关键词：数字控制； 金卤灯； 恒压； 恒流； 恒功率

1、引言

高强度气体放电灯作为一种新型节能型电光源，因其发光效率高、显色性好、寿命长等优良电光源性能，已得到广泛的应用，但由于其复杂的启动过程和时序控制要求，传统的模拟控制往往显得麻烦且复杂。数字控制能够简化硬件电路，克服模拟电路中参数温度漂移的问题，而且控制灵活。由于金卤灯在高频下工作容易产生声谐振现象，使灯电弧不稳定，灯光闪烁，甚至熄灭，严重时会损坏放电管，大大损害灯的寿命。本文采用低频方波工作方式，即由PFC级+DC/DC级+低频全桥DC/AC级三级电路组成，避免金卤灯的声谐振现象，采用数字控制方法，实现镇流器与灯的不同阶段的不同负载特性相匹配。

2、电路组成及工作原理

整个电路的系统结构如图1所示，主要由以下五个部分组成： PFC级输出400V直流电压，作为DC/DC级的输入电压；DC/DC级进行功率处理； DC/AC级实现直流变为交流，其MOS管的驱动由单片机的I/O口输出固定占空比为50％的低频方波来实现；触发器用来产生高压启动HID灯；数字控制器用来实现电压，电流和功率控制以及异常状态保护。

　　Fig.1 Systematic frame of digital control strategy of electronic ballast
　　主电路由三级电路组成，第一级为PFC级，第二和第三级分别为DC/DC级和DC/AC级，其电路如图2和图3所示。
　　PFC级为功率因数校正，用来减少输入电流的谐波，提高功率因数，减少对电网的污染，同时还给DC/DC级提供稳定的输入电压，使DC/DC级输出的电压不受电网电压变化的影响，使灯能在较大的电网电压变化范围内正常启动和工作， PFC级采用升压型BOOST DC/DC变换器，其输出电压根据电网最大输出电压而定，一般为400V。
　　DC/DC级可实现功率控制，电路由ZVRT BUCK电路构成，包括主开关和辅助开关两个管，通过调节电感参数，主开关可实现零电压开通，有效减小电路中开关管的损耗，这一级电路采用单片机来控制，实现输出的恒压、变流和恒功率以及电路的开路保护和短路保护。
　　

　　DC/AC级采用全桥电路，把DC/DC级输出的直流电压变为交流，使灯工作在低频方波，有效防止灯管的极化，有利于灯的正常工作，而且工作在低频方式，有效避免金卤灯的声谐振现象，其低频驱动方波由单片机的I/O口产生。
　　

　　数字控制电路如图4所示，采用28个引脚的PIC16F873系列单片机，具有三个定时器，10位AD采样精度，尤其是具有两个PWM口，在工作频率为39K时，其输出精度可达9位，这样就可以省去外围的D/A转换器和专用的PWM芯片，从而简化了硬件电路，该系列单片机引脚少，价格便宜，功能强，是单片机芯片中很好的选择，其具体的参数如下表所示:
　　

　　控制电路中采用IR2105芯片，该芯片内部具有一定的死区时间和隔离电路，使其输出的驱动波形可以直接驱动BUCK电路的上下两个MOS管，而简化了BUCK电路的驱动电路，解决了BUCK电路驱动难的问题，简单又方便，并且该芯片的逻辑输入能与标准的CMOS或LSTTL输出电路兼容，完全可以由单片机产生的信号来直接驱动。
　　

　　3 软件设计
　　3.1 主程序设计
　　软件设计的关键是根据金卤灯从启动到正常工作各个阶段不同控制模式，确定模式转换或控制变量变化的转折点，选择合理的控制量，使得电子镇流器的输出特性与MH灯的动态特性相匹配。
　　灯触发前，DC/DC变换器必须为灯提供一定的开路电压，其控制模式为电压反馈控制。设定一个电压基准变量值，可根据需要控制开路电压大小。
　　判断灯是否触发最重要的标志是灯动态电流的变化，可通过设定电流门坎来判别。
　　一旦检测灯已经触发，数字控制器开始调节灯电流，此阶段灯电流的大小决定灯到达稳定状态的时间，电流越大，灯越容易进入稳态。这个期间根据灯电压变化设定不同的控制电流和功率。
　　灯进入稳态工作时，设定功率基准，进行功率反馈模式，使灯保持在恒功率下工作。
　　DC/AC电路的低频驱动方波是采用中断的方式分别由两个I/O口产生，I/O口产生的方波经IR2105进行隔离产生互补的两个波形去驱动全桥电路的上下MOS管。
　　3.2 数字PID算法
　　在模拟控制系统中，控制器最常用的控制规律是PID控制。PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值与实际输出值构成控制偏差，将偏差的比例、积分和微分通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。在计算机控制系统中，使用的是数字PID控制器，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量，需要进行离散化处理。
　　

　　数字PID实现的过程： AD采样精度为10位，PWM输出的精度为9位，以恒压PI控制为例，首先设定电压参考值，即控制的目标值，用16进制数来表示，接着单片机采样输出的灯端电压值，将采样的电压值与参考值进行比较，得到的结果即为 ，同时必须保存在这之前的每次偏差值，
　　

　　再把这个控制量根据PIC单片机中具体的要求，按照一定的格式从PWM口输出，就可得到一定占空比直接去驱动MOS管，这样整个就构成一个闭环回路实现对灯端电压的数字控制。另外两个过程如恒流和恒功率的PI控制过程与之类似。
　　

　　4 实验结果分析
　　基于上述电路拓扑和分析，研制了一种电子镇流器样机：PFC级输出400V,DC/DC级工作频率为39K,输出功率P0=35W，灯电压为U0=85V,PIC16F873单片机AD采样为10位，PWM输出的精度为9位，低频方波频率为222Hz。图6为输出功率与输出电压值的关系曲线图，从图中可以看出，当输出电压在65V和110V之间变化时输出功率基本保持不变。图7为灯两端的电压电流波形,为低频方波，可有效消除声共振的发生。
　　

　　5 结语
　　本文提出数字化控制金卤灯电子镇流器，采用三级电路结构，DC/DC级采用零电压转换谐振软开关结构，可有效减小开关管的损耗，同时负载侧输出低频方波，有效克服声共振现象，利用单片机实现灯的启动过程和稳态运行的控制，使镇流器与灯不同阶段的负载特性相配合，并且能实现灯的异常状态保护，与传统的模拟控制相比，电路更简单，控制更灵活，控制效果更好，是一种较有前途的控制方法。
　　参考文献
　　[1] 毛兴武，祝大卫. 电子镇流器原理与制作[M]. 北京：人民邮电出版社，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] 林国庆，陈为，陈和平.新型恒功率输出开关变换器控制策略的研究[J].电工电能新技术，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] 张明峰. PIC单片机入门与实战[M]. 北京：航空航天大学出版社，2004.
　　[6] 金以慧,方崇智. 过程控制[M]. 北京：清华大学出版社，1991.