逆變電源（IPS）設(shè)計(jì)的仿真測試及改善

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(jì)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(jī)ST M32F103及其外設(shè)作為人機(jī)交互邏輯控制模塊， 兩個(gè)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(jìn)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(dú)立電路連接進(jìn)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(yùn)行管理、環(huán)境參數(shù)監(jiān)控和人機(jī)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(gè)模塊在任務(wù)上相互獨(dú)立而又緊密聯(lián)系， 分工協(xié)調(diào)共同維護(hù)IPS 的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖1 IPS 逆變原理框圖

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） , F2808 產(chǎn)生的SPWM 信號經(jīng)過CPLD 進(jìn)行邏輯延時(shí)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(yùn)行速度可達(dá)100 MIPS, 為適應(yīng)工控強(qiáng)干擾環(huán)境， F2808 內(nèi)部集成了增強(qiáng)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(diǎn)DSP實(shí)現(xiàn)浮點(diǎn)運(yùn)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(jì)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(dòng)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。

圖2 DSP 控制模塊框圖

2. 2 人機(jī)交互全局控制模塊

人機(jī)交互控制模塊是此IPS 設(shè)計(jì)中最為復(fù)雜的數(shù)字化管理模塊， 它不僅監(jiān)測和管理逆變系統(tǒng)的運(yùn)作， 還要保證IPS 控制器與外界的通信。設(shè)計(jì)中要求人機(jī)交互模塊能處理復(fù)雜的任務(wù)調(diào)度和很強(qiáng)的突發(fā)訪問（ 中斷） 處理， 這就必須有較高運(yùn)行速度； 模塊內(nèi)部還要有豐富的擴(kuò)展接口提供IPS 與外部即時(shí)通信； 具備優(yōu)越的總線控制和訪問機(jī)制等。綜合考慮上述需求， 設(shè)計(jì)中選擇了意法半導(dǎo)體（ ST ） 公司推出的最新32 位單片機(jī)STM32F103ZET6 （ 以下簡稱ST M32） 。ST M32 是基于ARM7 Co rtexM3 內(nèi)核架構(gòu)的高速高性能嵌入式控制芯片， 擁有72 MHz 內(nèi)核工作頻率和1. 25 DMIPS/ MHz的指令流水處理速度； 先進(jìn)的總線結(jié)構(gòu)和多達(dá)16 級的帶DMA 功能搶占中斷機(jī)制（ NIVC） [ 10] 。如圖3 所示， 設(shè)計(jì)中ST M32 通過SCI 接口及1 根中斷請求/ 接收線與DSP 2808 進(jìn)行通信； 利用片上擴(kuò)展的其中2 個(gè)SCI 口分別作為RS 232 和RS 485通信協(xié)議口； CAN 總線接口和U SB 總線通過共享數(shù)據(jù)緩沖區(qū)和中斷向量入口與外界互聯(lián)通信； 通過STM32 的26 位地址總線和16 數(shù)據(jù)總線擴(kuò)展外掛256 KB SRAM 和4 MB N OR FLASH, 以及8 位數(shù)據(jù)口的LCM 模塊RA8806 以及用于SNMP 的16 位并行數(shù)據(jù)的以太網(wǎng)芯片W5100; 啟用ST M32 的SDIO 總線以啟用用戶插入SD 卡存儲查詢IPS 狀態(tài)數(shù)據(jù)功能； 啟用現(xiàn)場環(huán)境下獨(dú)立時(shí)鐘看門狗電路和STM32 特有的窗口看門狗； 啟用內(nèi)部芯片溫度傳感器采樣監(jiān)控， RC時(shí)鐘源以及外部喚醒功能； 通過通用引腳接入DS18B20 溫度傳感器對環(huán)境溫度的采樣， 預(yù)留I2 C 方式E2PROM 和SPI 方式的DA TA FLASH 接口為產(chǎn)品后續(xù)升級開發(fā)做準(zhǔn)備。

圖3 STM32 模塊組成框圖

通信接口電路設(shè)計(jì)如圖4 和圖5 所示。

圖4 IPS 與外間通信接口電路圖

圖5 STM32 通信接口定義

3 控制系統(tǒng)的軟件架構(gòu)

控制模塊中的程序語言為ANSI 標(biāo)準(zhǔn)C 語言， 程序結(jié)構(gòu)、變量命名和注釋都遵循國際通用標(biāo)準(zhǔn)， 容易理解， 也便于移植或擴(kuò)展， 如圖6 和圖7 所示。

DSP 程序流程圖

圖6 DSP 程序流程圖

代碼經(jīng)過合理編寫， 邏輯清晰， 功能完善， 結(jié)構(gòu)緊湊而又突出健壯性， 可維護(hù)性強(qiáng)， 符合工控軟件編寫要求。

項(xiàng)目過程中整理的開發(fā)測試說明文檔詳實(shí)準(zhǔn)確， 也為后繼研究帶來便捷。

4 樣機(jī)驗(yàn)證

目標(biāo)板經(jīng)過測試驗(yàn)證后成功應(yīng)用在一臺6KVA 工頻雙變換純在線式單相小功率逆變電源上。各負(fù)載加載測試波形如圖8 所示?？蛰d輸出電壓波形1/ 4 負(fù)載輸出電壓波形滿載輸出電壓波形測量結(jié)果表明， 220 V 交流輸入時(shí)不同負(fù)載情況下電源的輸出波形失真度小于3%,非線性負(fù)載失真小于5%, 逆變器效率大于96%。

圖8 負(fù)載測試波形輸出

5 結(jié) 語

許多IPS產(chǎn)品因遵循傳統(tǒng)設(shè)計(jì)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(gè)控制設(shè)備軟硬件設(shè)計(jì)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?yàn)楣╇姽收隙鴮?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。本文所研究設(shè)計(jì)的基于基于STM32 和TMS320F2808 控制的IPS 處理速度快， 控制精度高， 模塊化結(jié)構(gòu)合理， 能很好的實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代IPS 設(shè)計(jì)的要求， 而且增加了SNMP, U SB和SDIO 等人機(jī)交互通信接口， 便于IPS 本地及遠(yuǎn)程管理維護(hù)。