数字式紫外线灯电子镇流器设计.doc

哈尔滨工业大学2005届本科优秀毕业设计（论文）选集数字式紫外线灯电子镇流器设计电气工程及自动化学院：王议锋 指导教师：徐殿国摘 要：本文从紫外线灯的物理特性入手，完成了一种数字式紫外线灯电子镇流器的设计，经过理论推导和试验分别提出了几种不同的基于LCC串并联谐振电路的启动方式，既保证了在高低温环境下灯管的可靠启动，同时冲击电流很小，不会对灯管造成损害。通过数字滤波子程序实现了性能较好的恒流控制。使得紫外线辐照度有较大程度的提高。最终利用上述理论和试验结果，解决了紫外线灯的可靠启动和异常状态的有效保护问题。关键词：紫外线灯；电子镇流器；LCC串并联谐振；恒流控制Abstract：This paper starts from the physical configuration of ultraviolet lamp and gives a design of digital electronics ballasts for ultraviolet lamps. Several igniting methods based on the LCC series and parallel resonant circuits are proposed through the theoretical deduction and experiments, The experimental results indicate that this method can guarantee the reliable igniting of ultraviolet lamps under the high or low temperature, as well as small dash current. Besides, constant-current control mode with good performance is executed on the foundation of digital filter subroutine, which greatly increases the irradiance of ultraviolet lamps. In the end of this paper, the proposed electronic ballast can accomplish the ignition reliably, and can protect the ballast and lamp under abnormal circumstance. Key words： Ultraviolet lamps Electronic ballast LCC series and parallel resonance Constant-current control mode 1 引 言紫外线光源强度不但与紫外线灯管本身质量及温度、湿度有关外，还与镇流器有较大关系。同一支灯管换用电子镇流器时，功耗至少可降低25%，而辐射强度却可提高12%以上，且灯管使用寿命大大延长。但目前国内多数紫外线灯仍然配接传统的电感镇流器，或者采用进口的高成本紫外线灯电子（或电感）镇流器。究其主要原因是国产紫外线灯电子镇流器成本及故障率都较高。为此，我们试图开发一种以单片机控制为基础的新型75W、165W紫外线灯数字式电子镇流器。主要的研究和设计任务包括：两种瓦数紫外线灯的启动方式、闭环和保护策略、算法的确定，相关程序的编写；数字控制器相关的硬件电路设计；整机PCB板设计和调试。2 镇流器主电路及数字控制器总体方案设计该数字式电子镇流器的基本结构如图1所示，电子镇流器实质上是一种供电电源，由PFC（加EMI）和半桥逆变两个基本功能单元构成，将去掉了电网中可能存在的干扰的电能高频化之后供给灯使用，同时它将负载产生的对电网有害的电流谐波成分滤除。逆变电路使电路工作在高频，LCC负载匹配网络实现镇流器的启动和限流等基本功能。气体放电灯在高频下特性类似电阻，此时灯的启动电压下降，同时灯的发光效率有很大的提高。另外，由于使用数字控制器，该镇流器可以用软件来实现诸多硬件功能：可以较好的符合相关标准对紫外线灯预热启动的要求，保证无冲击的启动；当负载发生故障时，能及时切断驱动信号，保护镇流器不被烧毁；当输入电压变化时，保证灯电流不变，以保证紫外线辐照强度变化较小。图1 数字式紫外线灯电子镇流器系统框图3 负载匹配网络及数字控制器的硬件电路如图2所示，该镇流器的逆变电路采用具有带通特性的串并联负载谐振结构，能有效衰减方波电源的高次谐波分量。可以滤除电压中的直流分量。提供启动阶段紫外线灯点火所需要的高压。图2 串并联负载谐振逆变器根据串并联谐振电路的稳态输出方程(1),为了将谐振电路的工作点设计在紫外线灯的额定工作点,应使方程中谐振电路的输出电压、电流值为紫外线灯的额定值,可以得到一个s与镇流电感L的关系式(2)。 （1） （2）式中：为串并联谐振电路基波谐振点角频率，（rad/s）； 为稳态时的基波谐振点角频率，（rad/s）；为启动阶段谐振电路品质因数，(式中r为回路等效阻抗）。C为整个支路中的串联电容。根据参量Q、o、s与实际参数L、CS、CP之间的对应关系式(2)、方程(1)以及镇流电感和串、并联电容之间的一个关系式(3)联立求解,就可以得到串并联谐振电路三个参数L、CS、CP的解。 （3）本镇流器中的数字控制器采用MOTOROLA公司生产的8脚单片机QT4，该芯片主要资源为：6个I/O口；4路AD（与I/O口复用）；两路PWM发生器；两路辅助PWM输出，可对调制频率和占空比编程，可设置为独立方式和偏移方式，适宜作PFC控制；内部包含128字节的RAM，4096字节的FLASH ROM。由于芯片本身具有A/D转换功能，所以其外围电路很简单如下图3所示。图3 数字控制器及其外围电路图中，L4是穿越式电流互感器， D9、D10起钳位作用，防止采样电压过高损坏单片机。而运放除了起线形放大作用外，还起到RC有源低通滤波器的作用。4 单片机程序设计及调试结果数字控制器的主程序如下图4，初始化子程序包括I/O口初始化，PWM输出初始化，内部时钟初始化及变量初始化；正常启动子程序中包含滑频启动子程序；所有A/D口输入采样信号都要经过数字滤波处理，本程序中使用的是防脉冲干扰的数字滤波方法，该方法既可滤掉大的脉冲干扰，又可滤掉小的随机干扰。可以起到较好的滤波效果。图4 主程序流程图对于预热启动，为了在启动过程中不对灯造成损坏：预热电压不能过高造成灯丝溅射；预热电流不能过大使灯丝过热而发射。可以视具体电路特性选用基波滑频、三次谐波滑频、双电容滑频三种基于数字控制器的启动方式中的某一种。下图5是165W采用三次谐波启动和75W采用双电容启动时的灯电压、灯电流实测波形。 (a) 165W紫外线灯三次谐波启动时灯电流波形 (b) 75W紫外线灯双电容启动时灯电压、电流波形图5 启动灯端电压、电流波形紫外线灯的闭环控制只能采用恒流控制，为了实现较好的闭环精度而不造成功率振荡，就需要合理设定采样电流信号的上下限及调节速度，以把灯电流控制在一个比较合理的范围内保持基本不变，达到恒流控制的目的。双端紫外线灯的保护比较复杂，为此先将各种故障状态（12种）进行归类，得到4类具有相同现象的异常状态，然后采用电平判断加差值判断相结合的方法进行故障判断，较简单地实现了所有故障的正常保护。右图6是故障检测子程序的流程图。5 紫外线灯启动方法研究紫外线灯启动要求主要有：在阴极预热阶段，预热电压或者电流不得过高或过大而使阴极上的发射物质因过热受到损害；在阴极达到电子发射状态之前，灯端开路电压应低于导致阴极受损的辉光放电数值；在阴极达到发射 状态后，开路电压需足够高，以保证灯迅速启动而无需多次点火，此时如果开路电压需升高后才能使灯正常启动，则电压提升的过程必须在灯阴极仍处于热电子发射温度期间内完成。下图7是启动过程中逆变桥工作频率变化示意图，从图中可以看出决定启动效果的主要是预热和滑频的起始频率及频率变化快慢。下面分析的几种启动方式都是基于数字控制器并围绕上述问题的不同解决方法而展开的。 图6 故障检测子程序的流程图图7 启动过程中逆变桥开关频率变化示意图（1）基波滑频启动指在确定串并联负载谐振电路预热和滑频过程的工作频率时，负载电路的输入信号采用方波信号的基波分量来分析。该启动方式比较直观，同时可以获得较高的启动电压，设计时可以采用理论分析法、Pspice仿真、BDA辅助设计法进行分析设计。此方法的缺点是启动电流大，容易造成阴极灯丝氧化物溅射。因此在紫外线灯电子镇流器中很少采用。下图8是仿真得到的165W紫外线灯镇流器的启动冲击电压电流波形。 （a）灯端电压 （b）回路电流 图8 基波谐振启动时灯端电压、回路电流仿真波形（2）三次谐波滑频启动三次谐波谐振启动方式是指图的RLC回路与高频方波电压的三次谐波发生谐振，从而在灯端电容上获得足够高的谐振电压启动紫外线灯。谐振时，回路的谐振电流和灯端电容上的电压为 （4） （5）式（4）表明谐振电流与谐振的谐波次数3成反比，谐振电压的峰值与谐波次数无关。因此，通过回路与方波电压中的某高次谐波谐振可以成倍地降低谐振电流，却并不过多影响足够高的谐振电压的获得。图9是165W紫外线灯采用三次谐波谐振启动时得到的仿真波形，明显看到，获得同样高的谐振电压峰值时，谐振电流减小了很多。实际测得的试验波形见上图5(a)，和理论计算结果一致。(a) 灯端电压 (b)回路电流图9 三次谐波启动时灯端电压、回路电流仿真波形对于小功率的紫外线灯镇流器而言，由于其电感值较大，要采用三次谐波启动则启动电容很小，而该电容越小，其等效阻抗越大，回路电流越小，如果回路电流低于最小有效预热电流，则灯管无法正常启动，因此高次谐波启动主要应用于较大功率的紫外线灯镇流器。（3）双电容滑频启动所谓的双电容启动其原理图如下图10所示：图10 双电容启动方式的负载谐振回路这种启动方式下，Cp2要比Cp1大3倍左右，下面分析这种启动电路如何对电流起到限制作用。由L、Cs、Cp2组成的串联谐振电路的谐振点频率为：由L、Cs、Cp1组成的串联谐振电路的谐振点频率为：比如当Cp1=3.3nF、Cp2=10nF、Cs=220nF、L=1mH时，分别得到f1=87.6kHz，f2=50.3kHz，再通过仿真分析整个回路的谐振频率为f=45kHz，即有：f2 f f1，同时在谐振点时，通过Cp2的电流为20A而通过Cp1（即灯丝）的电流只有6.8A，可见这种结构在启动时可以降低灯丝电流，但是没有降低整个负载回路电流，因此这种启动方式只能用于小功率紫外线灯的启动，上图5(b)的实测波形证实了这种启动方式确实可以实现无冲击电流启动。结 论首先，通过了解紫外线灯的物理特性，理