摘要：本文針對(duì)模擬控制電子鎮(zhèn)流器存在的許多不足之處，提出了數(shù)字控制電子鎮(zhèn)流器的控制方法，采用PIC16F873系列單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)金鹵燈的啟動(dòng)及其穩(wěn)態(tài)運(yùn)行過程的控制，實(shí)現(xiàn)與燈的不同階段的負(fù)載特性相匹配。介紹其工作原理，電路結(jié)構(gòu)組成，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該方法是可行的。 關(guān)鍵詞：數(shù)字控制； 金鹵燈； 恒壓； 恒流； 恒功率 Abstract: To deal with the weakness of the analogy control in the electronic ballast, a novel digital control strategy of electronic ballast for MH lamp with PIC16F873 singlechip is proposed in the paper,.It can meet the requirements of the control of MH starting and steady state, and can be used to operate MH lamps and makes the lamp work well.The circuit operation and the framework of the circuit are detailed, and the experimential measurements are used to verify the theoretical prediction. Key words:digital control；MH lamp；constant voltage；constant current；constant power 　　 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?，其MOS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)。 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?，研制了一種電子鎮(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.