以下是針對?MATLAB/Simulink 電機控制仿真?的系統性解決方案，涵蓋?同步電機、異步電機、永磁電機、直驅電機、磁阻電機、雙饋電機、無刷直流電機（BLDC）?的建模與控制策略實現，支持代做服務的技術細節和代碼示例。
一、電機建模與仿真框架
1. 電機類型與建模方法
| 電機類型 | 建模方法 | Simulink 模塊庫 |
|---|---|---|
| 同步電機 | Park 變換 + 電壓方程 | Synchronous Machine |
| 異步電機（感應電機） | T 型等效電路 + 矢量控制 | Asynchronous Machine |
| 永磁同步電機（PMSM） | id=0 控制 / MTPA 控制 | Permanent Magnet Synchronous Machine |
| 直驅電機 | 低速大扭矩傳動鏈建模 | 自定義機械耦合模塊 |
| 磁阻電機（SRM） | 線性/非線性磁化曲線 + 斬波控制 | 自定義 S-Function |
| 雙饋電機（DFIG） | 電網側 + 轉子側雙 PWM 控制 | Doubly-Fed Induction Machine |
| 無刷直流電機（BLDC） | 方波驅動 + 換相邏輯 | Brushless DC Motor |
二、關鍵電機控制策略實現
1. 永磁同步電機（PMSM）矢量控制
(1) id=0 控制（表貼式PMSM）
matlab
% 電流環PI調節（d軸設為0） |
function [Vd, Vq] = pmsm_foc_id0(iq_ref, iq_meas, id_meas, we, Rs, Lq, Psi_f) |
% q軸電流環 |
Kp_iq = 0.1; Ki_iq = 100; |
e_iq = iq_ref - iq_meas; |
integral_iq = integral(@(t) e_iq, 0, simTime); % 需在Simulink中實現 |
vq = Kp_iq * e_iq + Ki_iq * integral_iq + we * (Lq * iq_meas + Psi_f); |
% d軸電壓（id_ref=0） |
Kp_id = 0.1; Ki_id = 100; |
e_id = -id_meas; % id_ref=0 |
integral_id = integral(@(t) e_id, 0, simTime); |
vd = Kp_id * e_id + Ki_id * integral_id - we * Lq * iq_meas; |
Vd = vd; Vq = vq; |
end |
Simulink 實現要點：
- 使用?
Park Transform?和?Inverse Park Transform?模塊 - 空間矢量調制（SVPWM）通過?
PWM Generator?實現 - 轉速環外接 PI 調節器（Kp=0.5, Ki=10）
(2) 最大轉矩電流比控制（MTPA）
matlab
% 內嵌式PMSM的MTPA軌跡計算 |
function [id_ref, iq_ref] = mtpa_control(Te_ref, Ld, Lq, Psi_f) |
% 解析解（簡化版，實際工程用查表法） |
syms id iq |
Te_eq = (3/2)*P*(Psi_f*iq + (Ld-Lq)*id*iq); |
sol = solve(Te_eq == Te_ref, iq); |
iq_ref = double(sol(sol >= 0)); % 取正解 |
id_ref = -sqrt((Psi_f + sqrt(Psi_f^2 + 8*(Lq-Ld)^2*iq_ref^2))/(4*(Lq-Ld)^2)); |
end |
2. 異步電機（感應電機）矢量控制
(1) 轉子磁場定向控制（RFOC）
matlab
% 轉速估算（Model Reference Adaptive System, MRAS） |
function [we_hat] = mras_estimator(is_alpha, is_beta, ir_alpha, ir_beta, Lm, Lr, Rr) |
% 參考模型：定子電流方程 |
% 自適應律：Lyapunov穩定性設計 |
persistent we_est; |
if isempty(we_est), we_est = 0; end |
% 誤差方程與自適應律（簡化） |
e_alpha = is_alpha - (Lm/Lr)*ir_alpha; |
e_beta = is_beta - (Lm/Lr)*ir_beta; |
we_est = we_est + 0.01*(e_alpha*ir_beta - e_beta*ir_alpha); |
we_hat = we_est; |
end |
Simulink 實現要點：
- 使用?
ABC to DQ?變換實現磁場定向 - 轉子磁鏈觀測器可選：電壓模型 / 電流模型 / MRAS
- 滑差頻率計算：
wr_slip = (Lm/Tr) * iq_s / psi_r
3. 雙饋電機（DFIG）風電控制
(1) 電網側PWM整流器控制
matlab
% 電網電壓定向控制（VOC） |
function [Vd_g, Vq_g] = dfig_grid_side_control(id_g_ref, iq_g_ref, v_grid_dq) |
% 電網電壓d軸定向（v_grid_d = |Vgrid|, v_grid_q = 0） |
Kp_g = 0.2; Ki_g = 50; |
% dq軸電流環 |
e_id = id_g_ref - id_g_meas; |
e_iq = iq_g_ref - iq_g_meas; |
vd_g = -Kp_g * e_id - Ki_g * integral(e_id); % 電網側d軸電壓 |
vq_g = -Kp_g * e_iq - Ki_g * integral(e_iq); % 維持單位功率因數（iq_g_ref=0） |
end |
(2) 轉子側功率控制
matlab
% 轉子側有功/無功解耦控制 |
function [Vd_r, Vq_r] = dfig_rotor_side_control(P_ref, Q_ref, we_t, psi_r) |
% 有功功率控制（轉速調節） |
Kp_P = 0.8; Ki_P = 10; |
e_P = P_ref - P_meas; |
iq_r_ref = Kp_P * e_P + Ki_P * integral(e_P); |
% 無功功率控制（磁鏈調節） |
Kp_Q = 0.5; Ki_Q = 8; |
e_Q = Q_ref - Q_meas; |
id_r_ref = Kp_Q * e_Q + Ki_Q * integral(e_Q); |
% 電壓指令生成 |
Vd_r = Rr * id_r_ref - we_slip * Lr * iq_r_ref; |
Vq_r = Rr * iq_r_ref + we_slip * (Lr * id_r_ref + Lm * psi_s); |
end |
4. 無刷直流電機（BLDC）六步換相控制
matlab
% 基于霍爾傳感器的換相邏輯 |
function [phase_duty] = bldc_commutation(hall_signal, theta_e) |
% 霍爾信號與相位映射關系 |
hall_table = [1 0 0; 1 1 0; 0 1 0; 0 1 1; 0 0 1; 1 0 1]; % 六步換相表 |
current_step = bi2de(hall_signal') + 1; |
phase_duty = hall_table(current_step, :); |
% PWM調制（可選） |
duty_cycle = 0.8; % 固定占空比 |
phase_duty = phase_duty * duty_cycle; |
end |
Simulink 實現要點：
- 使用?
HALL Sensor?模塊檢測轉子位置 - 換相時刻通過?
Stateflow?或邏輯門實現 - 死區時間補償（通常 2-5μs）
三、仿真驗證與性能指標
1. 典型測試工況
| 測試項目 | 參數設置 | 驗收標準 |
|---|---|---|
| 空載啟動 | 負載轉矩=0Nm，給定轉速=1000rpm | 超調量 <5%，調節時間 <0.1s |
| 突加負載 | 50%額定負載突變 | 轉速跌落 <3%，恢復時間 <0.2s |
| 弱磁擴速 | 轉速指令=2倍額定轉速 | 電流限幅準確，無失步 |
| 故障穿越 | 電網電壓跌落至20% | 不脫網，有功功率快速恢復 |
2. 效率計算腳本
matlab
% 電機效率Map圖生成 |
[T_grid, w_grid] = meshgrid(linspace(0, 10, 20), linspace(0, 2*pi*50, 20)); |
eff_map = zeros(size(T_grid)); |
for i = 1:numel(T_grid) |
[P_in, P_out] = motor_model(T_grid(i), w_grid(i)); % 調用電機模型 |
eff_map(i) = P_out / P_in * 100; |
end |
surf(T_grid, w_grid/(2*pi), eff_map); |
xlabel('Torque (Nm)'); ylabel('Speed (rpm)'); zlabel('Efficiency (%)'); |
四、代做服務交付內容
- 完整Simulink模型
- 含電機本體、控制器、負載、傳感器模塊
- 支持參數化配置（如極對數、定子電阻等）
- 控制算法代碼
- MATLAB Function 模塊封裝
- 與Simulink無縫對接的S-Function
- 自動化測試腳本
- 批量運行不同工況（
parsim?并行仿真） - 生成HTML格式報告（
Simulink Report Generator）
- 批量運行不同工況（
- 硬件在環（HIL）準備
- 代碼生成配置（
Embedded Coder） - 實時目標支持（Speedgoat/dSPACE）
- 代碼生成配置（
五、技術選型建議
| 需求場景 | 推薦電機類型 | 控制策略 |
|---|---|---|
| 高精度位置控制 | PMSM | 磁場定向 + 擾動觀測器 |
| 寬調速范圍 | DFIG | 功率同步控制 |
| 低成本解決方案 | BLDC | 方波驅動 + 霍爾換相 |
| 高可靠性傳動 | 同步電機 + 磁阻制動 | 直接轉矩控制（DTC） |
如需具體項目實施，請提供以下信息：
- 電機參數（額定功率/轉速/極數/慣量）
- 控制性能要求（動態響應/穩態精度）
- 硬件平臺（DSP型號/FPGA型號）
- 特殊工況（如高溫/振動環境）
