利用CPLD設計逆變器的控制電路

現代逆變器的控制電路多采用電機控制專(zhuān)用微處理器作為控制系統的核心，如INTEL公司的80C196MC，TI公司的TMS320F240等。隨著(zhù)逆變器性能的不斷提高和功能的不斷完善，當微處理器的片內資源無(wú)法滿(mǎn)足要求時(shí)，就需要進(jìn)行外圍電路的擴展。與采用分立元件相比，采用具有ISP(在系統可編程)功能的CPLD(復雜可編程邏輯器件)進(jìn)行外圍電路擴展的方案在電路的體積、靈活性和可靠性等方面具有明顯的優(yōu)勢。本文在分析逆變器控制電路的典型結構的基礎上，設計了以TMS320F240為核心、用CPLD進(jìn)行外圍電路擴展的逆變器控制電路方案，說(shuō)明CPLD的采用可以極大地改善逆變器控制電路的設計。

1. XC9500系列CPLD簡(jiǎn)介

XILINX公司的XC9500系列CPLD基于CMOS工藝，具有ISP功能，最少達一萬(wàn)次的寫(xiě)入/擦除次數，可以提供36~288個(gè)宏單元，800~6400個(gè)可用門(mén)，引腳到引腳的最小延時(shí)為5ns，最高計數器時(shí)鐘可達125MHz。

XC9500系列CPLD由多個(gè)功能模塊(FB)和輸入輸出模塊(IOB)組成，并通過(guò)連線(xiàn)開(kāi)關(guān)矩陣構成完全互連的子系統。FB是器件結構的核心部分，每個(gè)FB由18個(gè)獨立的宏單元組成，而每個(gè)宏單元又都可以單獨實(shí)現組合邏輯或時(shí)序邏輯;

IOB則提供輸入和輸出的緩沖;連線(xiàn)開(kāi)關(guān)矩陣可以將FB和IOB的輸入輸出信號相連接，而這種連接關(guān)系完全是通過(guò)用戶(hù)編程確定的。

XC9500系列CPLD作為高性能、低價(jià)格CPLD器件的典型代表，其可靠、價(jià)廉、抗干擾能力強、驅動(dòng)電流大以及在系統可編程等優(yōu)點(diǎn)非常適合于逆變器控制電路的設計需要。

2. TMS320F240的特點(diǎn)

多數逆變器要求具有靈活豐富的功能和接口，一般都采用微處理器作為控制電路的核心，而集成有PWM脈沖發(fā)生器功能的微處理器在逆變器控制電路的設計中使用最為廣泛。TMS320F240作為T(mén)I公司專(zhuān)門(mén)設計用于逆變器控制的數字信號處理器(DSP)是其中的典型代表。

TMS320F240(以下簡(jiǎn)稱(chēng)F240)由DSP內核和片內外設組成。由于DSP內核具有較快的計算和響應處理速度，可以應付高速應用的要求，同時(shí)也為控制軟件的設計提供了更加有力的支持，使控制系統能夠完成更加復雜的功能、實(shí)現更好的控制效果。同時(shí)TMS320F240具有豐富的片內外設，包括16路10位A/D轉換器、多個(gè)可編程的多路復用I/O引腳、硬件UART以及SPI總線(xiàn)等。特別是TMS320F240片內設置了一個(gè)事件管理器(EPA)，可以提供6路全比較PWM通道，能方便地實(shí)現各種PWM波形的發(fā)生。

結合外部的脈沖處理、保護、人機或雙機通訊、運行控制以及數據處理等功能電路，就可以以F240為核心十分方便地構成一個(gè)功能全面、完整的逆變器控制系統。

3. 逆變器控制電路的典型結構

逆變器控制系統的典型結構如圖1所示。

(1)PWM脈沖的產(chǎn)生及處理 產(chǎn)生IGBT的控制脈沖:引入保護信號，確保故障和異常狀態(tài)下IGBT的可靠保護。

(2)運行狀態(tài)的監視和保護 對逆變器的運行進(jìn)行監視，在出現異常和故障時(shí)實(shí)施相應的保護。

(3)模擬量的輸入和處理 經(jīng)過(guò)電子變換、濾波等處理后的模擬量，一般由F240內部的A/D轉換器進(jìn)行轉換。由于大部分處理都可由軟件完成，因此在逆變器的控制電路中，模擬輸入通道的硬件設計往往較簡(jiǎn)單。

(4)數字量的輸入輸出 數字量包括用戶(hù)給定、運行狀態(tài)反饋、指示及開(kāi)關(guān)量控制等，他們可通過(guò)F240內部或片外擴展的I/O口實(shí)現輸入輸出。

(5)總線(xiàn)擴展和控制邏輯 用于片外I/O口和存儲器的擴展，配合外部總線(xiàn)擴展的總線(xiàn)控制邏輯則包括產(chǎn)生片選和等待信號、讀寫(xiě)控制等功能。

(6)外設接口 包括串行通信接口、串行E2PROM、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、LCD或LED顯示等，常用于實(shí)現人機或雙機通訊、信息存儲和顯示等功能。這些一般都通過(guò)軟件與外部的接口芯片配合。