电机仿真精华50例：涵盖永磁同步、异步及直流电机全套Simulink建模与控制源码

资 源 简 介

本项目完整收录了关于电机仿真的50个核心案例源码，涵盖了直流电机、异步电动机、同步电动机、永磁同步电机（PMSM）、无刷直流电机（BLDC）以及步进电机等主流电机类型。功能模块详细展示了电机的数学模型构建、坐标变换原理、空间矢量脉宽调制技术（SVPWM）以及多种控制策略的实现。项目具体实现了电机的启动特性分析、调速性能仿真、制动过程模拟以及负载扰动下的鲁棒性测试。通过这些实例，用户可以深入理解电机内部磁场分布、电流变化与转矩产生的物理过程。项目利用SIMULINK工具箱搭建了从基础的开环控制到复杂的双闭环

详 情 说 明

电机仿真系统：MATLAB电机仿真精华源码建模与仿真系统

本系统是一款基于 MATLAB 环境开发的电机仿真平台，完整实现了永磁同步电机（PMSM）的矢量控制（FOC）系统。该项目通过纯代码编程方式，重现了现代电机驱动系统的核心逻辑，涵盖了从数学建模、控制算法到性能评价的全流程。它不仅展示了电机内部的物理特性变化，还提供了工业级矢量控制策略的仿真验证模板，非常适合学术研究和工程方案预研。

功能特性

1. 全闭环矢量控制（FOC） 系统实现了完整的双闭环控制架构。外环为转速环，通过 PI 调节器精确跟踪目标转速；内环为电流环，采用 $i_d = 0$ 的控制策略，实现定子电流与电磁转矩的最大解耦。

2. 空间矢量脉宽调制（SVPWM） 内置高性能 SVPWM 调制算法，采用七段式切换逻辑。系统能够自动识别空间矢量扇区，并根据直流侧电压利用率计算三相逆变器功率器件的开关时刻。

3. 精确的电机物理建模 利用高频数值采样（子步更新法）模拟电机连续系统的微分方程。模型真实反映了定子电阻压降、电感压降以及旋转电动势对系统动力学特性的影响。

4. 复杂的工况模拟 系统支持空载启动、恒速运行以及突加负载扰动等多种工况。通过在特定时刻引入负载转矩，可以直观观察控制系统的抗扰动能力和鲁棒性。

5. 多维度的性能分析可视化 仿真结束后，系统自动生成转速响应、电磁转矩、定子电流、磁链轨迹、DQ 轴电流跟踪以及电流频谱分析（FFT）等六大核心图表，并计算系统运行效率。

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系统要求

• 软件版本：MATLAB 2018b 或更高版本。
• 工具箱需求：无需额外的物理仿真工具箱（如 Simscape），代码基于底层矩阵运算实现。
• 硬件建议：具备 8GB 以上内存的计算机，以满足高频率数值计算需求。

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实现逻辑与算法说明

#### 1. 电机参数与环境初始化 程序首先定义了永磁同步电机的关键物理参数，包括定子电阻、d/q 轴电感、永磁体磁链、极对数以及转动惯量。仿真设定了双重步长：控制环采样周期（$100mu s$）和 ODE 数值求解器步长（$1mu s$），这种多速率采样模式确保了仿真的高精度。

#### 2. 控制器部分 (Controller Logic)

• 转速环 (Speed Loop)：接收目标转速与反馈转速的差值，通过 PI 调节输出 $i_q$ 的参考指令，并设置了 20A 的电流限幅。
• 坐标变换：

* Clark 变换：将三相静止坐标系下的电流 $i_{abc}$ 转换为两相静止坐标系下的 $i_{alpha}, i_{beta}$（等幅值变换）。 * Park 变换：利用电角度将 $i_{alpha}, i_{beta}$ 投影到随转子同步旋转的 $d, q$ 轴上。

• 电流环 (Current Loop)：分别对 $i_d$ 和 $i_q$ 进行独立 PI 调节，输出 $d, q$ 轴的参考电压。

#### 3. SVPWM 调制实现 该模块是连接控制量与执行器的桥梁。算法通过对 $alpha, beta$ 轴电压的矢量合成，计算出落在 1 至 6 扇区中的具体位置。随后，利用七段式 PWM 逻辑分配 A、B、C 三相桥臂的导通时间，使逆变器的等效输出电压尽可能逼近正弦磁场轨迹。

#### 4. 电机物理模型（Plant Model） 在每个控制周期内，系统通过 Runge-Kutta 思路进行细化的数值积分。其核心方程包括：

• 电压方程：解算电流导数（$di_d/dt$ 和 $di_q/dt$），考虑了耦合出的电磁项。
• 转矩方程：计算输出电磁转矩，包含永磁转矩和对于凸极电机的磁阻转矩项。
• 机械方程：根据牛顿第二定律计算机械角速度和旋转角度。

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关键函数与算法细节分析

坐标变换算法 系统中实现的 clark_trans 和 park_trans 严格遵循电磁互感原理。在 clark_trans 中，采用了 $2/3$ 的系数进行等幅值变换，确保了变换前后电流分量的物理意义一致。

SVPWM 扇区与时序计算 calc_svpwm 函数通过计算互差 120 度的三个辅助矢量（$v_1, v_2, v_3$）的符号来锁定转矩矢量所在的扇区（Sector）。对于过调制情况，代码加入了限幅处理，通过缩放比例确保基波电压最大化利用。

动态负载逻辑 代码中设计了阶跃式的负载输入逻辑，在仿真进行到 $0.3s$ 时突加 $5Nm$ 的额定负载。这一设计是为了验证转速环 PI 控制器的恢复时间以及 $i_q$ 电流的随动性能。

频谱分析 (FFT) 算法 在仿真后处理中，利用快速傅里叶变换（FFT）对 A 相定子电流进行分析。该算法能够量化由于 SVPWM 开关切换产生的谐波含量，反映出电流的波形质量。

效率评估模型 程序通过计算稳态下的机械功率（转矩与转速乘积）与等效电功率的比值，给出了系统的初步评估效率。这为针对不同电机参数进行控制方案优化提供了量化依据。

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使用方法

1. 打开 MATLAB 软件。
2. 将包含程序代码的文件夹设置为当前工作路径。
3. 在命令行窗口输入 main 并回车，或直接运行该脚本。
4. 程序将启动主循环，控制台会实时显示仿真进度。
5. 仿真完成后，会自动弹出名为“电机仿真系统分析”的多分图窗口，展示所有关键波形及效率评估结果。