基于C MEX S函数的充电变流器控制系统仿真研究

宋宏彪，郭淑英，郭维，刘良杰，徐绍龙，王文韬

（中车株洲电力机车研究所有限公司，株洲 湖南省 412001）

基于C MEX S函数的充电变流器控制系统仿真研究

宋宏彪，郭淑英，郭维，刘良杰，徐绍龙，王文韬

（中车株洲电力机车研究所有限公司，株洲 湖南省 412001）

为了解决充电变流器控制系统的Simulink模型到实际程序的复杂转换过程，采用基于C语言的S函数调用方法，将整个控制系统部分使用C语言程序实现，作为S函数供Simulink调用。仿真波形达到了预期的效果，很好地验证了控制策略。仿真结果证明了采用C MEX S函数可以实现控制系统的快速性和有效性。

控制系统；充电变流器；C MEX

0 引言

目前，随着人们对环境保护的重视，各种新型的环保交通工具被投入使用。储能式电力牵引轻轨车辆是城市轨道交通车辆的一种新型式，也是适用于城市节能、高效、简捷、低碳、环保的大众交通工具，更适合在全国中小城市范围内推广，具有更广阔的产业空间［1-4］。对于大型的超级电容储能设备，在具有快速充电的同时，也提高了对充电设备的要求，需要短时提供大电流。因此，充电机的峰值功率较大，针对充电机的低压大容量，需要使用多支路并联的buck电路方式。本文研究了一种采用八个Buck支路的充电变流器作为超级电容的充电机。

在设计各种变流器的控制系统时，往往是先搭建Simulink模型进行仿真，然后将仿真模型转换为C语言程序，再用于实际的数字控制器中。常规的仿真模型即使实现了控制策略，但是转换为C语言的过程也是比较复杂的，而且不能完全保证转换的正确性。文献［5-8］使用C MEX的方法设计了控制对象的控制系统，取得了预期的效果。本文将该方法应用于充电变流器控制系统的设计过程中，采用C语言编写了控制算法，编译产生MEX文件后，采用S函数调用的方式来实现仿真模型的控制策略。仿真结果达到了预期的效果，不仅提高了仿真的快速性，而且编写的C语言程序可以直接应用于数字控制器中。

1 充电变流器及其控制系统

超级电容的充电过程为短时大电流，因此，采用一种八支路并联的结构。变流器的主电路结构示意图如图1所示。

图1 充电变流器主电路图Fig. 1 The main circuit of charging converter

从图1中可以看出，充电变流器由八个半桥Buck变换器组成，直流电压经过桥臂斩波后，再经过电感续流，给超级电容充电。为了使得输出的电流谐波小，将这八个支路的PWM脉冲进行错相，每个脉冲相移为2π/8rad，即为π/4rad。

为了实现超级电容的快速充电，需要充电变流器工作在两种模式下，恒电流充电和恒功率充电。控制系统的结构框图如图2所示：

图2 充电变流器控制系统结构图Fig. 2 The control system of charging converter

其中，Pcref为超级电容充电的功率给定值，Pc为超级电容实际的充电功率，Icref为超级电容充电的电流给定值，Pc为超级电容实际的充电电流，Udc为充电变流器的直流侧母线电压，D为占空比。占空比值与锯齿波进行比较得出开关控制信号。整个控制策略为功率和电流双闭环结构。首先，当超级电容两端的电压较低时，系统工作在恒流充电模式，从而保证超级电容有较快的充电速度，当达到最大的充电功率时，为了保证超级电容充电过程的安全性，采用恒功率的充电方式。

2 仿真模型及分析

采用Matlab软件的Simulink图像化建模工具，搭建了充电变流器及其控制系统的模型。控制系统采用基于C语言的S函数来实现，功率环和电流环使用C语言编写，并编译成MEX可执行文件，提供给Simulink在运行过程中调用。控制系统部分的仿真结构图如图3所示。其中，S函数模型的输入包括超级电容端电压（Usc），八个支路电流（Ic1，Ic2，Ic3，Ic4，Ic5，Ic6，Ic7，Ic8），以及直流母线的电压（Udc）；输出为占空比信号D，以及各种所需的观测量。输出的占空比信号D在bijiaojiacuoxiang子系统中与锯齿波进行比较然后错相，得到所需的开关信号，来控制充电变流器八个支路的开关。模型的主要参数为： Udc=1100V，开关频率为2kHz，超级电容的容值为C=122.1F，初始电压为400V，最大持续充电电流为1800A，最大充电电压为900V，仿真时间设定为35s。

错相的载波波形如图4所示。

图3 控制系统的仿真结构图Fig. 3 Simulation of the control system configuration diagram

图4 错相载波波形Fig. 4 Stagger phase to carrier wave

从图4可以看出，载波的周期为5e-4s，因为需要错八相载波，每相载波相对于前一路延迟的时间为6.25e-5s。从波形可以得出，错相的载波比较均匀，可以满足输出脉冲错相的要求。

超级电容两端的电压波形如图5所示。

图5 超级电容端电压Fig. 5 The terminal voltage of super capacitor

从图5可以看出，在仿真开始时，超级电容的端电压为400V，仿真开始后，超级电容的端电压匀速上升，波形接近一条直线，在34s时，端电压达到900V，充电过程停止。因为超级电容的容值很大，因此对这个变流器的输出起了很好的滤波作用，从仿真波形可以得出，端电压波形变化平稳，仿真结果达到了预期的效果。

超级电容的充电电流波形如图6所示。

图6 超级电容充电电流Fig. 6 The charging current of super capacitor

图6显示了超级电容的充电过程，首先，在仿真开始时，充电电流初始值为零，为了满足充电的过程，充电电流先匀速增加，充电电流波形为一条倾斜的直线，经过2s时间，充电电流达到1800A。然后以1800A进行恒电流充电，此时，充电电流波形为一条水平的直线。随着超级电容的端电压逐渐上升，在26s时，达到最大功率时，为了保证充电安全，采用恒功率的充电方法，此时，随着端电压的继续上升，充电电流波形按反比例函数曲线下降。在34s时，超级电容的端电压达到了900V，此时逐渐停止充电过程，充电电流的波形为一个下降的直线。从图6的波形可知，在电流匀速上升到恒电流的转换过程中，超调较小，转折比较平稳，在恒电流到恒功率的转换过程中，电流波形由水平直线逐渐转换为反比例函数曲线，转折也比较平稳，在34s时，恒功率停止，转为充电退出状态，转换过程也比较平稳，因此，这些转折点的切换过程合理，而整个的电流的偏差也控制在20A以内，说明仿真使用的PI参数符合要求。

4 结论

从仿真的结果可以得出，采用的C MEX S函数的调用方式很好的实现了充电变流器控制系统的控制策略，输出的波形达到了预期的效果。采用C语言S函数调用的方式，使得整个系统的仿真速度明显加快，而编写的C语言代码可以直接应用于数字控制器的程序设计中，不必担心从模块化的仿真模型转换为实际程序时出现错误，大大简化了实际程序的编写。因此，采用C MEX S函数调用的方式，可以很好地支持实际的工程，为整个项目控制策略的快速定型提供良好的指导作用，具有潜在的工程应用价值。

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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，郭维，等.基于C MEX S函数的充电变流器控制系统仿真研究［J］. 新型工业化，2016，6（9）：23-27.

国家科技支撑计划项目（2013BAG24B02），湖南省科技重大专项课题（2014FJ001-2）

宋宏彪（1986-），男，湖南株洲，硕士研究生，主要研究方向：变流器控制；郭淑英（1957-），女，湖南株洲，高级工程师（教授级），主要研究方向：轨道交通牵引电机、电动汽车电机驱动系统研发