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    基于arm cortex-m3和dsp的逆变电源设计
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    基于arm cortex-m3和dsp的逆变电源设计

    作者:   发布日期:2016-04-19 22:46   信息来源:http://www.1greatlook.com/

        

    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( inverted pow er supply system,ips) 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?榈牡ヒ桓丛踊, 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ips 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。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, 凸显出?榛、数字化控制已成为一种必然的趋势。

    本文描述了基于arm7cortex-m3的单片机stm32f103 和t i c2000 系列dsp 芯片tms320f2808 联合控制的ips 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ips 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 tms320f2808) 及外围器件作为信号产生及反馈检测调整?; 以arm7 单片机st m32f103及其外设作为人机交互逻辑控制?, 两个?榻换バ刂。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?榭刂, dsp ?橹葱衖gbt 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、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arm7 ?橹葱胁问瓒、运行管理、环境参数监控和人机交互处理等任务。dsp ?榭刂屏η缶, arm ?樵蚓弑竿晟频南低臣妒录芾砉δ。如图1 所示, 两个?樵谌挝裆舷嗷ザ懒⒍纸裘芰, 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?

    该?槭悄姹湫藕挪胺蠢〖觳獾髡?, 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 是德州仪器( ti) 公司的一款高速dsp 芯片, 最高运行速度可达100 mips, 为适应工控强干扰环境, 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 信号直接送给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2 dsp 控制?榭蛲

    2. 2 人机交互全局控制?

    人机交互控制?槭谴薸ps 设计中最为复杂的数字化管理?,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。设计中要求人机交互?槟艽砀丛拥娜挝竦鞫群秃芮康耐环⒎梦剩ㄖ卸希 处理, 这就必须有较高运行速度; ?槟诓炕挂蟹岣坏睦┱菇涌谔峁﹊ps 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,设计中选择了意法半导体( st ) 公司推出的最新32 位单片机stm32f103zet6 (以下简称st m32) 。st m32 是基于arm7 co rtexm3 内核架构的高速高性能嵌入式控制芯片, 拥有72 mhz 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 功能抢占中断机制( nivc) [ 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stm32 的26 位地址总线和16 数据总线扩展外挂256 kb sram 和4 mb n or flash, 以及8 位数据口的lcm ?閞a8806 以及用于snmp 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i2 c 方式e2prom 和spi 方式的da ta flash 接口为产品后续升级开发做准备。

    图3 stm32 ?樽槌煽蛲

    通信接口电路设计如图4 和图5 所示。

    图4ips 与外间通信接口电路图

    图5stm32 通信接口定义

    3 控制系统的软件架构

    控制?橹械某绦蛴镅晕猘nsi 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

    图7 st 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。

    4 样机验证

    目标板经过测试验证后成功应用在一台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?赵厥涑龅缪共ㄐ1/ 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%,非线性负载失真小于5%, 逆变器效率大于96%。

    图8 负载测试波形输出

    5结 语

    核心控制数字化是工控发展的必然趋势。本文所研究设计的基于stm32 和tms320f2808 控制的ips 处理速度快, 控制精度高,?榛峁购侠, 能很好的实现现代ips 设计的要求, 而且增加了snmp, u sb和sdio 等人机交互通信接口, 便于ips 本地及远程管理维护。测试结果证明本设计的可行性与有效性。

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