關鍵詞：數字控制； 金鹵燈； 恒壓； 恒流； 恒功率

1、引言

高強度氣體放電燈作為一種新型節能型電光源，因其發光效率高、顯色性好、壽命長等優良電光源性能，已得到廣泛的應用，但由于其復雜的啟動過程和時序控制要求，傳統的模擬控制往往顯得麻煩且復雜。數字控制能夠簡化硬件電路，克服模擬電路中參數溫度漂移的問題，而且控制靈活。由于金鹵燈在高頻下工作容易產生聲諧振現象，使燈電弧不穩定，燈光閃爍，甚至熄滅，嚴重時會損壞放電管，大大損害燈的壽命。本文采用低頻方波工作方式，即由PFC級+DC/DC級+低頻全橋DC/AC級三級電路組成，避免金鹵燈的聲諧振現象，采用數字控制方法，實現鎮流器與燈的不同階段的不同負載特性相匹配。

2、電路組成及工作原理

整個電路的系統結構如圖1所示，主要由以下五個部分組成： PFC級輸出400V直流電壓，作為DC/DC級的輸入電壓；DC/DC級進行功率處理； DC/AC級實現直流變為交流，其MOS管的驅動由單片機的I/O口輸出固定占空比為50％的低頻方波來實現；觸發器用來產生高壓啟動HID燈；數字控制器用來實現電壓，電流和功率控制以及異常狀態保護。

　　Fig.1 Systematic frame of digital control strategy of electronic ballast
　　主電路由三級電路組成，第一級為PFC級，第二和第三級分別為DC/DC級和DC/AC級，其電路如圖2和圖3所示。
　　PFC級為功率因數校正，用來減少輸入電流的諧波，提高功率因數，減少對電網的污染，同時還給DC/DC級提供穩定的輸入電壓，使DC/DC級輸出的電壓不受電網電壓變化的影響，使燈能在較大的電網電壓變化范圍內正常啟動和工作， PFC級采用升壓型BOOST DC/DC變換器，其輸出電壓根據電網最大輸出電壓而定，一般為400V。
　　DC/DC級可實現功率控制，電路由ZVRT BUCK電路構成，包括主開關和輔助開關兩個管，通過調節電感參數，主開關可實現零電壓開通，有效減小電路中開關管的損耗，這一級電路采用單片機來控制，實現輸出的恒壓、變流和恒功率以及電路的開路保護和短路保護。
　　

　　DC/AC級采用全橋電路，把DC/DC級輸出的直流電壓變為交流，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象，其低頻驅動方波由單片機的I/O口產生。
　　

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

　　控制電路中采用IR2105芯片，該芯片內部具有一定的死區時間和隔離電路，使其輸出的驅動波形可以直接驅動BUCK電路的上下兩個MOS管，而簡化了BUCK電路的驅動電路，解決了BUCK電路驅動難的問題，簡單又方便，并且該芯片的邏輯輸入能與標準的CMOS或LSTTL輸出電路兼容，完全可以由單片機產生的信號來直接驅動。
　　

　　3 軟件設計
　　3.1 主程序設計
　　軟件設計的關鍵是根據金鹵燈從啟動到正常工作各個階段不同控制模式，確定模式轉換或控制變量變化的轉折點，選擇合理的控制量，使得電子鎮流器的輸出特性與MH燈的動態特性相匹配。
　　燈觸發前，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。設定一個電壓基準變量值，可根據需要控制開路電壓大小。
　　判斷燈是否觸發最重要的標志是燈動態電流的變化，可通過設定電流門坎來判別。
　　一旦檢測燈已經觸發，數字控制器開始調節燈電流，此階段燈電流的大小決定燈到達穩定狀態的時間，電流越大，燈越容易進入穩態。這個期間根據燈電壓變化設定不同的控制電流和功率。
　　燈進入穩態工作時，設定功率基準，進行功率反饋模式，使燈保持在恒功率下工作。
　　DC/AC電路的低頻驅動方波是采用中斷的方式分別由兩個I/O口產生，I/O口產生的方波經IR2105進行隔離產生互補的兩個波形去驅動全橋電路的上下MOS管。
　　3.2 數字PID算法
　　在模擬控制系統中，控制器最常用的控制規律是PID控制。PID控制器是一種線性控制器，它根據給定值與實際輸出值構成控制偏差，將偏差的比例、積分和微分通過線性組合構成控制量，對被控對象進行控制。在計算機控制系統中，使用的是數字PID控制器，它只能根據采樣時刻的偏差值計算控制量，需要進行離散化處理。
　　

　　數字PID實現的過程： 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，首先設定電壓參考值，即控制的目標值，用16進制數來表示，接著單片機采樣輸出的燈端電壓值，將采樣的電壓值與參考值進行比較，得到的結果即為 ，同時必須保存在這之前的每次偏差值，
　　

　　再把這個控制量根據PIC單片機中具體的要求，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動MOS管，這樣整個就構成一個閉環回路實現對燈端電壓的數字控制。另外兩個過程如恒流和恒功率的PI控制過程與之類似。
　　

　　4 實驗結果分析
　　基于上述電路拓撲和分析，研制了一種電子鎮流器樣機：PFC級輸出400V,DC/DC級工作頻率為39K,輸出功率P0=35W，燈電壓為U0=85V,PIC16F873單片機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系曲線圖，從圖中可以看出，當輸出電壓在65V和110V之間變化時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生。
　　

　　5 結語
　　本文提出數字化控制金鹵燈電子鎮流器，采用三級電路結構，DC/DC級采用零電壓轉換諧振軟開關結構，可有效減小開關管的損耗，同時負載側輸出低頻方波，有效克服聲共振現象，利用單片機實現燈的啟動過程和穩態運行的控制，使鎮流器與燈不同階段的負載特性相配合，并且能實現燈的異常狀態保護，與傳統的模擬控制相比，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。
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