两电平逆变器调制的S函数示例

在上期中介绍了在Simulink仿真中用S函数构建控制器，方便代码从仿真到嵌入式设备的迁移，本期则直接进入正题，通过两电平逆变器模型来介绍S函数在电力电子仿真中的应用。

01S函数的简单介绍

官方对S函数是这样介绍的：S-Function 可以使用 MATLAB®， C， C++， Ada，或 Fortran 语言来编写。 使用 MEX实用工具，将 C， C++， Ada，和 Fortran 语言的 S-Function 编译成MEX-文件，在需要的时候，它们可与其它的MEX-文件一起动态地连接到 MATLAB 中。

S-Function 使用一种特殊的调用格式让你可以与 Simulink 方程求解器相互作用，这与发生在求解器和内置 Simulink块之间的相互作用非常相似。 S-Function 的形式是非常通用的，且适用于连续、离散和混合系统。

这段话包含以下几层意思：

1. S函数可以用m语言，c语言等多种语言编写，Simulink库中的User-Defined Functions中的S-Function Example包含了多种语言的多种模板， S-Function Builder 是一个 Simulink 模块，可以通过设定自动生成c语言的S函数;

图1 Simulink库中S函数相关模块

2. S函数与Simulink的运行原理相似，要了解S函数是如何工作的，就要了解Simulink 是如何进行模型仿真的， Simulink模型的执行分几个阶段进行。 首先进行的是初始化阶段，在此阶段， Simulink将库块合并到模型中来，确定传送宽度、数据类型和采样时间，计算块参数，确定块的执行顺序，以及分配内存。 然后， Simulink进入到“仿真循环”，每次循环可认为是一个“仿真步”。 在每个仿真步期间，Simulink 按照初始化阶段确定的块执行顺序依次执行模型中的每个块。 对于每个块而言，Simulink 调用函数来计算块在当前采样时间下的状态，导数和输出。 如此反复，一直持续到仿真结束。

下图所示为一个仿真的步骤：

图2 Simulink 执行仿真的步骤

3. S函数使用一种特殊的调用格式使其在 Simulink方程求解器相互作用，S函数主要通过多种特殊格式的回调函数，用来表示仿真执行的初始化、输出、计算导数、结束等多个阶段。

02两电平逆变器调制的S函数示例

文章结尾的下载链接提供了两电平逆变器调制的S函数的示例程序，该示例主体程序部分如下：

图3 两电平逆变器调制的S函数主体部分

该S函数主要包含以下回调函数：

a. mdlInitializeSizes回调函数

对参数进行初始化设置，比如离散状态个数、连续状态个数、模块输入和输出的路数、模块的采样周期个数、状态变量初始数值等;

b. mdlInitializeSampleTimes回调函数

该函数设置S-Function模块的采样时间，决定了mdlOutputs多久执行一次;

c. mdlInitializeConditions回调函数

初始化时调用，对输入输出数组指针地址进行定义;

d. mdlOutputs回调函数

可以用来执行我们定义的函数，本例中执行了三个任务：

来自S函数的外部数据的输入;

执行100us的定时中断(计算输出电压相位，输出电压指令)、741us的定时中断(模拟PWM中断，调用两电平SVPWM调制算法)。

S函数输出(输出内部监视变量和PWM波占空比)

e. mdlUpdate回调函数

如果该块具有离散的状态变量，则在处理完所有块的输出函数之后的主要时间步中，将调用一次更新函数，本例未使用;

f. mdlTerminate回调函数

S函数终止时执行的函数，本例未使用。

多个回调函数的执行顺序如下：

图4 两电平逆变器调制的S函数回调函数执行顺序

完成S函数的c文件的编写后，需要在Matlab中调用编译器对S函数的c文件进行编译。 由于Matlab存在32位和64位，调用的编译器也不一样。 32位直接使用自带的lcc-win32即可，64位则需要额外安装的VS的C++编译器。 matlab通过mex-setup命令选择编译器。

本示例模型在Simulink的File->Model Properties->Model Properties->Callbacks->InitFcn中通过以下命令对S函数编译，使模式在每次运行时执行该编译命令生成格式mexw64的文件给Simulink模型调用：

-g -v InveterController.c Func_SVPWM_2L.c...

03仿真结果

运行仿真模型：INV_2L3Ph_SPWM.slx，在S函数的mdlOutputs回调函数中，调用Func_SVPWM_2L()调制函数之后，数组y_Scope输出ABC三相PWM波的占空比为：

图5 ABC三相PWM波的占空比

在S函数的mdlOutputs回调函数中采集了逆变器的模拟量，通过数组y_Scope输出，其波形为：

图6 S函数的输出波形