引 言
在電氣智能化發展無處不在的今天， 無數用電場合離不開逆變電源系統（ Inverted Pow er Supply System,IPS） 為現場設備提供穩定的高質量電源， 特別在如通信機房、服務器工作站、交通樞紐調度中心、醫院、電力、工礦企業等對電源保障有苛刻要求的場合。許多IPS產品因遵循傳統設計而不符合或落后于現代電源理念，突出表現為控制模塊的單一復雜化， 控制器芯片落后且控制任務繁重， 模擬閉環控制而得不到理想的監控和反饋調節效果， 并由此帶來單個控制設備軟硬件設計上的隱患， 這對IPS 電源輸出造成不利影響， 甚至對用電設備因為供電故障而導致災難性后果。數字化控制技術日趨成熟， 而且在某些領先理念的電源設備控制應用場合得到應用， 凸顯出模塊化、數字化控制已成為一種必然的趨勢。
本文描述了基于ARM7 Cortex-M3 的單片機STM32F103 和T I C2000 系列DSP 芯片TMS320F2808 聯合控制的IPS 核心控制電路， 針對上述產品中的不足而提出了改進。所設計的IPS 核心控制電路通過測試仿真及現場測試結果證明， 這種新型IPS 設計改善了IPS 結構設計， 滿足IPS 運作的高要求， 而且豐富了遠程監控等人機交互接口， 從而也間接多方面節約用戶的管理成本。
1 逆變電源整體介紹
為滿足電源敏感性設備對逆變電源的要求， 目標IPS 采用本次設計的電路作為核心； 以高速數字信號微處理器（ DSP TMS320F2808） 及外圍器件作為信號產生及反饋檢測調整模塊； 以ARM7 單片機ST M32F103及其外設作為人機交互邏輯控制模塊， 兩個模塊交互協同控制。應用硬件自反饋調節SPWM 波形輸出， 采用DSP 數字化算法提供高精度鎖相技術。軟件編程進行全數字化分任務模塊控制， DSP 模塊執行IGBT 逆變所需的控制波形產生、反饋調節、鉛酸蓄電池充電波形產生及調節、自檢和自偵測功能， 對電路板上所有獨立電路連接進行自檢和故障分析等功能。而ARM7 模塊執行參數設定、運行管理、環境參數監控和人機交互處理等任務。DSP 模塊控制力求精準， ARM 模塊則具備完善的系統級事件管理功能。如圖1 所示， 兩個模塊在任務上相互獨立而又緊密聯系， 分工協調共同維護IPS 的正常運轉。
圖1 IPS 逆變原理框圖
2 雙核控制系統的組成
2. 1 DSP 控制模塊
該模塊是逆變信號產生及反饋檢測調整模塊， 核心是一片C2000 系列高性能DSP 處理器TMS320F2808（ 以下簡稱F2808） , F2808 產生的SPWM 信號經過CPLD 進行邏輯延時移相形成三相逆變器IGBT 控制信號。F2808 是德州儀器（ TI） 公司的一款高速DSP 芯片， 最高運行速度可達100 MIPS, 為適應工控強干擾環境， F2808 內部集成了增強型輸入捕獲單元（ eCAP） 和帶死區控制功能的輸出比較PWM 產生單元（ ePWM） ,12 位16 通道快速ADC 單元； 內核支持用于定點DSP實現浮點運算的IQ 變換函數庫； 還有諸如SCI, SPI,eCAN 等豐富而通用的外設接口。如圖2 所示， 設計中F2808 的主要任務是監控IPS 功率部分的開關狀態和動作， 根據逆變器和負載狀態反饋調整3 路SPWM波形的輸出， 電池充電脈沖控制。DSP 輸出的3 路SPWM 信號直接送給CPLD, 經過CPLD 的等間隔脈沖延遲移相作為逆變器產生U, V, W 三相電的控制波形。
圖2 DSP 控制模塊框圖
2. 2 人機交互全局控制模塊
人機交互控制模塊是此IPS 設計中最為復雜的數字化管理模塊， 它不僅監測和管理逆變系統的運作， 還要保證IPS 控制器與外界的通信。設計中要求人機交互模塊能處理復雜的任務調度和很強的突發訪問（ 中斷） 處理， 這就必須有較高運行速度； 模塊內部還要有豐富的擴展接口提供IPS 與外部即時通信； 具備優越的總線控制和訪問機制等。綜合考慮上述需求， 設計中選擇了意法半導體（ ST ） 公司推出的最新32 位單片機STM32F103ZET6 （ 以下簡稱ST M32） 。ST M32 是基于ARM7 Co rtexM3 內核架構的高速高性能嵌入式控制芯片， 擁有72 MHz 內核工作頻率和1. 25 DMIPS/ MHz的指令流水處理速度； 先進的總線結構和多達16 級的帶DMA 功能搶占中斷機制（ NIVC） [ 10] 。如圖3 所示， 設計中ST M32 通過SCI 接口及1 根中斷請求/ 接收線與DSP 2808 進行通信； 利用片上擴展的其中2 個SCI 口分別作為RS 232 和RS 485通信協議口； CAN 總線接口和U SB 總線通過共享數據緩沖區和中斷向量入口與外界互聯通信； 通過STM32 的26 位地址總線和16 數據總線擴展外掛256 KB SRAM 和4 MB N OR FLASH, 以及8 位數據口的LCM 模塊RA8806 以及用于SNMP 的16 位并行數據的以太網芯片W5100; 啟用ST M32 的SDIO 總線以啟用用戶插入SD 卡存儲查詢IPS 狀態數據功能； 啟用現場環境下獨立時鐘看門狗電路和STM32 特有的窗口看門狗； 啟用內部芯片溫度傳感器采樣監控， RC時鐘源以及外部喚醒功能； 通過通用引腳接入DS18B20 溫度傳感器對環境溫度的采樣， 預留I2 C 方式E2PROM 和SPI 方式的DA TA FLASH 接口為產品后續升級開發做準備。
圖3 STM32 模塊組成框圖
通信接口電路設計如圖4 和圖5 所示。
圖4 IPS 與外間通信接口電路圖
圖5 STM32 通信接口定義
3 控制系統的軟件架構
控制模塊中的程序語言為ANSI 標準C 語言， 程序結構、變量命名和注釋都遵循國際通用標準， 容易理解， 也便于移植或擴展， 如圖6 和圖7 所示。
圖6 DSP 程序流程圖
圖7 ST M32 程序流程圖
代碼經過合理編寫， 邏輯清晰， 功能完善， 結構緊湊而又突出健壯性， 可維護性強， 符合工控軟件編寫要求。
項目過程中整理的開發測試說明文檔詳實準確， 也為后繼研究帶來便捷。
4 樣機驗證
目標板經過測試驗證后成功應用在一臺6KVA 工頻雙變換純在線式單相小功率逆變電源上。各負載加載測試波形如圖8 所示。空載輸出電壓波形1/ 4 負載輸出電壓波形滿載輸出電壓波形測量結果表明， 220 V 交流輸入時不同負載情況下電源的輸出波形失真度小于3%,非線性負載失真小于5%, 逆變器效率大于96%。
圖8 負載測試波形輸出
5 結 語
核心控制數字化是工控發展的必然趨勢。本文所研究設計的基于STM32 和TMS320F2808 控制的IPS 處理速度快， 控制精度高， 模塊化結構合理， 能很好的實現現代IPS 設計的要求， 而且增加了SNMP, U SB和SDIO 等人機交互通信接口， 便于IPS 本地及遠程管理維護。測試結果證明本設計的可行性與有效性。