S-Function在TMS320F2812的SVPWM算法仿真

钟美兰,程玉华,关健,雷凯,罗建明

(1.电子科技大学自动化工程学院,成都611731;2.东汽投资发展有限公司)

钟美兰(硕士研究生),研究方向为光伏并网逆变技术;黄建国(教授),研究领域为电子测量仪器与电力系统自动化;程玉华(副教授),研究领域为测试仪器仪表、精密无损检测技术、电力电子技术。

引 言

利用MATLAB仿真CCS算法的方法在很多文章中都有介绍,归纳起来主要有两类:一类是利用MATLAB/Simulink中的S-Function编写所需算法模块[1],仿真成功后将算法移植到CCS中建立新的算法工程;另一类是在MATLAB中建立仿真模型,然后通过CClink的直接代码生成法建立CCS工程文件[2]。这两类方法都有各自的缺点。第一类方法只注重对算法思想的验证,要在CCS中实现却要经过很复杂的算法移植过程,增加了算法实现的难度。第二类方法避免了此类问题,而将M ATLAB仿真模型直接生成CCS代码,省略了再移植的过程,然而这种方法形成的代码具有可读性差、缺乏优化、占用资源大等缺点,使得TMS320F2812芯片的内存利用率大大降低。结合这两种方法的优点和弊端,本文利用C-MEX S-Function提出了一种全新的将CCS程序与MATLAB仿真联系起来的方法,实现了CCS程序到MATLAB仿真的简单移植。该方法高效、简单并且易于理解和实现,可以通过S-Function作为接口直接使用CCS编写的SVPWM程序在MATLAB环境下进行仿真,算法验证正确后不用再修改程序可直接在CCS中编译并下载到目标板使用。这就大大降低了仿真与实际应用之间转化的难度,也简化了软件人员在几种编程环境中反复修改程序的过程。

1 S-Function程序建立方法

S-Function有两种建立方式,一种是用 M文件来实现,另一种是用C-MEX来实现。前者效率低下,但是开发速度快,可以方便调用MATLAB和工具箱函数;后者支持不同的编程语言,如:C、C++、Fortran等,运行速度快,满足实时性要求,可以实现M文件不能实现的许多功能,如复数的处理等。

考虑到基于TMS320F2812的SVPWM算法仿真对实时性要求比较高,且CCS工程是用C语言编写的,因此本文选用C-M EX形式来建立S-Function程序。在MATLAB的安装根目录matlabroot/simulink/src下有一个用C语言编写的C-MEX S-Function文件模板:sfuntmpl_basic.c。该模板几乎包含了所有C-MEX S-function文件可执行的必需和可选的回调函数的基本结构,只需要进行少许改动,就可以实现各种功能的函数。

建立S-Function可以按以下步骤进行:

首先进行环境设置。初次使用C-MEX S-Function之前,需要在MATLAB中激活,可以在命令窗口键入mex–setup,然后根据提示设置编译器。

然后打开C-MEX S-Function文件模板,将模板另存为svpwm.c文件,然后再进行必要的设置,这样不会破坏模板,当需要其中的一些必要函数时还可以再查阅。模板中的第一行代码#define S_FUNCTION_NAME XXX是用来设置函数名的,这是调用函数时的唯一标识,这里可以将其改为#define S_FUNCTION_NAME svpwm,那么svpwm就是该函数的函数名。

最后编译动态链接库。S-Function函数编写完成后,需要在MTLAB中进行编译生成动态链接库与Simulink链接,这样才能在模型中调用S-Function模块。注意编写的文件与生成的文件以及建立的模型都必须在同一目录下。在MATLAB的命令窗口输入mex svpwm.c,这样就会在当前目录下创建一个svpwm.dll文件。在模型中加入S-Function模块,并双击它,在sfunction name一栏填入函数名svpwm。注意这个函数名要与接口程序中设置的函数名保持一致。这样就可以在模型中使用S-Function函数模块了。

2 实现CCS中SVPWM算法移植

2.1 SVPWM算法原理简单介绍

空间矢量调制(SVPWM)技术即是将3个互为 120°的电压矢量投影到两相静止坐标系中,通过三相逆变器开关组合,合成一个空间电压矢量的方法。

三相逆变器电路如图1所示,用Sa、Sb和Sc分别表示三组开关的通断状态。采用180°导通方式,“1”表示上桥臂导通,“0”表示下桥臂导通。这样就形成了8种开关组合状态 ,分别是 100 、110 、010 、011 、001 、101 、111 、000 。

图1 三相逆变器电路

每个开关序列对应一个基准电压矢量,按空间位置排列正好形成了一个六边形。其中,有6个有效电压空间矢量(V1～V6)和2个零矢量(V7、V8),选用对称的空间矢量调制序列以消除偶次谐波[4]。具体开关状态Sa、Sb、Sc与电压矢量在两相静止坐标系中的关系以及各扇区和开关序列图如图2所示。

图2 SVPWM电压矢量、扇区、开关序列图

无论电压矢量落在哪个扇区,都可以用相邻的两个有效电压矢量和零矢量对其合成。这里以扇区3为例,Vref=Vα+jVβ,Vx、Vy代表相邻电压矢量(即 V1、V2)。Tpwm是开关周期,T0、Tx、Ty分别是零矢量、Vx、Vy的作用时间。当开关周期远小于信号周期时,在一个开关周期中可以认为电压矢量是不变的,即[5]:

为了保证波形对称,把每个状态的作用时间一分为二,正如图2中的开关序列图所示,这样既能控制电压输出的大小,又能消除偶次谐波。

将每个扇区中各电压矢量作用时间都计算出来,按照图2所示的对称序列分别分配给3个开关序列Sa、Sb、Sc,并转换为TMS320F2812三个比较寄存器的比较值,便可输出脉宽不同的脉冲波且基频是互为120°的正弦波。

2.2 移植SVPWM工程为S-Function函数

根据上述原理在CCS中建立了一个基于TMS320F2812的SVPWM算法工程,包含对DSP进行系统初始化,并初始化所需外设,如EVA、GPIO、PIE等。基本算法存于DSP28_svpwm.c文件中。具体功能配置可以参考相关书籍[6],篇幅所限,这里不再累述。DSP在每个上溢中断或下溢中断时调用SVPWM算法进行扇区判断、作用时间计算及比较值的确定,然后将比较值赋给EVA的3个比较值寄存器。通过与EVA的双向计数器进行比较,产生3路占空比不同的脉冲波,通过GPIO_A口的PWM1、PWM3、PWM5输出,并且 DSP会自动将这3路信号进行反向,通过另外3个GPIO_A口(PWM2、PWM4、PWM6)输出。

在MATLAB中打开之前,由模板另外存为svpwm.c文件。该文件主要用于实现对CCS程序的接口移植,部分重要函数见本刊网站www.mesnet.com.cn——编者注。

函数都是在其他C文件中编写的,所以在本文件的开头包含所用到的头文件和C文件,并且将所用的头文件和C文件都与建立的模型放在同一目录下。这也是该种链接方法的关键和精髓,仿真完成后可以不需要改动CCS程序便可直接在CCS中编译使用。

3 仿真模型与仿真结果

在MATLAB/Simulink中搭建一个理想的三相全桥逆变器系统,用以验证SVPWM算法的正确性。模型如图3所示,其中SVPWM模块被封装成了一个子系统,以便系统进行管理和扩展。对三相电压进行采样,将得到的值送入SVPWM子系统中进行处理。

图3 系统仿真模型图

这里需要将三相电压Va、Vb、Vc进行坐标系变换,变为两相静止坐标系中的电压Vα、Vβ,作为S-Function的输入参数。坐标变换也用一个子系统完成,如图4所示。在该子系统中调用C-MEX编写的S-Function进行比较值的计算,并通过produce PWM输出波形。

图4 SVPWM子系统模型图

在系统仿真模型中,开关频率为9 kHz,直流母线电压为350 V,三相电压为给定的峰峰值 159 V,频率50 Hz,互差120°的正弦电压。经过10 s仿真得到的仿真结果如图5所示。

从仿真结果中可以看出,三相全桥输出的电压波形与三相参考电压波形完全同频同相,这也验证了CCS中SVPWM算法的正确性和可行性。

结 语

随着科学技术的日益发展,不同软件间的联系也越来越紧密,完成一项工程通常需要熟悉和掌握几种软件。作为算法仿真的必备软件,MATLAB已经提供了与其他软件建立通信的方法,但是也不可能做到面面俱到。本文利用S-Function简单有效地实现了CCS程序到MATLAB仿真的移植,并得出正确结果,为CCS程序与 MATLAB仿真的连接提供了一种简单有效的途径,大大降低了算法移植的难度,简化了程序员的软件编写流程,在实际工程中具有较为广泛的应用前景。

[1]赵强,赵仁德,王平.基于C MEX S-函数的 SVPWM仿真研究[J].变流技术与电力牵引,2008(5):1-4.

[2]梅志红,赵莉.基于CCS环境和MAT LAB仿真的FIR数字滤波器实现[J].电气电子教学学报,2005,27(3).

[3]薛定语,陈阳泉.基于MAT LAB/Simulink的系统仿真技术与应用[M].北京:清华大学出版社,2002.

[4]王兆安,黄俊.电子电力技术[M].北京:机械工业出版社,2008.

[5]徐德鸿.电子电力系统建模及控制[M].北京:机械工业出版社,2005.

[6]苏奎峰,吕强,耿庆峰,等.TMS320F2812原理与开发[M].北京:电子工业出版社,2005.