发非线性网络化控制系统鲁棒容错控制[J]. 吉林大学学报(工学版), 2015, 45(6): 1895-1905.
[8] 李元春， 周帆， 马天豪， 赵博. 基于多步时延的可重构机械臂并发故障分散容错控制[J]. 吉林大学学报(工学版), 2015, 45(6): 1874-1880.
[9] 张虎, 张建伟, 郭孔辉, 李洋. 基于扰动观测器的电动助力转向系统用永磁同步电机鲁棒预测电流控制[J]. 吉林大学学报(工学版), 2015, 45(3): 711-718.
[10] 陶涛，徐洪泽. 高速列车浸入与不变自适应容错控制方法[J]. 吉林大学学报(工学版), 2015, 45(2): 554-561.
[11] 黄家才, 施昕昕, 李宏胜, 徐庆宏, 石要武. 永磁同步电机调速系统的分数阶积分滑模控制[J]. 吉林大学学报(工学版), 2014, 44(6): 1736-1742.
[12] 赵博, 李成浩, 李元春. 基于故障在线估计的可重构机械臂分散容错控制[J]. 吉林大学学报(工学版), 2014, 44(6): 1729-1735.
[13] 何磊, 宗长富, 江国华, 郑宏宇, 李刚. 线控转向汽车动力电池电量估计及容错控制方法[J]. 吉林大学学报(工学版), 2012, 42(增刊1): 17-21.
[14] 冯英本, 陈慧. 基于高频信号注入的EPS用SPMSM无传感器控制[J]. 吉林大学学报(工学版), 2011, 41(增刊2): 65-69.
[15] 何磊,宗长富,田承伟,吴仁军,张太武. 线控转向汽车直流电机的故障诊断与容错控制[J]. 吉林大学学报(工学版), 2011, 41(03): 608-612.
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