双级矩阵变换器容错控制策略

1、毕业设计计说明书书题 目：双级矩矩阵变换换器容错错控制策策略学 院：信息工工程学院院 专 业：自动化化 学 号： 姓 名： 指导教师师： 完成日期期： 毕业论文文（设计计）任务务书论文（设设计）题题目： 双双级矩阵阵变换器器容错控控制策略略 学号： 姓名名： 专业业： 自自动化 指导教师师： 系系主任： 一、主要要内容及及基本要要求主要内内容：11、学习习双级矩矩阵变换换器的基基本知识识。包括括TSMMC的拓拓扑结构构、工作作原理、数学模模型，并并重点研研究TSSMC的的调制策策略。 2、研研究永磁磁同步电电机的矢矢量控制制系统，学习双双闭环PPI控制制器的设设计方法法、建立立电机的的数学模模

2、型、坐坐标变换换原理等等。 3、了了解容错错控制的的概念，研究实实现容错错控制的的方法分分类，以以及在其其他系统统中如何何实现容容错控制制。 4、研研究预测测控制的的原理及及其实现现方法，基于预预测控制制算法在在TSMMC的闭闭环控制制系统中中实现容容错。 基本要要求：11、掌握握TSMMC的工工作原理理及其调调制策略略，并通通过仿真真实现TTSMCC正常运运行。 2、掌握握基于TTSMCC的永磁磁同步电电机矢量量控制系系统的工工作原理理，并通通过仿真真来实现现控制电电机正常常运行。 3、在在仿真中中编程实实现预测测控制，以预测测控制作作为TSSMC的的事故后后控制策策略，通通过仿真真验证这这

3、一方法法。 二、重点点研究的的问题 1、双级级矩阵变变换器的的工作原原理及其其应用。 2、双级级矩阵变变换器的的开关管管出现故故障后的的容错控控制策略略。 3、容容错控制制策略在在双级矩矩阵变换换器的闭闭环控制制系统中中的应用用。 三、进度度安排序号各阶段完完成的内内容完成时间间1确定毕业业设计的的题目20133.111.1002搜集参考考资料、相关文文献，并并完成初初步阅读读20144.1.11-20114.22.2003学习双级级矩阵变变换器容容错控制制策略的的原理20144.2.20-20114.33.1554学习熟练练MATTLABB仿真软软件的使使用方法法20144.3.15-201

4、14.44.15搭建仿真真模型，并得到到仿真结结果20144.4.1-220144.4.206撰写毕业业设计论论文20144.4.20-20114.55.97检查仿真真结果20144.5.178答辩20144.5.24四、应收收集的资资料及主主要参考考文献1 邓文浪浪.双级级矩阵变变换器及及其控制制策略研研究DD.中中南大学学,20007. 2 邓文浪浪,杨欣欣荣,朱朱建林.基于ddq坐标标双级矩矩阵变换换器的闭闭环控制制研究J.电气传传动,220077,377(2): 220-224. 3 刘见,粟梅,孙尧等等. 基基于双级级矩阵变变换器的的永磁同同步电机机矢量控控制JJ.电电力电子子技术,

5、20110, 44(11): 665-668. 4 葛宝明明,蒋静静坪.永永磁同步步电机磁磁阻转矩矩的有效效利用及及其预测测控制系系统JJ.电电工技术术学报,20000, 15(3): 6-10. 5 王宏佳佳,徐殿殿国,杨杨明.永永磁同步步电机改改进无差差拍电流流预测控控制JJ.电电工技术术学报,20111, 26(6): 399-455. 6 牛里, 杨明明, 刘刘可述等等. 永永磁同步步电机电电流预测测控制算算法JJ. 中国电电机工程程学报, 20012, 322(6): 1131-1377. 7 Roddrigguezz J, Koolarr J, Esspinnozaa J, ett

6、 all. PPreddicttivee cuurreent conntrool wwithh reeacttivee poowerr miinimmizaatioon iin aan iindiirecct mmatrrix connverrterrC20110 IIEEEE Innterrnattionnal Connferrencce oon. IEEEE, 20110: 18339-118444. 8 Dassikaa J D, Saeeediifarrd MM. AAn oon-llinee faaultt deetecctioon aand a ppostt-faaultt stt

7、rattegyy too immproove thee reliiabiilitty oof mmatrrix connverrterrsCCIEEEE, 20013: 11185-11991. 毕业论文文（设计计）评阅阅表学号 姓名 专业业 自动化化 毕业论文文（设计计）题目目： 双级级矩阵变变换器容容错控制制策略 评价项目目评 价价 内内 容容选题1.是否否符合培培养目标标，体现现学科、专业特特点和教教学计划划的基本本要求，达到综综合训练练的目的的；2.难度度、份量量是否适适当；3.是否否与生产产、科研研、社会会等实际际相结合合。能力1.是否否有查阅阅文献、综合归归纳资料料的能力力；2.是

8、否否有综合合运用知知识的能能力；3.是否否具备研研究方案案的设计计能力、研究方方法和手手段的运运用能力力；4.是否否具备一一定的外外文与计计算机应应用能力力；5.工科科是否有有经济分分析能力力。论文（设计）质量1.立论论是否正正确，论论述是否否充分，结构是是否严谨谨合理；实验是是否正确确，设计计、计算算、分析析处理是是否科学学；技术术用语是是否准确确，符号号是否统统一，图图表图纸纸是否完完备、整整洁、正正确，引引文是否否规范；2.文字字是否通通顺，有有无观点点提炼，综合概概括能力力如何；3.有无无理论价价值或实实际应用用价值，有无创创新之处处。综合评 价评阅人： 年 月月 日日 湘 潭 大 学

9、 毕毕业论文文（设计计）鉴定定意见 学号： 姓名： 专专业： 自动动化 毕业论文文（设计计说明书书） 47 页 图 表 445 张张论文（设设计）题题目：双双级矩阵阵变换器器容错控控制策略略 主要内容容： 学习了双双级矩阵阵变换器器的基本本知识，包括TTSMCC的拓扑扑结构、工作原原理、数学模型型，并重重点研究究了TSSMC的的调制策策略。掌掌握了基基于TSSMC的的永磁同同步电机矢量量控制系系统的控控制方法法，建立了了永磁同同步电机机的数学学模型，通过学学习DQ轴解解耦的原原理以及及PI控控制器的的设计方方法，在在MATTLABB软件中中搭建了了永磁同步电电机矢量量控制模模型。以之前前的研究

10、究为基础础，研究了了一种基基于预测测控制 算法的容容错控制制策略，首先掌掌握了预预测控制制的实现现方法，搭建了了采用预预测控制的TSSMC仿仿真模型型，在仿仿真中通通过S函函数实现现了预测测控制。最后将将容错控控策略运用用到了TTSMCC中，对对比其正正常状态态、故障障状态以以及容错错后的波波形，分分析了容错错效果。指导教师师评语该生能独独立查阅阅文献；有获取取各种信信息及新新知识的的能力。能周密密、合理理地设计计实验方方案；综综合运用用知识能能力强。按期圆圆满完成成规定的的任务，工作量量饱满；学习工工作积极极勤奋。设计说说明书结结构严谨谨，逻辑辑性强，论述层层次清晰晰；格式式符合学学校要求求

11、。有较较强的实实际动手手能力和和计算机机应用能能力。同意其参参加答辩辩，建议议成绩评评定为 。指导教师师： 年 月月 日答辩简要要情况及及评语该生在答答辩过程程中叙述述清楚、思路清清晰，语语言表达达准确;专业知知识扎实实。回答答问题有有理论根根据，基基本概念念清楚。问题回回答准确确。根据答辩辩情况，答辩小小组同意意其成绩绩评定为为 。答辩小组组组长： 年 月月 日答辩委员员会意见见经答辩委委员会讨讨论，同同意该毕毕业论文文（设计计）成绩绩评定为为 。答辩委员员会主任任： 年 月月 日目录TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc387780518 摘要 II双级矩阵阵变换

12、器器容错控控制策略略摘要 在在电力电电子领域域中，电电力驱动动系统的的可靠性性对电力力系统有有着重要要的影响响。对于于一些要要求高可可靠性的的系统，通过采采用相应应的容错错控制策策略，极极大地提提高了系系统应对对故障的的处理能能力。因因此容错错控制已已经成为为保障电电力系统统安全运运行的一一项重要要技术。本文以以双级矩矩阵变换换器（简简称TSSMC）为基础础，研究究TSMMC驱动动永磁同同步电机机的矢量量控制系系统，实实现了双双闭环控控制。然然后采用用预测控控制实现现对PMMSM的的闭环控控制，最最后在TTSMCC系统上上采用基基于预测测控制算算法的容容错控制制策略，通过仿仿真验证证了该容容错

13、策略略的可行行性。关键字：双级矩矩阵变换换器；SSVPWWM调制制；预测测控制；容错控控制；永永磁同步步电动机机Faullt-ttoleerannt conntrool sstraateggy bassed on twoo-sttagee mattrixx coonveerteerAbsttracct In thee fiieldd off poowerr ellecttronnicss, eelecctriic ddrivve ssysttem relliabbiliity of thee poowerr syysteem hhas an impporttantt immpacct. For

14、r soome sysstemms tthatt reequiire higgh rreliiabiilitty, fauult tolleraancee thhrouugh thee usse oof aapprroprriatte cconttroll sttrattegiies, grreattly enhhanccingg thhe aabillityy off thhe ssysttem to deaal wwithh faailuuress. TTherrefoore, faaultt-toolerrantt coontrrol hass beecomme aan iimpoort

15、aant tecchnoologgy tto pprottectt thhe ssafee opperaatioon oof ppoweer ssysttemss. IIn tthiss paaperr, ttwo-staage mattrixx coonveerteer (abbbrevviatted TSMMC), baasedd onn reeseaarchh TSSMC driive perrmannentt maagneet ssyncchroonouus mmotoor vvecttor conntrool ssysttem, thhe ddoubble-looop cconttr

16、oll. TThenn ussingg prrediictiive conntrool tto aachiievee clloseed-lloopp coontrrol of PMSSM, thee fiinall feeasiibillityy toolerrantt coontrrol strrateegy bassed on preedicctivve cconttroll allgorrithhm bby ssimuulattionn ussingg faaultt toolerrancce ppoliicy on TSMMC ssysttem.Keywwordds: Twoo-stt

17、agee mattrixx coonveerteer; SVPPWM moddulaatioon; Preedicctivve CConttroll; Toolerrantt Coontrrol; Peermaanennt MMagnnet Synnchrronoous Mottor绪论课题的背背景和意意义随着科学学技术不不断取得得新的成成果，现现代控制制系统也也越来越越复杂，越复杂杂的系统统对其可可靠性和和安全性性的要求求就越高高，因为为一旦这这类系统统系统出出现故障障，导致致重大事事故将对对经济、生命安安全造成成巨大的的损失。历史上上有无数数的悲剧剧不断上上演。因因此，人人们不得得不想办办

18、法来提提高系统统的可靠靠性和安安全性，避免发发生重大大事故。提升系系统的可可靠性可可以使操操作人员员的生命命安全得得到保障障，还能能够提高高生产效效率，增增加经济济效益。在此背背景下，系统的的容错控控制研究究是现代代系统控控制中迫迫切需要要解决的的问题。多年以来来，容错错控制系系统的研研究一直直是各个个领域研研究的热热点，不不管什么么系统都都需要具具有一定定的容错错性能，才能够够安全可可靠地运运用到实实际工程程中去，尤其是是一些要要求高可可靠性的的系统，如各类类飞行器器、危险险设施等等，而这这些系统统一旦发发生事故故将造成成无法估估量的损损失。如如何设计计出高容容错性能能的系统统一直都都是各个

19、个领域研研究人员员面对的的课题。简单的来来说，容容错控制制是指当当系统出出现故障障时，通通过软硬硬件重构构等方法法自动补补偿故障障的影响响来保持持系统在在损失部部分性能能甚至不不损失性性能的状状态下继继续稳定定运行，容错控控制对实实际系统统的性能能有着重重大的影影响，尤尤其是对对于一些些要求高高可靠性性的系统统。通过过采用相相应的容容错控制制策略，极大地地提高了了系统应应对故障障的处理理能力。如今电力力电子技技术高速速发展，各种新新型电力力变换器器层出不不穷，其其中不乏乏具有优优良性能能的电力力变换器器，而矩矩阵变换换器更是是一种很很有发展展潜力的的新型电电力变换换器。在在理想条条件下它它有如

20、下下优点：输入、输出波波形质量量良好，减小谐谐波；输输入功率率因数可可控；能能量可双双向流动动；简化化了中间间电路等等等，这这些特性性明显改改善了传传统电力力变换器器的不足足，是AAC/AAC变换换器中性性能十分分优秀的的一种电电力变换换装置，矩阵变变换器有有着广阔阔的应用用前景。从结构构上划分分，矩阵阵变换器器可分成成常规矩矩阵变换换器（简简称CMMC）和和双级矩矩阵变换换器两种种，除了了两者的的拓扑结结构、调调制策略略以及控控制范围围等方面面有所不不同，其其本质其其实是一一样的，具有共共同的优优良性能能和特性性。只是CMMC与TTSMCC相比较较而言，控制策策略更加加复杂，换流步步骤相对对

21、而言实实现困难难，钳位位电路复复杂。这这些缺点点在实际际工程应应用中制制约了CCMC的的发展。而TSSMC弥弥补了CCMC在在这方面面的不足足，TSSMC是是CMCC经过优优化后的的拓扑结结构，TTSMCC不只具具有CMMC同样样的优良良性能，并且简简化了换换流策略略，拓扑扑中减少少了电力力装置设设备，降降低了成成本，在在一定的的约束条条件下，TSMMC可以以进一步步简化拓拓扑结构构，减少少开关数数量，根根据不同同的使用用情况选选用不同同的电路路结构。本文就就是基于于TSMMC来进进行研究究。在电力系系统中，越复杂杂的系统统越容易易出现故故障，而而一旦故故障没有有得到很很好的控控制，对对于整个

22、个系统都都将带来来很大的的影响，对生产产、作业业安全等等都有很很大的隐隐患。从从很多研研究中可可以看出出，电力力系统中中最容易易发生故故障的就就是电力力变换器器中电力力电子器器件及其其驱动电电路。因因此，容容错控制制的研究究对象就就是电力力变换器器中的开开关故障障。因此此，对于于TSMMC这类类多开关关的电力力变换器器，一旦旦开关出出现故障障，对系系统的可可靠性和和安全性性会造成成很大的的影响，进而对对经济效效益和人人身安全全造成危危害。所所以，基基于TSSMC设设计出一一种安全全可行的的容错控控制系统统是一项项值得深深入研究究的课题题。容错错控制一一直是电电力电子子领域研研究的热热点，对对于

23、新型型电力变变换器，良好的的容错性性能能够够帮助它它更好的的应用到到实际工工程中。国内外研研究现状状19711年，NNiedderllinsski提提出完整整性控制制（Innteggrall Coontrrol）的概念念，由此此产生容容错控制制(Faaultt Toolerrantt Coontrrol，FTCC)的思思想。经经过几十十年的发发展，容容错控制制研究已已经逐渐渐成为一一个独立立的、完完整的、富有挑挑战性的的研究课课题。119855 年，国外学学者们提提出容错错控制的的分类方方法，将将容错控控制分为为主动容容错控制制和被动动容错控控制，如如今已成成为现代代容错控控制研究究方法分分类

24、的依依据。在在 19993年年和 119977年，PPattton 教授发发表了关关于容错错控制理理论的综综述文章章，提出出了容错错控制研研究亟需需解决的的难题以以及解决决办法，为容错错控制研研究提出出了指导导性意见见。随着着一次次次因系统统故障原原因导致致的重大大灾难不不断发生生，人们们不得不不加快对对容错控控制理论论研究的的步伐。在19993年年成立了了技术过过程的故故障诊断断与安全全性技术术委员会会(简称称IFAAC)，在IFFAC的的领导下下，容错错控制理理论研究究迅猛发发展。此此后IFFAC每每三年定定期召开开一次故故障诊断断与容错错控制方方面的国国际专题题学术会会议。119999年

25、 77 月，第 114 届届 IFFAC国国际专题题学术会会议在北北京召开开，此次次会议中中故障诊诊断与容容错控制制方面的的论文达达到 660 余余篇。容容错控制制策略研研究成为为最热门门的研究究课题之之一。容错控制制的思想想产生的的时间不不久，我我国对容容错控制制理论的的研究起起步也比比较早，我国在在容错控控制理论论上的研研究在几几十年来来一直在在不断发发展。119888年，叶叶银忠等等发表了了国内关关于容错错控制理理论的第第一篇综综述性文文章。而而后，国国内在容容错控制制策略理理论上的的研究进进入蓬勃勃发展的的时期，当时的的研究人人员已经经将容错错控制策策略应用用于工业业设备的的故障处处理

26、，缓缓解了设设备因故故障而大大大缩短短其使用用寿命，以及设设备运行行的安全全性和可可靠性得得不到保保障等比比较严重重的情况况。容错控制制发展至至今只有有 300 多年年的历史史，是一一门新兴兴交叉学学科。航航空、航航天领域域和核设设施方面面的特殊殊要求是是这门学学科迅速速发展的的一个最最重要的的动力来来源。美美国空军军从 770 年年代起就就不断投投入巨资资支持容容错控制制的发展展，力求求开发出出具有高高度容错错能力的的战斗机机，甚至至在多个个翼面受受损时，也能保保持战斗斗机的生生存能力力。一次次又一次次的可怕怕的核泄泄漏事件件，使人人们不得得不寻求求具有更更高可靠靠性和安安全性的的系统。作为

27、一一门交叉叉学科，容错控控制与鲁鲁棒控制制、故障障检测与与诊断、自适应应控制、智能控控制等息息息相关关。现代代控制理理论、信信号处理理、模式式识别、最优化化方法、决策论论、统计计数学等等构成了了容错控控制的理理论基础础。容错错控制系系统设计计主要包包含两个个问题：故障诊诊断机构构的设计计和容错错控制器器的设计计。故障障诊断技技术的发发展，是是应用现现代控制制理论、数理统统计、人人工智能能等方法法分析处处理非正正常工况况下系统统特性的的结果；容错控控制则是是保证当当控制系系统中的的某些部部件发生生故障时时，系统统仍能按按期望的的性能指指标或性性能指标标略有降降低（但但可接受受）的情情况下，还能安

28、安全地完完成控制制任务。显然，控制系系统的故故障诊断断和容错错控制有有着密切切的联系系，故障障诊断技技术的发发展为容容错控制制的研究究提供了了必要的的基础和和前提准准备，容容错控制制为故障障诊断的的研究注注入了新新的活力力，这两两个方面面以其重重要的理理论和实实践上的的意义和和由此产产生的深深远的影影响成为为了引人人入胜的的研究热热点。1.3 预测控控制预测控控制的发发展主要要从实际际工业生生产过程程中衍生生出来的的，对于于系统模模型复杂杂，不容容易准确确建立模模型的控控制系统统来说，预测控控制能够够简单方方便地应应用到实实际工程程中，因因此预测测控制一一直以来来都是工工程界研研究的重重点。预

29、预测控制制理论已已经趋近近完善，并且在在化工、电力、冶金、机械等等生产部部门的控控制系统统中得到到了比较较广泛的的应用。预测控制制是在上上世纪770 年年代末期期产生的的一类新新型的计计算机控控制方法法，实际际是一种种基于计计算机控控制的最最优化算算法。近近30年年以来，预测控控制的发发展历程程为：在在70 年代，工业预预测控制制算法大大多是以以控制对对象为非非参数模模型，人人们在生生产过程程的测验验中很容容易地知知道，采采用滚动动推移的的方法可可实现在在线的优优化控制制，无需需了解生生产的过过程和模模型的结结构，可可以很方方便地设设计控制制器，在在工程应应用中该该算法显显示出了了良好的的控制

30、性性能，因因此得到到了广泛泛的应用用，比较较典型的的算法有有建立在在脉冲响响应基础础上的预预测控制制算法、建立在在阶跃响响应序列列模型基基础上的的动态矩矩阵控制制(DMMC)、模型算算法控制制(MAAC)等等。而后后到了880 年年代初期期，人们们在坚持持模型预预测的最最小方差差自校正正控制、自适应应调制、在线辨辨识等原原理的基基础上，吸取了了MACC、DMMC 中中的预测测优化的的方法，结合预预测控制制中的多多步预测测优化控控制策略略的思想想，发展展起来一一种广义义预测控控制(GGeneerallizeed PPreddiettivee Coontrrol，简记为为GPCC)的自自适应预预测

31、控制制算法。 在220 世世纪900 年代代，人们们在这个个阶段渐渐渐形成成了以最最优控制制思想为为理论指指导的具具有可靠靠稳定性性的预测测控制的的概略性性思路，从此，它的理理论研究究开始了了新的飞飞跃，取取得了丰丰厚的研研究成果果。虽然然对预测测控制的的研究已已取得了了一些比比较好的的成果，但是到到目前为为止，仍仍不能将将它应用用到实际际的工业业生产中中，主要要的原因因还是该该方法主主要采用用的是状状态空间间模型。同时综综合型预预测控制制思想存存在的另另一个问问题是状状态不可可测，而而采用状状态估计计器的预预测控制制综合策策略在目目前来说说还比较较保守，仍在发发展中。通常情况况下，预预测控制

32、制在系统统每个采采样点只只求解一一个优化化问题，然后得得到这个个采样时时刻与未未来时刻刻的控制制作用，但是只只实际实实施这个个采样点点刻的控控制作用用，在下下一个采采样时刻刻，系统统会重复复上面的的优化问问题。总总体来说说，预测测控制是是一种在在给定时时域内不不停地求求解同一一个优化化问题而而获得控控制输入入的方法法。由于预测测控制的的模型结结构具有有不唯一一性，使使得它可可以根据据控制对对象的特特点，以以最简单单的方式式来处理理信息和和建立系系统的预预测模型型；由于于其优化化模式和和预测模模式具有有非经典典性，使使得它可可以在优优化过程程中把实实际系统统中存在在的不确确定因素素考虑进进来，形

33、形成动态态优化，处理多多种结构构形式的的优化目目标。它它让设计计者可以以自由地地选择所所需优化化性能指指标的形形式。因因此，预预测控制制的预测测和优化化模式对对以前的的最优控控制有一一点点地地修正，使建模模有所简简化，并并考虑到到了不确确定性和和其他复复杂性的的影响，因而更更加地接接近于复复杂系统统的实际际要求。预测控控制还可可以很好好地解决决有优化化需求的的控制问问题，通通过在线线闭环控控制来实实施有效效地控制制策略以以克服各各种不确确定因素素产生的的影响。从应用用的观点点来看，它的最最大优势势在于它它能以系系统直观观的方式式来约束束和处理理多变量量系统的的控制，迄今为为止，它它是唯一一具有

34、这这一特征征的先进进性控制制技术，并且它它被应用用于过程程控制系系统领域域几十年年来所取取得的成成功，充充分地证证明了预预测控制制有处理理复杂系系统的约约束优化化控制问问题的巨巨大潜力力。课题主要要研究内内容和重重点本文在对对国内外外学者的的研究基基础上，对基于于双级矩矩阵变换换器的容容错控制制的原理理、基于于TSMMC带永永磁同步步电动机机闭环控控制进行行研究分分析，搭搭建仿真真模型。本文的的主要研研究内容容和结构构如下：第一章绪绪论部分分主要介介绍了容容错控制制和TSSMC的的研究背背景、意意义以及及国内外外研究现现状。第二章主主要介绍绍双级矩矩阵变换换器的基基本知识识。包括括TSMMC的

35、拓拓扑结构构、工作作原理、数学模模型，并并重点分分析了TTSMCC的调制制策略。最后根根据分析析结果进进行了基基于双空空间矢量量调制的的TSMMC仿真真研究，得到仿仿真波形形。第三章主主要介绍绍基于双双级矩阵阵变换器器的永磁磁同步电电动机（简称PPMSMM）矢量量控制系系统的原原理，简简要介绍绍了PMMSM的的结构和和原理以以及数学学模型，介绍了了坐标变变换的原原理，重重点分析析设计了了双闭环环控制，设计电电流环PPI控制制器和转转速环PPI控制制器，进进行仿真真，得到到仿真波波形。第四章介介绍基于于TSMMC的永永磁同步步电动机机电流预预测控制制系统，介绍了了预测控控制原理理，对负负载侧和和

36、开关组组合建立立数学模模型，对对电机输输出电流流进行直直接预测测控制，对电机机进行调调速控制制和稳定定运行，搭建仿仿真模型型，并得得到仿真真结果。第五章介介绍一种种基于直直接预测测控制的的容错控控制软件件重构法法，将预预测控制制与开关关表结合合起来，通过预预测控制制对TSSMC的的开关状状态直接接进行调调制，对对于在故故障状态态下的TTSMCC，容错错控制可可将故障障态的开开关屏蔽蔽，然后后使用预预测控制制从剩下下的健康康开关状状态选取取出最适适合的开开关状态态完成控控制动作作。从而而补偿开开关故障障的影响响。第六章探探讨现有有研究中中的不足足，并对对以后的的研究进进行展望望，最后后总结全全文

37、。第二章 双级矩矩阵变换换器的控控制研究究2.1 双级矩矩阵变换换器的拓拓扑结构构2.1.1 常常规矩阵阵变换器器到双级级矩阵变变换的演演变CMC的的拓扑结结构如图图2-11(a)，且CCMC的的输入输输出关系系可表示示为 （2.11）式中，uuA、uB、uC为三相相输出电电压，uua、ub、uc为三相相输入电电压，TT为CMMC的开开关变换换矩阵，代表了了输入输输出的变变换关系系。Skkj代表表连接矩矩阵变换换器k相相输入和和j相输输出的开开关状态态，,Skjj=l表表示开关关导通，Skjj =00表示开开关关断断。常规矩阵阵变换器器拓扑 (b) 双级矩矩阵变换换器拓扑扑图2-11 常规规矩

38、阵变变换器和和双级矩矩阵变换换器的拓拓扑结构构双级矩矩阵变换换器中，设中间间两点为为p、nn，对应应有电压压up、un其与三三相输入入输出电电压的关关系为 （22.2） （2.33）式中Skkw、SSjw表示示k相、j相与与p、nn点之间间连接开开关的状状态，。根据式式（2.2）、式（22.3）可以得得到如图图2-11（b）所示的的拓扑结结构，即即为TSSMC的的拓扑，与传统统的ACC-DCC-ACC变换器器的拓扑扑相似，包包含了AAC-DDC和DDC-AAC两级级，即分分别为整整流级和和逆变级级。T1和T2分别为为整流级级和逆变变级的开开关变换换矩阵。结合式式（2.2）、（2.3），可得TT

39、SMCC输入输输出电压压之间的的变换关关系式为为 （2.4）T=T11T2，T为TSSMC总总开关变变换矩阵阵。与CCMC开开关变换换矩阵对对比可以以看出，SkppSjp+SSknSjn=11时，表表示k相相输入和和j相输输出接通通，相当当于CMMC的驴驴Skjj=1；SkppSjp+SSknSjn=00时，表表示k相相输入和和j相输输出断开开，相当当于CMMC的SSkj=00。因此此，SkkpSjp+SSknSjn=SSkj，TTSMCC开关变变换矩阵阵与CMMC开关关变换矩矩阵等效效，二者者具有相相同的输输入输出出变换功功能。2.1.2 典典型的双双级矩阵阵变换器器拓扑结结构TSMMC是直

40、直流环节节无需储储能元件件的三相相交流-直流-交流的的两级变变换结构构。输入入侧的交交流-直直流电路路为整流流级，输输出侧的的直流-交流电电路为逆逆变级。与传统统的交-直-交交变换器器相比，TSMMC的直直流侧不不需要滤滤波元件件。采用用空间矢矢量调制制技术时时，整流流级输出出的直流流侧电压压为PWWM电压压，逆变变级则将将直流PPWM电电压转换换成频率率、幅值值可调的的三相交交流电。TSMMC的拓拓扑结构构如图22-2所所示。图2-22 双级级矩阵变变换器的的拓扑结结构要提供供能量双双向传输输，TSSMC的的功率开开关要选选用双向向功率开开关，由由于受电电力电子子技术的的限制，目前只只能用两

41、两个单向向功率开开关来组组成一个个双向开开关，因因此，TTSMCC共需要要24个个单向开开关。然然而在一一定的约约束条件件下，如如控制整整流级的的输出电电压极性性始终为为正，则则逆变级级只需要要采用单单向开关关，所以以就形成成了188个单向向开关的的TSMMC电路路，如图图2-22所示。如果再再进一步步增加约约束条件件，则TTSMCC的开关关数量还还可以再再减少。如155开关电电路和112开关关电路，甚至99开关电电路。在在此不深深入研究究，本文文中主要要以188开关电电路的TTSMCC作为研研究对象象。2.2 双空间间矢量调调制策略略2.2.1整流流级的空空间矢量量调制原原理设TSSMC的的

42、三相输输入相电电压为 (22.5)式中表示示输入相相电压角角频率；为输入入相电压压幅值。 TTSMCC中两级级电路协协调控制制，整流流级调制制的目的的是要得得到p极极为正，n极为为负的的的直流电电压，同同时应保保证能够够得到最最大的电电压利用用率。将将输入相相电压划划分为66个扇区区，所以以如图22-3所所示图2-33 输入入相电压压六扇区区划分整流级六六个双向向开关可可合成六六个输入入电流有有效空间间矢量，如图图2-44(a)所示，除除此之外外整流级级还有三三个零矢矢量。图2-44 整流流级空间间矢量扇扇区分布布图2-44(a)中括号号里的数数字按顺顺序分别别代表aa、b、c相桥桥臂上下下开

43、关通通断状态态，“ll”表示示同直流流p极相相连的开开关导通通，“00”表示示同直流流n极相相连的开开关导通通，“XX”代表表所在相相上下开开关全部部处于断断开状态态。图22-4（b）中中是输入入电流参参考矢量量，在扇扇区中可可由相邻邻电流矢矢量和来来合成，以第一一扇区为为例，其其输入电电流的参参考矢量量可通过过相邻电电流矢量量和以及及零矢量量合成，他们对对应的开开关状态态分别为为“1XX0”、 “110X”,在相相应开关关状态下下产生的的电压分分别为和和。设、分别别为、的开关关占空比比，可得得开关占占空比的的计算公公式为 （22.6）式中，（）为电电流调制制系数。2.2.2 逆逆变级的的空间

44、矢矢量调制制原理逆变级级六个开开关可合合成六个个线电压压有效空空间矢量量（）和和两个零零矢量，图2.5(aa)中括括号里的的数字按按顺序分分别代表表A、BB、C三三相桥臂臂上下开开关通断断状态，“1”表表示同直直流p极极相连的的开关导导通，“0”表表示同直直流n极极相连的的开关导导通。其余开关关处于关关断状态态。为了了分析的的方便，假设直直流电压压恒定，线电压压有效空空间矢量量幅值为为，如图图2.55(b)所示。图2-55 逆变变级空间间矢量扇扇区分布布设是要要得到的的某一瞬瞬间的输输出线电电压空间间矢量，处于逆逆变级空空间矢量量扇区的的某一个个扇区，如图22-5（a）所所示。可可由其相相邻两

45、有有效矢量量和以及及零矢量量合成，如图22-5（b）所所示。他他们的关关系式为为 (22.7)式中、分分别为、的调制制占空比比逆变级级电压矢矢量的占占空比为为 (22.8)式中（）为逆变变级调制制系数。图2-66 一个个PWMM开关周周期内两两级开关关协调控控制过程程逆变级的的调制与与整流级级协调进进行，如如图2-6所示示，在一一个PWWM期内内，以第第一扇区区为例，逆变级级分别在在整流级级输出的的和下进进行调制制，如图图2-66（a）所示。在这两两个不同同的电压压下逆变变级分别别采用的的电压矢矢量是相相同，且且在两个个直流电电压下逆逆变级电电压矢量量的调制制占空比比是相同同的，图图2-66（

46、b）为逆变变级的开开关矢量量分配。逆变级级开关采采用常规规的死区区换流，整流级级开关采采用零电电流换流流，当逆逆变级输输出零电电压时，整流级级的开关关进行切切换，如如图2-6（cc）所示示，将逆逆变级的的零电压压矢量进进行分配配，实现现零电流流换流。2.2.3 TTSMCC的开关关函数如要得得到的参参考输入入电流矢矢量位于于整流级级矢量扇扇区中的的第一扇扇区，可可以推导导出一个个PWMM周期内内直流平平均电压压为 (22.9)其矩阵形形式为 = (22.100)设TSSMC直直流平均均电流为为常量，可得整整流级三三相输入入电流为为 (2.11)其矩阵形形式为 = (2.112)式中为整整流级第

47、第一扇区区占空比比调制变变换矩阵阵 (2.13)同理可可推导出出当要合合成的参参考输入入电流矢矢量位于于其他扇扇区时的的占空比比形式的的调制变变换矩阵阵。设为输输入功率率因数角角，在第第一扇区区内，将将其和式式（2.6）带带入式（2.113）中中可得第第一扇区区调制变变换矩阵阵对应的的开关函函数 (2.114)将式（2.114）带带入式（2.112）中中，得 = (2.15)由式（22.155）可知知，为常常量时，整流级级三相输输入电流流正弦对对称，其其相位滞滞后输入入相电压压。通过过对中的的设置可可以调节节输入功功率因数数角，因因此将仍仍称为输输入功率率因数控控制量。对于118开关关的TSS

48、MC，的调节节范围为为（）。假设逆逆变级输输出线电电压矢量量位于逆逆变级矢矢量扇区区中的第第一扇区区时，其其三相输输出线电电压在一一个PWWM周期期内的平平均值为为 (22.166)在一个个PWMM周期内内直流电电流平均均值用矩矩阵形式式表示为为 (22.177)式中，为为输出相相电流，为逆变变级第一一扇区的的占空比比形式的的调制变变换矩阵阵 (2.18)同理可可推导出出逆变级级其他扇扇区的调调制变换换矩阵。设参考考输出相相电压角角频率为为，初始始相位角角为，则则各扇区区(j为为区间号号)。所所以可得得通用逆逆变级开开关函数数为 (22.199)决定了了TSMMC期望望输出电电压的频频率，决决

49、定了输输出电压压的初相相角，决决定了输输出电压压幅值。定义一个个参考相相电压, 与整整流级的的通用开开关函数数的频率率和相位位相同，且幅值值为1，可得 (22.200)以整流流级第一一扇区为为例，结结合式（2.114）和和式（22.200）可得得到参考考电压和和占空比比之间的的关系为为 (22.211)由此可可得到占占空比的的简化算算法 同理可可求得其其他扇区区的开关关占空比比计算公公式。见见表2-1。表2-11 整流流级的开开关占空空比计算算对于逆逆变级来来说，同同样也可可得到占占空比的的简化算算法，定定义一个个与逆变变级通用用开关函函数频率率和相位位相同的的参考电电压 (2.222)以逆变

50、变级第一一扇区为为例，结结合式（2.118）、式（22.199）和式式（2.22）可得到到参考电电压与开开关占空空比的关关系为= (22.233)由此得得到逆变变级开关关占空比比的简化化计算公公式同理可可求得其其他扇区区的开关关占空比比的简化化计算公公式，见见表2-2。表2-22 逆变变级的开开关占空空比计算算2.3 仿真研研究图2-77 TSSMC带带阻感负负载的仿仿真模型型如图22-7所所示，本本文使用用MATTLABB软件搭搭建了基基于TSSMC带带阻感负负载的仿仿真模型型，采用用双空间间矢量调调制策略略。其中模型型参数为为：输入入电源为为三相对对称的正正弦电压压，相电电压为2220VV

51、，频率率为500Hz；输入输输出端各各有一个个LC滤滤波器，输入端端LC滤滤波电感感为5000uHH，电容容为455uF，输出端端LC滤滤波电感感为9000uHH，电容容为177uF；负载为为三相对对称的阻阻感负载载，其中中每一相相电感为为3mHH，每一一相电阻阻为5；调制制周期为为0.11ms;仿真采采用odde155s算法法。设置整流流级的参参考电压压和逆变变级的参参考电压压的幅值值均为11V，频频率为550Hzz,仿真真得到输输出端未未加滤波波器的线线电压如如图2-8所示示；滤波波后的输输出线电电压如图图2-99所示；以及中中间环节节的直流流电压如如图2-10所所示。由由仿真结结果可看看

52、出，输输出线电电压幅值值与输入入电源的的电压幅幅值为11倍的关关系，其其频率与与参考电电压的频频率一致致，相位位未发生生变化。图2-88 未滤滤波的输输出线电电压波形形图2-99 滤波波后输出出线电压压波形图2-110 直直流电压压波形设置逆逆变级的的参考电电压幅值值为0.5V，频率为为50HHz，得得到输出出线电压压波形如如图2-11所所示，其其电压幅幅值此时时为电源源电压的的0.55倍，频频率不变变。图2-111 幅幅值为00.5倍倍的输出出线电压压波形如图22-122所示为为整流级级参考电电压时的的输入电电压和输输入电流流的波形形；图22-133所示为为，和的的波形。由图22-122和图

53、22-133对比可可知通过过改变整整流级的的参考电电压的输输入功率率因数角角可以改改变输入入电压与与输入电电流之间间的相位位差，从从而调节节TSMMC的输输入功率率因数。图2-112 和和的波形形图2-112 和和的波形形2.4 本章小小结本章比比较了CCMC与与TSMMC的拓拓扑结构构以及输输出性能能，介绍绍了TSSMC的的拓扑结结构，对对基于TTSMCC的双空空间矢量量调制策策略进行行了分析析。最后后搭建了了仿真模模型，得得到仿真真波形。第三章 基于双双级矩阵阵变换器器的永磁磁同步电电机矢量量控制3.1 永磁同同步电机机结构以以及数学学模型3.1.1 永永磁同步步电机的的结构永磁同同步电动

54、动机结构构简单、体积小小、重量量轻、损损耗小、效率高高，和直直流电机机相比，它没有有直流电电机的换换向器和和电刷等等缺点。和异步步电动机机相比，它由于于不需要要无功励励磁电流流，因而而效率高高，功率率因数高高，力矩矩惯量比比大，定定子电流流和定子子电阻损损耗减小小，且转转子参数数可测、控制性性能好；但它与与异步电电机相比比，也有有成本高高、起动动困难等等缺点。和普通通同步电电动机相相比，它它省去了了励磁装装置，简简化了结结构，提提高了效效率。永永磁同步步电机矢矢量控制制系统能能够实现现高精度度、高动动态性能能、大范范围的调调速或定定位控制制，因此此永磁同同步电机机矢量控控制系统统引起了了国内外

55、外学者的的广泛关关注。永磁同同步电动动机的转转子磁钢钢的几何何形状不不同，使使得转子子磁场在在空间的的分布可可分为正正弦波和和梯形波波两种。因此，当转子子旋转时时，在定定子上产产生的反反电动势势波形也也有两种种：一种种为正弦弦波；另另一种为为梯形波波。这样样就造成成两种同同步电动动机在原原理、模模型及控控制方法法上有所所不同，为了区区别由它它们组成成的永磁磁同步电电动机交交流调速速系统，习惯上上又把正正弦波永永磁同步步电动机机组成的的调速系系统称为为正弦型型永磁同同步电动动机（PPMSMM）调速速系统。 永磁同步步电动机机转子磁磁路结构构不同，则电动动机的运运行特性性、控制制系统等等也不同同。

56、根据据永磁体体在转子子上的位位置的不不同，永永磁同步步电动机机主要可可分为：表面式式和内置置式。在在表面式式永磁同同步电动动机中，永磁体体通常呈呈瓦片形形，并位位于转子子铁心的的外表面面上，这这种电机机的重要要特点是是直、交交轴的主主电感相相等；而而内置式式永磁同同步电机机的永磁磁体位于于转子内内部，永永磁体外外表面与与定子铁铁心内圆圆之间有有铁磁物物质制成成的极靴靴，可以以保护永永磁体。这种永永磁电机机的重要要特点是是直、交交轴的主主电感不不相等。因此，这两种种电机的的性能有有所不同同。3.1.2 永永磁同步步电机的的数学模模型1、定子子电压方方程为 （3.11）式中、是是定子电电流的ddq

57、轴分分量；RR是定子子的电阻阻；、为为定子磁磁链的ddq轴分分量；是是同步电电角速度度；代表表极对数数； 代代表永磁磁体磁链链。2、定子子磁链方方程为 （3.22）3、电磁磁转矩计计算公式式 （3.33）4、运动动方程不计摩摩擦力矩矩作用时时的运动动方程为为 （3.44）式中为电电机的机机械旋转转角速度度。J为电机机的转动动惯量和和负载的的转动惯惯量之和和。3.2 坐标变变换原理理在分析析永磁同同步电机机的矢量量控制之之前需对对DQ坐坐标变换换进行一一定了解解，通过过DQ坐坐标变换换可以将将复杂的的三相交交流电的的控制问问题转化化为对直直流电的的控制，在电机机控制中中实现在在DQ轴轴上的解解耦

58、控制制。通常我我们在实实现系统统控制时时会用到到如下几几种坐标标变换方方法：静静止的三三相和两两相坐标标系间进进行变换换(3ss/2ss变换)，及其其反变换换(2ss/3ss变换)；静止止两相和和旋转两两相坐标标系间变变换(22s/22r变换换)，及及其反变变换(22r/22s变换换)；三三相静止止和两相相旋转坐坐标系间间变换(3s/2r变变换)，及其反反变换(2r/3s变变换)。三相静止止坐标系系变换到到两相静静止坐标标系（AABC-）图3-11 静止止的三相相和两相相坐标变变换原理理图根据磁动动势和功功率相等等的等效效原则，两相与与三相的的合成磁磁动势相相等，即即图3-1中，两相与与三相绕

59、绕组的磁磁动势在在坐标轴轴上投影影相等，即 (33.5) (3.66)其矩阵形形式为： (33.7)应考虑到到坐标变变换前后后的总功功率不变变，所以以，式（3.77）中匝匝数比。可得 (3.8)所以，静静止的三三相和两两相坐标标系间坐坐标变换换的变换换矩阵为为 (3.99)可得其反反变换的的变换矩矩阵为 (33.133)2、静静止两相相坐标系系和旋转转两相坐坐标系的的坐标变变换（-dq）图3-22静止止的两相相坐标系系和旋转转的两相相坐标系系由图3-2可知知 (33.144)其矩阵形形式为： (3.15)进而，可可求得 (33.166)所以，静静止两相相和旋转转两相坐坐标系间间变换矩矩阵 (3

60、.117)可得其反反变换的的变换矩矩阵为 (3.118)3、三相相静止坐坐标系和和两相旋旋转坐标标系之间间的坐标标变换（ABCC-dqq）由前面面推导的的结论可可进一步步得到三三相静止止坐标系系和两相相旋转坐坐标系之之间的坐坐标变换换矩阵为为 (3.19) (33.200)变换阵可可变为下下面的形形式 (33.211)其反变换换矩阵是是3.3 永磁同同步电机机矢量控控制系统统设计3.3.1 矢矢量控制制方法永磁同同步电机机矢量控控制常用用方法有有：最大大转矩/电流控控制、弱弱磁控制制、直接接转矩控控制、=0控制制。在本本文中采采用的是是=0控控制方法法。根据式式（3.4）可可知转速速控制系系统