0 引言

    在照明領(lǐng)域中,，高強(qiáng)度氣體放電(High Intensity Discharge,，HID)燈是用途比較廣泛的節(jié)能型電光源,。氙氣燈是從高壓鈉燈、金鹵燈等氣體放電燈衍生出來(lái)的新光源,，具有效率高,、燈管壽命長(zhǎng)、色溫好和聚光能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)^[1-3],，成為綠色照明工程的首選產(chǎn)品^[4-5],。

    文獻(xiàn)[6]同時(shí)采用了數(shù)字和模擬兩個(gè)功率誤差檢測(cè)環(huán)路，設(shè)計(jì)了一種數(shù)模雙環(huán)路氙氣燈安定器,，取得了很好的瞬態(tài)特性和進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后輸出功率的穩(wěn)定性,。對(duì)于氙氣燈安定器的設(shè)計(jì)，相關(guān)學(xué)者做了大量的研究,。文獻(xiàn)[7]以小功率氙氣燈(28 W)為研究目標(biāo),，在傳統(tǒng)模擬電路閉環(huán)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)控制的氙氣燈安定器,，實(shí)現(xiàn)雙重恒功率控制和直流啟動(dòng)交流工作的模式,。

    以上研究，考慮的都是氙氣燈啟動(dòng)或者恒功率控制的穩(wěn)定性,，一種功率的安定器,，只能使用于一種功率的氙氣燈，且無(wú)法調(diào)節(jié)工作功率,，無(wú)法調(diào)節(jié)氙氣燈的光照強(qiáng)度,。雖然照明效果良好，但是應(yīng)用于路燈,、廣場(chǎng),、廠房等場(chǎng)合，當(dāng)照明需求降低而又不能關(guān)閉照明時(shí),，如下半夜的路燈照明,，往往會(huì)因不能調(diào)節(jié)亮度而浪費(fèi)大量的電能。因此,，研究一種可靈活調(diào)節(jié)輸出功率的氙氣燈調(diào)光系統(tǒng),，可大幅度節(jié)約電能。針對(duì)此需求,，本文設(shè)計(jì)了一種基于現(xiàn)場(chǎng)總線的氙氣燈多級(jí)調(diào)光系統(tǒng),，并做出樣機(jī)，進(jìn)行了調(diào)光實(shí)驗(yàn),。

1 氙氣燈調(diào)光原理

1.1 氙氣燈安定器架構(gòu)

    氙氣燈在啟動(dòng)階段需要23 kV以上的高壓脈沖擊穿燈管內(nèi)的高壓氣體,，實(shí)現(xiàn)放電。交流輸入的安定器常見(jiàn)結(jié)構(gòu)如圖1所示,，由EMI濾波電路,、整流電路,、功率因數(shù)校正電路,、降壓電路,、功率反饋電路、點(diǎn)火器電路等組成,。

1.2 APFC電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

    本文采用有源功率因數(shù)校正(APFC)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為Boost變換器,，其基本電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。Boost 變換器有以下優(yōu)點(diǎn)：輸入電流連續(xù),，并且在整個(gè)輸入電壓的正弦周期都可以調(diào)制,，因此可獲得很高的功率因數(shù)^[3]；電感電流連續(xù)且紋波電流小,，儲(chǔ)能電感可用作濾波電感來(lái)抑制RFI和EMI噪聲,；功率開(kāi)關(guān)管源極接地，易驅(qū)動(dòng),。

1.3 降壓電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

    本文設(shè)計(jì)的降壓電路采用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是改進(jìn)型的變換器^[6],，電路組成如圖3所示。與傳統(tǒng)的BUCK電路不同之處在于MOS管Q1放在靠近電路負(fù)極的低端,，開(kāi)路時(shí)電路輸出電壓為U_i(400 V),，故而在啟動(dòng)時(shí)能夠?yàn)辄c(diǎn)火電路提供400 V的啟動(dòng)電壓。

1.4 恒功率設(shè)計(jì)及功率調(diào)節(jié)策略

    BUCK電路穩(wěn)定工作時(shí),，采樣電阻兩端電壓波形為帶有間隔的三角波,，MOS管導(dǎo)通時(shí)間即“三角”寬度即為T_on，MOS開(kāi)關(guān)頻率記為f,，采樣電阻電壓最大值記為U_r,，則BUCK電路理論輸出功率為：

    恒功率控制主要由電源芯片L6562實(shí)現(xiàn)。L6562是臨界導(dǎo)電控制模式的PFC控制芯片,，峰值電流模式控制器L6562^[7]導(dǎo)通控制原理如圖4,，L6562芯片1號(hào)腳為誤差輸入，2號(hào)腳為內(nèi)部誤差放大器的輸出(輸出U₂,，為定值),，且U₂為L(zhǎng)6562內(nèi)部乘法器的一個(gè)輸入，由放大器特性知：

    乘法器另一個(gè)輸入端(3號(hào)腳)輸入與采樣電阻兩端電壓正相關(guān)的信號(hào)(U₃),，

    式(5)中,，U_i為APFC電路輸出電壓，T_on和f由BUCK電路的電感決定,，R_S,、R₁、R₃,、R₄,、R₅均為定值,，故輸出功率只取決于受MCU控制的比較電壓U_ref，改變U_ref,，則改變安定器的輸出功率,。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

    本文所設(shè)計(jì)的氙氣燈調(diào)光系統(tǒng)整體框架如圖5，主要由整流濾波電路,、有源功率因數(shù)校正(AFPC)/Boost電路,、全橋逆變電路、BUCK/恒流電路,、觸發(fā)器點(diǎn)火電路,、功率控制電路、MCU電路,、RS485總線電路等組成,。

    220 V市電經(jīng)濾波電路濾波后由全橋電路進(jìn)行整流，得到脈動(dòng)的直流,，然后由Boost構(gòu)型的有源功率因數(shù)校正電路穩(wěn)壓在直流400 V,，全橋逆變電路產(chǎn)生125 Hz左右的交流方波驅(qū)動(dòng)氙氣燈，采用串聯(lián)式觸發(fā)電路,，開(kāi)路或啟動(dòng)時(shí)逆變電路輸出400 V的交流低頻方波^[8]使得點(diǎn)火電路能夠產(chǎn)生23 kV左右的高壓,，擊穿氙氣燈內(nèi)部的高壓氣體產(chǎn)生放電，將燈點(diǎn)亮,。有源功率因數(shù)校正電路等效于一個(gè)恒壓源^[9],，故后級(jí)的BUCK電路的電壓恒定，以圖1虛線框?yàn)橐粋€(gè)整體,，當(dāng)輸出電流一定時(shí),，則輸出功率恒定，因?yàn)槿珮蚰孀冸娐?、點(diǎn)火電路穩(wěn)定工作時(shí)本身的損耗相對(duì)BUCK和氙氣燈來(lái)說(shuō)非常小^[10],，故控制圖1虛線框中這個(gè)回路整體的電流即控制了本系統(tǒng)的輸出功率，即控制了氙氣燈的亮度,。

2.2 功率控制設(shè)計(jì)

    R₁與R₂串聯(lián)分壓,，R₂兩端的電壓即為U_ref，將三極管與電阻串列后并接到R₂兩端,，利用MCU的IO口控制三極管的截止,，三極管導(dǎo)通時(shí)，相當(dāng)于將與三極管串聯(lián)的電阻并聯(lián)到R₂兩端,，從而降低了R₁下端電阻的阻值,，故改變了參考電壓U_ref的電壓值。

    本設(shè)計(jì)采用了7組電阻-三極管,，為了電路的穩(wěn)定,，三極管只能從右至左(并聯(lián)的電阻從右至左依次增大）依次閉合,，截止時(shí)也只能從左至右控制依次關(guān)閉，該控制辦法的限制可以避免U_ref劇烈變化,，故能提高電路穩(wěn)定性,。

    采用該控制辦法，圖6所示控制陣列可控制U_ref有8組不同的電壓值,，故能實(shí)現(xiàn)氙氣燈的8級(jí)調(diào)光,。

2.3 控制流程

    系統(tǒng)主程序流程如圖7所示,。系統(tǒng)啟動(dòng)初始化后,，為了安全，首先切斷BUCK電路輸出,，然后啟動(dòng)全橋逆變電路輸出交流方波,，交流方波頻率在125 Hz左右。

    若接收到開(kāi)燈指令,，MCU控制啟動(dòng)BUCK電路輸出,，然后進(jìn)行點(diǎn)亮檢測(cè)，判斷氙燈是否點(diǎn)亮,，如果點(diǎn)亮成功,，則保持BUCK輸出，氙燈持續(xù)點(diǎn)亮,；如果點(diǎn)亮不成功,，為了保護(hù)電路，則要切斷BUCK電路輸出,，延時(shí)2 s后再次啟動(dòng)BUCK輸出,，如此至多循環(huán)3次，如果3次之后仍然未點(diǎn)亮氙氣燈,，說(shuō)明線路或者燈管出現(xiàn)故障,，故需要關(guān)閉BUCK電路輸出，保護(hù)電路不至被燒毀,。

    調(diào)光程序由中斷程序完成,，如圖8所示，當(dāng)MCU串口接收到指令后,，首先判斷指令知否合法,，若不合法則直接結(jié)束此次調(diào)節(jié)過(guò)程；若合法,，則需要先解析調(diào)光指令,，然后根據(jù)指令，調(diào)節(jié)U_ref到指定值,，然后MCU的AD接口對(duì)U_ref進(jìn)行采樣,，如果采樣值與設(shè)定值相符,，則調(diào)光成功，反之,，則調(diào)光失敗,。

2.4 控制軟件設(shè)計(jì)

    為實(shí)現(xiàn)氙氣燈調(diào)光系統(tǒng)的控制，使用vb.net語(yǔ)言編寫了測(cè)控軟件,，控制軟件界面如圖9所示,。控制軟件可對(duì)氙氣燈的開(kāi)關(guān)和功率進(jìn)行控制,，同時(shí)也可實(shí)時(shí)顯示交流輸入的電壓,、電流、功率因數(shù)等,，輸出的電壓,、電流、功率,，溫度和光照強(qiáng)度,，同時(shí)也可對(duì)氙氣燈調(diào)光系統(tǒng)進(jìn)行定時(shí)開(kāi)燈和關(guān)燈，也能在安定器異常而過(guò)熱時(shí)進(jìn)行保護(hù),。

3 實(shí)驗(yàn)分析

3.1 調(diào)光結(jié)果

    基于上述原理制作了最大輸入功率160 W的基于現(xiàn)場(chǎng)總線的氙氣燈多級(jí)調(diào)光系統(tǒng)樣機(jī),。本設(shè)計(jì)功率控制部分主要芯片為L(zhǎng)6562D，最高檔位（1檔）工作時(shí)頻率約75 kHz,，隨著功率的降低,，頻率會(huì)升高。輸入電壓145~265 V,，最大功率160 W,，最小功率60 W。

    安定器設(shè)計(jì)有8個(gè)功率檔位,，測(cè)試出每個(gè)檔位對(duì)應(yīng)的參考電壓U_ref,、輸入功率、光照強(qiáng)度如表1所示,。

    表1中參考電壓U_ref來(lái)源于1.4節(jié),，光照強(qiáng)度由照度測(cè)試儀放置于氙氣燈正下方2.55 m處測(cè)試所得。根據(jù)表1的參考電壓U_ref和輸出功率數(shù)據(jù),，繪制了參考電壓U_ref與輸出功率的曲線,，如圖9所示。

    圖10中參考電壓U_ref與輸出近似成線性關(guān)系,，調(diào)小參考電壓U_ref,，輸出功率也隨之線性降低，故該樣機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果滿足式1.5，由此驗(yàn)證了第1節(jié)的氙氣燈調(diào)光原理,。

3.2 調(diào)光穩(wěn)定性

    調(diào)光過(guò)程的穩(wěn)定性是本調(diào)光系統(tǒng)的一個(gè)重要指標(biāo),，針對(duì)該指標(biāo)做了大量的測(cè)試。利用控制軟件進(jìn)行調(diào)光控制,，利用系統(tǒng)MCU記錄調(diào)光失敗次數(shù),，對(duì)該系統(tǒng)的調(diào)光穩(wěn)定性進(jìn)行了數(shù)萬(wàn)次的測(cè)試。根據(jù)調(diào)光跨度,，記錄了如表2的調(diào)光失敗率統(tǒng)計(jì)(調(diào)光導(dǎo)致氙氣燈熄滅即為調(diào)光失敗),。

    表2數(shù)據(jù)表明，功率降低比提高功率時(shí)更容易導(dǎo)致調(diào)光失??；降低功率時(shí)，功率變化越大,，越容易導(dǎo)致氙氣燈熄滅,?？傊?，本系統(tǒng)調(diào)光過(guò)程較為穩(wěn)定，單次調(diào)光失敗概率不超過(guò)0.04%,，調(diào)光檔位或功率跨度越小,，失敗率越低。

4 結(jié)束語(yǔ)

    根據(jù)上述測(cè)試結(jié)果,，本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了氙氣燈的多級(jí)調(diào)光,，調(diào)光過(guò)程穩(wěn)定可靠，滿足了設(shè)計(jì)要求,，突破了傳統(tǒng)氙氣燈安定器不能調(diào)光的局限性,，使得特定功率的氙氣燈能夠調(diào)節(jié)亮度，為氙氣燈照明提供了一種節(jié)能的控制方法,，也使本氙氣燈安定器能夠適用于不同功率的氙氣燈,，提高了安定器的適用范圍，提高了其使用靈活性,。

    本文所設(shè)計(jì)的基于現(xiàn)場(chǎng)總線的氙氣燈多級(jí)調(diào)光系統(tǒng)已在150 W和70 W功率的氙氣燈中得到驗(yàn)證,，實(shí)際制作出的樣機(jī)已持續(xù)工作超過(guò)6個(gè)月，測(cè)試中電路工作正常,，調(diào)光穩(wěn)定性和可靠性均得到了驗(yàn)證,。

參考文獻(xiàn)

[1] TOMM F L，SEIDEL A R,，CAMPOS A.HID lamp electronic ballast based on chopper converters[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,，2012，59(4)：1799-1807．

[2] 張勇,，蔡超峰,，崔光照．一種高可靠性的氙氣燈啟動(dòng)控制電路[J]．電力電子技術(shù),，2011(1)：39-41．

[3] 郭蓉，錢照明．一種新型低成本高可靠性金鹵燈啟動(dòng)電路[J]．電力電子技術(shù),，2006(4)：93-96．

[4] CHENG C A,，CHENG H L，KU C W,，et al.A novel low-frequency square-wave-driven electronic ballast for auto-motive HID lamps[J].Computers & Mathematics With Applications,，2015，64(5)：1409-1419.

[5] KIRSTEN A L,，COSTA M A D,，RECH, C.Digital control strategy for HID lamp electronic ballasts[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，2013,，60(2)：608-618．

[6] 張勇,，王曉靜，崔光照.基于單片機(jī)控制的氙氣燈電子鎮(zhèn)流器設(shè)計(jì)[J].鄭州輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),，2010,，25(4)：93-95.

[7] 郝建強(qiáng).數(shù)模雙環(huán)路HID安定器的設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2006(13)：125-126.

[8] 李莉,，胡建人,，秦會(huì)斌.基于L6562的金鹵燈電子鎮(zhèn)流器恒功率控制技術(shù)[J].電子器件，2009,，32(5)：328-330.

[9] 張曉峰,，王斯然，呂征宇.用于全數(shù)字式電子鎮(zhèn)流器的中值濾波技術(shù)[J].電力電子技術(shù),，2007,，41(10)：64-65.

[10] 金龍.汽車用氙氣前照燈電子鎮(zhèn)流器的設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2012,，38(12)：57-59.

作者信息：

鄭貴林,，賀凌昊

（武漢大學(xué) 動(dòng)力與機(jī)械學(xué)院自動(dòng)化系，湖北 武漢430072）