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(wú)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(shì)。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(shuō)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(jiǎn)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(wàn)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(guò)連線開(kāi)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(kāi)關(guān)矩陣可以將FB和IOB的輸入輸出信號(hào)相連接，而這種連接關(guān)系完全是通過(guò)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(dòng)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(hào)處理器(DSP)是其中的典型代表。

TMS320F240(以下簡(jiǎn)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(hào)，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(duì)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(guò)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(jiǎn)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(kāi)關(guān)量控制等，他們可通過(guò)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(chǔ)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(hào)、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(chǔ)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。

4. CPLD在逆變器控制電路中的典型應(yīng)用

隨著對(duì)逆變器控制功能、可靠性、成本和制造效率要求的不斷提高，F(xiàn)240的硬件資源變得越來(lái)越緊張，包括需要較多的數(shù)字量I/O接口、需要進(jìn)行外部總線的擴(kuò)展以及實(shí)現(xiàn)可靠的逆變器保護(hù)功能等。這些擴(kuò)展功能固然可以由各種分立的數(shù)字電路的組合來(lái)實(shí)現(xiàn)，但是這種傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法存在電路復(fù)雜、可靠性低、缺乏靈活性、不利于調(diào)試和維護(hù)等缺點(diǎn)。

由于CPLD可以十分方便地設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)組合邏輯和時(shí)序邏輯電路，因此完全能夠勝任逆變器控制電路設(shè)計(jì)中對(duì)F240外圍電路和功能擴(kuò)展的需要，從而大大提高逆變器控制電路的設(shè)計(jì)水平。在采用CPLD后，逆變器控制系統(tǒng)中原總線邏輯與擴(kuò)展、數(shù)字量的輸入輸出以及運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視和保護(hù)的數(shù)字部分等都可由CPLD來(lái)實(shí)現(xiàn)，整個(gè)系統(tǒng)可以簡(jiǎn)化成圖2所示的形式。

通過(guò)與圖1的對(duì)比不難發(fā)現(xiàn)，由于CPLD可集成實(shí)現(xiàn)很多功能，其使用對(duì)逆變器控制電路設(shè)計(jì)的改善主要表現(xiàn)在：

(1)F240的外部總線結(jié)構(gòu)十分簡(jiǎn)潔，加和CPLD的引腳和功能都可以根據(jù)PCB板布線的實(shí)際情況和要求靈活地進(jìn)行配置，這不但可以大大簡(jiǎn)化電路板的設(shè)計(jì)，而且對(duì)提高系統(tǒng)的電磁兼容性能也有很大的幫助。另外，芯片數(shù)目的減少不但對(duì)提高可靠性、減小電路尺寸有利，而且對(duì)降低原器件的采購(gòu)、生成、調(diào)試和維護(hù)的費(fèi)用都有所幫助。

(2)所有外部邏輯功能被封裝在CPLD內(nèi)部，保密性較好。由于F240本身沒(méi)有任何保密功能，利用CPLD對(duì)硬件電路、以至于整個(gè)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行保密成為最簡(jiǎn)便的方法之一。

(3)利用具有ISP功能的CPLD可以很方便地對(duì)已設(shè)計(jì)和制作完成的系統(tǒng)加以修改，不用放棄原來(lái)的電路原理圖和電路板，避免了浪費(fèi)，降低了成本。

(4)絕大多數(shù)外部的邏輯功能和引腳都由CPLD來(lái)實(shí)現(xiàn)，這就可使電路基本原理、電路板，甚至軟件的開(kāi)發(fā)先于、并獨(dú)立于具體的外部邏輯功能設(shè)計(jì)進(jìn)行，從而極大地提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)、調(diào)試、小批量試制和實(shí)驗(yàn)的效率。

(5)利用CPLD可以靈活方便地設(shè)計(jì)所需的保護(hù)功能(包括故障的分級(jí)保護(hù)、故障狀態(tài)的保存等)，提高系統(tǒng)的可靠性和軟件運(yùn)行的效率。

5. CPLD具體功能設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

在實(shí)際設(shè)計(jì)中，CPLD選擇了XC9500系列的XC95144TQl00-7，具有144個(gè)宏單元和81個(gè)可完全編程的I/O引腳。開(kāi)發(fā)軟件采用的是XINLINX公司的專用開(kāi)發(fā)軟件Xilinx Foundation Series 3.li，用VHDL語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)。其外部I/O管腳功能的配置如表1所示。

6. 結(jié) 論

具有ISP功能的CPLD的采用可以極大地提高逆變器控制電路的設(shè)計(jì)水平，使得系統(tǒng)能較好地兼顧可靠性、小型化、低成本和高性能等多方面日益提高的要求。目前，基于XC95144和TMS320F240開(kāi)發(fā)的逆變器控制系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用在"先鋒"號(hào)200km/h電動(dòng)車組35kVA客車空調(diào)逆變電源上，穩(wěn)定運(yùn)行一年多，取得了良好的效果。