电力电子与电机控制：Matlab/Simulink仿真助力电气工程学习与辅导

最新推荐文章于 2025-11-30 02:21:16 发布

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在电气工程领域，Matlab/Simulink 是极其强大的仿真工具，对于电力电子和电机控制相关研究与学习起着关键作用。今天就和大家聊聊这方面的内容，顺便穿插点代码示例，让大家感受下实操的乐趣。

电力电子电路仿真

开关电源相关

开关电源的类型多样，像 buck 电路、boost 电路等。以 buck 电路为例，它是一种降压型变换器。在 Simulink 里搭建模型并不复杂。我们先找到电源模块、开关管、电感、电容和负载电阻等元件。

% 简单的 buck 电路参数设置
Vin = 24; % 输入电压 24V
D = 0.5; % 占空比 0.5
fs = 100e3; % 开关频率 100kHz
Ts = 1/fs; % 开关周期
L = 100e - 6; % 电感 100uH
C = 100e - 6; % 电容 100uF
R = 10; % 负载电阻 10 欧姆

在这个代码片段里，我们设置了 buck 电路的基本参数。输入电压 Vin 是 24V，通过改变占空比 D 来调节输出电压。开关频率 fs 设为 100kHz，对应的开关周期 Ts 也就确定了。电感 L 和电容 C 的取值影响着电路的动态响应，负载电阻 R 决定了输出功率。

PWM 整流器

单相/三相 PWM 整流器在电力电子中应用广泛，它能实现功率因数校正和电能的双向流动。在 Simulink 搭建三相 PWM 整流器模型时，核心是调制算法。以空间矢量调制（SVPWM）为例，代码实现如下：

% SVPWM 算法核心代码
% 假设已经有三相电压的参考值 Vref_a, Vref_b, Vref_c
Vdc = 311; % 直流母线电压
alpha = 2 * pi / 3;
V1 = Vref_a;
V2 = Vref_b * exp(1j * alpha);
V3 = Vref_c * exp(1j * 2 * alpha);
Vref = V1 + V2 + V3;
theta = angle(Vref);
mag = abs(Vref);
% 根据 theta 和 mag 计算开关状态

这里通过三相电压参考值，结合直流母线电压 Vdc，利用复数运算得到合成矢量 Vref。再通过矢量的幅值 mag 和相位 theta 来确定逆变器的开关状态，进而实现对整流器的控制。

逆变器相关

单相七电平级联逆变器、单向逆变器等，都是将直流电转换为交流电的重要装置。以单相七电平级联逆变器为例，它由多个 H 桥级联组成。在 Simulink 搭建模型时，每个 H 桥的控制信号生成是关键。

% 七电平级联逆变器 H 桥控制信号生成示例
% 假设共有 3 个 H 桥
num_bridges = 3;
for i = 1:num_bridges
    % 根据调制算法生成每个 H 桥的 PWM 信号
    % 简单示例，这里可以替换为实际的调制算法
    duty_cycle = (i / num_bridges);
    pwm_signal(i) = generate_PWM(duty_cycle, fs);
end

在这个代码里，我们假设有 3 个 H 桥级联组成七电平逆变器。通过循环，根据不同的占空比（这里简单以桥的序号与总数的比例为例）来生成每个 H 桥的 PWM 控制信号，实际应用中会采用更复杂的调制算法。

电机控制仿真

直流电机双闭环控制

直流电机双闭环控制一般指电流环和速度环。电流环保证电机电流稳定，速度环则控制电机转速。在 Simulink 搭建模型时，PI 调节器是关键部分。

% 速度环 PI 调节器参数设置
Kp_speed = 10; % 速度环比例系数
Ki_speed = 0.1; % 速度环积分系数
% 电流环 PI 调节器参数设置
Kp_current = 1; % 电流环比例系数
Ki_current = 0.01; % 电流环积分系数

这里设置了速度环和电流环 PI 调节器的参数。比例系数 Kp 和积分系数 Ki 的取值对系统性能影响很大。Kp 决定了调节器的响应速度，Ki 则用于消除稳态误差。

无刷直流电机、永磁同步电机、异步电机控制

这些电机控制相对复杂，涉及到坐标变换、矢量控制等技术。以永磁同步电机矢量控制为例，需要将三相静止坐标系下的量转换到两相旋转坐标系（dq 坐标系）。

% 永磁同步电机坐标变换代码
% 假设已经有三相电流 ia, ib, ic
theta = 0; % 转子位置角，实际应用中需要通过传感器获取
alpha = 2 * pi / 3;
i_alpha = ia;
i_beta = -0.5 * ia + sqrt(3) / 2 * ib;
i_d = i_alpha * cos(theta) + i_beta * sin(theta);
i_q = -i_alpha * sin(theta) + i_beta * cos(theta);

这段代码实现了从三相静止坐标系到两相旋转坐标系的变换。通过转子位置角 theta，将三相电流转换为 dq 轴电流，方便后续进行转矩和磁通的独立控制，从而实现永磁同步电机的高性能控制。

总之，Matlab/Simulink 在电力电子和电机控制领域为我们提供了强大的仿真与分析平台，无论是学习理论知识还是进行实际项目开发，都能从中获得很多帮助。希望大家通过不断实践，在这个领域取得更多成果。

以上就是今天关于 Matlab/Simulink 仿真在电力电子和电气工程辅导方面的分享，欢迎大家一起交流探讨。