摘要：為了有效解決逆變電源中存在的因單一復雜控制而帶來的系統(tǒng)運行高風險性、控制精度低，反饋調節(jié)時間長，系統(tǒng)可擴展性差等缺點，設計實現(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載實驗。結果表明，該設計方案有效解決了逆變電源系統(tǒng)中因控制核單一而導致的高復雜度高風險性的缺點，具有控制器模塊化，抗干擾能力強，反饋調節(jié)速度快，內(nèi)部接口擴展功能豐富等特點。
關鍵詞：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)場設備提供穩(wěn)定的高質量電源，特別在如通信機房、服務器工作站、交通樞紐調度中心、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雜化，控制器芯片落后且控制任務繁重，模擬閉環(huán)控制而得不到理想的監(jiān)控和反饋調節(jié)效果，并由此帶來單個控制設備軟硬件設計上的隱患，這對IPS電源輸出造成不利影響，甚至對用電設備因為供電故障而導致災難性后果。數(shù)字化控制技術日趨成熟，而且在某些領先理念的電源設備控制應用場合得到應用，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。所設計的IPS核心控制電路通過測試仿真及現(xiàn)場測試結果證明，這種新型IPS設計改善了IPS結構設計，滿足IPS運作的高要求，而且豐富了遠程監(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備對逆變電源的要求，目標IPS采用本次設計的電路作為核心；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)生及反饋檢測調整模塊；以ARM7單片機STM32F103及其外設作為人機交互邏輯控制模塊，兩個模塊交互協(xié)同控制。應用硬件自反饋調節(jié)SPWM波形輸出，采用DSP數(shù)字化算法提供高精度鎖相技術。軟件編程進行全數(shù)字化分任務模塊控制，DSP模塊執(zhí)行IGBT逆變所需的控制波形產(chǎn)生、反饋調節(jié)、鉛酸蓄電池充電波形產(chǎn)生及調節(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)設定、運行管理、環(huán)境參數(shù)監(jiān)控和人機交互處理等任務。DSP模塊控制力求精準，ARM模塊則具備完善的系統(tǒng)級事件管理功能。如圖1所示，兩個模塊在任務上相互獨立而又緊密聯(lián)系，分工協(xié)調共同維護IPS的正常運轉。
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接口。如圖2所示，設計中F2808的主要任務是監(jiān)控IPS功率部分的開關狀態(tài)和動作，根據(jù)逆變器和負載狀態(tài)反饋調整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。
2．2 人機交互全局控制模塊
人機交互控制模塊是此IPS設計中最為復雜的數(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。設計中要求人機交互模塊能處理復雜的任務調度和很強的突發(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制等。綜合考慮上述需求，設計中選擇了意法半導體(ST)公司推出的最新32位單片機STM32F103ZET6(以下簡稱STM32)。STM32是基于ARM7 Cortex-M3內(nèi)核架構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1．25DM-IPS／MHz的指令流水處理速度；先進的總線結構和多達16級的帶DMA功能搶占中斷機制(NIVC)。如圖3所示，設計中STM32通過SCI接口及1根中斷請求／接收線與DSP 2808進行通信；利用片上擴展的其中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USB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)總線擴展外掛256KB SRAM和4 MB NOR 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STM32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，預留I2C方式E2PROM和SPI方式的DATA FLASH接口為產(chǎn)品后續(xù)升級開發(fā)做準備。
通信接口電路設計如圖4和圖5所示。
3 控制系統(tǒng)的軟件架構
控制模塊中的程序語言為ANSI標準C語言，程序結構、變量命名和注釋都遵循國際通用標準，容易理解，也便于移植或擴展，如圖6和圖7所示。
代碼經(jīng)過合理編寫，邏輯清晰，功能完善，結構緊湊而又突出健壯性，可維護性強，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確，也為后繼研究帶來便捷。
4 樣機驗證
目標板經(jīng)過測試驗證后成功應用在一臺6KVA工頻雙變換純在線式單相小功率逆變電源上。各負載加載測試波形如圖8所示?？蛰d輸出電壓波形1／4負載輸出電壓波形滿載輸出電壓波形測量結果表明，220 V交流輸入時不同負載情況下電源的輸出波形失真度小于3％，非線性負載失真小于5％，逆變器效率大于96％。
5 結語
核心控制數(shù)字化是工控發(fā)展的必然趨勢。本文所研究設計的基于基于STM32和TMS320F2808控制的IPS處理速度快，控制精度高，模塊化結構合理，能很好的實現(xiàn)現(xiàn)代IPS設計的要求，而且增加了SNMP，USB和SDIO等人機交互通信接口，便于IPS本地及遠程管理維護。測試結果證明本設計的可行性與有效性。
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