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。