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 Pow er Supply System,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(jī)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 Cortex-M3 的單片機(jī)STM32F103 和T I 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(jìn)。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(jī)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(jī)ST M32F103及其外設(shè)作為人機(jī)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(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(hù)IPS 的正常運轉(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(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。
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)的運作， 還要保證IPS 控制器與外界的通信。設(shè)計中要求人機(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)境下獨立時鐘看門狗電路和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。
圖6 DSP 程序流程圖
圖7 ST M32 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。
項目過程中整理的開發(fā)測試說明文檔詳實準(zhǔn)確， 也為后繼研究帶來便捷。
4 樣機(jī)驗證
目標(biāo)板經(jīng)過測試驗證后成功應(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。空載輸出電壓波形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
核心控制數(shù)字化是工控發(fā)展的必然趨勢。本文所研究設(shè)計的基于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， 能很好的實現(xiàn)現(xiàn)代IPS 設(shè)計的要求， 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)。測試結(jié)果證明本設(shè)計的可行性與有效性。