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

news 2025/7/18 12:59:02

一，介绍

这三个模块一起介绍了，由左到右，分别是电源模块，驱动模块和电机模块。主要介绍一下电机模块

二，DC Voltage Source

DC Voltage Source 模块是用于表示直流电压源的基本组件，可以提供恒流直压，这个没什么好说的，就是一个直流电源，其中参数如下：

Amplitude (V)：幅值，用于设置直流电压源输出的电压大小，单位是伏特（V）。你截图中设置为 24，表示该直流电压源输出的直流电压幅值为 24V。通过修改这个参数，可以调整输出电压，满足不同的电路仿真需求，比如模拟不同电压等级的电池或电源设备。
Measurements：测量选项，用于选择是否对直流电压源的某些电气量进行测量并输出测量信号。它有以下两个选项：
- None：不进行任何测量，不输出测量信号。当你只是需要该电压源为电路供电，不需要获取其相关电气量的测量值时，可以选择此选项。
- Voltage：测量直流电压源输出的电压，并输出测量信号。这个测量信号可以连接到示波器（Scope）等显示模块，方便在仿真过程中实时观察直流电压源输出电压的波形和数值，也可以连接到其他需要电压信号作为输入的模块，用于进一步的信号处理或控制算法的实现。

三，Universal Bridge

Universal Bridge（通用桥）模块用于实现电力电子变流桥（如整流桥、逆变桥等，这个稍做一下介绍：

一. Number of bridge arms（桥臂数量）

含义：设置变流桥的桥臂数目，决定拓扑结构（如 3 表示三相桥，2 表示单相桥）。
典型场景：
- 三相逆变 / 整流 → 选 3（如三相全桥电路）；
- 单相整流 / 逆变 → 选 2（如单相全桥、半桥）。

二. Snubber resistance Rs（缓冲电阻）

含义：为每个功率器件并联的 RC 缓冲电路中的电阻值，用于抑制开关过程中的电压尖峰（吸收浪涌能量）。
取值逻辑：
- 若无需缓冲电路 → 设为 inf（或极大值，等效断开电阻）；
- 需抑制尖峰时 → 按实际缓冲电路设计取值（如 1e5 欧姆，需配合电容 Cs 共同作用）。

三. Snubber capacitance Cs（缓冲电容）

含义：RC 缓冲电路中的电容值，与 Rs 配合抑制电压尖峰，减少器件开关损耗。
取值逻辑：
- 无需缓冲 → 设为 inf（等效断开电容）；
- 需抑制尖峰时 → 按设计取值（如几 nF~μF，需与 Rs 匹配）。

四. Power Electronic device（功率器件类型）

1. Diodes（二极管）

特性：不可控器件，仅单向导通，无主动开关能力。
应用：
- 纯整流场景（如不可控整流桥），无需触发信号；
- 作为续流二极管（但此选项下整个桥臂都是二极管，一般用于简单整流）。

2. Thyristors（晶闸管 / 可控硅）

特性：半控型器件，需触发脉冲（门极信号）才能导通，且导通后需电流过零才能关断。
应用：
- 相控整流 / 逆变（如三相可控整流桥），通过调整触发角（α）控制输出；
- 高压大功率场景（如高压直流输电、电机软启动）。

3. GTO / Diodes（门极关断晶闸管）

特性：全控型器件，通过门极信号主动关断（无需等待电流过零），但开关速度较慢、损耗较高。
应用：
- 中大功率变流（如传统 SVG、电机驱动）；
- 需主动关断但对开关频率要求不高的场景。

4. MOSFET / Diodes（MOSFET）

特性：全控型器件，开关速度极快（适合高频），但耐压 / 电流能力较低。
应用：
- 高频小功率场景（如 DC-DC 变换器、小功率逆变器）；
- 需高频开关的电力电子电路（如谐振变换、开关电源）。

5. IGBT / Diodes（IGBT）

特性：全控型器件，兼具 MOSFET 的高频特性和 GTO 的高耐压 / 电流能力，是最常用的电力电子开关。
应用：
- 三相逆变（如电机驱动、光伏逆变器）；
- 中大功率变流（如风电变流器、工业电源）；
- 绝大多数电力电子仿真的 “默认选择”（平衡了性能与实用性）。

6. Ideal Switches（理想开关）

特性：无损耗、无延迟的理想器件，导通电阻为 0，开关瞬间完成。
应用：
- 理论验证、快速原型设计（忽略器件损耗和开关延迟，简化仿真）；
- 需 “纯理想” 拓扑验证的场景（如教学演示、算法快速验证）。

7. Switching-function based VSC（基于开关函数的电压源换流器）

特性：通过开关函数抽象化变流桥行为，不关注单个器件细节，直接输出变流桥的电压 / 电流特性。
应用：
- 大规模电力系统仿真（如电网级换流站，无需器件级细节）；
- 快速计算变流桥的宏观特性（忽略器件损耗和开关过程）。

8. Average-model based VSC（平均模型换流器）

特性：基于平均模型简化变流桥，用连续方程描述开关周期内的平均行为，兼顾精度与仿真速度。
应用：
- 电力电子系统级仿真（如含变流器的电网、电机驱动系统）；
- 需平衡仿真精度和速度的场景（比器件级快，比理想模型准）。

五. Ron（器件导通电阻）

含义：功率器件导通时的等效电阻（模拟实际器件的导通损耗）。
取值逻辑：
- 理想器件 → 设为 0；
- 实际仿真 → 按器件手册取值（如 IGBT 导通电阻可能为 1e-3 ~ 1e-2 欧姆）。

六. Forward voltages（正向压降）

格式：[Device Vf, Diode Vfd]，分别设置主动器件和续流二极管的正向导通压降。
含义：模拟实际器件导通时的电压损耗（如 IGBT、二极管的正向压降）。
取值逻辑：
- 理想器件 → 设为 [0 0]；
- 实际仿真 → 按器件手册取值（如二极管正向压降约 0.7V，可设 [0.7 0.7] ，具体看器件类型）。

七. Measurements（测量输出）

含义：选择是否输出桥模块的电气量测量信号（如电压、电流），方便连接示波器或其他分析模块。
常见选项：
- None：不输出测量信号；
- Voltages：输出桥臂电压、器件电压等；
- Currents：输出桥臂电流、器件电流等；
- All：输出全部电压、电流测量信号。

四，Permanent Magnet Synchronous Machine

Permanent Magnet Synchronous Machine（永磁同步电机，简称 PMSM ）模块用于模拟三相或五相永磁同步电机的电气、机械特性，可在电机控制系统仿真（如电动汽车驱动、工业伺服系统等场景）中，与逆变器、控制器等模块配合，搭建完整的电机驱动系统模型，分析电机的运行状态（转速、转矩、电流、电压等）。

一，configruation（配置）

1. Number of phases（相数）

含义：设置永磁同步电机的定子绕组相数，可选 3（三相）或 5（五相）。
应用场景：
- 三相是工业和电动汽车等领域最常用的电机形式，选 3 可模拟常规三相永磁同步电机；
- 若研究五相电机的特殊性能（如容错性、谐波特性等），可选择 5 。

2. Back EMF waveform（反电动势波形）

含义：定义电机转子永磁体产生的反电动势（Back Electromotive Force，反电动势）的波形类型，可选 Sinusoidal（正弦波）或 Trapezoidal（梯形波）。
区别与应用：
- Sinusoidal（正弦波）：三相永磁同步电机主流类型，反电动势接近正弦曲线，电机运行平稳、谐波少，常用于高精度控制场景（如工业伺服、电动汽车驱动）；
- Trapezoidal（梯形波）：类似无刷直流电机（BLDC）的反电动势特性，转矩输出有一定脉动，适用于对控制复杂度要求稍低、成本敏感的简单调速场景。

3. Rotor type（转子类型）

含义：设置永磁同步电机转子的结构类型，与 Back EMF waveform 关联，当反电动势为 Sinusoidal 时，可选 Salient - pole（凸极）或 Round（隐极，也叫圆桶形）；若反电动势为 Trapezoidal，转子固定为 Round 类型。
区别：
- Salient - pole（凸极）：转子磁极突出，直轴（d 轴）和交轴（q 轴）磁路磁阻不同，存在凸极效应，可利用磁阻转矩辅助输出，在一些需要高转矩密度设计中应用；
- Round（隐极）：转子结构相对均匀，直轴和交轴电感近似相等，电机数学模型更简单，控制相对容易，广泛用于各类正弦波永磁同步电机场景。

4. Mechanical input（机械输入）

含义：指定电机机械端口的输入物理量类型，常见选项有 Torque Tm（转矩输入）和 Speed omega（转速输入）等（不同版本界面可能略有差异，但核心逻辑一致）。
应用：
- 选 Torque Tm：电机机械端口输入转矩信号，可模拟负载对电机的作用（如电动汽车行驶时路面阻力转化的负载转矩输入），电机输出转速等状态；
- 选 Speed omega：电机机械端口输入转速信号，可用于模拟电机被拖动的工况（如启动过程中变频器逐步给定转速，或电机作为发电机被原动机拖动）。

5. Preset model（预设模型）

含义：是否使用 Simulink 提供的预设电机参数模型，可选 No（自定义参数）或对应预设（如一些典型电机参数模板）。
应用：
- 选 No：需手动在后续 Parameters 标签页填写电机具体参数（如定子电阻、电感、永磁体磁链等），适合精准模拟实际电机；
- 若选预设模型，模块会加载一套默认典型参数，可快速搭建仿真模型进行初步验证，但可能与实际电机特性有差异。

6. Measurement output（测量输出辅助）

Use signal names to identify bus labels：勾选后，电机测量输出的总线信号（如转速、转矩、电流等复合信号）会用更清晰的信号名称标识总线标签，方便在模型中识别和连接信号，提升模型可读性，尤其在复杂系统仿真中作用明显。

二，parameters（机械参数配置）

1. Compute from standard manufacturer specifications

含义：是否基于电机厂商的标准参数（如额定功率、额定电压等）自动计算电机模型参数。
逻辑：
- 勾选后，需填写电机的额定参数（如额定功率、电压、转速等），模块会自动推导 Rs、Ld、Lq、磁链等参数；
- 取消勾选（如你的截图），则手动填写所有参数（适合已知电机等效电路参数的场景）。

2. Stator phase resistance Rs (Ohm)

含义：定子绕组每相的电阻（模拟铜损）。
取值：
- 由电机设计或实验测得（如你的截图中 0.575 Ohm ）；
- 对高频电机可忽略，但低速 / 大电流场景需准确设置（影响铜损和启动特性）。

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

含义：直轴电感和交轴电感，描述电机定子绕组的电感特性：
- L_d：直轴（d 轴，与永磁体磁场同向）电感；
- L_q：交轴（q 轴，与永磁体磁场垂直）电感。

4. Machine constant

(1) Specify

选项：Flux linkage established by magnets (V.s) 或 Torque constant (N.m/A) 。
作用：选择电机常数的定义方式（磁链或转矩常数，两者可通过极对数换算）。

(2) Flux linkage

含义：永磁体在定子绕组中产生的磁链，单位 V.s（韦伯，\(1 V.s = 1 Wb\) ）。
影响：直接决定电机的反电动势和电磁转矩
取值：由永磁体材料和电机设计决定（如你的截图中 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，转动惯量)：电机转子的转动惯量，影响电机的动态响应（如加减速时间）。
F (Viscous damping，粘滞阻尼)：与转速成正比的阻尼转矩系数，模拟轴承摩擦等线性阻尼。
p (Pole pairs，极对数)：电机转子的极对数（永磁体 N/S 极对数），决定电机同步转速，f 为电频率）。
Tf (Static friction，静摩擦转矩)：电机静止或低速时的摩擦转矩（超过阈值后不再作用）。

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

含义：仿真初始时刻的电机状态：
- wm：初始机械角速度（如 0 表示启动前静止）；
- thetam：初始转子位置（电角度，0 表示转子 d 轴与 A 相绕组对齐）；
- ia,ib：初始定子 A、B 相电流（0 表示启动前无电流）。

7. Rotor flux position when theta = 0

选项：Aligned with phase A axis (original Park) 。
含义：定义仿真初始时刻转子永磁体磁链的位置：
- 选此选项时，转子 d 轴与定子 A 相绕组轴线对齐，符合 Park 变换的经典定义（简化坐标变换的初始条件）。

三，Aadvanced

1. Discrete solver model（离散求解器模型）

选项：Trapezoidal non iterative（梯形非迭代法）。
作用：
定义电机模型在离散仿真模式下的数值求解算法。
- Trapezoidal（梯形法）：基于梯形积分，精度较高，是电力电子仿真的常用方法；
- non iterative（非迭代）：简化计算，避免迭代过程，适合对仿真速度要求高的场景。