双级矩阵变换器容错控制策略

1、.：.；毕业设计阐明书题 目：双级矩阵变换器容错控制战略学 院：信息工程学院 专 业：自动化 学 号： 姓 名： 指点教师： 完成日期： 毕业论文设计义务书论文设计标题： 双级矩阵变换器容错控制战略 学号： 姓名： 专业： 自动化 指点教师： 系主任： 一、主要内容及根本要求主要内容：1、学习双级矩阵变换器的根本知识。包括TSMC的拓扑构造、任务原理、数学模型，并重点研讨TSMC的调制战略。 2、研讨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，研讨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、研讨预

2、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。 根本要求：1、掌握TSMC的任务原理及其调制战略，并经过仿真实现TSMC正常运转。 2、掌握基于TSMC的永磁同步电机矢量控制系统的任务原理，并经过仿真来实现控制电机正常运转。 3、在仿真中编程实现预测控制，以预测控制造为TSMC的事故后控制战略，经过仿真验证这一方法。 二、重点研讨的问题 1、双级矩阵变换器的任务原理及其运用。 2、双级矩阵变换器的开关管出现缺点后的容错控制战略。 3、容错控制战略在双级矩阵变换器的闭环控制系统中的运用。 三、进度安排序号各阶段完成的内容完成时间1确定毕业设计的标题2021.11.

3、102搜集参考资料、相关文献，并完成初步阅读2021.1.11-2021.2.203学习双级矩阵变换器容错控制战略的原理2021.2.20-2021.3.154学习熟练MATLAB仿真软件的运用方法2021.3.15-2021.4.15搭建仿真模型，并得到仿真结果2021.4.1-2021.4.206撰写毕业设计论文2021.4.20-2021.5.97检查仿真结果2021.5.178争辩2021.5.24四、应搜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战略研讨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讨J.电气传动,2007,

4、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,2021, 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.永磁同步电机改良无差拍电流预测控制J.电工技术学报,2021, 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, 2021, 32(6): 131-. 7 Rodriguez J, Kolar J, Espinoza J, et al

5、. Predictive current control with reactive power minimization in an indirect matrix converterC2021 IEEE International Conference on. IEEE, 2021: 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, 2021: 118

6、5-1191. 毕业论文设计评阅表学号 姓名 专业 自动化 毕业论文设计标题： 双级矩阵变换器容错控制战略 评价工程评 价 内 容选题1.能否符合培育目的，表达学科、专业特点和教学方案的根本要求，到达综合训练的目的；2.难度、份量能否适当；3.能否与消费、科研、社会等实践相结合。才干1.能否有查阅文献、综合归纳资料的才干；2.能否有综合运用知识的才干；3.能否具备研讨方案的设计才干、研讨方法和手段的运用才干；4.能否具备一定的外文与计算机运用才干；5.工科能否有经济分析才干。论文设计质量1.立论能否正确，论述能否充分，构造能否严谨合理；实验能否正确，设计、计算、分析处置能否科学；技术用语能否准

7、确，符号能否一致，图表图纸能否完备、整洁、正确，引文能否规范；2.文字能否照射，有无观念提炼，综合概括才干如何；3.有无实际价值或实践运用价值，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 毕业论文设计阐明书 47 页 图 表 45 张论文设计标题：双级矩阵变换器容错控制战略 主要内容： 学习了双级矩阵变换器的根本知识，包括TSMC的拓扑构造、任务原理、数学模型，并重点研讨了TSMC的调制战略。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，经过学习DQ轴解耦的原理以及PI控制器的设计方

8、法，在MATLAB软件中搭建了永磁同步电机矢量控制模型。以之前的研讨为根底，研讨了一种基于预测控制 算法的容错控制战略，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，在仿真中经过S函数实现了预测控制。最后将容错控战略运用到了TSMC中，对比其正常形状、缺点形状以及容错后的波形，分析了容错效果。指点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才干。能缜密、合理地设计实验方案；综合运用知识才干强。按期圆满完成规定的义务，任务量丰满；学习任务积极勤劳。设计阐明书构造严谨，逻辑性强，论述层次明晰；格式符合学校要求。有较强的实践动手才干和计算机运用才干。赞同其参与争辩，建议

9、成果评定为 。指点教师： 年 月 日争辩简要情况及评语该生在争辩过程中表达清楚、思绪明晰，言语表达准确;专业知识扎实。回答以下问题有实际根据，根本概念清楚。问题回答准确。根据争辩情况，争辩小组赞同其成果评定为 。争辩小组组长： 年 月 日争辩委员会意见经争辩委员会讨论，赞同该毕业论文设计成果评定为 。争辩委员会主任： 年 月 日目录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc387780518 摘要 II双级矩阵变换器容错控制战略摘要 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，经过采用相应的容错控制战略，极大地提高了系统应

10、对缺点的处置才干。因此容错控制曾经成为保证电力系统平安运转的一项重要技术。本文以双级矩阵变换器简称TSMC为根底，研讨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战略，经过仿真验证了该容错战略的可行性。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

11、, 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

12、 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 close

13、d-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绪论课题

14、的背景和意义随着科学技术不断获得新的成果，现代控制系统也越来越复杂，越复杂的系统对其可靠性和平安性的要求就越高，由于一旦这类系统系统出现缺点，导致艰苦事故将对经济、生命平安呵斥宏大的损失。历史上有无数的悲剧不断上演。因此，人们不得不想方法来提高系统的可靠性和平安性，防止发生艰苦事故。提升系统的可靠性可以使操作人员的生命平安得到保证，还可以提高消费效率，添加经济效益。在此背景下，系统的容错控制研讨是现代系统控制中迫切需求处理的问题。多年以来，容错控制系统的研讨不断是各个领域研讨的热点，不论什么系统都需求具有一定的容错性能，才可以平安可靠地运用到实践工程中去，尤其是一些要求高可靠性的系统，如各类飞

15、行器、危险设备等，而这些系一致旦发惹事故将呵斥无法估量的损失。如何设计出高容错性能的系统不断都是各个领域研讨人员面对的课题。简单的来说，容错控制是指当系统出现缺点时，经过软硬件重构等方法自动补偿缺点的影响来坚持系统在损失部分性能甚至不损失性能的形状下继续稳定运转，容错控制对实践系统的性能有着艰苦的影响，尤其是对于一些要求高可靠性的系统。经过采用相应的容错控制战略，极大地提高了系统应对缺点的处置才干。如今电力电子技术高速开展，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开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；

16、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缺乏，是AC/AC变换器中性能非常优秀的一种电力变换安装，矩阵变换器有着宽广的运用前景。从构造上划分，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，除了两者的拓扑构造、调制战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，控制战略更加复杂，换流步骤相对而言实现困难，钳位电路复杂。这些缺陷在实践工程运用中制约了CMC的开展。而TSMC弥补了CMC在这方面的缺乏，TSMC是CMC经过优化后的拓扑构造，TSMC不只具有CMC同样的优良性能

17、，并且简化了换流战略，拓扑中减少了电力安装设备，降低了本钱，在一定的约束条件下，TSMC可以进一步简化拓扑构造，减少开关数量，根据不同的运用情况选用不同的电路构造。本文就是基于TSMC来进展研讨。在电力系统中，越复杂的系统越容易出现缺点，而一旦缺点没有得到很好的控制，对于整个系统都将带来很大的影响，对消费、作业平安等都有很大的隐患。从很多研讨中可以看出，电力系统中最容易发生缺点的就是电力变换器中电力电子器件及其驱动电路。因此，容错控制的研讨对象就是电力变换器中的开关缺点。因此，对于TSMC这类多开关的电力变换器，一旦开关出现缺点，对系统的可靠性和平安性会呵斥很大的影响，进而对经济效益和人身平安

18、呵斥危害。所以，基于TSMC设计出一种平安可行的容错控制系统是一项值得深化研讨的课题。容错控制不断是电力电子领域研讨的热点，对于新型电力变换器，良好的容错性能可以协助 它更好的运用到实践工程中。国内外研讨现状1971年，Niederlinski提出完好性控制Integral Control的概念，由此产生容错控制(Fault Tolerant Control，FTC)的思想。经过几十年的开展，容错控制研讨曾经逐渐成为一个独立的、完好的、富有挑战性的研讨课题。1985 年，国外学者们提出容错控制的分类方法，将容错控制分为自动容错控制和被动容错控制，如今已成为现代容错控制研讨方法分类的根据。在 1

19、993年和 1997年，Patton 教授发表了关于容错控制实际的综述文章，提出了容错控制研讨亟需处理的难题以及处理方法，为容错控制研讨提出了指点性意见。随着一次次因系统缺点缘由导致的艰苦灾难不断发生，人们不得不加快对容错控制实际研讨的步伐。在1993年成立了技术过程的缺点诊断与平安性技术委员会(简称IFAC)，在IFAC的指点下，容错控制实际研讨迅猛开展。以后IFAC每三年定期召开一次缺点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，此次会议中缺点诊断与容错控制方面的论文到达 60 余篇。容错控制战略研讨成为最抢手的研讨课题之一。

20、容错控制的思想产生的时间不久，我国对容错控制实际的研讨起步也比较早，我国在容错控制实际上的研讨在几十年来不断在不断开展。1988年，叶银忠等发表了国内关于容错控制实际的第一篇综述性文章。而后，国内在容错控制战略实际上的研讨进入蓬勃开展的时期，当时的研讨人员曾经将容错控制战略运用于工业设备的缺点处置，缓解了设备因缺点而大大缩短其运用寿命，以及设备运转的平安性和可靠性得不到保证等比较严重的情况。容错控制开展至今只需 30 多年的历史，是一门新兴交叉学科。航空、航天领域和核设备方面的特殊要求是这门学科迅速开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开展，力求开发出

21、具有高度容错才干的战斗机，甚至在多个翼面受损时，也能坚持战斗机的生存才干。一次又一次的可怕的核走漏事件，使人们不得不寻求具有更高可靠性和平安性的系统。作为一门交叉学科，容错控制与鲁棒控制、缺点检测与诊断、自顺应控制、智能控制等息息相关。现代控制实际、信号处置、方式识别、最优化方法、决策论、统计数学等构成了容错控制的实际根底。容错控制系统设计主要包含两个问题：缺点诊断机构的设计和容错控制器的设计。缺点诊断技术的开展，是运用现代控制实际、数理统计、人工智能等方法分析处置非正常工况下系统特性的结果；容错控制那么是保证当控制系统中的某些部件发生缺点时，系统仍能按期望的性能目的或性能目的略有降低但可接受

22、的情况下，还能平安地完成控制义务。显然，控制系统的缺点诊断和容错控制有着亲密的联络，缺点诊断技术的开展为容错控制的研讨提供了必要的根底和前提预备，容错控制为缺点诊断的研讨注入了新的活力，这两个方面以其重要的实际和实际上的意义和由此产生的深远的影响成为了引人入胜的研讨热点。1.3 预测控制预测控制的开展主要从实践工业消费过程中衍生出来的，对于系统模型复杂，不容易准确建立模型的控制系统来说，预测控制可以简一方便地运用到实践工程中，因此预测控制不断以来都是工程界研讨的重点。预测控制实际曾经趋近完善，并且在化工、电力、冶金、机械等消费部门的控制系统中得到了比较广泛的运用。预测控制是在上世纪70 年代末

23、期产生的一类新型的计算机控制方法，实践是一种基于计算机控制的最优化算法。近30年以来，预测控制的开展历程为：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，人们在消费过程的检验中很容易地知道，采用滚动推移的方法可实如今线的优化控制，无需了解消费的过程和模型的构造，可以很方便地设计控制器，在工程运用中该算法显示出了良好的控制性能，因此得到了广泛的运用，比较典型的算法有建立在脉冲呼应根底上的预测控制算法、建立在阶跃呼应序列模型根底上的动态矩阵控制(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、自顺应调制、在线辨识等原理的根底上，汲取

24、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战略的思想，开展起来一种广义预测控制(Generalized Predietive Control，简记为GPC)的自顺应预测控制算法。 在20 世纪90 年代，人们在这个阶段渐渐构成了以最优控制思想为实际指点的具有可靠稳定性的预测控制的概略性思绪，从此，它的实际研讨开场了新的飞跃，获得了丰厚的研讨成果。虽然对预测控制的研讨已获得了一些比较好的成果，但是到目前为止，仍不能将它运用到实践的工业消费中，主要的缘由还是该方法主要采用的是形状空间模型。同时综合型预测控制思想存在的另一个问题是形状不可测，而采用形状估计器的预测控制综合

25、战略在目前来说还比较保守，仍在开展中。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辰与未来时辰的控制造用，但是只实践实施这个采样点刻的控制造用，在下一个采样时辰，系统会反复上面的优化问题。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构造具有不独一性，使得它可以根据控制对象的特点，以最简单的方式来处置信息和建立系统的预测模型；由于其优化方式和预测方式具有非经典性，使得它可以在优化过程中把实践系统中存在的不确定要素思索进来，构成动态优化，处置多种构造方式的优化目的。它让设计者可以自在地选择所需优化性能目的的方式。

26、因此，预测控制的预测和优化方式对以前的最优控制有一点点地修正，使建模有所简化，并思索到了不确定性和其他复杂性的影响，因此更加地接近于复杂系统的实践要求。预测控制还可以很好地处理有优化需求的控制问题，经过在线闭环控制来实施有效地控制战略以抑制各种不确定要素产生的影响。从运用的观念来看，它的最大优势在于它能以系统直观的方式来约束和处置多变量系统的控制，迄今为止，它是独一具有这一特征的先进性控制技术，并且它被运用于过程控制系统领域几十年来所获得的胜利，充分地证明了预测控制有处置复杂系统的约束优化控制问题的宏大潜力。课题主要研讨内容和重点本文在对国内外学者的研讨根底上，对基于双级矩阵变换器的容错控制的

27、原理、基于TSMC带永磁同步电动机闭环控制进展研讨分析，搭建仿真模型。本文的主要研讨内容和构造如下：第一章绪论部分主要引见了容错控制和TSMC的研讨背景、意义以及国内外研讨现状。第二章主要引见双级矩阵变换器的根本知识。包括TSMC的拓扑构造、任务原理、数学模型，并重点分析了TSMC的调制战略。最后根据分析结果进展了基于双空间矢量调制的TSMC仿真研讨，得到仿真波形。第三章主要引见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，简要引见了PMSM的构造和原理以及数学模型，引见了坐标变换的原理，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，进展仿真，得到仿真波

28、形。第四章引见基于TSMC的永磁同步电动机电流预测控制系统，引见了预测控制原理，对负载侧和开关组合建立数学模型，对电机输出电流进展直接预测控制，对电机进展调速控制和稳定运转，搭建仿真模型，并得到仿真结果。第五章引见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，经过预测控制对TSMC的开关形状直接进展调制，对于在缺点形状下的TSMC，容错控制可将缺点态的开关屏蔽，然后运用预测控制从剩下的安康开关形状选取出最适宜的开关形状完成控制动作。从而补偿开关缺点的影响。第六章讨论现有研讨中的缺乏，并对以后的研讨进展展望，最后总结全文。第二章 双级矩阵变换器的控制研讨2.1 双级矩阵变

29、换器的拓扑构造2.1.1 常规矩阵变换器到双级矩阵变换的演化CMC的拓扑构造如图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代表衔接矩阵变换器k相输入和j相输出的开关形状，,Skj=l表示开关导通，Skj =0表示开关关断。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构造双级矩阵变换器中，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

30、之间衔接开关的形状，。根据式2.2、式2.3可以得到如图2-1b所示的拓扑构造，即为TSMC的拓扑，与传统的AC-DC-AC变换器的拓扑类似，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 2.4T=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+SknS

31、jn=Skj，TSMC开关变换矩阵与CMC开关变换矩阵等效，二者具有一样的输入输出变换功能。2.1.2 典型的双级矩阵变换器拓扑构造TSMC是直流环节无需储能元件的三相交流-直流-交流的两级变换构造。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的直流侧不需求滤波元件。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，逆变级那么将直流PWM电压转换成频率、幅值可调的三相交流电。TSMC的拓扑构造如图2-2所示。图2-2 双级矩阵变换器的拓扑构造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

32、前只能用两个单向功率开关来组成一个双向开关，因此，TSMC共需求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一直为正，那么逆变级只需求采用单向开关，所以就构成了18个单向开关的TSMC电路，如图2-2所示。假设再进一步添加约束条件，那么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。在此不深化研讨，本文中主要以18开关电路的TSMC作为研讨对象。2.2 双空间矢量调制战略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

33、极为正，n极为负的的直流电压，同时应保证可以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形状，“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形状。图2-4b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经过相邻电流矢量和以及零矢量合成，他

34、们对应的开关形状分别为“1X0、 “10X,在相应开关形状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形状，“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。其他开关处于关断形状。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

35、的某一个扇区，如图2-5a所示。可由其相邻两有效矢量和以及零矢量合成，如图2-5b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展，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展调制，如图2-6a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一样，且在两个直流电压下逆变级电压矢量的调制占空比是一样的，图2-6b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

36、，整流级的开关进展切换，如图2-6c所示，将逆变级的零电压矢量进展分配，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)其矩阵方式为 = (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)其矩阵方式为 = (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方式的调制变换矩阵。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 (2.1

37、4)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。经过对中的设置可以调理输入功率因数角，因此将仍称为输入功率因数控制量。对于18开关的TSMC，的调理范围为。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方式表示为 (2.17)式中，为输出相电流，为逆变级第一扇区的占空比方式的调制变换矩阵 (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，那么各扇区(j为区间号)

38、。所以可得通用逆变级开关函数为 (2.19)决议了TSMC期望输出电压的频率，决议了输出电压的初相角，决议了输出电压幅值。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一样，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一样的参考电压 (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

39、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 仿真研讨图2-7 TSMC带阻感负载的仿真模型如图2-7所示，本文运用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战略。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

40、；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

41、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对比可知经过改动整流级的参考电压的输入功率因数角可以改动输入电压与输入电流之间的相位差，从而调理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的拓扑构造以及输出性能，引见了TSMC的拓扑构造，对基于TSMC的双空间矢量调制战略进展了分析。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 永磁同步电机构造以及数学模型3.1.1 永磁同步电机的构造永磁同步电动机构造简单、体

42、积小、分量轻、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陷。和异步电动机相比，它由于不需求无功励磁电流，因此效率高，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，也有本钱高、起动困难等缺陷。和普通同步电动机相比，它省去了励磁安装，简化了构造，提高了效率。永磁同步电机矢量控制系统可以实现高精度、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外形不同，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

43、也有两种：一种为正弦波；另一种为梯形波。这样就呵斥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构造不同，那么电动机的运转特性、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：外表式和内置式。在外表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外表上，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，永磁体外外表与定子铁心内圆之间有铁磁物质制成的极靴，可以维护永磁

44、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 3.23、电磁转矩计算公式 3.34、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坐标变换进展一定了解，经过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

45、如今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展变换(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)。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那么，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)其矩阵方式为： (3.7)应思索到坐标变换前后的总功率不

46、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变换的变换矩阵为 (3.9)可得其反变换的变换矩阵为 (3.13)2、静止两相坐标系和旋转两相坐标系的坐标变换-dq图3-2静止的两相坐标系和旋转的两相坐标系由图3-2可知 (3.14)其矩阵方式为： (3.15)进而，可求得 (3.16)所以，静止两相和旋转两相坐标系间变换矩阵 (3.17)可得其反变换的变换矩阵为 (3.18)3、三相静止坐标系和两相旋转坐标系之间的坐标变换ABC-dq由前面推导的结论可进一步得到三相静止坐标系和两相旋转坐标系之间的坐标变换矩阵为 (3.19) (3.20)变换阵可变为下面的方式

47、(3.21)其反变换矩阵是3.3 永磁同步电机矢量控制系统设计3.3.1 矢量控制方法永磁同步电机矢量控制常用方法有：最大转矩/电流控制、弱磁控制、直接转矩控制、=0控制。在本文中采用的是=0控制方法。根据式3.4可知转速控制系统其关键是要控制电机的瞬时电磁转矩，又由式3.4可知电磁转矩又可以经过控制来实现。而我们常用的=0控制方法较容易实现，控制效果理想，运用领域广，是比较理想的控制方法。=0控制方法是指将电机的三相定子电流坐标变换得到dq轴上的定子电流，设定的给定值为0，当d轴定子电流控制稳定之后，由式3.3可知，此时的电机电磁转矩与成线性关系，所以只需对q轴定子电流进展控制，就能控制电机

48、的电磁转矩，从而到达控制电机的目的。这种方法的本质是将三相交流电的控制经坐标简化成dq轴旋转坐标系下，相当于将永磁同步电机等效成直流电机来进展控制。这样使分析和控制变得简单易懂。3.3.2 永磁同步电机矢量控制系统的构造文献中指出，PWM变换器的传送函数可用一个滞后环节来描画，并且当电流闭环的开环传送函数的截止频率时，PWM变换器可以近似为一阶惯性环节。因此可定义TSMC的传送函数为 (3.22)在检测过程中，检测环节同样存在延时等，电流检测环节和转速检测环节普通可用一阶惯性环节来表示，可定义电机调速系统中电流检测环节和转速检测环节的传送函数分别为 (3.23)本文讨论的调速系统是将双击矩阵变

49、换器驱动永磁同步电机控制系统作为被控对象，采用=0控制方法，经过dq轴解耦，采用电流内环、转速外环双闭环控制。可得到系统的控制框图如图3-3所示。该调速系统经过转速检测环节测得永磁同步电机的转速，与给定的转速进展比较，误差经过转速环后得到的给定值，同时电流检测环节测得定子输出三相电流，将三相电流经dq变换后得到、的检测值，分别将、的检测值与、的给定值进展比较，的给定值是0。得到的误差经过电流环得到调制信号，将调制信号进展坐标变换后输出给SVPWM模块对变换器进展控制，从而到达控制效果。图3-3 系统控制框图调速系统传送函数模型如图3-4所示。图3-4 dq坐标系下PMSM矢量控制系统传送函数模

50、型如表3-1所示为电机调速系统的参数，PI参数的计算以及仿真模型均采用表中参数。表3-1 基于TSMC的永磁同步电机矢量控制系统参数参数名参数值参数名参数值电机额定相电压220V电机额定相电流3.2A电机额定转速3003000rpm电机额定功率0.151.5kW电机极对数2电机定子电阻2.4电机D轴电感8.62mH电机Q轴电感10.5mH电机转动惯量电机转子磁链0.2121WbPWM调制频率10kHz死区时间3usTSMC缩放系数0.9870TSMC延时转速检测延时电流检测延时3.3.3 电流环PI控制器设计当电流闭环系统的开环传送函数的截止频率时，我们可以将两个电流闭环环节近似为一个惯性环节

51、，如图3-5所示图3-5 电流环等效传送函数模型图中时间常数，。在该系统中有两个电流闭环系统，分别控制定子输出电流在d、q上的分量。本文中将两个电流闭环系统设计为典型I型系统，可坚持电流闭环控制系统较好的控制效果。电流控制器采用PI构造，可得其传送函数为 (3.24)式中是电流控制器的比例系数，是时间常数，i=d,q。当=时，PI控制器的零点可与图3-5中控制对象的打时间常数相互抵消。因此可将图3-5进展简化，得到如图3-6所示的典型I型系统的电流环传送函数模型。图3-6典型I型系统的电流环传送函数模型。图3-6中。得到电流闭环的开环传送函数和闭环传送函数为 (3.25) (3.26)典型I型

52、系统闭环传送函数的普通方式可写为 (3.27)式中为自然角频率，为阻尼比。可得 ，根据典型I型系统的参数整定方法，选择，此时，可计算的电流PI控制器的比例系数为根据表中的参数，可求得电流PI控制器的参数为D轴： ， Q轴： ， 3.3.4 转速PI控制器设计转速控制只与q轴有关，在q轴上，转速环作为外环，电流环作为内环，所以设计转速PI控制器时，将q轴电流内环作为转速环的一个环节进展计算，其传送函数就是闭环传送函数，可得其传送函数为 (3.28)转速的开环截止频率与电流闭环系统相对较低，所以，当转速闭环的开环截止频率时，可对电流闭环传送函数降阶处置，忽略式3.28分母中的高次项，以简化转速闭环

53、系统。可得q轴电流闭环传送函数近似为 (3.29)为简化转速控制器的设计，通常在转速误差计算之前添加一个给定转速滤波环节，采用这种方法还可以对输入的转速进展平滑处置，使得系统更加稳定。可得转速闭环系统的等效传送函数图，如图3-7。图3-7 转速环等效传送函数模型当转速闭环的开环截止频率时，可将图3-7中是将图中时间常数为和的两个惯性环节近似等效为一个惯性环节，设其时间常数为 (3.30)在本系统中忽略负载扰动对系统的影响，由此可简化转速闭环系统的传送函数模型为图3-8所示模型。图3-8 转速闭环控制系统的简化传送函数模型图中。转速闭环普通为典型II型系统，所以转速控制器也为PI构造。可得到其传

54、送函数为 (3.31)式中是转速控制器的比例系数，是转速控制器的时间常数，i=d,q。可得到转速闭环的开环传送函数为 (3.32)式中,知转速闭环为典型II型系统，可得转速闭环系统的传送函数模型如图3-9所示。图3-9 转速闭环系统的传送函数模型可得转速系统的开环对数幅频特性如图3-10所示，其中为幅频特性的中频段宽，h的值普通根据阅历选取，在本系统中，选取h=5可使系统的给定跟随性能和抗扰动性能做到折中。在普通情况下，时，由图3-10可以看出因此可得 (3.33)图3-10 转速闭环的开环对数幅频特性图在工程设计中，普通采用“振荡目的法中的闭环幅频特性峰值最小准那么。可以得到之间的一种最正确

55、配合。可得它们之间的关系为 (3.34)至此可得到如下计算公式 (3.35)根据表中的参数，以及h=5带入式3.3.5中，可计算得到转速PI控制器的参数为根据计算得到的参数，验证之前简化传送函数时所做的假设，,可得，可知，满足假设条件。至此，完成了转速、电流闭环控制器的设计，但是在将计算得到的参数运用在仿真中时，存在较小的误差，因此，在实践运用还要对参数略微进展调整来使调速系统得到较好的性能。3.4 控制系统仿真研讨根据前几节的结论，运用MATLAB软件搭建了基于TSMC的PMSM矢量控制系统，采用双闭环控制，调制战略为双空间矢量调制。如图3-11图3-11 基于TSMC的PMSM矢量控制系统

56、仿真参数为：控制器的PI参数为3.3节推导得出的参数，但是在实践运用到仿真中时还要对参数进展细微地调整，使得控制性能更好；在0 s时，设置给定转速从0突变为1000rpm；0.03s时，将给定负载转矩由2Nm突变为5Nm；察看仿真结果。图3-12、图3-13、图3-14所示的仿真波形分别是电机转速波形、电机转矩波形以及输出电流波形。可看出输出电流可以很好地跟踪给定电流，实现了对PMSM的矢量控制，并且得到了较好的控制效果。图3-12 电机转速波形图3-13 电机转矩波形图3-14 输出电流波形3.5 本章小结本章引见了基于TSMC的PMSM矢量控制原理，建立了PMSM在dq轴系的数学模型，运用

57、双闭环控制，设计了转速环和电流环PI控制器，经过计算得到了控制器的PI参数，采用双空间矢量调制战略，最后运用MATLAB软件搭建了仿真模型，得到仿真结果。第四章 永磁同步电机电流预测控制4.1预测控制战略本文采用模型预测控制方法，运用控制方法，对电机的定子电流进展预测控制，将TSMC的整流级和逆变级作为一个整体进展调制。这种控制方法易于了解，比较容易实现，对定子电流的控制效果好，并可以到达良好的电机动静态性能。但是该方法也有一些缺陷，如被控量单一，对输出电压的控制效果不是很理想。与前几章相比较，本章没有采用传统的空间矢量调制战略，而是将TSMC的两级作为一个整体来进展调制，即对TSMC的一切开

58、关形状进展控制，我们将这种方法称为基于预测控制的矢量调制。采用这种控制方法主要是由于该方法可以对变换器的开关形状直接进展干涉，因此，在变换器的功率开关出现缺点时，可以更方便地实现容错控制，为以后的容错控制研讨打下根底。虽然将TSMC两级开关作为一个整体来进展控制，但是在分析的时候我们对整流级和逆变级分别进展分析，这样更加直观易懂。4.1.1 整流级调制战略整流级的开关调制需满足中间直流电压为正的条件，所以将整流级的参考电压划分为6个区间。区间划分如图4-1所示。图4-1 基于预测控制整流级六区间划分由图4-1可看出，每个区间内可得到3个极性为正的直流电压，及其相应开关形状。以第一区间为例，3个

59、极性为正的直流电压为、,相应的开关形状为“1X0、“10X、“X10。除此之外，整流级还有三个零矢量开关形状，如当a相上下桥臂同时导通，其他的桥臂全部关断，此时即为零矢量。b相、c相有一样的结论。列出整流级各个区间的电流矢量表，如表4-1所示表4-1 各个区间的电流矢量表4.1.2 逆变级调制战略在常规空间矢量调制中，逆变级相应的电压矢量进展矢量合成，从而得到逆变级参考电压矢量，实现调制，在第二章中曾经进展过详细的引见。然而，基于预测控制算法的矢量调制不需求占空比的计算，也不需求进展矢量合成，大大的简化了控制过程。TSMC中，逆变级可以产生6个有效电压矢量和2个零矢量，对应有8种开关形状。当逆

60、变级全部上桥臂或者下桥臂导通时，此时得到零矢量电压。逆变级的有效电压矢量如图4-2所示图4-2 逆变级电压矢量4.1.3 TSMC整体开关矢量调制基于预测控制的矢量调制是将TSMC的两级开关作为一个整体来进展控制。以整流级的输入电压处于第一区间为例，此时整流级有三种能够的开关形状，即、,整流级相应输出的直流电压为、，逆变级共有8种电压矢量，对应有8种开关形状。整流级处于任一种开关形状的时间段内，逆变级会有8种开关形状可供选择，所以，在一个调制周期内，TSMC共有24种开关形状要进展预测值的计算，然后从中选取最优的开关形状赋予TSMC，实现调制过程。其开关调制过程如图4-3所示图4-3 一个PW