CN204669690U - 数控双灯驱动器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种数控双灯驱动器，包括微处理器、电流误差放大器、可调频振荡器和相应于所驱动两盏灯具的双灯独立驱动回路、两套灯接入执行机构、两套灯电流监测回路，可同时驱动两个独立的灯具，并对每个灯具的运行情况分别予以监测与控制。驱动器含有嵌入式微处理器，不仅能根据预置参数调控双灯的工作、依靠本身自诊断功能对双灯工作状态进行实时监控、对可能产生的故障作出判断与处理，还能通过带隔离功能的双工通信接口与多种传输介质通道配合构成通信线路，以取得照明控制中心的专家系统更高层次的技术支持，以保障双灯间协调、合理的工作。

Description

数控双灯驱动器

技术领域

本实用新型涉及一种数控双灯驱动器，属于电子技术领域。

背景技术

近年来，随着国家对节能减排和实现绿色环保照明技术的日益重视，并得益于现代电力半导体技术和器件工艺的长足进步，新型照明灯具得到了迅速的发展。从城市道路、桥梁、广场等公共照明方面来看，效率低寿命短的白炽灯已被淘汰，代之以高压钠灯、金卤灯等效率高、寿命长的气体放电灯；并进而向效率更高且寿命更长的LED灯具发展。

目前，市场占有率最大的公共照明灯具仍属高压钠灯，其发光效率高，发光功率大，光色柔和，光谱透射率强，不产生刺眼的炫光，对自身散热的要求相对较宽松，因此面对新一代LED灯具的挑战，仍具有其独特的性能优势和继续存在的价值。

高压钠灯、金卤灯等灯具有负阻特性因而必须采用镇流部件配合才能正常工作。老式的铁芯电感镇流器由于直接使用于市电工频，体积笨重庞大，耗用大量的电工钢片、漆包铜线等材料，自身热损耗大，而且在不进行补偿的情况下，灯具功率因数很低，因此目前逐渐被各类电子镇流器所取代。

在道路照明及与其类似的场合，常常需要对灯具进行组合应用，例如在一根灯杆上，分别安装两个或两个以上的灯具，根据照明方向、灯具功率和照度分配的需求进行最合理的搭配。但是，目前的气体放电灯驱动器（即电子镇流器）基本上仍停留在一台驱动器只能配用和驱动一套灯具的惯用方式，这时，就需要为每一个灯具分别配置和安装相应的电子镇流器，每一个电子镇流器都必需有独立的机壳、进线滤波及防过压保护、整流滤波、有源功率因数补偿、驱动脉冲发生器、功率管驱动级、半桥功率输出级、自动功率控制等单元电路，若采用类似空调器“一拖二”的方式，上述这些单元电路都是可以共用的，不仅可以大大节省成本，节约大量有色金属的消耗，而且还能显著缩小体积，减小占用空间，有利于安装布线工程的施工和日常的维护。

但是，这种方式的实施主要有以下几个技术难点：

1、气体放电灯的起辉需要数千伏的高压，两套以上的灯具共用一台气体放电灯驱动器，易造成起辉电压互相牵制，产生高压不足或高压过高等难以控制的问题，轻则启动困难，重则缩短灯具寿命甚至损坏驱动器自身。

2、两只独立灯具的工作必须具备完善的协调机制：当一只灯具发生问题时，必须使另一只灯具不受牵连，仍然能顺利触发起辉，直至转入正常的工作状态。

3、当一只灯具出现故障时，处理不当将会出现原来两只灯具的总功率集中转嫁到剩余完好的一只灯具身上，造成严重过载而迅速报废，必须有完善的硬件平台结构与高度智能化的系统功率调配功能。

4、必须了解每一只双灯驱动器的实际工作情况并及时发现和诊断出故障灯的位置、故障类型、系统重组是否得以顺利实施等情况，使故障范围最小化以最大程度的保障照明效能。

本实用新型的目的就是要针对性的解决以上技术难点，提出一种先进的解决方案，提供一个实现数控双灯驱动器的实用结构，并给出完善的调整控制方法。

实用新型内容

目的：为了克服现有技术中存在的不足，本实用新型提供一种数控双灯驱动器。

技术方案：为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案为：

一种数控双灯驱动器，包括电源输入滤波器、AC-DC转换器、有源功率因数校正器、功率半桥电路、高频调制波形发生器；电源输入滤波器、AC-DC转换器、有源功率因数校正器、功率转换电路依次顺序连接，高频调制波形发生器与功率半桥电路连接；其特征在于：还包括微处理器、电流误差放大器、可调频振荡器和相应于所驱动两盏灯具的双灯独立驱动回路、两套灯接入执行机构、两套灯电流监测回路，可同时驱动两个独立的灯具，并对每个灯具的运行情况分别予以监测与控制；

其中，所述微处理器，用于对灯电流进行实时监测；并根据照明需求的预置参数以及灯具的实际运行情况，控制各个灯具的启停时间、功率变动规律、控制两个灯功率的大小，或分别对灯进行开关切换；并诊断故障情况；

所述双灯独立驱动回路接在向灯具供给驱动电流的功率半桥电路输出点和两个独立的灯具输出端子之间；用于分别对两盏灯具进行切换、驱动和监控；

所述灯接入执行机构接于微处理器和双灯独立驱动回路之间，根据微处理器发出的指令分别操控每盏灯具的接入与分断；

所述灯电流监测回路接于双灯独立驱动回路和微处理器之间，用于向微处理器提供各个灯具运行电流状态是否正常的信息；

所述电流误差放大器接于双灯独立驱动回路和可调频振荡器之间，用于放大来自双灯独立驱动回路的灯电流采样信号以实现旨在稳定电流的闭环控制；同时，所述电流误差放大器还接于微处理器和可调频振荡器之间，可直接由微处理器来控制灯电流的大小，实现闭环控制之外的数控模式；

所述可调频振荡器接于电流误差放大器和功率半桥电路之间，用于把放大后的采样电流变化转换为半桥驱动脉冲频率的变化，以保持灯电流的稳定；同时，所述可调频振荡器还接于微处理器和功率半桥电路之间，一方面用于通过微处理器直接控制灯具启动瞬间的频率提升，产生触发高压以便点燃灯具；另一方面当设备发生故障时，可通过微处理器对可调频振荡器进行封锁，使立即停止输出振荡脉冲，防止元器件的损坏。

作为优选方案，所述的数控双灯驱动器，其特征在于：所述微处理器采用单片机U1。

具体的，所述的数控双灯驱动器，其特征在于：所述双灯独立驱动回，包括第一支路独立驱动回路和第二支路独立驱动回路；在大功率VMOS管半桥输出点后，经电容C9和电阻R13的并联回路后，耦合到两套不同灯具支路的部分；第一支路独立驱动回路包括继电器RL1、磁芯电感L1、启动谐振触发电容C10、C11，以及第一支路电流取样电阻R24串联构成的完整通路，第一灯具连接于电容C10、C11两端所引出的插座J2处；第二支路独立驱动回路包括继电器RL2、磁芯电感L2、启动谐振触发电容C12、C13，以及第二支路电流取样电阻R25与R26的并联体所串联构成的完整通路，第二灯具连接于电容C12、C13两端所引出的插座J3处。

具体的，所述的数控双灯驱动器，其特征在于：所述灯电流监测回路，包括第一支路的电流取样电阻、第一支路的灯电流比较器、第二支路的电流取样电阻、第二支路的灯电流比较器、以及两个比较器公共的门限电压分压电阻；所述的第一支路的电流取样电阻，为第一支路独立驱动回路中的电阻R24，电阻R24上的电流取样值经电阻R32送到比较器U4B，与门限电压进行比较，并将比较后的输出电平送到单片机U1；第二支路的电流取样电阻，就是第二支路独立驱动回路中的电阻R25与R26的并联体；第二支路的电流取样电阻上的电流取样值经电阻R27送到比较器U4A，与门限电压进行比较，并将比较后的输出电平送到单片机U1。

具体的，所述的数控双灯驱动器，其特征在于：两套灯接入执行机构，对应于两盏灯具的灯接入执行指令分别由单片机U1的第7引脚和第8引脚输出；其中第7引脚输出的控制电平信号SW1经电阻R17送到NPN型三极管Q5和PNP型三极管Q4构成的两级放大器进行电流放大，放大后流过Q4的电流经R15、R16的并联体后送去控制第一支路独立驱动回路中的继电器RL1的驱动线圈，当SW1信号电平为“高”时，放大后流过Q4的电流饱和，继电器RL1吸合，第一灯具支路接通；反之当SW1信号电平为“低”时，Q4的电流截止，继电器RL1释放，切断第一灯具支路；同理，第8引脚输出的控制电平信号SW2用于控制第二支路独立驱动回路中的继电器RL2。

作为优选方案，所述的数控双灯驱动器，其特征在于：所述数控双灯驱动器还包括通信接口电路，所述通信接口电路接于微处理器和外部通信线路之间，用于微处理器收发双向通信引脚与通信线路间的方向控制、电平转换、隔离及匹配；微处理器通过串行通信方式与照明监控中心通信连接。

作为优选方案，所述的数控双灯驱动器，其特征在于：所述通信接口电路包括光电耦合器OP1、OP2构成的隔离电路，将外部通信线路与单片机U1电路系统完全分开，同时又保证通信信号可畅通无阻。

所述的数控双灯驱动器，其特征在于：所述通信接口电路包括专用接口转换芯片U6与工业控制总线RS485线路；与电力线载波通信线路、短距离无线组网通信线路（ZIGBEE技术）、公共无线网络分组交换（GPRS技术）通信线路相适应。

所述的数控双灯驱动器的控制方法，包括以下步骤：

1）复位和启动 ：

上电启动后，微处理器复位，延时300ms等待电路各部分进入稳态；紧接着微处理器完成对内部控制资源的初始化和配置；

2）输出继电器控制 ：

高频电源通过两路继电器开关送达灯具端；微处理器会根据外部控制指令和灯具的故障情况来判断需要打开哪些控制继电器；保证有故障的灯具不会加电以免造成设备损伤；同时也完成了亮灯组合的控制，可以自由选择打开哪一盏灯，关闭哪一盏灯；

3）计算功率控制信号 ：

根据外部控制信号的要求，（开启1盏灯还是2盏灯，如果是只开1盏灯的话是哪盏灯）计算功率控制信号Vcp，信号电压越大，灯端输出的功率就越大；由于双灯的特点，最终工作的灯具有很多可能性，系统输出的功率也应该匹配相应的灯具；因此信号的大小对于灯具安全稳定工作至关重要；信号由脉宽调制的PWM信号经过滤波和整形得到，PWM脉宽越大，Vcp越大；

4）高压点灯 ：

在完成系统初始化和功率控制信号计算之后，便进行高压点灯步骤；为产生一个高压完成对钠灯内部放电气体的电离击穿；微处理器MCU通过控制谐振电路的频率在灯端产生高压；在完成高压扫描之后，微处理器MCU检测灯电流和灯端电压来判断灯具是否已成功点亮；如果灯电流很小或者灯端仍然存在高压，那么说明灯具尚未点亮；如果灯具没有点亮，微处理器MCU会立即关闭输出继电器和振荡电路，避免持久的高压对元器件造成损伤；同时记录是哪一盏灯出现的故障，以及是何种故障，作为后面故障锁定的判断依据；

5）预热 ：

为了避免灯具受到过大的冲击，在灯具点亮后，微处理器MCU通过控制Vcp信号逐渐爬升，2分钟内由40%增加到100%，灯具的功率也随着逐渐增大至额定功率；

6）亮度的调节和亮灯组合的改变

系统通过R485通讯接口获得外部的控制信号；如果在工作过程中，仅仅需要调光，而不需要改变亮灯组合，那么微处理器MCU可以立即改变Vcp的大小来达到调光的目的；如果需要改变亮灯组合，则需要先关闭主振和继电器，并等待灯具冷却之后，再次重新进入启动流程；

7）故障保护

在启动的过程中以及灯点亮之后，微处理器MCU都会不停的监测灯端电压和灯电流，以判断灯具是否工作正常；如果灯具启动失败，那么系统会在延时之后继续尝试，如果连续四次无法点亮，就判定该灯故障并锁定；此时如果另外一盏灯没有故障的话，系统就会点亮另外的一盏灯具；在灯具点亮后的工作过程中，如果出现异常，微处理器MCU也会作出相应的记录，当监测到连续四次出现异常后，同样会关闭此盏灯具；通过上叙的保护逻辑，保证了有问题的灯具一定不会加电，而没有问题的灯一定能正常亮灯。

有益效果：本实用新型提供的数控双灯驱动器，驱动器含有嵌入式微处理器，不仅能根据预置参数调控双灯的工作、依靠本身自诊断功能对双灯工作状态进行实时监控、对可能产生的故障作出判断与处理，还能通过带隔离功能的双工通信接口与多种传输介质通道配合构成通信线路，以取得照明控制中心的专家系统更高层次的技术支持，以保障双灯间协调、合理的工作。本数控双灯驱动器包括一套共用部分和两套独立部分，其中作为监测与控制部件的微处理器及其通信接口组成了保障和协调两套专用部分正常工作的智能处理核心，而两套独立部分主要用于对各自所连接灯具的触发、驱动和执行发光功率的调整。本实用新型的数控双灯驱动器共用部分采用了国际路灯节能领域目前的最新技术-变频控流技术， 驱动器采用高频变频方式驱动灯具，根据此类电路的选频特性曲线可知：当灯电流频率处于曲线上不同位置时，灯回路内电流的数值也不同，把工作频率点定在选频特性曲线的左边坡处，故频率越高，灯电流越小，从而通过控频，即可方便地实现对路灯的功率调节。驱动器采用功率因数校正及稳压技术、闭环控制稳流技术、分时智能化控制技术，可使路灯在很宽的电源电压范围内保持功率基本恒定，并可根据不同时段的照度需求合理调节。为实现上述功能，本数控双灯驱动器具有进线EMC滤波、交直流变流、PFC补偿（功率因数校正）、控频振荡器、功率驱动与输出、高压触发、灯功率采样与闭环控制、故障诊断与保护等部分，并具备联网通信功能，以便统一控制，实现更高层次的网络化智能管理。本实用新型数控双灯驱动器的两套专用部分采用了将路灯与适当的LC回路串联，并带有两套独立触发回路，以便于和两套灯具分别相连，实现灯具的启动触发并按需分配各自的驱动功率。

附图说明

图1为本实用新型的功能框架示意图；

图2为本实用新型实施例的电路图；

图3为本实用新型实施例的工作流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本实用新型作更进一步的说明。

如图1所示，150-250V范围内的交流市电首先送入“电源输入滤波器”进行双向抗干扰滤波，既隔离电网杂波对本设备的影响，又隔离本设备内部电子元件工作时产生的谐波对电网的污染。经滤波后的市电随后送到“AC-DC转换器”，转换为直流电并滤除其脉动成分，然后将平滑滤波后的直流电提供给“有源功率因数校正器”，该校正器由功率因数校正集成芯片和相应的外围电子元件构成，它有两个重要的作用，一是将AC-DC转换器提供的非稳定直流电升压并变换处理为高度稳定的400V直流电源，其二是实现对市电输入回路的功率因数校正，迫使进线电流达到与进线电压同频同相位、并且保持电流波形与进线电压的正弦波形一致，实现功率因数近似为1的理想状态。有源功率因数校正器输出的400V直流电源送到“功率转换模块”， 功率转换模块是由功率半桥电路与其驱动电路所构成，其功能是把稳定的400V电源变换为驱动灯管所必需的数千赫兹交变电源。功率转换模块除需要400V的主电源供给外，还需要辅助的工作电源和数千赫兹交变电压信号的发生器，并需要其它必需的控制功能。上述辅助的工作电源由“辅助电源”模块供给，辅助电源自身由市电经AC-DC转换器后产生的直流电供电，并输出稳定的12V直流电供设备内部各个模块使用；上述数千赫兹交变电压信号由“高频调制波形发生器”供给，而上述“其它控制功能”则来自以嵌入式微处理器为核心的“智能控制模块”。

图2为本数控双灯驱动器实现对双灯同时驱动的实施例详细电路原理图。

在图2中，电路按功能结构可分为微处理器、可调频振荡器、双灯独立驱动回路、灯电流监测回路、灯接入执行机构、电流误差放大器、通信接口电路等七个部分。 各个部分的相互关联如下：

其中，所述双灯独立驱动回路接在向灯具供给驱动电流的功率半桥电路输出点（大功率VMOS管Q2与Q3的连接点）和两个独立的灯具输出端子J2、J3之间；用于分别对两盏灯具进行切换、驱动和监控；

所述灯接入执行机构接于所述微处理器和所述双灯独立驱动回路之间，根据微处理器发出的指令分别操控每盏灯具的接入与分断；

所述灯电流监测回路接于所述双灯独立驱动回路和所述微处理器之间，用于向微处理器提供各个灯具运行电流状态是否正常的信息；

所述电流误差放大器接于所述双灯独立驱动回路和所述可调频振荡器之间，用于放大来自双灯独立驱动回路的灯电流采样信号以实现旨在稳定电流的闭环控制；与此同时，所述电流误差放大器还接于所述微处理器和所述可调频振荡器之间，可以直接由所述微处理器来控制灯电流的大小，实现闭环控制之外的数控模式。

所述可调频振荡器接于所述电流误差放大器和所述功率半桥电路之间，用于把放大后的采样电流变化转换为半桥驱动脉冲频率的变化，以保持灯电流的稳定；与此同时，所述可调频振荡器还接于所述微处理器和所述功率半桥电路之间，一方面用于通过微处理器直接控制灯具启动瞬间的频率提升，产生触发高压以便点燃灯具，另一方面当设备发生故障时，可通过微处理器对所述可调频振荡器进行封锁，使其立即停止输出振荡脉冲，防止元器件的损坏。

所述通信接口电路接于所述微处理器和外部通信线路之间，用于微处理器收发双向通信引脚与通信线路间的方向控制、电平转换、隔离及匹配。

下面详细分析说明各个部分的组成与工作原理。

1、微处理器：由ARM内核单片机U1(STM32F030F4P6)及其外围电阻、电容等元器件构成，所述单片机U1的各个引脚都可作为通用输入/输出接口（I/O接口）使用，在本实施例中，进行了如下的分配：

所述单片机U1的第1引脚是内存引导程序选择端口，通过电阻R1接地。

其中所述单片机U1的第2引脚（输出：SHUT）连至所述可调频振荡器U2芯片（型号SG3525A）的第10引脚，用于对振荡器进行开关控制：当输出低电平时，振荡器正常工作，产生有效的方波脉冲提供给所述后续半桥功率电路应用，而在特殊情况下输出高电平，能瞬间对振荡器的输出进行保护性关断，使所述功率半桥电路因得不到驱动信号而停止工作。

其中所述单片机U1的第3引脚是作为机内温度告警输入，接温度监控与告警电路。温度监控与告警电路中，温控开关K3是常开式触点开关，其一端接地，另一端与电阻R10串联，电阻R10再与电阻R53串联，电阻R53再与发光二极管LED1的负极连接，光二极管LED1的正极再与电阻R52串联，最后连接到3.3V电源正极。所述发光二极管LED1的负极还连接到所述单片机U1的第3引脚，把机内温度的状态信息输入到单片机U1，上述元件组成温度监控与告警电路。当机内温度正常时，温控开关K3常开式触点断开，所述发光二极管LED1负极与地线不通故不会发光告警，同时3.3V电源经过所述电阻R52与所述发光二极管LED1，送到所述单片机U1的第3引脚的是高电平，向所述单片机U1通知机内温度正常；当机内温度升高超过温所述控开关K3的门限时，温控开关K3接通，因

发光二极管LED1是通过R52、R53与温控开关串联接地的，发光二极管发光告警，接在发光二极管负端的所述单片机U1的第3引脚（LED）输入端变为低电平，使单片机做出相应的超温处理。

所述单片机U1的第4引脚是复位端口，通过电容C21接地。

所述单片机U1的第5引脚是芯片内部模拟电路电源供给端，接至+3.3V电源，电容C22、C23是电源抗干扰滤波电容，所述电容分别跨接在3.3V电源与地之间。

所述单片机U1的第6引脚（输出：SW2）、第7引脚（输出：SW1）分别连接至相应两组独立的“灯接入执行机构”电路中，根据运行与故障情况下的需求，灵活控制两组独立灯具的接入与切断，具体执行电路的结构与工作原理将后续说明。

所述单片机U1的第8引脚（输入：SCL）、第9引脚（输入：SDA）用于对单片机自身的编程和调试，只在调试阶段使用。

所述单片机U1的第10引脚（输出：PWM）用于输出一个脉宽调制波形信号，该信号经过电阻R51、电容C14、电阻R52、电容C15组成的两级RC滤波器滤除高频成分后，将得到一个反映上述脉宽调制波形信号平均值的直流电平，（这种处理过程相当于用PWM脉宽调制波形代替了一个D/A转换器的功能）。随后，将该直流电平通过电阻R53送至电流误差放大器用作参考电平，以确定灯电流的稳定工作点。该滤波后的直流电平大小与其滤波前的PWM脉冲的占空比有关，因此，所述单片机U1只要确定了从第10引脚输出的PWM脉冲占空比，也就确定了灯具所对应的灯电流与灯功率。

所述单片机U1的第13引脚（输入：LI2）、连接至所述的“灯电流监测”电路中的电压比较器U4A（型号LM393）的输出端引脚7，而所述单片机U1的第14引脚（输入：LI1）连接至所述的“灯电流监测”电路中的电压比较器U4B（型号LM393）的输出端引脚1，所述单片机U1根据上述这两个输入引脚的状态来感知两套灯具的实时工作情况，即：两灯具的电流都在正常范围内时，所述单片机U1的两个输入引脚均应为高电平，如果某灯处于熄灭状态，对应的输入引脚就会变为低电平，通知单片机以便采取相应的故障应对处理措施。

单片机U1的第15引脚是芯片的接地端，单片机U1的第16引脚是芯片主电源供给端，接至+3.3V电源，电容C24、C25是电源的抗干扰滤波电容，分别连接在3.3V电源与地之间。

所述单片机U1的第17、18引脚分别用来作为单片机的串行通信数据的输出端（微处理器MCUT）和数据的输入端（微处理器MCUR）。

所述单片机U1不仅通过不断对灯电流进行实时监测，了解每一盏灯各自的工作情况，还能比对系统中根据照明需求而设定的预置参数以及灯的实际运行情况，控制各个灯具的启停时间、功率变动（节能）规律，智能控制双灯功率的大小，或分别对其进行开关切换；所述嵌入式微处理器能够根据诊断出的故障情况，根据预案进行分析和干预控制，对于偶然的灭灯，可以有针对性地控制多次试探性的重新触发，使性能稍有退化的灯具也能保持正常的点燃。而对于确实寿命到期或损坏的灯具，也能通过对相应“灯接入执行机构”的切断使其脱离系统，以保证无故障的灯具支路得以继续正常运行。

2、可调频振荡器：在电子镇流器中，针对气体放电灯管特有的负阻特性，必须设置和灯管串联的磁芯电感器以稳定灯电流，由于磁芯电感器的等效阻抗与通过的电流频率有关，因此在其它条件不变的情况下，高频逆变工作频率的高低直接决定了灯电流的大小，另外，当采用LC串联谐振方式产生触发气体放电灯管所必需的高电压时，也需要对高频逆变频率进行控制，以满足LC串联谐振的条件，这使得可调频振荡器在触发灯管和控制灯功率方面都起着至关重要的作用。本实施例中，该部分由脉宽调制集成芯片U2（SG2525A）及其外围元器件组成，包括电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7，电容C1、C2、C3、C4、C5、C6，以及半导体场效应管Q1， SG2525A本是一款脉宽调制（PWM）芯片，但稍加变换，即可作为可调频率的方波振荡器使用，方便的产生高频逆变所必需的脉冲振荡源。

所述可调频振荡器U2的第13、15引脚是工作电源输入端，直接连至直流辅助电源正极VCC，所述可调频振荡器的12引脚是工作电源负极，接到直流辅助电源地端。所述可调频振荡器的16引脚是内部参考稳压源输出端，所述可调频振荡器的第1、2引脚是内部电压误差放大器的负输入和正输入端，所述可调频振荡器的第9引脚是该误差放大器的输出端，所述可调频振荡器的第8引脚是内部电路需要的一个外旁路电容连接端，由于本处不使用PWM功能，只需将上述引脚按闲置方式处理，即2-16引脚间接以电阻R6，1-9引脚间直连并经电容C5接地，所述可调频振荡器的第8引脚经电容C6接地， 所述可调频振荡器的12引脚接直流辅助电源地端。

本处组建可调频振荡器需要重点说明的引脚为所述可调频振荡器的第5、6、7、10、11、14脚。其中控制所述可调频振荡器启动与停止的是第10引脚，前文已提及，此引脚直接由单片机控制，随时根据需要施以高、低电平来关闭或开启可调频振荡器。此可调频振荡器本质上是一种电阻R与电容C构成的“RC振荡器”，其振荡周期正比于电阻R与电容C的乘积，这里的电阻R就是第6引脚（Rt）对地的全部电阻的集合体，包括电阻R3和电位器W3的串联阻值，也包括电阻R3与场效应管Q1等效电阻的串联阻值；这里的电容C就是第5引脚（Ct）对地的电容C4，是一只不可改变的固定电容，因此可知，调整频率的过程主要依靠改变上述参与工作的各个电阻的阻值来实现。

其中，电位器W3与电阻R4组成的串联支路支路，跨接于所述可调频振荡器芯片U2的第6引脚和地线之间，用来确定所述可调频振荡器的基础振荡周期，所述电位器W3用作对可调频振荡器的基础振荡频率作精细的整定。

电阻R3与电容C3构成的的串联支路，用来确定启动触发过程中频率的变化趋向以及变化范围。电容C3作为电容，理想情况下电阻无穷大，但在加电瞬间，有相对较大的充电电流，然后随着充电电流逐渐减小直至为零，呈现电阻逐渐增大直至无穷，因而该支路等效于一个从电阻R3到无穷大的电阻，必将造成频率由高至低的连续变化，频率最高点由电阻R3确定，频率最低点由电位器W3-电阻R4支路确定，连续变化的时长则决定于电容C3的电容量。由于连续变化频率的过程中将在灯回路中引起LC串联谐振，产生灯端数千伏的高电压，因而实现了对灯管的起辉触发（过程在后续部分说明）。

而从所述可调频振荡器U2第6引脚开始，经电阻R3接场效应管Q1的“漏极”，然后由所述场效应管Q1的“源极”接到地回路的串联支路，则是频率闭环负反馈环路的重要组成部分，场效应管Q1的特性可等效为一个受外加电压控制的可变电阻，可根据需要，在单片机干预下通过改变施加在所述场效应管Q1的“栅极”上的电压来改变所述可调频振荡器U2的工作频率点，以改变灯功率，并用来保障频率工作点的稳定性（后面还会结合由电流误差放大器介入形成的闭环工作过程来进行分析说明）。

所述可调频振荡器U2的第11、14引脚（G1、G2）是以差分形式引出的一对振荡脉冲输出端子，经过适当处理后，用以分别驱动功率半桥电路的上下两只大功率VMOS场效应管。

所述可调频振荡器U2的第7引脚和第5引脚之间连接的电阻R5，用来在所述的差分振荡输出脉冲G1、G2波形中加入“死区”时间，具体就是：当G1输出端子从有脉冲输出的开通状态刚刚转入到关断状态的瞬间，不允许G2输出端子立即从关断状态转入有脉冲输出的开通状态，而必须经过一短暂的时延即“死区”以后，才允许G2输出端子转入开通状态。这样就可以防止G1、G2输出脉冲衔接过紧，造成两只受其驱动的大功率场效应管中一只未及关闭而另一只已经导通，造成高压直流400V直接短路的危险情况。

3、双灯独立驱动回路：为使一套电子镇流器驱动两套气体放电灯，从功率半桥电路输出端开始，就需要分别配置两套独立的灯驱动电路，包括后续涉及的灯电流监测回路、灯接入执行机构。

图中Q2、Q3为构成功率半桥电路的两只VMOS管，其中点（C9左端）为半桥输出，经电容C9隔去直流成分后变成幅值为400V的方波交流脉冲，然后分为两路，分别通过继电器RL1、RL2的开关触点后，连接至两只灯管各自的磁芯电感器L1和L2。在第一灯支路上，L1与灯管LAMP1串联，灯管再与灯电流取样电阻R24串联，经过电阻R24的灯电流经过高频电流互感器CT1后回到功率半桥电路的负极地端；在第二灯支路上，L2与灯管LAMP2串联，灯管再与灯电流取样电阻(R25、R26并联而成，)相串联，此路的灯电流也经过高频电流互感器CT1后回到功率半桥电路的负极地端，可以看出，灯电流取样电阻R24、R25上分别只取样本灯管支路的电流，目的是送给各自的灯电流监测回路，用以提供给单片机判定各灯是否顺利触发点燃，各灯的运行是否正常，而高频电流互感器CT1上取样是两只灯管的总电流，目的是送给电流误差放大器，用以控制和稳定整个驱动器的双灯总电流。

气体放电灯需要触发高压激励下才能点燃，双灯独立驱动回路的另一个重要功能，就是要确保对所驱动的每一盏灯具都能有效的触发，彼此互不干扰。本实施例中，触发高压的产生是根据电感电容串联电路在交变电压激励下发生串联谐振时，电容两端电压将远高于电源电压这一原理设计的。

根据图2可以看出，功率半桥电路中点（即C7、C8连接点）输出的灯驱动交变电流经电容C9耦合，再经继电器RL1、RL2的触点后，分别向LAMP1和LAMP2两盏灯具供电。以LAMP1支路为例，电流经电感L1、电容C10、电容C11，再经过电流取样电阻R24回到电源地端形成回路。由于取样电阻R24极小，基本可以忽略不计，而与电容C10、C11相并联的灯具LAMP1在被触发导通之前亦呈现无穷大的内阻，对电路也暂时没有影响，因此，触发前这部分电路可等效为L1、C10、C11构成的L-C串联电路，只要功率半桥电路输出的灯驱动交变电流频率趋近于它们的自然谐振频率，C10、C11串联体的两端就可以获得足够高的交变电压，触发灯具点燃。灯具一旦被点燃后，其内阻将瞬时下降至数十欧姆量级，基本等效于将C10、C11短路，L-C串联电路的结构被彻底破坏，自然谐振产生的高压也立即消失。

L-C串联电路发生串联谐振触发灯具点燃时的频率和灯具正常工作的交变电流频率是不同的，前者比后者高得多。因此，在可调频振荡器以及微处理器中，有在触发过程中按规律控制驱动电流频率实现由高至低扫频过渡的功能与执行机构。前已述及，当系统加电需要对灯具触发点燃时，由于电容C3的存在使可调频振荡器U2的第6脚对地短时间呈现较低阻抗，因而可调频振荡器的频率较高，接近L-C串联电路发生串联谐振的频率，使灯具触发点燃；而当可调频振荡器由于某种原因被封锁，需要在不断电的情况下对灯具重新进行触发时，则可由微处理器20脚送出一个低电平短脉冲，经电阻R55、送至C3上端，可使调频振荡器U2的第6脚对地阻抗降低，振荡频率升高，形成与上电时相同的触发过程。

LAMP2支路的结构与LAMP1支路类似，触发产生的机理和过程也基本相同，这里不再赘述。

4、灯接入执行机构：在各个灯分支回路中分别串入接入执行机构的作用主要有两点，一是可以根据需要，在指定时段内只接通任意一灯或两灯同时接通；二是当其中一灯发生故障时，可将故障灯隔离，不使其影响另一完好灯具的正常工作。第一灯具的灯接入执行机构分别由三极管Q4、Q5，二极管D2，电阻R14、R15、R16、R17、R18及继电器RL1构成，由单片机第7脚（SW1）输出电平控制；灯具2的灯接入执行机构分别由三极管Q6、Q7，二极管D3，电阻R19、R20、R21、R22、R23及继电器RL2构成，由单片机第6脚（SW2）输出电平控制。以第一支路为例，当单片机控制输出（SW1）电平为高时，Q5导通，Q4随之导通，使继电器RL1的引脚3-4间的线包得电吸合，开关触点1-2间连接导通，将第一路灯具驱动回路接通。反之，当单片机控制输出（SW1）电平为低时，将第一路灯具驱动回路切断。第二支路的通断控制原理与第一支路相同，不再赘述。

5、灯电流监测回路：各个支路的灯管是否再加电启动过程中顺利触发导通？各个灯管在长时间的连续工作中经过不同时段的光功率调整，等是否仍在正常工作？因故暂时熄灭的灯管，再次重新受控触发能否顺利成功？这些都必需通过实时检测各个灯回路的电流来了解和确认，因此，各支路的灯电流监测回路是气体放电灯数控驱动器必不可少的重要组成部分，单片机对双灯工作的协调控制，很大程度上依赖该部分的反馈参数。

两个灯电流监测回路合用一片LM393芯片（U4）构成，该芯片内部集成有两个独立的精密比较器U4A和U4B，分别用于两路灯电流的检测。电阻R28和R29串联跨接在辅助直流电源VCC和地线之间，它们的分压值作为公共参考电压施加于两个比较器各自的负输入端（第2脚和第6脚），电容C19用于滤除参考电压上的噪声干扰，使参考电压更加稳定，而两个比较器各自的正输入端（第3脚和第5脚）则分别通过输入电阻R27、R32连接到相应的灯电流取样电阻R25和R24，电阻R30和R31、R33和R34则分别是比较器U4A和比较器U4B的输出负载。由于取样电阻上产生的压降与灯电流成正比，当各路取样电阻上有正常灯电流通过时，将形成一个以地电位为基线的灯电流取样电压波形，并在对应的比较器上与R28和R29产生的参考电压进行电平幅度比较。以第二路为例：当R25上的灯电流取样电压波形高于参考电压时，比较器U4A的引脚1将输出高电平，而当R25上的灯电流取样电压波形电压低于参考电压时，比较器U4A的引脚1将输出低电平。前文提到灯电流取样电压波形是以地电位为基线的，因此只有在该波形的正半周最大值附近，比较器才会有高电平输出，其它时间比较器均为低电平输出。虽然如此，并不会影响单片机的检测效果，只要比较器的输出具有高低电平的周期性跳变，就说明灯电流存在并且幅度正常。

6、电流误差放大器：电流误差放大器由运算放大器TL082(U3A)及其周边阻容元件构成，包括电阻R35-R42、电容C14-C17和电位器W2，广义地说还包括双灯总电流互感器CT1，以及与其配合构成采样环节的电阻R43-R45、电容C18和二极管D1。该部分是灯功率闭环反馈回路中的重要环节，在确定灯管工作点和稳定灯管工作点两个方面都起着关键的作用。

R45是CT1二次侧的交流负载，由此产生反映总灯电流大小的交流采样电压，并经D1整流和C18滤波后，成为正比于总灯电流的直流取样电压信号，经R43送到电流误差放大器，由W2和R35分压、R36和C14再次滤波后送达运算放大器U3A的正输入端（引脚3），运算放大器的负输入端（引脚2）上引入由电阻R39、R40分压形成的基准参考电压，运算放大器对直流取样电压和基准参考电压之间的误差进行放大，并用放大后的直流输出信号驱动执行元件（场效应管Q1），将电流误差放大器的输出直流电压变化量转换为Q1内阻的变化量，从而实现对可调频振荡器频率的闭环反馈控制。R41、R42及C16、C17构成电流误差放大器的PID反馈回路，用以设定放大率并保障整个灯控系统闭环工作的稳定性。

电阻R53用于引入由单片机PWM输出波形转换而来的直流信号，以提供单片机介入控制灯功率的途径，实质是由单片机通过对基准参考电压的微调改变系统闭环工作点，由电流误差放大器在相应调整灯电流后使系统重新建立新的平衡关系。举例来说，当单片机需要控制灯功率向节能方向调整，即需要减小双灯总电流时，可以调整10脚输出的PWM波形，使转换的直流电压下降，由于该电压是送到电流误差放大器负输入端，电压的下降引起放大器输出电压的上升，进而引起场效应管Q1内阻的减小，这就使可调频振荡器频率升高，与灯管串联的磁芯电感器因频率升高而等效阻抗增大，就迫使灯电流下降，实现了节能运行的目的。

另一方面，当单片机需要控制灯功率维持稳定不变时，可以保持第10脚输出的PWM波形不变，这时电流误差放大器将通过闭环控制自动保持目前的工作点稳定不变。假如某种外界影响使两灯的总电流发生微小增大时，电流传感器CT1二次侧采样电压数值将跟着发生微小增大，送达电流误差放大器正输入端的直流电压也将同比例增大，与放大器负输入端的参考电压产生误差，此误差经电流误差放大器放大后，导致放大器的输出电压按确定倍数上升，进而使场效应管Q1源极与漏极间呈现的阻抗降低，根据前文述及的原理，可调频振荡器的振荡频率将升高，灯回路串联电感器阻抗随之增大，迫使灯电流减小……，可见灯电流的变化引发了一个负反馈过程，这种负反馈作用的结果使闭环回路经短暂调整后迅速建立起新的稳态工作平衡，使灯电流保持相对恒定。

7、通信接口电路：

通信接口电路提供单片机与外界（主要是照明监控中心）联系的数据传输通道，以便接收监控中心的监管，按指令通过上行信道向监控中心回传双灯驱动器的状态信息，同时可经过下行信道接收监控中心发来的配置信息或实时控制指令，以保障所驱动的双灯协调工作，适应各类不同照度的功率调配，并在出现异常情况时，可对驱动器内的嵌入式微处理器提供及时的人工干预，甚至接管微处理器的控制功能，使系统得到最正确、最合理、最可靠的调控处理。

通信接口电路的结构及工作原理结合图2分析如下：

当微处理器处于需要经通信接口电路接收数据时：置“微处理器MCUT”为高电平，光耦合器U5的发光二极管不发光，因而光耦的3-4引脚间截止→Q1导通→U6(RE/DE引脚)低电平→U6处于接收状态。

当微处理器MCU发送高电平时：

“微处理器MCUT”高电平→U5截止→Q1导通→U6(RE/DE引脚)低电平→U6处于接收状态→U6的AB引脚为高阻(HIZ)状态 + 引脚A上拉、引脚B下拉→VA>VB→485总线输出状态“1”

当微处理器MCU发送低电平时：

“微处理器MCUT”低电平→U5导通→Q1截止→U6(RE/DE引脚)高电平，DI引脚低电平→U6处于发送状态→485总线输出状态“0”。

由于所述双灯驱动器内部的通信接口电路具有最通用、最基本的收发与传输方向控制功能结构，而且所述驱动器内部的通信接口电路具有以光电耦合器OP1、OP2构成的隔离电路，因而可将外部实际通信线路与所述单片机U1电路系统完全分开，而又保证通信信号可以畅通无阻，因此可以与目前常用的各类不同的各类不同传输介质的具体通信线路相适应。这使得本数控双灯驱动器不仅具有自身内部的自检和故障处理机制，还能与照明监控中心构成监控数据链，实现数据资源共享，以增加系统的灵活性。

图2中表示出串行通信接口电路通过专用接口转换芯片（U6）与常用的工业控制总线RS485线路间的实际应用示例。本专利目前实施中使用的各种传输介质具体通信线路有：电力线载波通信线路、短距离无线组网通信线路（ZIGBEE技术）、公共无线网络分组交换（GPRS技术）等，各类实际通信线路在实用中均能与驱动器内的串行通信接口电路良好的配合工作。

如图3所示，本实用新型的工作过程如下：

1.复位和启动

上电启动后，微处理器MCU复位，延时300ms等待电路各部分进入稳态。紧接着微处理器MCU完成对内部控制资源，如定时器，端口，存储器，通讯组件的初始化和配置。

 2.输出继电器控制

高频电源通过两路继电器开关送达灯端。微处理器MCU会根据外部控制指令和灯具的故障情况来判断需要打开哪些控制继电器。此举保证了有故障的灯具不会加电以免造成设备损伤。同时也完成了亮灯组合的控制，可以自由选择打开哪一盏灯，关闭哪一盏灯。

 3.计算功率控制信号

根据外部控制信号的要求（开启1盏灯还是2盏灯，如果是只开1盏灯的话是哪盏灯）计算功率控制信号Vcp.该信号电压越大，灯端输出的功率就越大。由于双灯的特点，最终工作的灯具有很多可能性，系统输出的功率也应该匹配相应的灯具。因此该信号的大小对于灯具安全稳定工作至关重要。该信号由脉宽调制的PWM信号经过滤波和整形得到，PWM脉宽越大，Vcp越大。

 4.高压点灯

在完成系统初始化和功率控制信号计算之后，便进行高压点灯步骤。此举是为了产生一个2KV左右的高压完成对钠灯内部放电气体的电离击穿。微处理器MCU通过控制谐振电路的频率在灯端产生高压。在完成高压扫描之后，微处理器MCU检测灯电流和灯端电压来判断灯具是否已成功点亮。如果灯电流很小或者灯端仍然存在高压，那么说明灯具尚未点亮。如果灯具没有点亮，微处理器MCU会立即关闭输出继电器和振荡电路，避免持久的高压对元器件造成损伤。同时记录是那一盏灯出现的故障，以及是何种故障，作为后面故障锁定的判断依据。

 5.预热

为了避免灯具受到过大的冲击，在灯具点亮后，微处理器MCU通过控制Vcp信号逐渐爬升，2分钟内由40%增加到100%，灯具的功率也随着逐渐增大至额定功率。

 6.亮度的调节和亮灯组合的改变

系统通过485通讯接口获得外部的控制信号。如果在工作过程中，仅仅需要调光，而不需要改变亮灯组合，那么微处理器MCU可以立即改变Vcp的大小来达到调光的目的。如果需要改变亮灯组合，则需要先关闭主振和继电器，并等待灯具冷却之后，再次重新进入启动流程。

7.故障保护

在启动的过程中以及灯点亮之后，微处理器MCU都会不停的监测灯端电压和灯电流，以判断灯具是否工作正常。如果灯具启动失败，那么系统会在延时之后继续尝试，如果连续4次无法点亮，就判定该灯故障并锁定。此时如果另外一盏灯没有故障的话，系统就会点亮另外的一盏灯。类似于启动时的保护逻辑，在灯具点亮后的工作过程中，如果出现异常，微处理器MCU也会作出相应的记录，当监测到连续4次出现异常后，同样会关闭此盏灯具。通过上叙的保护逻辑，保证了有问题的灯具一定不会加电，而没有问题的灯一定能正常亮灯。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (8)

1.一种数控双灯驱动器，包括电源输入滤波器、AC-DC转换器、有源功率因数校正器、功率半桥电路、高频调制波形发生器；电源输入滤波器、AC-DC转换器、有源功率因数校正器、功率转换电路依次顺序连接，高频调制波形发生器与功率半桥电路连接；其特征在于：还包括微处理器、电流误差放大器、可调频振荡器和相应于所驱动两盏灯具的双灯独立驱动回路、两套灯接入执行机构、两套灯电流监测回路，可同时驱动两个独立的灯具，并对每个灯具的运行情况分别予以监测与控制；

其中，所述微处理器，用于对灯电流进行实时监测；并根据照明需求的预置参数以及灯具的实际运行情况，控制各个灯具的启停时间、功率变动规律、控制两个灯功率的大小，或分别对灯进行开关切换；并诊断故障情况；

所述双灯独立驱动回路接在向灯具供给驱动电流的功率半桥电路输出点和两个独立的灯具输出端子之间；用于分别对两盏灯具进行切换、驱动和监控； 

所述灯接入执行机构接于微处理器和双灯独立驱动回路之间，根据微处理器发出的指令分别操控每盏灯具的接入与分断； 

所述灯电流监测回路接于双灯独立驱动回路和微处理器之间，用于向微处理器提供各个灯具运行电流状态是否正常的信息； 

所述电流误差放大器接于双灯独立驱动回路和可调频振荡器之间，用于放大来自双灯独立驱动回路的灯电流采样信号以实现旨在稳定电流的闭环控制；同时，所述电流误差放大器还接于微处理器和可调频振荡器之间，可直接由微处理器来控制灯电流的大小，实现闭环控制之外的数控模式； 

所述可调频振荡器接于电流误差放大器和功率半桥电路之间，用于把放大后的采样电流变化转换为半桥驱动脉冲频率的变化，以保持灯电流的稳定；同时，所述可调频振荡器还接于微处理器和功率半桥电路之间，一方面用于通过微处理器直接控制灯具启动瞬间的频率提升，产生触发高压以便点燃灯具；另一方面当设备发生故障时，可通过微处理器对可调频振荡器进行封锁，使立即停止输出振荡脉冲，防止元器件的损坏。

2.根据权利要求1所述的数控双灯驱动器，其特征在于：所述微处理器采用单片机U1。

3.根据权利要求2所述的数控双灯驱动器，其特征在于：所述双灯独立驱动回，包括第一支路独立驱动回路和第二支路独立驱动回路；在大功率VMOS管半桥输出点后，经电容C9和电阻R13的并联回路后，耦合到两套不同灯具支路的部分；第一支路独立驱动回路包括继电器RL1、磁芯电感L1、启动谐振触发电容C10、C11，以及第一支路电流取样电阻R24串联构成的完整通路，第一灯具连接于电容C10、C11两端所引出的插座J2处；第二支路独立驱动回路包括继电器RL2、磁芯电感L2、启动谐振触发电容C12、C13，以及第二支路电流取样电阻R25与R26的并联体所串联构成的完整通路，第二灯具连接于电容C12、C13两端所引出的插座J3处。

4.根据权利要求2所述的数控双灯驱动器，其特征在于：所述灯电流监测回路，包括第一支路的电流取样电阻、第一支路的灯电流比较器、第二支路的电流取样电阻、第二支路的灯电流比较器、以及两个比较器公共的门限电压分压电阻；所述的第一支路的电流取样电阻，为第一支路独立驱动回路中的电阻R24，电阻R24上的电流取样值经电阻R32送到比较器U4B，与门限电压进行比较，并将比较后的输出电平送到单片机U1；第二支路的电流取样电阻，就是第二支路独立驱动回路中的电阻R25与R26的并联体；第二支路的电流取样电阻上的电流取样值经电阻R27送到比较器U4A，与门限电压进行比较，并将比较后的输出电平送到单片机U1。

5.根据权利要求2所述的数控双灯驱动器，其特征在于：两套灯接入执行机构，对应于两盏灯具的灯接入执行指令分别由单片机U1的第7引脚和第8引脚输出；其中第7引脚输出的控制电平信号SW1经电阻R17送到NPN型三极管Q5和PNP型三极管Q4构成的两级放大器进行电流放大，放大后流过Q4的电流经R15、R16的并联体后送去控制第一支路独立驱动回路中的继电器RL1的驱动线圈，当SW1信号电平为“高”时，放大后流过Q4的电流饱和，继电器RL1吸合，第一灯具支路接通；反之当SW1信号电平为“低”时，Q4的电流截止，继电器RL1释放，切断第一灯具支路；同理，第8引脚输出的控制电平信号SW2用于控制第二支路独立驱动回路中的继电器RL2。

6.根据权利要求1所述的数控双灯驱动器，其特征在于：所述数控双灯驱动器还包括通信接口电路，所述通信接口电路接于微处理器和外部通信线路之间，用于微处理器收发双向通信引脚与通信线路间的方向控制、电平转换、隔离及匹配；微处理器通过串行通信方式与照明监控中心通信连接。

7.根据权利要求6所述的数控双灯驱动器，其特征在于：所述通信接口电路包括光电耦合器OP1、OP2构成的隔离电路，将外部通信线路与单片机U1电路系统完全分开，同时又保证通信信号可畅通无阻。

8.根据权利要求7所述的数控双灯驱动器，其特征在于：所述通信接口电路包括专用接口转换芯片U6与工业控制总线RS485线路；与电力线载波通信线路、短距离无线组网通信线路、公共无线网络分组交换通信线路相适应。