0 引言

    在現(xiàn)代電力電子控制系統(tǒng)的開發(fā)中，DSP芯片以其優(yōu)越的運算性能在控制算法領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應用。在對DSP的開發(fā)過程中，往往首先使用MATLAB/Simulink等軟件對控制系統(tǒng)進行仿真，然后再進行程序設(shè)計，最后再將程序執(zhí)行結(jié)果與仿真結(jié)果對比并對程序進行修改，且控制算法程序的驗證與調(diào)試都需要完整的電力電子硬件系統(tǒng)，并有硬件電路工程師的配合才能較為順利地進行，然而這種傳統(tǒng)的方法效率低下，且不具有靈活性。基于此，提出了CCS與MATLAB/Simulink聯(lián)合仿真的思想，可先在MATLAB/Simulink中搭建硬件系統(tǒng)，應用MATLAB/Simulink中的CCSLink工具，來實現(xiàn)MATLAB/Simulink與DSP開發(fā)環(huán)境CCS的互聯(lián)，從而通過CCS與MATLAB/Siumlink聯(lián)合仿真來實現(xiàn)對控制算法的驗證和調(diào)試。不僅可以實現(xiàn)仿真與程序調(diào)試的交互，而且還在硬件系統(tǒng)未準備就緒的情況下實現(xiàn)控制算法程序的驗證與調(diào)試，同樣的方法不僅適用于電力電子控制系統(tǒng)，還適用于其他基于DSP實現(xiàn)的控制系統(tǒng)。因此，CCS與MATLAB/Simulink的聯(lián)合仿真不僅可以快速驗證控制算法，也可使仿真與開發(fā)同時進行，提高開發(fā)效率^[1]。

1 MATLAB/Simulink與CCS聯(lián)合仿真的基本原理

1.1 Simulink仿真原理

    Simulink進行動態(tài)仿真，需要借助Simulink求解器來實現(xiàn)^[2]。求解器分為離散求解器和連續(xù)求解器。Simulink對離散系統(tǒng)的仿真核心是對離散系統(tǒng)差分方程的求解，且結(jié)果精確。而對連續(xù)系統(tǒng)進行仿真時，則通過對連續(xù)系統(tǒng)微分或偏微分方程進行求解，且解為近似解，因此Simulink的連續(xù)求解器分為定步長求解器和變步長求解器。對于定步長求解器，不存在誤差控制的問題，而對于變步長求解器，仿真步長會受到絕對誤差和相對誤差的控制，只有求解誤差滿足相應誤差范圍，才會進行下一步仿真^[3]。

    然而在實際系統(tǒng)中，很少存在單純的離散系統(tǒng)或者連續(xù)系統(tǒng)，多為混合式系統(tǒng)，而連續(xù)變步長求解器可以同時滿足離散系統(tǒng)和連續(xù)系統(tǒng)的求解。連續(xù)變步長求解器先以最大步長進行求解，若該仿真區(qū)間內(nèi)有離散狀態(tài)更新，步長便減小到與離散狀態(tài)的更新相吻合，之后再計算積分誤差以控制求解，若求解誤差滿足誤差范圍，則進行下一步仿真，否則縮小時間間隔，重復此過程進行求解仿真。

    Simulink求解器雖然是Simulink進行動態(tài)仿真的核心，但求解器計算出的系統(tǒng)狀態(tài)和仿真步長與系統(tǒng)模型的直接交互也非常重要。交互的核心是事件通知，而過零檢測則用來檢測系統(tǒng)中是否有事件發(fā)生。當系統(tǒng)在前一仿真步長時間內(nèi)發(fā)生了過零事件，變步長求解器就會縮小仿真步長,目的是判定事件發(fā)生的準確時間。交互原理見圖1。

1.2 MATLAB/Simulink與CCS聯(lián)合仿真原理

    DSP在對系統(tǒng)進行控制時，一般以一定頻率采集系統(tǒng)中的電量參數(shù)，運算后輸出控制信號。在MATLAB/Simulink與CCS進行聯(lián)合仿真時，MATLAB可以將Simulink仿真模型中每一仿真步長的仿真電量參數(shù)通過CCSlink傳遞給CCS，再通過CCS傳遞給DSP板，DSP板經(jīng)過運算后輸出控制信號通過CCS傳輸給Simulink作為下一仿真步長中仿真模型的控制量。如此循環(huán)直至仿真結(jié)束^[4]。仿真流程見圖2。

2 MATLAB與CCS聯(lián)合仿真平臺的構(gòu)建

2.1 MATLAB與CCS的連接接口

    為了實現(xiàn)聯(lián)合仿真，首先需要使用CCSLink工具來實現(xiàn)MATLAB與CCS的連接。MATLAB/Simulink與 CCS之間的關(guān)系如圖3所示，CCSLink工具提供了3種連接接口，即CCS IDE、RTDX和嵌入式對象^[5]。

    (1)CCS IDE：該接口允許MATLAB在命令窗口中啟動和停止目標DSP中的程序，并與目標DSP進行數(shù)據(jù)交互、監(jiān)視目標DPS狀態(tài)等。用戶也可以編寫MATLAB程序腳本來實現(xiàn)CCS與MATLAB交互和分析的自動化。

    (2)RTDX(Real Time Data Exchange)：該接口可實現(xiàn)MATLAB與目標DSP的實時數(shù)據(jù)交互。通過打開、使能、關(guān)閉或禁止目標DSP 的RTDX通道，來實現(xiàn)MATLAB通過該通道向目標DSP進行操作或讀取數(shù)據(jù)，且交互過程中不需要停止目標DSP程序的執(zhí)行。RTDX連接對象只是CCS連接對象的一個子類，在創(chuàng)建CCS連接對象的同時創(chuàng)建RTDX連接對象，它們不能分別創(chuàng)建。

    (3)嵌入式對象：該接口可在MATLAB中創(chuàng)建一個對象，該對象代表嵌入在目標C程序中的變量。利用嵌入式對象可直接訪問目標DSP中存儲器和寄存器中的變量，即把目標C程序中的變量作為MATLAB中的一個變量來對待^[4]。

2.2 CCS IDE腳本文件關(guān)鍵編寫步驟

    CCS IDE提供了ccsdsp函數(shù)和ticcs函數(shù)來建立CCS操作對象，即將CCS映射為MATLAB中的一個操作對象，這樣就可以通過調(diào)用相關(guān)MATLAB函數(shù)來控制CCS軟件實現(xiàn)對DSP目標板上的程序進行在線調(diào)試。腳本文件編寫關(guān)鍵步驟如下^[1]：

    (1)仿真前需安裝CCS 3.3軟件及MATLAB R2009a以上版本。

    (2)打開CCS3.3,在Code Coposer Studio Setup中設(shè)置所使用的目標DSP型號及仿真器型號。若需要使用CCS的軟件仿真功能，可在Platform下選擇Simulator。

    (3)打開MATLAB，在命令窗口輸入ccsboardinfo，則會顯示DSP和仿真器型號，選擇與所使用相符合的DSP和仿真器型號，并記錄下相應的仿真器編號Board Num與DSP編號Proc Num。

    (4)使用步驟(3)得到的Board Num與Proc Num，通過ticcs建立CCS對象，并顯示調(diào)試界面：

    isIDEVisible=cc.visiable;

    visible(cc,1);

    cc=ticcs('boardnum',x,'procnum',y);

    (5)在MATLAB中加載CCS工程文件夾，并在編譯后加載可執(zhí)行文件。函數(shù)中需要標示出.prj與.out文件路徑，示例如下：

    cc.open('F:\MATLAB_CCS\F2812\SSS.prj');

    cc.build;

    cc.load('F:\MATLAB_CCS\F2812\SSS.out');

    (6)MATLAB與CCS數(shù)據(jù)交互的設(shè)置。MATLAB只能識別與調(diào)用CCS中的全局變量。所以可利用函數(shù)list(cc，'globlevar')通過MATLAB的命令窗口顯示出CCS所有的全局變量以便調(diào)用。如若需要添加新的交互變量，可使用symbolInfo語句關(guān)聯(lián)到tgtSymbol。如下示例便實現(xiàn)了使CCS全局變量a作為交互量：

    tgtSymbol=list(cc,'globlevar');

    tgtSymbol.a=symbolInfo.a;

    (7)MATLAB與CCS的數(shù)據(jù)交互，需要在CCS程序中設(shè)置斷點，設(shè)置斷點所用函數(shù)為cc.insert();且一般斷點都設(shè)置在DSP采樣或運算完成后。當程序運行到斷點處時MATLAB將數(shù)據(jù)傳遞給CCS，所用函數(shù)為cc.write();若變量為結(jié)構(gòu)體變量，則在tgtsymble后輸入結(jié)構(gòu)體變量名，在number后輸入結(jié)構(gòu)體成員名，示例如下：

    cc.insert('main.c',101,'break');

    cc.write(tgtSymbol.Ua,address.DSPsig(1));

    cc.write(tgtSymbol.CMD_HMI,members.SSS_start_stop,

    address.DSPsig(2));

    (8)由于斷點一般都設(shè)置在DSP采樣或運算完成后，所以可控制程序運行到斷點處。此時程序暫停執(zhí)行，可通過CCS讀取DSP更新后的控制信號，供MATLAB下一步仿真使用，示例如下：

    run(cc.'runtohalt');

    DSPsum(1)=read(cc,tgtSymbol.FCS1.address,'int32',1);

    (9)關(guān)閉CCS IDE,清除變量：

    clear cc tgtSymbol is IdeVisiable;

    end;

3 MATLAB與CCS聯(lián)合仿真的實現(xiàn) 

3.1 S-Function函數(shù)的原理

    在MATLAB與CCS的聯(lián)合仿真中，不僅算法設(shè)計較為復雜，每一個仿真步需要精確定位，且每次仿真中都需要輸入大量的指令，MATLAB提供的Simulink仿真模塊已無法滿足這些需求。所以需要在MATLAB中以編程的方式即S-Function(System Function系統(tǒng)函數(shù))來實現(xiàn)。

    S-Function是MATLAB提供的可以讓用戶自定義Simulink模塊的功能。用戶可通過S-Function設(shè)計出Simulink來實現(xiàn)算法設(shè)計，并將其嵌入到系統(tǒng)模型中，最終在仿真中與Simulink自帶的其他模塊實現(xiàn)對復雜系統(tǒng)的仿真^[6]。MATLAB與CCS聯(lián)合仿真框圖如圖4所示。

    S-Function有兩種類型，一種是基于MATLAB語言的M文件，分為Level_1和Level_2兩種。另一種是基于C語言，C++語言或者FORTRAN語言等編寫的MEX文件。S-Function函數(shù)對比見表1。

    鑒于Level_1類型的S-Function在數(shù)據(jù)處理上的局限性和MEX文件形式的S-Function在編寫上較為復雜，且編譯后的后續(xù)設(shè)置也比較復雜，文章使用了Level_2類型的S-Function。

3.2 基于Level_2的S-Function函數(shù)的關(guān)鍵編寫步驟

    Level_2的S-Function包含三部分，分別是：主函數(shù)、模塊設(shè)置函數(shù)和功能子函數(shù)。其中功能子函數(shù)為可選函數(shù)。關(guān)鍵編寫步驟如下^[7]：

    (1)主函數(shù)的定義。主函數(shù)函數(shù)名可自定義，在調(diào)用時只需輸入該M文件的文件名即可，示例如下：

    function ghp_sfcn(block)

    setup (block);

    %end function

    (2)模塊設(shè)置函數(shù)的定義。模塊設(shè)置函數(shù)可對輸入和輸出端口數(shù)量及數(shù)據(jù)屬性、采樣時間、參數(shù)輸入中的參數(shù)數(shù)量與屬性、注冊各功能函數(shù)等進行設(shè)置，示例如下：

    function setup(block)

    block.NumInputPorts=1;

    block.NumOutputPorts=1;

    block.InputPort(1).Complexity='real';

    block.OutputPort(1).Complexity='real';

    ……

    block.SampleTimes=[1e-4 0];

    ……

    block.NumDialogPrms = 1;

    block.DialogPrmsTunable={'Nontuna}; 

    ……

    block.RegBlockMethod('Start',@Start);

    (3)功能子函數(shù)的定義。功能子函數(shù)的使用必須在模塊設(shè)置函數(shù)注冊后才能被Simulink使用。功能子函數(shù)的名稱可自定義，無需與相應的子函數(shù)注冊名相同。以Terminate終止函數(shù)為例，示例如下：

    function Terminate(block)

    UDATA=get_param(block.BlockHandle,'UserData');

    UDATA.fcnHandle('Terminate');  

4 基于CCS與Simulink聯(lián)合仿真的混合式固態(tài)開關(guān)

4.1 混合式固態(tài)開關(guān)工作原理

    在當前的輸配電領(lǐng)域中，機械式斷路器仍被大規(guī)模應用。但由于機械式斷路器在通斷過程中容易產(chǎn)生涌流和電弧。為此開發(fā)了混合式固態(tài)開關(guān)，該種開關(guān)將電子開關(guān)與旁路斷路器并聯(lián)，合閘時電子開關(guān)先導通，在電壓過零時旁路斷路器合閘，隨后電子開關(guān)關(guān)斷，旁路斷路器長期導通；當分閘時電子開關(guān)導通，在電流過零時旁路斷路器分閘，隨后電子開關(guān)關(guān)斷。這就實現(xiàn)了開通關(guān)斷無涌流無電弧^[8]。圖5所示為混合式固態(tài)開關(guān)拓撲結(jié)構(gòu)。

4.2 混合式固態(tài)開關(guān)模型的構(gòu)建

    Simulink構(gòu)建的混合式固態(tài)開關(guān)模型，一次系統(tǒng)模型包括三相交流電網(wǎng)、高壓側(cè)斷路器、變壓器、隔離開關(guān)、接地開關(guān)、混合式固態(tài)開關(guān)和阻性負載；二次系統(tǒng)模型包括控制模塊、電壓電流檢測模塊、上位機模塊、顯示模塊和開入開出模塊。

    控制模塊是混合式固態(tài)開關(guān)二次系統(tǒng)的核心，而其中的由S-Function函數(shù)編寫的自定義模塊Simulink-CCS則是實現(xiàn)聯(lián)合仿真的核心。控制模塊功能是將混合式固態(tài)開關(guān)主電路的電壓、電流、開入信號及上位機模塊的起停等信號通過CCSLink傳遞給CCS軟件，CCS軟件將這些信號傳遞給目標DSP來進行處理和執(zhí)行相應算法，隨后目標DSP將隔離斷路器動作、接地開關(guān)動作和旁路斷路器動作等開出信號和晶閘管觸發(fā)等控制信號反饋到CCS，CCSLink再讀取這些信號給開出模塊和控制主電路。

4.3 聯(lián)合仿真結(jié)果

    圖6為DSP發(fā)送給A相晶閘管觸發(fā)脈沖與A相電壓的波形圖。當混合式固態(tài)開關(guān)開通信號發(fā)出后，a觸發(fā)脈沖立刻發(fā)出，從圖中可見開通脈沖在相電壓接近零值時給出，這就避免了合閘涌流，a脈沖一直持續(xù)到旁路斷路器可靠閉合信號發(fā)出為止。當混合式固態(tài)開關(guān)關(guān)閉信號發(fā)出后，b觸發(fā)脈沖立即發(fā)出，持續(xù)到旁路斷路器可靠斷開信號發(fā)出為止，此后晶閘管在電流過零時自然關(guān)斷。B、C相原理同A相。

    圖7為混合式固態(tài)開關(guān)啟動時A、B、C三相電流波形，從圖中可看出三相電流均從接近零值開始變化，證明了開通時無涌流。

    圖8為混合式固態(tài)開關(guān)關(guān)斷時A、B、C三相電流波形，從圖中可看出三相均在電流過零時自然關(guān)斷。

5 結(jié)論

    本文針對在傳統(tǒng)電力電子控制系統(tǒng)開發(fā)過程中，仿真與控制算法的實現(xiàn)存在無交互性、開發(fā)效率低下等問題，提出了基于CCS與MATLAB/Simulink聯(lián)合仿真的思想，介紹了聯(lián)合仿真的基本原理，并給出了聯(lián)合仿真平臺的構(gòu)建方法和聯(lián)合仿真實現(xiàn)的方法。著重介紹了CCS IDE腳本文件編寫與基于Level_2的S-Functon函數(shù)編寫的關(guān)鍵步驟。最后通過混合式固態(tài)開關(guān)在聯(lián)合仿真下的研究，驗證了聯(lián)合仿真思想、仿真平臺的構(gòu)建及實現(xiàn)方法的正確性。也證明了聯(lián)合仿真可提高控制算法開發(fā)效率，在電力電子控制系統(tǒng)等領(lǐng)域具有較高的實用價值。

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