0 引言

    在現(xiàn)代電力電子控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)中，DSP芯片以其優(yōu)越的運(yùn)算性能在控制算法領(lǐng)域得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。在對(duì)DSP的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，往往首先使用MATLAB/Simulink等軟件對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真，然后再進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，最后再將程序執(zhí)行結(jié)果與仿真結(jié)果對(duì)比并對(duì)程序進(jìn)行修改，且控制算法程序的驗(yàn)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(jìn)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(yīng)用MATLAB/Simulink中的CCSLink工具，來(lái)實(shí)現(xiàn)MATLAB/Simulink與DSP開(kāi)發(fā)環(huán)境CCS的互聯(lián)，從而通過(guò)CCS與MATLAB/Siumlink聯(lián)合仿真來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)控制算法的驗(yàn)證和調(diào)試。不僅可以實(shí)現(xiàn)仿真與程序調(diào)試的交互，而且還在硬件系統(tǒng)未準(zhǔn)備就緒的情況下實(shí)現(xiàn)控制算法程序的驗(yàn)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(shí)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(yàn)證控制算法，也可使仿真與開(kāi)發(fā)同時(shí)進(jìn)行，提高開(kāi)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(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，需要借助Simulink求解器來(lái)實(shí)現(xiàn)^[2]。求解器分為離散求解器和連續(xù)求解器。Simulink對(duì)離散系統(tǒng)的仿真核心是對(duì)離散系統(tǒng)差分方程的求解，且結(jié)果精確。而對(duì)連續(xù)系統(tǒng)進(jìn)行仿真時(shí)，則通過(guò)對(duì)連續(xù)系統(tǒng)微分或偏微分方程進(jìn)行求解，且解為近似解，因此Simulink的連續(xù)求解器分為定步長(zhǎng)求解器和變步長(zhǎng)求解器。對(duì)于定步長(zhǎng)求解器，不存在誤差控制的問(wèn)題，而對(duì)于變步長(zhǎng)求解器，仿真步長(zhǎng)會(huì)受到絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差的控制，只有求解誤差滿足相應(yīng)誤差范圍，才會(huì)進(jìn)行下一步仿真^[3]。

    然而在實(shí)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(zhǎng)求解器可以同時(shí)滿足離散系統(tǒng)和連續(xù)系統(tǒng)的求解。連續(xù)變步長(zhǎng)求解器先以最大步長(zhǎng)進(jìn)行求解，若該仿真區(qū)間內(nèi)有離散狀態(tài)更新，步長(zhǎng)便減小到與離散狀態(tài)的更新相吻合，之后再計(jì)算積分誤差以控制求解，若求解誤差滿足誤差范圍，則進(jìn)行下一步仿真，否則縮小時(shí)間間隔，重復(fù)此過(guò)程進(jìn)行求解仿真。

    Simulink求解器雖然是Simulink進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真的核心，但求解器計(jì)算出的系統(tǒng)狀態(tài)和仿真步長(zhǎng)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(guò)零檢測(cè)則用來(lái)檢測(cè)系統(tǒng)中是否有事件發(fā)生。當(dāng)系統(tǒng)在前一仿真步長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)發(fā)生了過(guò)零事件，變步長(zhǎng)求解器就會(huì)縮小仿真步長(zhǎng),目的是判定事件發(fā)生的準(zhǔn)確時(shí)間。交互原理見(jiàn)圖1。

1.2 MATLAB/Simulink與CCS聯(lián)合仿真原理

    DSP在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制時(shí)，一般以一定頻率采集系統(tǒng)中的電量參數(shù)，運(yùn)算后輸出控制信號(hào)。在MATLAB/Simulink與CCS進(jìn)行聯(lián)合仿真時(shí)，MATLAB可以將Simulink仿真模型中每一仿真步長(zhǎng)的仿真電量參數(shù)通過(guò)CCSlink傳遞給CCS，再通過(guò)CCS傳遞給DSP板，DSP板經(jīng)過(guò)運(yùn)算后輸出控制信號(hào)通過(guò)CCS傳輸給Simulink作為下一仿真步長(zhǎng)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(jiàn)圖2。

2 MATLAB與CCS聯(lián)合仿真平臺(tái)的構(gòu)建

2.1 MATLAB與CCS的連接接口

    為了實(shí)現(xiàn)聯(lián)合仿真，首先需要使用CCSLink工具來(lái)實(shí)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(duì)象^[5]。

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

    (2)RTDX(Real Time Data Exchange)：該接口可實(shí)現(xiàn)MATLAB與目標(biāo)DSP的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互。通過(guò)打開(kāi)、使能、關(guān)閉或禁止目標(biāo)DSP 的RTDX通道，來(lái)實(shí)現(xiàn)MATLAB通過(guò)該通道向目標(biāo)DSP進(jìn)行操作或讀取數(shù)據(jù)，且交互過(guò)程中不需要停止目標(biāo)DSP程序的執(zhí)行。RTDX連接對(duì)象只是CCS連接對(duì)象的一個(gè)子類，在創(chuàng)建CCS連接對(duì)象的同時(shí)創(chuàng)建RTDX連接對(duì)象，它們不能分別創(chuàng)建。

    (3)嵌入式對(duì)象：該接口可在MATLAB中創(chuàng)建一個(gè)對(duì)象，該對(duì)象代表嵌入在目標(biāo)C程序中的變量。利用嵌入式對(duì)象可直接訪問(wèn)目標(biāo)DSP中存儲(chǔ)器和寄存器中的變量，即把目標(biāo)C程序中的變量作為MATLAB中的一個(gè)變量來(lái)對(duì)待^[4]。

2.2 CCS IDE腳本文件關(guān)鍵編寫(xiě)步驟

    CCS IDE提供了ccsdsp函數(shù)和ticcs函數(shù)來(lái)建立CCS操作對(duì)象，即將CCS映射為MATLAB中的一個(gè)操作對(duì)象，這樣就可以通過(guò)調(diào)用相關(guān)MATLAB函數(shù)來(lái)控制CCS軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)DSP目標(biāo)板上的程序進(jìn)行在線調(diào)試。腳本文件編寫(xiě)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(kāi)CCS3.3,在Code Coposer Studio Setup中設(shè)置所使用的目標(biāo)DSP型號(hào)及仿真器型號(hào)。若需要使用CCS的軟件仿真功能，可在Platform下選擇Simulator。

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

    (4)使用步驟(3)得到的Board Num與Proc Num，通過(guò)ticcs建立CCS對(duì)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(biāo)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(shí)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(guò)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(yǔ)句關(guān)聯(lián)到tgtSymbol。如下示例便實(shí)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(diǎn)，設(shè)置斷點(diǎn)所用函數(shù)為cc.insert();且一般斷點(diǎn)都設(shè)置在DSP采樣或運(yùn)算完成后。當(dāng)程序運(yùn)行到斷點(diǎn)處時(shí)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(diǎn)一般都設(shè)置在DSP采樣或運(yùn)算完成后，所以可控制程序運(yùn)行到斷點(diǎn)處。此時(shí)程序暫停執(zhí)行，可通過(guò)CCS讀取DSP更新后的控制信號(hào)，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(shí)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(jì)較為復(fù)雜，每一個(gè)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(wú)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(lái)實(shí)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(guò)S-Function設(shè)計(jì)出Simulink來(lái)實(shí)現(xiàn)算法設(shè)計(jì)，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(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)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(yǔ)言的M文件，分為L(zhǎng)evel_1和Level_2兩種。另一種是基于C語(yǔ)言，C++語(yǔ)言或者FORTRAN語(yǔ)言等編寫(xiě)的MEX文件。S-Function函數(shù)對(duì)比見(jiàn)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(xiě)上較為復(fù)雜，且編譯后的后續(xù)設(shè)置也比較復(fù)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(xiě)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(xiě)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(shí)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(duì)輸入和輸出端口數(shù)量及數(shù)據(jù)屬性、采樣時(shí)間、參數(shù)輸入中的參數(shù)數(shù)量與屬性、注冊(cè)各功能函數(shù)等進(jìn)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(cè)后才能被Simulink使用。功能子函數(shù)的名稱可自定義，無(wú)需與相應(yīng)的子函數(shù)注冊(cè)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(kāi)關(guān)

4.1 混合式固態(tài)開(kāi)關(guān)工作原理

    在當(dāng)前的輸配電領(lǐng)域中，機(jī)械式斷路器仍被大規(guī)模應(yīng)用。但由于機(jī)械式斷路器在通斷過(guò)程中容易產(chǎn)生涌流和電弧。為此開(kāi)發(fā)了混合式固態(tài)開(kāi)關(guān)，該種開(kāi)關(guān)將電子開(kāi)關(guān)與旁路斷路器并聯(lián)，合閘時(shí)電子開(kāi)關(guān)先導(dǎo)通，在電壓過(guò)零時(shí)旁路斷路器合閘，隨后電子開(kāi)關(guān)關(guān)斷，旁路斷路器長(zhǎng)期導(dǎo)通；當(dāng)分閘時(shí)電子開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，在電流過(guò)零時(shí)旁路斷路器分閘，隨后電子開(kāi)關(guān)關(guān)斷。這就實(shí)現(xiàn)了開(kāi)通關(guān)斷無(wú)涌流無(wú)電弧^[8]。圖5所示為混合式固態(tài)開(kāi)關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

4.2 混合式固態(tài)開(kāi)關(guān)模型的構(gòu)建

    Simulink構(gòu)建的混合式固態(tài)開(kāi)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(kāi)關(guān)、接地開(kāi)關(guān)、混合式固態(tài)開(kāi)關(guān)和阻性負(fù)載；二次系統(tǒng)模型包括控制模塊、電壓電流檢測(cè)模塊、上位機(jī)模塊、顯示模塊和開(kāi)入開(kāi)出模塊。

    控制模塊是混合式固態(tài)開(kāi)關(guān)二次系統(tǒng)的核心，而其中的由S-Function函數(shù)編寫(xiě)的自定義模塊Simulink-CCS則是實(shí)現(xiàn)聯(lián)合仿真的核心?？刂颇K功能是將混合式固態(tài)開(kāi)關(guān)主電路的電壓、電流、開(kāi)入信號(hào)及上位機(jī)模塊的起停等信號(hào)通過(guò)CCSLink傳遞給CCS軟件，CCS軟件將這些信號(hào)傳遞給目標(biāo)DSP來(lái)進(jìn)行處理和執(zhí)行相應(yīng)算法，隨后目標(biāo)DSP將隔離斷路器動(dòng)作、接地開(kāi)關(guān)動(dòng)作和旁路斷路器動(dòng)作等開(kāi)出信號(hào)和晶閘管觸發(fā)等控制信號(hào)反饋到CCS，CCSLink再讀取這些信號(hào)給開(kāi)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(dāng)混合式固態(tài)開(kāi)關(guān)開(kāi)通信號(hào)發(fā)出后，a觸發(fā)脈沖立刻發(fā)出，從圖中可見(jiàn)開(kāi)通脈沖在相電壓接近零值時(shí)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(hào)發(fā)出為止。當(dāng)混合式固態(tài)開(kāi)關(guān)關(guān)閉信號(hào)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(kāi)信號(hào)發(fā)出為止，此后晶閘管在電流過(guò)零時(shí)自然關(guān)斷。B、C相原理同A相。

    圖7為混合式固態(tài)開(kāi)關(guān)啟動(dòng)時(shí)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(kāi)始變化，證明了開(kāi)通時(shí)無(wú)涌流。

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

5 結(jié)論

    本文針對(duì)在傳統(tǒng)電力電子控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，仿真與控制算法的實(shí)現(xiàn)存在無(wú)交互性、開(kāi)發(fā)效率低下等問(wèn)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(tái)的構(gòu)建方法和聯(lián)合仿真實(shí)現(xiàn)的方法。著重介紹了CCS IDE腳本文件編寫(xiě)與基于Level_2的S-Functon函數(shù)編寫(xiě)的關(guān)鍵步驟。最后通過(guò)混合式固態(tài)開(kāi)關(guān)在聯(lián)合仿真下的研究，驗(yàn)證了聯(lián)合仿真思想、仿真平臺(tái)的構(gòu)建及實(shí)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(kāi)發(fā)效率，在電力電子控制系統(tǒng)等領(lǐng)域具有較高的實(shí)用價(jià)值。

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