2. 系统架构设计

任务定义

本案例目标为：针对永磁同步电机（PMSM）磁场定向控制（FOC）应用，在Simulink中搭建一个可扩展的电机控制器模型框架。该框架需包含从逆变器直流母线电压、相电流采样到PWM占空比输出的完整信号链，并预留速度环、电流环控制器的接入接口，为后续案例中的控制算法开发提供固定架构。

模型框架层级设计

采用三层结构组织模型，自上而下分别为：系统级（含电源、电机负载与控制器交互）、控制级（含坐标变换、PI控制器、SVPWM调制）、接口级（ADC采样量化、PWM输出限幅）。该分层确保后续替换或增删算法模块时不影响整体信号路由。

Simulink模型框架搭建步骤

在MATLAB命令窗口执行 sl_new 创建新模型，按以下步骤搭建框架。所有模块参数通过模型工作区（Model Workspace）中的MATLAB结构体 motorParam 统一管理。

1. 系统级模块配置

• 直流电源：使用Constant模块，值设为 motorParam.Vdc（默认300V）；
• 逆变器与电机：使用Simscape Electrical中的 PMSM 模块，参数设置为 motorParam.Rs、motorParam.Ld、motorParam.Lq、motorParam.FluxPM、motorParam.P（极对数）；
• 负载转矩：使用Step模块，初始值0，终值 motorParam.TL（默认5N·m），阶跃时间设为0.1s。

2. 控制级信号链搭建

按上图布局，依次连接以下模块（均从Simulink/Simscape库拖入）：

1. Clarke变换：使用Fcn模块或MATLAB Function模块实现 i_alpha = ia; i_beta = (ia + 2*ib)/sqrt(3)；
2. Park变换：输入 i_alpha、i_beta 和电角度 theta_e，输出 id = i_alpha*cos(theta) + i_beta*sin(theta)，iq = -i_alpha*sin(theta) + i_beta*cos(theta)；
3. 电流PI控制器：使用两个离散PI控制器（Id环和Iq环），采样时间设为 motorParam.Ts（默认1e-4s），比例增益 Kp = motorParam.Kp_i，积分增益 Ki = motorParam.Ki_i；
4. 逆Park变换：将PI输出的 Vd*、Vq* 变换回 V_alpha、V_beta；
5. SVPWM模块：使用MATLAB Function实现扇区判断与占空比计算，输入 V_alpha、V_beta、Vdc，输出三相占空比 Ta、Tb、Tc（范围0~1）。

3. 接口级与反馈回路

• ADC采样：从PMSM模块引出三相电流 ia、ib、ic，通过Gain模块乘以 motorParam.Kadc（ADC比例系数）模拟量化；
• 电角度计算：从PMSM模块引出机械角度 theta_m，通过Gain模块乘以 P/2 得到电角度 theta_e；
• PWM输出限幅：SVPWM输出的占空比经过Saturation模块限幅至 [0.05, 0.95]，防止上下桥臂直通；
• 闭环连接：将限幅后的占空比通过PWM调制模块（或直接连接）送回逆变器门极信号输入端。

4. 模型参数初始化代码

在模型回调函数 InitFcn 中添加以下参数定义：

% 电机参数
motorParam.Rs = 0.2;        % 定子电阻 (Ω)
motorParam.Ld = 0.005;      % d轴电感 (H)
motorParam.Lq = 0.005;      % q轴电感 (H)
motorParam.FluxPM = 0.1;    % 永磁体磁链 (Wb)
motorParam.P = 4;           % 极对数
motorParam.Vdc = 300;       % 直流母线电压 (V)
motorParam.TL = 5;          % 负载转矩 (N·m)

% 控制参数
motorParam.Ts = 1e-4;       % 电流环采样时间 (s)
motorParam.Kp_i = 10;       % 电流环比例增益
motorParam.Ki_i = 500;      % 电流环积分增益
motorParam.Kadc = 1/100;    % ADC比例系数 (V/A)

% 速度环预留参数（后续案例使用）
motorParam.Kp_w = 0.5;      % 速度环比例增益
motorParam.Ki_w = 20;       % 速度环积分增益

验证方法与判定标准

完成模型搭建后，按以下步骤验证框架正确性：

1. 模型编译检查：点击 Ctrl+D 更新图，确认无红色错误提示；
2. 开环测试：将电流PI控制器输出暂时置为常数（如 Vd*=0，Vq*=10），运行仿真0.1s，观察PMSM模块输出的三相电流是否为正弦波形，且频率与给定电压对应；
3. 闭环测试：恢复PI控制器连接，设置 Iq_ref = 5A，Id_ref = 0，运行仿真0.5s，通过Scope观察 iq 是否在0.1s内收敛至5A，稳态误差小于2%；
4. 判定标准：若上述测试中电流波形无畸变、闭环跟踪无稳态误差且无发散振荡，则框架搭建成功，可进入后续控制算法开发。

注意：本案例仅搭建模型框架，PI参数为初始估计值，若闭环测试出现振荡，可适当减小 Kp_i 或增大 Ki_i 重新验证。