基于ARM7和DSP雙核控制的逆變電源設(shè)計

摘要：為了有效解決逆變電源中存在的因單一復(fù)雜控制而帶來的系統(tǒng)運行高風(fēng)險性、控制精度低，反饋調(diào)節(jié)時間長，系統(tǒng)可擴展性差等缺點，設(shè)計實現(xiàn)了一種基于ARM7 Cortex-M3內(nèi)核的單片機STM32F103和TI C2000系列DSP芯片TMS320F2808的雙核控制逆變電源控制電路。通過在一臺6kVA工頻雙變換純在線式單相小功率逆變電源上進行控制和負(fù)載實驗。結(jié)果表明，該設(shè)計方案有效解決了逆變電源系統(tǒng)中因控制核單一而導(dǎo)致的高復(fù)雜度高風(fēng)險性的缺點，具有控制器模塊化，抗干擾能力強，反饋調(diào)節(jié)速度快，內(nèi)部接口擴展功能豐富等特點。
關(guān)鍵詞：逆變電源；模塊化；Cortex-M3；STM32F103；TMS32F2808

0 引言
在電氣智能化發(fā)展無處不在的今天，無數(shù)用電場合離不開逆變電源系統(tǒng)(Inverted Power Supply Systam，IPS)為現(xiàn)場設(shè)備提供穩(wěn)定的高質(zhì)量電源，特別在如通信機房、服務(wù)器工作站、交通樞紐調(diào)度中心、醫(yī)院、電力、工礦企業(yè)等對電源保障有苛刻要求的場合。許多IPS產(chǎn)品因遵循傳統(tǒng)設(shè)計而不符合或落后于現(xiàn)代電源理念，突出表現(xiàn)為控制模塊的單一復(fù)雜化，控制器芯片落后且控制任務(wù)繁重，模擬閉環(huán)控制而得不到理想的監(jiān)控和反饋調(diào)節(jié)效果，并由此帶來單個控制設(shè)備軟硬件設(shè)計上的隱患，這對IPS電源輸出造成不利影響，甚至對用電設(shè)備因為供電故障而導(dǎo)致災(zāi)難性后果。數(shù)字化控制技術(shù)日趨成熟，而且在某些領(lǐng)先理念的電源設(shè)備控制應(yīng)用場合得到應(yīng)用，凸顯出模塊化、數(shù)字化控制已成為一種必然的趨勢。
本文描述了基于ARM7 Correx-M3的單片機STM32F103和TI C2000系列DSP芯片TMS320F2808聯(lián)合控制的IPS核心控制電路，針對上述產(chǎn)品中的不足而提出了改進。所設(shè)計的IPS核心控制電路通過測試仿真及現(xiàn)場測試結(jié)果證明，這種新型IPS設(shè)計改善了IPS結(jié)構(gòu)設(shè)計，滿足IPS運作的高要求，而且豐富了遠(yuǎn)程監(jiān)控等人機交互接口，從而也間接多方面節(jié)約用戶的管理成本。

1 逆變電源整體介紹
為滿足電源敏感性設(shè)備對逆變電源的要求，目標(biāo)IPS采用本次設(shè)計的電路作為核心；以高速數(shù)字信號微處理器(DSP TMS320F2808)及外圍器件作為信號產(chǎn)生及反饋檢測調(diào)整模塊；以ARM7單片機STM32F103及其外設(shè)作為人機交互邏輯控制模塊，兩個模塊交互協(xié)同控制。應(yīng)用硬件自反饋調(diào)節(jié)SPWM波形輸出，采用DSP數(shù)字化算法提供高精度鎖相技術(shù)。軟件編程進行全數(shù)字化分任務(wù)模塊控制，DSP模塊執(zhí)行IGBT逆變所需的控制波形產(chǎn)生、反饋調(diào)節(jié)、鉛酸蓄電池充電波形產(chǎn)生及調(diào)節(jié)、自檢和自偵測功能，對電路板上所有獨立電路連接進行自檢和故障分析等功能。而ARM7模塊執(zhí)行參數(shù)設(shè)定、運行管理、環(huán)境參數(shù)監(jiān)控和人機交互處理等任務(wù)。DSP模塊控制力求精準(zhǔn)，ARM模塊則具備完善的系統(tǒng)級事件管理功能。如圖1所示，兩個模塊在任務(wù)上相互獨立而又緊密聯(lián)系，分工協(xié)調(diào)共同維護IPS的正常運轉(zhuǎn)。

2 雙核控制系統(tǒng)的組成
2．1 DSP控制模塊
該模塊是逆變信號產(chǎn)生及反饋檢測調(diào)整模塊，核心是一片C2000系列高性能DSP處理器TMS320F2808(以下簡稱F2808)，F(xiàn)2808產(chǎn)生的SPWM信號經(jīng)過CPLD進行邏輯延時移相形成三相逆變器IGBT控制信號。F2808是德州儀器(TI)公司的一款高速DSP芯片，最高運行速度可達100MIPS，為適應(yīng)工控強干擾環(huán)境，F(xiàn)2808內(nèi)部集成了增強型輸入捕獲單元(eCAP)和帶死區(qū)控制功能的輸出比較PWM產(chǎn)生單元(ePWM)，12位16通道快速ADC單元；內(nèi)核支持用于定點DSP實現(xiàn)浮點運算的IQ變換函數(shù)庫；還有諸如SCI，SPI，eCAN等豐富而通用的外設(shè)接口。如圖2所示，設(shè)計中F2808的主要任務(wù)是監(jiān)控IPS功率部分的開關(guān)狀態(tài)和動作，根據(jù)逆變器和負(fù)載狀態(tài)反饋調(diào)整3路SPWM波形的輸出，電池充電脈沖控制。DSP輸出的3路SPWM信號直接送給CPLD，經(jīng)過CPLD的等間隔脈沖延遲移相作為逆變器產(chǎn)生U，V，W三相電的控制波形。