CN101848589B - 全数字式高功率金属卤化物灯电子镇流器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电子镇流器，旨在提供一种全数字式高功率金属卤化物灯电子镇流器。包括全桥整流电路、Buck变换电路、单相全桥逆变电路和DSP控制器电路，以及：功率因数校正电路、启动电路、PFC输入电压采样电路、PFC输入电流采样电路、PFC输出电压采样电路、Buck输出电流采样电路、Buck输出电压采样电路、保护电路、给定功率采样电路、采样信号调理电路、隔离驱动电路和辅助电源电路。本发明可应用于高功率的电子镇流器装置的控制，对镇流器输入级进行功率因数校正控制，降低对电网谐波污染；对Buck变换电路进行功率开槽控制，从而达到保护功率开关和无源元器件的目的；DSP控制器电路具有16路ADC采样和16路PWM，使得控制电路设计简单，可提升系统的可靠性和硬件成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种电子镇流器，特别是一种全数字式高功率(千瓦级)金属卤化物灯电子镇流器。
背景技术
对于大功率的镇流器而言，要实现高功率因数、低输入电流谐波、灯功率调节等功能，目前一般都采用模拟控制方案。随着DSP等数字控制器成本的大大降低，基于全数控系统的电子镇流器是未来发展的方向。DSP数字控制系统具有灵活性和便于快速实现复杂控制功能的特点，使得同一个控制系统可以根据灯的特性改变控制策略以适应不同灯的控制。
采用数字控制器的电子镇流器与传统的采用模拟控制器的电子镇流器对比，前者具有如下优点：
(1)所需的外围器件少，电路相对于模拟控制来说比较简单；
(2)对噪声的抗干扰性比模拟电路好，而且不易老化；
(3)适应性强，需要改变控制算法时不需要改变电路就可以实现，可实现模块化设计；
(4)一般说来，很多模拟控制的电子镇流器的恒功率控制往往属于近似恒功率控制，不是真正的恒功率，控制精度比较低。此外模拟恒功率控制必需要使用外加模拟乘法器，这样就加大了电子镇流器的成本。对于数字控制而言，DSP内部有现成的高速乘法器，易实现精确的恒功率控制；
(5)可以对系统进行故障自检和保护，实现显示功能，并且可以与上位机进行通讯，实现网络化应用。
数字式高功率(千瓦级)金属卤化物灯(简称金卤灯)电子镇流器是一种由DSP控制器电路控制的电力电子系统，在DSP上运行的软件控制着电子镇流器的启动和稳态工作两种模式，DSP控制器电路发挥着主导作用，直接影响着金卤灯工作时的安全性、稳定性及其工作性能。
目前的高功率(千瓦级)金卤灯中，即便以数字式控制的电子镇流器，一般都缺少功率因数校正控制和功率开槽控制。这种电子镇流器存在以下缺陷：控制功能受限，通常应用于小功率的电子整流器中；镇流器在电网接入端缺少功率因数校正的控制，因此谐波非常大，对电力系统造成了谐波污染；在逆变器的死区内，中间级Buck变换电路输出电压会迅速增加，使得开关器件和无源器件的电压应力增大，造成危险。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种全数字式高功率金属卤化物灯电子镇流器。
为解决上述技术问题，本发明提供的解决方案为：
提供一种全数字式高功率金属卤化物灯电子镇流器，包括全桥整流电路、Buck变换电路、单相全桥逆变电路和DSP控制器电路，还包括：功率因数校正电路、启动电路、PFC输入电压采样电路、PFC输入电流采样电路、PFC输出电压采样电路、Buck输出电流采样电路、Buck输出电压采样电路、保护电路、给定功率采样电路、采样信号调理电路、隔离驱动电路和辅助电源电路；
所述全桥整流电路与辅助电源电路连接，辅助电源电路与DSP控制器电路、采样信号调理电路和隔离驱动电路分别连接；所述功率因数校正电路与全桥整流电路的输出连接，所述Buck变换电路与功率因数校正电路的输出端连接；所述Buck变换电路的输出端与启动电路相连接，该启动电路与金卤灯连接；所述Buck变换电路输出端与单相全桥逆变电路输入端连接，单相全桥逆变电路和金卤灯连接；所述功率因数校正电路的输入端设PFC输入电压采样电路和PFC输入电流采样电路，其输出端设PFC输出电压采样电路，所述Buck变换电路输出端设Buck输出电压采样电路和Buck输出电流采样电路；所述PFC输入电压采样电路、PFC输入电流采样电路、PFC输出电压采样电路、Buck输出电压采样电路和Buck输出电流采样电路、给定功率采样电路均通过采样信号调理电路与DSP控制器电路的ADC端口连接，DSP控制器电路的PWM端口与隔离驱动电路连接；隔离驱动电路分别通过一路25kHz的驱动信号与功率因数校正电路和Buck变换电路连接，隔离驱动电路还通过2路低频驱动信号与单相全桥逆变电路连接；功率因数校正电路输入端与保护电路连接，启动电路输入端与保护电路连接。
作为一种改进，所述的DSP控制器电路设有三个硬件定时器T1、T3和T4，4个PWM输出口，以及6个ADC输入端口。
作为一种改进，所述的T1定时器采用1分频，作为功率因数校正电路的驱动信号和Buck变换电路的PWM输出信号的时基；所述的T3定时器采用32分频，作为单相全桥逆变电路的PWM输出信号的时基；所述的T4定时器采用20ms作为定时周期，计时电子镇流器的软启动。
在本发明中，将电子镇流器的控制过程分为启动过程和稳态工作过程进行不同模式的控制。在电子镇流器启动过程中，在不同的时刻对电子镇流器的各个电路启动，对PFC电路采用软启动控制，这样配合解决镇流器启动过程中对开关元器件的过压和过流冲击，以达到安全启动和合理启动镇流器的目的。
本发明中的全数字式高功率金属卤化物灯电子镇流器，其控制方法包括电子镇流器的启动过程的控制和稳态工作的控制。
在电子镇流器的启动过程中，包括以下步骤：
A.DSP控制器电路判断是否为周期中断，如是则执行下一步骤；
B.DSP控制器电路判断是否为功率因数校正电路软启动时刻，如是则执行下一步骤；
C.DSP控制器电路判断功率因数校正电路软启动标志是否已置位，如是则执行下一步骤；
D.DSP控制器电路判断是否为Buck变换电路及单相全桥逆变电路启动和灯触发时刻，如是则执行下一步骤；
E.DSP控制器电路判断Buck变换启动标志是否置位，如是则执行下一步骤；
F.DSP控制器电路判断是否为灯触发信号撤销时刻，如是则执行下一步骤；
G.DSP控制器电路关闭周期中断程序；
在电子镇流器的稳态工作中，包括以下步骤：
a、DSP控制器电路判断是否为模数转换中断时刻，如是则执行下一步骤；
b、DSP控制器电路执行模数转换中断程序，进入采样程序，对功率因数校正电路输入电压、功率因数校正电路输入电流、功率因数校正电路输出电压、Buck变换电路输出电压、Buck变换电路输出电流和功率调节信号进行采样；
c、DSP控制器电路判断是否进入保护控制程序，如是则执行下一步骤；
d、DSP控制器电路判断是否进入功率因数校正电路软启动控制时刻，如是则执行；
e、DSP控制器电路判断是否进入功率因数校正电路正常稳态运行控制时刻，如是则执行；
f、DSP控制器电路判断是否进入Buck启动控制时刻，如是则执行下一步骤；
g、DSP控制器电路执行Buck变换电路控制程序，计算实时输出功率，判断进行恒电流控制及执行，或恒功率控制及执行，或功率开槽控制及执行，或调功调光控制。
本发明中，DSP控制器电路根据步骤b中采样所得的采样值，来判定是否执行过压、过流或欠压保护控制。
在整个启动过程中，DSP控制器电路对Buck变换电路实现恒流控制；在稳态运行过程中，DSP控制器电路对Buck变换电路实现恒功率控制。
在所述步骤b中，如功率因数校正电路输出电压值小于310V，则对功率因数校正电路采取软启动控制；如该输出电压值大于310V，则对功率因数校正电路采取功率因数校正控制。
在电子镇流器稳态工作过程中，当单相全桥逆变电路进入桥臂死区时，DSP控制器电路先降低Buck变换电路的输出功率，接着增加其输出功率，即Buck变换电路的输出功率在单相全桥逆变电路桥臂进入死区后呈“V型”变化规律，DSP控制器电路在单相全桥逆变电路死区内对Buck变换电路的输出功率作开槽控制。
在启动过程中，周期中断和模数转换中断并列运行，并设置周期中断为高优先级；当启动过程结束后，DSP控制器电路将周期中断关闭。DSP控制器电路每40us发生一次模数转换中断，每次中断发生后，DSP控制器电路进入模数转换中断处理程序。
本发明中，所述电子镇流器的启动过程，由DSP控制器电路的硬件定时器T4作为启动器；所述的电子镇流器的稳态工作过程，由DSP控制器电路的硬件定时器T1作为模数转换的启动器。每当定时器T1下溢时，启动模数转化；当模数转换结束后，进入模数转换中断程序。在启动过程中，DSP控制器电路的T4周期中断每20ms发生一次，每次进中断后DSP控制器电路进行中断处理。
与现有技术相比，本发明所带来的有益效果是：
高功率金卤灯电子镇流器电路中，功率因数校正电路输入电压采样电路、功率因数校正电路输入电流采样电路、功率因数校正电路输出电压采样电路、Buck输出电压采样电路、Buck输出电流采样电路和功率调整信号的采样电路、镇流器启动电路、功率因数校正电路的启动和控制电路、Buck变换电路、单相全桥逆变电路、保护电路均由DSP控制器电路统一控制。通过对DSP控制器电路中的硬件计数器的设置和ADC的设置进行中断驱动，DSP控制器电路每驱动一个ADC中断，则依次对电路中相应的电路模块进行控制及执行，从而完成金卤灯的启动、关断、恒功率工作、“V”型开槽工作的控制。本发明的控制方法在程序上比较简单，且容易被修改、更新和移植，从而减轻了开发人员的工作量。
本发明提出的采用DSP控制器电路作为镇流器的核心控制器，其控制功能强大，可应用于高功率的电子镇流器装置的控制，对镇流器的输入级进行功率因数校正控制，降低对电网的谐波污染；对Buck变换电路进行功率开槽控制，从而达到保护功率开关和无源元器件的目的。此外DSP控制器电路通常具有16路ADC采样和16路PWM，使得控制电路设计简单，可提升系统的可靠性和硬件成本。
附图说明
图1为本发明电路原理图；
图2为本发明主程序流程图，金卤灯电子镇流器系统控制流程图；
图3为本发明中断服务程序流程图，功率因数校正(PFC)电路控制程序流程图；
图4为本发明中断服务程序流程图，Buck变换电路的控制程序流程图；
图5为本发明中Buck变换电路控制系统原理图；
图6为本发明中Buck变换电路的功率V型开槽控制示意图。
具体实施方式
以下结合说明书附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明中的数字式高功率金卤灯电子镇流器，包括全桥整流电路1、功率因数校正电路2、Buck变换电路3、单相全桥逆变电路4、启动电路5、PFC输入电压采样电路7、PFC输入电流采样电路8、PFC输出电压采样电路9、Buck输出电流采样电路10、Buck输出电压采样电路11、保护电路12、保护电路13、给定功率采样电路14、采样信号调理电路15、隔离驱动电路16、辅助电源电路17和DSP控制器电路18。
所述全桥整流电路1与辅助电源电路17连接，所述辅助电源电路17与DSP控制器电路18、采样信号调理电路15和隔离驱动电路16分别连接。所述功率因数校正电路2与全桥整流电路1的输出连接，所述Buck变换电路3与所述功率因数校正电路2的输出端连接。所述Buck变换电路3的输出端与启动电路5相连接，该启动电路5与金卤灯6连接。全桥整流电路1对市电进行整流，功率因数校正电路2对全桥整流电路1的输出电压和电流进行功率因数校正，并对输出电压进行控制，得到Buck变换电路3所需的直流电压。所述Buck变换电路3输出端与单相全桥逆变电路4输入端连接，单相全桥逆变电路4和金卤灯6连接，当金卤灯被击穿后，其作用相当于一大负载，Buck变换电路3输出的直流电压被拉低到金卤灯的正常工作电压。
所述的DSP控制器电路18设有三个硬件定时器T1、T3和T4，2个25kHz的PWM输出口和2个低频(50Hz、60Hz或70Hz)的PWM输出口，6个ADC输入端口。T1定时器采用1分频，T1定时器作为功率因数校正电路2的驱动信号和Buck变换电路3的PWM输出信号的时基，T3定时器采用32分频，T3定时器作为单相全桥逆变电路4的PWM输出信号的时基，T4定时器采用20ms作为定时周期，T4计时镇流器的软启动。
所述功率因数校正电路2输入端设有PFC输入电压采样电路7和PFC输入电流采样电路8，所述功率因数校正电路2输出端设有PFC输出电压采样电路9，所述Buck变换电路3输出端设有Buck输出电压采样电路11和Buck输出电流采样电路10；所述PFC输入电压采样电路7、PFC输入电流采样电路8、PFC输出电压采样电路9、Buck输出电压采样电路11和输出电流采样电路10、给定功率采样电路14均通过采样信号调理电路15与DSP控制器电路18的6路ADC端口连接。DSP控制器电路18的4路PWM端口与隔离驱动电路16连接。隔离驱动电路16分别通过一路25kHz的驱动信号与功率因数校正电路2和Buck变换电路3连接，隔离驱动电路通过2路低频(50Hz、60Hz或70Hz)驱动信号与单相全桥逆变电路4连接。功率因数校正电路2输入端与保护电路12连接，启动电路5输入端与保护电路13连接。
如图2、3所示，镇流器上电工作时，首先执行步骤101-开始初始化，DSP控制器电路18中的定时器(未标示)T1、T3和T4置为0，且所有标志位清0，并将T1PWM、PWM1、PWM7和PWM8初始化强制为低，同时完成软件的其余初始化设置。系统每运行20ms，DSP控制器电路18执行T4中断程序：计数器T加1，接着DSP控制器电路18执行步骤205判断计数器T是否已经达到25，若否则中断返回；若是，则DSP控制器电路18继续执行206判断PFC软启动标志置位否，若否则继续执行114置PFC软启动标志并中断返回；若是则继续执行207判断计数器T是否已经达到65，若否则中断返回；若是则DSP控制器电路18执行208判断Buck变换电路启动标志置位否，若否则继续执行115置Buck变换电路启动标志和灯触发信号并中断返回；若是则继续执行209判断计数器T是否已经达到100，若否则中断返回；若是执行116，撤销灯触发信号，接着继续执行001，关闭T4周期中断程序。DSP控制器电路18将T4中断设置为高优先级中断。
模数转换ADC中断设置为低优先级中断，其中断程序包括PFC软启动程序、PFC控制程序和Buck变换电路控制程序。上述三程序的相应开启过程由寄存器ST_FLAG相应位进行控制，如表1所示。
表1ST_FLAG相关标志位的定义：
| 位 | 4 | 3 | 2 | 1 | 0 |
| 定义 | 灯触发允许 | Buck变换电路、单相全桥逆变电路允许 | PFC正常启动允许 | PFC软启动允许 | 总开关 |
| 运行程序 | Buck变换电路控制程序 | PFC控制程序 | PFC软启动程序 |
T1下溢中断标志启动定时器，定时周期40us。当系统初始化后，每运行40us，进入ADC中断程序：执行102-PFC输入电压采样，接着执行103-PFC输入电流进行采样，接着执行104-PFC输出电压采样，接着执行105-Buck输出电压采样，接着执行106-Buck输出电流采样，接着执行107-给定功率采样，接着执行108-清ADC中断标志，接着执行109-保护程序，接着执行202判断是否PFC软启动，若否则执行111-PFC控制程序，若是则执行110-PFC软启动程序。执行完111或110后，执行203-判断Buck启动，若否则中断返回；若是则执行112-Buck控制程序，接着中断返回。
T4的周期中断优先级高于模数转换ADC中断，系统在启动运行过程中由T4周期中断决定每20ms进入中断，并通过计数器T进行计数，每进一次T4周期中断，T加1，当T增加到25时，将PFC启动标志置位，当T增加到65时，将Buck变换电路启动标志和灯触发信号置位，当T增加到100时，将灯触发信号撤销，并关闭T4周期中断，系统启动过程结束。当ADC中断发生时，首先执行采样程序，接着清ADC中断标志，然后进入保护程序；接着判断是否进行软启动，并执行相应程序；接着判断是否执行Buck启动，并执行相应程序。在启动过程中ADC中断和T4中断是并行的，但ADC中断的优先级低于T4周期中断，因此在启动过程中，T4中断的发生优先于ADC中断；当启动过程结束后，系统只有ADC中断。
当系统结束启动过程后，软件执行PFC控制程序和Buck控制程序。功率因数校正(PFC)d电路控制程序如图3所示，Buck变换电路控制程序如图4所示。
如图3，进入PFC控制程序，DSP控制器电路18执行301设置T1PWM低有效，接着执行302判断PFC电流是否大于36A，若是则执行304T1PWM强制低，接着结束PFC控制流程；若302判断为否则执行303判断PFC输出电压是否大于360V，若是则执行304T1PWM强制低；若303判断结果为否，则DSP控制器电路18继续执行305-PFC电压环控制，接着执行306-PFC电流环控制，紧接着结束功率因数校正(PFC)电路控制流程。如图4，进入Buck变换电路控制程序，DSP控制器电路18执行401设置PWM1低有效，接着执行402判断Buck变换电路输出电流是否大于32A，若是则执行403-PWM1强制低；若402判断为否则执行404判断软启动是否结束，若否则执行408-设定参考功率值为软启动值，接着执行406-Buck功率控制环，接着执行407-Buck电流控制环，接着结束Buck控制流程；若执行404判断结果为是，则接着执行405-设定参考功率为给定值，接着执行406-Buck功率控制环，接着执行407-Buck电流控制环，接着结束Buck变换电路的控制流程。
图3所示的DSP控制器电路执行304，对功率因数校正电路的输出电压值进行闭环控制，采用PI控制方案，输出电压为340V；如图3所示接着DSP控制器电路执行305，对PFC输入电流进行电流闭环控制，采用PI控制方案，以304的电压闭环控制输出值和PFC输入电压的采样值的乘积作为PFC输入电流的参考值，然后对PFC输入电流值进行PI环的调制。如图3所示，在PFC程序开头做了PFC峰值电流控制，当电网电压有效值为180V，输出功率4kW时，PFC输入电流峰值为32A左右，所以设定PFC电流峰值控制值为36A。除此之外还做了PFC输出电压过压保护控制，当PFC输出电压大于360V时，T1PWM信号强制为低，对PFC电路进行保护。由于添加了上述设置T1PWM强制为低的程序，所以在每次进入PFC程序的时候，要设置T1PWM为低有效，以开启T1PWM，如图3的301。
如图4，DSP控制器电路18执行406-Buck功率控制环，接着执行407-Buck电流控制环，406和407的控制原理如图5所示。
图5中Pref为Buck变换电路的参考输出功率，IL是Buck变换电路的输出电感的电流，Vo是Buck变换电路的输出电压值。DSP控制器电路18通过执行图2的105和106，对输出电压和电流进行采样，然后在图4Buck控制程序执行406和407，先进行功率环调制，再进行电流环调制：计算Buck变换电路的实际输出功率，与参考功率作比较，进行PI控制，对该输出进行限幅；将功率环输出作为电流环的参考，与输出电流值进行比较，进行PI控制，并对该PI控制的输出进行限幅，然后去控制开关管的开通和关断。金属卤化物灯从击穿启动到达到设定功率这一段时间内为金卤灯的启动过程，功率环饱和，对其输出量限幅在28A，进行恒电流控制。当金卤灯的功率达到设定值时，功率环开始退饱和，Buck变换电路的输出电流开始下降，一直到灯的稳态工作电流，实现正常调制。Buck变换电路的启动程序开始有Buck输出电流峰值控制，而后设置了61个开关周期的Buck软启动，在这个软启动过程中，Buck输出功率的设定值逐渐增大，但不超过参考功率值。
此外，当单相全桥逆变电路4的桥臂进行切换时，为防止桥臂直通设定了死区，为减小死区期间对开关管的冲击，Buck功率控制程序设计了功率开槽V型控制，Buck输出功率开槽，即输出功率先减小后再增大。如图6所示，在单相全桥逆变电路4的桥臂发生开关管切换时刻，先减小Buck的输出参考功率，再增加至给定的参考功率值。假定图6中时刻t1为开槽的开始时刻，t2为开槽的结束时刻，t2-t1这段时间区间定义为开槽的宽度；假定图6中Pref为额定给定参考功率值，Pref’为开槽区间内最小的参考功率值，则Pref-Pref’定义为开槽的深度。为防止开槽后金卤灯产生闪烁现象，需合理设计开槽的深度和宽度，经过反复调试，开槽的宽度为320us。此外需要说明不同频率周期值和比较值，开槽时刻都不相同。
图2所示的主程序流程中T4所设定的周期可以任意选定，PFC软启动标志置位、Buck启动标志位和灯触发信号置位、灯触发信号撤销的时刻点可以选择跟程序流程中不同，只要保证镇流器能够正常和安全启动即可。此外T1的周期是由开关周期决定的，不一定要选择40us，但是要符合功率因数校正电路2和Buck变换电路3所选择的功率元器件的开关周期条件要求。T3计时器的周期是由金属卤化物灯6决定的。T1、T3和T4三个计数器的时间基准由DSP控制器电路18的晶振决定。
应当注意，在说明本发明的某些特征或者方案时所使用的特殊术语不应当用于表示在这里重新定义该术语以限制与该术语相关的本发明的某些特定特点、特征或者方案。总之，不应当将在随附的权利要求书中使用的术语解释为将本发明限定在说明书中公开的特定实施例，除非上述详细说明部分明确地限定了这些术语。因此，本发明的实际范围不仅包括所公开的实施例，还包括在权利要求书之下实施或者执行本发明的所有等效方案。
Claims (3)
1.一种全数字式高功率金属卤化物灯电子镇流器，包括全桥整流电路、Buck变换电路、单相全桥逆变电路和DSP控制器电路，其特征在于，该电子镇流器还包括：功率因数校正电路、启动电路、PFC输入电压采样电路、PFC输入电流采样电路、PFC输出电压采样电路、Buck输出电流采样电路、Buck输出电压采样电路、保护电路、给定功率采样电路、采样信号调理电路、隔离驱动电路和辅助电源电路；
所述全桥整流电路与辅助电源电路连接，辅助电源电路与DSP控制器电路、采样信号调理电路和隔离驱动电路分别连接；所述功率因数校正电路与全桥整流电路的输出连接，所述Buck变换电路与功率因数校正电路的输出端连接；所述Buck变换电路的输出端与启动电路相连接，该启动电路与金属卤化物灯连接；所述Buck变换电路输出端与单相全桥逆变电路输入端连接，单相全桥逆变电路和金属卤化物灯连接；所述功率因数校正电路的输入端设PFC输入电压采样电路和PFC输入电流采样电路，其输出端设PFC输出电压采样电路，所述Buck变换电路输出端设Buck输出电压采样电路和Buck输出电流采样电路；所述PFC输入电压采样电路、PFC输入电流采样电路、PFC输出电压采样电路、Buck输出电压采样电路和Buck输出电流采样电路、给定功率采样电路均通过采样信号调理电路与DSP控制器电路的ADC端口连接，DSP控制器电路的PWM端口与隔离驱动电路连接；隔离驱动电路分别通过一路25kHz的驱动信号与功率因数校正电路和Buck变换电路连接，隔离驱动电路还通过2路低频驱动信号与单相全桥逆变电路连接；功率因数校正电路输入端与保护电路连接，启动电路输入端与保护电路连接；
其中，高功率为千瓦级；将电子镇流器的控制过程分为启动过程和稳态工作过程进行不同模式的控制；在电子镇流器启动过程中，在不同的时刻对电子镇流器的各个电路启动，对PFC电路采用软启动控制。
2.根据权利要求1所述的电子镇流器，其特征在于，所述的DSP控制器电路设有三个硬件定时器T1、T3和T4，4个PWM输出口，以及6个ADC输入端口。
3.根据权利要求2所述的电子镇流器，其特征在于，所述的T1定时器采用1分频，作为功率因数校正电路的驱动信号和Buck变换电路的PWM输出信号的时基；所述的T3定时器采用32分频，作为单相全桥逆变电路的PWM输出信号的时基；所述的T4定时器采用20ms作为定时周期，计时电子镇流器的软启动。
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