采用ARM Cortex-M3單片機(jī)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(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)。

　　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。

　　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。

　　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。