雙級(jí)矩陣變換器容錯(cuò)控制策略設(shè)計(jì)論文.docx

畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書題 目：雙級(jí)矩陣變換器容錯(cuò)控制策略學(xué) 院：信息工程學(xué)院 專 業(yè)：自動(dòng)化 學(xué) 號(hào)： 姓 名： 指導(dǎo)教師： 完成日期： 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）任務(wù)書論文（設(shè)計(jì)）題目： 雙級(jí)矩陣變換器容錯(cuò)控制策略 學(xué)號(hào)： 姓名： 專業(yè)： 自動(dòng)化 指導(dǎo)教師： 系主任： 一、主要內(nèi)容及基本要求主要內(nèi)容：1、學(xué)習(xí)雙級(jí)矩陣變換器的基本知識(shí)。包括TSMC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、工作原理、數(shù)學(xué)模型，并重點(diǎn)研究TSMC的調(diào)制策略。 2、研究永磁同步電機(jī)的矢量控制系統(tǒng)，學(xué)習(xí)雙閉環(huán)PI控制器的設(shè)計(jì)方法、建立電機(jī)的數(shù)學(xué)模型、坐標(biāo)變換原理等。 3、了解容錯(cuò)控制的概念，研究實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)控制的方法分類，以及在其他系統(tǒng)中如何實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)控制。 4、研究預(yù)測(cè)控制的原理及其實(shí)現(xiàn)方法，基于預(yù)測(cè)控制算法在TSMC的閉環(huán)控制系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)。 基本要求：1、掌握TSMC的工作原理及其調(diào)制策略，并通過(guò)仿真實(shí)現(xiàn)TSMC正常運(yùn)行。 2、掌握基于TSMC的永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的工作原理，并通過(guò)仿真來(lái)實(shí)現(xiàn)控制電機(jī)正常運(yùn)行。 3、在仿真中編程實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)控制，以預(yù)測(cè)控制作為TSMC的事故后控制策略，通過(guò)仿真驗(yàn)證這一方法。 二、重點(diǎn)研究的問(wèn)題 1、雙級(jí)矩陣變換器的工作原理及其應(yīng)用。 2、雙級(jí)矩陣變換器的開關(guān)管出現(xiàn)故障后的容錯(cuò)控制策略。 3、容錯(cuò)控制策略在雙級(jí)矩陣變換器的閉環(huán)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。 三、進(jìn)度安排序號(hào)各階段完成的內(nèi)容完成時(shí)間1確定畢業(yè)設(shè)計(jì)的題目2013.11.102搜集參考資料、相關(guān)文獻(xiàn)，并完成初步閱讀2014.1.11-2014.2.203學(xué)習(xí)雙級(jí)矩陣變換器容錯(cuò)控制策略的原理2014.2.20-2014.3.154學(xué)習(xí)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(jié)果2014.4.1-2014.4.206撰寫畢業(yè)設(shè)計(jì)論文2014.4.20-2014.5.97檢查仿真結(jié)果2014.5.178答辯2014.5.24四、應(yīng)收集的資料及主要參考文獻(xiàn)1 鄧文浪.雙級(jí)矩陣變換器及其控制策略研究D.中南大學(xué),2007. 2 鄧文浪,楊欣榮,朱建林.基于dq坐標(biāo)雙級(jí)矩陣變換器的閉環(huán)控制研究J.電氣傳動(dòng),2007,37(2): 20-24. 3 劉見,粟梅,孫堯等. 基于雙級(jí)矩陣變換器的永磁同步電機(jī)矢量控制J.電力電子技術(shù),2010, 44(11): 65-68. 4 葛寶明,蔣靜坪.永磁同步電機(jī)磁阻轉(zhuǎn)矩的有效利用及其預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)J.電工技術(shù)學(xué)報(bào),2000, 15(3): 6-10. 5 王宏佳,徐殿國(guó),楊明.永磁同步電機(jī)改進(jìn)無(wú)差拍電流預(yù)測(cè)控制J.電工技術(shù)學(xué)報(bào),2011, 26(6): 39-45. 6 牛里, 楊明, 劉可述等. 永磁同步電機(jī)電流預(yù)測(cè)控制算法J. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 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(shè)計(jì)）評(píng)閱表學(xué)號(hào) 姓名 專業(yè) 自動(dòng)化 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）題目： 雙級(jí)矩陣變換器容錯(cuò)控制策略 評(píng)價(jià)項(xiàng)目評(píng) 價(jià) 內(nèi) 容選題1.是否符合培養(yǎng)目標(biāo)，體現(xiàn)學(xué)科、專業(yè)特點(diǎn)和教學(xué)計(jì)劃的基本要求，達(dá)到綜合訓(xùn)練的目的；2.難度、份量是否適當(dāng)；3.是否與生產(chǎn)、科研、社會(huì)等實(shí)際相結(jié)合。能力1.是否有查閱文獻(xiàn)、綜合歸納資料的能力；2.是否有綜合運(yùn)用知識(shí)的能力；3.是否具備研究方案的設(shè)計(jì)能力、研究方法和手段的運(yùn)用能力；4.是否具備一定的外文與計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力；5.工科是否有經(jīng)濟(jì)分析能力。論文（設(shè)計(jì)）質(zhì)量1.立論是否正確，論述是否充分，結(jié)構(gòu)是否嚴(yán)謹(jǐn)合理；實(shí)驗(yàn)是否正確，設(shè)計(jì)、計(jì)算、分析處理是否科學(xué)；技術(shù)用語(yǔ)是否準(zhǔn)確，符號(hào)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(wú)觀點(diǎn)提煉，綜合概括能力如何；3.有無(wú)理論價(jià)值或?qū)嶋H應(yīng)用價(jià)值，有無(wú)創(chuàng)新之處。綜合評(píng) 價(jià)評(píng)閱人： 年 月 日 湘 潭 大 學(xué) 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）鑒定意見 學(xué)號(hào)： 姓名： 專業(yè)： 自動(dòng)化 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)說(shuō)明書） 47 頁(yè) 圖 表 45 張論文（設(shè)計(jì)）題目：雙級(jí)矩陣變換器容錯(cuò)控制策略 主要內(nèi)容： 學(xué)習(xí)了雙級(jí)矩陣變換器的基本知識(shí)，包括TSMC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、工作原理、數(shù)學(xué)模型，并重點(diǎn)研究了TSMC的調(diào)制策略。掌握了基于TSMC的永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的控制方法，建立了永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)學(xué)習(xí)DQ軸解耦的原理以及PI控制器的設(shè)計(jì)方法，在MATLAB軟件中搭建了永磁同步電機(jī)矢量控制模型。以之前的研究為基礎(chǔ)，研究了一種基于預(yù)測(cè)控制 算法的容錯(cuò)控制策略，首先掌握了預(yù)測(cè)控制的實(shí)現(xiàn)方法，搭建了采用預(yù)測(cè)控制的TSMC仿真模型，在仿真中通過(guò)S函數(shù)實(shí)現(xiàn)了預(yù)測(cè)控制。最后將容錯(cuò)控策略運(yùn)用到了TSMC中，對(duì)比其正常狀態(tài)、故障狀態(tài)以及容錯(cuò)后的波形，分析了容錯(cuò)效果。指導(dǎo)教師評(píng)語(yǔ)該生能獨(dú)立查閱文獻(xiàn)；有獲取各種信息及新知識(shí)的能力。能周密、合理地設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案；綜合運(yùn)用知識(shí)能力強(qiáng)。按期圓滿完成規(guī)定的任務(wù)，工作量飽滿；學(xué)習(xí)工作積極勤奮。設(shè)計(jì)說(shuō)明書結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)，邏輯性強(qiáng)，論述層次清晰；格式符合學(xué)校要求。有較強(qiáng)的實(shí)際動(dòng)手能力和計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力。同意其參加答辯，建議成績(jī)?cè)u(píng)定為 。指導(dǎo)教師： 年 月 日答辯簡(jiǎn)要情況及評(píng)語(yǔ)該生在答辯過(guò)程中敘述清楚、思路清晰，語(yǔ)言表達(dá)準(zhǔn)確;專業(yè)知識(shí)扎實(shí)。回答問(wèn)題有理論根據(jù)，基本概念清楚。問(wèn)題回答準(zhǔn)確。根據(jù)答辯情況，答辯小組同意其成績(jī)?cè)u(píng)定為 。答辯小組組長(zhǎng)： 年 月 日答辯委員會(huì)意見經(jīng)答辯委員會(huì)討論，同意該畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）成績(jī)?cè)u(píng)定為 。答辯委員會(huì)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(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀21.3 預(yù)測(cè)控制31.4課題主要研究?jī)?nèi)容和重點(diǎn)4第二章 雙級(jí)矩陣變換器的控制研究62.1 雙級(jí)矩陣變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)62.1.1 常規(guī)矩陣變換器到雙級(jí)矩陣變換的演變62.1.2 典型的雙級(jí)矩陣變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)72.2 雙空間矢量調(diào)制策略72.2.1 整流級(jí)的空間矢量調(diào)制原理72.2.2 逆變級(jí)的空間矢量調(diào)制原理92.2.3 TSMC的開關(guān)函數(shù)102.3 仿真研究122.4 本章小結(jié)14第三章 基于雙級(jí)矩陣變換器的永磁同步電機(jī)矢量控制153.1 永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)以及數(shù)學(xué)模型153.1.1 永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)153.1.2 永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型153.2 坐標(biāo)變換原理163.3 永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)193.3.1 矢量控制方法193.3.2 永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)193.3.3 電流環(huán)PI控制器設(shè)計(jì)213.3.4 轉(zhuǎn)速PI控制器設(shè)計(jì)223.4 控制系統(tǒng)仿真研究243.5 本章小結(jié)26第四章 永磁同步電機(jī)電流預(yù)測(cè)控制274.1預(yù)測(cè)控制策略274.1.1 整流級(jí)調(diào)制策略274.1.2 逆變級(jí)調(diào)制策略284.1.3 TSMC整體開關(guān)矢量調(diào)制284.2基于雙級(jí)矩陣變換器的永磁同步電機(jī)預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)294.2.1 TSMC開關(guān)數(shù)學(xué)模型304.2.2 永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型304.3永磁同步電機(jī)電流預(yù)測(cè)控制實(shí)現(xiàn)流程314.4仿真研究324.5 本章小結(jié)33第五章 雙級(jí)矩陣變換器容錯(cuò)控制研究345.1基于預(yù)測(cè)控制算法的容錯(cuò)控制策略345.2 雙級(jí)矩陣變換器帶阻感負(fù)載系統(tǒng)預(yù)測(cè)模型355.2.1 開關(guān)數(shù)學(xué)模型355.2.1 負(fù)載模型355.3 容錯(cuò)控制實(shí)現(xiàn)流程355.4 仿真研究375.5 本章小結(jié)38第六章 總結(jié)39致謝40參考文獻(xiàn)41附錄一：畢業(yè)設(shè)計(jì)開題報(bào)告43附錄二：畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中期檢查及評(píng)語(yǔ)46附錄三：學(xué)生答辯記錄表47雙級(jí)矩陣變換器容錯(cuò)控制策略摘要 在電力電子領(lǐng)域中，電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的可靠性對(duì)電力系統(tǒng)有著重要的影響。對(duì)于一些要求高可靠性的系統(tǒng)，通過(guò)采用相應(yīng)的容錯(cuò)控制策略，極大地提高了系統(tǒng)應(yīng)對(duì)故障的處理能力。因此容錯(cuò)控制已經(jīng)成為保障電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的一項(xiàng)重要技術(shù)。本文以雙級(jí)矩陣變換器（簡(jiǎn)稱TSMC）為基礎(chǔ)，研究TSMC驅(qū)動(dòng)永磁同步電機(jī)的矢量控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了雙閉環(huán)控制。然后采用預(yù)測(cè)控制實(shí)現(xiàn)對(duì)PMSM的閉環(huán)控制，最后在TSMC系統(tǒng)上采用基于預(yù)測(cè)控制算法的容錯(cuò)控制策略，通過(guò)仿真驗(yàn)證了該容錯(cuò)策略的可行性。關(guān)鍵字：雙級(jí)矩陣變換器；SVPWM調(diào)制；預(yù)測(cè)控制；容錯(cuò)控制；永磁同步電動(dòng)機(jī)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(xué)技術(shù)不斷取得新的成果，現(xiàn)代控制系統(tǒng)也越來(lái)越復(fù)雜，越復(fù)雜的系統(tǒng)對(duì)其可靠性和安全性的要求就越高，因?yàn)橐坏┻@類系統(tǒng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障，導(dǎo)致重大事故將對(duì)經(jīng)濟(jì)、生命安全造成巨大的損失。歷史上有無(wú)數(shù)的悲劇不斷上演。因此，人們不得不想辦法來(lái)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(jì)效益。在此背景下，系統(tǒng)的容錯(cuò)控制研究是現(xiàn)代系統(tǒng)控制中迫切需要解決的問(wèn)題。多年以來(lái)，容錯(cuò)控制系統(tǒng)的研究一直是各個(gè)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，不管什么系統(tǒng)都需要具有一定的容錯(cuò)性能，才能夠安全可靠地運(yùn)用到實(shí)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(xiǎn)設(shè)施等，而這些系統(tǒng)一旦發(fā)生事故將造成無(wú)法估量的損失。如何設(shè)計(jì)出高容錯(cuò)性能的系統(tǒng)一直都是各個(gè)領(lǐng)域研究人員面對(duì)的課題。簡(jiǎn)單的來(lái)說(shuō)，容錯(cuò)控制是指當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，通過(guò)軟硬件重構(gòu)等方法自動(dòng)補(bǔ)償故障的影響來(lái)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(yùn)行，容錯(cuò)控制對(duì)實(shí)際系統(tǒng)的性能有著重大的影響，尤其是對(duì)于一些要求高可靠性的系統(tǒng)。通過(guò)采用相應(yīng)的容錯(cuò)控制策略，極大地提高了系統(tǒng)應(yīng)對(duì)故障的處理能力。如今電力電子技術(shù)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(diǎn)：輸入、輸出波形質(zhì)量良好，減小諧波；輸入功率因數(shù)可控；能量可雙向流動(dòng)；簡(jiǎn)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(yīng)用前景。從結(jié)構(gòu)上劃分，矩陣變換器可分成常規(guī)矩陣變換器（簡(jiǎn)稱CMC）和雙級(jí)矩陣變換器兩種，除了兩者的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、調(diào)制策略以及控制范圍等方面有所不同，其本質(zhì)其實(shí)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(fù)雜，換流步驟相對(duì)而言實(shí)現(xiàn)困難，鉗位電路復(fù)雜。這些缺點(diǎn)在實(shí)際工程應(yīng)用中制約了CMC的發(fā)展。而TSMC彌補(bǔ)了CMC在這方面的不足，TSMC是CMC經(jīng)過(guò)優(yōu)化后的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，TSMC不只具有CMC同樣的優(yōu)良性能，并且簡(jiǎn)化了換流策略，拓?fù)渲袦p少了電力裝置設(shè)備，降低了成本，在一定的約束條件下，TSMC可以進(jìn)一步簡(jiǎn)化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，減少開關(guān)數(shù)量，根據(jù)不同的使用情況選用不同的電路結(jié)構(gòu)。本文就是基于TSMC來(lái)進(jìn)行研究。在電力系統(tǒng)中，越復(fù)雜的系統(tǒng)越容易出現(xiàn)故障，而一旦故障沒(méi)有得到很好的控制，對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)都將帶來(lái)很大的影響，對(duì)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(qū)動(dòng)電路。因此，容錯(cuò)控制的研究對(duì)象就是電力變換器中的開關(guān)故障。因此，對(duì)于TSMC這類多開關(guān)的電力變換器，一旦開關(guān)出現(xiàn)故障，對(duì)系統(tǒng)的可靠性和安全性會(huì)造成很大的影響，進(jìn)而對(duì)經(jīng)濟(jì)效益和人身安全造成危害。所以，基于TSMC設(shè)計(jì)出一種安全可行的容錯(cuò)控制系統(tǒng)是一項(xiàng)值得深入研究的課題。容錯(cuò)控制一直是電力電子領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，對(duì)于新型電力變換器，良好的容錯(cuò)性能能夠幫助它更好的應(yīng)用到實(shí)際工程中。1.1 國(guó)內(nèi)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(cuò)控制(Fault Tolerant Control，F(xiàn)TC)的思想。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，容錯(cuò)控制研究已經(jīng)逐漸成為一個(gè)獨(dú)立的、完整的、富有挑戰(zhàn)性的研究課題。1985 年，國(guó)外學(xué)者們提出容錯(cuò)控制的分類方法，將容錯(cuò)控制分為主動(dòng)容錯(cuò)控制和被動(dòng)容錯(cuò)控制，如今已成為現(xiàn)代容錯(cuò)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(guān)于容錯(cuò)控制理論的綜述文章，提出了容錯(cuò)控制研究亟需解決的難題以及解決辦法，為容錯(cuò)控制研究提出了指導(dǎo)性意見。隨著一次次因系統(tǒng)故障原因?qū)е碌闹卮鬄?zāi)難不斷發(fā)生，人們不得不加快對(duì)容錯(cuò)控制理論研究的步伐。在1993年成立了技術(shù)過(guò)程的故障診斷與安全性技術(shù)委員會(huì)(簡(jiǎn)稱IFAC)，在IFAC的領(lǐng)導(dǎo)下，容錯(cuò)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(cuò)控制方面的國(guó)際專題學(xué)術(shù)會(huì)議。1999年 7 月，第 14 屆 IFAC國(guó)際專題學(xué)術(shù)會(huì)議在北京召開，此次會(huì)議中故障診斷與容錯(cuò)控制方面的論文達(dá)到 60 余篇。容錯(cuò)控制策略研究成為最熱門的研究課題之一。容錯(cuò)控制的思想產(chǎn)生的時(shí)間不久，我國(guó)對(duì)容錯(cuò)控制理論的研究起步也比較早，我國(guó)在容錯(cuò)控制理論上的研究在幾十年來(lái)一直在不斷發(fā)展。1988年，葉銀忠等發(fā)表了國(guó)內(nèi)關(guān)于容錯(cuò)控制理論的第一篇綜述性文章。而后，國(guó)內(nèi)在容錯(cuò)控制策略理論上的研究進(jìn)入蓬勃發(fā)展的時(shí)期，當(dāng)時(shí)的研究人員已經(jīng)將容錯(cuò)控制策略應(yīng)用于工業(yè)設(shè)備的故障處理，緩解了設(shè)備因故障而大大縮短其使用壽命，以及設(shè)備運(yùn)行的安全性和可靠性得不到保障等比較嚴(yán)重的情況。容錯(cuò)控制發(fā)展至今只有 30 多年的歷史，是一門新興交叉學(xué)科。航空、航天領(lǐng)域和核設(shè)施方面的特殊要求是這門學(xué)科迅速發(fā)展的一個(gè)最重要的動(dòng)力來(lái)源。美國(guó)空軍從 70 年代起就不斷投入巨資支持容錯(cuò)控制的發(fā)展，力求開發(fā)出具有高度容錯(cuò)能力的戰(zhàn)斗機(jī)，甚至在多個(gè)翼面受損時(shí)，也能保持戰(zhàn)斗機(jī)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(xué)科，容錯(cuò)控制與魯棒控制、故障檢測(cè)與診斷、自適應(yīng)控制、智能控制等息息相關(guān)?，F(xiàn)代控制理論、信號(hào)處理、模式識(shí)別、最優(yōu)化方法、決策論、統(tǒng)計(jì)數(shù)學(xué)等構(gòu)成了容錯(cuò)控制的理論基礎(chǔ)。容錯(cuò)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包含兩個(gè)問(wèn)題：故障診斷機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和容錯(cuò)控制器的設(shè)計(jì)。故障診斷技術(shù)的發(fā)展，是應(yīng)用現(xiàn)代控制理論、數(shù)理統(tǒng)計(jì)、人工智能等方法分析處理非正常工況下系統(tǒng)特性的結(jié)果；容錯(cuò)控制則是保證當(dāng)控制系統(tǒng)中的某些部件發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)仍能按期望的性能指標(biāo)或性能指標(biāo)略有降低（但可接受）的情況下，還能安全地完成控制任務(wù)。顯然，控制系統(tǒng)的故障診斷和容錯(cuò)控制有著密切的聯(lián)系，故障診斷技術(shù)的發(fā)展為容錯(cuò)控制的研究提供了必要的基礎(chǔ)和前提準(zhǔn)備，容錯(cuò)控制為故障診斷的研究注入了新的活力，這兩個(gè)方面以其重要的理論和實(shí)踐上的意義和由此產(chǎn)生的深遠(yuǎn)的影響成為了引人入勝的研究熱點(diǎn)。1.3 預(yù)測(cè)控制預(yù)測(cè)控制的發(fā)展主要從實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中衍生出來(lái)的，對(duì)于系統(tǒng)模型復(fù)雜，不容易準(zhǔn)確建立模型的控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，預(yù)測(cè)控制能夠簡(jiǎn)單方便地應(yīng)用到實(shí)際工程中，因此預(yù)測(cè)控制一直以來(lái)都是工程界研究的重點(diǎn)。預(yù)測(cè)控制理論已經(jīng)趨近完善，并且在化工、電力、冶金、機(jī)械等生產(chǎn)部門的控制系統(tǒng)中得到了比較廣泛的應(yīng)用。預(yù)測(cè)控制是在上世紀(jì)70 年代末期產(chǎn)生的一類新型的計(jì)算機(jī)控制方法，實(shí)際是一種基于計(jì)算機(jī)控制的最優(yōu)化算法。近30年以來(lái)，預(yù)測(cè)控制的發(fā)展歷程為：在70 年代，工業(yè)預(yù)測(cè)控制算法大多是以控制對(duì)象為非參數(shù)模型，人們?cè)谏a(chǎn)過(guò)程的測(cè)驗(yàn)中很容易地知道，采用滾動(dòng)推移的方法可實(shí)現(xiàn)在線的優(yōu)化控制，無(wú)需了解生產(chǎn)的過(guò)程和模型的結(jié)構(gòu)，可以很方便地設(shè)計(jì)控制器，在工程應(yīng)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(yīng)用，比較典型的算法有建立在脈沖響應(yīng)基礎(chǔ)上的預(yù)測(cè)控制算法、建立在階躍響應(yīng)序列模型基礎(chǔ)上的動(dòng)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?cè)趫?jiān)持模型預(yù)測(cè)的最小方差自校正控制、自適應(yīng)調(diào)制、在線辨識(shí)等原理的基礎(chǔ)上，吸取了MAC、DMC 中的預(yù)測(cè)優(yōu)化的方法，結(jié)合預(yù)測(cè)控制中的多步預(yù)測(cè)優(yōu)化控制策略的思想，發(fā)展起來(lái)一種廣義預(yù)測(cè)控制(Generalized Predietive Control，簡(jiǎn)記為GPC)的自適應(yīng)預(yù)測(cè)控制算法。 在20 世紀(jì)90 年代，人們?cè)谶@個(gè)階段漸漸形成了以最優(yōu)控制思想為理論指導(dǎo)的具有可靠穩(wěn)定性的預(yù)測(cè)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(duì)預(yù)測(cè)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(yīng)用到實(shí)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(shí)綜合型預(yù)測(cè)控制思想存在的另一個(gè)問(wèn)題是狀態(tài)不可測(cè)，而采用狀態(tài)估計(jì)器的預(yù)測(cè)控制綜合策略在目前來(lái)說(shuō)還比較保守，仍在發(fā)展中。通常情況下，預(yù)測(cè)控制在系統(tǒng)每個(gè)采樣點(diǎn)只求解一個(gè)優(yōu)化問(wèn)題，然后得到這個(gè)采樣時(shí)刻與未來(lái)時(shí)刻的控制作用，但是只實(shí)際實(shí)施這個(gè)采樣點(diǎn)刻的控制作用，在下一個(gè)采樣時(shí)刻，系統(tǒng)會(huì)重復(fù)上面的優(yōu)化問(wèn)題?？傮w來(lái)說(shuō)，預(yù)測(cè)控制是一種在給定時(shí)域內(nèi)不停地求解同一個(gè)優(yōu)化問(wèn)題而獲得控制輸入的方法。由于預(yù)測(cè)控制的模型結(jié)構(gòu)具有不唯一性，使得它可以根據(jù)控制對(duì)象的特點(diǎn)，以最簡(jiǎn)單的方式來(lái)處理信息和建立系統(tǒng)的預(yù)測(cè)模型；由于其優(yōu)化模式和預(yù)測(cè)模式具有非經(jīng)典性，使得它可以在優(yōu)化過(guò)程中把實(shí)際系統(tǒng)中存在的不確定因素考慮進(jìn)來(lái)，形成動(dòng)態(tài)優(yōu)化，處理多種結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)化目標(biāo)。它讓設(shè)計(jì)者可以自由地選擇所需優(yōu)化性能指標(biāo)的形式。因此，預(yù)測(cè)控制的預(yù)測(cè)和優(yōu)化模式對(duì)以前的最優(yōu)控制有一點(diǎn)點(diǎn)地修正，使建模有所簡(jiǎn)化，并考慮到了不確定性和其他復(fù)雜性的影響，因而更加地接近于復(fù)雜系統(tǒng)的實(shí)際要求。預(yù)測(cè)控制還可以很好地解決有優(yōu)化需求的控制問(wèn)題，通過(guò)在線閉環(huán)控制來(lái)實(shí)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(yīng)用的觀點(diǎn)來(lái)看，它的最大優(yōu)勢(shì)在于它能以系統(tǒng)直觀的方式來(lái)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(jìn)性控制技術(shù)，并且它被應(yīng)用于過(guò)程控制系統(tǒng)領(lǐng)域幾十年來(lái)所取得的成功，充分地證明了預(yù)測(cè)控制有處理復(fù)雜系統(tǒng)的約束優(yōu)化控制問(wèn)題的巨大潛力。1.4 課題主要研究?jī)?nèi)容和重點(diǎn)本文在對(duì)國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究基礎(chǔ)上，對(duì)基于雙級(jí)矩陣變換器的容錯(cuò)控制的原理、基于TSMC帶永磁同步電動(dòng)機(jī)閉環(huán)控制進(jìn)行研究分析，搭建仿真模型。本文的主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)構(gòu)如下：第一章緒論部分主要介紹了容錯(cuò)控制和TSMC的研究背景、意義以及國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀。第二章主要介紹雙級(jí)矩陣變換器的基本知識(shí)。包括TSMC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、工作原理、數(shù)學(xué)模型，并重點(diǎn)分析了TSMC的調(diào)制策略。最后根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行了基于雙空間矢量調(diào)制的TSMC仿真研究，得到仿真波形。第三章主要介紹基于雙級(jí)矩陣變換器的永磁同步電動(dòng)機(jī)（簡(jiǎn)稱PMSM）矢量控制系統(tǒng)的原理，簡(jiǎn)要介紹了PMSM的結(jié)構(gòu)和原理以及數(shù)學(xué)模型，介紹了坐標(biāo)變換的原理，重點(diǎn)分析設(shè)計(jì)了雙閉環(huán)控制，設(shè)計(jì)電流環(huán)PI控制器和轉(zhuǎn)速環(huán)PI控制器，進(jìn)行仿真，得到仿真波形。第四章介紹基于TSMC的永磁同步電動(dòng)機(jī)電流預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)，介紹了預(yù)測(cè)控制原理，對(duì)負(fù)載側(cè)和開關(guān)組合建立數(shù)學(xué)模型，對(duì)電機(jī)輸出電流進(jìn)行直接預(yù)測(cè)控制，對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制和穩(wěn)定運(yùn)行，搭建仿真模型，并得到仿真結(jié)果。第五章介紹一種基于直接預(yù)測(cè)控制的容錯(cuò)控制軟件重構(gòu)法，將預(yù)測(cè)控制與開關(guān)表結(jié)合起來(lái)，通過(guò)預(yù)測(cè)控制對(duì)TSMC的開關(guān)狀態(tài)直接進(jìn)行調(diào)制，對(duì)于在故障狀態(tài)下的TSMC，容錯(cuò)控制可將故障態(tài)的開關(guān)屏蔽，然后使用預(yù)測(cè)控制從剩下的健康開關(guān)狀態(tài)選取出最適合的開關(guān)狀態(tài)完成控制動(dòng)作。從而補(bǔ)償開關(guān)故障的影響。第六章探討現(xiàn)有研究中的不足，并對(duì)以后的研究進(jìn)行展望，最后總結(jié)全文。第二章 雙級(jí)矩陣變換器的控制研究2.1 雙級(jí)矩陣變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)2.1.1 常規(guī)矩陣變換器到雙級(jí)矩陣變換的演變CMC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2-1(a)，且CMC的輸入輸出關(guān)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(guān)變換矩陣，代表了輸入輸出的變換關(guān)系。Skj代表連接矩陣變換器k相輸入和j相輸出的開關(guān)狀態(tài)，,Skj=l表示開關(guān)導(dǎo)通，Skj =0表示開關(guān)關(guān)斷。(a) 常規(guī)矩陣變換器拓?fù)?(b) 雙級(jí)矩陣變換器拓?fù)鋱D2-1 常規(guī)矩陣變換器和雙級(jí)矩陣變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)雙級(jí)矩陣變換器中，設(shè)中間兩點(diǎn)為p、n，對(duì)應(yīng)有電壓up、un其與三相輸入輸出電壓的關(guān)系為 （2.2） （2.3）式中Skw、Sjw表示k相、j相與p、n點(diǎn)之間連接開關(guān)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即為TSMC的拓?fù)?，與傳統(tǒng)的AC-DC-AC變換器的拓?fù)湎嗨?，包含了AC-DC和DC-AC兩級(jí)，即分別為整流級(jí)和逆變級(jí)。T1和T2分別為整流級(jí)和逆變級(jí)的開關(guān)變換矩陣。結(jié)合式（2.2）、（2.3），可得TSMC輸入輸出電壓之間的變換關(guān)系式為 （2.4）T=T1T2，T為TSMC總開關(guān)變換矩陣。與CMC開關(guān)變換矩陣對(duì)比可以看出，SkpSjp+SknSjn=1時(shí)，表示k相輸入和j相輸出接通，相當(dāng)于CMC的驢Skj=1；SkpSjp+SknSjn=0時(shí)，表示k相輸入和j相輸出斷開，相當(dāng)于CMC的Skj=0。因此，SkpSjp+SknSjn=Skj，TSMC開關(guān)變換矩陣與CMC開關(guān)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(jí)矩陣變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)TSMC是直流環(huán)節(jié)無(wú)需儲(chǔ)能元件的三相交流-直流-交流的兩級(jí)變換結(jié)構(gòu)。輸入側(cè)的交流-直流電路為整流級(jí)，輸出側(cè)的直流-交流電路為逆變級(jí)。與傳統(tǒng)的交-直-交變換器相比，TSMC的直流側(cè)不需要濾波元件。采用空間矢量調(diào)制技術(shù)時(shí)，整流級(jí)輸出的直流側(cè)電壓為PWM電壓，逆變級(jí)則將直流PWM電壓轉(zhuǎn)換成頻率、幅值可調(diào)的三相交流電。TSMC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2-2所示。圖2-2 雙級(jí)矩陣變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)要提供能量雙向傳輸，TSMC的功率開關(guān)要選用雙向功率開關(guān)，由于受電力電子技術(shù)的限制，目前只能用兩個(gè)單向功率開關(guān)來(lái)組成一個(gè)雙向開關(guān)，因此，TSMC共需要24個(gè)單向開關(guān)。然而在一定的約束條件下，如控制整流級(jí)的輸出電壓極性始終為正，則逆變級(jí)只需要采用單向開關(guān)，所以就形成了18個(gè)單向開關(guān)的TSMC電路，如圖2-2所示。如果再進(jìn)一步增加約束條件，則TSMC的開關(guān)數(shù)量還可以再減少。如15開關(guān)電路和12開關(guān)電路，甚至9開關(guān)電路。在此不深入研究，本文中主要以18開關(guān)電路的TSMC作為研究對(duì)象。2.2 雙空間矢量調(diào)制策略2.2.1整流級(jí)的空間矢量調(diào)制原理設(shè)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(jí)電路協(xié)調(diào)控制，整流級(jí)調(diào)制的目的是要得到p極為正，n極為負(fù)的的直流電壓，同時(shí)應(yīng)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(gè)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(jí)六個(gè)雙向開關(guān)可合成六個(gè)輸入電流有效空間矢量，如圖2-4(a)所示，除此之外整流級(jí)還有三個(gè)零矢量。圖2-4 整流級(jí)空間矢量扇區(qū)分布圖2-4(a)中括號(hào)里的數(shù)字按順序分別代表a、b、c相橋臂上下開關(guān)通斷狀態(tài)，“l(fā)”表示同直流p極相連的開關(guān)導(dǎo)通，“0”表示同直流n極相連的開關(guān)導(dǎo)通，“X”代表所在相上下開關(guān)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(lái)合成，以第一扇區(qū)為例，其輸入電流的參考矢量可通過(guò)相鄰電流矢量和以及零矢量合成，他們對(duì)應(yīng)的開關(guān)狀態(tài)分別為“1X0”、 “10X”,在相應(yīng)開關(guān)狀態(tài)下產(chǎn)生的電壓分別為和。設(shè)、分別為、的開關(guān)占空比，可得開關(guān)占空比的計(jì)算公式為 （2.6）式中，（）為電流調(diào)制系數(shù)。2.2.2 逆變級(jí)的空間矢量調(diào)制原理逆變級(jí)六個(gè)開關(guān)可合成六個(gè)線電壓有效空間矢量（）和兩個(gè)零矢量，圖2.5(a)中括號(hào)里的數(shù)字按順序分別代表A、B、C三相橋臂上下開關(guān)通斷狀態(tài)，“1”表示同直流p極相連的開關(guān)導(dǎo)通，“0”表示同直流n極相連的開關(guān)導(dǎo)通。其余開關(guān)處于關(guān)斷狀態(tài)。為了分析的方便，假設(shè)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(jí)空間矢量扇區(qū)分布設(shè)是要得到的某一瞬間的輸出線電壓空間矢量，處于逆變級(jí)空間矢量扇區(qū)的某一個(gè)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?，如圖2-5（b）所示。他們的關(guān)系式為 (2.7)式中、分別為、的調(diào)制占空比逆變級(jí)電壓矢量的占空比為 (2.8)式中（）為逆變級(jí)調(diào)制系數(shù)。圖2-6 一個(gè)PWM開關(guān)周期內(nèi)兩級(jí)開關(guān)協(xié)調(diào)控制過(guò)程逆變級(jí)的調(diào)制與整流級(jí)協(xié)調(diào)進(jìn)行，如圖2-6所示，在一個(gè)PWM期內(nèi)，以第一扇區(qū)為例，逆變級(jí)分別在整流級(jí)輸出的和下進(jìn)行調(diào)制，如圖2-6（a）所示。在這兩個(gè)不同的電壓下逆變級(jí)分別采用的電壓矢量是相同，且在兩個(gè)直流電壓下逆變級(jí)電壓矢量的調(diào)制占空比是相同的，圖2-6（b）為逆變級(jí)的開關(guān)矢量分配。逆變級(jí)開關(guān)采用常規(guī)的死區(qū)換流，整流級(jí)開關(guān)采用零電流換流，當(dāng)逆變級(jí)輸出零電壓時(shí)，整流級(jí)的開關(guān)進(jìn)行切換，如圖2-6（c）所示，將逆變級(jí)的零電壓矢量進(jìn)行分配，實(shí)現(xiàn)零電流換流。2.2.3 TSMC的開關(guān)函數(shù)如要得到的參考輸入電流矢量位于整流級(jí)矢量扇區(qū)中的第一扇區(qū)，可以推導(dǎo)出一個(gè)PWM周期內(nèi)直流平均電壓為 (2.9)其矩陣形式為 = (2.10)設(shè)TSMC直流平均電流為常量，可得整流級(jí)三相輸入電流為 (2.11)其矩陣形式為 = (2.12)式中為整流級(jí)第一扇區(qū)占空比調(diào)制變換矩陣 (2.13)同理可推導(dǎo)出當(dāng)要合成的參考輸入電流矢量位于其他扇區(qū)時(shí)的占空比形式的調(diào)制變換矩陣。設(shè)為輸入功率因數(shù)角，在第一扇區(qū)內(nèi)，將其和式（2.6）帶入式（2.13）中可得第一扇區(qū)調(diào)制變換矩陣對(duì)應(yīng)的開關(guān)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(shí)，整流級(jí)三相輸入電流正弦對(duì)稱，其相位滯后輸入相電壓。通過(guò)對(duì)中的設(shè)置可以調(diào)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(duì)于18開關(guān)的TSMC，的調(diào)節(jié)范圍為（）。假設(shè)逆變級(jí)輸出線電壓矢量位于逆變級(jí)矢量扇區(qū)中的第一扇區(qū)時(shí)，其三相輸出線電壓在一個(gè)PWM周期內(nèi)的平均值為 (2.16)在一個(gè)PWM周期內(nèi)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(jí)第一扇區(qū)的占空比形式的調(diào)制變換矩陣 (2.18)同理可推導(dǎo)出逆變級(jí)其他扇區(qū)的調(diào)制變換矩陣。設(shè)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(hào))。所以可得通用逆變級(jí)開關(guān)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(gè)參考相電壓, 與整流級(jí)的通用開關(guān)函數(shù)的頻率和相位相同，且幅值為1，可得 (2.20)以整流級(jí)第一扇區(qū)為例，結(jié)合式（2.14）和式（2.20）可得到參考電壓和占空比之間的關(guān)系為 (2.21)由此可得到占空比的簡(jiǎn)化算法 同理可求得其他扇區(qū)的開關(guān)占空比計(jì)算公式。見表2-1。表2-1 整流級(jí)的開關(guān)占空比計(jì)算對(duì)于逆變級(jí)來(lái)說(shuō)，同樣也可得到占空比的簡(jiǎn)化算法，定義一個(gè)與逆變級(jí)通用開關(guān)函數(shù)頻率和相位相同的參考電壓 (2.22)以逆變級(jí)第一扇區(qū)為例，結(jié)合式（2.18）、式（2.19）和式（2.22）可得到參考電壓與開關(guān)占空比的關(guān)系為= (2.23)由此得到逆變級(jí)開關(guān)占空比的簡(jiǎn)化計(jì)算公式同理可求得其他扇區(qū)的開關(guān)占空比的簡(jiǎn)化計(jì)算公式，見表2-2。表2-2 逆變級(jí)的開關(guān)占空比計(jì)算2.3 仿真研究圖2-7 TSMC帶阻感負(fù)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(fù)載的仿真模型，采用雙空間矢量調(diào)制策略。其中模型參數(shù)為：輸入電源為三相對(duì)稱的正弦電壓，相電壓為220V，頻率為50Hz；輸入輸出端各有一個(gè)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(fù)載為三相對(duì)稱的阻感負(fù)載，其中每一相電感為3mH，每一相電阻為5；調(diào)制周期為0.1ms;仿真采用ode15s算法。設(shè)置整流級(jí)的參考電壓和逆變級(jí)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(jié)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(guān)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(shè)置逆變級(jí)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(shí)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(jí)參考電壓時(shí)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(duì)比可知通過(guò)改變整流級(jí)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(diào)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(jié)本章比較了CMC與TSMC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及輸出性能，介紹了TSMC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，對(duì)基于TSMC的雙空間矢量調(diào)制策略進(jìn)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(jí)矩陣變換器的永磁同步電機(jī)矢量控制3.1 永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)以及數(shù)學(xué)模型3.1.1 永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)永磁同步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、損耗小、效率高，和直流電機(jī)相比，它沒(méi)有直流電機(jī)的換向器和電刷等缺點(diǎn)。和異步電動(dòng)機(jī)相比，它由于不需要無(wú)功勵(lì)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(zhuǎn)子參數(shù)可測(cè)、控制性能好；但它與異步電機(jī)相比，也有成本高、起動(dòng)困難等缺點(diǎn)。和普通同步電動(dòng)機(jī)相比，它省去了勵(lì)磁裝置，簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，提高了效率。永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)高精度、高動(dòng)態(tài)性能、大范圍的調(diào)速或定位控制，因此永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子磁鋼的幾何形狀不同，使得轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)在空間的分布可分為正弦波和梯形波兩種。因此，當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，在定子上產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)交流調(diào)速系統(tǒng)，習(xí)慣上又把正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)組成的調(diào)速系統(tǒng)稱為正弦型永磁同步電動(dòng)機(jī)（PMSM）調(diào)速系統(tǒng)。 永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)不同，則電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性、控制系統(tǒng)等也不同。根據(jù)永磁體在轉(zhuǎn)子上的位置的不同，永磁同步電動(dòng)機(jī)主要可分為：表面式和內(nèi)置式。在表面式永磁同步電動(dòng)機(jī)中，永磁體通常呈瓦片形，并位于轉(zhuǎn)子鐵心的外表面上，這種電機(jī)的重要特點(diǎn)是直、交軸的主電感相等；而內(nèi)置式永磁同步電機(jī)的永磁體位于轉(zhuǎn)子內(nèi)部，永磁體外表面與定子鐵心內(nèi)圓之間有鐵磁物質(zhì)制成的極靴，可以保護(hù)永磁體。這種永磁電機(jī)的重要特點(diǎn)是直、交軸的主電感不相等。因此，這兩種電機(jī)的性能有所不同。3.1.2 永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)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(duì)數(shù)； 代表永磁體磁鏈。2、定子磁鏈方程為 （3.2）3、電磁轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式 （3.3）4、運(yùn)動(dòng)方程不計(jì)摩擦力矩作用時(shí)的運(yùn)動(dòng)方程為 （3.4）式中為電機(jī)的機(jī)械旋轉(zhuǎn)角速度。J為電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量之和。3.2 坐標(biāo)變換原理在分析永磁同步電機(jī)的矢量控制之前需對(duì)DQ坐標(biāo)變換進(jìn)行一定了解，通過(guò)DQ坐標(biāo)變換可以將復(fù)雜的三相交流電的控制問(wèn)題轉(zhuǎn)化為對(duì)直流電的控制，在電機(jī)控制中實(shí)現(xiàn)在DQ軸上的解耦控制。通常我們?cè)趯?shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制時(shí)會(huì)用到如下幾種坐標(biāo)變換方法：靜止的三相和兩相坐標(biāo)系間進(jìn)行變換(3s/2s變換)，及其反變換(2s/3s變換)；靜止兩相和旋轉(zhuǎn)兩相坐標(biāo)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(zhuǎn)坐標(biāo)系間變換(3s/2r變換)，及其反變換(2r/3s變換)。1、 三相靜止坐標(biāo)系變換到兩相靜止坐標(biāo)系（ABC-）圖3-1 靜止的三相和兩相坐標(biāo)變換原理圖根據(jù)磁動(dòng)勢(shì)和功率相等的等效原則，兩相與三相的合成磁動(dòng)勢(shì)相等，即圖3-1中，兩相與三相繞組的磁動(dòng)勢(shì)在坐標(biāo)軸上投影相等，即 (3.5) (3.6)其矩陣形式為： (3.7)應(yīng)考慮到坐標(biāo)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(biāo)系間坐標(biāo)