使用PIC16F1885x CIP设计可通讯调光的大功率植物补光金卤灯电子镇流器

1.系统结构

数字化镇流器硬件组成包括 EMI 滤波电路、整流及功率因数校正电路、高频逆变器、 LCC 串并联谐振电路和以单片机为核心的数字控制电路。

图1-1 系统框图

2.有源功率因数校正电路

电子镇流器本身实际上是一种 AC/DC/AC 的特种电源，采用二极管整流、电容滤波的 AC/DC 整流环节会引起输入电流严重畸变，功率因数较低，大量使用时对电网将造成严重的谐波污染和无功负担。本设计采用MC33262完成功率因数校正环节。

3.桥式逆变电路和负载谐振电路

大功率金属卤化物灯工作于高频的交流状态，这就需要一个电路将前级功率因数校正电路环节得到的直流电压转换成高频的交流电压，因此，桥式逆变电路是电子镇流器电路中最基本同时也是最关键的组成部分。

图3-3 串并联负载谐振变换电路

全桥 LCC串并联谐振电路如图3-3（a）所示，串并联谐振具有带通特性，能有效衰减方波VAB的高次谐波分量，串联电容Cs 能够滤除电源电压中的直流分量。

图3-4 全桥工作模态

大功率金属卤化物灯工作于高频的交流状态，为保证灯的寿命和有效工作，金属卤化物灯的两个电极应该交替工作，以避免其中一个电极的过渡消耗。所以两个电极工作的时间应该保持一致，并且在灯电流中不能存在直流成分。基于以上这些要求，本文所研究的数字化大功率金属卤化物灯电子镇流器后级采用了全桥逆变LCC串并联谐振电路的设计。基本的全桥逆变电路如图3-4所示，本设计中，LCC谐振变换器的一个工作周期里，上下半桥的驱动信号的占空比应该尽可能相同，而且为了避免电流过零时可能出现的熄弧现象，驱动信号的占空比应该接近 50%。假定 LCC 谐振变换器中所有的器件都工作在理想状态，在全桥逆变LCC 谐振电路的一个高频工作周期中，共有四种工作模态如图3-4所示。首先 Q1、Q4导通，Q2、Q3关断，谐振网络和金属卤化物灯由电源母线提供能量。在半个工作周期结束后，电感通过Q2、Q3 的寄生体二极管续流，然后Q2、Q3导通，Q1、Q4 关断，谐振网络和金属卤化物灯再由电源母线提供能量，电感通过 Q1、Q4 的寄生体二极管续流。

4.启动方式

基于LCC串并联负载谐振电路的启动方式，可以大幅降低启动电压，延长灯泡使用寿命。结合LCC谐振网络的电压传输特性，可以采取一种滑频软启动方法。全桥逆变器的工作频率逐渐靠近LCC网络的固有谐振点时，施加在金卤灯两端的电压随着频率的推移逐渐增加。这种方法可以有效降低启动电压对灯极的冲击，延长灯泡寿命。

如图 4-2所示，滑频软启动过程具体为：工作频率从工作点（1）逐渐向工作点（2）滑动，灯启动后灯电阻从无穷大变到近似短路（3），检测电路判断灯亮后，直接过渡到工作点（4）。需要注意的是，当频率到达ωr（off），而灯没亮的时候，施加到灯两端的电压是非常大的，而这个电压仅通过电感和电容的等效串联电阻来限制，所以可能会导致不安全的情况发生。所以，在具体应用的时候，需要确定一个电压限幅和一个频率的最小值，以保证电路的安全。

从图 4-3中可以看出，金卤灯点亮之前，灯端电压逐渐升高，电流基本为零，近似于灯端开路的情况，灯点亮之后，灯电压迅速减小，而灯电流则迅速增大，近似于突然短路。

5.控制策略

启动之后，金卤灯还要经历从启动到稳态的预热阶段，最终达到稳态。根据大功率金卤灯自身的电气特性，将金卤灯点亮以后的工作过程分为三个阶段，分别为：恒频控制阶段，过渡阶段和稳态工作阶段，如图 5-1所示。

图 5-1 大功率金卤灯分段控制策略

6.辅助控制电源

辅助电源在功率因数校正电路中提供+12V的直流工作电源，在全桥逆变器的驱动电路中，需要给单片机提供+5V 的直流工作电源。本文采用UC3844和外围元器件组成降压电路来提供镇流器所需的+12V 辅助电源，并通过线性稳压器MCP1703A转换为+5V 电源为全桥逆变器的控制电路提供电源。

7.通讯调光电路

通讯采用485总线，MODBUS通讯协议，通过调节全桥电路频率来改变输出功率，达到调光效果，通过不同的光谱针对植物的不同作用，找到调节点，继而达到不同植物或不同时间段的补光效果。485通讯采用常规RS485接口芯片，MOSBUS协议包含CRC校验，运行稳定可靠，可实现远端PC机针对多组金卤灯植物补光灯的控制调节。

8.软件设计

1、程序流程图：

图8-1 主程序流程图 图8-5 485_MODBUS通讯调光子函数流程图

2、通过Microchip PIC16F18854 CIP外设NCO+CWG输出互补方波，ADC针对直流母线及负载灯管电流电压采集，实现针对全桥变频电路的闭环功率输出控制。

CIP（Core Independent Peripherals，独立于内核的外围设备）

为什么使用CIP？：减少CPU开销、硬件级执行速度、可从CPU卸载程序任务、释放CPU以集中处理应用算法、降低功耗、CPU可以更低的速度运行、CPU有时可进入休眠模式、降低系统硬件的复杂性。

1、NCO（Numerically Controlled Oscillator，数控振荡器）新硬件模块是一个定时器，该定时器在所选的输入时钟源作用下以一个16位的固定递增值向一个20位的累加器进行递增，引起累加器周期性上溢，来对输入时钟源进行分频。NCO具有真正的线性频率控制能力。

 

2、CWG （Complementary Waveform Generator，互补波形发生器） 新硬件模块，从选择的一个输入源生成一个两路输出带死区延时和自动关断功能的互补波形。CWG模块具有时钟源选择、产生互补输出波形的输入源选择、输出使能和极性控制、上升和下降沿死区控制、自动关断/重启控制等特性。

图8-6 控制方式图

Microchip MPLAB X IDE MCC配置NCO+CWG方式，采用两组CWG，控制两只金卤灯，4路ADC通道采集，采集直流主电源电压电流、变频谐振电路电压电流。配置好后通过Generate生成C语言代码，再针对其他控制程序编程。

作者：Tyler.Wang