三闭环直流电机控制系统仿真

Matlab Simulink 中三闭环直流电机控制系统的仿真方法
在 Matlab Simulink 平台下，可以通过构建 PI 控制器来实现对三闭环直流电机的速度、位置和电流的精确控制。具体而言，该系统由三个独立的反馈回路组成：外层的位置环、中间的速度环以及最内侧的电流环[^1]。
1. 系统结构设计
整个三闭环控制系统的核心在于分层次的设计思路。

位置环：作为外部控制器，接收目标位置信号并计算期望速度值。通常使用比例积分 (PI) 调节器完成误差补偿。
速度环：位于位置环内部，负责调节实际转速接近设定值。同样采用 PI 控制策略以减少稳态误差。
电流环：处于最底层，用于调整电枢绕组中的电流大小，从而间接影响电机扭矩输出。此环节也依赖于 PI 参数整定。

这些子模块之间相互作用形成完整的多变量控制系统架构[^2]。
2. PWM 和 H 桥驱动电路建模
为了模拟真实硬件环境下的运行状况，在 Simulink 中还需要加入脉宽调制(PWM)发生单元与功率放大级——即全桥逆变拓扑(H-Bridge)。PWM 波形决定了施加给电动机两端电压的有效值；而通过改变占空比即可灵活调控平均输出水平。H 桥则提供了双向导通路径支持正反向旋转操作模式切换功能。
以下是简单的 PWM 实现代码片段：
% 定义载波频率 fc 和比较信号 Vref
fc = 50e3; % Hz
Vref = sin(2*pi*fc*t);

% 创建三角载波 vc
vc = sawtooth(2*pi*fc*t, 0.5);

% 计算 PWM 输出
pwm_output = double(abs(Vref) >= abs(vc));
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3. 参数调试与优化
利用 Matlab 提供的强大数值分析能力，可方便快捷地探索不同工况条件下最佳工作点附近各关键参量间的关系曲线图谱。例如借助根轨迹法或者频域响应特性评估开环传递函数零极点分布情况进而指导闭环增益选取过程等等。
最终经过充分试验验证后的设计方案不仅具备良好的静态精度指标而且拥有较快动态响应速度同时兼顾抗干扰能力强等特点满足工业现场应用需求标准。