利用CPLD设计逆变器的控制电路

    现代逆变器的控制电路多采用电机控制专用微处理器作为控制系统的核心，如INTEL公司的80C196MC，TI公司的TMS320F240等。随着逆变器性能的不断提高和功能的不断完善，当微处理器的片内资源无法满足要求时，就需要进行外围电路的扩展。与采用分立元件相比，采用具有ISP(在系统可编程)功能的CPLD(复杂可编程逻辑器件)进行外围电路扩展的方案在电路的体积、灵活性和可靠性等方面具有明显的优势。本文在分析逆变器控制电路的典型结构的基础上，设计了以TMS320F240为核心、用CPLD进行外围电路扩展的逆变器控制电路方案，说明CPLD的采用可以极大地改善逆变器控制电路的设计。

1. XC9500系列CPLD简介

XILINX公司的XC9500系列CPLD基于CMOS工艺，具有ISP功能，最少达一万次的写入/擦除次数，可以提供36~288个宏单元，800~6400个可用门，引脚到引脚的最小延时为5ns，最高计数器时钟可达125MHz。

XC9500系列CPLD由多个功能模块(FB)和输入输出模块(IOB)组成，并通过连线开关矩阵构成完全互连的子系统。FB是器件结构的核心部分，每个FB由18个独立的宏单元组成，而每个宏单元又都可以单独实现组合逻辑或时序逻辑;

IOB则提供输入和输出的缓冲;连线开关矩阵可以将FB和IOB的输入输出信号相连接，而这种连接关系完全是通过用户编程确定的。

XC9500系列CPLD作为高性能、低价格CPLD器件的典型代表，其可靠、价廉、抗干扰能力强、驱动电流大以及在系统可编程等优点非常适合于逆变器控制电路的设计需要。

2. TMS320F240的特点

多数逆变器要求具有灵活丰富的功能和接口，一般都采用微处理器作为控制电路的核心，而集成有PWM脉冲发生器功能的微处理器在逆变器控制电路的设计中使用最为广泛。TMS320F240作为TI公司专门设计用于逆变器控制的数字信号处理器(DSP)是其中的典型代表。

TMS320F240(以下简称F240)由DSP内核和片内外设组成。由于DSP内核具有较快的计算和响应处理速度，可以应付高速应用的要求，同时也为控制软件的设计提供了更加有力的支持，使控制系统能够完成更加复杂的功能、实现更好的控制效果。同时TMS320F240具有丰富的片内外设，包括16路10位A/D转换器、多个可编程的多路复用I/O引脚、硬件UART以及SPI总线等。特别是TMS320F240片内设置了一个事件管理器(EPA)，可以提供6路全比较PWM通道，能方便地实现各种PWM波形的发生。

结合外部的脉冲处理、保护、人机或双机通讯、运行控制以及数据处理等功能电路，就可以以F240为核心十分方便地构成一个功能全面、完整的逆变器控制系统。

3. 逆变器控制电路的典型结构

逆变器控制系统的典型结构如图1所示。

(1)PWM脉冲的产生及处理 产生IGBT的控制脉冲:引入保护信号，确保故障和异常状态下IGBT的可靠保护。

(2)运行状态的监视和保护 对逆变器的运行进行监视，在出现异常和故障时实施相应的保护。

(3)模拟量的输入和处理 经过电子变换、滤波等处理后的模拟量，一般由F240内部的A/D转换器进行转换。由于大部分处理都可由软件完成，因此在逆变器的控制电路中，模拟输入通道的硬件设计往往较简单。

(4)数字量的输入输出 数字量包括用户给定、运行状态反馈、指示及开关量控制等，他们可通过F240内部或片外扩展的I/O口实现输入输出。

(5)总线扩展和控制逻辑 用于片外I/O口和存储器的扩展，配合外部总线扩展的总线控制逻辑则包括产生片选和等待信号、读写控制等功能。

(6)外设接口 包括串行通信接口、串行E2PROM、实时时钟、LCD或LED显示等，常用于实现人机或双机通讯、信息存储和显示等功能。这些一般都通过软件与外部的接口芯片配合。

4. CPLD在逆变器控制电路中的典型应用

随着对逆变器控制功能、可靠性、成本和制造效率要求的不断提高，F240的硬件资源变得越来越紧张，包括需要较多的数字量I/O接口、需要进行外部总线的扩展以及实现可靠的逆变器保护功能等。这些扩展功能固然可以由各种分立的数字电路的组合来实现，但是这种传统的设计方法存在电路复杂、可靠性低、缺乏灵活性、不利于调试和维护等缺点。

由于CPLD可以十分方便地设计实现组合逻辑和时序逻辑电路，因此完全能够胜任逆变器控制电路设计中对F240外围电路和功能扩展的需要，从而大大提高逆变器控制电路的设计水平。在采用CPLD后，逆变器控制系统中原总线逻辑与扩展、数字量的输入输出以及运行状态监视和保护的数字部分等都可由CPLD来实现，整个系统可以简化成图2所示的形式。

通过与图1的对比不难发现，由于CPLD可集成实现很多功能，其使用对逆变器控制电路设计的改善主要表现在：

(1)F240的外部总线结构十分简洁，加和CPLD的引脚和功能都可以根据PCB板布线的实际情况和要求灵活地进行配置，这不但可以大大简化电路板的设计，而且对提高系统的电磁兼容性能也有很大的帮助。另外，芯片数目的减少不但对提高可靠性、减小电路尺寸有利，而且对降低原器件的采购、生成、调试和维护的费用都有所帮助。

(2)所有外部逻辑功能被封装在CPLD内部，保密性较好。由于F240本身没有任何保密功能，利用CPLD对硬件电路、以至于整个控制系统的设计进行保密成为最简便的方法之一。

(3)利用具有ISP功能的CPLD可以很方便地对已设计和制作完成的系统加以修改，不用放弃原来的电路原理图和电路板，避免了浪费，降低了成本。

(4)绝大多数外部的逻辑功能和引脚都由CPLD来实现，这就可使电路基本原理、电路板，甚至软件的开发先于、并独立于具体的外部逻辑功能设计进行，从而极大地提高产品设计、调试、小批量试制和实验的效率。

(5)利用CPLD可以灵活方便地设计所需的保护功能(包括故障的分级保护、故障状态的保存等)，提高系统的可靠性和软件运行的效率。

5. CPLD具体功能设计实现

在实际设计中，CPLD选择了XC9500系列的XC95144TQl00-7，具有144个宏单元和81个可完全编程的I/O引脚。开发软件采用的是XINLINX公司的专用开发软件Xilinx Foundation Series 3.li，用VHDL语言编程实现。其外部I/O管脚功能的配置如表1所示。

6. 结 论

具有ISP功能的CPLD的采用可以极大地提高逆变器控制电路的设计水平，使得系统能较好地兼顾可靠性、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开发的逆变器控制系统已经成功应用在"先锋"号200km/h电动车组35kVA客车空调逆变电源上，稳定运行一年多，取得了良好的效果。