基于雙級矩陣變換器永磁同步電機控制系統設計及研究

摘 要：雙級矩陣變換器一種新型的直接功率變換器可以實現輸入輸出波形良好，功率因數可調，換流簡單可靠，在交流調速系統中具有良好的應用前景。文章將雙級矩陣變換器與永磁同步電機控制技術相結合，整流級采用空間矢量調制策略，逆變級采用直接轉矩控制策略，并在此基礎上，在Matlab/Simulinks上建立了雙級矩陣變換器-永磁同步電機直接轉矩控制系統。通過仿真分析，系統的動靜態性能良好，電機運行穩定。

關鍵詞：雙級矩陣變換器；高壓永磁同步電機；矢量控制

1 引言

隨著電力電子技術和現代控制理論的發展，交流調速技術日益成熟。交流調速控制的核心裝置是變頻器，它們雖具有結構簡單、易于控制、技術成熟、可靠等優點，其中存在的最大缺陷是對電網造成的諧波污染[1]，[2]。矩陣變換器屬于交-交變換裝置，由于它們具有的優越電氣性能，正逐步替代一些變頻器。特別是它們能夠實現減少諧波危害、抑制電網污染、提高電源質量并實現能量雙向流動，達到科學合理用電的效果，和電機控制系統相結合，因此它擁有更廣闊的發展前景。

永磁同步電機以其體積小、損耗低、效率高等優點在交流調速技術中得到廣泛的應用。而采用雙級矩陣變換器供電實現永磁同步電機控制是交流調速系統的一種優化組合，已引起國內外學者的關注。

本文利用Matlab搭建永磁同步電機數學模型，主要采用矢量控制策略和直接轉矩策略相結合，根據電機輸出數據進行監測，以此達到電機的有效控制和驗證理論分析的正確性。

2 雙級矩陣變換器控制策略的研究

雙級矩陣變換器（TSMC）是一種利用CMC間接空間矢量調制原理構成的新型交流-交流功率變換拓撲結構，該電路拓撲主要包括兩部分-由雙向開關構成的整流級和由普通開關構成的逆變級。文章中整流級采用無零矢量控制策略，逆變級采用直接轉矩控制策略。

2.1 雙級矩陣變換器整流級調制策略

整流級無零矢量調制策略是目前TSMC普遍采用的一種算法。雙級矩陣變換器整流級的簡化拓撲結構如圖1所示，其中a，b，c分別表示三相電源輸入相：

雙級矩陣變換器整流級的調制目的之一是保持整流側輸出的直流母線電壓幅值最大、極性為正（上正下負）。為此，將整流級輸入相電壓的一個周期分為六個區間，如圖2所示。每個區間的電壓具有的特點：三相中必有一相電壓的幅值的絕對值最大，而其余兩相電壓的極性與之相反。

每個PWM調制周期分為兩段，依次輸出相應的兩個最大且極性為正的線電壓，因而，整流級在一個PWM周期內只產生兩個有效空間矢量，而不會出現零矢量。

2.2 雙級矩陣變換器逆變級調制策略

雙級矩陣變換器的負載是永磁同步電機，本文中所選用的電機控制策略是直接轉矩控制[3]，[4]。所以，雙級矩陣變換器的逆變級控制策略采用直接轉矩控制策略。

如圖3所示，永磁同步電機的端電壓由雙級矩陣變換器逆變級的開關管的道通和關斷來控制，同一橋臂的兩開關管互鎖（不能同時導通），即SpA與SnA，SpB與SnB，SpC與SnC互鎖，并利用1或者0表示開關管的導通狀態。

采取電壓矢量控制策略，因此電機的空間電壓矢量[5]可表示為：

其中Udc為整流級輸出的直流母線電壓，i=p、n，s=0，1，2…7，。在空間產生8個電壓矢量，將其代人（3.13）可得到幅值相等，空間上互差60°的6個非零矢量，和兩個位于起點的零食量。

在忽略電機定子電阻壓降時，定子磁鏈將沿逆變級輸入的空間電壓矢量方向，以正比于輸入電壓的速度移動。因此，適當控制電機的空間電壓矢量，可以保持磁鏈的運動軌跡近似為圓。為了控制磁鏈的幅值，可根據磁鏈的具體方向和偏差大小，適當選取空間電壓矢量。

3 定子磁鏈觀測模型

通過建立d-q坐標系下永磁同步電機數學模型，然后經過2s/2r 變換，最終將在α-β坐標系下，建立定子磁鏈觀測器。經典直接轉矩控制一般采用U-I積分模型來實現定子磁鏈的觀測[6][7]。永磁同步電機中，定子磁鏈包括兩部分，一部分是定子繞組自感產生的磁鏈，另一部分是轉子永磁體產生的磁鏈。

在α-β坐標系下，磁鏈分量？鬃？琢，？鬃？茁可采用反電動勢積分得出，即

綜上所述，簡單介紹了雙級矩陣變換器的拓撲結構，研究并分析了雙級矩陣變換器直接轉矩組合控制系統，分別闡述了系統整流級和逆變級各組成部分和工作原理，以此為基礎可利用Matlab進行控制仿真分析。

4 系統仿真

基于雙級矩陣變換器驅動永磁同步電機控制仿真系統如圖4所示：

雙級矩陣變換器驅動永磁同步電機的直接轉矩控制系統的仿真參數設置如下：輸入電壓為170V，50Hz的三相交流電，永磁同步電機定子電阻Rs為4.765Ω，Ld為0.014H，Lq為0.014mH，極對數p為2，轉動慣量J為0.0001051kg.m2，額定轉矩1.7Nm，額定轉速2000r/min。

在系統仿真時，設定永磁同步電機的初始給定轉速為2000r/min，在0.5s后給定轉速升至3000r/min，PI調節器的參數設定Kp為0.05，Ki為0.5，下面為系統的仿真結果。

圖5至圖10為系統仿真永磁同步電機定子電流、電壓、磁鏈、轉矩等參數的仿真波形，電機定子電流、電壓和磁鏈等波形穩定，理論值基本相一致；并且從圖9和圖10中可以看出，在電機處于升速階段時，由于采用直接轉矩控制控制技術，可以使電機最大轉矩輸出，電機升速快。

5 結束語

雙級矩陣變換器-永磁同步電機直接轉矩控制的仿真環境，建立了系統的仿真模型，實現了矩陣變換器的空間矢量調制和永磁同步電機的直接轉矩控制。仿真結果驗證了方法的可行性，可以使得電機穩定運行，并且加減速運行時，該控制系統具有系統有良好靜、動態特性。

參考文獻

[1]L.Gyugi，B.Pelly. Static power frequency changers[M]. New York：wiley，1976.

[2]Jahns T.M.Motion Control with Permanent-Magnet AC Maehines [J].Proeeedings of the IEEE，1994，Vol.82：1241-1252.

[3]周揚忠，胡育文.交流電動機直接轉矩控制[M].機械工業出版社，2009.

[4]郭前崗，陳明，李耀華等.矩陣式變換器電壓傳輸比的理論分析及探討[J].電氣自動化2004，26（4）：55-57.

[5]葛紅娟.基于矩陣變換器的永磁同步電機矢量控制系統[D].博士學位論文，2006.

[6]朱小鷗.永磁同步電機直接轉矩系統的探討與分析[D].碩士論文，2005.

[7]田淳，胡育文.永磁同步電機直接轉矩控制系統理論及控制方案的研究[J].電工技術學報，2002，17（1）：7～11.