CN102291907A - 一种无极灯数字电子镇流器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无极灯数字电子镇流器及控制方法，所述无极灯数字电子镇流器包括电源电路、PFC功率因数控制电路、半桥驱动电路、负载匹配电路、嵌入式微处理控制器电路、保护电路、串行通信接口以及软件单元；其控制方法以所述嵌入式微处理控制器电路采用的STC12C5616AD芯片为处理核心，采用主动式的变频启动和自适应检测无极灯负载的工作状态的分析方法，处理无极灯启动与控制问题，实现在工作频率处的恒功率控制并实现母线保护、坏灯在线检测保护、无负载保护和短路保护。与现有技术相比，本发明具有自适应寻优启动功能和多种保护功能，避免了由于启动不成功的电子镇流器损害或启动电压过高对负载(耦合器和灯管)的损害。

Description

一种无极灯数字电子镇流器及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种照明光源电源的数字控制方法，尤其涉及一种无极灯数字电子镇流器及控制方法。

背景技术

无极灯的应用相当广泛，其优点是：寿命长、节能、环保、无频闪、显色性好、色温可选、可见光比例高、不需预热、电气性能优良、安装适应性强等。目前已经在工厂、超市、公共照明和道路照明等工程领域得到广泛的应用。

国内许昌职业技术学院杨一平等介绍了一种高频无极灯高频电源(照明工程学报，2010，21(1)：82-86“高频无极灯高频电源的研究”)，通过对无极灯高频发生器与耦合器的工作原理进行研究。给出了电源部分、功能因素控制功能、逆变电路和保护电路的设计。但是，没有研究可靠性和无极灯启动等关键技术问题。

合肥工业大学张兴等介绍了一种用于独立光伏照明系统的高频无极灯照明设计方法，(太阳能学报，2010，30(2)：211-216“高频无极灯独立光伏照明系统设计”)，分别对基于独立光伏系统的无极灯照明电路，实现太阳能控制器与无极灯镇流器的一体化，但是，没有深入研究无极灯的启动问题和各种情况下的保护问题。

国外主要有松下电器、飞利浦、GE、OSRAM等四家公司开发无极灯产品。第一支推向市场的是1990年日本松下的Everlight无极荧光灯，该灯高频发生器与灯管成一体配置，耦合线圈绕于灯管外侧，属外激发式，工作频率13.56MHz。飞利浦开发的QL系列无极灯，该灯为内激发式，感应线圈置于灯管内中心空槽中，灯工作频率2.65MHz。1994年美国GE公司生产的紧凑型反射式无极灯投入市场。OSRAM不甘落后，在1997年成功开发出外耦合式大功率无极灯，灯工作频率250KHz。但是由于技术和市场的原因，在无极灯的启动方式、控制方法和保护方面没有深入的介绍。

发明内容

本发明的目的就是为了克服现有技术没有深入研究无极灯的启动方式、控制方法和保护方法等关键技术的不足而提供一种以嵌入式单片机为核心的、具有自适应寻优启动功能和多种保护功能的无极灯数字电子镇流器及控制方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种无极灯数字电子镇流器包括电源电路、PFC功率因数控制电路、半桥驱动电路、负载匹配电路、嵌入式微处理控制器电路、保护电路、串行通信接口以及软件单元。

优选的，所述嵌入式微处理控制器电路采用STC12C5616AD芯片，所述半桥驱动电路采用IR2184芯片。

优选的，所述电源电路包括差模噪声滤波器、共模噪声滤波器、整流桥和滤波电容；所述PFC功率因数控制电路包括FAN7530控制芯片、储能电感和开关管；所述串行通信接口可与上位机或网络连接；

优选的，所述无极灯数字电子镇流器还包括负载检测电路和信号调理电路，所述信号调理电路采用LM324芯片；所述负载检测电路由取样电路、滤波电路、放大电路、模/数转换器组成。

本发明的控制方法是以所述嵌入式微处理控制器电路采用的STC12C5616AD芯片为处理核心，采用主动式的变频启动和自适应检测无极灯负载的工作状态的分析方法，处理无极灯启动与控制问题，实现在工作频率处的恒功率控制并实现母线保护、坏灯在线检测保护、无负载保护和短路保护。

优选的，所述主动式的变频启动是在无极灯启动时由所述STC12C5616AD芯片发出高于谐振频率的矩形波信号，并逐步降低信号的频率，使得无极灯耦合器两端的电压逐步上升，当达到启动电压时，点亮无极灯；所述自适应检测无极灯负载的工作状态的分析方法是所述STC12C5616AD芯片在检测灯管导通信号后，稳定输出频率为工作频率，实现在无极灯谐振频率处的恒功率控制。由于温度和灯参数发散等原因在上述启动电压对应的频率点，灯没有点亮，则所述STC12C5616AD芯片输出的频率继续下降到某一频率点，点亮灯，以此类推，直到频率为所述半桥驱动电路的谐振频率，从而提高了该电路点火的自适应能力。

优选的，经所述电源电路的差模噪声滤波器、共模噪声滤波器、整流桥和滤波电容整流滤波后的电压信号经分压，送所述信号调理电路中的LM324芯片处理后，送所述STC12C5616AD芯片实现欠压保护，无极灯负载的电压、电流经所述取样电路和信号调理电路后送所述STC12C5616AD芯片实现坏灯在线检测保护、无负载保护和短路保护。

优选的，所述嵌入式微处理控制器电路对所述半桥驱动电路进行变频启动和正常工作控制；所述STC12C5616AD芯片为系统核心控制系统其他部分协调工作。

优选的，所述负载检测电路对检测信号进行滤波和模/数转换、设定不同的电压参数，将模拟量转换为数字量，提供给所述STC12C5616AD芯片进行正常工作监控和保护处理。

优选的，基于不同初始频率设定的无极灯启动方式，根据不同的负载再设定初始启动频率与时间间隔范围，初始启动频率范围为260KHz～300KHz，时间间隔范围为1ms～25ms。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1、能根据负载和电路参数发散以及环境稳定变化自适应启动无极灯，改变固定LC谐振频率启动时对不同负载参数变化的适应性难的问题。

2、本质上避免了由于启动不成功造成的电子镇流器损害或启动电压过高对负载(耦合器和灯管)造成的损害。

3、实现母线保护、坏灯在线检测保护、无负载保护和短路保护，提高了无极灯数字电子镇流器的稳定性。

附图说明

图1为本发明系统的硬件框图；

图2为本发明中半桥逆变与LC谐振电路部分的原理图；

图3为无极灯变频启动时，耦合器输出电压与驱动信号频率之间变化趋势的关系示意图；

图4是本发明中负载自适应无极灯启动和控制电路部分的原理图；

图5是本发明中无极灯工作状态检测电路与信号调理电路部分的原理图；

图6是本发明中串行通信接口电路部分的原理图；

图7是本发明软件单元的框图；

图8是本发明软件单元中半桥启动子程序流程图。

图9是本发明软件单元中负载保护子程序流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例：

如图1所示，交流电源经过EMI滤波(差模噪声滤波、共模噪声滤波)、整流和电容滤波后转换为400V的直流电，再经过半桥逆变电路变换成高频电能，产生一个工作频率为250KHz的高频矩形波电压，并同时经LC电路产生一个3000V左右的点火电压，经过馈线传送至功率耦合器。当高频电流通过功率耦合器时，产生一个高频电磁场。在高频磁场的作用下，灯泡内部产生一个垂直于磁场变化的电场，使放电空间的电子加速，当能量达到一定值时，与玻壳内的气体分子发生碰撞，泡壳内部的惰性气体发生电离并进而产生雪崩效应，气体雪崩电离形成等离子体，灯泡内等离子体受激原子返回基态时，自发辐射出紫外线并激发灯泡壁上的三基色荧光粉而发出可见光。

在图2所示的L₂C_sC_p谐振电路中，灯的工作电压V_lamp、逆变器呈感性和容性的边界频率f_r分别为：

$V_{\mathrm{lamp}}=\frac{2V_{\mathrm{dc}}}{\mathrm{\π}}\frac{1}{\sqrt{{(1-k^2)}^2+\frac{1}{Q_P^2}}{[k+\frac{C_P}{C_S}(k-\frac{1}{k})]}^2}---\left(1\right)$

$f_r=\sqrt{1\frac{1}{Q_p^2}}{f}_p---\left(2\right)$

式中：f_p为空载谐振频率， $f_p=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{L_2{C}_P}};$ k＝f/f_p。

谐振时特征阻抗Z_p为： $Z_p={\mathrm{\ω}}_p{L}_2=\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_p{C}_p}---\left(3\right)$

品质因数Q_p为： $Q_p=\frac{R_{\mathrm{lamp}}}{Z_p}---\left(4\right)$

当Q_p≥1时，f/f_p随Q_p的增加而增加，当工作频率f≥fr时负载呈感性，开关管中的电流滞后于电压能够实现ZVS。因此驱动频率f必须满足f≥fr才能使S5、S6实现ZVS。通过式(1)-(4)即可确定L₂和C_p，通过适当调整C_s的大小使无极灯工作在额定动率。电阻R18、R19为无极灯负载输出的取样电阻，经二极管D7、电阻R20、电容C16、稳压管D8电路的整流、滤波、限幅处理后，作为负载电压取样，用于无极灯的控制与保护。

无极灯工作频率为ω₀(250KHz)，在灯管未点亮时半桥驱动电路的输出电压与频率之间关系如图3所示，启动时由STC12C5616AD处理器发出高于谐振频率ω₀的频率ω_S(取值范围为260KHz～300KHz)矩形波信号给驱动芯片IR2184，其7脚Ho信号送图2中MOS管G2端，其4脚Lo信号送图2中MOS管G3端，经一定时间间隔(1ms-25ms)，逐步降低信号的频率，无极灯耦合器两端的电压逐步上升，当达到b点启动电压U_ST1时，点亮无极灯，STC12C5616芯片检测灯管导通信号后，稳定输出频率为工作频率为ω₀，实现在无极灯工作频率处的恒功率控制。由于温度和灯参数发散等原因在b点处，灯没有点亮，处理器输出的频率继续下降到a点出，点亮灯。以此类推，直到频率为半桥电路的谐振频率ω₀，从而实现了该电路的自适应启动功能。

实现电路的自适应点火的电路见图4，由CPU芯片STC12C5616AD、半桥驱动电路U3(IR2184芯片)，电容C1、C2、C3、C4，电阻R5，晶振CRY1组成。电容C4一端与5V电源相连，一端与地相连，电容C1一端与5V电源相连，另一端接电阻R5，电阻R5另一端与地相连，晶振CRY1一端与STC12C5616AD的4脚相连，另一端与STC12C5616AD的5脚相连，C2的一端接STC12C5616AD的4脚，另一端与地相连，C3的一端接STC12C5616AD的5脚，另一端与地相连，STC12C5616AD的12脚与U3(IR2184芯片)的1脚相连，实现不同频率的信号输出。

无极灯工作状态检测电路如图5，负载取样电压信号经过LM324芯片组成的电路信号调理后输出检测信号1、信号2、信号3。信号1接图3中U3的2脚，控制驱动器的Lo，Ho信号输出。信号1同时接图4中STC12C5616AD的9脚用于进行灯管损坏判别，信号2接图4中STC12C5616AD的6脚用于进行负载短路判别，送运放LM324的反相输入端6，STC12C5616AD的13脚输出一可预设的基准，送LM324的同相输入端5构成施密特电路，得到调理后的信号1。信号3同时接图4中STC12C5616AD的14脚用于进行无负载判别。

由于STC12C5616AD内部带有复用的串行通信口：RXD、TXD可以和上位机进行串行通信。使控制器可以通过485口与上位机进行通信，构成远程监控系统或用PC机对系统进行调试。串行通信电路如图6所示。MAX485进行电平转换输出，图中J3为系统调试端，J6为485输出端。

系统软件设计采用模块化设计方法，见图7。各功能子程序由监控程序或初始化子程序调用。初始化子程序进行STC12C5616AD初始化、看门狗定时器超时周期设置、从EEPROM读入相关参数、控制与保护参数变量初始化等。复位WATCHDOG子程序定期复位看门狗。EEPROM读写子程序在系统初始化的时候读入相关参数，当参数重新进行设置以后，调用该子程序更新EEPROM内相应单元，以防止掉电或关机之后参数丢失。通信子程序则负责与其他CPU进行通信。测控程序读入负载电压的A/D采样值，送入数据缓冲区。

半桥启动子程序流程图如图8所示。首先调入程序初始化参数，设置点火频率、时间参数，然后点火。如果点火成功，无极灯正常运行，如果点火不成功，重新设置点火频率、时间参数，再点火，直到点火成功，无极灯正常工作。如果反复点火几次后，仍未点火成功，认为此时无极灯出现故障，停止点火，半桥停止工作。控制器处于保护状态，同时启动通信子程序，发出故障信息。

负载保护子程序流程图如图9所示。检测信号1，当检测到信号较大，认为此时坏灯，停止半桥驱动，使输出电压为零。如果信号1正常，检测信号2，当检测到信号很小，认为此时短路，停止半桥驱动，使输出电压为零。如果信号2正常，检测信号3，当检测到信号较小，认为此时负载开路，停止半桥驱动，使输出电压为零。

Claims (10)

1.一种无极灯数字电子镇流器，其特征在于：所述无极灯数字电子镇流器包括电源电路、PFC功率因数控制电路、半桥驱动电路、负载匹配电路、嵌入式微处理控制器电路、保护电路、串行通信接口以及软件单元。

2.如权利要求1所述的一种无极灯数字电子镇流器，其特征在于：所述嵌入式微处理控制器电路采用STC12C5616AD芯片，所述半桥驱动电路采用IR2184芯片。

3.如权利要求2所述的一种无极灯数字电子镇流器，其特征在于：所述电源电路包括差模噪声滤波器、共模噪声滤波器、整流桥和滤波电容；所述PFC功率因数控制电路包括FAN7530控制芯片、储能电感和开关管；所述串行通信接口与上位机或网络连接。

4.如权利要求1或2或3所述的一种无极灯数字电子镇流器，其特征在于：所述无极灯数字电子镇流器还包括负载检测电路和信号调理电路，所述信号调理电路采用LM324芯片；所述负载检测电路由取样电路、滤波电路、放大电路、模/数转换器组成。

5.如权利要求1至4所述的一种无极灯数字电子镇流器的控制方法，其特征在于：以所述嵌入式微处理控制器电路采用的STC12C5616AD芯片为处理核心，采用主动式的变频启动和自适应检测无极灯负载的工作状态的分析方法，处理无极灯启动与控制问题，实现在工作频率处的恒功率控制并实现母线保护、坏灯在线检测保护、无负载保护和短路保护。

6.如权利要求5所述的一种无极灯数字电子镇流器的控制方法，其特征在于：所述主动式的变频启动是在无极灯启动时由所述STC12C5616AD芯片发出高于谐振频率的矩形波信号，并逐步降低信号的频率，使得无极灯耦合器两端的电压逐步上升，当达到启动电压时，点亮无极灯；所述自适应检测无极灯负载工作状态的分析方法是所述STC12C5616AD芯片在检测灯管导通信号后，稳定输出频率为谐振频率，实现在无极灯工作频率处的恒功率控制。

7.如权利要求5或6所述的一种无极灯数字电子镇流器的控制方法，其特征在于：经所述电源电路的差模噪声滤波器、共模噪声滤波器、整流桥和滤波电容整流滤波后的电压信号经分压，送所述信号调理电路中的LM324芯片处理后，送所述STC12C5616AD芯片实现欠压保护，无极灯负载的电压、电流经所述取样电路和信号调理电路后送所述STC12C5616AD芯片实现坏灯在线检测保护、无负载保护和短路保护。

8.根据权利7所述的一种无极灯数字电子镇流器的控制方法，其特征在于：所述嵌入式微处理控制器电路对所述半桥驱动电路进行变频启动和正常工作控制；所述STC12C5616AD芯片为系统核心控制系统其他部分协调工作。

9.根据权利7所述的一种无极灯数字电子镇流器的控制方法，其特征在于：所述负载检测电路对检测信号进行滤波和模/数转换、设定不同的电压参数，将模拟量转换为数字量，提供给所述STC12C5616AD芯片进行正常工作监控和保护处理。

10.根据权利7所述的一种无极灯数字电子镇流器的控制方法，其特征在于：基于不同初始频率设定的无极灯启动方式，根据不同的负载再设定初始启动频率与时间间隔范围，初始启动频率范围为260KHz～300KHz，时间间隔范围为1ms～25ms。

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