S-Function在TMS320F2812的SVPWM算法仿真

摘要：S-Function有兩種形式，一種是M文件，另一種是C-MEX文件，前者支持功能強(qiáng)大的工具箱，后者支持C、C++等語言，并且在仿真上更快速有效。基于TMS320C2812的SVPWM算法在TI的CCS軟件中實(shí)現(xiàn)，并且支持C、C++語言，這給程序通過S-Function移植到MATLAB中進(jìn)行仿真提供了一種有效途徑。利用在Simulink中搭建的三相全橋逆變器模型與S-Function編寫的算法模塊相結(jié)合，并進(jìn)行仿真，簡單有效地說明了S-Funetion的實(shí)際應(yīng)用并驗(yàn)證了SVPWM算法的正確性。
關(guān)鍵詞：S-Function；SVPWM；MATLAB仿真；CCS

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，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。這兩類方法都有各自的缺點(diǎn)。第一類方法只注重對算法思想的驗(yàn)證，要在CCS中實(shí)現(xiàn)卻要經(jīng)過很復(fù)雜的算法移植過程，增加了算法實(shí)現(xiàn)的難度。第二類方法避免了此類問題，而將MATLAB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(diǎn)，使得TMS320F2812芯片的內(nèi)存利用率大大降低。結(jié)合這兩種方法的優(yōu)點(diǎn)和弊端，本文利用C-MEXS-Func-tion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(shí)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(shí)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(jìn)行仿真，算法驗(yàn)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(biāo)板使用。這就大大降低了仿真與實(shí)際應(yīng)用之間轉(zhuǎn)化的難度，也簡化了軟件人員在幾種編程環(huán)境中反復(fù)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(shí)現(xiàn)，另一種是用C-MEX來實(shí)現(xiàn)。前者效率低下，但是開發(fā)速度快，可以方便調(diào)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(yùn)行速度快，滿足實(shí)時(shí)性要求，可以實(shí)現(xiàn)M文件不能實(shí)現(xiàn)的許多功能，如復(fù)數(shù)的處理等。
    考慮到基于TMS320F2812的SVPWM算法仿真對實(shí)時(shí)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-MEX形式來建立S-Function程序。在MATLAB的安裝根目錄matlabroot／simulink／src下有一個(gè)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-MEXS-function文件可執(zhí)行的必需和可選的回調(diào)函數(shù)的基本結(jié)構(gòu)，只需要進(jìn)行少許改動(dòng)，就可以實(shí)現(xiàn)各種功能的函數(shù)。
    建立S-Function可以按以下步驟進(jìn)行：
    首先進(jìn)行環(huán)境設(shè)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(shè)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(jìn)行必要的設(shè)置，這樣不會(huì)破壞模板，當(dāng)需要其中的一些必要函數(shù)時(shí)還可以再查閱。模板中的第一行代碼#define S_FUNCTION_NAME XXX是用來設(shè)置函數(shù)名的，這是調(diào)用函數(shù)時(shí)的唯一標(biāo)識(shí)，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(dòng)態(tài)鏈接庫。S-Function函數(shù)編寫完成后，需要在MTLAB中進(jìn)行編譯生成動(dòng)態(tài)鏈接庫與Simulink鏈接，這樣才能在模型中調(diào)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(huì)在當(dāng)前目錄下創(chuàng)建一個(gè)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(gè)函數(shù)名要與接口程序中設(shè)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(shí)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(diào)制(SVPWM)技術(shù)即是將3個(gè)互為120°的電壓矢量投影到兩相靜止坐標(biāo)系中，通過三相逆變器開關(guān)組合，合成一個(gè)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(guān)的通斷狀態(tài)。采用180°導(dǎo)通方式，“1”表示上橋臂導(dǎo)通，“0”表示下橋臂導(dǎo)通。這樣就形成了8種開關(guān)組合狀態(tài)，分別是100、110、010、011、001、101、111、000。

     每個(gè)開關(guān)序列對應(yīng)一個(gè)基準(zhǔn)電壓矢量，按空間位置排列正好形成了一個(gè)六邊形。其中，有6個(gè)有效電壓空間矢量(V1～V6)和2個(gè)零矢量(V7、V8)，選用對稱的空間矢量調(diào)制序列以消除偶次諧波。具體開關(guān)狀態(tài)Sa、Sb、Sc與電壓矢量在兩相靜止坐標(biāo)系中的關(guān)系以及各扇區(qū)和開關(guān)序列圖如圖2所示。

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    無論電壓矢量落在哪個(gè)扇區(qū)，都可以用相鄰的兩個(gè)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(guān)周期，To、Tx、Ty分別是零矢量、Vx、Vy的作用時(shí)間。當(dāng)開關(guān)周期遠(yuǎn)小于信號(hào)周期時(shí)，在一個(gè)開關(guān)周期中可以認(rèn)為電壓矢量是不變的，即：

    為了保證波形對稱，把每個(gè)狀態(tài)的作用時(shí)間一分為二，正如圖2中的開關(guān)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(gè)扇區(qū)中各電壓矢量作用時(shí)間都計(jì)算出來，按照圖2所示的對稱序列分別分配給3個(gè)開關(guān)序列Sa、Sb、Sc，并轉(zhuǎn)換為TMS320F2812三個(gè)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(gè)基于TMS320F2812的SVPWM算法工程，包含對DSP進(jìn)行系統(tǒng)初始化，并初始化所需外設(shè)，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(guān)書籍，篇幅所限，這里不再累述。DSP在每個(gè)上溢中斷或下溢中斷時(shí)調(diào)用SVPWM算法進(jìn)行扇區(qū)判斷、作用時(shí)間計(jì)算及比較值的確定，然后將比較值賦給EVA的3個(gè)比較值寄存器。通過與EVA的雙向計(jì)數(shù)器進(jìn)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(huì)自動(dòng)將這3路信號(hào)進(jìn)行反向，通過另外3個(gè)GFIO_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(shí)現(xiàn)對CCS程序的接口移植。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(guān)鍵和精髓，仿真完成后可以不需要改動(dòng)CCS程序便可直接在CCS中編譯使用。

3 仿真模型與仿真結(jié)果
    在MATLAB／Simulink中搭建一個(gè)理想的三相全橋逆變器系統(tǒng)，用以驗(yàn)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(gè)子系統(tǒng)，以便系統(tǒng)進(jìn)行管理和擴(kuò)展。對三相電壓進(jìn)行采樣，將得到的值送入SVPWM子系統(tǒng)中進(jìn)行處理。

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

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    在系統(tǒng)仿真模型中，開關(guān)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50Hz，互差120°的正弦電壓。經(jīng)過10 s仿真得到的仿真結(jié)果如圖5所示。

    從仿真結(jié)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(yàn)證了CCS中SVPWM算法的正確性和可行性。

結(jié)語
    隨著科學(xué)技術(shù)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(xiàng)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(shí)現(xiàn)了CCS程序到MATLAB仿真的移植，并得出正確結(jié)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(shí)際工程中具有較為廣泛的應(yīng)用前景。