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基于ARM7和DSP双核控制的逆变电源设计

2019-07-14 01:22发布

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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 Power Supply Systam，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 Correx-M3的单片机STM32F103和TI 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STM32F103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。      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100MIPS，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。     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STM32)。STM32是基于ARM7 Cortex-M3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1．25DM-IPS／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)。如图3所示，设计中STM32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USB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256KB SRAM和4 MB NOR 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STM32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I2C方式E2PROM和SPI方式的DATA FLASH接口为产品后续升级开发做准备。
通信接口电路设计如图4所示。      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5和图6所示。      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7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％ 。     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、USB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。

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