玩转电机控制 MATLAB 几种类型的仿真验证框架

前言：电机控制的开发验证有多种途径和方式，常见的分为模型仿真验证和硬件测试两大类。接下来以 MATLAB+CCS 的 IDE 开发环境来进行仿真模型框架的搭建和对比。

一、内容安排

本期文章主要介绍并对比几种不同类型的仿真框架搭建，模块化搭建、M 语言实现、C 集成和 CCS 工程代码搭建（硬件测试）。从几个方面来比较不同类型的仿真验证框架优势和缺点。

表 1 不同类型的仿真模型对比

在接下来的电机控制学习过程中，除控制理论外还需要加强自己的验证工具和编程能力的提高。

二、不同类型的仿真框架的搭建

学习本章内容的前提需要安装 MATLAB（内置 C 编译器）和 CCS 软件，并具备一定的 C 语言的编程能力。以前期文章介绍的 SVPWM 为仿真验证内容进行对比。

2.1 模块化仿真框架

MATLAB 模块化仿真，就是从封装器件库里直接拖取现成的作用模块，根据控制理论（一般是微分方程）进行搭建形成验证系统。但如果系统复杂，模块化仿真未必能够进行准确地模拟。

模块化仿真通用性差且不利于后续持续性开发。个人觉得搭建控制验证仿真框架，此类型的应当只是备选方案。

图 1.1 模块化搭建的 SVPWM 系统

图 2.2 马鞍波

2.2 M 语言实现的仿真框架

图 3.3 M 语言实现的 SVPWM 系统

图 4.4 马鞍波

M 语言实现的控制系统，像基本的硬件模拟（电机、逆变器）可以采用封装模块，控制部分可以采用 M 语言进行实现，过程简单方便且通用性强、利于后续的持续性开发。

2.3 C 集成类型的仿真框架

C 集成类型的仿真搭建具有一定的难度，本节简单介绍一下该类型的仿真框架的搭建过程。首先 MATLAB 得安装 C 编译器，模型代码存放得路径得全英文。

2.3.1 什么是 S-Function

S-Function

为你提供了一种在 Simulink 模型中增加自制块的手段，你可以使用 MATLAB 和 C 语言来创建自己的块。按照下面一套简单的规则，你可以在 S-Function 中实现自己的算法。在你编写一个 S-Function 函数，并将函数名放置在一个 S-Function 块中（在用户定义的函数块库中有效）之后，通过使用 masking 定制用户界面。

2.3.2 在模型中使用 S-Function

为了将一个 S-Function

组合到一个 Simulink 模型中，首先从 Simulink 用户定义的函数库中拖出一个 S-Function 块，然后在 S-Function 块对话框中的 S-Function name 区域指定 S-Function 的名字。如下图所示：

图 1.5 S-Function 块、对话框、及决定块功能的源文件之间的关系

在本例中，模型包含了两个 S-Function 块，这两个块使用同一个源文件（mysfun，可以是一个 C MEX 文件，或者是一个 M 文件）。如果一个 C MEX 文件与一个 M 文件具有相同的名字，则 C MEX 文件被优先使用，即在 S-function 块中使用的是 C MEX 文件。

2.3.3 S-Function 的工作原理

要创建 S-Function，你必须了解 S-Function 是如何工作的。要了解 S-Function 如何工作，则需要了解 Simulink 是如何进行模型仿真的，那么由需要了解块的数学公式。因此本节首先从一个块的输入、状态和输出之间的数学关系开始介绍。

仿真过程：

Simulink 模块的执行分几个阶段进行。首先进行的是初始化阶段，在此阶段，Simulink 将库块合并到模型中来，确定传送宽度、数据类型和采样时间，计算块参数、确定块的执行顺序，以及分配内存。然后，Simulink 进入到“仿真循坏”，每次循环可认为是一个“仿真步”。在每个仿真步期间，Simulink 按照初始化阶段确定的块执行顺序依次执行模型中的每个块。对于每个块而言，Simulink 调用函数来计算块在当前采样时间下的状态、导数和输出。如此反复，一直持续到仿真结束。