基于Simulink的永磁同步电机矢量控制仿真系统

资 源 简 介

该项目实现了一套完整的永磁同步电机（PMSM）矢量控制（FOC）仿真模型，旨在提供高性能的电机驱动解决方案。系统采用转速、电流双闭环控制结构，其中外环为转速环，负责根据设定转速输出参考电流，内环为电流环，负责对定子电流进行解耦控制。 项目包含Clarke变换、Park变换及其对应的逆变换模块，能够将三相定子电流准确转换到d-q旋转坐标系下，实现磁链与转矩的独立控制。 模型中集成了空间矢量脉宽调制（SVPWM）算法，通过优化电压矢量的作用方案，提高了直流母线电压的利用率并显著降低了电流谐波。 该仿真环境支持

详 情 说 明

永磁同步电机(PMSM)矢量控制仿真系统

项目介绍

本项目是一个基于MATLAB环境编写的永磁同步电机（PMSM）矢量控制（FOC）仿真系统。该系统不依赖于Simulink模块库，而是通过纯代码编写实现了从物理电机模型到控制器算法的全过程仿真。该系统通过双闭环控制结构，实现了对表贴式永磁同步电机转速和电流的精确控制，能够模拟电机在起动、负载扰动及调速过程中的动态响应特性。

功能特性

• 双闭环控制结构：包含外环转速控制器和内环电流控制器，均采用PI（比例-积分）调节算法，转速环具备抗饱和输出限幅功能。
• 高性能矢量控制：通过id=0控制策略，实现磁链与转矩的解耦，最大限度地利用电机定子电流产生有效转矩。
• SVPWM调制算法：集成了七段式空间矢量脉宽调制算法，包含扇区判断、基本矢量作用时间计算及过调制处理。
• 精确物理建模：基于欧拉法（Euler Method）数值积分求解电机的电压方程、转矩方程和机械运动方程。
• 工况模拟能力：支持设定分段转速指令（如1000rpm阶跃至1500rpm）以及突加负载扭矩（如0.2s时加载）的动态仿真。
• 全方位可视化：自动生成六个维度的动态曲线图，覆盖转速、转矩、电流分量及三相定子电流等关键指标。

系统要求

• MATLAB R2016a 或更高版本。
• 无需安装额外的工具箱，使用基础MATLAB环境即可运行。

实现逻辑与仿真流程

系统在每一个仿真步长（Ts = 1e-5s）内执行以下逻辑循环：

1. 状态测量：从上一个时间步获取电机的三相定子电流、转子机械速度及转子电角度。
2. 坐标变换（Clark & Park）：

- 使用等幅值变换将三相定子电流（abc）转换到静止坐标系（alpha-beta）。 - 结合转子位置信息，将电流转换到同步旋转坐标系（d-q）。

1. 转速环控制：计算设定转速与反馈转速的误差，通过PI调节器输出q轴电流参考值（iq_ref），模拟转矩指令。
2. 电流环控制：

- d轴参考电流设为0（id_ref = 0）。 - d-q轴电流误差经PI调节器处理，生成d-q轴参考电压（Vd_ref, Vq_ref）。

1. 逆坐标变换（Inverse Park）：将控制电压从旋转坐标系还原至静止坐标系（alpha-beta）。
2. 空间矢量调制（SVPWM）：

- 根据alpha-beta轴电压计算所在扇区。 - 计算相邻有效矢量及零矢量的作用时间。 - 转换为逆变器三相占空比信号。

1. 物理模型更新：

- 计算逆变器输出的实际三相电压。 - 求解定子电流微分方程，更新d-q轴电流。 - 计算电磁转矩，并结合负载转矩、转动惯量及摩擦系数求解机械运动方程，更新转速与转子角度。

关键算法与算法细节

1. 坐标变换核心

代码严格遵循物理映射逻辑：

• Clark变换：采用系数为2/3的等幅值变换，确保变换前后的物理量幅值一致。
• Park变换：利用电角度极坐标信息，准确提取励磁分量和转矩分量。

2. SVPWM核心实现

SVPWM算法在函数内部通过以下步骤实现：

• 扇区判断：通过三个参考电压分量的正负组合（Vref1, Vref2, Vref3）确定电压矢量落在1-6中的哪个扇区。
• 时间分配：计算中间变量X, Y, Z，并根据扇区通过Switch语句映射出基本矢量作用时间T1和T2。
• 过调制保护：当T1+T2大于1时，进行归一化处理，防止电压指令超出直流母线物理极限。
• 七段式切换：根据扇区逻辑计算三相上桥臂导通时刻（Ta, Tb, Tc），实现较低的谐波含量。

3. 电机物理模拟

电机模型采用状态空间表达方式：

• 电流更新：考虑了电阻压降、电感压降以及不同坐标轴间的耦合电压（包含了Pn * omega * Lq * iq等互感项）。
• 转矩生成：公式 1.5 * Pn * Flux * iq 反映了表贴式PMSM（Ld=Lq）的转矩特性。
• 运动方程：综合考虑了电磁转矩、负载转矩（TL）和阻尼损耗（B * wm）。

4. 控制器调试

• 离散PI加速：积分项采用累加方式（Error * Ts）实现，逻辑简单且计算效率高。
• 实时限幅：针对iq_ref进行的20A限幅，模拟了驱动器在实际硬件中的过流保护机制。

使用方法

1. 打开MATLAB软件。
2. 将项目相关的代码文件放置在同一工作目录下。
3. 在命令行窗口直接输入主功能函数名称并回车。
4. 程序将自动进行0.8秒物理时间的仿真，并弹出结果展示窗口。
5. 如需修改电机参数或控制参数（如Rs, Ld, Kp, Ki等），直接在代码前端的“系统参数设置”部分进行调整并重新运行。