關(guān)鍵詞：數(shù)字控制； 金鹵燈； 恒壓； 恒流； 恒功率

1、引言

高強(qiáng)度氣體放電燈作為一種新型節(jié)能型電光源，因其發(fā)光效率高、顯色性好、壽命長等優(yōu)良電光源性能，已得到廣泛的應(yīng)用，但由于其復(fù)雜的啟動(dòng)過程和時(shí)序控制要求，傳統(tǒng)的模擬控制往往顯得麻煩且復(fù)雜。數(shù)字控制能夠簡化硬件電路，克服模擬電路中參數(shù)溫度漂移的問題，而且控制靈活。由于金鹵燈在高頻下工作容易產(chǎn)生聲諧振現(xiàn)象，使燈電弧不穩(wěn)定，燈光閃爍，甚至熄滅，嚴(yán)重時(shí)會(huì)損壞放電管，大大損害燈的壽命。本文采用低頻方波工作方式，即由PFC級(jí)+DC/DC級(jí)+低頻全橋DC/AC級(jí)三級(jí)電路組成，避免金鹵燈的聲諧振現(xiàn)象，采用數(shù)字控制方法，實(shí)現(xiàn)鎮(zhèn)流器與燈的不同階段的不同負(fù)載特性相匹配。

2、電路組成及工作原理

整個(gè)電路的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由以下五個(gè)部分組成： PFC級(jí)輸出400V直流電壓，作為DC/DC級(jí)的輸入電壓；DC/DC級(jí)進(jìn)行功率處理； DC/AC級(jí)實(shí)現(xiàn)直流變?yōu)榻涣鳎銶OS管的驅(qū)動(dòng)由單片機(jī)的I/O口輸出固定占空比為50％的低頻方波來實(shí)現(xiàn)；觸發(fā)器用來產(chǎn)生高壓啟動(dòng)HID燈；數(shù)字控制器用來實(shí)現(xiàn)電壓，電流和功率控制以及異常狀態(tài)保護(hù)。

　　Fig.1 Systematic frame of digital control strategy of electronic ballast
　　主電路由三級(jí)電路組成，第一級(jí)為PFC級(jí)，第二和第三級(jí)分別為DC/DC級(jí)和DC/AC級(jí)，其電路如圖2和圖3所示。
　　PFC級(jí)為功率因數(shù)校正，用來減少輸入電流的諧波，提高功率因數(shù)，減少對(duì)電網(wǎng)的污染，同時(shí)還給DC/DC級(jí)提供穩(wěn)定的輸入電壓，使DC/DC級(jí)輸出的電壓不受電網(wǎng)電壓變化的影響，使燈能在較大的電網(wǎng)電壓變化范圍內(nèi)正常啟動(dòng)和工作， PFC級(jí)采用升壓型BOOST DC/DC變換器，其輸出電壓根據(jù)電網(wǎng)最大輸出電壓而定，一般為400V。
　　DC/DC級(jí)可實(shí)現(xiàn)功率控制，電路由ZVRT BUCK電路構(gòu)成，包括主開關(guān)和輔助開關(guān)兩個(gè)管，通過調(diào)節(jié)電感參數(shù)，主開關(guān)可實(shí)現(xiàn)零電壓開通，有效減小電路中開關(guān)管的損耗，這一級(jí)電路采用單片機(jī)來控制，實(shí)現(xiàn)輸出的恒壓、變流和恒功率以及電路的開路保護(hù)和短路保護(hù)。
　　

　　DC/AC級(jí)采用全橋電路，把DC/DC級(jí)輸出的直流電壓變?yōu)榻涣?，使燈工作在低頻方波，有效防止燈管的極化，有利于燈的正常工作，而且工作在低頻方式，有效避免金鹵燈的聲諧振現(xiàn)象，其低頻驅(qū)動(dòng)方波由單片機(jī)的I/O口產(chǎn)生。
　　

　　數(shù)字控制電路如圖4所示，采用28個(gè)引腳的PIC16F873系列單片機(jī)，具有三個(gè)定時(shí)器，10位AD采樣精度，尤其是具有兩個(gè)PWM口，在工作頻率為39K時(shí)，其輸出精度可達(dá)9位，這樣就可以省去外圍的D/A轉(zhuǎn)換器和專用的PWM芯片，從而簡化了硬件電路，該系列單片機(jī)引腳少，價(jià)格便宜，功能強(qiáng)，是單片機(jī)芯片中很好的選擇，其具體的參數(shù)如下表所示:
　　

　　控制電路中采用IR2105芯片，該芯片內(nèi)部具有一定的死區(qū)時(shí)間和隔離電路，使其輸出的驅(qū)動(dòng)波形可以直接驅(qū)動(dòng)BUCK電路的上下兩個(gè)MOS管，而簡化了BUCK電路的驅(qū)動(dòng)電路，解決了BUCK電路驅(qū)動(dòng)難的問題，簡單又方便，并且該芯片的邏輯輸入能與標(biāo)準(zhǔn)的CMOS或LSTTL輸出電路兼容，完全可以由單片機(jī)產(chǎn)生的信號(hào)來直接驅(qū)動(dòng)。
　　

　　3 軟件設(shè)計(jì)
　　3.1 主程序設(shè)計(jì)
　　軟件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是根據(jù)金鹵燈從啟動(dòng)到正常工作各個(gè)階段不同控制模式，確定模式轉(zhuǎn)換或控制變量變化的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，選擇合理的控制量，使得電子鎮(zhèn)流器的輸出特性與MH燈的動(dòng)態(tài)特性相匹配。
　　燈觸發(fā)前，DC/DC變換器必須為燈提供一定的開路電壓，其控制模式為電壓反饋控制。設(shè)定一個(gè)電壓基準(zhǔn)變量值，可根據(jù)需要控制開路電壓大小。
　　判斷燈是否觸發(fā)最重要的標(biāo)志是燈動(dòng)態(tài)電流的變化，可通過設(shè)定電流門坎來判別。
　　一旦檢測燈已經(jīng)觸發(fā)，數(shù)字控制器開始調(diào)節(jié)燈電流，此階段燈電流的大小決定燈到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間，電流越大，燈越容易進(jìn)入穩(wěn)態(tài)。這個(gè)期間根據(jù)燈電壓變化設(shè)定不同的控制電流和功率。
　　燈進(jìn)入穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，設(shè)定功率基準(zhǔn)，進(jìn)行功率反饋模式，使燈保持在恒功率下工作。
　　DC/AC電路的低頻驅(qū)動(dòng)方波是采用中斷的方式分別由兩個(gè)I/O口產(chǎn)生，I/O口產(chǎn)生的方波經(jīng)IR2105進(jìn)行隔離產(chǎn)生互補(bǔ)的兩個(gè)波形去驅(qū)動(dòng)全橋電路的上下MOS管。
　　3.2 數(shù)字PID算法
　　在模擬控制系統(tǒng)中，控制器最常用的控制規(guī)律是PID控制。PID控制器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值與實(shí)際輸出值構(gòu)成控制偏差，將偏差的比例、積分和微分通過線性組合構(gòu)成控制量，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制。在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，使用的是數(shù)字PID控制器，它只能根據(jù)采樣時(shí)刻的偏差值計(jì)算控制量，需要進(jìn)行離散化處理。
　　

　　數(shù)字PID實(shí)現(xiàn)的過程： AD采樣精度為10位，PWM輸出的精度為9位，以恒壓PI控制為例，首先設(shè)定電壓參考值，即控制的目標(biāo)值，用16進(jìn)制數(shù)來表示，接著單片機(jī)采樣輸出的燈端電壓值，將采樣的電壓值與參考值進(jìn)行比較，得到的結(jié)果即為 ，同時(shí)必須保存在這之前的每次偏差值，
　　

　　再把這個(gè)控制量根據(jù)PIC單片機(jī)中具體的要求，按照一定的格式從PWM口輸出，就可得到一定占空比直接去驅(qū)動(dòng)MOS管，這樣整個(gè)就構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)回路實(shí)現(xiàn)對(duì)燈端電壓的數(shù)字控制。另外兩個(gè)過程如恒流和恒功率的PI控制過程與之類似。
　　

　　4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
　　基于上述電路拓?fù)浜头治觯兄屏艘环N電子鎮(zhèn)流器樣機(jī)：PFC級(jí)輸出400V,DC/DC級(jí)工作頻率為39K,輸出功率P0=35W，燈電壓為U0=85V,PIC16F873單片機(jī)AD采樣為10位，PWM輸出的精度為9位，低頻方波頻率為222Hz。圖6為輸出功率與輸出電壓值的關(guān)系曲線圖，從圖中可以看出，當(dāng)輸出電壓在65V和110V之間變化時(shí)輸出功率基本保持不變。圖7為燈兩端的電壓電流波形,為低頻方波，可有效消除聲共振的發(fā)生。
　　

　　5 結(jié)語
　　本文提出數(shù)字化控制金鹵燈電子鎮(zhèn)流器，采用三級(jí)電路結(jié)構(gòu)，DC/DC級(jí)采用零電壓轉(zhuǎn)換諧振軟開關(guān)結(jié)構(gòu)，可有效減小開關(guān)管的損耗，同時(shí)負(fù)載側(cè)輸出低頻方波，有效克服聲共振現(xiàn)象，利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)燈的啟動(dòng)過程和穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的控制，使鎮(zhèn)流器與燈不同階段的負(fù)載特性相配合，并且能實(shí)現(xiàn)燈的異常狀態(tài)保護(hù)，與傳統(tǒng)的模擬控制相比，電路更簡單，控制更靈活，控制效果更好，是一種較有前途的控制方法。
　　參考文獻(xiàn)
　　[1] 毛興武，祝大衛(wèi). 電子鎮(zhèn)流器原理與制作[M]. 北京：人民郵電出版社，1999.
　　[2] C.P.Henze，H.C.Martin and D.W.Parsley，“Zero voltage switching in High Frequency Power
　　 Converter Using Pulse Width Modulation”,IEEE APEC Record,1988.
　　[3] 林國慶，陳為，陳和平.新型恒功率輸出開關(guān)變換器控制策略的研究[J].電工電能新技術(shù)，2002，21(4).
　　[4] Janos Melis,Oscar Vila-Masot,”Low frequency square wave electronic ballast for gas discharge lamps”,United states patent No.5428268,date of patent:June,27.1995
　　[5] 張明峰. PIC單片機(jī)入門與實(shí)戰(zhàn)[M]. 北京：航空航天大學(xué)出版社，2004.
　　[6] 金以慧,方崇智. 過程控制[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，1991.