0 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 Power Supply Systam，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 Correx-M3的單片機STM32F103和TI 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STM32F103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。

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100MIPS，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。

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STM32)。STM32是基于ARM7 Cortex-M3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1.25DM-IPS/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)。如圖3所示，設計中STM32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USB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256KB SRAM和4 MB NOR 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STM32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I2C方式E2PROM和SPI方式的DATA FLASH接口為產品后續升級開發做準備。

通信接口電路設計如圖4和圖5所示。

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。

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%。

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，USB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。