在上期中介紹了在Simulink仿真中用S函數構建控制器，方便代碼從仿真到嵌入式設備的遷移，本期則直接進入正題，通過兩電平逆變器模型來介紹S函數在電力電子仿真中的應用。

01S函數的簡單介紹

官方對S函數是這樣介紹的：S-Function 可以使用 MATLAB?， C， C++， Ada，或 Fortran 語言來編寫。 使用 MEX實用工具，將 C， C++， Ada，和 Fortran 語言的 S-Function 編譯成MEX-文件，在需要的時候，它們可與其它的MEX-文件一起動態地連接到 MATLAB 中。

S-Function 使用一種特殊的調用格式讓你可以與 Simulink 方程求解器相互作用，這與發生在求解器和內置 Simulink塊之間的相互作用非常相似。 S-Function 的形式是非常通用的，且適用于連續、離散和混合系統。

這段話包含以下幾層意思：

1. S函數可以用m語言，c語言等多種語言編寫，Simulink庫中的User-Defined Functions中的S-Function Example包含了多種語言的多種模板， S-Function Builder 是一個 Simulink 模塊，可以通過設定自動生成c語言的S函數;

圖1 Simulink庫中S函數相關模塊

2. S函數與Simulink的運行原理相似，要了解S函數是如何工作的，就要了解Simulink 是如何進行模型仿真的， Simulink模型的執行分幾個階段進行。 首先進行的是初始化階段，在此階段， Simulink將庫塊合并到模型中來，確定傳送寬度、數據類型和采樣時間，計算塊參數，確定塊的執行順序，以及分配內存。 然后， Simulink進入到“仿真循環”，每次循環可認為是一個“仿真步”。 在每個仿真步期間，Simulink 按照初始化階段確定的塊執行順序依次執行模型中的每個塊。 對于每個塊而言，Simulink 調用函數來計算塊在當前采樣時間下的狀態，導數和輸出。 如此反復，一直持續到仿真結束。

下圖所示為一個仿真的步驟：

圖2 Simulink 執行仿真的步驟

3. S函數使用一種特殊的調用格式使其在 Simulink方程求解器相互作用，S函數主要通過多種特殊格式的回調函數，用來表示仿真執行的初始化、輸出、計算導數、結束等多個階段。

02兩電平逆變器調制的S函數示例

文章結尾的下載鏈接提供了兩電平逆變器調制的S函數的示例程序，該示例主體程序部分如下：

圖3 兩電平逆變器調制的S函數主體部分

該S函數主要包含以下回調函數：

a. mdlInitializeSizes回調函數

對參數進行初始化設置，比如離散狀態個數、連續狀態個數、模塊輸入和輸出的路數、模塊的采樣周期個數、狀態變量初始數值等;

b. mdlInitializeSampleTimes回調函數

該函數設置S-Function模塊的采樣時間，決定了mdlOutputs多久執行一次;

c. mdlInitializeConditions回調函數

初始化時調用，對輸入輸出數組指針地址進行定義;

d. mdlOutputs回調函數

可以用來執行我們定義的函數，本例中執行了三個任務：

來自S函數的外部數據的輸入;

執行100us的定時中斷(計算輸出電壓相位，輸出電壓指令)、741us的定時中斷(模擬PWM中斷，調用兩電平SVPWM調制算法)。

S函數輸出(輸出內部監視變量和PWM波占空比)

e. mdlUpdate回調函數

如果該塊具有離散的狀態變量，則在處理完所有塊的輸出函數之后的主要時間步中，將調用一次更新函數，本例未使用;

f. mdlTerminate回調函數

S函數終止時執行的函數，本例未使用。

多個回調函數的執行順序如下：

圖4 兩電平逆變器調制的S函數回調函數執行順序

完成S函數的c文件的編寫后，需要在Matlab中調用編譯器對S函數的c文件進行編譯。 由于Matlab存在32位和64位，調用的編譯器也不一樣。 32位直接使用自帶的lcc-win32即可，64位則需要額外安裝的VS的C++編譯器。 matlab通過mex-setup命令選擇編譯器。

本示例模型在Simulink的File->Model Properties->Model Properties->Callbacks->InitFcn中通過以下命令對S函數編譯，使模式在每次運行時執行該編譯命令生成格式mexw64的文件給Simulink模型調用：

-g -v InveterController.c Func_SVPWM_2L.c...

03仿真結果

運行仿真模型：INV_2L3Ph_SPWM.slx，在S函數的mdlOutputs回調函數中，調用Func_SVPWM_2L()調制函數之后，數組y_Scope輸出ABC三相PWM波的占空比為：

圖5 ABC三相PWM波的占空比

在S函數的mdlOutputs回調函數中采集了逆變器的模擬量，通過數組y_Scope輸出，其波形為：

圖6 S函數的輸出波形