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。