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基于FPGA的网络化HID电子镇流器控制芯片的研究[1]

《照明工程学报》2010-2012年优秀论文评选 优秀奖

2013-8-20  来源:照明工程学报  作者:马磊 童立青林燕丹 孙耀杰  有4515人阅读

本文利用FPGA 作为平台,设计了包括DALI 通讯协议栈和数字化的恒功率PI 控制模块的HID 控制芯片。

  1 引言

  作为一种新型节能电光源,HID 灯由于高效节能、显色性好、寿命长等优点而引起广泛的关注。HID 灯工作时具有负阻特性,需要镇流器进行阻抗补偿; 此外,从启动到稳定工作,HID 灯的阻抗变化很大,需要HID 灯在启动时进行恒流调节,在暂态及稳态时提供恒功率控制,为灯在不同阶段提供阻抗特性匹配。

  HID 灯在高频工作时会产生声谐振,通常采用低频方波进行驱动。传统低频方波采用模拟控制方法,具有速度快、精度高的优点,但器件整体可靠性较低; 改进后采用的数字控制方法相对模拟方法具有较高的可靠性,但控制精度要低得多,因此目前这两种控制策略均有一定的缺陷。此外,为解决电子镇流器的数字化和网络化实现的问题,寻求一种新型控制策略的原理样机,需要一块功能强大的器件做硬件支持。针对各方面需求,本文基于FPGA 硬件平台设计了DALI 通讯协议栈,为网络化镇流器的设计提供了完备的通讯接口和可供用户直接调用的通讯协议编解码平台,设计出了可实现全桥HID 灯恒流、恒功率逆变功能的数字PI 控制模块。由于FPGA 具有精度高、速度快、可靠性好、流片价格低廉等优点,因此可以完善HID 灯镇流器在可靠性、精度及控制速度上无法均衡的缺陷。最后通过实验验证,该控制芯片的功能齐全,恒流、恒功率控制精度高、响应快,且控制策略更加灵活和准确可靠,并通过DALI 总线实现了远程网络化照明控制。

  2 全数字式HID 镇流器电路结构

  如图1,HID 电子镇流器通过整流桥将市电220V 转为直流母线电压311V,然后通过有源功率因数校正电路APFC 传递到全桥逆变电路中,最后经由滤波元件实现对HID 灯的供电。其中控制芯片主要起到采集电流电压信号,对APFC 电路和逆变电路的开关管控制的作用。在现代化照明中,需要与镇流器进行通讯,回馈HID 灯状态及控制调光,因此控制芯片也需要集成入通讯协议。

  3 数字控制策略

  如图2,首先控制器通过DALI 模块从主机获得指令,根据指令来进行镇流器设置、调光或反馈控制等行为。DALI 模块集成数字化可寻址照明接口协议,将指令处理后执行发送数据给PI 控制模块或者根据PI 控制模块采集的数值HID 反馈当前HID 灯电气状态的操作。PI 模块与DALI 模块交互通信,接收DALI 模块的调光指令,采集HID 灯的电流电压值反馈给DALI 模块,并向APFC 电路及逆变桥发送PWM 驱动信号。

  3. 1 数字化可寻址照明接口( DALI) 模块的设计

  为了形成数字化通讯接口, 设计将DALI 协议融入控制芯片。如图3,DALI 协议设计从功能可以分成四个部分: DALI 协议的接收、处理、功率数据发送和状态回馈。

  DALI 模块通过RS232 接收, 检测到起始位信号后,逐帧校验并接收,接下来根据寄存器指令查表进行数据处理,处理完成后行执行向主机回发数据信息或向PI 模块发送调光数据的操作。状态流程图如图4 所示。

  各过程实现方法如下:

  ( 1) 接收过程遵循曼彻斯特编码方式接收数据。“上升沿跳变数据为1,下降沿跳变数据为0”,数据包共19bit 数据,如图5 所示,包括一个上升沿起始位,16bit 有效数据,和2bit 高电平停止位。如果数据接收发生错误则重新返回,通知主机并等待重新接收; 正确则将有效数据存入存储器中。

    

  ( 2) 处理环节对应不同DALI 指令的输入查表后执行不同的步骤,大体可以分为调光、设置和查询三种。

  调光步骤中,主机向控制器发送调光指令,调光值将功率以对数曲线分为255 个调光等级,通过存储各个调光等级所对应的功率数据,以查表方式得到相应输出,如图6 所示。

  设置步骤中,控制器在开始时就与主机通信,主机生成空白地址给控制器,从而设置HID 灯镇流器的地址。在控制时,主机通过“广播寻址”的方法,进行整体控制或其中一组控制器的控制,最多可以控制64 组HID 灯镇流器。接收主机广播的有效数据包含8bit 地址位和8bit 数据位: “AAAAAAAA + DDDD DDDD”。查询步骤中,DALI 模块从PI 控制模块获取电流电压数值,结合所在的调光值,可以将灯的运行状态传递给主机。

  ( 3) 发送环节对应处理环节中的调光步骤,将调光指令向PI 模块输送,对HID 灯进行稳态恒功率调节。由于调光分为逐级调光或瞬时调光等不同方式,为向PI 模块传递参考电压值, 需要进行包括20 位除法在内的计算。为了减少FPGA 的运算资源,除法采用位移除法进行计算, 将商( 保留整数) 视为2 的幂与其对应系数ai 乘积的累加和,公式如下

  算法原理为: 将被除数逐次移位,与除数比较,得出各项系数ai。这样设计保证了计算速度,简化了设计所需资源。

  ( 4) 状态回馈环节则对应查询步骤,主要向主机发送电子镇流器状态和HID 灯状态,以及当前的调光等级和HID 灯是否点亮等信息。

  3. 2 PI 控制模块的设计

  对HID 灯进行恒流恒功率控制需要设计PI 控制器( 利用DC /DC 部分实现PFC 功能的PWM 控制与传统控制方式并无差异,且不是这里的重点,暂不阐述) 。以稳态为例,首先A /D 采样从全桥逆变电路利用采样电阻和电流传感器采集数据,分别得到10 位数字量Io 和Vo。根据主机发送的调光指令,查表得到参考功率数据Po,除以采样值Io,得到参考电流值Vref,将Vref 与Vo 经过比较器和PI 环节得到占空比,实现恒定功率调节的作用。

  PI 控制模块的恒功率建模如下:

  G3 表示控制器的传递函数,K 为逆变器增益,G1 为滤波器件的电流-电压特性传递函数,G2 为HID 灯的阻抗传递函数,H1 为电容C2 的电流-电压特性函数,H2 和H3 为电压反馈函数。

  控制芯片通过DALI 模块接收主机的调光命令,查表或计算( 针对无级调光功能) 得到HID 灯的调光功率控制数据Pref,然后将功率数据Pref 输入控制单元,联合采样结果中获得的当前电流值Io,计算得到参考电压值Vref,通过比较器后经过调节控制,从变流器出来后经过滤波,最后向负载供给能量。

  根据梅森公式得知,传递函数为

  其中H2和H3可以简化成为1;

  G2( s) 为HID 灯电流-电压特性拟合关系,在稳态HID 灯工作在弧光放电区,因此,可以认为有较大的负阻特性,即  。简化以后得到

  在没有PI 的时候,

  因此误差与输入比为

  假设输入为单位阶跃信号, 则小公式2= 1 / ( 1 + G1G2KG3) ,当G3为PI 模块时,可以有效减小稳态误差。

  PI 控制模块的传递函数如下所示:

  

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