GCKontorl之软件在环(SiL)仿真

C语言有以下四大优势：

1)简洁紧凑、灵活⽅便

C语言把⾼级语⾔的基本结构和语句与低级语⾔的实⽤性结合起来。

2)运算符丰富

C的运算类型极其丰富，表达式类型多样化，灵活使⽤各种运算符可以实现在其它⾼级语⾔中难以实现的运算。

3)数据结构丰富

C的数据类型有：整型、实型、字符型、数组类型、指针类型、结构体类型、共⽤体类型等，能⽤来实现各种复杂的数据类型的运算，使程序效率更⾼。

4)C是结构式语⾔

目前C-Code模块支持：

1) 用户自定义模块内部算法和输入输出端口及全局参数；

2) 用户对第三方库-lib静态库的调用；

3) 导入C-Code模块自带的模板，定义编辑基于C语言的功能脚本，适配C-Code模块格式；

本案例以PMSM(永磁三相同步电机)工程为背景，来描述C-Code模块在该工程中的应用。

如下图所示，基于GCKontrol实现的PMSM工程，该工程有四大部分：

1)FOC矢量控制子系统；

2)逆变器模块；

3)电机模型子系统; 

4)机械方程模块;

其中第2个模块逆变器由C-Code模块实现计算，第4个模块机械方程由C-Code模块实现计算。本文重点在于介绍C-Code模块在GCKontrol工程中的用法，故不对本工程的原理做深入介绍，如FOC矢量控制子系统和电机模型子系统等。

图2：GCKontrol PMSM(永磁三相同步电机)工程

该工程运行后，两个C-Code模块的输出如下：

图3：GCKontrol PMSM工程输出

3.2 GCKontrol的C-Code模块基本机制

GCKontrol的C-Code模块基本调用机制是：需要两个核心文件*.h(C语言头文件), *.c(C语言源文件)。以下对C-Code自带的模板操作中，可快速查看*.h和*.c，及其需要包括的定义及函数。

双击C-Code模块(或右键C-Code模块)，可得属性对话框：

图4：C-Code模块数据设置

点击1“下载模板”，加载userCode.c后可出现上图中2.1~2.4内容：输入变量、输出变量、全局参数。点击3“打开文件夹”，可看到userCode.h和userCode.c两个C语言文件。下面分别加以介绍。

3.2.1 C-Code头文件*.h的核心内容介绍

1)用户输入结构体InVar，可在其中定义更多输入元素。

2)用户输出结构体OutVar，可在其中定义更多输出元素。

3)用户的全局参数结构体ParVar，可在其中定义更多全局参数。

4)用户初始化函数userInit，用于初始化输入、输出及参数等。

5)用户入口函数（主函数）userDoStep，用户实现的核心内容入口函数。

3.2.2 C-Code源文件*.c的核心内容介绍

1)初始化函数实现userInit，此函数可初始化输入、输出及参数等。

2)用户入口函数实现userDoStep, 此函数是用户实现的核心内容入口函数。

3.2.3 C-Code调用第三方库依赖方法介绍

很多手写代码会用到静态链接库(lib 文件)，lib文件在编译的时候需要设置链接(link)，也要有头文件的依赖(*.h)。GCKontrol C-Code模块的手写代码支持对第三方库依赖(lib文件)的调用。该功能拓展了GCKontrol的应用范围，以适配多种不同的应用背景。

GCKontrol配置第三方库依赖的方法是：双击C-Code模块(或右键C-Code模块)，可得属性对话框，点击左侧“路径设置“，可以设置第三方库依赖-静态链接库，可以设置一个或多个外部库依赖项，如下图所示：

图12：C-Code引用第三方库/依赖的设置

在本案例的机械方程C-Code模块实现中，实现了对第三方库的调用，并将重点说明其使用方法。

3.2.4 C-Code模块引用第三方库依赖扩展说明

如3.2.3中C-Code模块“路径设置”页面所示，引用第三方库依赖有下列扩展：

1.附加包含目录:

1)指定一个或多个要添加到包含路径中的目录：当目录不止一个时，请用分号分隔。

2)支持本机电脑配置的环境变量。

3)支持本系统环境变量（如ProjectDir、WorkSpaceDir）

2.附加库目录:

1)只支持.a的静态库

2)支持本机电脑配置的环境变量

3)支持本系统环境变量（如ProjectDir、WorkSpaceDir）

3.附加依赖项

1)指定要添加到链接命令行的附加项[例如:libgc32.a]

4.环境变量格式如下

1)$(ProjectDir)/

3.3 三相逆变器的C-Code模块

图13：逆变器C-Code模块图

3.3.1 三相逆变器的数学原理

下面公式中Udc为直流母线电压，ma, mb, mc分别为FOC(矢量控制)模块输出的三相电压。三相输出电压如下：

Uc = mc * Udc

三相输出功率为：

Power_c = lc * Uc

三相总功率为：

PowerAC = Power_a Power_b Power_c

直流电流输出：

Idc = PowerAC/Udc

3.3.2 逆变器C-Code模块的实现

由3.3.1里三相逆变器的数学原理可定义：

输入变量：ma, mb, mc, la, lb, lc, udc

输出变量：Ua, Ub, Uc, Idc

参数：无

3.3.2.1 逆变器C-Code头文件实现

由以上定义可实现逆变器C语言头文件inverter_model.h，如下所示：

图14：逆变器C-Code模块头文件

3.3.2.2 逆变器C-Code源文件实现

依据3.3.1中三相逆变器的数学原理，可用C语言实现逆变器数学模型，此案例工程中代码源文件为inverter_model.c，在userInit函数中对输出参数初始化，在userDoStep()函数中实现了三相逆变器的数学模型。如下所示：

图15：逆变器C-Code模块源文件

3.4 机械方程C-Code模块的实现

图16：机械方程C-Code模块图

3.4.1 机械方程的数学原理

下面对该机械原理及参数加以简单介绍

1)输入误差：diff_T = Te – TL，其中Te为案例工程中电机模型的输出力矩TL为外部负载力矩。

2)转动惯量：Inertia为电机的转动惯量，为常量，此处设为常量1.

3)极对数：number_pole为电机的极对数，为常量，此处设为常量4.

由公式：diff_T=Inertia * dw/dt / number_pole(力矩=转动惯量*角加速度 /极对数)，其中w为电机转速(单位：rad/s)。由以上原理可得:

1)diff_T = Te – TL，单位：Nm

2)w = integrator(diff_T) * number_pole，单位：rad/s

重点说明：上述用到积分integrator(diff_T)，所以积分步长stepTime是该原理中一个关键参数(本案例中积分步长stepTime与调度步长一致)。

3.4.2 机械方程C-Code模块的实现

由3.4.1里机械方程的数学原理可定义：

输入变量：Te, TL

输出变量：speed(即原理描述中的w)

参数：Inertia, number_pole, stepTime

3.4.2.1 机械方程C-Code中第三方库依赖的实现

在机械方程的数学原理描述中，没有第三方库依赖，但为了在本文中重点介绍C-Code可以引用第三方库依赖，我们对方程diff_T = Te – TL中的Te-TL进行了封装，封装为一个静态库libsub.a，该库中封装了API接口函数Sub(double a, double b)。下面简单介绍这一封装及编译为静态库的过程，分下面4步。

1)头文件sub.h

2)源文件sub.c

3)基于MinGW编译器对其编译为静态链接库libsub.a

3.1）用下面命令对上述sub.c编译为sub.o

gcc -o sub.o -m64 -Wall -fPIC -c sub.c

3.2）用下面命令对sub.o编译为libsub.a

 ar -crv libsub.a sub.o

3.3）生成下面两个文件，其中libsub.a是C-Code模块要引用的第三方库

图17：编译好的libsub.a库

4)对该第三方库进行如下配置

图18：机械方程C-Code模块libsub.a库的配置

3.4.2.2 机械方程C-Code中头文件的实现

由机械方程的输入，输出，参数的定义可实现机械方程的C语言头文件machine_equation.h，如下所示：

图19：机械方程C-Code模块头文件

3.4.2.3 机械方程C-Code中源文件的实现

依据3.4.1中机械方程的数学原理，可用C语言实现机械方程数学模型，此案例工程中代码源文件为machine_equation.c，在userInit函数中对输出参数初始化，在userDoStep()函数中实现了机械方程的数学模型，在该函数中，特别调用了第三方依赖库sub(double a, double b)函数。如下所示：

图20：机械方程C-Code模块源文件

3.4.2.4 机械方程C-Code代码上传及全局参数设定

右单击machine_equation C-Code模块，在属性对话框中“数据设置”页，点击“上传”，将3.4.2.3中的machine_equation.c导入（machine_equation在相同目录中）。关在全局参数中，对三个参数值进行设定。如下图所示

图21：机械方程C-Code模块文件导入及  全局参数设定