2024年4月20日发(作者：欧阳孤晴)
浅谈MATLAB/SIMULINK软件在电机控制系统中的应用
【摘要】随着计算机技术的发展，计算机仿真辅助教学受到了各高校的广泛
关注。本文介绍了MATLAB/SIMULINK仿真软件在电机控制教学环节中的运用，
以直流调速系统和永磁同步电机系统为例，进行了仿真实验及结果的分析，结果
表明，MATLAB/SIMULINK能够真实有效的进行动态系统建模、仿真和综合分
析，辅助学生深入理解课程知识，培养学生分析问题和解决问题的能力。
【关键词】电机控制；MATLAB/SIMULINK；仿真；变频调速
随着社会需求的不断提高，在工科各类专业学生的培养过程中，不仅要求学
生扎实掌握课程的理论基础知识，而且要增强学生的计算机应用能力和提高学生
分析问题和解决实际问题的能力[1]。对于电气工程专业学生来说，电机控制系
统课程复杂难懂，且不断有新的控制算推出，仿真是对其进行研究的一个重要手
段[2]。Matlab语言是一种面向科学工程计算的高级语言，它集科学计算、自动
控制、信号处理、神经网络、图像处理等功能于一体，是一种高级的数学分析与
运算软件，可用于电机控制系统的建模和仿真[3-4]。
本文介绍了直流电动机的双闭环控制和永磁同步电动机变频调速控制的
Matlab/Simulink仿真方法，使学生更系统地掌握专业课程的基本理论和控制系统
的设计方法，培养了学生分析问题的能力和创新意识。
1 MATLAB/SIMULINK软件介绍
MATLAB是由美国MathWorks公司开发的计算机仿真软件，使用方便、输
入便捷、运算高效、适应科技人员的思维方式，特别受到用户欢迎，是国内外高
校教学和科研的常用软件，涵盖通信、航天、力学、电力、自动控制、神经网络
等领域[5]。
Simulink系统仿真环境也称工具箱，是MATLAB最早开发的，它包括
SIMULINK 仿真平台和系统仿真模型库两部分。SIMULINK是simulation和link
两个英文单词的缩写，意思是仿真链接，MATLAB模型都在这个环境使用，从
模型库中提取模型放到SIMULINK的仿真平台上进行仿真，所以，有关
SIMULINK的操作是仿真应用的基础[6]。SIMULINK包括非常全面的模块库和
工具箱，其中模块库主要有Sources、Sinks、Discretes、Continuous、Math Operations、
Signal Attributes、Discontinuous等，工具箱主要包括Communication Blockset、
DSP Blockset、Motorla DSP Developer’s Kit、Nonlinear Control Design Blockset、
SimPower Systems、SimMechanics、Real Time Workshop等。其中SimPower
Systems是电气工程类专业仿真中应用最多的工具箱[7-8]。
利用SIMULINK环境仿真一个系统的基本操作步骤为：
（1）建立系统的等效电路模型；
（2）根据要仿真的系统框图，在SIMULINK窗口的仿真平台上构建仿真模
型；
（3）设置模块参数和仿真模型的系统参数；
（4）启动仿真，观测仿真结果；
（5）提取仿真数据并做进一步处理和分析。
2 MATLAB/SIMULINK软件在电机控制中的应用实例
2.1 直流调速系统的仿真
转速电流双闭环控制的直流调速系统是最典型的直流调速系统，其原理图如
图1所示，其中ASR是转速调节器，TG是测速发电机，ACR是电流调节器。
采用power system模块组成的转速电流双闭环控制直流调速系统仿真模型如图2
所示。模型由晶闸管-直流电机组成的主电路和转速电流调节器组成的控制电路
两部分组成，其中的主电路部分，交流电源、晶闸管整流器、触发器、移相控制
环节和电动机等环节使用power system模型库的模块。控制电路的主体是转速和
电流两个调节器，以及反馈滤波环节。仿真算法采用ode15，仿真时间为1.5s[9]。
转速电流双闭环控制直流调速系统的仿真结果如图3-图6所示，其中图3
为电动机电枢两端电压，图4为电动机转速变化曲线，图5为电流响应曲线。从
转速和电流波形可以看到，在启动阶段，电动机以恒线流启动，在0.4s时启动
过程结束，电枢电流下降到零，转速上升到最高且大于1450r/m，尽管转速已经
超调，电流给定变负，但本系统为不可逆调速系统，电动机保持在最高转速状态。
0.5s后加上负载，电动机转速下降，ASR开始退饱和，电流环开始发挥调节作用，
使电动机稳定在给定转速上。
2.2 永磁同步电机变频调速系统的仿真
永磁同步电机由于体积小、重量轻、转矩精度高，常用于伺服系统和高性能
的调速系统。由于转子采用永磁体，转子磁链是恒定的，故而其电压磁链转矩方
程都较异步电机简单。永磁同步电机变频调速在基频以下工作在恒转矩工作区，
最简单的控制方案是使定子电流的励磁分量id=0。
同步旋转坐标系下永磁同步电机的d-q轴电压方程为：
永磁同步电机的电磁转矩方程为：
其中np为极对数。
系统的仿真模型如图6所示，系统主电路由直流电源DC，逆变器和永磁同
步电机组成，极对数p=1。模型仿真结果如图7-图9所示，其中图7为转速响应，
电动机以空载启动，0.1s时加载4N.m，转速略有波动。图9为定子电流的转矩
分量和励磁分量，图8为电动机转矩响应，其中TL为给定的负载转矩，Te为电
磁转矩响应。
3 结语
MATLAB应用于电机控制的教学实践表明：
3.1 从面对MATLAB无从下手到可初步掌握其在电机控制系统中的应用，
达到了培养学生独立获取知识的能力，同时也提高了其借助于计算机解决工程实
际问题的能力。3.2 学生在建立一个完整的电机控制系统仿真模型的过程中，将
所学知识梳理一遍，并使之系统综合化，达到了课程实验的目的之一。
3.3 MATLAB能够方便的建立起系统仿真模型，进行仿真实验，直观得到各
种要求的测量值和波形图，反映各量的动态过程。同时学生在图形化界面建模过
程中，可以根据需要，利用MATLAB/SIMULINK工具箱中地显示模块方便地得
到模型中各点的波形，从而能够及时地发现问题和解决问题。
3.4 利用MATLAB能构建所需系统仿真模型和开发各种控制界面，激发学
生对课程学习的兴趣，有利学生创新思维的培养，提高学生分析和解决实际问题
以及理论联系实际的能力。
3.5 采用MATLAB/SIMULINK软件可以帮助学生熟练掌握专业知识，培养
学生研究兴趣，提高学生分析问题和解决问题的能力；另一方面，教师也可以通
过学生的仿真了解学生掌握课程知识的情况，及时改进教学方法，使教学相长，
形成良性循环。
【参考文献】
[1]方志，郝丽丽.MATLAB/SIMULINK在电气工程类专业毕业设计中的应用
[J]. 中国电力教育， 2007，453-455.
[2]李广凯，李赓银，赵成勇.电气工程及其自动化专业毕业设计研究[J].电气
电子教学学报，2003，25（3）：101-103.
[3]罗志强.MATLAB在电机仿真中的应用[J].电气传动自动化，2009，31（4）：
56-59.
[4]童佳，丁立军.基于MATLAB中GUI功能设计电机仿真实验系统[J].中国
电力教育，2010（34）：160-162.
[5]薛定宇， 陈阳泉.基于MATLAB/Simulink的系统仿真技术与应用[M].北
京：清华大学出版社，2011.
[6]吴怀宇， 郑高峰，吕建林，等.SIMULINK数值仿真在非线性系统教学中
的应用[J].电气电子教学学报，2005，27（5）：92-95.
[7]李颖，朱伯立，张威.SIMULINK动态系统建模与仿真基础[M].西安：西
安电子科技大学出版社，2004.
[8]刘海昌，张晓杰.MATLAB在电力电子教学中的应用[J].华北科技学院学
报，2007，4（2）：119-121.
[9]洪乃刚.电力电子、电机控制系统的建模和仿真[M].北京：机械工业出版
社，2010.
2024年4月20日发(作者：欧阳孤晴)
浅谈MATLAB/SIMULINK软件在电机控制系统中的应用
【摘要】随着计算机技术的发展，计算机仿真辅助教学受到了各高校的广泛
关注。本文介绍了MATLAB/SIMULINK仿真软件在电机控制教学环节中的运用，
以直流调速系统和永磁同步电机系统为例，进行了仿真实验及结果的分析，结果
表明，MATLAB/SIMULINK能够真实有效的进行动态系统建模、仿真和综合分
析，辅助学生深入理解课程知识，培养学生分析问题和解决问题的能力。
【关键词】电机控制；MATLAB/SIMULINK；仿真；变频调速
随着社会需求的不断提高，在工科各类专业学生的培养过程中，不仅要求学
生扎实掌握课程的理论基础知识，而且要增强学生的计算机应用能力和提高学生
分析问题和解决实际问题的能力[1]。对于电气工程专业学生来说，电机控制系
统课程复杂难懂，且不断有新的控制算推出，仿真是对其进行研究的一个重要手
段[2]。Matlab语言是一种面向科学工程计算的高级语言，它集科学计算、自动
控制、信号处理、神经网络、图像处理等功能于一体，是一种高级的数学分析与
运算软件，可用于电机控制系统的建模和仿真[3-4]。
本文介绍了直流电动机的双闭环控制和永磁同步电动机变频调速控制的
Matlab/Simulink仿真方法，使学生更系统地掌握专业课程的基本理论和控制系统
的设计方法，培养了学生分析问题的能力和创新意识。
1 MATLAB/SIMULINK软件介绍
MATLAB是由美国MathWorks公司开发的计算机仿真软件，使用方便、输
入便捷、运算高效、适应科技人员的思维方式，特别受到用户欢迎，是国内外高
校教学和科研的常用软件，涵盖通信、航天、力学、电力、自动控制、神经网络
等领域[5]。
Simulink系统仿真环境也称工具箱，是MATLAB最早开发的，它包括
SIMULINK 仿真平台和系统仿真模型库两部分。SIMULINK是simulation和link
两个英文单词的缩写，意思是仿真链接，MATLAB模型都在这个环境使用，从
模型库中提取模型放到SIMULINK的仿真平台上进行仿真，所以，有关
SIMULINK的操作是仿真应用的基础[6]。SIMULINK包括非常全面的模块库和
工具箱，其中模块库主要有Sources、Sinks、Discretes、Continuous、Math Operations、
Signal Attributes、Discontinuous等，工具箱主要包括Communication Blockset、
DSP Blockset、Motorla DSP Developer’s Kit、Nonlinear Control Design Blockset、
SimPower Systems、SimMechanics、Real Time Workshop等。其中SimPower
Systems是电气工程类专业仿真中应用最多的工具箱[7-8]。
利用SIMULINK环境仿真一个系统的基本操作步骤为：
（1）建立系统的等效电路模型；
（2）根据要仿真的系统框图，在SIMULINK窗口的仿真平台上构建仿真模
型；
（3）设置模块参数和仿真模型的系统参数；
（4）启动仿真，观测仿真结果；
（5）提取仿真数据并做进一步处理和分析。
2 MATLAB/SIMULINK软件在电机控制中的应用实例
2.1 直流调速系统的仿真
转速电流双闭环控制的直流调速系统是最典型的直流调速系统，其原理图如
图1所示，其中ASR是转速调节器，TG是测速发电机，ACR是电流调节器。
采用power system模块组成的转速电流双闭环控制直流调速系统仿真模型如图2
所示。模型由晶闸管-直流电机组成的主电路和转速电流调节器组成的控制电路
两部分组成，其中的主电路部分，交流电源、晶闸管整流器、触发器、移相控制
环节和电动机等环节使用power system模型库的模块。控制电路的主体是转速和
电流两个调节器，以及反馈滤波环节。仿真算法采用ode15，仿真时间为1.5s[9]。
转速电流双闭环控制直流调速系统的仿真结果如图3-图6所示，其中图3
为电动机电枢两端电压，图4为电动机转速变化曲线，图5为电流响应曲线。从
转速和电流波形可以看到，在启动阶段，电动机以恒线流启动，在0.4s时启动
过程结束，电枢电流下降到零，转速上升到最高且大于1450r/m，尽管转速已经
超调，电流给定变负，但本系统为不可逆调速系统，电动机保持在最高转速状态。
0.5s后加上负载，电动机转速下降，ASR开始退饱和，电流环开始发挥调节作用，
使电动机稳定在给定转速上。
2.2 永磁同步电机变频调速系统的仿真
永磁同步电机由于体积小、重量轻、转矩精度高，常用于伺服系统和高性能
的调速系统。由于转子采用永磁体，转子磁链是恒定的，故而其电压磁链转矩方
程都较异步电机简单。永磁同步电机变频调速在基频以下工作在恒转矩工作区，
最简单的控制方案是使定子电流的励磁分量id=0。
同步旋转坐标系下永磁同步电机的d-q轴电压方程为：
永磁同步电机的电磁转矩方程为：
其中np为极对数。
系统的仿真模型如图6所示，系统主电路由直流电源DC，逆变器和永磁同
步电机组成，极对数p=1。模型仿真结果如图7-图9所示，其中图7为转速响应，
电动机以空载启动，0.1s时加载4N.m，转速略有波动。图9为定子电流的转矩
分量和励磁分量，图8为电动机转矩响应，其中TL为给定的负载转矩，Te为电
磁转矩响应。
3 结语
MATLAB应用于电机控制的教学实践表明：
3.1 从面对MATLAB无从下手到可初步掌握其在电机控制系统中的应用，
达到了培养学生独立获取知识的能力，同时也提高了其借助于计算机解决工程实
际问题的能力。3.2 学生在建立一个完整的电机控制系统仿真模型的过程中，将
所学知识梳理一遍，并使之系统综合化，达到了课程实验的目的之一。
3.3 MATLAB能够方便的建立起系统仿真模型，进行仿真实验，直观得到各
种要求的测量值和波形图，反映各量的动态过程。同时学生在图形化界面建模过
程中，可以根据需要，利用MATLAB/SIMULINK工具箱中地显示模块方便地得
到模型中各点的波形，从而能够及时地发现问题和解决问题。
3.4 利用MATLAB能构建所需系统仿真模型和开发各种控制界面，激发学
生对课程学习的兴趣，有利学生创新思维的培养，提高学生分析和解决实际问题
以及理论联系实际的能力。
3.5 采用MATLAB/SIMULINK软件可以帮助学生熟练掌握专业知识，培养
学生研究兴趣，提高学生分析问题和解决问题的能力；另一方面，教师也可以通
过学生的仿真了解学生掌握课程知识的情况，及时改进教学方法，使教学相长，
形成良性循环。
【参考文献】
[1]方志，郝丽丽.MATLAB/SIMULINK在电气工程类专业毕业设计中的应用
[J]. 中国电力教育， 2007，453-455.
[2]李广凯，李赓银，赵成勇.电气工程及其自动化专业毕业设计研究[J].电气
电子教学学报，2003，25（3）：101-103.
[3]罗志强.MATLAB在电机仿真中的应用[J].电气传动自动化，2009，31（4）：
56-59.
[4]童佳，丁立军.基于MATLAB中GUI功能设计电机仿真实验系统[J].中国
电力教育，2010（34）：160-162.
[5]薛定宇， 陈阳泉.基于MATLAB/Simulink的系统仿真技术与应用[M].北
京：清华大学出版社，2011.
[6]吴怀宇， 郑高峰，吕建林，等.SIMULINK数值仿真在非线性系统教学中
的应用[J].电气电子教学学报，2005，27（5）：92-95.
[7]李颖，朱伯立，张威.SIMULINK动态系统建模与仿真基础[M].西安：西
安电子科技大学出版社，2004.
[8]刘海昌，张晓杰.MATLAB在电力电子教学中的应用[J].华北科技学院学
报，2007，4（2）：119-121.
[9]洪乃刚.电力电子、电机控制系统的建模和仿真[M].北京：机械工业出版
社，2010.