双级矩阵变换器(Two-stage Matrix Converter, TSMC)是由传统单级矩阵变换器(Conventional Matrix Converter, CMC)基础上衍生出来的一种新式拓扑结构的交-直-交功率变换器。其不仅包含了传统单级矩阵变换器的优异的输入输出特性：正弦输入输出电流、输入功率因数可控、能量双向流动、体积小等优点,而且还具有钳位电路简单、控制算法与换流策略更加可靠等优越特性。在交流电动机调速系统中,采用双级矩阵变换器驱动异步电机,一方面能够满足交流调速系统较好的传动性能,另一方面也可满足日益严格的电网电能质量要求。因此,双级矩阵变换器在高性能交流调速系统中更具发展潜力和应用前景。首先,通过分析双级矩阵变换器的研究背景和研究现状,本文以双级矩阵变换器为研究对象,介绍了双级矩阵变换器的基本理论,对传统单级矩阵变换器和双级矩阵变换器进行对比分析,详细介绍双级矩阵变换器的拓扑结构,整流级和逆变级双空间矢量调制算法原理,以及两级之间的协调控制机制。基于双级矩阵变换器的基本原理和关键技术的分析,在Matlab/Simulink仿真平台上搭建仿真模型进行验证。同时,设计并调试了一套基于DSP和FPGA组合的双级矩阵变换器实验平台,并详细介绍实验样机的软硬件设计过程,通过实验验证了本文的研究内容。然后,针对双级矩阵变换器易受扰动影响输出性能的问题,本文以双级矩阵变换器整流级电路演化而来的矩阵整流器进行分析,在电网三相输入非正常工况,并且不易得到直流输出电压作为反馈信息的情况下,本文采用一种模糊前馈补偿控制方法保证输出直流电压的稳定,仿真和实验结果验证了该方法的有效性。最后,以双级矩阵变换器作为交流调速系统中的驱动装置,构建以变压变频开环控制和基于转子磁场定下的矢量闭环控制异步电机交流调速系统,分析了交流调速系统的动静态性能。结果表明：基于双级矩阵变换器的交流异步电机调速系统具有良好的转速调节性能以及快速的转矩响应性能。