基于ARM7和DSP双核控制的逆变电源设计

摘要：为了有效解决逆变电源中存在的因单一复杂控制而带来的系统运行高风险性、控制精度低，反馈调节时间长，系统可扩展性差等缺点，设计实现了一种基于ARM7 Cortex-M3内核的单片机STM32F103和TI C2000系列DSP芯片TMS320F2808的双核控制逆变电源控制电路。通过在一台6kVA工频双变换纯在线式单相小功率逆变电源上进行控制和负载实验。结果表明，该设计方案有效解决了逆变电源系统中因控制核单一而导致的高复杂度高风险性的缺点，具有控制器模块化，抗干扰能力强，反馈调节速度快，内部接口扩展功能丰富等特点。
关键词：逆变电源；模块化；Cortex-M3；STM32F103；TMS32F2808

0 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和图5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6和图7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％。

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。