Matlab/Simulink - BLDC直流无刷电机仿真基础教程（五） - animateRotorPosition脚本讲解与使用

前言

本系列文章分享如何使用Matlab的Simulink功能来进行BLDC直流无刷电机的基础仿真；本篇文章讲解官方animateRotorPosition.m脚本文件的功能与使用。

文章内容主要参考Matlab官网的BLDC仿真视频教程，主要是对官方视频教程的进一步详细说明，以及对BLDC电机控制原理、仿真过程部分问题点的简要讲解，希望大家通过此系列文章可以掌握Matlab电机仿真的基本技术，并在后续能够按照需要搭建更复杂的模型。

官方视频教程地址如下：
https://ww2.mathworks.cn/videos/series/how-to-design-motor-controllers-using-simscape-electrical.html

相关演示操作在Matlab2023b中进行。

一、animateRotorPosition脚本内容

该脚本文件的官方github链接如下：

https://github.com/mathworks/Design-motor-controllers-with-Simscape-Electrical/blob/master/2%20Modeling%20a%20three%20phase%20inverter/animateRotorPosition.m

也可以进入到matlab官方github仓库，获取相关系列视频里的模型文件，与本系列文章前面几章搭建的模型基本相同；仓库地址为：

https://github.com/mathworks/Design-motor-controllers-with-Simscape-Electrical

这里为方便演示，将官方可视化脚本的文件内容复制到这里，内容如下：
（注意，官方github仓库在第二、第三章节对应文件夹中各有一个名称为animateRotorPosition.m的脚本，内容略有区别，请自行查看了解。此处展示的脚本文件内容是第二章节 Modeling a three phase inverter 对应的文件）

%Copyright 2019 The MathWorks, Inc.
%% animateRotorPosition
%
% This script will run a Simulink model of a BLDC that is energized in
% one coil and animate the movement of the rotor. Once the animation figure
% is rendered, there is a 5 second pause before the animation begins.close all
clear% Below parameters are defined in the Simulink model
% Sample time
% Ts = 1e-5;
% Number of pole pairs
% p = 1; 
% Initial rotor angle in degrees
% th0 = 0;
% Sector 
% sector = 6;mdl = 'Modeling_three_phase_inverter';open_system(mdl);sim(mdl)try
%
r = 1.2;
theta = linspace(0,2*pi);
x = cos(theta);
y = sin(theta);x1 = 0.8*cos(theta);
y1 = 0.8*sin(theta);xa = cos(0);
ya = sin(0);xb = cos(2*pi/3);
yb = sin(2*pi/3);xc = cos(-2*pi/3);
yc = sin(-2*pi/3);xat = r*cos(0);
yat = r*sin(0);xbt = r*cos(2*pi/3);
ybt = r*sin(2*pi/3);xct = r*cos(-2*pi/3);
yct = r*sin(-2*pi/3);hf = figure(1);h = plot(x,y,'k-',[0 xa],[0 ya],'k-',[0 xb],[0 yb],'k-',[0 xc],[0  yc],'k-',xa,ya,'ko',xb,yb,'ko',xc,yc,'ko',x1,y1,'k-');gridset(hf,'Color',[1 1 1])ha = gca;set(ha,'Visible','off')ht1 = text(xat,yat,'A');
ht2 = text(xbt,ybt,'B');
ht3 = text(xct,yct,'C');set(ht1,'FontSize',14);
set(ht2,'FontSize',14);
set(ht3,'FontSize',14);axis([-1.2 1.2 -1.2 1.2])
axis equalset(h(5),'MarkerSize',20)
set(h(6),'MarkerSize',20)
set(h(7),'MarkerSize',20)switch_pattern = logsout{2}.Values.Data(1:20:end,:);init_switch_pattern = num2str(switch_pattern(1,:));switch init_switch_patterncase num2str([1 0 0 0 0 1])set(h(5),'MarkerFaceColor',[1 0 0])set(h(7),'MarkerFaceColor',[0 0 1])case num2str([0 0 1 0 0 1])set(h(6),'MarkerFaceColor',[1 0 0])set(h(7),'MarkerFaceColor',[0 0 1])case num2str([0 1 1 0 0 0])set(h(5),'MarkerFaceColor',[0 0 1])set(h(6),'MarkerFaceColor',[1 0 0])case num2str([0 1 0 0 1 0])set(h(5),'MarkerFaceColor',[0 0 1])set(h(7),'MarkerFaceColor',[1 0 0])case num2str([0 0 0 1 1 0])set(h(6),'MarkerFaceColor',[0 0 1])set(h(7),'MarkerFaceColor',[1 0 0])case num2str([1 0 0 1 0 0])set(h(5),'MarkerFaceColor',[1 0 0])set(h(6),'MarkerFaceColor',[0 0 1])endl1 = 0.7;
ro = logsout{1}.Values.Data(1)*pi/180;xr1 = l1*cos(ro);
yr1 = l1*sin(ro);
xr2 = -l1*cos(ro);
yr2 = -l1*sin(ro);hold on,hl1 = plot([xr1 xr2],[yr1 yr2],'m-');set(hl1,'LineWidth',3)hpr = plot(xr2,yr2,'ko');
hpb = plot(xr1,yr1,'ko');set(hpr,'MarkerSize',20)
set(hpb,'MarkerSize',20)
set(hpr,'MarkerFaceColor',[1 0 0])
set(hpb,'MarkerFaceColor',[0 0 1])pausero1 = logsout{1}.Values.Data(1:40:end);for l = 1:numel(ro1)switch_pattern1 = num2str(switch_pattern);ro = ro1(l)*pi/180;xr1 = l1*cos(ro);
yr1 = l1*sin(ro);
xr2 = -l1*cos(ro);
yr2 = -l1*sin(ro);set(hpr,'XData',xr2);
set(hpr,'YData',yr2);
set(hpb,'XData',xr1);
set(hpb,'YData',yr1);set(hl1,'XData',[xr1 xr2]);
set(hl1,'YData',[yr1 yr2]);switch switch_pattern1case num2str([1 0 0 0 0 1])set(h(5),'MarkerFaceColor',[1 0 0])set(h(7),'MarkerFaceColor',[0 0 1])case num2str([0 0 1 0 0 1])set(h(6),'MarkerFaceColor',[1 0 0])set(h(7),'MarkerFaceColor',[0 0 1])case num2str([0 1 1 0 0 0])set(h(5),'MarkerFaceColor',[0 0 1])set(h(6),'MarkerFaceColor',[1 0 0])case num2str([0 1 0 0 1 0])set(h(5),'MarkerFaceColor',[0 0 1])set(h(7),'MarkerFaceColor',[1 0 0])case num2str([0 0 0 1 1 0])set(h(6),'MarkerFaceColor',[0 0 1])set(h(7),'MarkerFaceColor',[1 0 0])case num2str([1 0 0 1 0 0])set(h(5),'MarkerFaceColor',[1 0 0])set(h(6),'MarkerFaceColor',[0 0 1])enddrawnowendcatchdisp("The animation was closed before the end of the simulated data")end

不过注意，这个脚本文件主要适配官方搭建的模型，我们前面文章系列搭建的模型如果想要进行可视化，还需要一些额外的配置。

二、脚本功能讲解

以下内容修改于deepseek回答。
部分未讲解内容请查找matlab相关教程进行学习，自学能力很重要。

以下是该 MATLAB 脚本的功能解析及关键代码的分步讲解：

---

脚本总体功能
这是一个用于 无刷直流电机（BLDC）转子位置动画演示 的脚本，通过 Simulink 模型仿真电机运行，并动态可视化以下内容：

1. 转子位置：磁极方向随仿真时间的变化。
2. 定子线圈通电状态：通过颜色标记当前通电的线圈（红色为通电，蓝色为断电）。
3. 三相逆变器开关模式：通过六个开关状态控制电流方向。

---

关键代码分步解析

1. 初始化环境

close all
clear

• close all：关闭所有图形窗口。
• clear：清空工作区变量，确保脚本从干净环境运行。

---

2. 加载并运行 Simulink 模型

mdl = 'Modeling_three_phase_inverter';
open_system(mdl);
sim(mdl)

• mdl：指定 Simulink 模型名称 Modeling_three_phase_inverter。
• open_system(mdl)：打开模型界面（如果存在图形界面）。
• sim(mdl)：运行模型，生成仿真数据（存储在 logsout 变量中）。

---

3. 绘制静态图形（定子与标签）

r = 1.2;
theta = linspace(0,2*pi);
x = cos(theta);
y = sin(theta);
...
hf = figure(1); 
h = plot(x,y,'k-',[0 xa],[0 ya],'k-',...); 

• 功能：绘制定子的静态图形，包括：
  • 外圆（半径 1.2）和内圆（半径 0.8）。
  • 三个相位点 A, B, C（坐标分别对应 0°, 120°, -120°）。
• 图形元素：
  • 黑色线条 ('k-')：定子框架。
  • 黑色圆圈 ('ko')：三相线圈位置。

---

4. 设置开关状态颜色（初始状态）

switch_pattern = logsout{2}.Values.Data(1:20:end,:);
init_switch_pattern = num2str(switch_pattern(1,:));
switch init_switch_patterncase num2str([1 0 0 0 0 1])set(h(5),'MarkerFaceColor',[1 0 0]) % A红set(h(7),'MarkerFaceColor',[0 0 1]) % C蓝...
end

• 功能：从仿真数据 logsout 中提取开关状态（logsout{2}），并根据初始状态设置线圈颜色。
• 关键参数：
  • switch_pattern：三相逆变器的 6 个开关状态（如 [1 0 0 0 0 1]）。
  • num2str：将开关状态转换为字符串，用于 switch-case 判断。
• 颜色规则：
  • 红色 ([1 0 0])：通电线圈。
  • 蓝色 ([0 0 1])：断电线圈。

---

5. 绘制转子动态轴线

ro = logsout{1}.Values.Data(1)*pi/180;
xr1 = l1*cos(ro);
yr1 = l1*sin(ro);
...
hl1 = plot([xr1 xr2],[yr1 yr2],'m-');
hpr = plot(xr2,yr2,'ko');
hpb = plot(xr1,yr1,'ko');

• 功能：根据仿真数据 logsout{1} 中的转子角度（单位：度），绘制转子轴线。
• 图形元素：
  • 洋红色线条 ('m-'')：转子轴线。
  • 红色圆点 (hpr)：转子南极（假设为红色）。
  • 蓝色圆点 (hpb)：转子北极（假设为蓝色）。

---

6. 动态更新动画

ro1 = logsout{1}.Values.Data(1:40:end);
for l = 1:numel(ro1)switch_pattern1 = num2str(switch_pattern);ro = ro1(l)*pi/180;...set(hpr,'XData',xr2); % 更新转子位置set(hpb,'YData',yr1);...drawnow % 刷新图形
end

• 功能：循环遍历转子角度数据 (ro1)，动态更新：
  1. 转子轴线位置 (set(hpr, 'XData', ...)）。
  2. 线圈通电颜色 (switch-case 判断开关状态）。
• 关键参数：
  • 1:40:end：数据降采样，控制动画速度。
  • drawnow：强制刷新图形界面，形成动画效果。

---

异常处理

catchdisp("The animation was closed before the end of the simulated data")
end

• 功能：捕获用户提前关闭动画窗口的异常，避免报错。

---

关键仿真数据说明

1. logsout{1}：转子角度数据（单位：度），用于计算转子位置。
2. logsout{2}：三相逆变器的开关状态（6位二进制数组），控制线圈通电逻辑。

---

使用场景

• 电机控制教学：可视化 BLDC 电机工作原理。
• 控制算法验证：通过动画观察开关策略对转子运动的影响。
• 动态调试：检查仿真结果是否符合预期（如转子是否按设定方向旋转）。

三、脚本修改与模型配置

在使用其脚本对我们的模型转子位置及逆变器通电状态进行演示前，我们可以先运行一下官方模型及脚本，来简单的查看其效果。

进入官方github仓库，到第二章节对应文件夹中，下载如图红框选中的两项文件，分别是官方的simulink仿真模型文件及可视化脚本。

图片3.1 官方github仓库文件情况

将两个文件下载后，放置到同一文件夹下，使用matlab打开animateRotorPosition.m脚本，并点击运行（确保matlab目录为同一文件夹，能够识别到官方的simulink放置模型文件）。

图片3.2 原始animateRotorPosition脚本

随后matlab将会自动运行simulink放置模型文件，之后弹出如图所示的窗口，鼠标点击一下窗口，按下回车（由于原始代码中存在pause语句，因此需要手动回车以继续脚本的执行。），即可看到电机转子的旋转情况。

图片3.3 原始脚本运行效果

如上图所示，点击转子位置由初始的0°，旋转到了30°，仔细看可以看到转子在最终暂停到目标位置前，有一个幅度逐渐衰减的震荡。

图片3.4 脚本运行完毕后的工作区情况

此时在matlab界面右侧的工作区，可以看到脚本运行完毕后，出现了很多变量，我们在之后将会稍作分析。

图片3.5 官方simulink仿真模型情况

我们要了解，这个.m的可视化脚本在运行时，会首先运行simulink仿真模型文件，之后再根据仿真模型的输出来进行可视化；因此我们这里首先来查看一下官方的simulink模型运行后会有什么结果。

图片3.6 官方simulink仿真模型运行后的工作区情况

运行模型后，我们在工作区右侧可以看到出现了一些新的变量，其中logsout变量正是我们的可视化脚本所需要用到的，因此对其进行进一步的查看。

图片3.7 工作区logsout变量内容

工作区双击要查看的logsout变量，即可查看其内部的数据情况，可以看到这个数据集变量里面有两个信号，名称分别是theta、swichPattern，其中前者即是电机转子的角度位置，后者则是逆变器的通电状态，这也正是可视化脚本所要进行可视化的两个信号。

在第三篇系列文章中，我们搭建了一个带有基础速度环的BLDC模型（为便于展示，暂时不使用带PWM调制模块的模型），如下图所示。

图片3.8 第三章搭建的速度闭环控制模型

为了将模型运行过程中的电机转子角度位置、逆变器开关状态等信号保存、导出，我们需要进行如下的操作：
切换到Hall Sensor模块，鼠标放置到转子角度位置上，右键后在列表中点击"记录所选信号"。

图片3.9 信号记录操作展示

之后，我们可以看到对应位置出现了一个信号的标志，表示此处的信号在之后运行过程会进行记录并输出到工作区。

图片3.10 信号处于记录状态的标志

对于逆变器开关状态信号，我们可以进入到Three-Phase Inverter模块，对模块输入的逆变器开关状态信号的信号线进行相同的操作。

注：我们可以通过双击信号线来设置对应信号的名称。

图片3.11 逆变器状态信号记录设置

此时运行我们的模型，可以看到工作区出现了一个名为out的值。

图片3.12 模型运行后的工作区情况

打开之后，情况如下所示，可以看到与官方的simulink仿真模型的输出略有不同。

图片3.13 工作区out变量内容

关于这一点，是由于我们的模型设置方面略有差异。

为了使我们的模型输出与官方模型一致，我们需要在“建模”一栏中，点击“模型设置”按钮。

图片3.14 simulink界面“模型设置”按钮

随后在模型设置界面，在“数据导入/导出”一栏中，将下方的“单一仿真输出”一栏取消勾选，这个功能的含义即是使我们的仿真模型运行后只输出一个变量out。

图片3.15 模型设置界面“单一仿真输出”设置

取消勾选后，如下图所示。

图片3.16 取消单一仿真输出设置

此时，我们再次运行仿真模型，输出与官方模型一致。

图片3.17 修改后的模型输出情况

接下来，我们还需要对官方提供的animateRotorPosition.m脚本文件进行一定的修改，才能够按照我们的预期来可视化转子位置角度、逆变器状态。

这里我们可以简单学习一下matlab脚本的调试方法；在脚本界面，可以点击左侧的行号，此时对应行号上将会出现一个红色的方框，表示稍后我们运行脚本时，将会在此处暂停，也就是在这里打了一个断点。

图片3.18 脚本断点设置

我们点击运行后，程序运行到对应行号会自动暂停，此时，我们可以看到上方的相关按钮发生了改变，我们可以点击“步进”按钮，来控制程序员一行一行的运行，方便我们梳理程序的运行次序以及过程中各个变量的变化情况。（这里建议不太熟悉相关功能的朋友多多尝试、学习，多多受挫，即是多多收获。）

图片3.19 脚本调试状态步进按钮

这里简单展示一下本人对该可视化脚本的修改。

1. 修改脚本文件中指定的simnulink仿真模型名称为自己希望进行可视化的模型名称。（如下几个步骤的配图，上方是原始脚本的代码，下方是修改后的脚本内容。）

2. 修改相关变量的取样间隔，使逆变器状态变量与转子角度位置变量的数目一致。

3. 修改可视化过程相关节点的颜色修改代码。
   （主要参考官方github仓库第三章对应文件夹里面的脚本内容。）

4. 在for循环后添加pause(0.1)语句，降低动画的速度，并完善逆变器状态变量的获取处理。

5. 修改for循环中相关节点的颜色修改代码。
   （主要参考官方github仓库第三章对应文件夹里面的脚本内容。）

四、可视化效果展示

为了便于演示，我们这里修改simulink仿真模型给定的速度参考值，使转子旋转的速度比较稳定。

图片4.1 修改仿真模型速度参考量给定

接下来，我们运行修改后的animateRotorPosition脚本，将会看到如下效果，可以结合转子及三相的颜色，来了解BLDC电机旋转过程中应当如何改变逆变器的通电状态。

图片4.2 修改后的可视化脚本运行结果

五、修改后脚本内容

此处为方便大家学习、对照，将修改后的脚本内容放置于此。

%Copyright 2019 The MathWorks, Inc.
%% animateRotorPosition
%
% This script will run a Simulink model of a BLDC that is energized in
% one coil and animate the movement of the rotor.close all
clear% Below parameters are defined in the Simulink model
% Sample time
% Ts = 1e-5;
% Number of pole pairs
% p = 1; 
% Initial rotor angle in degrees
% th0 = 0;
% Sector 
% sector = 6;mdl = 'BLDC_DRIVER_BASIC_SPEED_LOOP_visulization';open_system(mdl);sim(mdl)try
%
r = 1.2;
theta = linspace(0,2*pi);
x = cos(theta);
y = sin(theta);x1 = 0.8*cos(theta);
y1 = 0.8*sin(theta);xa = cos(0);
ya = sin(0);xb = cos(2*pi/3);
yb = sin(2*pi/3);xc = cos(-2*pi/3);
yc = sin(-2*pi/3);xat = r*cos(0);
yat = r*sin(0);xbt = r*cos(2*pi/3);
ybt = r*sin(2*pi/3);xct = r*cos(-2*pi/3);
yct = r*sin(-2*pi/3);hf = figure(1);h = plot(x,y,'k-',[0 xa],[0 ya],'k-',[0 xb],[0 yb],'k-',[0 xc],[0  yc],'k-',xa,ya,'ko',xb,yb,'ko',xc,yc,'ko',x1,y1,'k-');gridset(hf,'Color',[1 1 1])ha = gca;set(ha,'Visible','off')ht1 = text(xat,yat,'A');
ht2 = text(xbt,ybt,'B');
ht3 = text(xct,yct,'C');set(ht1,'FontSize',14);
set(ht2,'FontSize',14);
set(ht3,'FontSize',14);axis([-1.2 1.2 -1.2 1.2])
axis equalset(h(5),'MarkerSize',20)
set(h(6),'MarkerSize',20)
set(h(7),'MarkerSize',20)switch_pattern = logsout{2}.Values.Data(1:40:end,:);init_switch_pattern = num2str(switch_pattern(1,:));switch init_switch_patterncase num2str([1 0 0 0 0 1])set(h(5),'MarkerFaceColor',[1 0 0])set(h(7),'MarkerFaceColor',[0 0 1])set(h(6),'MarkerFaceColor',[1 1 1])case num2str([0 0 1 0 0 1])set(h(6),'MarkerFaceColor',[1 0 0])set(h(7),'MarkerFaceColor',[0 0 1])set(h(5),'MarkerFaceColor',[1 1 1])case num2str([0 1 1 0 0 0])set(h(5),'MarkerFaceColor',[0 0 1])set(h(6),'MarkerFaceColor',[1 0 0])set(h(7),'MarkerFaceColor',[1 1 1])case num2str([0 1 0 0 1 0])set(h(5),'MarkerFaceColor',[0 0 1])set(h(7),'MarkerFaceColor',[1 0 0])set(h(6),'MarkerFaceColor',[1 1 1])case num2str([0 0 0 1 1 0])set(h(6),'MarkerFaceColor',[0 0 1])set(h(7),'MarkerFaceColor',[1 0 0])set(h(5),'MarkerFaceColor',[1 1 1])case num2str([1 0 0 1 0 0])set(h(5),'MarkerFaceColor',[1 0 0])set(h(6),'MarkerFaceColor',[0 0 1])set(h(7),'MarkerFaceColor',[1 1 1])endl1 = 0.7;
ro = logsout{1}.Values.Data(1)*pi/180;xr1 = l1*cos(ro);
yr1 = l1*sin(ro);
xr2 = -l1*cos(ro);
yr2 = -l1*sin(ro);hold on,hl1 = plot([xr1 xr2],[yr1 yr2],'m-');set(hl1,'LineWidth',3)hpr = plot(xr2,yr2,'ko');
hpb = plot(xr1,yr1,'ko');set(hpr,'MarkerSize',20)
set(hpb,'MarkerSize',20)
set(hpr,'MarkerFaceColor',[1 0 0])
set(hpb,'MarkerFaceColor',[0 0 1])pausero1 = logsout{1}.Values.Data(1:40:end);for l = 1:numel(ro1)pause(0.1)switch_pattern1 = num2str(switch_pattern(l,:));ro = ro1(l)*pi/180;xr1 = l1*cos(ro);
yr1 = l1*sin(ro);
xr2 = -l1*cos(ro);
yr2 = -l1*sin(ro);set(hpr,'XData',xr2);
set(hpr,'YData',yr2);
set(hpb,'XData',xr1);
set(hpb,'YData',yr1);set(hl1,'XData',[xr1 xr2]);
set(hl1,'YData',[yr1 yr2]);switch switch_pattern1case num2str([1 0 0 0 0 1])set(h(5),'MarkerFaceColor',[1 0 0])set(h(6),'MarkerFaceColor',[1 1 1])set(h(7),'MarkerFaceColor',[0 0 1])case num2str([0 0 1 0 0 1])set(h(6),'MarkerFaceColor',[1 0 0])set(h(7),'MarkerFaceColor',[0 0 1])set(h(5),'MarkerFaceColor',[1 1 1])case num2str([0 1 1 0 0 0])set(h(5),'MarkerFaceColor',[0 0 1])set(h(6),'MarkerFaceColor',[1 0 0])set(h(7),'MarkerFaceColor',[1 1 1])case num2str([0 1 0 0 1 0])set(h(5),'MarkerFaceColor',[0 0 1])set(h(7),'MarkerFaceColor',[1 0 0])set(h(6),'MarkerFaceColor',[1 1 1])case num2str([0 0 0 1 1 0])set(h(6),'MarkerFaceColor',[0 0 1])set(h(7),'MarkerFaceColor',[1 0 0])set(h(5),'MarkerFaceColor',[1 1 1])case num2str([1 0 0 1 0 0])set(h(5),'MarkerFaceColor',[1 0 0])set(h(6),'MarkerFaceColor',[0 0 1])set(h(7),'MarkerFaceColor',[1 1 1])enddrawnowendcatchdisp("The animation was closed before the end of the simulated data")end

下一篇文章中，我们将会对仿真模型各种情况下的波形进行重点分析。

文章相关模型文件下载链接

通过网盘分享的文件：BLDC直流无刷电机仿真基础教程（五） - animateRotorPosition脚本讲解与使用
链接: https://pan.baidu.com/s/1ld_d9TDVztWcLyAUgokNpg?pwd=bu2r 提取码: bu2r

参考链接

Design-motor-controllers-with-Simscape-Electrical
MATLAB 教程
matlab——simulink从工作空间导入数据作为输入信号进行仿真
深入研究simulink仿真之信号标签
matlab帮助中心 - pause