基于ARM Cortex-M3和DSP的逆变电源设计 - 全文

 引 言

　　在电气智能化发展无处不在的今天， 无数用电场合离不开逆变电源系统（ Inverted Pow er Supply System,IPS） 为现场设备提供稳定的高质量电源， 特别在如通信机房、服务器工作站、交通枢纽调度中心、医院、电力、工矿企业等对电源保障有苛刻要求的场合。许多IPS产品因遵循传统设计而不符合或落后于现代电源理念，突出表现为控制模块的单一复杂化， 控制器芯片落后且控制任务繁重， 模拟闭环控制而得不到理想的监控和反馈调节效果， 并由此带来单个控制设备软硬件设计上的隐患， 这对IPS 电源输出造成不利影响， 甚至对用电设备因为供电故障而导致灾难性后果。数字化控制技术日趋成熟， 而且在某些领先理念的电源设备控制应用场合得到应用， 凸显出模块化、数字化控制已成为一种必然的趋势。

　　本文描述了基于ARM7 Cortex-M3 的单片机STM32F103 和T I C2000 系列DSP 芯片TMS320F2808 联合控制的IPS 核心控制电路， 针对上述产品中的不足而提出了改进。所设计的IPS 核心控制电路通过测试仿真及现场测试结果证明， 这种新型IPS 设计改善了IPS 结构设计， 满足IPS 运作的高要求， 而且丰富了远程监控等人机交互接口， 从而也间接多方面节约用户的管理成本。

　　1 逆变电源整体介绍

　　为满足电源敏感性设备对逆变电源的要求， 目标IPS 采用本次设计的电路作为核心； 以高速数字信号微处理器（ DSP TMS320F2808） 及外围器件作为信号产生及反馈检测调整模块； 以ARM7 单片机ST M32F103及其外设作为人机交互逻辑控制模块， 两个模块交互协同控制。应用硬件自反馈调节SPWM 波形输出， 采用DSP 数字化算法提供高精度锁相技术。软件编程进行全数字化分任务模块控制， DSP 模块执行IGBT 逆变所需的控制波形产生、反馈调节、铅酸蓄电池充电波形产生及调节、自检和自侦测功能， 对电路板上所有独立电路连接进行自检和故障分析等功能。而ARM7 模块执行参数设定、运行管理、环境参数监控和人机交互处理等任务。DSP 模块控制力求精准， ARM 模块则具备完善的系统级事件管理功能。如图1 所示， 两个模块在任务上相互独立而又紧密联系， 分工协调共同维护IPS 的正常运转。

图1 IPS 逆变原理框图

　　2 双核控制系统的组成

　　2. 1 DSP 控制模块

　　该模块是逆变信号产生及反馈检测调整模块， 核心是一片C2000 系列高性能DSP 处理器TMS320F2808（ 以下简称F2808） , F2808 产生的SPWM 信号经过CPLD 进行逻辑延时移相形成三相逆变器IGBT 控制信号。F2808 是德州仪器（ TI） 公司的一款高速DSP 芯片， 最高运行速度可达100 MIPS, 为适应工控强干扰环境， F2808 内部集成了增强型输入捕获单元（ eCAP） 和带死区控制功能的输出比较PWM 产生单元（ ePWM） ,12 位16 通道快速ADC 单元； 内核支持用于定点DSP实现浮点运算的IQ 变换函数库； 还有诸如SCI, SPI,eCAN 等丰富而通用的外设接口。如图2 所示， 设计中F2808 的主要任务是监控IPS 功率部分的开关状态和动作， 根据逆变器和负载状态反馈调整3 路SPWM波形的输出， 电池充电脉冲控制。DSP 输出的3 路SPWM 信号直接送给CPLD, 经过CPLD 的等间隔脉冲延迟移相作为逆变器产生U, V, W 三相电的控制波形。

图2 DSP 控制模块框图

2. 2 人机交互全局控制模块

　　人机交互控制模块是此IPS 设计中最为复杂的数字化管理模块， 它不仅监测和管理逆变系统的运作， 还要保证IPS 控制器与外界的通信。设计中要求人机交互模块能处理复杂的任务调度和很强的突发访问（ 中断） 处理， 这就必须有较高运行速度； 模块内部还要有丰富的扩展接口提供IPS 与外部即时通信； 具备优越的总线控制和访问机制等。综合考虑上述需求， 设计中选择了意法半导体（ ST ） 公司推出的最新32 位单片机STM32F103ZET6 （ 以下简称ST M32） 。ST M32 是基于ARM7 Co rtexM3 内核架构的高速高性能嵌入式控制芯片， 拥有72 MHz 内核工作频率和1. 25 DMIPS/ MHz的指令流水处理速度； 先进的总线结构和多达16 级的带DMA 功能抢占中断机制（ NIVC） [ 10] 。如图3 所示， 设计中ST M32 通过SCI 接口及1 根中断请求/ 接收线与DSP 2808 进行通信； 利用片上扩展的其中2 个SCI 口分别作为RS 232 和RS 485通信协议口； CAN 总线接口和U SB 总线通过共享数据缓冲区和中断向量入口与外界互联通信； 通过STM32 的26 位地址总线和16 数据总线扩展外挂256 KB SRAM 和4 MB N OR FLASH, 以及8 位数据口的LCM 模块RA8806 以及用于SNMP 的16 位并行数据的以太网芯片W5100; 启用ST M32 的SDIO 总线以启用用户插入SD 卡存储查询IPS 状态数据功能； 启用现场环境下独立时钟看门狗电路和STM32 特有的窗口看门狗； 启用内部芯片温度传感器采样监控， RC时钟源以及外部唤醒功能； 通过通用引脚接入DS18B20 温度传感器对环境温度的采样， 预留I2 C 方式E2PROM 和SPI 方式的DA TA FLASH 接口为产品后续升级开发做准备。

图3 STM32 模块组成框图

　　通信接口电路设计如图4 和图5 所示。

图4 IPS 与外间通信接口电路图

图5 STM32 通信接口定义

3 控制系统的软件架构

　　控制模块中的程序语言为ANSI 标准C 语言， 程序结构、变量命名和注释都遵循国际通用标准， 容易理解， 也便于移植或扩展， 如图6 和图7 所示。

图6 DSP 程序流程图

图7 ST M32 程序流程图

　　代码经过合理编写， 逻辑清晰， 功能完善， 结构紧凑而又突出健壮性， 可维护性强， 符合工控软件编写要求。

　　项目过程中整理的开发测试说明文档详实准确， 也为后继研究带来便捷。

4 样机验证

　　目标板经过测试验证后成功应用在一台6KVA 工频双变换纯在线式单相小功率逆变电源上。各负载加载测试波形如图8 所示。空载输出电压波形1/ 4 负载输出电压波形满载输出电压波形测量结果表明， 220 V 交流输入时不同负载情况下电源的输出波形失真度小于3%,非线性负载失真小于5%, 逆变器效率大于96%。

图8 负载测试波形输出

　　5 结 语

　　核心控制数字化是工控发展的必然趋势。本文所研究设计的基于STM32 和TMS320F2808 控制的IPS 处理速度快， 控制精度高， 模块化结构合理， 能很好的实现现代IPS 设计的要求， 而且增加了SNMP, U SB和SDIO 等人机交互通信接口， 便于IPS 本地及远程管理维护。测试结果证明本设计的可行性与有效性。