双级矩阵变换器容错控制策略设计论文.docx

毕业设计说明书题 目：双级矩阵变换器容错控制策略学 院：信息工程学院 专 业：自动化 学 号： 姓 名： 指导教师： 完成日期： 毕业论文（设计）任务书论文（设计）题目： 双级矩阵变换器容错控制策略 学号： 姓名： 专业： 自动化 指导教师： 系主任： 一、主要内容及基本要求主要内容：1、学习双级矩阵变换器的基本知识。包括TSMC的拓扑结构、工作原理、数学模型，并重点研究TSMC的调制策略。 2、研究永磁同步电机的矢量控制系统，学习双闭环PI控制器的设计方法、建立电机的数学模型、坐标变换原理等。 3、了解容错控制的概念，研究实现容错控制的方法分类，以及在其他系统中如何实现容错控制。 4、研究预测控制的原理及其实现方法，基于预测控制算法在TSMC的闭环控制系统中实现容错。 基本要求：1、掌握TSMC的工作原理及其调制策略，并通过仿真实现TSMC正常运行。 2、掌握基于TSMC的永磁同步电机矢量控制系统的工作原理，并通过仿真来实现控制电机正常运行。 3、在仿真中编程实现预测控制，以预测控制作为TSMC的事故后控制策略，通过仿真验证这一方法。 二、重点研究的问题 1、双级矩阵变换器的工作原理及其应用。 2、双级矩阵变换器的开关管出现故障后的容错控制策略。 3、容错控制策略在双级矩阵变换器的闭环控制系统中的应用。 三、进度安排序号各阶段完成的内容完成时间1确定毕业设计的题目2013.11.102搜集参考资料、相关文献，并完成初步阅读2014.1.11-2014.2.203学习双级矩阵变换器容错控制策略的原理2014.2.20-2014.3.154学习熟练MATLAB仿真软件的使用方法2014.3.15-2014.4.15搭建仿真模型，并得到仿真结果2014.4.1-2014.4.206撰写毕业设计论文2014.4.20-2014.5.97检查仿真结果2014.5.178答辩2014.5.24四、应收集的资料及主要参考文献1 邓文浪.双级矩阵变换器及其控制策略研究D.中南大学,2007. 2 邓文浪,杨欣荣,朱建林.基于dq坐标双级矩阵变换器的闭环控制研究J.电气传动,2007,37(2): 20-24. 3 刘见,粟梅,孙尧等. 基于双级矩阵变换器的永磁同步电机矢量控制J.电力电子技术,2010, 44(11): 65-68. 4 葛宝明,蒋静坪.永磁同步电机磁阻转矩的有效利用及其预测控制系统J.电工技术学报,2000, 15(3): 6-10. 5 王宏佳,徐殿国,杨明.永磁同步电机改进无差拍电流预测控制J.电工技术学报,2011, 26(6): 39-45. 6 牛里, 杨明, 刘可述等. 永磁同步电机电流预测控制算法J. 中国电机工程学报, 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. 毕业论文（设计）评阅表学号 姓名 专业 自动化 毕业论文（设计）题目： 双级矩阵变换器容错控制策略 评价项目评 价 内 容选题1.是否符合培养目标，体现学科、专业特点和教学计划的基本要求，达到综合训练的目的；2.难度、份量是否适当；3.是否与生产、科研、社会等实际相结合。能力1.是否有查阅文献、综合归纳资料的能力；2.是否有综合运用知识的能力；3.是否具备研究方案的设计能力、研究方法和手段的运用能力；4.是否具备一定的外文与计算机应用能力；5.工科是否有经济分析能力。论文（设计）质量1.立论是否正确，论述是否充分，结构是否严谨合理；实验是否正确，设计、计算、分析处理是否科学；技术用语是否准确，符号是否统一，图表图纸是否完备、整洁、正确，引文是否规范；2.文字是否通顺，有无观点提炼，综合概括能力如何；3.有无理论价值或实际应用价值，有无创新之处。综合评 价评阅人： 年 月 日 湘 潭 大 学 毕业论文（设计）鉴定意见 学号： 姓名： 专业： 自动化 毕业论文（设计说明书） 47 页 图 表 45 张论文（设计）题目：双级矩阵变换器容错控制策略 主要内容： 学习了双级矩阵变换器的基本知识，包括TSMC的拓扑结构、工作原理、数学模型，并重点研究了TSMC的调制策略。掌握了基于TSMC的永磁同步电机矢量控制系统的控制方法，建立了永磁同步电机的数学模型，通过学习DQ轴解耦的原理以及PI控制器的设计方法，在MATLAB软件中搭建了永磁同步电机矢量控制模型。以之前的研究为基础，研究了一种基于预测控制 算法的容错控制策略，首先掌握了预测控制的实现方法，搭建了采用预测控制的TSMC仿真模型，在仿真中通过S函数实现了预测控制。最后将容错控策略运用到了TSMC中，对比其正常状态、故障状态以及容错后的波形，分析了容错效果。指导教师评语该生能独立查阅文献；有获取各种信息及新知识的能力。能周密、合理地设计实验方案；综合运用知识能力强。按期圆满完成规定的任务，工作量饱满；学习工作积极勤奋。设计说明书结构严谨，逻辑性强，论述层次清晰；格式符合学校要求。有较强的实际动手能力和计算机应用能力。同意其参加答辩，建议成绩评定为 。指导教师： 年 月 日答辩简要情况及评语该生在答辩过程中叙述清楚、思路清晰，语言表达准确;专业知识扎实。回答问题有理论根据，基本概念清楚。问题回答准确。根据答辩情况，答辩小组同意其成绩评定为 。答辩小组组长： 年 月 日答辩委员会意见经答辩委员会讨论，同意该毕业论文（设计）成绩评定为 。答辩委员会主任： 年 月 日52 / 65目录摘要IAbstractII第一章 绪论11.1课题的背景和意义11.1国内外研究现状21.3 预测控制31.4课题主要研究内容和重点4第二章 双级矩阵变换器的控制研究62.1 双级矩阵变换器的拓扑结构62.1.1 常规矩阵变换器到双级矩阵变换的演变62.1.2 典型的双级矩阵变换器拓扑结构72.2 双空间矢量调制策略72.2.1 整流级的空间矢量调制原理72.2.2 逆变级的空间矢量调制原理92.2.3 TSMC的开关函数102.3 仿真研究122.4 本章小结14第三章 基于双级矩阵变换器的永磁同步电机矢量控制153.1 永磁同步电机结构以及数学模型153.1.1 永磁同步电机的结构153.1.2 永磁同步电机的数学模型153.2 坐标变换原理163.3 永磁同步电机矢量控制系统设计193.3.1 矢量控制方法193.3.2 永磁同步电机矢量控制系统的结构193.3.3 电流环PI控制器设计213.3.4 转速PI控制器设计223.4 控制系统仿真研究243.5 本章小结26第四章 永磁同步电机电流预测控制274.1预测控制策略274.1.1 整流级调制策略274.1.2 逆变级调制策略284.1.3 TSMC整体开关矢量调制284.2基于双级矩阵变换器的永磁同步电机预测控制系统294.2.1 TSMC开关数学模型304.2.2 永磁同步电机数学模型304.3永磁同步电机电流预测控制实现流程314.4仿真研究324.5 本章小结33第五章 双级矩阵变换器容错控制研究345.1基于预测控制算法的容错控制策略345.2 双级矩阵变换器带阻感负载系统预测模型355.2.1 开关数学模型355.2.1 负载模型355.3 容错控制实现流程355.4 仿真研究375.5 本章小结38第六章 总结39致谢40参考文献41附录一：毕业设计开题报告43附录二：毕业设计（论文）中期检查及评语46附录三：学生答辩记录表47双级矩阵变换器容错控制策略摘要 在电力电子领域中，电力驱动系统的可靠性对电力系统有着重要的影响。对于一些要求高可靠性的系统，通过采用相应的容错控制策略，极大地提高了系统应对故障的处理能力。因此容错控制已经成为保障电力系统安全运行的一项重要技术。本文以双级矩阵变换器（简称TSMC）为基础，研究TSMC驱动永磁同步电机的矢量控制系统，实现了双闭环控制。然后采用预测控制实现对PMSM的闭环控制，最后在TSMC系统上采用基于预测控制算法的容错控制策略，通过仿真验证了该容错策略的可行性。关键字：双级矩阵变换器；SVPWM调制；预测控制；容错控制；永磁同步电动机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 绪论1.1 课题的背景和意义随着科学技术不断取得新的成果，现代控制系统也越来越复杂，越复杂的系统对其可靠性和安全性的要求就越高，因为一旦这类系统系统出现故障，导致重大事故将对经济、生命安全造成巨大的损失。历史上有无数的悲剧不断上演。因此，人们不得不想办法来提高系统的可靠性和安全性，避免发生重大事故。提升系统的可靠性可以使操作人员的生命安全得到保障，还能够提高生产效率，增加经济效益。在此背景下，系统的容错控制研究是现代系统控制中迫切需要解决的问题。多年以来，容错控制系统的研究一直是各个领域研究的热点，不管什么系统都需要具有一定的容错性能，才能够安全可靠地运用到实际工程中去，尤其是一些要求高可靠性的系统，如各类飞行器、危险设施等，而这些系统一旦发生事故将造成无法估量的损失。如何设计出高容错性能的系统一直都是各个领域研究人员面对的课题。简单的来说，容错控制是指当系统出现故障时，通过软硬件重构等方法自动补偿故障的影响来保持系统在损失部分性能甚至不损失性能的状态下继续稳定运行，容错控制对实际系统的性能有着重大的影响，尤其是对于一些要求高可靠性的系统。通过采用相应的容错控制策略，极大地提高了系统应对故障的处理能力。如今电力电子技术高速发展，各种新型电力变换器层出不穷，其中不乏具有优良性能的电力变换器，而矩阵变换器更是一种很有发展潜力的新型电力变换器。在理想条件下它有如下优点：输入、输出波形质量良好，减小谐波；输入功率因数可控；能量可双向流动；简化了中间电路等等，这些特性明显改善了传统电力变换器的不足，是AC/AC变换器中性能十分优秀的一种电力变换装置，矩阵变换器有着广阔的应用前景。从结构上划分，矩阵变换器可分成常规矩阵变换器（简称CMC）和双级矩阵变换器两种，除了两者的拓扑结构、调制策略以及控制范围等方面有所不同，其本质其实是一样的，具有共同的优良性能和特性。只是CMC与TSMC相比较而言，控制策略更加复杂，换流步骤相对而言实现困难，钳位电路复杂。这些缺点在实际工程应用中制约了CMC的发展。而TSMC弥补了CMC在这方面的不足，TSMC是CMC经过优化后的拓扑结构，TSMC不只具有CMC同样的优良性能，并且简化了换流策略，拓扑中减少了电力装置设备，降低了成本，在一定的约束条件下，TSMC可以进一步简化拓扑结构，减少开关数量，根据不同的使用情况选用不同的电路结构。本文就是基于TSMC来进行研究。在电力系统中，越复杂的系统越容易出现故障，而一旦故障没有得到很好的控制，对于整个系统都将带来很大的影响，对生产、作业安全等都有很大的隐患。从很多研究中可以看出，电力系统中最容易发生故障的就是电力变换器中电力电子器件及其驱动电路。因此，容错控制的研究对象就是电力变换器中的开关故障。因此，对于TSMC这类多开关的电力变换器，一旦开关出现故障，对系统的可靠性和安全性会造成很大的影响，进而对经济效益和人身安全造成危害。所以，基于TSMC设计出一种安全可行的容错控制系统是一项值得深入研究的课题。容错控制一直是电力电子领域研究的热点，对于新型电力变换器，良好的容错性能能够帮助它更好的应用到实际工程中。1.1 国内外研究现状1971年，Niederlinski提出完整性控制（Integral Control）的概念，由此产生容错控制(Fault Tolerant Control，FTC)的思想。经过几十年的发展，容错控制研究已经逐渐成为一个独立的、完整的、富有挑战性的研究课题。1985 年，国外学者们提出容错控制的分类方法，将容错控制分为主动容错控制和被动容错控制，如今已成为现代容错控制研究方法分类的依据。在 1993年和 1997年，Patton 教授发表了关于容错控制理论的综述文章，提出了容错控制研究亟需解决的难题以及解决办法，为容错控制研究提出了指导性意见。随着一次次因系统故障原因导致的重大灾难不断发生，人们不得不加快对容错控制理论研究的步伐。在1993年成立了技术过程的故障诊断与安全性技术委员会(简称IFAC)，在IFAC的领导下，容错控制理论研究迅猛发展。此后IFAC每三年定期召开一次故障诊断与容错控制方面的国际专题学术会议。1999年 7 月，第 14 届 IFAC国际专题学术会议在北京召开，此次会议中故障诊断与容错控制方面的论文达到 60 余篇。容错控制策略研究成为最热门的研究课题之一。容错控制的思想产生的时间不久，我国对容错控制理论的研究起步也比较早，我国在容错控制理论上的研究在几十年来一直在不断发展。1988年，叶银忠等发表了国内关于容错控制理论的第一篇综述性文章。而后，国内在容错控制策略理论上的研究进入蓬勃发展的时期，当时的研究人员已经将容错控制策略应用于工业设备的故障处理，缓解了设备因故障而大大缩短其使用寿命，以及设备运行的安全性和可靠性得不到保障等比较严重的情况。容错控制发展至今只有 30 多年的历史，是一门新兴交叉学科。航空、航天领域和核设施方面的特殊要求是这门学科迅速发展的一个最重要的动力来源。美国空军从 70 年代起就不断投入巨资支持容错控制的发展，力求开发出具有高度容错能力的战斗机，甚至在多个翼面受损时，也能保持战斗机的生存能力。一次又一次的可怕的核泄漏事件，使人们不得不寻求具有更高可靠性和安全性的系统。作为一门交叉学科，容错控制与鲁棒控制、故障检测与诊断、自适应控制、智能控制等息息相关。现代控制理论、信号处理、模式识别、最优化方法、决策论、统计数学等构成了容错控制的理论基础。容错控制系统设计主要包含两个问题：故障诊断机构的设计和容错控制器的设计。故障诊断技术的发展，是应用现代控制理论、数理统计、人工智能等方法分析处理非正常工况下系统特性的结果；容错控制则是保证当控制系统中的某些部件发生故障时，系统仍能按期望的性能指标或性能指标略有降低（但可接受）的情况下，还能安全地完成控制任务。显然，控制系统的故障诊断和容错控制有着密切的联系，故障诊断技术的发展为容错控制的研究提供了必要的基础和前提准备，容错控制为故障诊断的研究注入了新的活力，这两个方面以其重要的理论和实践上的意义和由此产生的深远的影响成为了引人入胜的研究热点。1.3 预测控制预测控制的发展主要从实际工业生产过程中衍生出来的，对于系统模型复杂，不容易准确建立模型的控制系统来说，预测控制能够简单方便地应用到实际工程中，因此预测控制一直以来都是工程界研究的重点。预测控制理论已经趋近完善，并且在化工、电力、冶金、机械等生产部门的控制系统中得到了比较广泛的应用。预测控制是在上世纪70 年代末期产生的一类新型的计算机控制方法，实际是一种基于计算机控制的最优化算法。近30年以来，预测控制的发展历程为：在70 年代，工业预测控制算法大多是以控制对象为非参数模型，人们在生产过程的测验中很容易地知道，采用滚动推移的方法可实现在线的优化控制，无需了解生产的过程和模型的结构，可以很方便地设计控制器，在工程应用中该算法显示出了良好的控制性能，因此得到了广泛的应用，比较典型的算法有建立在脉冲响应基础上的预测控制算法、建立在阶跃响应序列模型基础上的动态矩阵控制(DMC)、模型算法控制(MAC)等。而后到了80 年代初期，人们在坚持模型预测的最小方差自校正控制、自适应调制、在线辨识等原理的基础上，吸取了MAC、DMC 中的预测优化的方法，结合预测控制中的多步预测优化控制策略的思想，发展起来一种广义预测控制(Generalized Predietive Control，简记为GPC)的自适应预测控制算法。 在20 世纪90 年代，人们在这个阶段渐渐形成了以最优控制思想为理论指导的具有可靠稳定性的预测控制的概略性思路，从此，它的理论研究开始了新的飞跃，取得了丰厚的研究成果。虽然对预测控制的研究已取得了一些比较好的成果，但是到目前为止，仍不能将它应用到实际的工业生产中，主要的原因还是该方法主要采用的是状态空间模型。同时综合型预测控制思想存在的另一个问题是状态不可测，而采用状态估计器的预测控制综合策略在目前来说还比较保守，仍在发展中。通常情况下，预测控制在系统每个采样点只求解一个优化问题，然后得到这个采样时刻与未来时刻的控制作用，但是只实际实施这个采样点刻的控制作用，在下一个采样时刻，系统会重复上面的优化问题。总体来说，预测控制是一种在给定时域内不停地求解同一个优化问题而获得控制输入的方法。由于预测控制的模型结构具有不唯一性，使得它可以根据控制对象的特点，以最简单的方式来处理信息和建立系统的预测模型；由于其优化模式和预测模式具有非经典性，使得它可以在优化过程中把实际系统中存在的不确定因素考虑进来，形成动态优化，处理多种结构形式的优化目标。它让设计者可以自由地选择所需优化性能指标的形式。因此，预测控制的预测和优化模式对以前的最优控制有一点点地修正，使建模有所简化，并考虑到了不确定性和其他复杂性的影响，因而更加地接近于复杂系统的实际要求。预测控制还可以很好地解决有优化需求的控制问题，通过在线闭环控制来实施有效地控制策略以克服各种不确定因素产生的影响。从应用的观点来看，它的最大优势在于它能以系统直观的方式来约束和处理多变量系统的控制，迄今为止，它是唯一具有这一特征的先进性控制技术，并且它被应用于过程控制系统领域几十年来所取得的成功，充分地证明了预测控制有处理复杂系统的约束优化控制问题的巨大潜力。1.4 课题主要研究内容和重点本文在对国内外学者的研究基础上，对基于双级矩阵变换器的容错控制的原理、基于TSMC带永磁同步电动机闭环控制进行研究分析，搭建仿真模型。本文的主要研究内容和结构如下：第一章绪论部分主要介绍了容错控制和TSMC的研究背景、意义以及国内外研究现状。第二章主要介绍双级矩阵变换器的基本知识。包括TSMC的拓扑结构、工作原理、数学模型，并重点分析了TSMC的调制策略。最后根据分析结果进行了基于双空间矢量调制的TSMC仿真研究，得到仿真波形。第三章主要介绍基于双级矩阵变换器的永磁同步电动机（简称PMSM）矢量控制系统的原理，简要介绍了PMSM的结构和原理以及数学模型，介绍了坐标变换的原理，重点分析设计了双闭环控制，设计电流环PI控制器和转速环PI控制器，进行仿真，得到仿真波形。第四章介绍基于TSMC的永磁同步电动机电流预测控制系统，介绍了预测控制原理，对负载侧和开关组合建立数学模型，对电机输出电流进行直接预测控制，对电机进行调速控制和稳定运行，搭建仿真模型，并得到仿真结果。第五章介绍一种基于直接预测控制的容错控制软件重构法，将预测控制与开关表结合起来，通过预测控制对TSMC的开关状态直接进行调制，对于在故障状态下的TSMC，容错控制可将故障态的开关屏蔽，然后使用预测控制从剩下的健康开关状态选取出最适合的开关状态完成控制动作。从而补偿开关故障的影响。第六章探讨现有研究中的不足，并对以后的研究进行展望，最后总结全文。第二章 双级矩阵变换器的控制研究2.1 双级矩阵变换器的拓扑结构2.1.1 常规矩阵变换器到双级矩阵变换的演变CMC的拓扑结构如图2-1(a)，且CMC的输入输出关系可表示为 （2.1）式中，uA、uB、uC为三相输出电压，ua、ub、uc为三相输入电压，T为CMC的开关变换矩阵，代表了输入输出的变换关系。Skj代表连接矩阵变换器k相输入和j相输出的开关状态，,Skj=l表示开关导通，Skj =0表示开关关断。(a) 常规矩阵变换器拓扑 (b) 双级矩阵变换器拓扑图2-1 常规矩阵变换器和双级矩阵变换器的拓扑结构双级矩阵变换器中，设中间两点为p、n，对应有电压up、un其与三相输入输出电压的关系为 （2.2） （2.3）式中Skw、Sjw表示k相、j相与p、n点之间连接开关的状态，。根据式（2.2）、式（2.3）可以得到如图2-1（b）所示的拓扑结构，即为TSMC的拓扑，与传统的AC-DC-AC变换器的拓扑相似，包含了AC-DC和DC-AC两级，即分别为整流级和逆变级。T1和T2分别为整流级和逆变级的开关变换矩阵。结合式（2.2）、（2.3），可得TSMC输入输出电压之间的变换关系式为 （2.4）T=T1T2，T为TSMC总开关变换矩阵。与CMC开关变换矩阵对比可以看出，SkpSjp+SknSjn=1时，表示k相输入和j相输出接通，相当于CMC的驴Skj=1；SkpSjp+SknSjn=0时，表示k相输入和j相输出断开，相当于CMC的Skj=0。因此，SkpSjp+SknSjn=Skj，TSMC开关变换矩阵与CMC开关变换矩阵等效，二者具有相同的输入输出变换功能。2.1.2 典型的双级矩阵变换器拓扑结构TSMC是直流环节无需储能元件的三相交流-直流-交流的两级变换结构。输入侧的交流-直流电路为整流级，输出侧的直流-交流电路为逆变级。与传统的交-直-交变换器相比，TSMC的直流侧不需要滤波元件。采用空间矢量调制技术时，整流级输出的直流侧电压为PWM电压，逆变级则将直流PWM电压转换成频率、幅值可调的三相交流电。TSMC的拓扑结构如图2-2所示。图2-2 双级矩阵变换器的拓扑结构要提供能量双向传输，TSMC的功率开关要选用双向功率开关，由于受电力电子技术的限制，目前只能用两个单向功率开关来组成一个双向开关，因此，TSMC共需要24个单向开关。然而在一定的约束条件下，如控制整流级的输出电压极性始终为正，则逆变级只需要采用单向开关，所以就形成了18个单向开关的TSMC电路，如图2-2所示。如果再进一步增加约束条件，则TSMC的开关数量还可以再减少。如15开关电路和12开关电路，甚至9开关电路。在此不深入研究，本文中主要以18开关电路的TSMC作为研究对象。2.2 双空间矢量调制策略2.2.1整流级的空间矢量调制原理设TSMC的三相输入相电压为 (2.5)式中表示输入相电压角频率；为输入相电压幅值。 TSMC中两级电路协调控制，整流级调制的目的是要得到p极为正，n极为负的的直流电压，同时应保证能够得到最大的电压利用率。将输入相电压划分为6个扇区，所以如图2-3所示图2-3 输入相电压六扇区划分整流级六个双向开关可合成六个输入电流有效空间矢量，如图2-4(a)所示，除此之外整流级还有三个零矢量。图2-4 整流级空间矢量扇区分布图2-4(a)中括号里的数字按顺序分别代表a、b、c相桥臂上下开关通断状态，“l”表示同直流p极相连的开关导通，“0”表示同直流n极相连的开关导通，“X”代表所在相上下开关全部处于断开状态。图2-4（b）中是输入电流参考矢量，在扇区中可由相邻电流矢量和来合成，以第一扇区为例，其输入电流的参考矢量可通过相邻电流矢量和以及零矢量合成，他们对应的开关状态分别为“1X0”、 “10X”,在相应开关状态下产生的电压分别为和。设、分别为、的开关占空比，可得开关占空比的计算公式为 （2.6）式中，（）为电流调制系数。2.2.2 逆变级的空间矢量调制原理逆变级六个开关可合成六个线电压有效空间矢量（）和两个零矢量，图2.5(a)中括号里的数字按顺序分别代表A、B、C三相桥臂上下开关通断状态，“1”表示同直流p极相连的开关导通，“0”表示同直流n极相连的开关导通。其余开关处于关断状态。为了分析的方便，假设直流电压恒定，线电压有效空间矢量幅值为，如图2.5(b)所示。图2-5 逆变级空间矢量扇区分布设是要得到的某一瞬间的输出线电压空间矢量，处于逆变级空间矢量扇区的某一个扇区，如图2-5（a）所示。可由其相邻两有效矢量和以及零矢量合成，如图2-5（b）所示。他们的关系式为 (2.7)式中、分别为、的调制占空比逆变级电压矢量的占空比为 (2.8)式中（）为逆变级调制系数。图2-6 一个PWM开关周期内两级开关协调控制过程逆变级的调制与整流级协调进行，如图2-6所示，在一个PWM期内，以第一扇区为例，逆变级分别在整流级输出的和下进行调制，如图2-6（a）所示。在这两个不同的电压下逆变级分别采用的电压矢量是相同，且在两个直流电压下逆变级电压矢量的调制占空比是相同的，图2-6（b）为逆变级的开关矢量分配。逆变级开关采用常规的死区换流，整流级开关采用零电流换流，当逆变级输出零电压时，整流级的开关进行切换，如图2-6（c）所示，将逆变级的零电压矢量进行分配，实现零电流换流。2.2.3 TSMC的开关函数如要得到的参考输入电流矢量位于整流级矢量扇区中的第一扇区，可以推导出一个PWM周期内直流平均电压为 (2.9)其矩阵形式为 = (2.10)设TSMC直流平均电流为常量，可得整流级三相输入电流为 (2.11)其矩阵形式为 = (2.12)式中为整流级第一扇区占空比调制变换矩阵 (2.13)同理可推导出当要合成的参考输入电流矢量位于其他扇区时的占空比形式的调制变换矩阵。设为输入功率因数角，在第一扇区内，将其和式（2.6）带入式（2.13）中可得第一扇区调制变换矩阵对应的开关函数 (2.14)将式（2.14）带入式（2.12）中，得 = (2.15)由式（2.15）可知，为常量时，整流级三相输入电流正弦对称，其相位滞后输入相电压。通过对中的设置可以调节输入功率因数角，因此将仍称为输入功率因数控制量。对于18开关的TSMC，的调节范围为（）。假设逆变级输出线电压矢量位于逆变级矢量扇区中的第一扇区时，其三相输出线电压在一个PWM周期内的平均值为 (2.16)在一个PWM周期内直流电流平均值用矩阵形式表示为 (2.17)式中，为输出相电流，为逆变级第一扇区的占空比形式的调制变换矩阵 (2.18)同理可推导出逆变级其他扇区的调制变换矩阵。设参考输出相电压角频率为，初始相位角为，则各扇区(j为区间号)。所以可得通用逆变级开关函数为 (2.19)决定了TSMC期望输出电压的频率，决定了输出电压的初相角，决定了输出电压幅值。定义一个参考相电压, 与整流级的通用开关函数的频率和相位相同，且幅值为1，可得 (2.20)以整流级第一扇区为例，结合式（2.14）和式（2.20）可得到参考电压和占空比之间的关系为 (2.21)由此可得到占空比的简化算法 同理可求得其他扇区的开关占空比计算公式。见表2-1。表2-1 整流级的开关占空比计算对于逆变级来说，同样也可得到占空比的简化算法，定义一个与逆变级通用开关函数频率和相位相同的参考电压 (2.22)以逆变级第一扇区为例，结合式（2.18）、式（2.19）和式（2.22）可得到参考电压与开关占空比的关系为= (2.23)由此得到逆变级开关占空比的简化计算公式同理可求得其他扇区的开关占空比的简化计算公式，见表2-2。表2-2 逆变级的开关占空比计算2.3 仿真研究图2-7 TSMC带阻感负载的仿真模型如图2-7所示，本文使用MATLAB软件搭建了基于TSMC带阻感负载的仿真模型，采用双空间矢量调制策略。其中模型参数为：输入电源为三相对称的正弦电压，相电压为220V，频率为50Hz；输入输出端各有一个LC滤波器，输入端LC滤波电感为500uH，电容为45uF，输出端LC滤波电感为900uH，电容为17uF；负载为三相对称的阻感负载，其中每一相电感为3mH，每一相电阻为5；调制周期为0.1ms;仿真采用ode15s算法。设置整流级的参考电压和逆变级的参考电压的幅值均为1V，频率为50Hz,仿真得到输出端未加滤波器的线电压如图2-8所示；滤波后的输出线电压如图2-9所示；以及中间环节的直流电压如图2-10所示。由仿真结果可看出，输出线电压幅值与输入电源的电压幅值为1倍的关系，其频率与参考电压的频率一致，相位未发生变化。图2-8 未滤波的输出线电压波形图2-9 滤波后输出线电压波形图2-10 直流电压波形设置逆变级的参考电压幅值为0.5V，频率为50Hz，得到输出线电压波形如图2-11所示，其电压幅值此时为电源电压的0.5倍，频率不变。图2-11 幅值为0.5倍的输出线电压波形如图2-12所示为整流级参考电压时的输入电压和输入电流的波形；图2-13所示为，和的波形。由图2-12和图2-13对比可知通过改变整流级的参考电压的输入功率因数角可以改变输入电压与输入电流之间的相位差，从而调节TSMC的输入功率因数。图2-12 和的波形图2-12 和的波形2.4 本章小结本章比较了CMC与TSMC的拓扑结构以及输出性能，介绍了TSMC的拓扑结构，对基于TSMC的双空间矢量调制策略进行了分析。最后搭建了仿真模型，得到仿真波形。第三章 基于双级矩阵变换器的永磁同步电机矢量控制3.1 永磁同步电机结构以及数学模型3.1.1 永磁同步电机的结构永磁同步电动机结构简单、体积小、重量轻、损耗小、效率高，和直流电机相比，它没有直流电机的换向器和电刷等缺点。和异步电动机相比，它由于不需要无功励磁电流，因而效率高，功率因数高，力矩惯量比大，定子电流和定子电阻损耗减小，且转子参数可测、控制性能好；但它与异步电机相比，也有成本高、起动困难等缺点。和普通同步电动机相比，它省去了励磁装置，简化了结构，提高了效率。永磁同步电机矢量控制系统能够实现高精度、高动态性能、大范围的调速或定位控制，因此永磁同步电机矢量控制系统引起了国内外学者的广泛关注。永磁同步电动机的转子磁钢的几何形状不同，使得转子磁场在空间的分布可分为正弦波和梯形波两种。因此，当转子旋转时，在定子上产生的反电动势波形也有两种：一种为正弦波；另一种为梯形波。这样就造成两种同步电动机在原理、模型及控制方法上有所不同，为了区别由它们组成的永磁同步电动机交流调速系统，习惯上又把正弦波永磁同步电动机组成的调速系统称为正弦型永磁同步电动机（PMSM）调速系统。 永磁同步电动机转子磁路结构不同，则电动机的运行特性、控制系统等也不同。根据永磁体在转子上的位置的不同，永磁同步电动机主要可分为：表面式和内置式。在表面式永磁同步电动机中，永磁体通常呈瓦片形，并位于转子铁心的外表面上，这种电机的重要特点是直、交轴的主电感相等；而内置式永磁同步电机的永磁体位于转子内部，永磁体外表面与定子铁心内圆之间有铁磁物质制成的极靴，可以保护永磁体。这种永磁电机的重要特点是直、交轴的主电感不相等。因此，这两种电机的性能有所不同。3.1.2 永磁同步电机的数学模型1、定子电压方程为 （3.1）式中、是定子电流的dq轴分量；R是定子的电阻；、为定子磁链的dq轴分量；是同步电角速度；代表极对数； 代表永磁体磁链。2、定子磁链方程为 （3.2）3、电磁转矩计算公式 （3.3）4、运动方程不计摩擦力矩作用时的运动方程为 （3.4）式中为电机的机械旋转角速度。J为电机的转动惯量和负载的转动惯量之和。3.2 坐标变换原理在分析永磁同步电机的矢量控制之前需对DQ坐标变换进行一定了解，通过DQ坐标变换可以将复杂的三相交流电的控制问题转化为对直流电的控制，在电机控制中实现在DQ轴上的解耦控制。通常我们在实现系统控制时会用到如下几种坐标变换方法：静止的三相和两相坐标系间进行变换(3s/2s变换)，及其反变换(2s/3s变换)；静止两相和旋转两相坐标系间变换(2s/2r变换)，及其反变换(2r/2s变换)；三相静止和两相旋转坐标系间变换(3s/2r变换)，及其反变换(2r/3s变换)。1、 三相静止坐标系变换到两相静止坐标系（ABC-）图3-1 静止的三相和两相坐标变换原理图根据磁动势和功率相等的等效原则，两相与三相的合成磁动势相等，即图3-1中，两相与三相绕组的磁动势在坐标轴上投影相等，即 (3.5) (3.6)其矩阵形式为： (3.7)应考虑到坐标变换前后的总功率不变，所以，式（3.7）中匝数比。可得 (3.8)所以，静止的三相和两相坐标系间坐标