1.1 什么是软启动#

软启动（也称软起动或缓启动）是指系统从停止状态进入运行状态时，通过控制启动过程中的给定值或控制量，使系统逐步达到预定工作状态的一种控制方法。其目的是减轻启动瞬间的电气或机械冲击，使启动过程更加平稳、可控。本文统一使用“软启动”这一名称。

在电力电子控制系统中，软启动通常通过逐步调整电压参考值、电流参考值或占空比指令来实现。例如，电源启动时，可让电压参考值从初始值逐步增加至额定值，由控制环路调节实际输出跟随参考值变化。软启动直接约束的是给定值或控制量，实际输出的变化还受控制环路、负载和功率级特性的影响。

软件软启动的基本过程包括：启动前初始化软启动变量；满足启动条件后，按照设定规律更新给定值；给定值达到目标后，保持目标值并进入正常运行阶段。如果启动过程中出现故障，则由故障处理逻辑中断启动过程。

可以看到此时上电，就是一个阶跃信号，阶跃信号对环路要求相对比较高， 在大电流情况下，有可能会有冲激，造成管子或者负载的损坏。所以我们需要进行软启动。

1.2 斜坡软启动的原理及意义#

软起动有很多种，除线性斜坡外，也可以采用 S 形曲线或分段变化等方式安排启动过程。线性斜坡软启动采用固定变化速率调整给定值，具有算法简单、参数含义明确、启动时间便于计算等特点，适合在周期执行的软件控制任务中实现。本文采用的 Slew_Func 函数通过限制每次调用的最大变化量，实现离散斜坡输出。

斜坡软启动是指系统启动时，不直接将控制给定值设置为最终目标值，而是使其从初始值开始，按照规定的变化速率逐步接近目标值。常见的处理对象包括电压参考值、电流参考值、转速参考值和占空比指令等。

例如，电源启动时，若电压参考值由 0 突然跳变为额定值，控制器可能因较大的瞬时误差输出较高的控制量，引起启动电流增大及输出电压超调。采用斜坡软启动后，参考值逐步上升，使系统以较平缓的方式进入正常运行状态。

斜坡软启动主要具有以下作用：

• 限制给定值的变化速度，减轻启动过程中的电流冲击和器件应力。
• 减小参考值突变对闭环控制系统的扰动，有助于降低超调。
• 通过设定斜坡速率调整启动时间，使启动过程可控。
• 在运行过程中平滑处理目标值变化，也可用于正常停机时的缓降。

软启动属于启动过程管理措施，不能替代过流、过压等故障保护。发生需要立即停机的故障时，应由故障处理逻辑直接执行关断，不能等待斜坡缓降完成。参考值平滑也不意味着实际电流一定不超限，其效果仍取决于控制环路、负载和限流策略。

3.1 函数代码#

1
float Slew_Func(float *slewVal, float refVal, float slewRate)
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{
3
    static float diff = 0;
4
    diff = refVal - *slewVal;
5

6
    if (diff >= slewRate) {
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        *slewVal += slewRate;
8
        return (1);
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    } else if (-diff >= slewRate) {
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        *slewVal -= slewRate;
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        return (-1);
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    } else {
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        *slewVal = refVal;
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        return (0);
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    }
16
}

该函数通过指针修改斜坡输出，同时返回本次执行的分支状态。

3.2 参数及返回值#

slewRate 在这段代码中是每次调用的步长，不是每秒变化速率。 函数调用周期改变时，若不重新计算该参数，实际启动时间也会改变。以下说明假定所有数值输入均为有限有效值。返回值用来查看软启动状态。

3.3 调用示例#

以 0～5 V、启动时间约 2 s 为例：

1
/* 在启动初始化时设置，后续调用之间必须保留该变量 */
2
static float voltageRefSoft = 0.0f;
3

4
/* 每 1 ms 执行一次 */
5
void Control_Task(void)
6
{
7
    const float targetVoltage = 5.0f;
8
    const float slewStep = 0.000125f;
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    Slew_Func(&voltageRefSoft, targetVoltage, slewStep);
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    /*
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     * 将 voltageRefSoft 作为电压控制环的参考值。
14
     * 控制器使用 voltageRefSoft 与实际采样电压计算误差。
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     */
16
}

调用后，voltageRefSoft 按照以下规律变化：

1
0 → 0.000125 → 0.000250 → 0.000375 → …… → 5.000000

如果目标值随后降低，函数会使用相同的步长逐步减小输出，因此它同时具备上升和下降限速功能。

3.4 使用注意事项#

1. 输出变量需要跨周期保存。 不应在每次调用前都将 voltageRefSoft 重新赋值为零，否则无法形成连续累加的斜坡。
2. 步长必须大于零。 步长为零时输出不能向不同的目标值移动；步长为负数时判断及更新方向不再符合设计意图。
3. 返回值不是严格的“未完成/已完成”标志。 当偏差恰好等于一个步长时，本次输出已经到达目标值，但返回值仍为 1 或 -1。若目标保持不变，下一次调用才返回 0。
4. diff 无须声明为 static。 它每次调用都会重新计算，可改为局部变量 float diff = refVal - *slewVal;，避免共享临时变量带来的重入问题。真正需要保存的是 *slewVal。
5. 重新启动时应明确初始值。 若要求每次从零启动，应在启动初始化阶段清零；若要求从当前工作点平滑接续，应使用相应的当前参考值初始化。

4.1 参考图结构#

图示可辨认为“斜坡速率与启动信号相乘—积分—初值叠加—限幅”的基本结构。由于图片分辨率较低，求和端口的符号和具体限幅值无法完全确认，以下按从初始值上升到目标值的常用形式说明。

1
斜坡速率 R ──┐
2
             × ── 积分器 ── 求和 ── 限幅 ── 软启动输出
3
启动信号 ────┘                ↑
4
                           初始值 y0

其数学表达式为：

其中，启动信号在启动前为 0，启动后为 1；sat 表示限幅运算。

4.2 模块配置#

以 0 V 上升至 5 V 为例，可按下表配置模块：

启动前，积分器输入为零，输出参考值保持在初始值。启动后，积分器输入为 2.5 V/s，参考值线性上升，约 2 s 后达到 5 V，并由限幅模块限制在 5 V。

该结构用于固定目标的单次上升较直观，但需注意：

• 外部 Saturation 仅限制输出，积分器内部可能继续累积。需要重复启停时，应设置积分状态限幅或到达目标后停止积分，并提供复位逻辑。
• 启动信号变为零只会停止累加，不会自动使输出回零。
• 简单的固定速率积分结构不具备原 C 函数那样的任意目标双向跟踪能力。

5.1 实现思路#

为对应 C 语言中的指针更新，将上一周期输出作为 MATLAB Function 的输入，并将更新后的输出通过 Unit Delay 反馈。这种方式便于设置初始值，也能直接观察保存的状态。

5.2 MATLAB Function 代码#

在 MATLAB Function 模块中输入：

1
function [slewOut, status] = Slew_Func(slewPrev, refVal, slewRate)
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%#codegen
3
% slewPrev：上一周期的斜坡输出
4
% refVal：目标值
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% slewRate：每次调用的最大变化量，必须大于 0
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% slewOut：更新后的斜坡输出
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% status：软启动当前状态
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% 数值输入采用 single 类型，并应为有限有效值。
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diff = refVal - slewPrev;
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if diff >= slewRate
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    slewOut = slewPrev + slewRate;
14
    status = single(1);
15
elseif -diff >= slewRate
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    slewOut = slewPrev - slewRate;
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    status = single(-1);
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else
19
    slewOut = refVal;
20
    status = single(0);
21
end
22
end

5.3 模块连接及设置#

具体设置步骤为：

1. 放置一个 MATLAB Function 模块，粘贴上述代码。
2. 使用 Constant 或 Step 模块提供目标值 refVal，例如 single(5)。
3. 使用 Constant 模块提供步长 slewRate，例如 single(0.000125)。
4. 将 slewOut 接入 Unit Delay，再将 Unit Delay 输出连接至 slewPrev。
5. 将 Unit Delay 的初始条件设置为 single(0)，采样时间设置为 0.00005 s。
6. 将三个数值输入设置为 single，对应 C 语言的 float；status 也采用 single，保持原接口的浮点返回类型。
7. 在纯离散示例模型中采用固定步长、离散求解器，步长设置为 0.001 s，并确认 MATLAB Function 按该周期执行。
8. 将 refVal 和 slewOut 接入 Scope，观察目标值与软启动输出的区别。可将 status 接入另一个 Scope 观察分支状态。

这里，Unit Delay 对应 C 程序中跨调用保存的 voltageRefSoft；MATLAB Function 的 slewOut 对应 C 函数更新后的 *slewVal；status 对应 C 函数返回值。

unit delay配置的采样时间配置为Ts。

可以来验证一下效果，0s开启，4s关断。