使用PIC16F1885x CIP設(shè)計(jì)可通訊調(diào)光的大功率植物補(bǔ)光金鹵燈電子鎮(zhèn)流器

1.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

數(shù)字化鎮(zhèn)流器硬件組成包括 EMI 濾波電路、整流及功率因數(shù)校正電路、高頻逆變器、 LCC 串并聯(lián)諧振電路和以單片機(jī)為核心的數(shù)字控制電路。

圖1-1 系統(tǒng)框圖

2.有源功率因數(shù)校正電路

電子鎮(zhèn)流器本身實(shí)際上是一種 AC/DC/AC 的特種電源，采用二極管整流、電容濾波的 AC/DC 整流環(huán)節(jié)會(huì)引起輸入電流嚴(yán)重畸變，功率因數(shù)較低，大量使用時(shí)對(duì)電網(wǎng)將造成嚴(yán)重的諧波污染和無功負(fù)擔(dān)。本設(shè)計(jì)采用MC33262完成功率因數(shù)校正環(huán)節(jié)。

3.橋式逆變電路和負(fù)載諧振電路

大功率金屬鹵化物燈工作于高頻的交流狀態(tài)，這就需要一個(gè)電路將前級(jí)功率因數(shù)校正電路環(huán)節(jié)得到的直流電壓轉(zhuǎn)換成高頻的交流電壓，因此，橋式逆變電路是電子鎮(zhèn)流器電路中最基本同時(shí)也是最關(guān)鍵的組成部分。

圖3-3 串并聯(lián)負(fù)載諧振變換電路

全橋 LCC串并聯(lián)諧振電路如圖3-3（a）所示，串并聯(lián)諧振具有帶通特性，能有效衰減方波VAB的高次諧波分量，串聯(lián)電容Cs 能夠?yàn)V除電源電壓中的直流分量。

圖3-4 全橋工作模態(tài)

大功率金屬鹵化物燈工作于高頻的交流狀態(tài)，為保證燈的壽命和有效工作，金屬鹵化物燈的兩個(gè)電極應(yīng)該交替工作，以避免其中一個(gè)電極的過渡消耗。所以兩個(gè)電極工作的時(shí)間應(yīng)該保持一致，并且在燈電流中不能存在直流成分。基于以上這些要求，本文所研究的數(shù)字化大功率金屬鹵化物燈電子鎮(zhèn)流器后級(jí)采用了全橋逆變LCC串并聯(lián)諧振電路的設(shè)計(jì)。基本的全橋逆變電路如圖3-4所示，本設(shè)計(jì)中，LCC諧振變換器的一個(gè)工作周期里，上下半橋的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的占空比應(yīng)該盡可能相同，而且為了避免電流過零時(shí)可能出現(xiàn)的熄弧現(xiàn)象，驅(qū)動(dòng)信號(hào)的占空比應(yīng)該接近 50%。假定 LCC 諧振變換器中所有的器件都工作在理想狀態(tài)，在全橋逆變LCC 諧振電路的一個(gè)高頻工作周期中，共有四種工作模態(tài)如圖3-4所示。首先 Q1、Q4導(dǎo)通，Q2、Q3關(guān)斷，諧振網(wǎng)絡(luò)和金屬鹵化物燈由電源母線提供能量。在半個(gè)工作周期結(jié)束后，電感通過Q2、Q3 的寄生體二極管續(xù)流，然后Q2、Q3導(dǎo)通，Q1、Q4 關(guān)斷，諧振網(wǎng)絡(luò)和金屬鹵化物燈再由電源母線提供能量，電感通過 Q1、Q4 的寄生體二極管續(xù)流。

4.啟動(dòng)方式

基于LCC串并聯(lián)負(fù)載諧振電路的啟動(dòng)方式，可以大幅降低啟動(dòng)電壓，延長燈泡使用壽命。結(jié)合LCC諧振網(wǎng)絡(luò)的電壓傳輸特性，可以采取一種滑頻軟啟動(dòng)方法。全橋逆變器的工作頻率逐漸靠近LCC網(wǎng)絡(luò)的固有諧振點(diǎn)時(shí)，施加在金鹵燈兩端的電壓隨著頻率的推移逐漸增加。這種方法可以有效降低啟動(dòng)電壓對(duì)燈極的沖擊，延長燈泡壽命。

如圖 4-2所示，滑頻軟啟動(dòng)過程具體為：工作頻率從工作點(diǎn)（1）逐漸向工作點(diǎn)（2）滑動(dòng)，燈啟動(dòng)后燈電阻從無窮大變到近似短路（3），檢測(cè)電路判斷燈亮后，直接過渡到工作點(diǎn)（4）。需要注意的是，當(dāng)頻率到達(dá)ωr（off），而燈沒亮的時(shí)候，施加到燈兩端的電壓是非常大的，而這個(gè)電壓僅通過電感和電容的等效串聯(lián)電阻來限制，所以可能會(huì)導(dǎo)致不安全的情況發(fā)生。所以，在具體應(yīng)用的時(shí)候，需要確定一個(gè)電壓限幅和一個(gè)頻率的最小值，以保證電路的安全。

從圖 4-3中可以看出，金鹵燈點(diǎn)亮之前，燈端電壓逐漸升高，電流基本為零，近似于燈端開路的情況，燈點(diǎn)亮之后，燈電壓迅速減小，而燈電流則迅速增大，近似于突然短路。

5.控制策略

啟動(dòng)之后，金鹵燈還要經(jīng)歷從啟動(dòng)到穩(wěn)態(tài)的預(yù)熱階段，最終達(dá)到穩(wěn)態(tài)。根據(jù)大功率金鹵燈自身的電氣特性，將金鹵燈點(diǎn)亮以后的工作過程分為三個(gè)階段，分別為：恒頻控制階段，過渡階段和穩(wěn)態(tài)工作階段，如圖 5-1所示。

圖 5-1 大功率金鹵燈分段控制策略

6.輔助控制電源

輔助電源在功率因數(shù)校正電路中提供+12V的直流工作電源，在全橋逆變器的驅(qū)動(dòng)電路中，需要給單片機(jī)提供+5V 的直流工作電源。本文采用UC3844和外圍元器件組成降壓電路來提供鎮(zhèn)流器所需的+12V 輔助電源，并通過線性穩(wěn)壓器MCP1703A轉(zhuǎn)換為+5V 電源為全橋逆變器的控制電路提供電源。

7.通訊調(diào)光電路

通訊采用485總線，MODBUS通訊協(xié)議，通過調(diào)節(jié)全橋電路頻率來改變輸出功率，達(dá)到調(diào)光效果，通過不同的光譜針對(duì)植物的不同作用，找到調(diào)節(jié)點(diǎn)，繼而達(dá)到不同植物或不同時(shí)間段的補(bǔ)光效果。485通訊采用常規(guī)RS485 接口芯片，MOSBUS協(xié)議包含CRC校驗(yàn)，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端PC機(jī)針對(duì)多組金鹵燈植物補(bǔ)光燈的控制調(diào)節(jié)。

8.軟件設(shè)計(jì)

1、程序流程圖：

圖8-1 主程序流程圖圖8-5 485_MODBUS通訊調(diào)光子函數(shù)流程圖

2、通過Microchip PIC16F18854 CIP外設(shè)NCO+CWG輸出互補(bǔ)方波，ADC針對(duì)直流母線及負(fù)載燈管電流電壓采集，實(shí)現(xiàn)針對(duì)全橋變頻電路的閉環(huán)功率輸出控制。

CIP（Core Independent Peripherals，獨(dú)立于內(nèi)核的外圍設(shè)備）

為什么使用CIP？：減少CPU開銷、硬件級(jí)執(zhí)行速度、可從CPU卸載程序任務(wù)、釋放CPU以集中處理應(yīng)用算法、降低功耗、CPU可以更低的速度運(yùn)行、CPU有時(shí)可進(jìn)入休眠模式、降低系統(tǒng)硬件的復(fù)雜性。

1、NCO（Numerically Controlled Oscillator，數(shù)控振蕩器）新硬件模塊是一個(gè)定時(shí)器，該定時(shí)器在所選的輸入時(shí)鐘源作用下以一個(gè)16位的固定遞增值向一個(gè)20位的累加器進(jìn)行遞增，引起累加器周期性上溢，來對(duì)輸入時(shí)鐘源進(jìn)行分頻。NCO具有真正的線性頻率控制能力。

2、CWG （Complementary Waveform Generator，互補(bǔ)波形發(fā)生器）新硬件模塊，從選擇的一個(gè)輸入源生成一個(gè)兩路輸出帶死區(qū)延時(shí)和自動(dòng)關(guān)斷功能的互補(bǔ)波形。CWG模塊具有時(shí)鐘源選擇、產(chǎn)生互補(bǔ)輸出波形的輸入源選擇、輸出使能和極性控制、上升和下降沿死區(qū)控制、自動(dòng)關(guān)斷/重啟控制等特性。