基于C MEX S函數(shù)的充電變流器控制系統(tǒng)仿真研究

宋宏彪，郭淑英，郭維，劉良杰，徐紹龍，王文韜

（中車株洲電力機車研究所有限公司，株洲 湖南省 412001）

基于C MEX S函數(shù)的充電變流器控制系統(tǒng)仿真研究

宋宏彪，郭淑英，郭維，劉良杰，徐紹龍，王文韜

（中車株洲電力機車研究所有限公司，株洲 湖南省 412001）

為了解決充電變流器控制系統(tǒng)的Simulink模型到實際程序的復雜轉換過程，采用基于C語言的S函數(shù)調用方法，將整個控制系統(tǒng)部分使用C語言程序實現(xiàn)，作為S函數(shù)供Simulink調用。仿真波形達到了預期的效果，很好地驗證了控制策略。仿真結果證明了采用C MEX S函數(shù)可以實現(xiàn)控制系統(tǒng)的快速性和有效性。

控制系統(tǒng)；充電變流器；C MEX

0 引言

目前，隨著人們對環(huán)境保護的重視，各種新型的環(huán)保交通工具被投入使用。儲能式電力牽引輕軌車輛是城市軌道交通車輛的一種新型式，也是適用于城市節(jié)能、高效、簡捷、低碳、環(huán)保的大眾交通工具，更適合在全國中小城市范圍內推廣，具有更廣闊的產(chǎn)業(yè)空間［1-4］。對于大型的超級電容儲能設備，在具有快速充電的同時，也提高了對充電設備的要求，需要短時提供大電流。因此，充電機的峰值功率較大，針對充電機的低壓大容量，需要使用多支路并聯(lián)的buck電路方式。本文研究了一種采用八個Buck支路的充電變流器作為超級電容的充電機。

在設計各種變流器的控制系統(tǒng)時，往往是先搭建Simulink模型進行仿真，然后將仿真模型轉換為C語言程序，再用于實際的數(shù)字控制器中。常規(guī)的仿真模型即使實現(xiàn)了控制策略，但是轉換為C語言的過程也是比較復雜的，而且不能完全保證轉換的正確性。文獻［5-8］使用C MEX的方法設計了控制對象的控制系統(tǒng)，取得了預期的效果。本文將該方法應用于充電變流器控制系統(tǒng)的設計過程中，采用C語言編寫了控制算法，編譯產(chǎn)生MEX文件后，采用S函數(shù)調用的方式來實現(xiàn)仿真模型的控制策略。仿真結果達到了預期的效果，不僅提高了仿真的快速性，而且編寫的C語言程序可以直接應用于數(shù)字控制器中。

1 充電變流器及其控制系統(tǒng)

超級電容的充電過程為短時大電流，因此，采用一種八支路并聯(lián)的結構。變流器的主電路結構示意圖如圖1所示。

圖1 充電變流器主電路圖Fig. 1 The main circuit of charging converter

從圖1中可以看出，充電變流器由八個半橋Buck變換器組成，直流電壓經(jīng)過橋臂斬波后，再經(jīng)過電感續(xù)流，給超級電容充電。為了使得輸出的電流諧波小，將這八個支路的PWM脈沖進行錯相，每個脈沖相移為2π/8rad，即為π/4rad。

為了實現(xiàn)超級電容的快速充電，需要充電變流器工作在兩種模式下，恒電流充電和恒功率充電?？刂葡到y(tǒng)的結構框圖如圖2所示：

圖2 充電變流器控制系統(tǒng)結構圖Fig. 2 The control system of charging converter

其中，Pcref為超級電容充電的功率給定值，Pc為超級電容實際的充電功率，Icref為超級電容充電的電流給定值，Pc為超級電容實際的充電電流，Udc為充電變流器的直流側母線電壓，D為占空比。占空比值與鋸齒波進行比較得出開關控制信號。整個控制策略為功率和電流雙閉環(huán)結構。首先，當超級電容兩端的電壓較低時，系統(tǒng)工作在恒流充電模式，從而保證超級電容有較快的充電速度，當達到最大的充電功率時，為了保證超級電容充電過程的安全性，采用恒功率的充電方式。

2 仿真模型及分析

采用Matlab軟件的Simulink圖像化建模工具，搭建了充電變流器及其控制系統(tǒng)的模型?？刂葡到y(tǒng)采用基于C語言的S函數(shù)來實現(xiàn)，功率環(huán)和電流環(huán)使用C語言編寫，并編譯成MEX可執(zhí)行文件，提供給Simulink在運行過程中調用?？刂葡到y(tǒng)部分的仿真結構圖如圖3所示。其中，S函數(shù)模型的輸入包括超級電容端電壓（Usc），八個支路電流（Ic1，Ic2，Ic3，Ic4，Ic5，Ic6，Ic7，Ic8），以及直流母線的電壓（Udc）；輸出為占空比信號D，以及各種所需的觀測量。輸出的占空比信號D在bijiaojiacuoxiang子系統(tǒng)中與鋸齒波進行比較然后錯相，得到所需的開關信號，來控制充電變流器八個支路的開關。模型的主要參數(shù)為： Udc=1100V，開關頻率為2kHz，超級電容的容值為C=122.1F，初始電壓為400V，最大持續(xù)充電電流為1800A，最大充電電壓為900V，仿真時間設定為35s。

錯相的載波波形如圖4所示。

圖3 控制系統(tǒng)的仿真結構圖Fig. 3 Simulation of the control system configuration diagram

圖4 錯相載波波形Fig. 4 Stagger phase to carrier wave

從圖4可以看出，載波的周期為5e-4s，因為需要錯八相載波，每相載波相對于前一路延遲的時間為6.25e-5s。從波形可以得出，錯相的載波比較均勻，可以滿足輸出脈沖錯相的要求。

超級電容兩端的電壓波形如圖5所示。

圖5 超級電容端電壓Fig. 5 The terminal voltage of super capacitor

從圖5可以看出，在仿真開始時，超級電容的端電壓為400V，仿真開始后，超級電容的端電壓勻速上升，波形接近一條直線，在34s時，端電壓達到900V，充電過程停止。因為超級電容的容值很大，因此對這個變流器的輸出起了很好的濾波作用，從仿真波形可以得出，端電壓波形變化平穩(wěn)，仿真結果達到了預期的效果。

超級電容的充電電流波形如圖6所示。

圖6 超級電容充電電流Fig. 6 The charging current of super capacitor

圖6顯示了超級電容的充電過程，首先，在仿真開始時，充電電流初始值為零，為了滿足充電的過程，充電電流先勻速增加，充電電流波形為一條傾斜的直線，經(jīng)過2s時間，充電電流達到1800A。然后以1800A進行恒電流充電，此時，充電電流波形為一條水平的直線。隨著超級電容的端電壓逐漸上升，在26s時，達到最大功率時，為了保證充電安全，采用恒功率的充電方法，此時，隨著端電壓的繼續(xù)上升，充電電流波形按反比例函數(shù)曲線下降。在34s時，超級電容的端電壓達到了900V，此時逐漸停止充電過程，充電電流的波形為一個下降的直線。從圖6的波形可知，在電流勻速上升到恒電流的轉換過程中，超調較小，轉折比較平穩(wěn)，在恒電流到恒功率的轉換過程中，電流波形由水平直線逐漸轉換為反比例函數(shù)曲線，轉折也比較平穩(wěn)，在34s時，恒功率停止，轉為充電退出狀態(tài)，轉換過程也比較平穩(wěn)，因此，這些轉折點的切換過程合理，而整個的電流的偏差也控制在20A以內，說明仿真使用的PI參數(shù)符合要求。

4 結論

從仿真的結果可以得出，采用的C MEX S函數(shù)的調用方式很好的實現(xiàn)了充電變流器控制系統(tǒng)的控制策略，輸出的波形達到了預期的效果。采用C語言S函數(shù)調用的方式，使得整個系統(tǒng)的仿真速度明顯加快，而編寫的C語言代碼可以直接應用于數(shù)字控制器的程序設計中，不必擔心從模塊化的仿真模型轉換為實際程序時出現(xiàn)錯誤，大大簡化了實際程序的編寫。因此，采用C MEX S函數(shù)調用的方式，可以很好地支持實際的工程，為整個項目控制策略的快速定型提供良好的指導作用，具有潛在的工程應用價值。

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Simulation of the Charging Converter Control System based on C MEX S Function

SONG Hong-biao， GUO Shu-ying， GUO Wei， LIU Liang-jie， XU Shao-long， WANG Wen-tao
（CRRC Zhuzhou Institute Co.Ltd.， Zhuzhou， Hunan 412001， China）

The charging converter control system Simulation model to the actual conversion process is also complicated procedures. In order to solve this problem， this paper use of Simulation S-function which is based on part of the entire control system using the C language program. The simulation results show that this method can achieve the desired results and verify the control strategy. The simulation proved that the use of C MEX S function can achieve the rapidity and effectiveness of the control system.

Control system； Charging converter； C MEX

10.19335/j.cnki.2095-6649.2016.09.004

SONG Hong-biao， GUO Shu-ying， GUO Wei， et al. Simulation of the Charging Converter Control System based on C MEX S Function［J］. The Journal of New Industrialization， 2016， 6（9）： 23-27.

宋宏彪，郭淑英，郭維，等.基于C MEX S函數(shù)的充電變流器控制系統(tǒng)仿真研究［J］. 新型工業(yè)化，2016，6（9）：23-27.

國家科技支撐計劃項目（2013BAG24B02），湖南省科技重大專項課題（2014FJ001-2）

宋宏彪（1986-），男，湖南株洲，碩士研究生，主要研究方向：變流器控制；郭淑英（1957-），女，湖南株洲，高級工程師（教授級），主要研究方向：軌道交通牽引電機、電動汽車電機驅動系統(tǒng)研發(fā)