FOC算法中SIMULINK一些常用模塊（2)-Permanent Magnet Synchronous Machine模塊

一，介紹

這三個模塊一起介紹了，由左到右，分別是電源模塊，驅動模塊和電機模塊。主要介紹一下電機模塊

二，DC Voltage Source

DC Voltage Source 模塊是用于表示直流電壓源的基本組件，可以提供恒流直壓，這個沒什么好說的，就是一個直流電源，其中參數如下：

Amplitude (V)：幅值，用于設置直流電壓源輸出的電壓大小，單位是伏特（V）。你截圖中設置為 24，表示該直流電壓源輸出的直流電壓幅值為 24V。通過修改這個參數，可以調整輸出電壓，滿足不同的電路仿真需求，比如模擬不同電壓等級的電池或電源設備。
Measurements：測量選項，用于選擇是否對直流電壓源的某些電氣量進行測量并輸出測量信號。它有以下兩個選項：
- None：不進行任何測量，不輸出測量信號。當你只是需要該電壓源為電路供電，不需要獲取其相關電氣量的測量值時，可以選擇此選項。
- Voltage：測量直流電壓源輸出的電壓，并輸出測量信號。這個測量信號可以連接到示波器（Scope）等顯示模塊，方便在仿真過程中實時觀察直流電壓源輸出電壓的波形和數值，也可以連接到其他需要電壓信號作為輸入的模塊，用于進一步的信號處理或控制算法的實現。

三，Universal Bridge

Universal Bridge（通用橋）?模塊用于實現電力電子變流橋（如整流橋、逆變橋等，這個稍做一下介紹：

一. Number of bridge arms（橋臂數量）

含義：設置變流橋的橋臂數目，決定拓撲結構（如 3 表示三相橋，2 表示單相橋）。
典型場景：
- 三相逆變 / 整流 → 選?3（如三相全橋電路）；
- 單相整流 / 逆變 → 選?2（如單相全橋、半橋）。

二. Snubber resistance Rs（緩沖電阻）

含義：為每個功率器件并聯的?RC 緩沖電路?中的電阻值，用于抑制開關過程中的電壓尖峰（吸收浪涌能量）。
取值邏輯：
- 若無需緩沖電路 → 設為?inf（或極大值，等效斷開電阻）；
- 需抑制尖峰時 → 按實際緩沖電路設計取值（如?1e5?歐姆，需配合電容?Cs?共同作用）。

三. Snubber capacitance Cs（緩沖電容）

含義：RC 緩沖電路中的電容值，與?Rs?配合抑制電壓尖峰，減少器件開關損耗。
取值邏輯：
- 無需緩沖 → 設為?inf（等效斷開電容）；
- 需抑制尖峰時 → 按設計取值（如幾 nF~μF，需與?Rs?匹配）。

四. Power Electronic device（功率器件類型）

1.?Diodes（二極管）

特性：不可控器件，僅單向導通，無主動開關能力。
應用：
- 純整流場景（如不可控整流橋），無需觸發信號；
- 作為續流二極管（但此選項下整個橋臂都是二極管，一般用于簡單整流）。

2.?Thyristors（晶閘管 / 可控硅）

特性：半控型器件，需觸發脈沖（門極信號）才能導通，且導通后需電流過零才能關斷。
應用：
- 相控整流 / 逆變（如三相可控整流橋），通過調整觸發角（α）控制輸出；
- 高壓大功率場景（如高壓直流輸電、電機軟啟動）。

3.?GTO / Diodes（門極關斷晶閘管）

特性：全控型器件，通過門極信號主動關斷（無需等待電流過零），但開關速度較慢、損耗較高。
應用：
- 中大功率變流（如傳統 SVG、電機驅動）；
- 需主動關斷但對開關頻率要求不高的場景。

4.?MOSFET / Diodes（MOSFET）

特性：全控型器件，開關速度極快（適合高頻），但耐壓 / 電流能力較低。
應用：
- 高頻小功率場景（如 DC-DC 變換器、小功率逆變器）；
- 需高頻開關的電力電子電路（如諧振變換、開關電源）。

5.?IGBT / Diodes（IGBT）

特性：全控型器件，兼具 MOSFET 的高頻特性和 GTO 的高耐壓 / 電流能力，是最常用的電力電子開關。
應用：
- 三相逆變（如電機驅動、光伏逆變器）；
- 中大功率變流（如風電變流器、工業電源）；
- 絕大多數電力電子仿真的 “默認選擇”（平衡了性能與實用性）。

6.?Ideal Switches（理想開關）

特性：無損耗、無延遲的理想器件，導通電阻為 0，開關瞬間完成。
應用：
- 理論驗證、快速原型設計（忽略器件損耗和開關延遲，簡化仿真）；
- 需 “純理想” 拓撲驗證的場景（如教學演示、算法快速驗證）。

7.?Switching-function based VSC（基于開關函數的電壓源換流器）

特性：通過開關函數抽象化變流橋行為，不關注單個器件細節，直接輸出變流橋的電壓 / 電流特性。
應用：
- 大規模電力系統仿真（如電網級換流站，無需器件級細節）；
- 快速計算變流橋的宏觀特性（忽略器件損耗和開關過程）。

8.?Average-model based VSC（平均模型換流器）

特性：基于平均模型簡化變流橋，用連續方程描述開關周期內的平均行為，兼顧精度與仿真速度。
應用：
- 電力電子系統級仿真（如含變流器的電網、電機驅動系統）；
- 需平衡仿真精度和速度的場景（比器件級快，比理想模型準）。

五. Ron（器件導通電阻）

含義：功率器件導通時的等效電阻（模擬實際器件的導通損耗）。
取值邏輯：
- 理想器件 → 設為?0；
- 實際仿真 → 按器件手冊取值（如 IGBT 導通電阻可能為?1e-3?~?1e-2?歐姆）。

六. Forward voltages（正向壓降）

格式：[Device Vf, Diode Vfd]，分別設置主動器件和續流二極管的正向導通壓降。
含義：模擬實際器件導通時的電壓損耗（如 IGBT、二極管的正向壓降）。
取值邏輯：
- 理想器件 → 設為?[0 0]；
- 實際仿真 → 按器件手冊取值（如二極管正向壓降約?0.7V，可設?[0.7 0.7]?，具體看器件類型）。

七. Measurements（測量輸出）

含義：選擇是否輸出橋模塊的電氣量測量信號（如電壓、電流），方便連接示波器或其他分析模塊。
常見選項：
- None：不輸出測量信號；
- Voltages：輸出橋臂電壓、器件電壓等；
- Currents：輸出橋臂電流、器件電流等；
- All：輸出全部電壓、電流測量信號。

四，Permanent Magnet Synchronous Machine

Permanent Magnet Synchronous Machine（永磁同步電機，簡稱 PMSM ）模塊用于模擬三相或五相永磁同步電機的電氣、機械特性，可在電機控制系統仿真（如電動汽車驅動、工業伺服系統等場景）中，與逆變器、控制器等模塊配合，搭建完整的電機驅動系統模型，分析電機的運行狀態（轉速、轉矩、電流、電壓等）。

一，configruation（配置）

1. Number of phases（相數）

含義：設置永磁同步電機的定子繞組相數，可選?3（三相）或?5（五相）。
應用場景：
- 三相是工業和電動汽車等領域最常用的電機形式，選?3?可模擬常規三相永磁同步電機；
- 若研究五相電機的特殊性能（如容錯性、諧波特性等），可選擇?5?。

2. Back EMF waveform（反電動勢波形）

含義：定義電機轉子永磁體產生的反電動勢（Back Electromotive Force，反電動勢）的波形類型，可選?Sinusoidal（正弦波）或?Trapezoidal（梯形波）。
區別與應用：
- Sinusoidal（正弦波）：三相永磁同步電機主流類型，反電動勢接近正弦曲線，電機運行平穩、諧波少，常用于高精度控制場景（如工業伺服、電動汽車驅動）；
- Trapezoidal（梯形波）：類似無刷直流電機（BLDC）的反電動勢特性，轉矩輸出有一定脈動，適用于對控制復雜度要求稍低、成本敏感的簡單調速場景。

3. Rotor type（轉子類型）

含義：設置永磁同步電機轉子的結構類型，與?Back EMF waveform?關聯，當反電動勢為?Sinusoidal?時，可選?Salient - pole（凸極）或?Round（隱極，也叫圓桶形）；若反電動勢為?Trapezoidal，轉子固定為?Round?類型。
區別：
- Salient - pole（凸極）：轉子磁極突出，直軸（d 軸）和交軸（q 軸）磁路磁阻不同，存在凸極效應，可利用磁阻轉矩輔助輸出，在一些需要高轉矩密度設計中應用；
- Round（隱極）：轉子結構相對均勻，直軸和交軸電感近似相等，電機數學模型更簡單，控制相對容易，廣泛用于各類正弦波永磁同步電機場景。

4. Mechanical input（機械輸入）

含義：指定電機機械端口的輸入物理量類型，常見選項有?Torque Tm（轉矩輸入）和?Speed omega（轉速輸入）等（不同版本界面可能略有差異，但核心邏輯一致）。
應用：
- 選?Torque Tm：電機機械端口輸入轉矩信號，可模擬負載對電機的作用（如電動汽車行駛時路面阻力轉化的負載轉矩輸入），電機輸出轉速等狀態；
- 選?Speed omega：電機機械端口輸入轉速信號，可用于模擬電機被拖動的工況（如啟動過程中變頻器逐步給定轉速，或電機作為發電機被原動機拖動）。

5. Preset model（預設模型）

含義：是否使用 Simulink 提供的預設電機參數模型，可選?No（自定義參數）或對應預設（如一些典型電機參數模板）。
應用：
- 選?No：需手動在后續?Parameters?標簽頁填寫電機具體參數（如定子電阻、電感、永磁體磁鏈等），適合精準模擬實際電機；
- 若選預設模型，模塊會加載一套默認典型參數，可快速搭建仿真模型進行初步驗證，但可能與實際電機特性有差異。

6. Measurement output（測量輸出輔助）

Use signal names to identify bus labels：勾選后，電機測量輸出的總線信號（如轉速、轉矩、電流等復合信號）會用更清晰的信號名稱標識總線標簽，方便在模型中識別和連接信號，提升模型可讀性，尤其在復雜系統仿真中作用明顯。

二，parameters（機械參數配置）

1.?Compute from standard manufacturer specifications

含義：是否基于電機廠商的標準參數（如額定功率、額定電壓等）自動計算電機模型參數。
邏輯：
- 勾選后，需填寫電機的?額定參數（如額定功率、電壓、轉速等），模塊會自動推導?Rs、Ld、Lq、磁鏈等參數；
- 取消勾選（如你的截圖），則手動填寫所有參數（適合已知電機等效電路參數的場景）。

2.?Stator phase resistance Rs (Ohm)

含義：定子繞組每相的電阻（模擬銅損）。
取值：
- 由電機設計或實驗測得（如你的截圖中?0.575 Ohm?）；
- 對高頻電機可忽略，但低速 / 大電流場景需準確設置（影響銅損和啟動特性）。

3.?Inductances [ Ld(H) Lq(H) ]

含義：直軸電感和交軸電感，描述電機定子繞組的電感特性：
- L_d：直軸（d 軸，與永磁體磁場同向）電感；
- L_q：交軸（q 軸，與永磁體磁場垂直）電感。

4.?Machine constant

(1)?Specify

選項：Flux linkage established by magnets (V.s)?或?Torque constant (N.m/A)?。
作用：選擇電機常數的定義方式（磁鏈或轉矩常數，兩者可通過極對數換算）。

(2)?Flux linkage

含義：永磁體在定子繞組中產生的磁鏈，單位?V.s（韋伯，\(1 V.s = 1 Wb\)?）。
影響：直接決定電機的反電動勢和電磁轉矩
取值：由永磁體材料和電機設計決定（如你的截圖中?0.064 V.s?）。

5.?Inertia, viscous damping, pole pairs, static friction

格式：[ J(kg.m^2) F(N.m.s) p() Tf(N.m) ]

J (Inertia，轉動慣量)：電機轉子的轉動慣量，影響電機的動態響應（如加減速時間）。
F (Viscous damping，粘滯阻尼)：與轉速成正比的阻尼轉矩系數，模擬軸承摩擦等線性阻尼。
p (Pole pairs，極對數)：電機轉子的極對數（永磁體 N/S 極對數），決定電機同步轉速，f?為電頻率）。
Tf (Static friction，靜摩擦轉矩)：電機靜止或低速時的摩擦轉矩（超過閾值后不再作用）。

6.?Initial conditions [ wm(rad/s) thetam(deg) ia,ib(A) ]

含義：仿真初始時刻的電機狀態：
- wm：初始機械角速度（如?0?表示啟動前靜止）；
- thetam：初始轉子位置（電角度，0?表示轉子 d 軸與 A 相繞組對齊）；
- ia,ib：初始定子 A、B 相電流（0?表示啟動前無電流）。

7.?Rotor flux position when theta = 0

選項：Aligned with phase A axis (original Park)?。
含義：定義仿真初始時刻轉子永磁體磁鏈的位置：
- 選此選項時，轉子 d 軸與定子 A 相繞組軸線對齊，符合?Park 變換?的經典定義（簡化坐標變換的初始條件）。

三，Aadvanced

1.?Discrete solver model（離散求解器模型）

選項：Trapezoidal non iterative（梯形非迭代法）。
作用：
定義電機模型在離散仿真模式下的數值求解算法。
- Trapezoidal（梯形法）：基于梯形積分，精度較高，是電力電子仿真的常用方法；
- non iterative（非迭代）：簡化計算，避免迭代過程，適合對仿真速度要求高的場景。