基于ARM7和DSP雙核控制的逆變電源設(shè)計(jì)

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(yùn)行高風(fēng)險(xiǎn)性、控制精度低，反饋調(diào)節(jié)時(shí)間長(zhǎng)，系統(tǒng)可擴(kuò)展性差等缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種基于ARM7 Cortex-M3內(nèi)核的單片機(jī)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(tái)6kVA工頻雙變換純?cè)诰€式單相小功率逆變電源上進(jìn)行控制和負(fù)載實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)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(xiǎn)性的缺點(diǎn)，具有控制器模塊化，抗干擾能力強(qiáng)，反饋調(diào)節(jié)速度快，內(nèi)部接口擴(kuò)展功能豐富等特點(diǎn)。
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(chǎng)合離不開逆變電源系統(tǒng)(Inverted Power Supply Systam，IPS)為現(xiàn)場(chǎng)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(duì)電源保障有苛刻要求的場(chǎng)合。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(duì)IPS電源輸出造成不利影響，甚至對(duì)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(chǎng)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(shì)。
    本文描述了基于ARM7 Correx-M3的單片機(jī)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(duì)上述產(chǎn)品中的不足而提出了改進(jìn)。所設(shè)計(jì)的IPS核心控制電路通過測(cè)試仿真及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果證明，這種新型IPS設(shè)計(jì)改善了IPS結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，滿足IPS運(yùn)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(duì)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(hào)微處理器(DSP TMS320F2808)及外圍器件作為信號(hào)產(chǎn)生及反饋檢測(cè)調(diào)整模塊；以ARM7單片機(jī)STM32F103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(cè)功能，對(duì)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(jí)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)。

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(hào)產(chǎn)生及反饋檢測(cè)調(diào)整模塊，核心是一片C2000系列高性能DSP處理器TMS320F2808(以下簡(jiǎn)稱F2808)，F(xiàn)2808產(chǎn)生的SPWM信號(hào)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(hào)。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)100MIPS，為適應(yīng)工控強(qiáng)干擾環(huán)境，F(xiàn)2808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(hào)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。

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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(cè)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(jiǎn)稱STM32)。STM32是基于ARM7 Cortex-M3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1．25DM-IPS／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(jí)的帶DMA功能搶占中斷機(jī)制(NIVC)。如圖3所示，設(shè)計(jì)中STM32通過SCI接口及1根中斷請(qǐng)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(kuò)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(chǔ)查詢IPS狀態(tài)數(shù)據(jù)功能；啟用現(xiàn)場(chǎng)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(duì)環(huán)境溫度的采樣，預(yù)留I2C方式E2PROM和SPI方式的DATA FLASH接口為產(chǎn)品后續(xù)升級(jí)開發(fā)做準(zhǔn)備。
    通信接口電路設(shè)計(jì)如圖4和圖5所示。

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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。

    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(cè)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(cè)試驗(yàn)證后成功應(yīng)用在一臺(tái)6KVA工頻雙變換純?cè)诰€式單相小功率逆變電源上。各負(fù)載加載測(cè)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(cè)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％。

5 結(jié)語
    核心控制數(shù)字化是工控發(fā)展的必然趨勢(shì)。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，USB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(cè)試結(jié)果證明本設(shè)計(jì)的可行性與有效性。