雙級矩陣變換器容錯控制策略設計論文.docx

畢業(yè)設計說明書題 目：雙級矩陣變換器容錯控制策略學 院：信息工程學院 專 業(yè)：自動化 學 號： 姓 名： 指導教師： 完成日期： 畢業(yè)論文（設計）任務書論文（設計）題目： 雙級矩陣變換器容錯控制策略 學號： 姓名： 專業(yè)： 自動化 指導教師： 系主任： 一、主要內容及基本要求主要內容：1、學習雙級矩陣變換器的基本知識。包括TSMC的拓撲結構、工作原理、數(shù)學模型，并重點研究TSMC的調制策略。 2、研究永磁同步電機的矢量控制系統(tǒng)，學習雙閉環(huán)PI控制器的設計方法、建立電機的數(shù)學模型、坐標變換原理等。 3、了解容錯控制的概念，研究實現(xiàn)容錯控制的方法分類，以及在其他系統(tǒng)中如何實現(xiàn)容錯控制。 4、研究預測控制的原理及其實現(xiàn)方法，基于預測控制算法在TSMC的閉環(huán)控制系統(tǒng)中實現(xiàn)容錯。 基本要求：1、掌握TSMC的工作原理及其調制策略，并通過仿真實現(xiàn)TSMC正常運行。 2、掌握基于TSMC的永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)的工作原理，并通過仿真來實現(xiàn)控制電機正常運行。 3、在仿真中編程實現(xiàn)預測控制，以預測控制作為TSMC的事故后控制策略，通過仿真驗證這一方法。 二、重點研究的問題 1、雙級矩陣變換器的工作原理及其應用。 2、雙級矩陣變換器的開關管出現(xiàn)故障后的容錯控制策略。 3、容錯控制策略在雙級矩陣變換器的閉環(huán)控制系統(tǒng)中的應用。 三、進度安排序號各階段完成的內容完成時間1確定畢業(yè)設計的題目2013.11.102搜集參考資料、相關文獻，并完成初步閱讀2014.1.11-2014.2.203學習雙級矩陣變換器容錯控制策略的原理2014.2.20-2014.3.154學習熟練MATLAB仿真軟件的使用方法2014.3.15-2014.4.15搭建仿真模型，并得到仿真結果2014.4.1-2014.4.206撰寫畢業(yè)設計論文2014.4.20-2014.5.97檢查仿真結果2014.5.178答辯2014.5.24四、應收集的資料及主要參考文獻1 鄧文浪.雙級矩陣變換器及其控制策略研究D.中南大學,2007. 2 鄧文浪,楊欣榮,朱建林.基于dq坐標雙級矩陣變換器的閉環(huán)控制研究J.電氣傳動,2007,37(2): 20-24. 3 劉見,粟梅,孫堯等. 基于雙級矩陣變換器的永磁同步電機矢量控制J.電力電子技術,2010, 44(11): 65-68. 4 葛寶明,蔣靜坪.永磁同步電機磁阻轉矩的有效利用及其預測控制系統(tǒng)J.電工技術學報,2000, 15(3): 6-10. 5 王宏佳,徐殿國,楊明.永磁同步電機改進無差拍電流預測控制J.電工技術學報,2011, 26(6): 39-45. 6 牛里, 楊明, 劉可述等. 永磁同步電機電流預測控制算法J. 中國電機工程學報, 2012, 32(6): 131-137. 7 Rodriguez J, Kolar J, Espinoza J, et al. Predictive current control with reactive power minimization in an indirect matrix converterC2010 IEEE International Conference on. IEEE, 2010: 1839-1844. 8 Dasika J D, Saeedifard M. An on-line fault detection and a post-fault strategy to improve the reliability of matrix convertersCIEEE, 2013: 1185-1191. 畢業(yè)論文（設計）評閱表學號 姓名 專業(yè) 自動化 畢業(yè)論文（設計）題目： 雙級矩陣變換器容錯控制策略 評價項目評 價 內 容選題1.是否符合培養(yǎng)目標，體現(xiàn)學科、專業(yè)特點和教學計劃的基本要求，達到綜合訓練的目的；2.難度、份量是否適當；3.是否與生產(chǎn)、科研、社會等實際相結合。能力1.是否有查閱文獻、綜合歸納資料的能力；2.是否有綜合運用知識的能力；3.是否具備研究方案的設計能力、研究方法和手段的運用能力；4.是否具備一定的外文與計算機應用能力；5.工科是否有經(jīng)濟分析能力。論文（設計）質量1.立論是否正確，論述是否充分，結構是否嚴謹合理；實驗是否正確，設計、計算、分析處理是否科學；技術用語是否準確，符號是否統(tǒng)一，圖表圖紙是否完備、整潔、正確，引文是否規(guī)范；2.文字是否通順，有無觀點提煉，綜合概括能力如何；3.有無理論價值或實際應用價值，有無創(chuàng)新之處。綜合評 價評閱人： 年 月 日 湘 潭 大 學 畢業(yè)論文（設計）鑒定意見 學號： 姓名： 專業(yè)： 自動化 畢業(yè)論文（設計說明書） 47 頁 圖 表 45 張論文（設計）題目：雙級矩陣變換器容錯控制策略 主要內容： 學習了雙級矩陣變換器的基本知識，包括TSMC的拓撲結構、工作原理、數(shù)學模型，并重點研究了TSMC的調制策略。掌握了基于TSMC的永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)的控制方法，建立了永磁同步電機的數(shù)學模型，通過學習DQ軸解耦的原理以及PI控制器的設計方法，在MATLAB軟件中搭建了永磁同步電機矢量控制模型。以之前的研究為基礎，研究了一種基于預測控制 算法的容錯控制策略，首先掌握了預測控制的實現(xiàn)方法，搭建了采用預測控制的TSMC仿真模型，在仿真中通過S函數(shù)實現(xiàn)了預測控制。最后將容錯控策略運用到了TSMC中，對比其正常狀態(tài)、故障狀態(tài)以及容錯后的波形，分析了容錯效果。指導教師評語該生能獨立查閱文獻；有獲取各種信息及新知識的能力。能周密、合理地設計實驗方案；綜合運用知識能力強。按期圓滿完成規(guī)定的任務，工作量飽滿；學習工作積極勤奮。設計說明書結構嚴謹，邏輯性強，論述層次清晰；格式符合學校要求。有較強的實際動手能力和計算機應用能力。同意其參加答辯，建議成績評定為 。指導教師： 年 月 日答辯簡要情況及評語該生在答辯過程中敘述清楚、思路清晰，語言表達準確;專業(yè)知識扎實?；卮饐栴}有理論根據(jù)，基本概念清楚。問題回答準確。根據(jù)答辯情況，答辯小組同意其成績評定為 。答辯小組組長： 年 月 日答辯委員會意見經(jīng)答辯委員會討論，同意該畢業(yè)論文（設計）成績評定為 。答辯委員會主任： 年 月 日52 / 65目錄摘要IAbstractII第一章 緒論11.1課題的背景和意義11.1國內外研究現(xiàn)狀21.3 預測控制31.4課題主要研究內容和重點4第二章 雙級矩陣變換器的控制研究62.1 雙級矩陣變換器的拓撲結構62.1.1 常規(guī)矩陣變換器到雙級矩陣變換的演變62.1.2 典型的雙級矩陣變換器拓撲結構72.2 雙空間矢量調制策略72.2.1 整流級的空間矢量調制原理72.2.2 逆變級的空間矢量調制原理92.2.3 TSMC的開關函數(shù)102.3 仿真研究122.4 本章小結14第三章 基于雙級矩陣變換器的永磁同步電機矢量控制153.1 永磁同步電機結構以及數(shù)學模型153.1.1 永磁同步電機的結構153.1.2 永磁同步電機的數(shù)學模型153.2 坐標變換原理163.3 永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)設計193.3.1 矢量控制方法193.3.2 永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)的結構193.3.3 電流環(huán)PI控制器設計213.3.4 轉速PI控制器設計223.4 控制系統(tǒng)仿真研究243.5 本章小結26第四章 永磁同步電機電流預測控制274.1預測控制策略274.1.1 整流級調制策略274.1.2 逆變級調制策略284.1.3 TSMC整體開關矢量調制284.2基于雙級矩陣變換器的永磁同步電機預測控制系統(tǒng)294.2.1 TSMC開關數(shù)學模型304.2.2 永磁同步電機數(shù)學模型304.3永磁同步電機電流預測控制實現(xiàn)流程314.4仿真研究324.5 本章小結33第五章 雙級矩陣變換器容錯控制研究345.1基于預測控制算法的容錯控制策略345.2 雙級矩陣變換器帶阻感負載系統(tǒng)預測模型355.2.1 開關數(shù)學模型355.2.1 負載模型355.3 容錯控制實現(xiàn)流程355.4 仿真研究375.5 本章小結38第六章 總結39致謝40參考文獻41附錄一：畢業(yè)設計開題報告43附錄二：畢業(yè)設計（論文）中期檢查及評語46附錄三：學生答辯記錄表47雙級矩陣變換器容錯控制策略摘要 在電力電子領域中，電力驅動系統(tǒng)的可靠性對電力系統(tǒng)有著重要的影響。對于一些要求高可靠性的系統(tǒng)，通過采用相應的容錯控制策略，極大地提高了系統(tǒng)應對故障的處理能力。因此容錯控制已經(jīng)成為保障電力系統(tǒng)安全運行的一項重要技術。本文以雙級矩陣變換器（簡稱TSMC）為基礎，研究TSMC驅動永磁同步電機的矢量控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了雙閉環(huán)控制。然后采用預測控制實現(xiàn)對PMSM的閉環(huán)控制，最后在TSMC系統(tǒng)上采用基于預測控制算法的容錯控制策略，通過仿真驗證了該容錯策略的可行性。關鍵字：雙級矩陣變換器；SVPWM調制；預測控制；容錯控制；永磁同步電動機Fault-tolerant control strategy based on two-stage matrix converterAbstract In the field of power electronics, electric drive system reliability of the power system has an important impact. For some systems that require high reliability, fault tolerance through the use of appropriate control strategies, greatly enhancing the ability of the system to deal with failures. Therefore, fault-tolerant control has become an important technology to protect the safe operation of power systems. In this paper, two-stage matrix converter (abbreviated TSMC), based on research TSMC drive permanent magnet synchronous motor vector control system, the double-loop control. Then using predictive control to achieve closed-loop control of PMSM, the final feasibility tolerant control strategy based on predictive control algorithm by simulation using fault tolerance policy on TSMC system.Keywords: Two-stage matrix converter; SVPWM modulation; Predictive Control; Tolerant Control; Permanent Magnet Synchronous Motor第一章 緒論1.1 課題的背景和意義隨著科學技術不斷取得新的成果，現(xiàn)代控制系統(tǒng)也越來越復雜，越復雜的系統(tǒng)對其可靠性和安全性的要求就越高，因為一旦這類系統(tǒng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障，導致重大事故將對經(jīng)濟、生命安全造成巨大的損失。歷史上有無數(shù)的悲劇不斷上演。因此，人們不得不想辦法來提高系統(tǒng)的可靠性和安全性，避免發(fā)生重大事故。提升系統(tǒng)的可靠性可以使操作人員的生命安全得到保障，還能夠提高生產(chǎn)效率，增加經(jīng)濟效益。在此背景下，系統(tǒng)的容錯控制研究是現(xiàn)代系統(tǒng)控制中迫切需要解決的問題。多年以來，容錯控制系統(tǒng)的研究一直是各個領域研究的熱點，不管什么系統(tǒng)都需要具有一定的容錯性能，才能夠安全可靠地運用到實際工程中去，尤其是一些要求高可靠性的系統(tǒng)，如各類飛行器、危險設施等，而這些系統(tǒng)一旦發(fā)生事故將造成無法估量的損失。如何設計出高容錯性能的系統(tǒng)一直都是各個領域研究人員面對的課題。簡單的來說，容錯控制是指當系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，通過軟硬件重構等方法自動補償故障的影響來保持系統(tǒng)在損失部分性能甚至不損失性能的狀態(tài)下繼續(xù)穩(wěn)定運行，容錯控制對實際系統(tǒng)的性能有著重大的影響，尤其是對于一些要求高可靠性的系統(tǒng)。通過采用相應的容錯控制策略，極大地提高了系統(tǒng)應對故障的處理能力。如今電力電子技術高速發(fā)展，各種新型電力變換器層出不窮，其中不乏具有優(yōu)良性能的電力變換器，而矩陣變換器更是一種很有發(fā)展?jié)摿Φ男滦碗娏ψ儞Q器。在理想條件下它有如下優(yōu)點：輸入、輸出波形質量良好，減小諧波；輸入功率因數(shù)可控；能量可雙向流動；簡化了中間電路等等，這些特性明顯改善了傳統(tǒng)電力變換器的不足，是AC/AC變換器中性能十分優(yōu)秀的一種電力變換裝置，矩陣變換器有著廣闊的應用前景。從結構上劃分，矩陣變換器可分成常規(guī)矩陣變換器（簡稱CMC）和雙級矩陣變換器兩種，除了兩者的拓撲結構、調制策略以及控制范圍等方面有所不同，其本質其實是一樣的，具有共同的優(yōu)良性能和特性。只是CMC與TSMC相比較而言，控制策略更加復雜，換流步驟相對而言實現(xiàn)困難，鉗位電路復雜。這些缺點在實際工程應用中制約了CMC的發(fā)展。而TSMC彌補了CMC在這方面的不足，TSMC是CMC經(jīng)過優(yōu)化后的拓撲結構，TSMC不只具有CMC同樣的優(yōu)良性能，并且簡化了換流策略，拓撲中減少了電力裝置設備，降低了成本，在一定的約束條件下，TSMC可以進一步簡化拓撲結構，減少開關數(shù)量，根據(jù)不同的使用情況選用不同的電路結構。本文就是基于TSMC來進行研究。在電力系統(tǒng)中，越復雜的系統(tǒng)越容易出現(xiàn)故障，而一旦故障沒有得到很好的控制，對于整個系統(tǒng)都將帶來很大的影響，對生產(chǎn)、作業(yè)安全等都有很大的隱患。從很多研究中可以看出，電力系統(tǒng)中最容易發(fā)生故障的就是電力變換器中電力電子器件及其驅動電路。因此，容錯控制的研究對象就是電力變換器中的開關故障。因此，對于TSMC這類多開關的電力變換器，一旦開關出現(xiàn)故障，對系統(tǒng)的可靠性和安全性會造成很大的影響，進而對經(jīng)濟效益和人身安全造成危害。所以，基于TSMC設計出一種安全可行的容錯控制系統(tǒng)是一項值得深入研究的課題。容錯控制一直是電力電子領域研究的熱點，對于新型電力變換器，良好的容錯性能能夠幫助它更好的應用到實際工程中。1.1 國內外研究現(xiàn)狀1971年，Niederlinski提出完整性控制（Integral Control）的概念，由此產(chǎn)生容錯控制(Fault Tolerant Control，F(xiàn)TC)的思想。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，容錯控制研究已經(jīng)逐漸成為一個獨立的、完整的、富有挑戰(zhàn)性的研究課題。1985 年，國外學者們提出容錯控制的分類方法，將容錯控制分為主動容錯控制和被動容錯控制，如今已成為現(xiàn)代容錯控制研究方法分類的依據(jù)。在 1993年和 1997年，Patton 教授發(fā)表了關于容錯控制理論的綜述文章，提出了容錯控制研究亟需解決的難題以及解決辦法，為容錯控制研究提出了指導性意見。隨著一次次因系統(tǒng)故障原因導致的重大災難不斷發(fā)生，人們不得不加快對容錯控制理論研究的步伐。在1993年成立了技術過程的故障診斷與安全性技術委員會(簡稱IFAC)，在IFAC的領導下，容錯控制理論研究迅猛發(fā)展。此后IFAC每三年定期召開一次故障診斷與容錯控制方面的國際專題學術會議。1999年 7 月，第 14 屆 IFAC國際專題學術會議在北京召開，此次會議中故障診斷與容錯控制方面的論文達到 60 余篇。容錯控制策略研究成為最熱門的研究課題之一。容錯控制的思想產(chǎn)生的時間不久，我國對容錯控制理論的研究起步也比較早，我國在容錯控制理論上的研究在幾十年來一直在不斷發(fā)展。1988年，葉銀忠等發(fā)表了國內關于容錯控制理論的第一篇綜述性文章。而后，國內在容錯控制策略理論上的研究進入蓬勃發(fā)展的時期，當時的研究人員已經(jīng)將容錯控制策略應用于工業(yè)設備的故障處理，緩解了設備因故障而大大縮短其使用壽命，以及設備運行的安全性和可靠性得不到保障等比較嚴重的情況。容錯控制發(fā)展至今只有 30 多年的歷史，是一門新興交叉學科。航空、航天領域和核設施方面的特殊要求是這門學科迅速發(fā)展的一個最重要的動力來源。美國空軍從 70 年代起就不斷投入巨資支持容錯控制的發(fā)展，力求開發(fā)出具有高度容錯能力的戰(zhàn)斗機，甚至在多個翼面受損時，也能保持戰(zhàn)斗機的生存能力。一次又一次的可怕的核泄漏事件，使人們不得不尋求具有更高可靠性和安全性的系統(tǒng)。作為一門交叉學科，容錯控制與魯棒控制、故障檢測與診斷、自適應控制、智能控制等息息相關。現(xiàn)代控制理論、信號處理、模式識別、最優(yōu)化方法、決策論、統(tǒng)計數(shù)學等構成了容錯控制的理論基礎。容錯控制系統(tǒng)設計主要包含兩個問題：故障診斷機構的設計和容錯控制器的設計。故障診斷技術的發(fā)展，是應用現(xiàn)代控制理論、數(shù)理統(tǒng)計、人工智能等方法分析處理非正常工況下系統(tǒng)特性的結果；容錯控制則是保證當控制系統(tǒng)中的某些部件發(fā)生故障時，系統(tǒng)仍能按期望的性能指標或性能指標略有降低（但可接受）的情況下，還能安全地完成控制任務。顯然，控制系統(tǒng)的故障診斷和容錯控制有著密切的聯(lián)系，故障診斷技術的發(fā)展為容錯控制的研究提供了必要的基礎和前提準備，容錯控制為故障診斷的研究注入了新的活力，這兩個方面以其重要的理論和實踐上的意義和由此產(chǎn)生的深遠的影響成為了引人入勝的研究熱點。1.3 預測控制預測控制的發(fā)展主要從實際工業(yè)生產(chǎn)過程中衍生出來的，對于系統(tǒng)模型復雜，不容易準確建立模型的控制系統(tǒng)來說，預測控制能夠簡單方便地應用到實際工程中，因此預測控制一直以來都是工程界研究的重點。預測控制理論已經(jīng)趨近完善，并且在化工、電力、冶金、機械等生產(chǎn)部門的控制系統(tǒng)中得到了比較廣泛的應用。預測控制是在上世紀70 年代末期產(chǎn)生的一類新型的計算機控制方法，實際是一種基于計算機控制的最優(yōu)化算法。近30年以來，預測控制的發(fā)展歷程為：在70 年代，工業(yè)預測控制算法大多是以控制對象為非參數(shù)模型，人們在生產(chǎn)過程的測驗中很容易地知道，采用滾動推移的方法可實現(xiàn)在線的優(yōu)化控制，無需了解生產(chǎn)的過程和模型的結構，可以很方便地設計控制器，在工程應用中該算法顯示出了良好的控制性能，因此得到了廣泛的應用，比較典型的算法有建立在脈沖響應基礎上的預測控制算法、建立在階躍響應序列模型基礎上的動態(tài)矩陣控制(DMC)、模型算法控制(MAC)等。而后到了80 年代初期，人們在堅持模型預測的最小方差自校正控制、自適應調制、在線辨識等原理的基礎上，吸取了MAC、DMC 中的預測優(yōu)化的方法，結合預測控制中的多步預測優(yōu)化控制策略的思想，發(fā)展起來一種廣義預測控制(Generalized Predietive Control，簡記為GPC)的自適應預測控制算法。 在20 世紀90 年代，人們在這個階段漸漸形成了以最優(yōu)控制思想為理論指導的具有可靠穩(wěn)定性的預測控制的概略性思路，從此，它的理論研究開始了新的飛躍，取得了豐厚的研究成果。雖然對預測控制的研究已取得了一些比較好的成果，但是到目前為止，仍不能將它應用到實際的工業(yè)生產(chǎn)中，主要的原因還是該方法主要采用的是狀態(tài)空間模型。同時綜合型預測控制思想存在的另一個問題是狀態(tài)不可測，而采用狀態(tài)估計器的預測控制綜合策略在目前來說還比較保守，仍在發(fā)展中。通常情況下，預測控制在系統(tǒng)每個采樣點只求解一個優(yōu)化問題，然后得到這個采樣時刻與未來時刻的控制作用，但是只實際實施這個采樣點刻的控制作用，在下一個采樣時刻，系統(tǒng)會重復上面的優(yōu)化問題?？傮w來說，預測控制是一種在給定時域內不停地求解同一個優(yōu)化問題而獲得控制輸入的方法。由于預測控制的模型結構具有不唯一性，使得它可以根據(jù)控制對象的特點，以最簡單的方式來處理信息和建立系統(tǒng)的預測模型；由于其優(yōu)化模式和預測模式具有非經(jīng)典性，使得它可以在優(yōu)化過程中把實際系統(tǒng)中存在的不確定因素考慮進來，形成動態(tài)優(yōu)化，處理多種結構形式的優(yōu)化目標。它讓設計者可以自由地選擇所需優(yōu)化性能指標的形式。因此，預測控制的預測和優(yōu)化模式對以前的最優(yōu)控制有一點點地修正，使建模有所簡化，并考慮到了不確定性和其他復雜性的影響，因而更加地接近于復雜系統(tǒng)的實際要求。預測控制還可以很好地解決有優(yōu)化需求的控制問題，通過在線閉環(huán)控制來實施有效地控制策略以克服各種不確定因素產(chǎn)生的影響。從應用的觀點來看，它的最大優(yōu)勢在于它能以系統(tǒng)直觀的方式來約束和處理多變量系統(tǒng)的控制，迄今為止，它是唯一具有這一特征的先進性控制技術，并且它被應用于過程控制系統(tǒng)領域幾十年來所取得的成功，充分地證明了預測控制有處理復雜系統(tǒng)的約束優(yōu)化控制問題的巨大潛力。1.4 課題主要研究內容和重點本文在對國內外學者的研究基礎上，對基于雙級矩陣變換器的容錯控制的原理、基于TSMC帶永磁同步電動機閉環(huán)控制進行研究分析，搭建仿真模型。本文的主要研究內容和結構如下：第一章緒論部分主要介紹了容錯控制和TSMC的研究背景、意義以及國內外研究現(xiàn)狀。第二章主要介紹雙級矩陣變換器的基本知識。包括TSMC的拓撲結構、工作原理、數(shù)學模型，并重點分析了TSMC的調制策略。最后根據(jù)分析結果進行了基于雙空間矢量調制的TSMC仿真研究，得到仿真波形。第三章主要介紹基于雙級矩陣變換器的永磁同步電動機（簡稱PMSM）矢量控制系統(tǒng)的原理，簡要介紹了PMSM的結構和原理以及數(shù)學模型，介紹了坐標變換的原理，重點分析設計了雙閉環(huán)控制，設計電流環(huán)PI控制器和轉速環(huán)PI控制器，進行仿真，得到仿真波形。第四章介紹基于TSMC的永磁同步電動機電流預測控制系統(tǒng)，介紹了預測控制原理，對負載側和開關組合建立數(shù)學模型，對電機輸出電流進行直接預測控制，對電機進行調速控制和穩(wěn)定運行，搭建仿真模型，并得到仿真結果。第五章介紹一種基于直接預測控制的容錯控制軟件重構法，將預測控制與開關表結合起來，通過預測控制對TSMC的開關狀態(tài)直接進行調制，對于在故障狀態(tài)下的TSMC，容錯控制可將故障態(tài)的開關屏蔽，然后使用預測控制從剩下的健康開關狀態(tài)選取出最適合的開關狀態(tài)完成控制動作。從而補償開關故障的影響。第六章探討現(xiàn)有研究中的不足，并對以后的研究進行展望，最后總結全文。第二章 雙級矩陣變換器的控制研究2.1 雙級矩陣變換器的拓撲結構2.1.1 常規(guī)矩陣變換器到雙級矩陣變換的演變CMC的拓撲結構如圖2-1(a)，且CMC的輸入輸出關系可表示為 （2.1）式中，uA、uB、uC為三相輸出電壓，ua、ub、uc為三相輸入電壓，T為CMC的開關變換矩陣，代表了輸入輸出的變換關系。Skj代表連接矩陣變換器k相輸入和j相輸出的開關狀態(tài)，,Skj=l表示開關導通，Skj =0表示開關關斷。(a) 常規(guī)矩陣變換器拓撲 (b) 雙級矩陣變換器拓撲圖2-1 常規(guī)矩陣變換器和雙級矩陣變換器的拓撲結構雙級矩陣變換器中，設中間兩點為p、n，對應有電壓up、un其與三相輸入輸出電壓的關系為 （2.2） （2.3）式中Skw、Sjw表示k相、j相與p、n點之間連接開關的狀態(tài)，。根據(jù)式（2.2）、式（2.3）可以得到如圖2-1（b）所示的拓撲結構，即為TSMC的拓撲，與傳統(tǒng)的AC-DC-AC變換器的拓撲相似，包含了AC-DC和DC-AC兩級，即分別為整流級和逆變級。T1和T2分別為整流級和逆變級的開關變換矩陣。結合式（2.2）、（2.3），可得TSMC輸入輸出電壓之間的變換關系式為 （2.4）T=T1T2，T為TSMC總開關變換矩陣。與CMC開關變換矩陣對比可以看出，SkpSjp+SknSjn=1時，表示k相輸入和j相輸出接通，相當于CMC的驢Skj=1；SkpSjp+SknSjn=0時，表示k相輸入和j相輸出斷開，相當于CMC的Skj=0。因此，SkpSjp+SknSjn=Skj，TSMC開關變換矩陣與CMC開關變換矩陣等效，二者具有相同的輸入輸出變換功能。2.1.2 典型的雙級矩陣變換器拓撲結構TSMC是直流環(huán)節(jié)無需儲能元件的三相交流-直流-交流的兩級變換結構。輸入側的交流-直流電路為整流級，輸出側的直流-交流電路為逆變級。與傳統(tǒng)的交-直-交變換器相比，TSMC的直流側不需要濾波元件。采用空間矢量調制技術時，整流級輸出的直流側電壓為PWM電壓，逆變級則將直流PWM電壓轉換成頻率、幅值可調的三相交流電。TSMC的拓撲結構如圖2-2所示。圖2-2 雙級矩陣變換器的拓撲結構要提供能量雙向傳輸，TSMC的功率開關要選用雙向功率開關，由于受電力電子技術的限制，目前只能用兩個單向功率開關來組成一個雙向開關，因此，TSMC共需要24個單向開關。然而在一定的約束條件下，如控制整流級的輸出電壓極性始終為正，則逆變級只需要采用單向開關，所以就形成了18個單向開關的TSMC電路，如圖2-2所示。如果再進一步增加約束條件，則TSMC的開關數(shù)量還可以再減少。如15開關電路和12開關電路，甚至9開關電路。在此不深入研究，本文中主要以18開關電路的TSMC作為研究對象。2.2 雙空間矢量調制策略2.2.1整流級的空間矢量調制原理設TSMC的三相輸入相電壓為 (2.5)式中表示輸入相電壓角頻率；為輸入相電壓幅值。 TSMC中兩級電路協(xié)調控制，整流級調制的目的是要得到p極為正，n極為負的的直流電壓，同時應保證能夠得到最大的電壓利用率。將輸入相電壓劃分為6個扇區(qū)，所以如圖2-3所示圖2-3 輸入相電壓六扇區(qū)劃分整流級六個雙向開關可合成六個輸入電流有效空間矢量，如圖2-4(a)所示，除此之外整流級還有三個零矢量。圖2-4 整流級空間矢量扇區(qū)分布圖2-4(a)中括號里的數(shù)字按順序分別代表a、b、c相橋臂上下開關通斷狀態(tài)，“l(fā)”表示同直流p極相連的開關導通，“0”表示同直流n極相連的開關導通，“X”代表所在相上下開關全部處于斷開狀態(tài)。圖2-4（b）中是輸入電流參考矢量，在扇區(qū)中可由相鄰電流矢量和來合成，以第一扇區(qū)為例，其輸入電流的參考矢量可通過相鄰電流矢量和以及零矢量合成，他們對應的開關狀態(tài)分別為“1X0”、 “10X”,在相應開關狀態(tài)下產(chǎn)生的電壓分別為和。設、分別為、的開關占空比，可得開關占空比的計算公式為 （2.6）式中，（）為電流調制系數(shù)。2.2.2 逆變級的空間矢量調制原理逆變級六個開關可合成六個線電壓有效空間矢量（）和兩個零矢量，圖2.5(a)中括號里的數(shù)字按順序分別代表A、B、C三相橋臂上下開關通斷狀態(tài)，“1”表示同直流p極相連的開關導通，“0”表示同直流n極相連的開關導通。其余開關處于關斷狀態(tài)。為了分析的方便，假設直流電壓恒定，線電壓有效空間矢量幅值為，如圖2.5(b)所示。圖2-5 逆變級空間矢量扇區(qū)分布設是要得到的某一瞬間的輸出線電壓空間矢量，處于逆變級空間矢量扇區(qū)的某一個扇區(qū)，如圖2-5（a）所示?？捎善湎噜弮捎行噶亢鸵约傲闶噶亢铣桑鐖D2-5（b）所示。他們的關系式為 (2.7)式中、分別為、的調制占空比逆變級電壓矢量的占空比為 (2.8)式中（）為逆變級調制系數(shù)。圖2-6 一個PWM開關周期內兩級開關協(xié)調控制過程逆變級的調制與整流級協(xié)調進行，如圖2-6所示，在一個PWM期內，以第一扇區(qū)為例，逆變級分別在整流級輸出的和下進行調制，如圖2-6（a）所示。在這兩個不同的電壓下逆變級分別采用的電壓矢量是相同，且在兩個直流電壓下逆變級電壓矢量的調制占空比是相同的，圖2-6（b）為逆變級的開關矢量分配。逆變級開關采用常規(guī)的死區(qū)換流，整流級開關采用零電流換流，當逆變級輸出零電壓時，整流級的開關進行切換，如圖2-6（c）所示，將逆變級的零電壓矢量進行分配，實現(xiàn)零電流換流。2.2.3 TSMC的開關函數(shù)如要得到的參考輸入電流矢量位于整流級矢量扇區(qū)中的第一扇區(qū)，可以推導出一個PWM周期內直流平均電壓為 (2.9)其矩陣形式為 = (2.10)設TSMC直流平均電流為常量，可得整流級三相輸入電流為 (2.11)其矩陣形式為 = (2.12)式中為整流級第一扇區(qū)占空比調制變換矩陣 (2.13)同理可推導出當要合成的參考輸入電流矢量位于其他扇區(qū)時的占空比形式的調制變換矩陣。設為輸入功率因數(shù)角，在第一扇區(qū)內，將其和式（2.6）帶入式（2.13）中可得第一扇區(qū)調制變換矩陣對應的開關函數(shù) (2.14)將式（2.14）帶入式（2.12）中，得 = (2.15)由式（2.15）可知，為常量時，整流級三相輸入電流正弦對稱，其相位滯后輸入相電壓。通過對中的設置可以調節(jié)輸入功率因數(shù)角，因此將仍稱為輸入功率因數(shù)控制量。對于18開關的TSMC，的調節(jié)范圍為（）。假設逆變級輸出線電壓矢量位于逆變級矢量扇區(qū)中的第一扇區(qū)時，其三相輸出線電壓在一個PWM周期內的平均值為 (2.16)在一個PWM周期內直流電流平均值用矩陣形式表示為 (2.17)式中，為輸出相電流，為逆變級第一扇區(qū)的占空比形式的調制變換矩陣 (2.18)同理可推導出逆變級其他扇區(qū)的調制變換矩陣。設參考輸出相電壓角頻率為，初始相位角為，則各扇區(qū)(j為區(qū)間號)。所以可得通用逆變級開關函數(shù)為 (2.19)決定了TSMC期望輸出電壓的頻率，決定了輸出電壓的初相角，決定了輸出電壓幅值。定義一個參考相電壓, 與整流級的通用開關函數(shù)的頻率和相位相同，且幅值為1，可得 (2.20)以整流級第一扇區(qū)為例，結合式（2.14）和式（2.20）可得到參考電壓和占空比之間的關系為 (2.21)由此可得到占空比的簡化算法 同理可求得其他扇區(qū)的開關占空比計算公式。見表2-1。表2-1 整流級的開關占空比計算對于逆變級來說，同樣也可得到占空比的簡化算法，定義一個與逆變級通用開關函數(shù)頻率和相位相同的參考電壓 (2.22)以逆變級第一扇區(qū)為例，結合式（2.18）、式（2.19）和式（2.22）可得到參考電壓與開關占空比的關系為= (2.23)由此得到逆變級開關占空比的簡化計算公式同理可求得其他扇區(qū)的開關占空比的簡化計算公式，見表2-2。表2-2 逆變級的開關占空比計算2.3 仿真研究圖2-7 TSMC帶阻感負載的仿真模型如圖2-7所示，本文使用MATLAB軟件搭建了基于TSMC帶阻感負載的仿真模型，采用雙空間矢量調制策略。其中模型參數(shù)為：輸入電源為三相對稱的正弦電壓，相電壓為220V，頻率為50Hz；輸入輸出端各有一個LC濾波器，輸入端LC濾波電感為500uH，電容為45uF，輸出端LC濾波電感為900uH，電容為17uF；負載為三相對稱的阻感負載，其中每一相電感為3mH，每一相電阻為5；調制周期為0.1ms;仿真采用ode15s算法。設置整流級的參考電壓和逆變級的參考電壓的幅值均為1V，頻率為50Hz,仿真得到輸出端未加濾波器的線電壓如圖2-8所示；濾波后的輸出線電壓如圖2-9所示；以及中間環(huán)節(jié)的直流電壓如圖2-10所示。由仿真結果可看出，輸出線電壓幅值與輸入電源的電壓幅值為1倍的關系，其頻率與參考電壓的頻率一致，相位未發(fā)生變化。圖2-8 未濾波的輸出線電壓波形圖2-9 濾波后輸出線電壓波形圖2-10 直流電壓波形設置逆變級的參考電壓幅值為0.5V，頻率為50Hz，得到輸出線電壓波形如圖2-11所示，其電壓幅值此時為電源電壓的0.5倍，頻率不變。圖2-11 幅值為0.5倍的輸出線電壓波形如圖2-12所示為整流級參考電壓時的輸入電壓和輸入電流的波形；圖2-13所示為，和的波形。由圖2-12和圖2-13對比可知通過改變整流級的參考電壓的輸入功率因數(shù)角可以改變輸入電壓與輸入電流之間的相位差，從而調節(jié)TSMC的輸入功率因數(shù)。圖2-12 和的波形圖2-12 和的波形2.4 本章小結本章比較了CMC與TSMC的拓撲結構以及輸出性能，介紹了TSMC的拓撲結構，對基于TSMC的雙空間矢量調制策略進行了分析。最后搭建了仿真模型，得到仿真波形。第三章 基于雙級矩陣變換器的永磁同步電機矢量控制3.1 永磁同步電機結構以及數(shù)學模型3.1.1 永磁同步電機的結構永磁同步電動機結構簡單、體積小、重量輕、損耗小、效率高，和直流電機相比，它沒有直流電機的換向器和電刷等缺點。和異步電動機相比，它由于不需要無功勵磁電流，因而效率高，功率因數(shù)高，力矩慣量比大，定子電流和定子電阻損耗減小，且轉子參數(shù)可測、控制性能好；但它與異步電機相比，也有成本高、起動困難等缺點。和普通同步電動機相比，它省去了勵磁裝置，簡化了結構，提高了效率。永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)能夠實現(xiàn)高精度、高動態(tài)性能、大范圍的調速或定位控制，因此永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)引起了國內外學者的廣泛關注。永磁同步電動機的轉子磁鋼的幾何形狀不同，使得轉子磁場在空間的分布可分為正弦波和梯形波兩種。因此，當轉子旋轉時，在定子上產(chǎn)生的反電動勢波形也有兩種：一種為正弦波；另一種為梯形波。這樣就造成兩種同步電動機在原理、模型及控制方法上有所不同，為了區(qū)別由它們組成的永磁同步電動機交流調速系統(tǒng)，習慣上又把正弦波永磁同步電動機組成的調速系統(tǒng)稱為正弦型永磁同步電動機（PMSM）調速系統(tǒng)。 永磁同步電動機轉子磁路結構不同，則電動機的運行特性、控制系統(tǒng)等也不同。根據(jù)永磁體在轉子上的位置的不同，永磁同步電動機主要可分為：表面式和內置式。在表面式永磁同步電動機中，永磁體通常呈瓦片形，并位于轉子鐵心的外表面上，這種電機的重要特點是直、交軸的主電感相等；而內置式永磁同步電機的永磁體位于轉子內部，永磁體外表面與定子鐵心內圓之間有鐵磁物質制成的極靴，可以保護永磁體。這種永磁電機的重要特點是直、交軸的主電感不相等。因此，這兩種電機的性能有所不同。3.1.2 永磁同步電機的數(shù)學模型1、定子電壓方程為 （3.1）式中、是定子電流的dq軸分量；R是定子的電阻；、為定子磁鏈的dq軸分量；是同步電角速度；代表極對數(shù)； 代表永磁體磁鏈。2、定子磁鏈方程為 （3.2）3、電磁轉矩計算公式 （3.3）4、運動方程不計摩擦力矩作用時的運動方程為 （3.4）式中為電機的機械旋轉角速度。J為電機的轉動慣量和負載的轉動慣量之和。3.2 坐標變換原理在分析永磁同步電機的矢量控制之前需對DQ坐標變換進行一定了解，通過DQ坐標變換可以將復雜的三相交流電的控制問題轉化為對直流電的控制，在電機控制中實現(xiàn)在DQ軸上的解耦控制。通常我們在實現(xiàn)系統(tǒng)控制時會用到如下幾種坐標變換方法：靜止的三相和兩相坐標系間進行變換(3s/2s變換)，及其反變換(2s/3s變換)；靜止兩相和旋轉兩相坐標系間變換(2s/2r變換)，及其反變換(2r/2s變換)；三相靜止和兩相旋轉坐標系間變換(3s/2r變換)，及其反變換(2r/3s變換)。1、 三相靜止坐標系變換到兩相靜止坐標系（ABC-）圖3-1 靜止的三相和兩相坐標變換原理圖根據(jù)磁動勢和功率相等的等效原則，兩相與三相的合成磁動勢相等，即圖3-1中，兩相與三相繞組的磁動勢在坐標軸上投影相等，即 (3.5) (3.6)其矩陣形式為： (3.7)應考慮到坐標變換前后的總功率不變，所以，式（3.7）中匝數(shù)比。可得 (3.8)所以，靜止的三相和兩相坐標系間坐標