在上期中介紹了在Simulink仿真中用S函數(shù)構(gòu)建控制器，方便代碼從仿真到嵌入式設(shè)備的遷移，本期則直接進(jìn)入正題，通過(guò)兩電平逆變器模型來(lái)介紹S函數(shù)在電力電子仿真中的應(yīng)用。

01S函數(shù)的簡(jiǎn)單介紹

官方對(duì)S函數(shù)是這樣介紹的：S-Function 可以使用 MATLAB?， C， C++， Ada，或 Fortran 語(yǔ)言來(lái)編寫。 使用 MEX實(shí)用工具，將 C， C++， Ada，和 Fortran 語(yǔ)言的 S-Function 編譯成MEX-文件，在需要的時(shí)候，它們可與其它的MEX-文件一起動(dòng)態(tài)地連接到 MATLAB 中。

S-Function 使用一種特殊的調(diào)用格式讓你可以與 Simulink 方程求解器相互作用，這與發(fā)生在求解器和內(nèi)置 Simulink塊之間的相互作用非常相似。 S-Function 的形式是非常通用的，且適用于連續(xù)、離散和混合系統(tǒng)。

這段話包含以下幾層意思：

1. S函數(shù)可以用m語(yǔ)言，c語(yǔ)言等多種語(yǔ)言編寫，Simulink庫(kù)中的User-Defined Functions中的S-Function Example包含了多種語(yǔ)言的多種模板， S-Function Builder 是一個(gè) Simulink 模塊，可以通過(guò)設(shè)定自動(dòng)生成c語(yǔ)言的S函數(shù);

圖1 Simulink庫(kù)中S函數(shù)相關(guān)模塊

2. S函數(shù)與Simulink的運(yùn)行原理相似，要了解S函數(shù)是如何工作的，就要了解Simulink 是如何進(jìn)行模型仿真的， Simulink模型的執(zhí)行分幾個(gè)階段進(jìn)行。 首先進(jìn)行的是初始化階段，在此階段， Simulink將庫(kù)塊合并到模型中來(lái)，確定傳送寬度、數(shù)據(jù)類型和采樣時(shí)間，計(jì)算塊參數(shù)，確定塊的執(zhí)行順序，以及分配內(nèi)存。 然后， Simulink進(jìn)入到“仿真循環(huán)”，每次循環(huán)可認(rèn)為是一個(gè)“仿真步”。 在每個(gè)仿真步期間，Simulink 按照初始化階段確定的塊執(zhí)行順序依次執(zhí)行模型中的每個(gè)塊。 對(duì)于每個(gè)塊而言，Simulink 調(diào)用函數(shù)來(lái)計(jì)算塊在當(dāng)前采樣時(shí)間下的狀態(tài)，導(dǎo)數(shù)和輸出。 如此反復(fù)，一直持續(xù)到仿真結(jié)束。

下圖所示為一個(gè)仿真的步驟：

圖2 Simulink 執(zhí)行仿真的步驟

3. S函數(shù)使用一種特殊的調(diào)用格式使其在 Simulink方程求解器相互作用，S函數(shù)主要通過(guò)多種特殊格式的回調(diào)函數(shù)，用來(lái)表示仿真執(zhí)行的初始化、輸出、計(jì)算導(dǎo)數(shù)、結(jié)束等多個(gè)階段。

02兩電平逆變器調(diào)制的S函數(shù)示例

文章結(jié)尾的下載鏈接提供了兩電平逆變器調(diào)制的S函數(shù)的示例程序，該示例主體程序部分如下：

圖3 兩電平逆變器調(diào)制的S函數(shù)主體部分

該S函數(shù)主要包含以下回調(diào)函數(shù)：

a. mdlInitializeSizes回調(diào)函數(shù)

對(duì)參數(shù)進(jìn)行初始化設(shè)置，比如離散狀態(tài)個(gè)數(shù)、連續(xù)狀態(tài)個(gè)數(shù)、模塊輸入和輸出的路數(shù)、模塊的采樣周期個(gè)數(shù)、狀態(tài)變量初始數(shù)值等;

b. mdlInitializeSampleTimes回調(diào)函數(shù)

該函數(shù)設(shè)置S-Function模塊的采樣時(shí)間，決定了mdlOutputs多久執(zhí)行一次;

c. mdlInitializeConditions回調(diào)函數(shù)

初始化時(shí)調(diào)用，對(duì)輸入輸出數(shù)組指針地址進(jìn)行定義;

d. mdlOutputs回調(diào)函數(shù)

可以用來(lái)執(zhí)行我們定義的函數(shù)，本例中執(zhí)行了三個(gè)任務(wù)：

來(lái)自S函數(shù)的外部數(shù)據(jù)的輸入;

執(zhí)行100us的定時(shí)中斷(計(jì)算輸出電壓相位，輸出電壓指令)、741us的定時(shí)中斷(模擬PWM中斷，調(diào)用兩電平SVPWM調(diào)制算法)。

S函數(shù)輸出(輸出內(nèi)部監(jiān)視變量和PWM波占空比)

e. mdlUpdate回調(diào)函數(shù)

如果該塊具有離散的狀態(tài)變量，則在處理完所有塊的輸出函數(shù)之后的主要時(shí)間步中，將調(diào)用一次更新函數(shù)，本例未使用;

f. mdlTerminate回調(diào)函數(shù)

S函數(shù)終止時(shí)執(zhí)行的函數(shù)，本例未使用。

多個(gè)回調(diào)函數(shù)的執(zhí)行順序如下：

圖4 兩電平逆變器調(diào)制的S函數(shù)回調(diào)函數(shù)執(zhí)行順序

完成S函數(shù)的c文件的編寫后，需要在Matlab中調(diào)用編譯器對(duì)S函數(shù)的c文件進(jìn)行編譯。 由于Matlab存在32位和64位，調(diào)用的編譯器也不一樣。 32位直接使用自帶的lcc-win32即可，64位則需要額外安裝的VS的C++編譯器。 matlab通過(guò)mex-setup命令選擇編譯器。

本示例模型在Simulink的File->Model Properties->Model Properties->Callbacks->InitFcn中通過(guò)以下命令對(duì)S函數(shù)編譯，使模式在每次運(yùn)行時(shí)執(zhí)行該編譯命令生成格式mexw64的文件給Simulink模型調(diào)用：

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

03仿真結(jié)果

運(yùn)行仿真模型：INV_2L3Ph_SPWM.slx，在S函數(shù)的mdlOutputs回調(diào)函數(shù)中，調(diào)用Func_SVPWM_2L()調(diào)制函數(shù)之后，數(shù)組y_Scope輸出ABC三相PWM波的占空比為：

圖5 ABC三相PWM波的占空比

在S函數(shù)的mdlOutputs回調(diào)函數(shù)中采集了逆變器的模擬量，通過(guò)數(shù)組y_Scope輸出，其波形為：

圖6 S函數(shù)的輸出波形