4.3 基于S-Function的PMSM仿真建模

S-Function是MATLAB系統(tǒng)函數（System Function）的簡稱，是指采用非圖形化的方式（即計算機語言，區(qū)別于SIMULINK的系統(tǒng)模塊）描述的一個功能塊。用戶可以采用MATLAB代碼、C、C++、FORTRAM或Ada等語言編寫S函數。S函數由一種特定的語法構成，用來描述并實現(xiàn)連續(xù)系統(tǒng)、離散系統(tǒng)以及混合系統(tǒng)等動態(tài)系統(tǒng)；S函數能夠接受來自SIMULINK求解器的相關信息，并對求解器發(fā)出的命令做出適當的響應，這種交互作用非常類似于SIMULINK系統(tǒng)模塊與求解器的交互作用。

S函數作為MATLAB與其他語言相結合的接口，可以使用各種編程語言提供的強大能力。例如，MATLAB語言編寫的S函數可以充分利用MATLAB提供的豐富資源，方便地調用各種工具箱函數和圖形函數；使用C語言編寫的S函數可以方便地實現(xiàn)對操作系統(tǒng)的訪問，如實現(xiàn)與其他進程的通信和同步等。

S函數模塊位于SIMULINK模塊庫的用戶自定義函數（User-Defined Functions）子庫下，使用S函數可以方便地構建SIMULINK模型。

采用S-Function函數模塊來實現(xiàn)PMSM的仿真建模，與前一種方法的區(qū)別僅僅是在圖4-3b中的PMSMnons子系統(tǒng)的內部結構，如圖4-18所示。其中的S函數模塊中使用了PMSMdq.m的S函數，雙擊圖中的s函數模塊，出現(xiàn)圖4-19所示的參數設置對話框，里面除了對S函數的函數源文件進行設置，還需要以數組形式設置S函數使用的參數：[L R psi f IFP（3）IFP（1）IFP（2）]，[id0，iq0，wr0，theta0]。

圖4-18 S函數對PMSM建模的內部結構圖

圖4-19 S函數參數設置對話框

為使用方便，把圖4-18的模型建成子系統(tǒng)，同時為方便輸入電動機的各項參數，使用封裝子系統(tǒng)（Mask Subsystem）功能建立接口變量，如圖4-20所示。封裝后的子系統(tǒng)被鼠標左鍵雙擊后會提供電動機參數輸入的對話框，如圖4-21所示。

圖4-20 封裝圖4-18的參數對話框

圖4-21 電動機參數輸入對話框

SIMULINK在每個時間步（time step）內會多次調用S函數，每次調用時通過傳入標志（flag）參數通知S函數分別進行模塊初始化、變量輸出和狀態(tài)變量的更新等任務。從附錄C的程序中可以看出模型主要使用了標志（flag）：0、1、3。當flag為0時，S函數執(zhí)行初始化部分；當flag為1時，S函數計算連續(xù)狀態(tài)變量的微分值；當flag為3時，S函數執(zhí)行程序的輸出部分。

由于PMSM模型包含4個一階微分方程，可以選擇i_d、i_q、ω、θ4個變量為狀態(tài)變量，S函數內容詳見附錄C。該函數的輸入依次為：

t：時間；

x：狀態(tài)變量；

u：輸出；

flag：標志變量；

parameters：電動機的參數，與圖4-19中的參數設置對話框相對應；

x0_in：狀態(tài)變量初始設定值，如圖4-19所示。

函數的輸出依次為：

sys：系統(tǒng)變量，同一時間步中，在不同標志（flag）下的sys含義不同；

x0：狀態(tài)變量初始值；

str：SIMULINK保留位置，默認設置為空；

ts：S函數的采樣時間（Sample Time），用于離散系統(tǒng)。

上述S函數的PMSM數學模型是建立在dq旋轉坐標系中的，因此輸入的電壓也必須是旋轉坐標系的變量，使用到的變換矩陣同圖4-4。