采用ARM Cortex-M3單片機和DSP的逆變電源設(shè)計

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致災難性后果。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。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(shè)備對逆變電源的要求，目標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ST M32F103及其外設(shè)作為人機交互邏輯控制模塊，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)控和人機交互處理等任務(wù)。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(wù)上相互獨立而又緊密聯(lián)系，分工協(xié)調(diào)共同維護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100 MIPS，為適應(yīng)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(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人機交互全局控制模塊

人機交互控制模塊是此IPS設(shè)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(shè)計中要求人機交互模塊能處理復雜的任務(wù)調(diào)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(shè)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；先進的總線結(jié)構(gòu)和多達16級的帶DMA功能搶占中斷機制（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)做準備。

圖3 STM32模塊組成框圖

通信接口電路設(shè)計如圖4所示。

圖4 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標準C語言，程序結(jié)構(gòu)、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5所示

圖5 DSP 程序流程圖

4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等人機交互通信接口，便于IPS本地及遠程管理維護。測試結(jié)果證明本設(shè)計的可行性與有效性。