1、畢業設計計說明書書題 目：雙級矩矩陣變換換器容錯錯控制策策略學 院：信息工工程學院院 專 業：自動化化 學 號： 姓 名： 指導教師師： 完成日期期： 畢業論文文（設計計）任務務書論文（設設計）題題目： 雙雙級矩陣陣變換器器容錯控控制策略略 學號： 姓名名： 專業業： 自自動化 指導教師師： 系系主任： 一、主要要內容及及基本要要求主要內內容：11、學習習雙級矩矩陣變換換器的基基本知識識。包括括TSMMC的拓拓撲結構構、工作作原理、數學模模型，并并重點研研究TSSMC的的調制策策略。 2、研研究永磁磁同步電電機的矢矢量控制制系統，學習雙雙閉環PPI控制制器的設設計方法法、建立立電機的的數學模模

2、型、坐坐標變換換原理等等。 3、了了解容錯錯控制的的概念，研究實實現容錯錯控制的的方法分分類，以以及在其其他系統統中如何何實現容容錯控制制。 4、研研究預測測控制的的原理及及其實現現方法，基于預預測控制制算法在在TSMMC的閉閉環控制制系統中中實現容容錯。 基本要要求：11、掌握握TSMMC的工工作原理理及其調調制策略略，并通通過仿真真實現TTSMCC正常運運行。 2、掌握握基于TTSMCC的永磁磁同步電電機矢量量控制系系統的工工作原理理，并通通過仿真真來實現現控制電電機正常常運行。 3、在在仿真中中編程實實現預測測控制，以預測測控制作作為TSSMC的的事故后后控制策策略，通通過仿真真驗證這這

3、一方法法。 二、重點點研究的的問題 1、雙級級矩陣變變換器的的工作原原理及其其應用。 2、雙級級矩陣變變換器的的開關管管出現故故障后的的容錯控控制策略略。 3、容容錯控制制策略在在雙級矩矩陣變換換器的閉閉環控制制系統中中的應用用。 三、進度度安排序號各階段完完成的內內容完成時間間1確定畢業業設計的的題目20133.111.1002搜集參考考資料、相關文文獻，并并完成初初步閱讀讀20144.1.11-20114.22.2003學習雙級級矩陣變變換器容容錯控制制策略的的原理20144.2.20-20114.33.1554學習熟練練MATTLABB仿真軟軟件的使使用方法法20144.3.15-201

4、14.44.15搭建仿真真模型，并得到到仿真結結果20144.4.1-220144.4.206撰寫畢業業設計論論文20144.4.20-20114.55.97檢查仿真真結果20144.5.178答辯20144.5.24四、應收收集的資資料及主主要參考考文獻1 鄧文浪浪.雙級級矩陣變變換器及及其控制制策略研研究DD.中中南大學學,20007. 2 鄧文浪浪,楊欣欣榮,朱朱建林.基于ddq坐標標雙級矩矩陣變換換器的閉閉環控制制研究J.電氣傳傳動,220077,377(2): 220-224. 3 劉見,粟梅,孫堯等等. 基基于雙級級矩陣變變換器的的永磁同同步電機機矢量控控制JJ.電電力電子子技術,

5、20110, 44(11): 665-668. 4 葛寶明明,蔣靜靜坪.永永磁同步步電機磁磁阻轉矩矩的有效效利用及及其預測測控制系系統JJ.電電工技術術學報,20000, 15(3): 6-10. 5 王宏佳佳,徐殿殿國,楊楊明.永永磁同步步電機改改進無差差拍電流流預測控控制JJ.電電工技術術學報,20111, 26(6): 399-455. 6 牛里, 楊明明, 劉劉可述等等. 永永磁同步步電機電電流預測測控制算算法JJ. 中國電電機工程程學報, 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. 畢業論文文（設計計）評閱閱表學號 姓名 專業業 自動化化 畢業論文文（設計計）題目目： 雙級級矩陣變變換器容容錯控制制策略 評價項目目評 價價 內內 容容選題1.是否否符合培培養目標標，體現現學科、專業特特點和教教學計劃劃的基本本要求，達到綜綜合訓練練的目的的；2.難度度、份量量是否適適當；3.是否否與生產產、科研研、社會會等實際際相結合合。能力1.是否否有查閱閱文獻、綜合歸歸納資料料的能力力；2.是

8、否否有綜合合運用知知識的能能力；3.是否否具備研研究方案案的設計計能力、研究方方法和手手段的運運用能力力；4.是否否具備一一定的外外文與計計算機應應用能力力；5.工科科是否有有經濟分分析能力力。論文（設計）質量1.立論論是否正正確，論論述是否否充分，結構是是否嚴謹謹合理；實驗是是否正確確，設計計、計算算、分析析處理是是否科學學；技術術用語是是否準確確，符號號是否統統一，圖圖表圖紙紙是否完完備、整整潔、正正確，引引文是否否規范；2.文字字是否通通順，有有無觀點點提煉，綜合概概括能力力如何；3.有無無理論價價值或實實際應用用價值，有無創創新之處處。綜合評 價評閱人： 年 月月 日日 湘 潭 大 學

9、 畢畢業論文文（設計計）鑒定定意見 學號： 姓名： 專專業： 自動動化 畢業論文文（設計計說明書書） 47 頁 圖 表 445 張張論文（設設計）題題目：雙雙級矩陣陣變換器器容錯控控制策略略 主要內容容： 學習了雙雙級矩陣陣變換器器的基本本知識，包括TTSMCC的拓撲撲結構、工作原原理、數學模型型，并重重點研究究了TSSMC的的調制策策略。掌掌握了基基于TSSMC的的永磁同同步電機矢量量控制系系統的控控制方法法，建立了了永磁同同步電機機的數學學模型，通過學學習DQ軸解解耦的原原理以及及PI控控制器的的設計方方法，在在MATTLABB軟件中中搭建了了永磁同步電電機矢量量控制模模型。以之前前的研究

10、究為基礎礎，研究了了一種基基于預測測控制 算法的容容錯控制制策略，首先掌掌握了預預測控制制的實現現方法，搭建了了采用預預測控制的TSSMC仿仿真模型型，在仿仿真中通通過S函函數實現現了預測測控制。最后將將容錯控控策略運用用到了TTSMCC中，對對比其正正常狀態態、故障障狀態以以及容錯錯后的波波形，分分析了容錯錯效果。指導教師師評語該生能獨獨立查閱閱文獻；有獲取取各種信信息及新新知識的的能力。能周密密、合理理地設計計實驗方方案；綜綜合運用用知識能能力強。按期圓圓滿完成成規定的的任務，工作量量飽滿；學習工工作積極極勤奮。設計說說明書結結構嚴謹謹，邏輯輯性強，論述層層次清晰晰；格式式符合學學校要求求

11、。有較較強的實實際動手手能力和和計算機機應用能能力。同意其參參加答辯辯，建議議成績評評定為 。指導教師師： 年 月月 日答辯簡要要情況及及評語該生在答答辯過程程中敘述述清楚、思路清清晰，語語言表達達準確;專業知知識扎實實。回答答問題有有理論根根據，基基本概念念清楚。問題回回答準確確。根據答辯辯情況，答辯小小組同意意其成績績評定為為 。答辯小組組組長： 年 月月 日答辯委員員會意見見經答辯委委員會討討論，同同意該畢畢業論文文（設計計）成績績評定為為 。答辯委員員會主任任： 年 月月 日目錄TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc387780518 摘要 II雙級矩陣陣變換

12、器器容錯控控制策略略摘要 在在電力電電子領域域中，電電力驅動動系統的的可靠性性對電力力系統有有著重要要的影響響。對于于一些要要求高可可靠性的的系統，通過采采用相應應的容錯錯控制策策略，極極大地提提高了系系統應對對故障的的處理能能力。因因此容錯錯控制已已經成為為保障電電力系統統安全運運行的一一項重要要技術。本文以以雙級矩矩陣變換換器（簡簡稱TSSMC）為基礎礎，研究究TSMMC驅動動永磁同同步電機機的矢量量控制系系統，實實現了雙雙閉環控控制。然然后采用用預測控控制實現現對PMMSM的的閉環控控制，最最后在TTSMCC系統上上采用基基于預測測控制算算法的容容錯控制制策略，通過仿仿真驗證證了該容容錯

13、策略略的可行行性。關鍵字：雙級矩矩陣變換換器；SSVPWWM調制制；預測測控制；容錯控控制；永永磁同步步電動機機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緒論課題的背背景和意意義隨著科學學技術不不斷取得得新的成成果，現現代控制制系統也也越來越越復雜，越復雜雜的系統統對其可可靠性和和安全性性的要求求就越高高，因為為一旦這這類系統統系統出出現故障障，導致致重大事事故將對對經濟、生命安安全造成成巨大的的損失。歷史上上有無數數的悲劇劇不斷上上演。因因此，人人們不得得不想辦辦

18、法來提提高系統統的可靠靠性和安安全性，避免發發生重大大事故。提升系系統的可可靠性可可以使操操作人員員的生命命安全得得到保障障，還能能夠提高高生產效效率，增增加經濟濟效益。在此背背景下，系統的的容錯控控制研究究是現代代系統控控制中迫迫切需要要解決的的問題。多年以來來，容錯錯控制系系統的研研究一直直是各個個領域研研究的熱熱點，不不管什么么系統都都需要具具有一定定的容錯錯性能，才能夠夠安全可可靠地運運用到實實際工程程中去，尤其是是一些要要求高可可靠性的的系統，如各類類飛行器器、危險險設施等等，而這這些系統統一旦發發生事故故將造成成無法估估量的損損失。如如何設計計出高容容錯性能能的系統統一直都都是各個

19、個領域研研究人員員面對的的課題。簡單的來來說，容容錯控制制是指當當系統出出現故障障時，通通過軟硬硬件重構構等方法法自動補補償故障障的影響響來保持持系統在在損失部部分性能能甚至不不損失性性能的狀狀態下繼繼續穩定定運行，容錯控控制對實實際系統統的性能能有著重重大的影影響，尤尤其是對對于一些些要求高高可靠性性的系統統。通過過采用相相應的容容錯控制制策略，極大地地提高了了系統應應對故障障的處理理能力。如今電力力電子技技術高速速發展，各種新新型電力力變換器器層出不不窮，其其中不乏乏具有優優良性能能的電力力變換器器，而矩矩陣變換換器更是是一種很很有發展展潛力的的新型電電力變換換器。在在理想條條件下它它有如

20、下下優點：輸入、輸出波波形質量量良好，減小諧諧波；輸輸入功率率因數可可控；能能量可雙雙向流動動；簡化化了中間間電路等等等，這這些特性性明顯改改善了傳傳統電力力變換器器的不足足，是AAC/AAC變換換器中性性能十分分優秀的的一種電電力變換換裝置，矩陣變變換器有有著廣闊闊的應用用前景。從結構構上劃分分，矩陣陣變換器器可分成成常規矩矩陣變換換器（簡簡稱CMMC）和和雙級矩矩陣變換換器兩種種，除了了兩者的的拓撲結結構、調調制策略略以及控控制范圍圍等方面面有所不不同，其其本質其其實是一一樣的，具有共共同的優優良性能能和特性性。只是CMMC與TTSMCC相比較較而言，控制策策略更加加復雜，換流步步驟相對對

21、而言實實現困難難，鉗位位電路復復雜。這這些缺點點在實際際工程應應用中制制約了CCMC的的發展。而TSSMC彌彌補了CCMC在在這方面面的不足足，TSSMC是是CMCC經過優優化后的的拓撲結結構，TTSMCC不只具具有CMMC同樣樣的優良良性能，并且簡簡化了換換流策略略，拓撲撲中減少少了電力力裝置設設備，降降低了成成本，在在一定的的約束條條件下，TSMMC可以以進一步步簡化拓拓撲結構構，減少少開關數數量，根根據不同同的使用用情況選選用不同同的電路路結構。本文就就是基于于TSMMC來進進行研究究。在電力系系統中，越復雜雜的系統統越容易易出現故故障，而而一旦故故障沒有有得到很很好的控控制，對對于整個

22、個系統都都將帶來來很大的的影響，對生產產、作業業安全等等都有很很大的隱隱患。從從很多研研究中可可以看出出，電力力系統中中最容易易發生故故障的就就是電力力變換器器中電力力電子器器件及其其驅動電電路。因因此，容容錯控制制的研究究對象就就是電力力變換器器中的開開關故障障。因此此，對于于TSMMC這類類多開關關的電力力變換器器，一旦旦開關出出現故障障，對系系統的可可靠性和和安全性性會造成成很大的的影響，進而對對經濟效效益和人人身安全全造成危危害。所所以，基基于TSSMC設設計出一一種安全全可行的的容錯控控制系統統是一項項值得深深入研究究的課題題。容錯錯控制一一直是電電力電子子領域研研究的熱熱點，對對于

23、新型型電力變變換器，良好的的容錯性性能能夠夠幫助它它更好的的應用到到實際工工程中。國內外研研究現狀狀19711年，NNiedderllinsski提提出完整整性控制制（Innteggrall Coontrrol）的概念念，由此此產生容容錯控制制(Faaultt Toolerrantt Coontrrol，FTCC)的思思想。經經過幾十十年的發發展，容容錯控制制研究已已經逐漸漸成為一一個獨立立的、完完整的、富有挑挑戰性的的研究課課題。119855 年，國外學學者們提提出容錯錯控制的的分類方方法，將將容錯控控制分為為主動容容錯控制制和被動動容錯控控制，如如今已成成為現代代容錯控控制研究究方法分分類

24、的依依據。在在 19993年年和 119977年，PPattton 教授發發表了關關于容錯錯控制理理論的綜綜述文章章，提出出了容錯錯控制研研究亟需需解決的的難題以以及解決決辦法，為容錯錯控制研研究提出出了指導導性意見見。隨著著一次次次因系統統故障原原因導致致的重大大災難不不斷發生生，人們們不得不不加快對對容錯控控制理論論研究的的步伐。在19993年年成立了了技術過過程的故故障診斷斷與安全全性技術術委員會會(簡稱稱IFAAC)，在IFFAC的的領導下下，容錯錯控制理理論研究究迅猛發發展。此此后IFFAC每每三年定定期召開開一次故故障診斷斷與容錯錯控制方方面的國國際專題題學術會會議。119999年

25、 77 月，第 114 屆屆 IFFAC國國際專題題學術會會議在北北京召開開，此次次會議中中故障診診斷與容容錯控制制方面的的論文達達到 660 余余篇。容容錯控制制策略研研究成為為最熱門門的研究究課題之之一。容錯控制制的思想想產生的的時間不不久，我我國對容容錯控制制理論的的研究起起步也比比較早，我國在在容錯控控制理論論上的研研究在幾幾十年來來一直在在不斷發發展。119888年，葉葉銀忠等等發表了了國內關關于容錯錯控制理理論的第第一篇綜綜述性文文章。而而后，國國內在容容錯控制制策略理理論上的的研究進進入蓬勃勃發展的的時期，當時的的研究人人員已經經將容錯錯控制策策略應用用于工業業設備的的故障處處理

26、，緩緩解了設設備因故故障而大大大縮短短其使用用壽命，以及設設備運行行的安全全性和可可靠性得得不到保保障等比比較嚴重重的情況況。容錯控制制發展至至今只有有 300 多年年的歷史史，是一一門新興興交叉學學科。航航空、航航天領域域和核設設施方面面的特殊殊要求是是這門學學科迅速速發展的的一個最最重要的的動力來來源。美美國空軍軍從 770 年年代起就就不斷投投入巨資資支持容容錯控制制的發展展，力求求開發出出具有高高度容錯錯能力的的戰斗機機，甚至至在多個個翼面受受損時，也能保保持戰斗斗機的生生存能力力。一次次又一次次的可怕怕的核泄泄漏事件件，使人人們不得得不尋求求具有更更高可靠靠性和安安全性的的系統。作為

27、一一門交叉叉學科，容錯控控制與魯魯棒控制制、故障障檢測與與診斷、自適應應控制、智能控控制等息息息相關關。現代代控制理理論、信信號處理理、模式式識別、最優化化方法、決策論論、統計計數學等等構成了了容錯控控制的理理論基礎礎。容錯錯控制系系統設計計主要包包含兩個個問題：故障診診斷機構構的設計計和容錯錯控制器器的設計計。故障障診斷技技術的發發展，是是應用現現代控制制理論、數理統統計、人人工智能能等方法法分析處處理非正正常工況況下系統統特性的的結果；容錯控控制則是是保證當當控制系系統中的的某些部部件發生生故障時時，系統統仍能按按期望的的性能指指標或性性能指標標略有降降低（但但可接受受）的情情況下，還能安

28、安全地完完成控制制任務。顯然，控制系系統的故故障診斷斷和容錯錯控制有有著密切切的聯系系，故障障診斷技技術的發發展為容容錯控制制的研究究提供了了必要的的基礎和和前提準準備，容容錯控制制為故障障診斷的的研究注注入了新新的活力力，這兩兩個方面面以其重重要的理理論和實實踐上的的意義和和由此產產生的深深遠的影影響成為為了引人人入勝的的研究熱熱點。1.3 預測控控制預測控控制的發發展主要要從實際際工業生生產過程程中衍生生出來的的，對于于系統模模型復雜雜，不容容易準確確建立模模型的控控制系統統來說，預測控控制能夠夠簡單方方便地應應用到實實際工程程中，因因此預測測控制一一直以來來都是工工程界研研究的重重點。預

29、預測控制制理論已已經趨近近完善，并且在在化工、電力、冶金、機械等等生產部部門的控控制系統統中得到到了比較較廣泛的的應用。預測控制制是在上上世紀770 年年代末期期產生的的一類新新型的計計算機控控制方法法，實際際是一種種基于計計算機控控制的最最優化算算法。近近30年年以來，預測控控制的發發展歷程程為：在在70 年代，工業預預測控制制算法大大多是以以控制對對象為非非參數模模型，人人們在生生產過程程的測驗驗中很容容易地知知道，采采用滾動動推移的的方法可可實現在在線的優優化控制制，無需需了解生生產的過過程和模模型的結結構，可可以很方方便地設設計控制制器，在在工程應應用中該該算法顯顯示出了了良好的的控制

30、性性能，因因此得到到了廣泛泛的應用用，比較較典型的的算法有有建立在在脈沖響響應基礎礎上的預預測控制制算法、建立在在階躍響響應序列列模型基基礎上的的動態矩矩陣控制制(DMMC)、模型算算法控制制(MAAC)等等。而后后到了880 年年代初期期，人們們在堅持持模型預預測的最最小方差差自校正正控制、自適應應調制、在線辨辨識等原原理的基基礎上，吸取了了MACC、DMMC 中中的預測測優化的的方法，結合預預測控制制中的多多步預測測優化控控制策略略的思想想，發展展起來一一種廣義義預測控控制(GGeneerallizeed PPreddiettivee Coontrrol，簡記為為GPCC)的自自適應預預測

31、控制制算法。 在220 世世紀900 年代代，人們們在這個個階段漸漸漸形成成了以最最優控制制思想為為理論指指導的具具有可靠靠穩定性性的預測測控制的的概略性性思路，從此，它的理理論研究究開始了了新的飛飛躍，取取得了豐豐厚的研研究成果果。雖然然對預測測控制的的研究已已取得了了一些比比較好的的成果，但是到到目前為為止，仍仍不能將將它應用用到實際際的工業業生產中中，主要要的原因因還是該該方法主主要采用用的是狀狀態空間間模型。同時綜綜合型預預測控制制思想存存在的另另一個問問題是狀狀態不可可測，而而采用狀狀態估計計器的預預測控制制綜合策策略在目目前來說說還比較較保守，仍在發發展中。通常情況況下，預預測控制

32、制在系統統每個采采樣點只只求解一一個優化化問題，然后得得到這個個采樣時時刻與未未來時刻刻的控制制作用，但是只只實際實實施這個個采樣點點刻的控控制作用用，在下下一個采采樣時刻刻，系統統會重復復上面的的優化問問題。總總體來說說，預測測控制是是一種在在給定時時域內不不停地求求解同一一個優化化問題而而獲得控控制輸入入的方法法。由于預測測控制的的模型結結構具有有不唯一一性，使使得它可可以根據據控制對對象的特特點，以以最簡單單的方式式來處理理信息和和建立系系統的預預測模型型；由于于其優化化模式和和預測模模式具有有非經典典性，使使得它可可以在優優化過程程中把實實際系統統中存在在的不確確定因素素考慮進進來，形

33、形成動態態優化，處理多多種結構構形式的的優化目目標。它它讓設計計者可以以自由地地選擇所所需優化化性能指指標的形形式。因因此，預預測控制制的預測測和優化化模式對對以前的的最優控控制有一一點點地地修正，使建模模有所簡簡化，并并考慮到到了不確確定性和和其他復復雜性的的影響，因而更更加地接接近于復復雜系統統的實際際要求。預測控控制還可可以很好好地解決決有優化化需求的的控制問問題，通通過在線線閉環控控制來實實施有效效地控制制策略以以克服各各種不確確定因素素產生的的影響。從應用用的觀點點來看，它的最最大優勢勢在于它它能以系系統直觀觀的方式式來約束束和處理理多變量量系統的的控制，迄今為為止，它它是唯一一具有

34、這這一特征征的先進進性控制制技術，并且它它被應用用于過程程控制系系統領域域幾十年年來所取取得的成成功，充充分地證證明了預預測控制制有處理理復雜系系統的約約束優化化控制問問題的巨巨大潛力力。課題主要要研究內內容和重重點本文在對對國內外外學者的的研究基基礎上，對基于于雙級矩矩陣變換換器的容容錯控制制的原理理、基于于TSMMC帶永永磁同步步電動機機閉環控控制進行行研究分分析，搭搭建仿真真模型。本文的的主要研研究內容容和結構構如下：第一章緒緒論部分分主要介介紹了容容錯控制制和TSSMC的的研究背背景、意意義以及及國內外外研究現現狀。第二章主主要介紹紹雙級矩矩陣變換換器的基基本知識識。包括括TSMMC的

35、拓拓撲結構構、工作作原理、數學模模型，并并重點分分析了TTSMCC的調制制策略。最后根根據分析析結果進進行了基基于雙空空間矢量量調制的的TSMMC仿真真研究，得到仿仿真波形形。第三章主主要介紹紹基于雙雙級矩陣陣變換器器的永磁磁同步電電動機（簡稱PPMSMM）矢量量控制系系統的原原理，簡簡要介紹紹了PMMSM的的結構和和原理以以及數學學模型，介紹了了坐標變變換的原原理，重重點分析析設計了了雙閉環環控制，設計電電流環PPI控制制器和轉轉速環PPI控制制器，進進行仿真真，得到到仿真波波形。第四章介介紹基于于TSMMC的永永磁同步步電動機機電流預預測控制制系統，介紹了了預測控控制原理理，對負負載側和和

36、開關組組合建立立數學模模型，對對電機輸輸出電流流進行直直接預測測控制，對電機機進行調調速控制制和穩定定運行，搭建仿仿真模型型，并得得到仿真真結果。第五章介介紹一種種基于直直接預測測控制的的容錯控控制軟件件重構法法，將預預測控制制與開關關表結合合起來，通過預預測控制制對TSSMC的的開關狀狀態直接接進行調調制，對對于在故故障狀態態下的TTSMCC，容錯錯控制可可將故障障態的開開關屏蔽蔽，然后后使用預預測控制制從剩下下的健康康開關狀狀態選取取出最適適合的開開關狀態態完成控控制動作作。從而而補償開開關故障障的影響響。第六章探探討現有有研究中中的不足足，并對對以后的的研究進進行展望望，最后后總結全全文

37、。第二章 雙級矩矩陣變換換器的控控制研究究2.1 雙級矩矩陣變換換器的拓拓撲結構構2.1.1 常常規矩陣陣變換器器到雙級級矩陣變變換的演演變CMC的的拓撲結結構如圖圖2-11(a)，且CCMC的的輸入輸輸出關系系可表示示為 （2.11）式中，uuA、uB、uC為三相相輸出電電壓，uua、ub、uc為三相相輸入電電壓，TT為CMMC的開開關變換換矩陣，代表了了輸入輸輸出的變變換關系系。Skkj代表表連接矩矩陣變換換器k相相輸入和和j相輸輸出的開開關狀態態，,Skjj=l表表示開關關導通，Skjj =00表示開開關關斷斷。常規矩陣陣變換器器拓撲 (b) 雙級矩矩陣變換換器拓撲撲圖2-11 常規規矩

38、陣變變換器和和雙級矩矩陣變換換器的拓拓撲結構構雙級矩矩陣變換換器中，設中間間兩點為為p、nn，對應應有電壓壓up、un其與三三相輸入入輸出電電壓的關關系為 （22.2） （2.33）式中Skkw、SSjw表示示k相、j相與與p、nn點之間間連接開開關的狀狀態，。根據式式（2.2）、式（22.3）可以得得到如圖圖2-11（b）所示的的拓撲結結構，即即為TSSMC的的拓撲，與傳統統的ACC-DCC-ACC變換器器的拓撲撲相似，包包含了AAC-DDC和DDC-AAC兩級級，即分分別為整整流級和和逆變級級。T1和T2分別為為整流級級和逆變變級的開開關變換換矩陣。結合式式（2.2）、（2.3），可得TT

39、SMCC輸入輸輸出電壓壓之間的的變換關關系式為為 （2.4）T=T11T2，T為TSSMC總總開關變變換矩陣陣。與CCMC開開關變換換矩陣對對比可以以看出，SkppSjp+SSknSjn=11時，表表示k相相輸入和和j相輸輸出接通通，相當當于CMMC的驢驢Skjj=1；SkppSjp+SSknSjn=00時，表表示k相相輸入和和j相輸輸出斷開開，相當當于CMMC的SSkj=00。因此此，SkkpSjp+SSknSjn=SSkj，TTSMCC開關變變換矩陣陣與CMMC開關關變換矩矩陣等效效，二者者具有相相同的輸輸入輸出出變換功功能。2.1.2 典典型的雙雙級矩陣陣變換器器拓撲結結構TSMMC是直

40、直流環節節無需儲儲能元件件的三相相交流-直流-交流的的兩級變變換結構構。輸入入側的交交流-直直流電路路為整流流級，輸輸出側的的直流-交流電電路為逆逆變級。與傳統統的交-直-交交變換器器相比，TSMMC的直直流側不不需要濾濾波元件件。采用用空間矢矢量調制制技術時時，整流流級輸出出的直流流側電壓壓為PWWM電壓壓，逆變變級則將將直流PPWM電電壓轉換換成頻率率、幅值值可調的的三相交交流電。TSMMC的拓拓撲結構構如圖22-2所所示。圖2-22 雙級級矩陣變變換器的的拓撲結結構要提供供能量雙雙向傳輸輸，TSSMC的的功率開開關要選選用雙向向功率開開關，由由于受電電力電子子技術的的限制，目前只只能用兩

41、兩個單向向功率開開關來組組成一個個雙向開開關，因因此，TTSMCC共需要要24個個單向開開關。然然而在一一定的約約束條件件下，如如控制整整流級的的輸出電電壓極性性始終為為正，則則逆變級級只需要要采用單單向開關關，所以以就形成成了188個單向向開關的的TSMMC電路路，如圖圖2-22所示。如果再再進一步步增加約約束條件件，則TTSMCC的開關關數量還還可以再再減少。如155開關電電路和112開關關電路，甚至99開關電電路。在在此不深深入研究究，本文文中主要要以188開關電電路的TTSMCC作為研研究對象象。2.2 雙空間間矢量調調制策略略2.2.1整流流級的空空間矢量量調制原原理設TSSMC的的

42、三相輸輸入相電電壓為 (22.5)式中表示示輸入相相電壓角角頻率；為輸入入相電壓壓幅值。 TTSMCC中兩級級電路協協調控制制，整流流級調制制的目的的是要得得到p極極為正，n極為為負的的的直流電電壓，同同時應保保證能夠夠得到最最大的電電壓利用用率。將將輸入相相電壓劃劃分為66個扇區區，所以以如圖22-3所所示圖2-33 輸入入相電壓壓六扇區區劃分整流級六六個雙向向開關可可合成六六個輸入入電流有有效空間間矢量，如圖圖2-44(a)所示，除除此之外外整流級級還有三三個零矢矢量。圖2-44 整流流級空間間矢量扇扇區分布布圖2-44(a)中括號號里的數數字按順順序分別別代表aa、b、c相橋橋臂上下下開

43、關通通斷狀態態，“ll”表示示同直流流p極相相連的開開關導通通，“00”表示示同直流流n極相相連的開開關導通通，“XX”代表表所在相相上下開開關全部部處于斷斷開狀態態。圖22-4（b）中中是輸入入電流參參考矢量量，在扇扇區中可可由相鄰鄰電流矢矢量和來來合成，以第一一扇區為為例，其其輸入電電流的參參考矢量量可通過過相鄰電電流矢量量和以及及零矢量量合成，他們對對應的開開關狀態態分別為為“1XX0”、 “110X”,在相相應開關關狀態下下產生的的電壓分分別為和和。設、分別別為、的開關關占空比比，可得得開關占占空比的的計算公公式為 （22.6）式中，（）為電電流調制制系數。2.2.2 逆逆變級的的空間

44、矢矢量調制制原理逆變級級六個開開關可合合成六個個線電壓壓有效空空間矢量量（）和和兩個零零矢量，圖2.5(aa)中括括號里的的數字按按順序分分別代表表A、BB、C三三相橋臂臂上下開開關通斷斷狀態，“1”表表示同直直流p極極相連的的開關導導通，“0”表表示同直直流n極極相連的的開關導導通。其余開關關處于關關斷狀態態。為了了分析的的方便，假設直直流電壓壓恒定，線電壓壓有效空空間矢量量幅值為為，如圖圖2.55(b)所示。圖2-55 逆變變級空間間矢量扇扇區分布布設是要要得到的的某一瞬瞬間的輸輸出線電電壓空間間矢量，處于逆逆變級空空間矢量量扇區的的某一個個扇區，如圖22-5（a）所所示。可可由其相相鄰兩

45、有有效矢量量和以及及零矢量量合成，如圖22-5（b）所所示。他他們的關關系式為為 (22.7)式中、分分別為、的調制制占空比比逆變級級電壓矢矢量的占占空比為為 (22.8)式中（）為逆變變級調制制系數。圖2-66 一個個PWMM開關周周期內兩兩級開關關協調控控制過程程逆變級的的調制與與整流級級協調進進行，如如圖2-6所示示，在一一個PWWM期內內，以第第一扇區區為例，逆變級級分別在在整流級級輸出的的和下進進行調制制，如圖圖2-66（a）所示。在這兩兩個不同同的電壓壓下逆變變級分別別采用的的電壓矢矢量是相相同，且且在兩個個直流電電壓下逆逆變級電電壓矢量量的調制制占空比比是相同同的，圖圖2-66（

46、b）為逆變變級的開開關矢量量分配。逆變級級開關采采用常規規的死區區換流，整流級級開關采采用零電電流換流流，當逆逆變級輸輸出零電電壓時，整流級級的開關關進行切切換，如如圖2-6（cc）所示示，將逆逆變級的的零電壓壓矢量進進行分配配，實現現零電流流換流。2.2.3 TTSMCC的開關關函數如要得得到的參參考輸入入電流矢矢量位于于整流級級矢量扇扇區中的的第一扇扇區，可可以推導導出一個個PWMM周期內內直流平平均電壓壓為 (22.9)其矩陣形形式為 = (22.100)設TSSMC直直流平均均電流為為常量，可得整整流級三三相輸入入電流為為 (2.11)其矩陣形形式為 = (2.112)式中為整整流級第

47、第一扇區區占空比比調制變變換矩陣陣 (2.13)同理可可推導出出當要合合成的參參考輸入入電流矢矢量位于于其他扇扇區時的的占空比比形式的的調制變變換矩陣陣。設為輸輸入功率率因數角角，在第第一扇區區內，將將其和式式（2.6）帶帶入式（2.113）中中可得第第一扇區區調制變變換矩陣陣對應的的開關函函數 (2.114)將式（2.114）帶帶入式（2.112）中中，得 = (2.15)由式（22.155）可知知，為常常量時，整流級級三相輸輸入電流流正弦對對稱，其其相位滯滯后輸入入相電壓壓。通過過對中的的設置可可以調節節輸入功功率因數數角，因因此將仍仍稱為輸輸入功率率因數控控制量。對于118開關關的TSS

48、MC，的調節節范圍為為（）。假設逆逆變級輸輸出線電電壓矢量量位于逆逆變級矢矢量扇區區中的第第一扇區區時，其其三相輸輸出線電電壓在一一個PWWM周期期內的平平均值為為 (22.166)在一個個PWMM周期內內直流電電流平均均值用矩矩陣形式式表示為為 (22.177)式中，為為輸出相相電流，為逆變變級第一一扇區的的占空比比形式的的調制變變換矩陣陣 (2.18)同理可可推導出出逆變級級其他扇扇區的調調制變換換矩陣。設參考考輸出相相電壓角角頻率為為，初始始相位角角為，則則各扇區區(j為為區間號號)。所所以可得得通用逆逆變級開開關函數數為 (22.199)決定了了TSMMC期望望輸出電電壓的頻頻率，決決

49、定了輸輸出電壓壓的初相相角，決決定了輸輸出電壓壓幅值。定義一個個參考相相電壓, 與整整流級的的通用開開關函數數的頻率率和相位位相同，且幅值值為1，可得 (22.200)以整流流級第一一扇區為為例，結結合式（2.114）和和式（22.200）可得得到參考考電壓和和占空比比之間的的關系為為 (22.211)由此可可得到占占空比的的簡化算算法 同理可可求得其其他扇區區的開關關占空比比計算公公式。見見表2-1。表2-11 整流流級的開開關占空空比計算算對于逆逆變級來來說，同同樣也可可得到占占空比的的簡化算算法，定定義一個個與逆變變級通用用開關函函數頻率率和相位位相同的的參考電電壓 (2.222)以逆變

50、變級第一一扇區為為例，結結合式（2.118）、式（22.199）和式式（2.22）可得到到參考電電壓與開開關占空空比的關關系為= (22.233)由此得得到逆變變級開關關占空比比的簡化化計算公公式同理可可求得其其他扇區區的開關關占空比比的簡化化計算公公式，見見表2-2。表2-22 逆變變級的開開關占空空比計算算2.3 仿真研研究圖2-77 TSSMC帶帶阻感負負載的仿仿真模型型如圖22-7所所示，本本文使用用MATTLABB軟件搭搭建了基基于TSSMC帶帶阻感負負載的仿仿真模型型，采用用雙空間間矢量調調制策略略。其中模型型參數為為：輸入入電源為為三相對對稱的正正弦電壓壓，相電電壓為2220VV

51、，頻率率為500Hz；輸入輸輸出端各各有一個個LC濾濾波器，輸入端端LC濾濾波電感感為5000uHH，電容容為455uF，輸出端端LC濾濾波電感感為9000uHH，電容容為177uF；負載為為三相對對稱的阻阻感負載載，其中中每一相相電感為為3mHH，每一一相電阻阻為5；調制制周期為為0.11ms;仿真采采用odde155s算法法。設置整流流級的參參考電壓壓和逆變變級的參參考電壓壓的幅值值均為11V，頻頻率為550Hzz,仿真真得到輸輸出端未未加濾波波器的線線電壓如如圖2-8所示示；濾波波后的輸輸出線電電壓如圖圖2-99所示；以及中中間環節節的直流流電壓如如圖2-10所所示。由由仿真結結果可看看

52、出，輸輸出線電電壓幅值值與輸入入電源的的電壓幅幅值為11倍的關關系，其其頻率與與參考電電壓的頻頻率一致致，相位位未發生生變化。圖2-88 未濾濾波的輸輸出線電電壓波形形圖2-99 濾波波后輸出出線電壓壓波形圖2-110 直直流電壓壓波形設置逆逆變級的的參考電電壓幅值值為0.5V，頻率為為50HHz，得得到輸出出線電壓壓波形如如圖2-11所所示，其其電壓幅幅值此時時為電源源電壓的的0.55倍，頻頻率不變變。圖2-111 幅幅值為00.5倍倍的輸出出線電壓壓波形如圖22-122所示為為整流級級參考電電壓時的的輸入電電壓和輸輸入電流流的波形形；圖22-133所示為為，和的的波形。由圖22-122和圖

53、22-133對比可可知通過過改變整整流級的的參考電電壓的輸輸入功率率因數角角可以改改變輸入入電壓與與輸入電電流之間間的相位位差，從從而調節節TSMMC的輸輸入功率率因數。圖2-112 和和的波形形圖2-112 和和的波形形2.4 本章小小結本章比比較了CCMC與與TSMMC的拓拓撲結構構以及輸輸出性能能，介紹紹了TSSMC的的拓撲結結構，對對基于TTSMCC的雙空空間矢量量調制策策略進行行了分析析。最后后搭建了了仿真模模型，得得到仿真真波形。第三章 基于雙雙級矩陣陣變換器器的永磁磁同步電電機矢量量控制3.1 永磁同同步電機機結構以以及數學學模型3.1.1 永永磁同步步電機的的結構永磁同同步電動

54、動機結構構簡單、體積小小、重量量輕、損損耗小、效率高高，和直直流電機機相比，它沒有有直流電電機的換換向器和和電刷等等缺點。和異步步電動機機相比，它由于于不需要要無功勵勵磁電流流，因而而效率高高，功率率因數高高，力矩矩慣量比比大，定定子電流流和定子子電阻損損耗減小小，且轉轉子參數數可測、控制性性能好；但它與與異步電電機相比比，也有有成本高高、起動動困難等等缺點。和普通通同步電電動機相相比，它它省去了了勵磁裝裝置，簡簡化了結結構，提提高了效效率。永永磁同步步電機矢矢量控制制系統能能夠實現現高精度度、高動動態性能能、大范范圍的調調速或定定位控制制，因此此永磁同同步電機機矢量控控制系統統引起了了國內外

55、外學者的的廣泛關關注。永磁同同步電動動機的轉轉子磁鋼鋼的幾何何形狀不不同，使使得轉子子磁場在在空間的的分布可可分為正正弦波和和梯形波波兩種。因此，當轉子子旋轉時時，在定定子上產產生的反反電動勢勢波形也也有兩種種：一種種為正弦弦波；另另一種為為梯形波波。這樣樣就造成成兩種同同步電動動機在原原理、模模型及控控制方法法上有所所不同，為了區區別由它它們組成成的永磁磁同步電電動機交交流調速速系統，習慣上上又把正正弦波永永磁同步步電動機機組成的的調速系系統稱為為正弦型型永磁同同步電動動機（PPMSMM）調速速系統。 永磁同步步電動機機轉子磁磁路結構構不同，則電動動機的運運行特性性、控制制系統等等也不同同。

56、根據據永磁體體在轉子子上的位位置的不不同，永永磁同步步電動機機主要可可分為：表面式式和內置置式。在在表面式式永磁同同步電動動機中，永磁體體通常呈呈瓦片形形，并位位于轉子子鐵心的的外表面面上，這這種電機機的重要要特點是是直、交交軸的主主電感相相等；而而內置式式永磁同同步電機機的永磁磁體位于于轉子內內部，永永磁體外外表面與與定子鐵鐵心內圓圓之間有有鐵磁物物質制成成的極靴靴，可以以保護永永磁體。這種永永磁電機機的重要要特點是是直、交交軸的主主電感不不相等。因此，這兩種種電機的的性能有有所不同同。3.1.2 永永磁同步步電機的的數學模模型1、定子子電壓方方程為 （3.11）式中、是是定子電電流的ddq

57、軸分分量；RR是定子子的電阻阻；、為為定子磁磁鏈的ddq軸分分量；是是同步電電角速度度；代表表極對數數； 代代表永磁磁體磁鏈鏈。2、定子子磁鏈方方程為 （3.22）3、電磁磁轉矩計計算公式式 （3.33）4、運動動方程不計摩摩擦力矩矩作用時時的運動動方程為為 （3.44）式中為電電機的機機械旋轉轉角速度度。J為電機機的轉動動慣量和和負載的的轉動慣慣量之和和。3.2 坐標變變換原理理在分析析永磁同同步電機機的矢量量控制之之前需對對DQ坐坐標變換換進行一一定了解解，通過過DQ坐坐標變換換可以將將復雜的的三相交交流電的的控制問問題轉化化為對直直流電的的控制，在電機機控制中中實現在在DQ軸軸上的解解耦

58、控制制。通常我我們在實實現系統統控制時時會用到到如下幾幾種坐標標變換方方法：靜靜止的三三相和兩兩相坐標標系間進進行變換換(3ss/2ss變換)，及其其反變換換(2ss/3ss變換)；靜止止兩相和和旋轉兩兩相坐標標系間變變換(22s/22r變換換)，及及其反變變換(22r/22s變換換)；三三相靜止止和兩相相旋轉坐坐標系間間變換(3s/2r變變換)，及其反反變換(2r/3s變變換)。三相靜止止坐標系系變換到到兩相靜靜止坐標標系（AABC-）圖3-11 靜止止的三相相和兩相相坐標變變換原理理圖根據磁動動勢和功功率相等等的等效效原則，兩相與與三相的的合成磁磁動勢相相等，即即圖3-1中，兩相與與三相繞

59、繞組的磁磁動勢在在坐標軸軸上投影影相等，即 (33.5) (3.66)其矩陣形形式為： (33.7)應考慮到到坐標變變換前后后的總功功率不變變，所以以，式（3.77）中匝匝數比。可得 (3.8)所以，靜靜止的三三相和兩兩相坐標標系間坐坐標變換換的變換換矩陣為為 (3.99)可得其反反變換的的變換矩矩陣為 (33.133)2、靜靜止兩相相坐標系系和旋轉轉兩相坐坐標系的的坐標變變換（-dq）圖3-22靜止止的兩相相坐標系系和旋轉轉的兩相相坐標系系由圖3-2可知知 (33.144)其矩陣形形式為： (3.15)進而，可可求得 (33.166)所以，靜靜止兩相相和旋轉轉兩相坐坐標系間間變換矩矩陣 (3

60、.117)可得其反反變換的的變換矩矩陣為 (3.118)3、三相相靜止坐坐標系和和兩相旋旋轉坐標標系之間間的坐標標變換（ABCC-dqq）由前面面推導的的結論可可進一步步得到三三相靜止止坐標系系和兩相相旋轉坐坐標系之之間的坐坐標變換換矩陣為為 (3.19) (33.200)變換陣可可變為下下面的形形式 (33.211)其反變換換矩陣是是3.3 永磁同同步電機機矢量控控制系統統設計3.3.1 矢矢量控制制方法永磁同同步電機機矢量控控制常用用方法有有：最大大轉矩/電流控控制、弱弱磁控制制、直接接轉矩控控制、=0控制制。在本本文中采采用的是是=0控控制方法法。根據式式（3.4）可可知轉速速控制系系統