无刷直流电机双闭环控制仿真系统

资 源 简 介

本系统是一个基于MATLAB/Simulink环境开发的综合仿真平台，旨在精确模拟无刷直流电动机（BLDC）的运行特性。系统建立了完整的数学模型，涵盖定子电压方程、电磁转矩方程和机械运动方程。在控制架构上，采用典型的双闭环控制策略，即转速外环和电流内环。转速外环通过PI调节器实时处理设定转速与反馈转速的偏差，输出期望的电流指令值；电流内环则紧随其后，确保电机绕组电流能够快速跟踪指令，实现对转矩的直接控制。系统集成了换向逻辑模块，利用霍尔传感器信号解析当前转子位置，驱动三相六状态逆变器。该仿真平台可用于分析

详 情 说 明

无刷直流电动机（BLDC）双闭环控制建模与仿真系统

项目介绍

本项目是一个基于 MATLAB 环境开发的无刷直流电动机（BLDC）数值仿真系统。通过编写底层的物理数学模型和控制算法，系统模拟了电机在双闭环控制策略下的运行行为。该系统不依赖于 Simulink 模块库，而是直接通过脚本代码实现离散化的微分方程求解、换向逻辑控制以及 PWM 调制过程，旨在为电机驱动器算法的验证提供高度可控的仿真环境。

功能特性

• 双闭环控制架构：实现了转速外环和电流内环的串级控制，支持参数化配置 PI 调节器。
• 六步换向逻辑：内置 120 度霍尔传感器解码逻辑，自动生成对应的逆变器开关状态。
• 理想梯形波反电动势：采用分段函数模拟 BLDC 特有的梯形波反电动势特性。
• 动态负载模拟：支持在运行过程中设置突加负载，评估系统的抗扰性能。
• 完善的可视化监控：实时记录并生成转速、转矩、三相电流、霍尔信号、占空比及控制器饱和状态的动态曲线。
• 抗饱和处理：转速环具备抗积分饱和限制功能，确保控制系统的稳定性。

使用方法

1. 在运行 MATLAB 软件后，将包含脚本的文件夹设置为当前工作路径。
2. 在命令行窗口直接调用主函数名称即可启动仿真。
3. 仿真运行完成后，系统会自动弹出包含六个子图的结果窗口，展示电机运行的全过程数据。
4. 用户可以通过修改脚本代码顶部的参数区（如比例增益、负载大小、目标转速等）来观察不同工况下的系统表现。

系统要求

• MATLAB R2016b 或更高版本。
• 基础 MATLAB 运行环境（无需额外安装 Simulink 或特殊工具箱）。

仿真系统逻辑实现说明

1. 参数初始化逻辑 系统首先定义了电机的物理常数，包括相电阻、电感、反电动势系数、转矩系数、转动量等。同时设定了仿真步长（2微秒）和总时长，确保数值计算的精度能捕捉到 PWM 高频切换动作。

2. 传感器与换向逻辑

• 位置检测：根据转子机械角度计算电气角度，通过逻辑判定生成三位二进制霍尔信号。
• 扇区映射：将霍尔信号转换为 1 到 6 号换向扇区，决定当前时刻哪两相绕组导通。

3. 双闭环控制算法实现

• 转速外环：按照设定的采样周期（1ms）运行。它计算设定转速与当前反馈转速的偏差，通过带有积分限制的 PI 算法输出目标电流指令。
• 电流内环：电流环随主循环高频更新。系统根据当前扇区从三相电流中提取出有效的回路电流反馈值，通过 PI 调节器调整输出电压，进而映射为 PWM 的占空比。

4. 逆变器与 PWM 调制 采用三角波比较法生成 PWM 信号。根据电流环输出的占空比与内置的三角载波进行比较，结合换向逻辑输出三相逆变器对应的电位，从而控制加在电机绕组上的有效电压。

5. 电机物理模型数值求解

• 电压与电流方程：利用欧拉法求解定子电流的一阶微分方程，考虑了定子电阻压降和受转速影响的反电动势。
• 运动方程：基于电磁转矩公式计算总产出转矩，通过机械运动方程（包含摩擦系数和转动惯量）实时更新电机的转速和位置。

关键函数与算法分析

• 理想梯形波函数 (f_emf)：该函数基于电气角度，在 360 度周期内通过分段线性插值实现了±1 范围内的梯形波动，准确描述了 BLDC 每相感应电动势随空间位置的变化。
• 电流反馈提取算法 (get_feedback_current)：这是一个根据换向逻辑设计的映射算法。由于 BLDC 在任一时刻通常只有两相导通，该算法能够根据当前扇区（如 AB 导通或 AC 导通）准确地从三相传感器电流中提取出当前工作回路的等效电流，用于闭环反馈。
• 逆变器状态映射 (get_inverter_output)：该算法负责根据换向扇区控制直流母线电压 Vdc 的接入方式。它实现了典型的六状态导通模式（如 120 度导通方式），确保了定子合成磁场能够始终领先转子磁场。
• 抗饱和功能：在转速控制代码段中，通过逻辑判断强制限制了电流指令的幅度，防止在启动或大负载变动时电流超出电机额定范围，从而保护电机模型并提高系统的动态抗扰效果。
• 结果记录与饱和监控：系统不仅记录物理性能指标，还专门记录了速度環 PI 处理器的饱和状态，通过 0、1、-1 标识出控制器是否进入限幅状态，方便用户分析调速过程中的控制器性能。