Simulink仿真软件辅助电机学教学的探索

摘要：基于Matlab/Simulink，本文设计了一个无刷直流电机的控制方案，详细阐述了无刷直流电机的运行原理，并用Matlab/Simulink对其进行了仿真。

实验证明，用Matlab/Simulink开发的平台能够有效地实现对无刷直流电机的控制。

关键词：Matlab/Simulink仿真工具;无刷直流电机;仿真平台;脉冲宽度调制随着汽车电子器件的飞速发展、车用电控单元(ECU)的日新月异，无刷直流电机在汽车电器设备中的应用受到了越来越多的重视。

无刷直流电机具有寿命长、效率高等特点，且适合很多高档汽车。

同时，车内环境的复杂很多机械安装的困难，在不宜安装转子磁极位置传感器的地方，必须使用无位置传感器策略驱动无刷直流电机。

本文将介绍一种基于Matlab/Simulink的无刷直流电机的仿真方法。

无刷直流电机运行原理本文采用理想化的无刷直流电机模型，它具有如下特点：电机定子绕组排列空间对称;各相电气参数，如定子每相电阻、每相自感以及相间互感均相同;电机永磁体转子产生的磁场在电机气隙中的空间分布为理想梯形，且平顶部分维持120°电角度;逆变器的功率开关(MOSFET或者IGBT)的导通电阻为零，关断电阻无穷大，导通与关断均不需要时间。

图1说明了理想无刷直流电动机的运行原理。

从图1中可以看出，当永磁体转子处于图1(b)中的0位置时，定子C相和B相上感应出的反电动势分别处在正负平顶部分，此时通过触发功率开关S5和S6使得B相绕组反向导通，C相绕组正向导通，直流电源通过逆变器向B相和C相馈入直流电，且此时两相绕组中电流幅值相等、方向相反，ic=-ib。

当永磁体转子又继续旋转了60 缃嵌龋珻相的反电动势波形的平顶部分结束，A相反电动势开始进入平顶部分，因此要进行C相到A相的换相，此时关断逆变器C相上桥臂的功率开关，同时触发A相上桥臂功率开关，如果忽略换相电流的动态过程，逆变器立刻向B相和A 相馈入直流电。

电机控制基于Simulink的仿真电机控制是现代工业中普遍使用的技术应用，其目的是控制电机的转速、转向、转矩等参数，来满足不同的运动要求。

而Simulink则是一种常用的控制系统仿真软件，可用于电机控制的建模和仿真分析。

本文主要介绍电机控制基于Simulink的仿真方法和实现过程。

一、基本原理在电机控制中，要确定电机的转速和电磁转矩，需要对电机的电源输入、电机的运动学和动力学特性进行建模和仿真。

其中，电机的运动学特性主要由转速和运动方向决定，动力学特性则由电机的电力、磁力和机械特性共同决定。

在建模时，可以采用模板库中现有的模型进行拼接组合，也可根据实际控制系统特性，自行设计模型进行仿真。

二、建模方法1、电机构建模在建模时，首先要得到电机的运动及动力学参数，并将其录入Simulink中。

一般情况下，电机的运动学参数可直接由编码器获取，而电机的动力学参数则需要通过实验测量得出。

对于直流电机等单一类型电机，可利用MathWorks公司提供的电机模板进行建模；而对于异步电机、同步电机等复杂电机，需要手动建立模型。

2、速度/位置控制模型在模型中，需要建立反馈控制回路，并选定控制器类型。

其中，速度/位置控制器主要分为P、PI、PID、LQR等多种类型，具体选择哪种控制器根据实际需求而定。

在建立速度/位置控制模型时，需要考虑控制系统的闭环稳定性，以保证系统达到预期效果。

3、驱动器模型驱动器是指将控制器的输出信号转换为电机的电力输入信号的电路。

在仿真中，常常使用MOS管等现代电子器件来模拟驱动器的功能。

驱动器模型的建立需要依据实际硬件最大输出电流和电压等参数进行调整。

三、仿真实现在Simulink中，将电机结构、速度/位置控制器和驱动器三者组合成完整的控制系统模型。

仿真时，需要指定电机的输入电压、控制器的PWM输出频率、控制器的增益系数等参数，并在控制器输出之前进行限制，以确保输出不会超过驱动器的最大电压值和电流值。

采用MATLAB/Simulink对永磁同步电机进行模型仿
真和调速研究
1.引言
 随着高性能永磁材料、大规模集成电路和电力电子技术的发展，永磁同步电机因为其功率密度高，体积小，功率因数和高效率而得到发展，且引起了国内外研究学者的关注。

传统的控制方式由于引入了位置传感器而给当前的调速系统带来了一系列的问题：占据了比较大的有效空间，使系统编程复杂。

因此无位置传感器控制系统的研究变得越发的重要。

2.PMSM的坐标系和数学模型
 永磁同步电机在定子三相（ABC）静止坐标系下的电压方程：
 式中，三相绕组的相电压瞬时值分别为A u 、B u 、C u ; A i 、B i 、C i 是相电流的瞬时值；s R 是永磁同步电机定子的每相绕组电阻； A ψ、B ψ、C ψ是永磁体的磁链在各相绕组的投影。

在d-q旋转坐标系下的电磁转矩方程为：
3.SIMULINK仿真。

实验五、基于MATLAB/Simulink的机电一体化系统的仿真分析实验一、实验目的机电一体化系统建模是进行机电一体化系统分析与设计的基础，通过对系统的简化分析建立描述系统的数学模型，进而研究系统的稳态特性和动态特性，为机电一体化系统的物理实现和后续的系统调试工作提供数据支持，而仿真研究是进行系统分析和设计的有利方法。

本实验目的在于通过实验使同学对机电一体化系统建模方法和仿真方法有初步的了解，初步掌握在MA TLAB/ SIMULINK环境下对机电一体化系统数学模型进行仿真的方法。

（1）掌握机电一体化系统数学建模的基本方法（2）掌握机电一体化系统数学仿真的基本方法和步骤。

（3）掌握在MA TLAB/ SIMULINK环境下对机电一体化系统数学模型进行仿真的方法。

二、实验器材（1）计算机（2）MA TLAB/ SIMULINK软件三、实验原理（一）建立数学模型以一定的理论为依据把系统的行为概括为数学的函数关系，包括以下内容：1）确定模型的结构，建立系统的约束条件，确定系统的实体、属性与活动。

2）测取有关的模型数据。

3）运用适当理论建立系统的数学描述，即数学模型。

4）检验所建立的数学模型的准确性。

机电一体化系统数学模型的建立是否得当，将直接影响以此为依据的仿真分析与设计的准确性、可靠性，因此必须予以充分重视，以采用合理的方式、方法。

（二）机电一体化系统的计算机数字仿真实现1）根据已建立的数学模型和精度、计算时间等要求，确定所采用的数值计算方法。

2）将原模型按照算法要求通过分解、综合、等效变换等方法转换为适于在数字计算机上运行的公式、方程等。

3）用适当的软件语言将其描述为数字计算机可接受的软件程序，即编程实现。

4）通过在数字计算机上运行，加以校核，使之正确反映系统各变量动态性能，得到可靠的仿真结果。

（三）．凑试法确定PID调节参数凑试法是通过模拟或闭环运行（如果允许的话）观察系统的响应曲线（例如阶跃响应），然后根据各调节参数对系统响应的大致影响，反复凑试参数，以达到满意的响应，从而确定PID调节参数。

基于Simulink的电机控制仿真分析摘要：电机的功能可以将大自然所拥有的一次能源转化成更加便于人类利用的电能。

电机稳态控制主要包括暂态和长期两种电压稳定问题，因此我们利用Simulink模块来对于电机控制过程中的电流分析，从而能够对其运行状态实现有效控制。

关键词：电机；控制；仿真1 引言电机的供电要求是让用户使用上质量可靠的电能,主要是指电压、频率和波形误差在一定的范围内,为了实现这个条件,就必须对于硬件进行严格的要求,同时在电机的运行当中加强管理,让其能够最大化的提升系统的电能使用效率,让电能质量更为合格。

2 电机稳定控制仿真原理电机的传输能力和其功率稳定性有关系,我们通过采用短路速断以及励磁控制的方式来尽量的减少其暂态中存在的问题,同时电压稳定与可靠已经成为了电机工作的是否合格的关键条件,因此我们应当加强对其的重视,尽量的减少停电事故,如果发生功角失去稳定的情况,就可能导致暂态电压失稳,同时出现电压崩溃的情况,电压崩溃和很多因素有关,主要包括电动机的问题与变压器的问题等。

IEEE对于电机电压稳定给出如下定义:电压稳定性就是在出现故障时,电机能够恢复其平衡状态的能力,不仅要保持主线的稳定,也要保持其他支线的问题,同时使得负荷能够正常运作。

3 电机仿真控制方法3.1 控制原理根据电机下的扰动,我们大小我们可将其分为小型和大型的扰动,小扰动稳定所指的是在负荷进行增加后,电机的所有组件能够维护原来的电压稳定的能力,而大扰动电压稳定,所表现的是整个电机出现崩溃、失去电机等严重问题时,所有主线可以让电能的质量保持稳定的能力,这个主要和电机的结构以及线路的运行情况有关系,需要建立具体的动态模型来分析。

在电机的功角稳定的判断过程中,我们可以通过定量计算的方法来对其进行有效的分析,同时我们也应当认识到如果功角的稳定被打破,那么很大程度上都是由于无功平衡不稳定的原因,因此我们应当加强对无功功率的控制,使得暂态电压能够有效的保持稳定。

使用Simulink进行无刷直流电机控制仿真无刷直流电机是一种常用于各种工业自动化和机器人应用中的电机类型。

与传统的直流电机相比，无刷直流电机具有较高的效率、较低的噪音和较长的寿命。

Simulink是一种功能强大的工具，用于进行动态系统建模和仿真。

在Simulink中，可以使用Simscape Power Systems工具箱对无刷直流电机进行模拟和控制。

在进行无刷直流电机控制仿真之前，首先需要建立电机的数学模型。

无刷直流电机的数学模型可以由电磁动力学定律得出。

模型包括电机的旋转动力学和电磁动力学部分。

电机的旋转动力学部分描述了转子速度和转矩之间的关系，而电磁动力学部分描述了电机的电流和磁场之间的关系。

建立无刷直流电机的数学模型后，可以在Simulink中进行仿真。

在Simulink中，可以使用不同的模块来模拟电机的不同部分，如电压源、电流控制器和速度控制器等。

可以使用电压源模块来模拟电机的输入电压，使用电流控制器模块来模拟电机的电流控制，使用速度控制器模块来模拟电机的速度控制。

此外，还可以使用作用在电机上的外部负载模块来模拟电机的负载情况。

在进行无刷直流电机控制仿真时，可以使用控制器来调整电机的输入电压和输出速度，以实现所需的转矩和速度控制。

在Simulink中，可以使用PID控制器模块来实现电机的控制。

PID控制器可以根据电机的输入电压和输出速度之间的误差来调整控制信号，以使电机的输出速度达到预期的目标值。

在完成无刷直流电机控制仿真后，可以使用Simulink中的数据可视化工具来分析仿真结果。

可以绘制电机输入电压、输出速度和负载转矩等变量随时间的变化曲线，以评估电机控制系统的性能。

总之，使用Simulink进行无刷直流电机控制仿真可以帮助工程师更好地了解电机的工作原理和性能。

通过仿真，可以优化电机控制系统的设计参数，提高电机的性能和效率。

同时，仿真还可以减少现场试验的时间和成本。

因此，Simulink是进行无刷直流电机控制仿真的理想工具。

基于MATLAB_SIMULINK实现三相交流异步电机SPWM调速控制的仿真与研究课程名称：电气工程课程设计基于MATLAB_SIMULINK三相交流异步电机SPWM控制调速的仿真与研究一．PWM控制的基本原理在采样控制理论中有一个重要的结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲在具有惯性的环节上，其效果基本相同。

冲量即指窄脉冲的面积。

这里所说的效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。

如果把各输出波形用傅里叶变换分析，则其低频段非常相近，仅在高频段略有差异。

当窄脉冲的形状不同，而它们的面积相等，那么，当它们分别加在具有惯性的同一个环节上时，其输出响应基本相同。

当窄脉冲变为单位冲击函数时，环节的响应即为该环节的脉冲过渡函数。

脉冲越窄，各脉冲响应波形的差异也越小。

如果周期性的施加脉冲，则响应也是周期的，用傅里叶级数分解后将可看出各波形在低频段的特性将非常接近，仅在高频段有所不同。

上述原理即称之为面积等效原理，它是PWM控制技术的重要理论基础。

下面分析如何使用一系列等副不等宽的脉冲来代替一个正弦波。

将正弦半波分成N等份，就可以把正弦半波看成是由N个彼此相连的脉冲序列所组成的波形。

这些脉冲宽度相等，都等于π/N，但幅值不等，且脉冲顶部不是水平直线，而是曲线，各脉冲的幅值按正弦规律变化。

如果把上述脉冲序列利用相同数量的等副而不等宽的矩形脉冲代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦波部分的中点重合，且使矩形脉冲和相应的正弦半波部分面积相等，而得到一系列的脉冲序列，即PWM波形。

根据面积等效原理，PWM波形和正弦半波是等效的。

对于正弦半波的负半周，也可以用同样的方法得到PWM波形。

像这种脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形，也称之为SPWM（Sinusoidal PWM)波形。

二．电压型PWM逆变电路及其控制方法本实验采用调制法，即把希望输出的波形（正弦波）作为调制信号，把接受调制的信号作为载波，通过信号波的调制得到所期望的PWM波形。

浅谈MATLAB/SIMULINK软件在电机控制系统中的应用【摘要】随着计算机技术的发展，计算机仿真辅助教学受到了各高校的广泛关注。

本文介绍了MATLAB/SIMULINK仿真软件在电机控制教学环节中的运用，以直流调速系统和永磁同步电机系统为例，进行了仿真实验及结果的分析，结果表明，MATLAB/SIMULINK能够真实有效的进行动态系统建模、仿真和综合分析，辅助学生深入理解课程知识，培养学生分析问题和解决问题的能力。

【关键词】电机控制；MATLAB/SIMULINK；仿真；变频调速随着社会需求的不断提高，在工科各类专业学生的培养过程中，不仅要求学生扎实掌握课程的理论基础知识，而且要增强学生的计算机应用能力和提高学生分析问题和解决实际问题的能力[1]。

对于电气工程专业学生来说，电机控制系统课程复杂难懂，且不断有新的控制算推出，仿真是对其进行研究的一个重要手段[2]。

Matlab语言是一种面向科学工程计算的高级语言，它集科学计算、自动控制、信号处理、神经网络、图像处理等功能于一体，是一种高级的数学分析与运算软件，可用于电机控制系统的建模和仿真[3-4]。

本文介绍了直流电动机的双闭环控制和永磁同步电动机变频调速控制的Matlab/Simulink仿真方法，使学生更系统地掌握专业课程的基本理论和控制系统的设计方法，培养了学生分析问题的能力和创新意识。

1 MATLAB/SIMULINK软件介绍MATLAB是由美国MathWorks公司开发的计算机仿真软件，使用方便、输入便捷、运算高效、适应科技人员的思维方式，特别受到用户欢迎，是国内外高校教学和科研的常用软件，涵盖通信、航天、力学、电力、自动控制、神经网络等领域[5]。

Simulink系统仿真环境也称工具箱，是MATLAB最早开发的，它包括SIMULINK 仿真平台和系统仿真模型库两部分。

SIMULINK是simulation和link 两个英文单词的缩写，意思是仿真链接，MATLAB模型都在这个环境使用，从模型库中提取模型放到SIMULINK的仿真平台上进行仿真，所以，有关SIMULINK的操作是仿真应用的基础[6]。

MATLABSIMULINK在“电工学”课程辅助教学中的应用为了提高教学质量，辽宁工业大学（我校）“电工学”课程全部采用板书加多媒体课件（Powerpoint）的方式进行授课。

这从某种程度上改善了教学中的课程内容多，学时少的问题。

但是我们发现即使采用了多媒体课件这种授课方式，大多数也只是书中知识点的直接传授，互动性比较少，而且很多学生有时还跟不上讲课的速度。

久而久之使学生觉得学习沉闷，枯燥，从而影响了教学质量。

如果我们借助先进的仿真（虚拟）技术模拟一些教学及实验内容给同学呈现一个虚拟的电路环境和电路过程，就可以增加学生的感性认识，帮助学生理解枯燥的理论内容，而且还可以在很大程度上解决某些因设备不足或危险性较大难以实现的或要求学生自行设计的实验内容。

目前，用于电路仿真的EDA软件主要有PSPICE、Multisim、System-view、EWB、MATLAB等。

[2]他们都具有各自的特点。

与MATLAB仿真软件相比，其他仿真软件的不足是仿真后的数据处理不如MATLAB方便。

[3]本文主要对MATLAB/SIMULINK仿真软件在“电工学”课程辅助教学中的应用做一简单介绍。

一、MATLAB/SIMULINK软件在电路仿真中的功能简介MATLAB是一种功能强大，简单易学的仿真软件。

其语言具有用户使用方便、编程效率高、语句简单、扩充能力强、高效矩阵和数组运算，方便的绘图功能等特点。

目前MATLAB软件在科研教学及工程应用中显示出越来越强大的优越性，并在电路电子分析，计算和设计等领域得到了广泛应用。

[4]MATLAB中的基于框图的仿真平台SIMULINK是挂接在MATLAB环境上，以MATLAB的强大计算功能为基础，提供了各种仿真工具箱，并不断扩展，丰富其模块库，从SIMULINK4.1版本开始有了电力系统模块库（SimPowerSystems），应用其中的模块可以方便地进行RLC电路，电力电子电路，电机控制系统和电力系统的仿真。