宋宏彪，郭淑英，郭維，劉良杰，徐紹龍，王文韜

（中車株洲電力機(jī)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(jī)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(shí)際程序的復(fù)雜轉(zhuǎn)換過(guò)程，采用基于C語(yǔ)言的S函數(shù)調(diào)用方法，將整個(gè)控制系統(tǒng)部分使用C語(yǔ)言程序?qū)崿F(xiàn)，作為S函數(shù)供Simulink調(diào)用。仿真波形達(dá)到了預(yù)期的效果，很好地驗(yàn)證了控制策略。仿真結(jié)果證明了采用C MEX S函數(shù)可以實(shí)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(duì)環(huán)境保護(hù)的重視，各種新型的環(huán)保交通工具被投入使用。儲(chǔ)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(jiǎn)捷、低碳、環(huán)保的大眾交通工具，更適合在全國(guó)中小城市范圍內(nèi)推廣，具有更廣闊的產(chǎn)業(yè)空間［1-4］。對(duì)于大型的超級(jí)電容儲(chǔ)能設(shè)備，在具有快速充電的同時(shí)，也提高了對(duì)充電設(shè)備的要求，需要短時(shí)提供大電流。因此，充電機(jī)的峰值功率較大，針對(duì)充電機(jī)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(gè)Buck支路的充電變流器作為超級(jí)電容的充電機(jī)。

在設(shè)計(jì)各種變流器的控制系統(tǒng)時(shí)，往往是先搭建Simulink模型進(jìn)行仿真，然后將仿真模型轉(zhuǎn)換為C語(yǔ)言程序，再用于實(shí)際的數(shù)字控制器中。常規(guī)的仿真模型即使實(shí)現(xiàn)了控制策略，但是轉(zhuǎn)換為C語(yǔ)言的過(guò)程也是比較復(fù)雜的，而且不能完全保證轉(zhuǎn)換的正確性。文獻(xiàn)［5-8］使用C MEX的方法設(shè)計(jì)了控制對(duì)象的控制系統(tǒng)，取得了預(yù)期的效果。本文將該方法應(yīng)用于充電變流器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，采用C語(yǔ)言編寫(xiě)了控制算法，編譯產(chǎn)生MEX文件后，采用S函數(shù)調(diào)用的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)仿真模型的控制策略。仿真結(jié)果達(dá)到了預(yù)期的效果，不僅提高了仿真的快速性，而且編寫(xiě)的C語(yǔ)言程序可以直接應(yīng)用于數(shù)字控制器中。

1 充電變流器及其控制系統(tǒng)

超級(jí)電容的充電過(guò)程為短時(shí)大電流，因此，采用一種八支路并聯(lián)的結(jié)構(gòu)。變流器的主電路結(jié)構(gòu)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(gè)半橋Buck變換器組成，直流電壓經(jīng)過(guò)橋臂斬波后，再經(jīng)過(guò)電感續(xù)流，給超級(jí)電容充電。為了使得輸出的電流諧波小，將這八個(gè)支路的PWM脈沖進(jìn)行錯(cuò)相，每個(gè)脈沖相移為2π/8rad，即為π/4rad。

為了實(shí)現(xiàn)超級(jí)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(jié)構(gòu)框圖如圖2所示：

圖2 充電變流器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig. 2 The control system of charging converter

其中，Pcref為超級(jí)電容充電的功率給定值，Pc為超級(jí)電容實(shí)際的充電功率，Icref為超級(jí)電容充電的電流給定值，Pc為超級(jí)電容實(shí)際的充電電流，Udc為充電變流器的直流側(cè)母線電壓，D為占空比。占空比值與鋸齒波進(jìn)行比較得出開(kāi)關(guān)控制信號(hào)。整個(gè)控制策略為功率和電流雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)。首先，當(dāng)超級(jí)電容兩端的電壓較低時(shí)，系統(tǒng)工作在恒流充電模式，從而保證超級(jí)電容有較快的充電速度，當(dāng)達(dá)到最大的充電功率時(shí)，為了保證超級(jí)電容充電過(guò)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(yǔ)言的S函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，功率環(huán)和電流環(huán)使用C語(yǔ)言編寫(xiě)，并編譯成MEX可執(zhí)行文件，提供給Simulink在運(yùn)行過(guò)程中調(diào)用?？刂葡到y(tǒng)部分的仿真結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。其中，S函數(shù)模型的輸入包括超級(jí)電容端電壓（Usc），八個(gè)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(hào)D，以及各種所需的觀測(cè)量。輸出的占空比信號(hào)D在bijiaojiacuoxiang子系統(tǒng)中與鋸齒波進(jìn)行比較然后錯(cuò)相，得到所需的開(kāi)關(guān)信號(hào)，來(lái)控制充電變流器八個(gè)支路的開(kāi)關(guān)。模型的主要參數(shù)為： Udc=1100V，開(kāi)關(guān)頻率為2kHz，超級(jí)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(shí)間設(shè)定為35s。

錯(cuò)相的載波波形如圖4所示。

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

圖4 錯(cuò)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?yàn)樾枰e(cuò)八相載波，每相載波相對(duì)于前一路延遲的時(shí)間為6.25e-5s。從波形可以得出，錯(cuò)相的載波比較均勻，可以滿足輸出脈沖錯(cuò)相的要求。

超級(jí)電容兩端的電壓波形如圖5所示。

圖5 超級(jí)電容端電壓Fig. 5 The terminal voltage of super capacitor

從圖5可以看出，在仿真開(kāi)始時(shí)，超級(jí)電容的端電壓為400V，仿真開(kāi)始后，超級(jí)電容的端電壓勻速上升，波形接近一條直線，在34s時(shí)，端電壓達(dá)到900V，充電過(guò)程停止。因?yàn)槌?jí)電容的容值很大，因此對(duì)這個(gè)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(jié)果達(dá)到了預(yù)期的效果。

超級(jí)電容的充電電流波形如圖6所示。

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

圖6顯示了超級(jí)電容的充電過(guò)程，首先，在仿真開(kāi)始時(shí)，充電電流初始值為零，為了滿足充電的過(guò)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(guò)2s時(shí)間，充電電流達(dá)到1800A。然后以1800A進(jìn)行恒電流充電，此時(shí)，充電電流波形為一條水平的直線。隨著超級(jí)電容的端電壓逐漸上升，在26s時(shí)，達(dá)到最大功率時(shí)，為了保證充電安全，采用恒功率的充電方法，此時(shí)，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(shí)，超級(jí)電容的端電壓達(dá)到了900V，此時(shí)逐漸停止充電過(guò)程，充電電流的波形為一個(gè)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(zhuǎn)換過(guò)程中，超調(diào)較小，轉(zhuǎn)折比較平穩(wěn)，在恒電流到恒功率的轉(zhuǎn)換過(guò)程中，電流波形由水平直線逐漸轉(zhuǎn)換為反比例函數(shù)曲線，轉(zhuǎn)折也比較平穩(wěn)，在34s時(shí)，恒功率停止，轉(zhuǎn)為充電退出狀態(tài)，轉(zhuǎn)換過(guò)程也比較平穩(wěn)，因此，這些轉(zhuǎn)折點(diǎn)的切換過(guò)程合理，而整個(gè)的電流的偏差也控制在20A以內(nèi)，說(shuō)明仿真使用的PI參數(shù)符合要求。

4 結(jié)論

從仿真的結(jié)果可以得出，采用的C MEX S函數(shù)的調(diào)用方式很好的實(shí)現(xiàn)了充電變流器控制系統(tǒng)的控制策略，輸出的波形達(dá)到了預(yù)期的效果。采用C語(yǔ)言S函數(shù)調(diào)用的方式，使得整個(gè)系統(tǒng)的仿真速度明顯加快，而編寫(xiě)的C語(yǔ)言代碼可以直接應(yīng)用于數(shù)字控制器的程序設(shè)計(jì)中，不必?fù)?dān)心從模塊化的仿真模型轉(zhuǎn)換為實(shí)際程序時(shí)出現(xiàn)錯(cuò)誤，大大簡(jiǎn)化了實(shí)際程序的編寫(xiě)。因此，采用C MEX S函數(shù)調(diào)用的方式，可以很好地支持實(shí)際的工程，為整個(gè)項(xiàng)目控制策略的快速定型提供良好的指導(dǎo)作用，具有潛在的工程應(yīng)用價(jià)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(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2013BAG24B02），湖南省科技重大專項(xiàng)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(jí)工程師（教授級(jí)），主要研究方向：軌道交通牽引電機(jī)、電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)研發(fā)