|
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 Pow er Supply System,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 Cortex-M3 的單片機STM32F103 和T I 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。 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100 MIPS, 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。 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調度和很強的突發訪問( 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 與外部即時通信; 具備優越的總線控制和訪問機制等。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 ( 以下簡稱ST M32) 。ST M32 是基于ARM7 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; 先進的總線結構和多達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SCI 接口及1 根中斷請求/ 接收線與DSP 2808 進行通信; 利用片上擴展的其中2 個SCI 口分別作為RS 232 和RS 485通信協議口; CAN 總線接口和U SB 總線通過共享數據緩沖區和中斷向量入口與外界互聯通信;通過STM32 的26 位地址總線和16 數據總線擴展外掛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芯片W5100; 啟用ST M32 的SDIO 總線以啟用用戶插入SD 卡存儲查詢IPS 狀態數據功能; 啟用現場環境下獨立時鐘看門狗電路和STM32 特有的窗口看門狗;啟用內部芯片溫度傳感器采樣監控， RC時鐘源以及外部喚醒功能; 通過通用引腳接入DS18B20 溫度傳感器對環境溫度的采樣， 預留I2 C 方式E2PROM 和SPI 方式的DA TA FLASH 接口為產品后續升級開發做準備。 圖3 STM32 模塊組成框圖 |
