电控算法工程师除了需要在ARM等控制器上进行算法编写、底层调试，还需要会在MATLAB平台中对电机系统建模进行仿真。本专栏将着重讲解PMSM、BLDC 以及 广义伺服系统的Simulink仿真设计。

        若不理解BLDC工作原理，请跳转嵌入式实践教程分享：

        【嵌入式电机控制#19】BLDC：六步换相-CSDN博客

 

        Simulink实际上是MATLAB中的一个工具，用于控制设计、机械设计等对可视化要求较高的环境下。MATLAB以及Simulink的安装请各位自行搜索，本文使用2020b版本的MATLAB进行演示，版本之间界面操作有区别，还请各位仔细权衡。

        此外，建议大家只保留电机相关的插件，以免拖慢MATLAB文件搜索速度，节省更多的电脑存储空间。

        一、BLDC环节创建

        BLDC作为控制系统的输出环节或近输出环节，在系统构建的过程中起到极其重要的作用。

        创建一个BLDC，我们需要打开Simulink的库浏览界面。

        

        搜索框中搜BLDC或在SimScape中选Electrical/Electromechnaical/Permannent Magnet（永磁式）

        

        将图片托甩到白板，即可添加环节，双击环节方框，打开配置界面，检查Winding Type，使用星形连接方法。

        

        右键框图，在simscape中选择三相扩展显示

        

        这样，我们BLDC的UVW（ABC）三相就显示在了框图中。

        

       我们在这个过程中使用了一个名为Simscape的软件模块，它能够以网络方式实现物理仿真，并严格遵循能量守恒等基本原则，  具体内容不做过多阐述，详见MATLAB的帮助页面。

        n，指的是电机的自然相位，英文全称Neutral Phase，可以近似为星形连接的中点

        R，指的是电机转子输出，通常通向执行器和采样机构，输出运控量

        C，指的是电机的外壳，通常可以输出一些过程量

        

        接下来我们需要严格配置电机的其他部件，以构建一个完整的电机系统。

        （1）电机外壳

        利用库浏览中的 Mechanical Rotational Reference （机械转动参考部件），将它与电机的外壳进行连接。

        

        （2）运动传感

        利用Ideal Rotational Motion Sensor（理想旋转运动传感器）

                     

        旋转传感器C端，连向模块的执行机构，一般是一个机械参考部件。

        W，测量角速度输出

        A，测量角位移（角位置）输出

        二者实际上就是我们电控中常用的光电/磁电传感器数学模型，角速度、角位移为增量式传感器的功能，角位置为绝对式传感器的功能。

        （3）电机负载

        所谓电机负载，就是我们加在电机上的螺旋桨、轮胎、机械臂等。他们通常具有一定的惯性，在控制理论中他们的机械系统被视为惯性环节，会造成控制系统输出存在延迟，但它的影响是永远存在且难以直接消除的。

        在库浏览中获取Inertia部件，并Ctrl+R进行旋转（这里跟PCB不一样，空格没用），将惯性输出端连入R输出网络。

                   

        （4）自然输出接地

       这里要注意，Simulink中模块若来自不同的电气域则无法被网络直接连接，需要用域转换模块进行转换。然而，Simulink中有来自各种域的GND，我们最好直接选择simscape中的electrical reference作为GND，而不是随便搜一个GND出来。

        

        这样，就能直接连接了

        （5）示波器的配置

        如果我们需要看到传感器的输出，则需要配置示波器

        这里进行使用两个示波器分别测量角速度和角位置

        注意，Simulink示波器和Simcape物理器件属于不同电气域，需要加入转换模块。

        最终连接效果如下：

        

        （6）求解器配置

        将求解器挂载于电机输出网络，打开配置：

        勾选使用本地求解，采样周期0.001s

        勾选线性回归，设置为时域回归、自动模式

        勾选在1D3D下应用滤波选项

        

        二、三相逆变系统搭建

        现在解决了最难理解的机械系统，那么三相驱动电路就比较容易了。

        （1）MOSFEF设置

        拖出一个Simscape域的MOSFET，设置阈值电压为0.5。

        有人就会质疑，CMOS电平不是常用3V3的容限标准吗，为什么会设置0.5V并且以一个简单的阈值来衡量高低电平，不引入噪声容限的概念。

        其实在仿真中，我们绝大部分情况下没必要完全贴近实际工程，而是以执行效率优先。

        接下来回忆三项半桥电路什么样子？

     

        是不是长这样，想不出来建议回看嵌入式电控的专栏

      （2）总线电压引入  

        因为是仿真不怕被鞭尸，这里上个强电，用100V DC去供电。

        

        （3）空间状态输入

        根据《现代控制理论》中空间状态方程的知识，我们这里有6个MOS管，用6维输入向量：

                                                  [u1(t), u2(t), u3(t), u4(t), u5(t), u6(t)]

        来分别表示AH AL......CL

        

        在浏览库中找到Constant，

        设置属性，把输入向量打进去，数字间不用带标点符号

                        

        随后，使用Demux（数据分离器）将输入向量中6个维度的信号分离，

        设置输出为6个信号

        

                                                     

        

                为了减少线路使图像更美观，我们采用了FROM和goto模块。

                FROM，线路信号的终点

                goto，线路信号的起点

                此外，用simulink转ps模块将goto信号输入MOS

                这样，我们的三相逆变系统就如下图所示。

                

                三、参数调整

                修改霍尔传感器输出单位为degree

                

                此外，修改ps-Sim模块的输出分别为deg/s和deg

                

                然后，进行电机内部参数的调整

                最大磁链1Wb，霍尔安装角度120，磁极对数为1

                

                设置dq电感，定子零序电感，相电阻如下       

                inertia惯性参数设置为0.2

             

          四、进行仿真

                仿真10s后，得到如下图像。发现角速度和位置都进行收敛震荡后回到0

                说明单相导通下，转子经历波动后又返回原来的状态，电机未成功启动。