基于ARM7和DSP的逆變電源設計

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)場設備提供穩(wěn)定的高質(zhì)量電源， 特別在如通信機房、服務器工作站、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(shù)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(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 設計改善了IPS 結(jié)構(gòu)設計， 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(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及其外設作為人機交互邏輯控制模塊， 兩個模塊交互協(xié)同控制。應用硬件自反饋調(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。軟件編程進行全數(shù)字化分任務模塊控制， 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)設定、運行管理、環(huán)境參數(shù)監(jiān)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(tǒng)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(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, 為適應工控強干擾環(huán)境， F2808 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接口。如圖2 所示， 設計中F2808 的主要任務是監(jiān)控IPS 功率部分的開關狀態(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