逆变器电机建模仿真



学习笔记：Simulink仿真“古代”三相全桥整流器

这篇文章探讨了整流器中的点火角概念，以及在交流驱动直流电机过程中各种物理量的表现，并介绍了Simulink中的Simscape模块在仿真三相全桥整流器中的应用。

整流器中的点火角α控制着直流电压的大小，进而影响电机的转速。通过调整该角度，可以实现对电机速度的精确控制。在Simulink中，可以利用Simscape模块构建三相全桥整流器的模型，实现对这一过程的仿真。

在搭建模型时，需要选择适当的元件类型和参数，包括三相电源、六桥模块、逻辑产生六脉冲信号、负载电机以及观察仪表等。通过调整点火角的常数模块，可以观察到整流器输出电压和电流的变化。

在点火角为0°时，第一个脉冲信号在30°处被触发，而输出电压的波形则基于脉冲发生器的设置。通过分析电路的连通情况，可以理解为什么从30°开始作为点火角的触发角度。此外，观察三相电流和直流侧电流的变化，有助于更深入地理解整流器的工作原理。

对于不同点火角α的设置，例如60°、75°、90°等，输出电压和电流的变化将展现出不同的特性。在特定情况下，整流器可能进入正扭矩负转速的运行区间，此时电机表现出逆变器工况，类似于发电机在工作。

通过Simulink中的Simscape模块，学习者可以更加直观地观察到物理量的变化，并通过实验证明电机的运行特性。这一过程不仅加深了对整流器和电机工作的理解，也为后续学习提供了更丰富的可视化资源。

此外，文章还简要介绍了Simscape模块的使用，这是一个能够实现对现实世界物理量仿真的重要工具。它包含多种电子电器电机模型，方便学习者构建和分析复杂的物理系统。

对于希望学习和使用Simulink的读者，文章还提到了Simscape模块的入门指南，并提到了一个免费的替代软件Scilab.org，供有意向的用户尝试。

PLECS RT Box 应用示例 3（91）:LaunchPad接口板的无刷直流电机演示应用程序

PLECS RT Box应用示例3: LaunchPad接口板的无刷直流电机演示应用程序概述：

演示内容：

本演示展示了如何使用PLECS RT Box与LaunchPad接口板配合，实现无刷直流电机的梯形控制应用。演示包括预编程的MCU与RTBox模型的无刷直流驱动器配合使用的步骤。

必要硬件：

电源电路：由24V直流电源、三相逆变器和无刷直流电机组成的电源电路，电机连接到模拟惯性和速度相关摩擦组件的机械负载。霍尔传感器：用于检测转子位置，以120电度的间隔排列，每60电度变化一次。电流传感：模拟TI BOOSTXL DRV8301板的特性，使用低压侧分流器测量电机定子电流。数字IO：用于与启动板控制器接口，并在启动板接口板上显示状态信息。

控制逻辑：

控制逻辑在MCU上预先编程，通过启动板接口板连接到RT Box。实现了无刷直流电机的梯形控制，也称为六步控制或两相接通控制。控制逻辑将无刷直流电机的电气革命分为60度的六个部分，根据霍尔传感器读数解码转子位置，并控制逆变器支路的开关状态。

仿真与外部模式：

仿真模型可以在台式PC上的PLECS中离线运行，实时仿真时模型部署在RT Box中。外部模式允许访问RT Box上执行的实时模拟，通过模型范围可视化仿真信号或更新可调模型参数。

RTBox Web界面：

提供了有关RT Box上运行的模型的信息以及其他诊断选项。处理器负载统计信息可用于验证所选步长的合适性。

使用第二个RTBox作为控制器：

两个RT Box可以使用三根DB37电缆进行设置，一个作为“Plant”，另一个作为“Controller”。通过外部模式连接到控制器RT Box，配置开关状态和电流参考设定点。

上传固件：

演示模型所需的控件已在TI Launchpad上预先编程。提供了预编译的可执行文件，可使用C2Prog或TI的Uniflash工具重新编程MCU或执行更新。

通过此演示应用程序，用户可以了解如何使用PLECS RT Box与LaunchPad接口板配合，实现无刷直流电机的梯形控制，并熟悉RTBox的基本使用步骤和配置方法。

FOC矢量控制及仿真

矢量控制技术，简称FOC，是一种精密控制电机性能的方法，它利用变频器调整电流和电压，精细操控电机的转矩和磁场。在电机控制中，FOC尤其适用于直流无刷电机（BLCD）和永磁同步电机（PMSM），通过精确控制磁场和转速，实现电机平稳运行、低噪声、恒定转矩、快速响应和精确控制。

电机原理中，我们运用右手定则和左手定则理解电机工作原理。直流无刷电机通过电子换向器替代碳刷，提高效率和寿命。在无刷电机中，通过控制ABC三相电流产生磁场，驱动永磁体旋转，而BLCD和PMSM电机的区别在于电流波形的平滑程度，PMSM的正弦波驱动可以消除颗粒感。

无刷电机的驱动电路采用三相逆变器，MOS管作为高速开关元件，通过控制电压来控制电流方向。逆变电路通过SVPWM技术合成不同空间电压矢量，产生所需的电流波形。FOC控制流程包括采样、变换（Clack和Park）和逆变器操作，涉及位置、速度和电流闭环控制，确保电机按照预设目标运行。

仿真部分，通过Simulink模型展示了FOC在不同输入（恒速、变速和指定位置）下的性能。无论是恒速、变速还是定位控制，FOC都能有效跟踪目标，展示出其在实际应用中的优越性能。通过仿真结果的分析，可以深入理解FOC矢量控制在电机控制中的实际应用和效果。

基于虚拟同步发电机的孤岛逆变器控制策略（孤岛VSG）（Simulink仿真实现）

孤岛逆变器控制策略是光伏逆变器等电力系统中的重要控制方法，特别在电网故障或断电情况下，确保逆变器能维持独立运行，形成孤岛电网。虚拟同步发电机（VSG）作为这种策略的改进，通过模拟传统同步发电机特性，使得逆变器在孤岛运行时提供类似同步发电机的功率与电压波形，以此增强系统稳定性和可靠性。

基于VSG的孤岛逆变器控制策略，逆变器能够实时检测电网频率和电压，一旦电网故障或断开，逆变器自动切换至孤岛模式，调整输出功率和电压以维持电网稳定运行。同时，通过控制逆变器输出电流和电压，实现对电网电压与频率的调节，使其与传统同步发电机的运行特性相匹配。

此控制策略显著提高了孤岛逆变器系统的稳定性和可靠性，有效解决了光伏逆变器在孤岛运行时的电压与频率波动问题。在光伏发电系统和微电网等领域，其应用前景广泛。

运行结果方面，完整模型和输出波形展示了基于VSG的孤岛逆变器控制策略的高效性和准确性。参考文献部分包含相关研究，如杨晨的哈尔滨理工大学论文，程天琪的中国矿业大学论文和郝新星的合肥工业大学论文，提供了深入研究与应用的依据。

Simulink仿真实现为研究与验证基于VSG的孤岛逆变器控制策略提供了可靠平台，确保理论设计与实际运行的相符性，进一步验证了策略的可行性和有效性。

Speedgoat FPGA板卡使用系列文章 | Simscape物理模型部署到FPGA中加速实现

Simscape，Mathworks的多域建模工具，支持用户将物理模型部署到FPGA中进行实时仿真，如Simscape Electrical工具箱，尤其适合电力电子和电机驱动等领域的硬件在环测试（HIL）。本文将详细介绍如何将一个基于PMSM闭环控制的Simscape模型转化为HDL代码，并部署到Speedgoat IO334 FPGA板卡进行实时测试。

实现流程如下：

1. 从Simulink的ee_pmsm_drive示例模型开始，该模型包含FOC控制算法、逆变器和电机模型。首先进行离线仿真验证算法功能，然后准备模型转换至实时化。

2. 转换步骤包括：将连续时间模型转为定步长离散，配置Simscape solver；替换模型中的非线性模块以适应HDL Coder支持；使用Simscape HDL Workflow Advisor将物理模型转换为状态空间模型。

3. HDL Workflow Advisor分为三个阶段：代码生成兼容性检查、状态空间转换和生成实现模型，其中需设定迭代次数和数据精度。

4. 状态空间模型生成后，将逆变器和电机模型下载到FPGA，其余部分到CPU。完成编译和下载，进行实时仿真，并监测力矩指令和反馈。

涉及的时间概念包括模型采样时间（Ts）、迭代次数、FPGA主频和过采样率。通过合理设置这些参数，确保模型在FPGA上运行的精度和性能。例如，若模型仿真周期为1us，可以通过过采样和主频调整，使得FPGA计算周期与模型周期同步，如1us = (50 * 4) / 200MHz。

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