基于ARM7和DSP双核控制的逆变电源设计

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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。