基于ARM7和DSP雙核控制的逆變電源設計

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運行高風險性、控制精度低，反饋調節時間長，系統可擴展性差等缺點，設計實現了一種基于ARM7 Cortex-M3內核的單片機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，反饋調節速度快，內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
在電氣智能化發展無處不在的今天，無數用電場合離不開逆變電源系統(Inverted Power Supply Systam，IPS)為現場設備提供穩定的高質量電源，特別在如通信機房、服務器工作站、交通樞紐調度中心、醫院、電力、工礦企業等對電源保障有苛刻要求的場合。許多IPS產品因遵循傳統設計而不符合或落后于現代電源理念，突出表現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，模擬閉環控制而得不到理想的監控和反饋調節效果，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聯合控制的IPS核心控制電路，針對上述產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，而且豐富了遠程監控等人機交互接口，從而也間接多方面節約用戶的管理成本。

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；以高速數字信號微處理器(DSP TMS320F2808)及外圍器件作為信號產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，兩個模塊交互協同控制。應用硬件自反饋調節SPWM波形輸出，采用DSP數字化算法提供高精度鎖相技術。軟件編程進行全數字化分任務模塊控制，DSP模塊執行IGBT逆變所需的控制波形產生、反饋調節、鉛酸蓄電池充電波形產生及調節、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模塊執行參數設定、運行管理、環境參數監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系，分工協調共同維護IPS的正常運轉。

2 雙核控制系統的組成
2．1 DSP控制模塊
該模塊是逆變信號產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)，F2808產生的SPWM信號經過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境，F2808內部集成了增強型輸入捕獲單元(eCAP)和帶死區控制功能的輸出比較PWM產生單元(ePWM)，12位16通道快速ADC單元；內核支持用于定點DSP實現浮點運算的IQ變換函數庫；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的主要任務是監控IPS功率部分的開關狀態和動作，根據逆變器和負載狀態反饋調整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，經過CPLD的等間隔脈沖延遲移相作為逆變器產生U，V，W三相電的控制波形。