高菊玲

(江蘇農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，江蘇句容 212400)

隨著社會的不斷進(jìn)步和發(fā)展，世界各國日益關(guān)注節(jié)能問題。節(jié)能降耗，減少污染，循環(huán)利用，可持續(xù)發(fā)展成為世界各國政府的共同目標(biāo);低碳、環(huán)保、節(jié)能成為社會的主要發(fā)展趨勢。高強(qiáng)度氣體放電燈(High Intensity Discharge Lamp)，簡稱HID燈，是新一代節(jié)能電光源，具有諸多優(yōu)點，如高光通量，高光效，長壽命，放電管小，等等，在綠色照明工程中扮演著非常重要的角色。但由于其特殊的負(fù)阻抗特性，為了保證光源穩(wěn)定工作，使用時必須添加鎮(zhèn)流器件［1－2］。

長期以來，HID都是使用電感鎮(zhèn)流器。電感鎮(zhèn)流器具有以下優(yōu)點［3－4］:簡單，可靠，加工制作比較方便，成本不高，等。但是電感鎮(zhèn)流器功耗大，功率因數(shù)低，體積大，質(zhì)量大。后來，發(fā)展到使用電子鎮(zhèn)流器。電子鎮(zhèn)流器發(fā)光效率高，功耗低，并且質(zhì)量小，還可以多盞燈共有1個鎮(zhèn)流器等。但模擬電子鎮(zhèn)流器存在很多問題，如有相當(dāng)數(shù)量的電子元器件，保證高可靠性、高功率因數(shù)及良好的電磁兼容效果的難度相當(dāng)大，而且成本較高。

隨著微電子技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，特別是近幾年來高性能、低成本數(shù)字信號處理器(DSP)的廣泛應(yīng)用，使電子鎮(zhèn)流器的數(shù)字控制成為可能［5－7］。具有智能控制功能的數(shù)字化電子鎮(zhèn)流器不僅可以簡化硬件電路設(shè)計，還為滿足現(xiàn)代高質(zhì)量的照明要求提供了可能，其相關(guān)研究已成為當(dāng)今鎮(zhèn)流器領(lǐng)域的研究熱點。本文以美國微芯公司的dsPIC30F2020電源專用DSP為控制核心，設(shè)計了金鹵燈電子鎮(zhèn)流器的數(shù)字化遠(yuǎn)程控制及調(diào)光控制方案。

1 控制系統(tǒng)總體設(shè)計框架

圖1為數(shù)字控制電子鎮(zhèn)流器硬件總體框架。本設(shè)計選用Microchip公司的dsPIC30F2020作為系統(tǒng)主控芯片，主要用來實現(xiàn)電子鎮(zhèn)流器的遠(yuǎn)程啟停、調(diào)光控制和故障保護(hù)。

dsPIC30F2020具備分辨率為1 ns的高速脈寬調(diào)制器(PWM)和7種工作模式，包括標(biāo)準(zhǔn)、互補(bǔ)、推挽和可變相位工作模式，可實現(xiàn)低延遲時間和高分辨率控制，還具備每秒200萬次采樣的10位模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器。10位A/D轉(zhuǎn)換器有多達(dá)12個的輸入通道和高達(dá)2 MSPS的采樣率。先進(jìn)的采樣性能可以對4個采樣/保持通道中的每個通道單獨(dú)進(jìn)行觸發(fā)，并進(jìn)行精確、唯一的定時或同步采樣。

dsPIC30F2020具有12 kB的閃存和4個PWM發(fā)生器。該系列的所有器件都可在3.0～5.5 V電壓范圍內(nèi)工作。

本設(shè)計中采用dsPIC30F2020的I/O口實現(xiàn)金鹵燈電子鎮(zhèn)流器的遠(yuǎn)程啟停、調(diào)光，并利用4路PWM口實現(xiàn)全橋逆變電路功率開關(guān)管的四路驅(qū)動，采用SFLT1故障輸入引腳實現(xiàn)過壓、欠壓和過流的故障保護(hù)，一旦中斷信號到來，SFLT1接受低電平信號，軟件進(jìn)入故障保護(hù)中斷子程序。

圖1 數(shù)字控制電子鎮(zhèn)流器硬件總體框架

2 硬件電路設(shè)計

2.1 遠(yuǎn)程啟停電路設(shè)計

圖2為遠(yuǎn)程啟停電路。當(dāng)T1的基極為高電平時，T1飽和導(dǎo)通，集電極為低電平，KM線圈通電，常開觸點S1閉合，金鹵燈電子鎮(zhèn)流器正常啟動工作。當(dāng)T1的基極為低電平時，T1截止，KM線圈斷電，常開觸點S1斷開，整個主功率回路不能構(gòu)成通路，金鹵燈電子鎮(zhèn)流器處于停止?fàn)顟B(tài)。只要通過dsPIC30F2020發(fā)出使RB0這個I/O口置高電平的指令，就可以實現(xiàn)金鹵燈電子鎮(zhèn)流器的遠(yuǎn)程啟停。

D2主要起到當(dāng)繼電器不工作時的反向續(xù)流和抑制浪涌電流的作用，選用1N4148即可。

圖2 遠(yuǎn)程啟停電路

2.2 調(diào)光電路設(shè)計

本設(shè)計中的調(diào)光為三級式調(diào)光方式，分別通過dsPIC30F2020的RB1，RB2控制外部電阻的接入，以調(diào)節(jié)BUCK電路的電流反饋達(dá)到調(diào)節(jié)功率輸出的目的，如圖3所示。調(diào)光分為3檔:

1)R4，R5同時不接入。

2)R4，R5其中一個電阻接入。

3)R4，R5同時接入。

圖3 調(diào)光電路

2.2.1 第一級調(diào)光

當(dāng)dsPIC30F2020發(fā)出指令讓RB1，RB2都為高電平時，光耦U1，U2不導(dǎo)通，R4，R5不能并入UC3843的電流檢測回路，此時，UC3843的輸出占空比最小，金鹵燈發(fā)光亮度最低，為第一級調(diào)光。

2.2.2 第二級調(diào)光

當(dāng)dsPIC30F2020發(fā)出指令讓RB1，RB2其中之一為高電平時，光耦U1，U2中一個導(dǎo)通，一個不導(dǎo)通，R4，R5中的一個接入UC3843的電流檢測回路，與電流采樣R1并聯(lián)，因為并聯(lián)后阻值減小，所以檢測到BUCK電路中電流增加，金鹵燈的亮度比第一級有所增加，為第二級調(diào)光。

2.2.3 第三級調(diào)光

當(dāng)dsPIC30F2020發(fā)出指令讓RB1，RB2都為低電平時，光耦 U1，U2都導(dǎo)通，R4，R5都接入 UC3843 的電流檢測回路，與R1并聯(lián)，比第二級的并聯(lián)阻值還小，此時UC3843的輸出占空比最大，所以BUCK電路中電流比第二級中的要多，這時，金鹵燈輸出額定功率最大，亮度最高，為第三級調(diào)光。

啟停電路選用引腳RB0作為輸出I/O口控制繼電器的吸合動作。分別選用引腳RB1和RB2作為輸出I/O口控制外部2個輔助采樣電阻的接入，以此來調(diào)節(jié)輸出端電流達(dá)到調(diào)光目的。通過設(shè)置高速PWM產(chǎn)生模塊低頻方波信號驅(qū)動全橋電路開關(guān)管動作。過壓、欠壓及過流保護(hù)信號通過15腳SFLT1輸入。

3 軟件設(shè)計

3.1 遠(yuǎn)程啟停子程序設(shè)計

遠(yuǎn)程啟停硬件電路通過接收外部串行通信接口的指令信號實現(xiàn)啟停功能。當(dāng)接收到開機(jī)信號時，dsPIC30F2020的RB0為高電平，執(zhí)行系統(tǒng)啟動過程。當(dāng)接收到關(guān)機(jī)信號時，dspPIC30F2020的RB0為低電平，執(zhí)行系統(tǒng)停止過程。程序流程如圖4所示。

圖4 啟停子程序流程圖

3.2 調(diào)光子程序設(shè)計

調(diào)光電路通過接收外部串行通信接口的指令信號實現(xiàn)調(diào)光功能。當(dāng)接收到強(qiáng)光指令時，dsp-PIC30F2020的RB1，RB2均為低電平，金鹵燈按額定功率正常發(fā)光。當(dāng)接收到中等強(qiáng)度光指令時，dspPIC30F2020的RB1為高電平，RB2為低電平，或RB1為低電平，RB2為高電平，金鹵燈按額定功率的1/2發(fā)光。當(dāng)接收到弱光指令時，dsp-PIC30F2020的RB1和RB2均為高電平，金鹵燈按額定功率的1/3發(fā)光。程序流程如圖5所示。

圖5 調(diào)光子程序流程圖

4 結(jié)論

本文以金鹵燈電子鎮(zhèn)流器為例，設(shè)計的基于以美國微芯公司的dsPIC30F2020電源專用DSP為控制核心的數(shù)字控制系統(tǒng)，能實現(xiàn)HID電子鎮(zhèn)流器的遠(yuǎn)程啟停和調(diào)光的數(shù)字控制。

［1］劉晨陽.氣體放電燈電子鎮(zhèn)流器關(guān)鍵技術(shù)的研究［D］.杭州:浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，2005:6－8.

［2］FLESCH P，NEIGER M.Numerical investigation of time dependent electrode plasma interaction in commercial HID-lamps［J］.IEEE Transactions on Plasma Science，2005(33):508－509.

［3］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，1999:263－269.

［4］楊國仁.HID電子鎮(zhèn)流器及其saber仿真［D］.杭州:浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，2006:8－11.

［5］卓書芳.金鹵燈電子鎮(zhèn)流器數(shù)字控制技術(shù)研究［D］.福州:福州大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院，2005:28－30.

［6］郭金明.70W金鹵燈電子鎮(zhèn)流器研制［D］.南京:東南大學(xué)電氣工程學(xué)院，2007:15－17.

［7］陳銘.數(shù)字控制的金鹵燈用電子鎮(zhèn)流器［D］.杭州:浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，2005:25－26.