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係統( Inverted Power 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後於現代電源理念，突出表現為控製模塊的單一複雜化，控製器芯片落後且控製任務繁重， 模擬閉環控製而得不到理想的監控和反饋調節效果
， 並由此帶來單個控製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後果。數字化控製技術日趨成熟，而且在某些領先理念的電源設備控製應用場合得到應用， 凸顯出模塊化、數字化控製已成為一種必然的趨勢。

　　
本文描述了基於ARM7 Cortex-M3的單片機STM32F103和TIC2000 係列DSP芯片TMS320F2808聯合控製的IPS核心控製電路，針對上述產品中的不足而提出了改進。所設計的IPS 核心控製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
，從而也間接多方麵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製模塊， 兩個模塊交互協同控製。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製， DSP 模塊執行IGBT 逆變所需的控製波形產生、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 模塊控製力求精準， ARM 模塊則具備完善的係統級事件管理功能。如圖1 所示
， 兩個模塊在任務上相互獨立而又緊密聯係，分工協調共同維護IPS 的正常運轉。

 

圖1 IPS 逆變原理框圖

2 雙核控製係統的組成

　　
2. 1 DSP 控製模塊

　　
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 係列高性能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 控製信號。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， 為適應工控強幹擾環境， F2808 內部集成了增強型輸入捕獲單元( eCAP) 和帶死區控製功能的輸出比較PWM 產生單元( ePWM) ，12 位16 通道快速ADC 單元； 內核支持用於定點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
，電池充電脈衝控製。DSP 輸出的3 路SPWM 信號直接送給CPLD，經過CPLD 的等間隔脈衝延遲移相作為逆變器產生U， V， W 三相電的控製波形。

 

圖2 DSP 控製模塊框圖

　　
2. 2 人機交互全局控製模塊

　　
人機交互控製模塊是此IPS 設計中最為複雜的數字化管理模塊， 它不僅監測和管理逆變係統的運作， 還要保證IPS 控製器與外界的通信。設計中要求人機交互模塊能處理複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； 具備優越的總線控製和訪問機製等。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 是基於ARM7 Co rtexM3 內核架構的高速高性能嵌入式控製芯片
， 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 功能搶占中斷機製( 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衝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 以及用於SNMP 的16 位並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鍾看門狗電路和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時鍾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 接口為產品後續升級開發做準備。

 

 

圖3 STM32 模塊組成框圖