无刷永磁直流电动机飞轮储能系统仿真模型

资 源 简 介

该模型是基于MATLAB/Simulink平台开发的无刷永磁直流电动机（BLDC）及其在飞轮储能系统中的集成化仿真方案。该模型主要实现了电控单元、功率变换电路以及电动机多物理场耦合运行的完整闭环模拟。核心功能模块涵盖了利用霍尔传感器信号进行反电动势换向控制的逻辑电路，基于PI算法的速度与电流双闭环调节系统，以及针对飞轮储能应用设计的变转动惯量负载模拟。系统具备模拟充放电循环的功能，在充电模式下，电机作为电动机驱动飞轮转子加速实现能量存储；在放电模式下，电机进入受控发电机状态，将飞轮惯性能量回馈至直流母线。

详 情 说 明

无刷永磁直流电动机飞轮储能系统仿真模型

项目概述

本模型是一个基于数学建模的集成化仿真方案，旨在模拟无刷永磁直流电动机（BLDC）在飞轮储能系统中的运行机制。该系统通过控制电机在不同阶段的工作状态，实现电能与飞轮动能之间的相互转换。模型完整涵盖了从底层物理特性（如定子电路、反电动势、转动惯量）到高层控制逻辑（如双闭环控制、六步换向逻辑）的动态模拟，能够为飞轮储能系统的性能评估提供量化的数据支持。

核心逻辑与算法实现

系统仿真程序通过高频率的时间步进循环（100kHz采样率）实时求解电机与飞轮耦合的微分方程，主要实现逻辑如下：

1. 工作模式控制逻辑：

仿真过程分为两个阶段。在0至0.5秒的充电阶段，系统设定高目标转速，电机作为电动机运行，驱动飞轮加速以存储动能；在0.5至1.0秒的放电阶段，目标转速降低，系统模拟能量释放过程，将存储的惯性动能转化为电能回馈至直流母线。

1. 霍尔传感器与换向逻辑：

程序根据电机的电角度计算霍尔传感器的状态信号，模拟120度分布的三个霍尔元件。基于这些信号，系统将一个完整的电角度周期等分为六个扇区，通过六步换向逻辑控制逆变器的功率管通断，从而实现三相定子绕组的电压切换。

1. 速度与电流双闭环控制：

控制系统采用经典的串级PI调节器。

• 速度外环：根据目标转速与反馈转速的差值，计算出所需的参考电流。
• 电流内环：基于参考电流与实时相电流反馈的差值，产生PWM占空比信号，用于控制直流母线对电机绕组的有效输出电压。

1. 物理场耦合模型：

• 电磁方程：利用定子电阻、电感以及梯形波反电动势计算各相电流的变化率。
• 转矩产生：根据反电动势与相电流的瞬时值，计算电磁转矩。
• 机械动力学：将电磁转矩扣除摩擦损耗后作用于飞轮转动惯量，采用欧拉积分法实时更新电机的机械转速和旋转角度。

功能特性

• 变模式运行模拟：能够平滑地模拟从驱动充电到能量回馈放电的全过程切换。
• 高度非线性动力学模拟：精确刻画了BLDC电机特有的梯形波反电动势特性以及由此产生的转矩脉动。
• 多物理量实时监测：系统可以记录并输出三相电流波形、电磁转矩、转速动态、分段霍尔信号以及飞轮动能状态。
• 谐波性能分析：内置了相电流总谐波畸变率（THD）的粗略估算逻辑，便于评估电控系统对电网及电机发热的影响。
• 储能状态验证：通过计算飞轮转子的旋转动能，直观展示能量随时间存取的动态曲线。

关键算法细节

• 反电动势(Back-EMF)建模：程序未使用简单的正弦波，而是采用了分段函数描述的梯形波模型，精确模拟了反电动势在上升、平顶及下降阶段的电角度对应关系。
• 换向逻辑分支：在六步换向中，通过对电角度扇区的判断（0-5扇区），手动触发ABC三相电压的极性切换（如A+B-、A+C-等组合）。
• 动量反馈计算：转矩计算考虑了低速启动时的起动转矩简化处理以及正常运行时的功率守恒原理。

系统要求

• 软件环境：MATLAB 2016b 及以上版本（需支持基础矩阵运算与绘图功能）。
• 主要参数预设：

- 直流母线电压：310V - 定子电阻：0.8 Ohm / 电感：2.5 mH - 飞轮转动惯量：0.05 kg·m² - 额定最大转速：3000 RPM

输出结果描述

运行仿真后，系统会生成包含四个子图的动态性能曲线：

1. 转速曲线：展示从零启动加速至额定转速及随后减速放电的完整轨迹。
2. 电流波形：显示典型的方波/梯形波相电流，反映换向瞬时特征。
3. 转矩动态：揭示电机在换向时刻的转矩脉动以及负载变化时的响应。
4. 储能与控制信号：同步对比飞轮储能（kJ）的增加与释放过程，并辅助显示霍尔逻辑电平信号。
5. 控制台输出：实时打印仿真完成后的最大储能数值、瞬时转矩极值以及电流THD估算值。