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引 言 在電氣智能化發(fā)展無(wú)處不在的今天， 無(wú)數用電場(chǎng)合離不開(kāi)逆變電源系統( Inverted Pow er Supply System,IPS) 為現場(chǎng)設備提供穩定的高質(zhì)量電源，特別在如通信機房、服務(wù)器工作站、交通樞紐調度中心、醫院、電力、工礦企業(yè)等對電源保障有苛刻要求的場(chǎng)合。許多IPS產(chǎn)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(wù)繁重， 模擬閉環(huán)控制而得不到理想的監控和反饋調節效果， 并由此帶來(lái)單個(gè)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(shù)日趨成熟，而且在某些領(lǐng)先理念的電源設備控制應用場(chǎng)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 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(jìn)。所設計的IPS 核心控制電路通過(guò)測試仿真及現場(chǎng)測試結果證明， 這種新型IPS 設計改善了IPS 結構設計， 滿(mǎn)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(hù)的管理成本。 1 逆變電源整體介紹 為滿(mǎn)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(chǎn)生及反饋檢測調整模塊; 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(gè)模塊交互協(xié)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(shù)。軟件編程進(jìn)行全數字化分任務(wù)模塊控制， DSP 模塊執行IGBT 逆變所需的控制波形產(chǎn)生、反饋調節、鉛酸蓄電池充電波形產(chǎn)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(jìn)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(huán)境參數監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級事件管理功能。如圖1 所示， 兩個(gè)模塊在任務(wù)上相互獨立而又緊密聯(lián)系，分工協(xié)調共同維護IPS 的正常運轉。 圖1 IPS 逆變原理框圖 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(chǎn)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(jiǎn)稱(chēng)F2808) , F2808 產(chǎn)生的SPWM 信號經(jīng)過(guò)CPLD 進(jìn)行邏輯延時(shí)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(chǎn)生單元( ePWM) ,12 位16 通道快速ADC 單元; 內核支持用于定點(diǎn)DSP實(shí)現浮點(diǎn)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(wù)是監控IPS 功率部分的開(kāi)關(guān)狀態(tài)和動(dòng)作， 根據逆變器和負載狀態(tài)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(jīng)過(guò)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 設計中最為復雜的數字化管理模塊， 它不僅監測和管理逆變系統的運作， 還要保證IPS 控制器與外界的通信。設計中要求人機交互模塊能處理復雜的任務(wù)調度和很強的突發(fā)訪(fǎng)問(wèn)( 中斷) 處理， 這就必須有較高運行速度;模塊內部還要有豐富的擴展接口提供IPS 與外部即時(shí)通信; 具備優(yōu)越的總線(xiàn)控制和訪(fǎng)問(wèn)機制等。綜合考慮上述需求， 設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(jiǎn)稱(chēng)ST M32) 。ST M32 是基于A(yíng)RM7 Co rtexM3 內核架構的高速高性能嵌入式控制芯片， 擁有72 MHz 內核工作頻率和1. 25 DMIPS/ MHz的指令流水處理速度; 先進(jìn)的總線(xiàn)結構和多達16 級的帶DMA 功能搶占中斷機制( NIVC) [ 10] 。如圖3 所示，設計中ST M32 通過(guò)SCI 接口及1 根中斷請求/ 接收線(xiàn)與DSP 2808 進(jìn)行通信; 利用片上擴展的其中2 個(gè)SCI 口分別作為RS 232 和RS 485通信協(xié)議口; CAN 總線(xiàn)接口和U SB 總線(xiàn)通過(guò)共享數據緩沖區和中斷向量入口與外界互聯(lián)通信;通過(guò)STM32 的26 位地址總線(xiàn)和16 數據總線(xiàn)擴展外掛256 KB SRAM 和4 MB N OR FLASH, 以及8 位數據口的LCM 模塊RA8806 以及用于SNMP 的16 位并行數據的以太網(wǎng)芯片W5100; 啟用ST M32 的SDIO 總線(xiàn)以啟用用戶(hù)插入SD 卡存儲查詢(xún)IPS 狀態(tài)數據功能; 啟用現場(chǎng)環(huán)境下獨立時(shí)鐘看門(mén)狗電路和STM32 特有的窗口看門(mén)狗;啟用內部芯片溫度傳感器采樣監控， RC時(shí)鐘源以及外部喚醒功能; 通過(guò)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)品后續升級開(kāi)發(fā)做準備。 圖3 STM32 模塊組成框圖 |
