基于ARM7和DSP双核控制的逆变电源设计

收稿日期: 2011-03-14
本文 描 述 了 基 于 ARM 7 Cort ex- M3 的 单 片 机 ST M 32F 103 和 T I C2000 系 列 DSP 芯 片 T M S320F2808 联合控制的 IP S 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 IP S 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 T M S320F 2808) 及外围器件作为信号产生 及反 馈检测调 整模块; 以 ARM 7 单片机 ST M32F103 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
2011 年 8 月 15 日 第 34 卷第 16 期
现代电子技术
M odern Electro nics T echnique
A ug. 2011 V ol. 34 N o. 16
基于 ARM7 和 DSP 双核控制的逆变电源设计
唐 盛, 姚 萌
( 华东师范大学 信息科学技术学院 通信工程系, 上海 200应用在一台 6KVA 工 频双变换纯在线式单相小功率逆变电源上。各负载加载 测试波形如图 8 所示。空载输出电压波形 1/ 4 负载输出 电压波形满载输出电压波形测量结果表明, 220 V 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% ,
Keywords: inver ted pow er supply; mo dula rizatio n; ST M 32F103; T M S320F2808
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( Invert ed P ow er Supply Syst em , IP S) 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 IP S 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[ 1-2] 。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[ 3-7] , 凸显出模块化、数字化控制已成为一 种必然的趋势。
图 1 IP S 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 T M S320F 2808 ( 以下 简称 F 2808) , F 2808 产 生的 SPWM 信 号 经过 CP L D 进行逻辑延时移相形成三相逆变器 IGBT 控制 信号。F 2808 是德州仪器( T I) 公司的一款高速 DSP 芯 片, 最高运行速度可达 100 MIP S, 为适应工控强干扰环 境, F 2808 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( eP WM) , 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[ 8] ; 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 [ 9] 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 CPL D, 经过 CPL D 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。 2. 2 人机交互全局控制模块
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 A RM 7 Co rtex- M 3 内 核的 单 片机 ST M 32F 103 和 T I C2000 系列 DSP 芯 片
非线性负载失真小于 5% , 逆变器效率大于 96% 。
图 4 IPS 与外间通信接 口电路图
图 6 D SP 程序流程图
图 5 ST M 32 通信接口定义
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。 项目过程中整理的开发测试说明文档详实准确, 也为后 继研究带来便捷。
T A NG Sheng , Y AO M eng
( Scho ol o f Informat ion & T echnolo gy, E ast C hina N ormal U niv ersity , Shanghai 200241, C hina)
Abstract: In order t o solve the pr oblems of hig h risk o perat ion, low contro l precisio n, lo ng time feedback r egulat ion and po or system scalability caused by the sing le complex co nt rol, a do uble- co re joint- co ntr ol circuit for inv erted pow er supply sy stem is desig ned and r ea lized in this paper , which is based on the jo int co ntr ol o f micropro cesso r ST M 32F103 w ith AR M 7 Cortex- M 3 Co re and T I C2000 ser ies DSP chip T M S320F2808. It uses ST M 32 fo r sy stem management, env ir onmental mo nitor ing and human- machine inter act ion, and F2808 fo r close- loop feedback contr ol and batter y char ging . Bo th the mo dular izatio n of digit al contro l, and facilitatio n of operation and maintenance wer e realized by the contr ol sy st em. T he co ntro lling and loading experiments indicate that the new co ntr ol scheme has effectiv ely so lv ed the pr oblems ment ioned abov e. T he test results show the feasibility and vendibility o f this kind of inv erted po wer supply sy stem.
18 4
现代电子技术
2011 年第 34 卷
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 ARM 7 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。
图 2 DSP 控制模块框图
图 3 ST M 32 模块组 成框图
通信接口电路设计如图 4 和图 5 所示。
第 16 期
唐 盛等: 基于 ARM 7 和 DSP 双核控制的逆变电源设计
18 5
3 控制系统的软件架构
控制模块中的程序语言为 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。
T M S320F 2808 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。
线控制和访问机制等。综合考虑上述需求, 设计中选择 了意法 半 导 体 ( ST ) 公 司 推 出 的 最 新 32 位 单 片 机 ST M 32F 103ZET 6 ( 以下简称 ST M32) 。ST M32 是 基 于 ARM 7 Co rt ex- M 3 内核架构的高速高性能嵌入式控 制 芯 片, 拥 有 72 M H z 内 核 工 作 频 率 和 1. 25 DMIPS/ M H z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 中 断 机 制 ( N IV C) [ 10] 。如图 3 所示, 设计中 ST M32 通过 SCI 接 口及 1 根中断请求/ 接收线与 DSP 2808 进行通信; 利 用片上 扩 展 的 其 中 2 个 SCI 口 分 别 作 为 RS 232 和 RS 485通信协议口; CAN 总线接口和 U SB 总线通过共 享数据缓冲区和中断向量入口与 外界互联通信; 通 过 ST M 32 的 26 位 地 址总 线 和 16 数 据总 线 扩展 外 挂 256 KB SRAM 和 4 M B N OR F L ASH , 以及 8 位数据 口的 L CM 模块 RA8806 以及用于 SNM P 的 16 位并行 数据的以太网芯片 W5100; 启用 ST M32 的 SDIO 总线 以启用用户插入 SD 卡存储查询 IPS 状态数据功能; 启 用现场环境下独立时钟看门狗电路和 ST M 32 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 I2 C 方式 E2PR OM 和 SPI 方式的 DA T A F L A SH 接口为产品后 续升级开发做准备。