使用PIC16F1885x CIP設計可通訊調光的大功率植物補光金鹵燈電子鎮(zhèn)流器

1.系統(tǒng)結構

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)會引起輸入電流嚴重畸變，功率因數(shù)較低，大量使用時對電網將造成嚴重的諧波污染和無功負擔。本設計采用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)，這就需要一個電路將前級功率因數(shù)校正電路環(huán)節(jié)得到的直流電壓轉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也是最關鍵的組成部分。

圖3-3 串并聯(lián)負載諧振變換電路

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 能夠濾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電極應該交替工作，以避免其中一個電極的過渡消耗。所以兩個電極工作的時間應該保持一致，并且在燈電流中不能存在直流成分?；谝陨线@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)流器后級采用了全橋逆變LCC串并聯(lián)諧振電路的設計?；镜娜珮蚰孀冸娐啡鐖D3-4所示，本設計中，LCC諧振變換器的一個工作周期里，上下半橋的驅動信號的占空比應該盡可能相同，而且為了避免電流過零時可能出現(xiàn)的熄弧現(xiàn)象，驅動信號的占空比應該接近 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導通，Q2、Q3關斷，諧振網絡和金屬鹵化物燈由電源母線提供能量。在半個工作周期結束后，電感通過Q2、Q3 的寄生體二極管續(xù)流，然后Q2、Q3導通，Q1、Q4 關斷，諧振網絡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.啟動方式

基于LCC串并聯(lián)負載諧振電路的啟動方式，可以大幅降低啟動電壓，延長燈泡使用壽命。結合LCC諧振網絡的電壓傳輸特性，可以采取一種滑頻軟啟動方法。全橋逆變器的工作頻率逐漸靠近LCC網絡的固有諧振點時，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電壓對燈極的沖擊，延長燈泡壽命。

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

啟動之后，金鹵燈還要經歷從啟動到穩(wěn)態(tài)的預熱階段，最終達到穩(wěn)態(tài)。根據大功率金鹵燈自身的電氣特性，將金鹵燈點亮以后的工作過程分為三個階段，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，在全橋逆變器的驅動電路中，需要給單片機提供+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轉換為+5V 電源為全橋逆變器的控制電路提供電源。

7.通訊調光電路

通訊采用485總線，MODBUS通訊協(xié)議，通過調節(jié)全橋電路頻率來改變輸出功率，達到調光效果，通過不同的光譜針對植物的不同作用，找到調節(jié)點，繼而達到不同植物或不同時間段的補光效果。485通訊采用常規(guī)RS485接口芯片，MOSBUS協(xié)議包含CRC校驗，運行穩(wěn)定可靠，可實現(xiàn)遠端PC機針對多組金鹵燈植物補光燈的控制調節(jié)。

8.軟件設計

1、程序流程圖：

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

2、通過Microchip PIC16F18854 CIP外設NCO+CWG輸出互補方波，ADC針對直流母線及負載燈管電流電壓采集，實現(xiàn)針對全橋變頻電路的閉環(huán)功率輸出控制。

CIP（Core Independent Peripherals，獨立于內核的外圍設備）

為什么使用CIP？：減少CPU開銷、硬件級執(zhí)行速度、可從CPU卸載程序任務、釋放CPU以集中處理應用算法、降低功耗、CPU可以更低的速度運行、CPU有時可進入休眠模式、降低系統(tǒng)硬件的復雜性。

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

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2、CWG （Complementary Waveform Generator，互補波形發(fā)生器） 新硬件模塊，從選擇的一個輸入源生成一個兩路輸出帶死區(qū)延時和自動關斷功能的互補波形。CWG模塊具有時鐘源選擇、產生互補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、自動關斷/重啟控制等特性。

圖8-6 控制方式圖

Microchip MPLAB X IDE MCC配置NCO+CWG方式，采用兩組CWG，控制兩只金鹵燈，4路ADC通道采集，采集直流主電源電壓電流、變頻諧振電路電壓電流。配置好后通過Generate生成C語言代碼，再針對其他控制程序編程。

作者：Tyler.Wang