利用CPLD設(shè)計(jì)逆變器的控制電路

現(xiàn)代逆變器的控制電路多采用電機(jī)控制專用微處理器作為控制系統(tǒng)的核心，如INTEL公司的80C196MC，TI公司的TMS320F240等。隨著逆變器性能的不斷提高和功能的不斷完善，當(dāng)微處理器的片內(nèi)資源無法滿足要求時(shí)，就需要進(jìn)行外圍電路的擴(kuò)展。與采用分立元件相比，采用具有ISP(在系統(tǒng)可編程)功能的CPLD(復(fù)雜可編程邏輯器件)進(jìn)行外圍電路擴(kuò)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(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了以TMS320F240為核心、用CPLD進(jìn)行外圍電路擴(kuò)展的逆變器控制電路方案，說明CPLD的采用可以極大地改善逆變器控制電路的設(shè)計(jì)。

1. XC9500系列CPLD簡介

XILINX公司的XC9500系列CPLD基于CMOS工藝，具有ISP功能，最少達(dá)一萬次的寫入/擦除次數(shù)，可以提供36~288個(gè)宏單元，800~6400個(gè)可用門，引腳到引腳的最小延時(shí)為5ns，最高計(jì)數(shù)器時(shí)鐘可達(dá)125MHz。

XC9500系列CPLD由多個(gè)功能模塊(FB)和輸入輸出模塊(IOB)組成，并通過連線開關(guān)矩陣構(gòu)成完全互連的子系統(tǒng)。FB是器件結(jié)構(gòu)的核心部分，每個(gè)FB由18個(gè)獨(dú)立的宏單元組成，而每個(gè)宏單元又都可以單獨(dú)實(shí)現(xiàn)組合邏輯或時(shí)序邏輯;

IOB則提供輸入和輸出的緩沖;連線開關(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)系完全是通過用戶編程確定的。

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(qiáng)、驅(qū)動電流大以及在系統(tǒng)可編程等優(yōu)點(diǎn)非常適合于逆變器控制電路的設(shè)計(jì)需要。

2. TMS320F240的特點(diǎn)

多數(shù)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(shè)計(jì)中使用最為廣泛。TMS320F240作為TI公司專門設(shè)計(jì)用于逆變器控制的數(shù)字信號處理器(DSP)是其中的典型代表。

TMS320F240(以下簡稱F240)由DSP內(nèi)核和片內(nèi)外設(shè)組成。由于DSP內(nèi)核具有較快的計(jì)算和響應(yīng)處理速度，可以應(yīng)付高速應(yīng)用的要求，同時(shí)也為控制軟件的設(shè)計(jì)提供了更加有力的支持，使控制系統(tǒng)能夠完成更加復(fù)雜的功能、實(shí)現(xiàn)更好的控制效果。同時(shí)TMS320F240具有豐富的片內(nèi)外設(shè)，包括16路10位A/D轉(zhuǎn)換器、多個(gè)可編程的多路復(fù)用I/O引腳、硬件UART以及SPI總線等。特別是TMS320F240片內(nèi)設(shè)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(xiàn)各種PWM波形的發(fā)生。

結(jié)合外部的脈沖處理、保護(hù)、人機(jī)或雙機(jī)通訊、運(yùn)行控制以及數(shù)據(jù)處理等功能電路，就可以以F240為核心十分方便地構(gòu)成一個(gè)功能全面、完整的逆變器控制系統(tǒng)。

3. 逆變器控制電路的典型結(jié)構(gòu)

逆變器控制系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)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(hù)信號，確保故障和異常狀態(tài)下IGBT的可靠保護(hù)。

(2)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)視和保護(hù) 對逆變器的運(yùn)行進(jìn)行監(jiān)視，在出現(xiàn)異常和故障時(shí)實(shí)施相應(yīng)的保護(hù)。

(3)模擬量的輸入和處理 經(jīng)過電子變換、濾波等處理后的模擬量，一般由F240內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)往往較簡單。

(4)數(shù)字量的輸入輸出 數(shù)字量包括用戶給定、運(yùn)行狀態(tài)反饋、指示及開關(guān)量控制等，他們可通過F240內(nèi)部或片外擴(kuò)展的I/O口實(shí)現(xiàn)輸入輸出。

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

(6)外設(shè)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(xiàn)人機(jī)或雙機(jī)通訊、信息存儲和顯示等功能。這些一般都通過軟件與外部的接口芯片配合。