matlab_simulink仿真BLDC无刷直流电机 转速电流双闭环 调速系统

matlab/simulink仿真BLDC无刷直流电机 转速电流双闭环 调速系统

以下文字及示例代码仅供参考

【标题】
Matlab/Simulink 无刷直流电机（BLDC）转速-电流双闭环调速系统建模与仿真

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一、为什么需要“转速-电流”双闭环？

BLDC 电机本身是“多变量、强耦合”系统，单纯的速度环在大惯量或快速加减速工况下极易出现电流冲击、转速超调甚至失步。
采用“转速环（外环）+ 电流环（内环）”的经典串级结构，可获得：

• 更快的动态响应
• 更低的电流谐波与转矩脉动
• 对负载扰动与参数漂移的强鲁棒性

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二、系统整体架构

环 路	任务	控制器	采样/执行频率
转速环（外）	产生电流参考 iq*	PI	1 kHz
电流环（内）	令相电流跟踪 iq*	PI + 抗饱和	10 kHz
功率级	三相全桥 MOSFET	SVPWM	10 kHz

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三、在 Simulink 中搭建步骤

3.1 新建模型与库引用

new_system('BLDC_DualLoop');
open_system('BLDC_DualLoop');

3.2 电机本体

采用 Simscape Electrical 提供的 BLDC 模块，双击设置：

Number of pole pairs        = 4
Stator phase resistance Rs  = 0.6 Ω
Stator phase inductance Ls  = 1.4 mH
Back-EMF constant Ke        = 0.065 V/(rad/s)
Inertia J                   = 1e-4 kg·m²
Friction Bm                 = 1e-5 N·m·s/rad

3.3 电流采样与 Clarke/Park

• 用 Current Sensor 测得三相电流 ia, ib, ic
• Clarke 得到 iα, iβ → Park 得到 id, iq

3.4 电流环 PI 设计

% 电流环带宽取开关频率的1/10 即1 kHz
wc_i = 2*pi*1000;
Kp_i = wc_i * Ls     % 1.4e-3 * 2*pi*1000 ≈ 8.8
Ki_i = wc_i * Rs     % 0.6 * 2*pi*1000 ≈ 3.8e3

在 Simulink 中拖入 Discrete PI Controller，设置 Kp = 8.8，Ki = 3800，输出上下限 ±12 A（抗饱和）。

3.5 转速环 PI 设计

% 目标带宽 50 Hz
wc_n = 2*pi*50;
Kp_n = 0.9 * J * wc_n / Ke   % ≈ 0.9*1e-4*314/0.065 ≈ 0.43
Ki_n = 0.9 * Bm * wc_n / Ke  % ≈ 0.9*1e-5*314/0.065 ≈ 0.043

同样使用 Discrete PI Controller，采样时间 1 ms，输出上下限 ±10 A（即 iq* 限幅）。

3.6 SVPWM 与逆变器

• SVPWM Generator 输入 Vd*, Vq*（这里令 Vd* = 0，FOC 简化实现）
• 三相逆变器选用 Universal Bridge，器件选 MOSFET，直流母线 48 V。

3.7 速度给定与负载

• 给定 n* = 1500 rpm（≈ 157 rad/s），通过 Step 模块在 0.2 s 从 0 → 1500 rpm。
• 负载转矩 TL 用 Step，0.4 s 时从 0 → 0.3 N·m。

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四、一键运行脚本

把下面脚本保存为 run_BLDC.m，放在模型同目录：

%% 参数一次性写入模型
model = 'BLDC_DualLoop';
load_system(model);

% 电机
set_param([model '/BLDC'], 'Rs',  '0.6');
set_param([model '/BLDC'], 'Ls',  '1.4e-3');
set_param([model '/BLDC'], 'Ke',  '0.065');
set_param([model '/BLDC'], 'J',   '1e-4');
set_param([model '/BLDC'], 'Bm',  '1e-5');

% 电流 PI
set_param([model '/Current PI/Kp'], 'Gain', '8.8');
set_param([model '/Current PI/Ki'], 'Gain', '3800');

% 转速 PI
set_param([model '/Speed PI/Kp'], 'Gain', '0.43');
set_param([model '/Speed PI/Ki'], 'Gain', '0.043');

% 仿真步长
set_param(model, 'FixedStep', '1e-4');
set_param(model, 'StopTime', '0.6');

sim(model);

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五、结果解读

1. 启动阶段（0–0.2 s）
   电流环以 10 A 限幅给电机加速，转速平滑爬升，基本无超调。

2. 稳态阶段（0.2–0.4 s）
   转速稳在 1500 rpm，iq 电流 ≈ 0.15 A（空载补偿摩擦）。

3. 负载阶跃（0.4 s）
   负载 0.3 N·m 突加，转速跌落 < 30 rpm，恢复时间 ≈ 60 ms，iq 电流阶跃至 4.6 A，与理论 TL/Ke 吻合。

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