鐘美蘭,程玉華,關健,雷凱,羅建明

(1.電子科技大學自動化工程學院,成都611731;2.東汽投資發(fā)展有限公司)

鐘美蘭(碩士研究生),研究方向為光伏并網(wǎng)逆變技術;黃建國(教授),研究領域為電子測量儀器與電力系統(tǒng)自動化;程玉華(副教授),研究領域為測試儀器儀表、精密無損檢測技術、電力電子技術。

引 言

利用MATLAB仿真CCS算法的方法在很多文章中都有介紹,歸納起來主要有兩類:一類是利用MATLAB/Simulink中的S-Function編寫所需算法模塊[1],仿真成功后將算法移植到CCS中建立新的算法工程;另一類是在MATLAB中建立仿真模型,然后通過CClink的直接代碼生成法建立CCS工程文件[2]。這兩類方法都有各自的缺點。第一類方法只注重對算法思想的驗證,要在CCS中實現(xiàn)卻要經(jīng)過很復雜的算法移植過程,增加了算法實現(xiàn)的難度。第二類方法避免了此類問題,而將M ATLAB仿真模型直接生成CCS代碼,省略了再移植的過程,然而這種方法形成的代碼具有可讀性差、缺乏優(yōu)化、占用資源大等缺點,使得TMS320F2812芯片的內存利用率大大降低。結合這兩種方法的優(yōu)點和弊端,本文利用C-MEX S-Function提出了一種全新的將CCS程序與MATLAB仿真聯(lián)系起來的方法,實現(xiàn)了CCS程序到MATLAB仿真的簡單移植。該方法高效、簡單并且易于理解和實現(xiàn),可以通過S-Function作為接口直接使用CCS編寫的SVPWM程序在MATLAB環(huán)境下進行仿真,算法驗證正確后不用再修改程序可直接在CCS中編譯并下載到目標板使用。這就大大降低了仿真與實際應用之間轉化的難度,也簡化了軟件人員在幾種編程環(huán)境中反復修改程序的過程。

1 S-Function程序建立方法

S-Function有兩種建立方式,一種是用 M文件來實現(xiàn),另一種是用C-MEX來實現(xiàn)。前者效率低下,但是開發(fā)速度快,可以方便調用MATLAB和工具箱函數(shù);后者支持不同的編程語言,如:C、C++、Fortran等,運行速度快,滿足實時性要求,可以實現(xiàn)M文件不能實現(xiàn)的許多功能,如復數(shù)的處理等。

考慮到基于TMS320F2812的SVPWM算法仿真對實時性要求比較高,且CCS工程是用C語言編寫的,因此本文選用C-M EX形式來建立S-Function程序。在MATLAB的安裝根目錄matlabroot/simulink/src下有一個用C語言編寫的C-MEX S-Function文件模板:sfuntmpl_basic.c。該模板幾乎包含了所有C-MEX S-function文件可執(zhí)行的必需和可選的回調函數(shù)的基本結構,只需要進行少許改動,就可以實現(xiàn)各種功能的函數(shù)。

建立S-Function可以按以下步驟進行:

首先進行環(huán)境設置。初次使用C-MEX S-Function之前,需要在MATLAB中激活,可以在命令窗口鍵入mex–setup,然后根據(jù)提示設置編譯器。

然后打開C-MEX S-Function文件模板,將模板另存為svpwm.c文件,然后再進行必要的設置,這樣不會破壞模板,當需要其中的一些必要函數(shù)時還可以再查閱。模板中的第一行代碼#define S_FUNCTION_NAME XXX是用來設置函數(shù)名的,這是調用函數(shù)時的唯一標識,這里可以將其改為#define S_FUNCTION_NAME svpwm,那么svpwm就是該函數(shù)的函數(shù)名。

最后編譯動態(tài)鏈接庫。S-Function函數(shù)編寫完成后,需要在MTLAB中進行編譯生成動態(tài)鏈接庫與Simulink鏈接,這樣才能在模型中調用S-Function模塊。注意編寫的文件與生成的文件以及建立的模型都必須在同一目錄下。在MATLAB的命令窗口輸入mex svpwm.c,這樣就會在當前目錄下創(chuàng)建一個svpwm.dll文件。在模型中加入S-Function模塊,并雙擊它,在sfunction name一欄填入函數(shù)名svpwm。注意這個函數(shù)名要與接口程序中設置的函數(shù)名保持一致。這樣就可以在模型中使用S-Function函數(shù)模塊了。

2 實現(xiàn)CCS中SVPWM算法移植

2.1 SVPWM算法原理簡單介紹

空間矢量調制(SVPWM)技術即是將3個互為 120°的電壓矢量投影到兩相靜止坐標系中,通過三相逆變器開關組合,合成一個空間電壓矢量的方法。

三相逆變器電路如圖1所示,用Sa、Sb和Sc分別表示三組開關的通斷狀態(tài)。采用180°導通方式,“1”表示上橋臂導通,“0”表示下橋臂導通。這樣就形成了8種開關組合狀態(tài) ,分別是 100 、110 、010 、011 、001 、101 、111 、000 。

圖1 三相逆變器電路

每個開關序列對應一個基準電壓矢量,按空間位置排列正好形成了一個六邊形。其中,有6個有效電壓空間矢量(V1～V6)和2個零矢量(V7、V8),選用對稱的空間矢量調制序列以消除偶次諧波[4]。具體開關狀態(tài)Sa、Sb、Sc與電壓矢量在兩相靜止坐標系中的關系以及各扇區(qū)和開關序列圖如圖2所示。

圖2 SVPWM電壓矢量、扇區(qū)、開關序列圖

無論電壓矢量落在哪個扇區(qū),都可以用相鄰的兩個有效電壓矢量和零矢量對其合成。這里以扇區(qū)3為例,Vref=Vα+jVβ,Vx、Vy代表相鄰電壓矢量(即 V1、V2)。Tpwm是開關周期,T0、Tx、Ty分別是零矢量、Vx、Vy的作用時間。當開關周期遠小于信號周期時,在一個開關周期中可以認為電壓矢量是不變的,即[5]:

為了保證波形對稱,把每個狀態(tài)的作用時間一分為二,正如圖2中的開關序列圖所示,這樣既能控制電壓輸出的大小,又能消除偶次諧波。

將每個扇區(qū)中各電壓矢量作用時間都計算出來,按照圖2所示的對稱序列分別分配給3個開關序列Sa、Sb、Sc,并轉換為TMS320F2812三個比較寄存器的比較值,便可輸出脈寬不同的脈沖波且基頻是互為120°的正弦波。

2.2 移植SVPWM工程為S-Function函數(shù)

根據(jù)上述原理在CCS中建立了一個基于TMS320F2812的SVPWM算法工程,包含對DSP進行系統(tǒng)初始化,并初始化所需外設,如EVA、GPIO、PIE等?；舅惴ù嬗贒SP28_svpwm.c文件中。具體功能配置可以參考相關書籍[6],篇幅所限,這里不再累述。DSP在每個上溢中斷或下溢中斷時調用SVPWM算法進行扇區(qū)判斷、作用時間計算及比較值的確定,然后將比較值賦給EVA的3個比較值寄存器。通過與EVA的雙向計數(shù)器進行比較,產(chǎn)生3路占空比不同的脈沖波,通過GPIO_A口的PWM1、PWM3、PWM5輸出,并且 DSP會自動將這3路信號進行反向,通過另外3個GPIO_A口(PWM2、PWM4、PWM6)輸出。

在MATLAB中打開之前,由模板另外存為svpwm.c文件。該文件主要用于實現(xiàn)對CCS程序的接口移植,部分重要函數(shù)見本刊網(wǎng)站www.mesnet.com.cn——編者注。

函數(shù)都是在其他C文件中編寫的,所以在本文件的開頭包含所用到的頭文件和C文件,并且將所用的頭文件和C文件都與建立的模型放在同一目錄下。這也是該種鏈接方法的關鍵和精髓,仿真完成后可以不需要改動CCS程序便可直接在CCS中編譯使用。

3 仿真模型與仿真結果

在MATLAB/Simulink中搭建一個理想的三相全橋逆變器系統(tǒng),用以驗證SVPWM算法的正確性。模型如圖3所示,其中SVPWM模塊被封裝成了一個子系統(tǒng),以便系統(tǒng)進行管理和擴展。對三相電壓進行采樣,將得到的值送入SVPWM子系統(tǒng)中進行處理。

圖3 系統(tǒng)仿真模型圖

這里需要將三相電壓Va、Vb、Vc進行坐標系變換,變?yōu)閮上囔o止坐標系中的電壓Vα、Vβ,作為S-Function的輸入?yún)?shù)。坐標變換也用一個子系統(tǒng)完成,如圖4所示。在該子系統(tǒng)中調用C-MEX編寫的S-Function進行比較值的計算,并通過produce PWM輸出波形。

圖4 SVPWM子系統(tǒng)模型圖

在系統(tǒng)仿真模型中,開關頻率為9 kHz,直流母線電壓為350 V,三相電壓為給定的峰峰值 159 V,頻率50 Hz,互差120°的正弦電壓。經(jīng)過10 s仿真得到的仿真結果如圖5所示。

從仿真結果中可以看出,三相全橋輸出的電壓波形與三相參考電壓波形完全同頻同相,這也驗證了CCS中SVPWM算法的正確性和可行性。

結 語

隨著科學技術的日益發(fā)展,不同軟件間的聯(lián)系也越來越緊密,完成一項工程通常需要熟悉和掌握幾種軟件。作為算法仿真的必備軟件,MATLAB已經(jīng)提供了與其他軟件建立通信的方法,但是也不可能做到面面俱到。本文利用S-Function簡單有效地實現(xiàn)了CCS程序到MATLAB仿真的移植,并得出正確結果,為CCS程序與 MATLAB仿真的連接提供了一種簡單有效的途徑,大大降低了算法移植的難度,簡化了程序員的軟件編寫流程,在實際工程中具有較為廣泛的應用前景。

[1]趙強,趙仁德,王平.基于C MEX S-函數(shù)的 SVPWM仿真研究[J].變流技術與電力牽引,2008(5):1-4.

[2]梅志紅,趙莉.基于CCS環(huán)境和MAT LAB仿真的FIR數(shù)字濾波器實現(xiàn)[J].電氣電子教學學報,2005,27(3).

[3]薛定語,陳陽泉.基于MAT LAB/Simulink的系統(tǒng)仿真技術與應用[M].北京:清華大學出版社,2002.

[4]王兆安,黃俊.電子電力技術[M].北京:機械工業(yè)出版社,2008.

[5]徐德鴻.電子電力系統(tǒng)建模及控制[M].北京:機械工業(yè)出版社,2005.

[6]蘇奎峰,呂強,耿慶峰,等.TMS320F2812原理與開發(fā)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2005.