手把手教你学matlab（8.38）--simulink：设计和仿真一个带有位置反馈控制的步进电机（Stepper Motor）
目录
步进电机仿真实例
目标
环境准备
步骤一：创建新的 Simulink 模型
步骤二：添加必要的模块
步骤三：连接模块
步骤四：设置仿真参数
步骤五：配置 PID 控制器
步骤六：运行仿真并观察结果
示例模型图
步骤七：优化和调整
结语
本研究通过构建一个基于Simulink的电机仿真实例来展示如何设计并仿真一个带有位置反馈控制的步进电机（Stepper Motor）。在需要精确控制位置的应用领域中，步进电机被广泛应用于打印机、3D 打印机以及CNC机床等设备中。
步进电机仿真实例
目标
- 通过 Simulink 实现了一个具有位置反馈控制功能的步进电机模型。
- 监测该电机的动力学特性及其电流变化情况。
- 优化控制器参数设置以提升系统性能水平。
环境准备
- 软件 ：MATLAB及其Simulink（推荐版本 R2021a及以上版本）。
- 硬件 ：一台配备了 MATLAB 和 Simulink 的计算机。
步骤一：创建新的 Simulink 模型
- 启动 MATLAB 应用程序。
- 在 MATLAB 主页导航栏的“新建”选项中单击，并选择“模型”（Model）。
- 启动 Simulink 并创建一个新的空模型文件。
步骤二：添加必要的模块
电源模块 ：
- 在 Simulink 库浏览器界面中定位至 Simscape 模块组下的 Electrical 子模块组->Specialized Power Systems->Sources->DC Voltage Source。
- 将其拖放至模型工作区并将输入端口电压配置为12伏特。
步进电机模块 ：
- 在Simulink库浏览器界面内定位并选择'Simscape'模块下的'Electrical'分支中的'Motors and Drives'子模块中的'Stepper Motor'组件。
- 将其拖放至模型工作区。
- 第3步完成
位置控制器模块 ：
- 在 Simulink 库浏览器界面中定位并拖放‘Continuous’至‘PID Controller’位置。
- 将其拖放到模型主体区域并配置以调节电机位置。
PWM 驱动器模块 ：
- 在Simulink库浏览器中定位至"Simscape"模块下的"Electrical"分支，在进一步下钻至"Specialized Power Systems"模块中的"Control and Measurements"子模块组里找到并选中"PWM Generator (Two-Level)"组件。
- 将其拖拽到模型构建区域，并在其属性面板中将脉冲频率设置为1kHz。
-
位置测量模块 ：
- 在Simulink库浏览器界面中定位至"Simscape"模块组下的"Electrical"分支->"Specialized Power Systems"子模块->"Measurements"工具箱->$"Position Measurement"功能模块。
- 将此模块拖放至Simulink模型窗口内指定位置，并配置以实现电机位置的实时监测。
-
电流测量模块 ：
在 Simulink 库浏览器中定位" Simscape" -> " Electrical" -> " Specialized Power Systems" -> " Measurements" -> " Current Measurement"模块。
拖放至模型工作区以便精确测量电机电流值。
示波器模块 ：
- 在Simulink库浏览器中定位
Sinks至Scope。- 将其拖拽至模型区域，并用于实时跟踪位置与电流值的变化情况。
负载模块 ：
- 在Simulink库浏览器中定位到"Simscape"模块下的"Electrical"分支中的"Specialized Power Systems"模块组内的"Elements"子模块中的"Resistor"。
- 将此元件拖放至模型区域。
- 设置负载电阻参数为10Ω。
- 以模拟负载状态运行。
步骤三：连接模块
连接电源模块和步进电机 ：
- DC 电压源与 PWM 生成器（双级）的输入端子相连接。
- PWM 生成器（双级）的输出端子供电至步进电动机。
连接位置控制器模块 ：
- 配置Position Measuring Module以便与Step stepper Motor的位置输出端相接。
- Position Measuring Module产生的信号负责传输至PID Controller。
- PID Controller产生的控制信号驱动Two-level PWM Generator工作。
连接电流测量模块 ：
* 将 Current Measurement 模块连接到 Stepper Motor 的电流输出端。连接示波器模块 ：
各Position测量模块和Current测量模块的输出端与Scope的输入端相接
连接负载模块 ：
* 将 Resistor 模块连接到 Stepper Motor 的输出端，模拟负载。步骤四：设置仿真参数
设置仿真时间 ：
在 Simulink 主窗口中单击"Simulation"选项卡右侧的"Model Configuration Parameters"按钮。
将仿真停止时间设置为0.5秒。
设置步长 ：
- 在Solver选项卡上，请您指定固定的步长时间为1e-5秒。
- 例如，在配置时可以选择ode23tb作为固定时间步长的求解器。
步骤五：配置 PID 控制器
双击 PID Controller 模块 ：
- 配置PID控制器的参数设置
- 其中包含比例系数（Kp）、积分系数（Ki）和微分系数（Kd）
- 初始设置建议采用 Kp = 100, Ki = 1000, Kd = 10
- 随后可依据仿真数据进行优化
设置参考位置 ：
可以在 PID Controller 模块的输入端接入一个 Constant 模块，并将其数值设定为系统预期的电机位置（如 90 度）。
步骤六：运行仿真并观察结果
运行仿真 ：
* 点击 Simulink 工具栏上的“Run”按钮，开始仿真。观察结果 ：
- 点击启动示波器模块后监控电机运行状态。
- 优化调节PID控制器设置以分析对运行状态的具体影响。
示例模型图
以下是完整的 Simulink 模型图示例：
plaintext
深色版本
+-------------------+
|DC Voltage Source|
+-------------------+
||
v
+-------------------+
|PWM Generator (Two-Level)|
+-------------------+
||
v
+-------------------+
|Stepper Motor|
+-------------------+
||
v
+-------------------+
|Resistor|
+-------------------+
||
v
+-------------------+
|Position Measurement|
+-------------------+
||
v
+-------------------+
|PID Controller|
+-------------------+
||
v
+-------------------+
|PWM Generator (Two-Level)|
+-------------------+
||
v
+-------------------+
|Position Measurement|
+-------------------+
||
v
+-------------------+
|Current Measurement|
+-------------------+
||
v
+-------------------+
|Scope|
+-------------------+步骤七：优化和调整
调整 PID 参数 ：
- 调整PID控制器中的Kp、Ki和Kd参数，并注意观察电机位置的变化情况。
- 通过调节这些参数可以让电机位置稳定在所需的目标值。
调整负载电阻 ：
- 调节电阻器的阻值，并监测电机的位置与电流的变化情况。
- 通过调节负载电阻器, 以便模拟多种不同的负载情况。
增加扰动 ：
- 通过施加输入电压或负载电阻上的扰动来观察系统响应。
- 该方法能够有效评估系统在不同条件下的稳定性和鲁棒性。
结语
通过以上步骤, 你应该具备建立一个集成位置反馈控制机制的步进电机仿真模型的能力, 并能对其运行性能进行量化分析。Simulink软件提供了丰富且功能齐全的建模模块, 它将有助于您优化设计参数并进行系统调谐. 以助于您理解和掌握相关技术细节.