現代逆變器的控制電路多采用電機控制專用微處理器作為控制系統的核心，如INTEL公司的80C196MC，TI公司的TMS320F240等。隨著逆變器性能的不斷提高和功能的不斷完善，當微處理器的片內資源無法滿足要求時，就需要進行外圍電路的擴展。與采用分立元件相比，采用具有ISP(在系統可編程)功能的CPLD(復雜可編程邏輯器件)進行外圍電路擴展的方案在電路的體積、靈活性和可靠性等方面具有明顯的優(yōu)勢。本文在分析逆變器控制電路的典型結構的基礎上，設計了以TMS320F240為核心、用CPLD進行外圍電路擴展的逆變器控制電路方案，說明CPLD的采用可以極大地改善逆變器控制電路的設計。
1. XC9500系列CPLD簡介
XILINX公司的XC9500系列CPLD基于CMOS工藝，具有ISP功能，最少達一萬次的寫入/擦除次數，可以提供36~288個宏單元，800~6400個可用門，引腳到引腳的最小延時為5ns，最高計數器時鐘可達125MHz。
XC9500系列CPLD由多個功能模塊(FB)和輸入輸出模塊(IOB)組成，并通過連線開關矩陣構成完全互連的子系統。FB是器件結構的核心部分，每個FB由18個獨立的宏單元組成，而每個宏單元又都可以單獨實現組合邏輯或時序邏輯;
IOB則提供輸入和輸出的緩沖;連線開關矩陣可以將FB和IOB的輸入輸出信號相連接，而這種連接關系完全是通過用戶編程確定的。
XC9500系列CPLD作為高性能、低價格CPLD器件的典型代表，其可靠、價廉、抗干擾能力強、驅動電流大以及在系統可編程等優(yōu)點非常適合于逆變器控制電路的設計需要。
2. TMS320F240的特點
多數逆變器要求具有靈活豐富的功能和接口，一般都采用微處理器作為控制電路的核心，而集成有PWM脈沖發(fā)生器功能的微處理器在逆變器控制電路的設計中使用最為廣泛。TMS320F240作為TI公司專門設計用于逆變器控制的數字信號處理器(DSP)是其中的典型代表。
TMS320F240(以下簡稱F240)由DSP內核和片內外設組成。由于DSP內核具有較快的計算和響應處理速度，可以應付高速應用的要求，同時也為控制軟件的設計提供了更加有力的支持，使控制系統能夠完成更加復雜的功能、實現更好的控制效果。同時TMS320F240具有豐富的片內外設，包括16路10位A/D轉換器、多個可編程的多路復用I/O引腳、硬件UART以及SPI總線等。特別是TMS320F240片內設置了一個事件管理器(EPA)，可以提供6路全比較PWM通道，能方便地實現各種PWM波形的發(fā)生。
結合外部的脈沖處理、保護、人機或雙機通訊、運行控制以及數據處理等功能電路，就可以以F240為核心十分方便地構成一個功能全面、完整的逆變器控制系統。
3. 逆變器控制電路的典型結構
逆變器控制系統的典型結構如圖1所示。
(1)PWM脈沖的產生及處理 產生IGBT的控制脈沖:引入保護信號，確保故障和異常狀態(tài)下IGBT的可靠保護。
(2)運行狀態(tài)的監(jiān)視和保護 對逆變器的運行進行監(jiān)視，在出現異常和故障時實施相應的保護。
(3)模擬量的輸入和處理 經過電子變換、濾波等處理后的模擬量，一般由F240內部的A/D轉換器進行轉換。由于大部分處理都可由軟件完成，因此在逆變器的控制電路中，模擬輸入通道的硬件設計往往較簡單。
(4)數字量的輸入輸出 數字量包括用戶給定、運行狀態(tài)反饋、指示及開關量控制等，他們可通過F240內部或片外擴展的I/O口實現輸入輸出。
(5)總線擴展和控制邏輯 用于片外I/O口和存儲器的擴展，配合外部總線擴展的總線控制邏輯則包括產生片選和等待信號、讀寫控制等功能。
(6)外設接口 包括串行通信接口、串行E2PROM、實時時鐘、LCD或LED顯示等，常用于實現人機或雙機通訊、信息存儲和顯示等功能。這些一般都通過軟件與外部的接口芯片配合。
4. CPLD在逆變器控制電路中的典型應用
隨著對逆變器控制功能、可靠性、成本和制造效率要求的不斷提高，F240的硬件資源變得越來越緊張，包括需要較多的數字量I/O接口、需要進行外部總線的擴展以及實現可靠的逆變器保護功能等。這些擴展功能固然可以由各種分立的數字電路的組合來實現，但是這種傳統的設計方法存在電路復雜、可靠性低、缺乏靈活性、不利于調試和維護等缺點。
由于CPLD可以十分方便地設計實現組合邏輯和時序邏輯電路，因此完全能夠勝任逆變器控制電路設計中對F240外圍電路和功能擴展的需要，從而大大提高逆變器控制電路的設計水平。在采用CPLD后，逆變器控制系統中原總線邏輯與擴展、數字量的輸入輸出以及運行狀態(tài)監(jiān)視和保護的數字部分等都可由CPLD來實現，整個系統可以簡化成圖2所示的形式。
通過與圖1的對比不難發(fā)現，由于CPLD可集成實現很多功能，其使用對逆變器控制電路設計的改善主要表現在：
(1)F240的外部總線結構十分簡潔，加和CPLD的引腳和功能都可以根據PCB板布線的實際情況和要求靈活地進行配置，這不但可以大大簡化電路板的設計，而且對提高系統的電磁兼容性能也有很大的幫助。另外，芯片數目的減少不但對提高可靠性、減小電路尺寸有利，而且對降低原器件的采購、生成、調試和維護的費用都有所幫助。
(2)所有外部邏輯功能被封裝在CPLD內部，保密性較好。由于F240本身沒有任何保密功能，利用CPLD對硬件電路、以至于整個控制系統的設計進行保密成為最簡便的方法之一。
(3)利用具有ISP功能的CPLD可以很方便地對已設計和制作完成的系統加以修改，不用放棄原來的電路原理圖和電路板，避免了浪費，降低了成本。
(4)絕大多數外部的邏輯功能和引腳都由CPLD來實現，這就可使電路基本原理、電路板，甚至軟件的開發(fā)先于、并獨立于具體的外部邏輯功能設計進行，從而極大地提高產品設計、調試、小批量試制和實驗的效率。
(5)利用CPLD可以靈活方便地設計所需的保護功能(包括故障的分級保護、故障狀態(tài)的保存等)，提高系統的可靠性和軟件運行的效率。
5. CPLD具體功能設計實現
在實際設計中，CPLD選擇了XC9500系列的XC95144TQl00-7，具有144個宏單元和81個可完全編程的I/O引腳。開發(fā)軟件采用的是XINLINX公司的專用開發(fā)軟件Xilinx Foundation Series 3.li，用VHDL語言編程實現。其外部I/O管腳功能的配置如表1所示。
6. 結 論
具有ISP功能的CPLD的采用可以極大地提高逆變器控制電路的設計水平，使得系統能較好地兼顧可靠性、小型化、低成本和高性能等多方面日益提高的要求。目前，基于XC95144和TMS320F240開發(fā)的逆變器控制系統已經成功應用在"先鋒"號200km/h電動車組35kVA客車空調逆變電源上，穩(wěn)定運行一年多，取得了良好的效果。
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