基于ARMCortexM3和DSP的逆变电源设计

基于ARMCortex-M3和DSP的逆变电源设计

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(InvertedPow er Supply System,!PS)为现场设备提供稳泄的高质量电源，特别在如通信机房、服务器工作站、交通枢纽调度屮心、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

传统设计而不符介或落麻于现代电源理念，突出表现为控制模块的单一复杂化，控制器芯片落

示且控制任务繁重，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,扶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II趋成熟，而且在某些领先理念的电源设备控制丿应用场介得到丿、'、/「用，凸显出模块化、数字化控制L1成为一种必然的趋势。

木文描述了基于ARM7Cortex-M3的单片机STM32F103和TlC2000系列DSP芯片
TMS320F2808联合控制的IPS核心控制电路，针对上述产品屮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宾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，而且丰富了远稈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采用木次设计的电路作为核心；以高速数字信号微处理器(DSPTMS320F2808)及外I韦I器件作为信号产生及反馈检测调隸模块；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。应用便件白反馈调节SPWM波形输出，采用DSP数字化算法提供高精度锁相技术。软件编稈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、白检和H侦测功能，对电路板上所有电路连接进行白检和故障分析等功能。而ARM7模块执行参数设泄、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而乂紧密联系，分工协调共同维护IPS的正常运转。

图1IPS逆变原理框图

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是徳州仪器（TI）公司的一款高速DSP芯片，最高运行速度可达100MIPS,为适丿应工控强干扰环境，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信号肓接送给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。

图2DSP控制模块框图

2.2人机交互全局控制模块

人机交互控制模块绘此IPS设计屮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。设计屮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（屮断）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，设计屮选择了意法半导体（ST）公司推出的最新32位单片机
STM32F103ZET6（以下简称STM32）。STM32 是基于ARM7Co rtexM3 内核架构的高速高性能嵌入式控制芯片，拥有72MHz内核工作频率和1.25 DMIPS/ 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功能抢占冲断机制（NIVC）[10] o 如图3所示，设计屮STM32通过SCI接口及1根中断请求/接收线与DSP2808进行通信；利用片上扩展的其中2个SCI口分别作为RS232和RS485通信协议口；CAN总线接口和USB总线通过共字数据缓冲区和屮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4MB N OR 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卡存储杳询IPS状态数据功能；启用现场环境下时钟看门狗电路和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DATAFLASH接口为产品后续升级开发做准备。

输入采样		rm	充电	逆变	保护		静态开
			控制	VI.	控制		关控制
输岀釆样			IMS3=0F28O8? ■?■』4 i		控制 伏态	STM32FI03 (ARM7)
电池采样

SPWM

开关状态釆样	状态釆样	▼	IGBT开关
		EPM24OT c CPLD)	控制波形〉

图3STM32模块组成框图

通信接I丨电路设计如图4和图5所示。

DSP INTO	9cc			<?	U3 TO 232
				< 1 bl
	亲	bl	(ANL
				GNDblH~
RS 232 DI RO	b2			丄 VP23O
	a3九		OBootloadc ?RST	GND
RS 232 RTS(Z>	CZ>BocMloadc BOOTO			*
	a4 [X4
	~T	MAX 3232 0
	GND
RS 485 DTR ~> RS	DSP RXCZF
					° CZJIO DSP
48SA — F RS	SOM 485				C2>FROMJ32

4K5B

X MAX 485	TO 485	DSP	CZ>I*ROM 2J2
			j_° MAX 3223
GND			GND

图4IPS与外间通信接□电路图

图5STM32通信接口定义
3控制系统的软件架构
控制模块屮的程序语言为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。

图6DSP程序流程图

Mwittna ISR

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图7ST M32程序流程图

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H过穆屮整理的开发测试说明文档详实准确，也为品继研究带来便捷。

4样机验证

li标板经过测试验证麻成功川川在一台6KVA工频双变换纯在线式单相小功率逆变电源上。备负载加载测试波形如图8所不。空载输出电压波形1/4负载输岀电压波形满载输出电压波形测暈结果表明，220V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%。

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