利用CPLD設計逆變器的控制電路

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下IGBT的可靠保護。

(2)運行狀態的監視和保護 對逆變器的運行進行監視，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。