摘要：傳統(tǒng)的電感式鎮(zhèn)流器存在體積大、效率低等缺點(diǎn)。為逐步替代傳統(tǒng)的電感式鎮(zhèn)流器，介紹了一種基于DSP控制的5 kW紫外燈電子鎮(zhèn)流器，采用了精簡的三級(jí)式電子鎮(zhèn)流器拓?fù)?，同時(shí)依據(jù)紫外燈的伏安特性設(shè)計(jì)了分階段PI控制的策略。然后以DSP為核心制作并調(diào)試了控制系統(tǒng)硬件。最后依此研制了5 kW紫外燈電子鎮(zhèn)流器的樣機(jī)，測(cè)試結(jié)果證明了該電子鎮(zhèn)流器滿足實(shí)際生產(chǎn)需要。
關(guān)鍵詞：電子鎮(zhèn)流器；紫外燈；分段控制

1 引言
    紫外線固化是輻射固化的一類，是一種光化學(xué)過程，它利用紫外線燈進(jìn)行照射，將工業(yè)中廣泛使用的油墨、油漆、黏合劑等加以瞬間固化。與傳統(tǒng)的熱固化技術(shù)相比，紫外光固化提高了生產(chǎn)速度，減少了廢品率，增強(qiáng)了耐擦傷性和耐溶劑性，具有更好的附著力。大多數(shù)企業(yè)選用變壓器鎮(zhèn)流器作為紫外線固化系統(tǒng)，該鎮(zhèn)流器工作在工頻50 Hz，體積笨重，發(fā)熱量大，且調(diào)節(jié)功率速度緩慢，而電子鎮(zhèn)流器能工作在0．02～20 kHz的頻率，可實(shí)現(xiàn)輸出功率的快速可調(diào)，同時(shí)自身能耗卻非常小，且由于電子鎮(zhèn)流器輸出為方波，與傳統(tǒng)變壓器鎮(zhèn)流器輸出的正弦波相比，可獲得更好的固化效果。此處的研究目標(biāo)就是研制一套針對(duì)紫外線固化系統(tǒng)的綠色、穩(wěn)定、智能、數(shù)字化的高性能大功率紫外燈電子鎮(zhèn)流器。

2 紫外燈伏安特性
    紫外燈是典型的氣體放電燈，具有強(qiáng)烈的負(fù)阻抗特性。典型的紫外燈的電壓、電流與時(shí)間的特性曲線如圖1所示。

    在點(diǎn)亮前階段，隨著電場(chǎng)的進(jìn)一步增強(qiáng)，所有帶電粒子全部到達(dá)陰極，此時(shí)電流達(dá)到飽和，電流數(shù)值從數(shù)毫安到數(shù)十毫安，燈的等效內(nèi)阻非常大。當(dāng)電壓升高，且大于燈的擊穿電壓后，紫外燈進(jìn)入擊穿階段工作。此時(shí)，強(qiáng)電場(chǎng)使初始帶電粒子速度急速增加，它們又與中性氣體氬氣原子碰撞使之電離，從而形成更多的電子，這樣電子數(shù)目雪崩似地增加，同時(shí)隨著溫度的升高，汞也隨之汽化，進(jìn)而使電子產(chǎn)生速率加快，從宏觀上看也就是燈管的等效內(nèi)阻大幅下降，電流迅速飆升。同時(shí)在鎮(zhèn)流器的作用下，為了不至于將燈燒毀，管壓也會(huì)迅速下降，以保證紫外燈電流在一個(gè)合理的范圍內(nèi)，該過程是輝光放電階段。之后為預(yù)熱階段，該階段是輝光轉(zhuǎn)弧光放電階段，隨著燈管溫度的上升，其電阻也呈非線性地增大，此時(shí)燈管電流和電壓也慢慢上升，直到它們都升到額定工作的電壓和電流，此時(shí)燈管的電阻、電壓、電流將會(huì)保持在一個(gè)動(dòng)態(tài)的平衡狀態(tài)，該時(shí)刻便進(jìn)入弧光放電階段工作。由上述分析可知，紫外燈的啟動(dòng)過程可分為高壓擊穿、輝光放電、輝光轉(zhuǎn)弧光放電、弧光放電4個(gè)階段。

3 電子鎮(zhèn)流器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
    由不控整流和全橋逆變組成的兩級(jí)拓?fù)洳贿m用于大功率電子鎮(zhèn)流器，結(jié)合此處所使用的5 kW紫外燈冷態(tài)擊穿電壓為480～500 V，采用380 V三相工頻電壓整流后電壓波動(dòng)為510～610 V，因此無需將母線電壓經(jīng)過Boost電路產(chǎn)生紫外燈的擊穿電壓，因此這里將在保留傳統(tǒng)三級(jí)電子鎮(zhèn)流器優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，選擇適合于所用紫外燈的電路拓?fù)?。其中?級(jí)為無源PFC電路，是一顆矽鋼片制成的工頻電感，接在整流濾波電解電容之前，它利用電感線圈內(nèi)部電流不能突變的原理調(diào)節(jié)電路中電壓與電流的相位差，使電流趨向于正弦化以提高功率因數(shù)。第2級(jí)與第3級(jí)繼承了傳統(tǒng)的三級(jí)式電子鎮(zhèn)流器的形式。第2級(jí)Buck電路實(shí)現(xiàn)對(duì)燈電流和功率的調(diào)節(jié)，控制從燈擊穿到穩(wěn)態(tài)工作的所有過程，是整個(gè)電路的核心。第3級(jí)為全橋逆變，不進(jìn)行調(diào)制僅為燈提供20～400 Hz，14～17 kHz方波交流電。主電路如圖2所示。

    Buck電路是該電路的核心，在此著重分析其關(guān)鍵能量傳遞器件，即電感和電容的設(shè)計(jì)。在大功率Buck電路中，其電感不能按照開關(guān)電源中的計(jì)算方法設(shè)計(jì)。因?yàn)樾」β实腂uck電路用在恒壓輸出、電流不大的場(chǎng)合，所以在該電路中設(shè)計(jì)電感時(shí)應(yīng)先根據(jù)輸入電壓與輸出電壓確定占空比，然后再根據(jù)紋波電流、電感壓降等條件計(jì)算電感值，而且常規(guī)的Buck電路通常工作在電流連續(xù)模式。但在紫外燈電源中，Buck電路用來調(diào)節(jié)整個(gè)電源的輸出功率致使其輸出電壓變化范圍很寬，同時(shí)由于負(fù)載電流較大，如果工作在電流連續(xù)模式，將需要一個(gè)很大的電感，這在實(shí)際應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)比較困難；另外，電感工作在電流斷續(xù)模式時(shí)，續(xù)流二極管能在開關(guān)管開通之前截止，可減小尖峰電流的產(chǎn)生。因此，采取Buck電路在最大占空比時(shí)工作在臨界電流連續(xù)模式，其表達(dá)式為：
    Lmin=(Uinmax-Usat-Uo)／△iL      (1)
    式中：Uinmax為最大輸入電壓；Usat為IGBT導(dǎo)通管壓降；Uo為Buck電路輸出電壓；△iL為電感紋波電流，在臨界電流連續(xù)模式，其值為最大輸出電流10A。
    由式(1)可得，最小電感量為394μH，實(shí)際應(yīng)用中采用了單邊電感量為180μH的非晶磁芯的共模電感，串聯(lián)后電感量為500μH。采用共模電感是為了濾除電路中的共模分量，減小關(guān)鍵器件所承受的電壓應(yīng)力。輸出電容容量的大小決定了Buck電路輸出電壓紋波的強(qiáng)弱，工程應(yīng)用中常利用式(2)進(jìn)行計(jì)算：
   
    式中：L為Buck電路電感量；Ts為Buck電路工作周期；△Uτ為滿足輸出要求的紋波電壓。
    由式(2)可得，最小電容量為9．6μF，實(shí)際應(yīng)用中選用10μF／1．2 kV的高頻薄膜無感電容。

4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
4．1 電子鎮(zhèn)流器控制策略
    Buck電路控制從燈擊穿到穩(wěn)態(tài)工作的全部過程，是整個(gè)電子鎮(zhèn)流器的核心。紫外燈從啟動(dòng)到正常工作需經(jīng)歷3個(gè)階段，即啟動(dòng)階段、恒流預(yù)熱階段和功率跟隨階段。紫外燈的啟動(dòng)和預(yù)熱階段采用電流閉環(huán)的恒流控制，功率跟隨階段采用內(nèi)環(huán)電流、外環(huán)功率的雙環(huán)恒功率控制。
    (1)啟動(dòng)階段  電子鎮(zhèn)流器系統(tǒng)啟動(dòng)完畢后，進(jìn)行紫外燈啟動(dòng)，采樣當(dāng)前Buck輸出電壓和電流，如果此時(shí)電壓小于50 V，并且電流在2～10 A之間，則將紫外燈運(yùn)行階段標(biāo)志置為第2階段。如果不滿足上述條件則仍使紫外燈運(yùn)行控制程序運(yùn)行在第1階段。在此階段中僅進(jìn)行每100μs一次的電流數(shù)字PID閉環(huán)調(diào)節(jié)。PID調(diào)節(jié)時(shí)，如果采樣所得電流小于2 A，則用較小的比例系數(shù)Kp進(jìn)行調(diào)節(jié)，使得Buck占空比慢慢增大，同時(shí)限制Buck電路的最大占空比為10％，因?yàn)榇藭r(shí)紫外燈未被擊穿，Buck電路相當(dāng)于空載，經(jīng)過幾個(gè)工作周期后Buck電路輸出電容的電壓便會(huì)升高到紫外燈的擊穿電壓；如果采樣所得電流大于2 A，則用較大的Kp進(jìn)行調(diào)節(jié)，這時(shí)紫外燈剛被擊穿，需要快速地將電流控制在合理的范圍內(nèi)，因此需采用較大的Kp進(jìn)行調(diào)節(jié)，使得Buck電路的占空比迅速減小，從而使得燈電流迅速下降。
    (2)預(yù)熱階段  轉(zhuǎn)換到預(yù)熱的第2階段后，采樣當(dāng)前Buck電路的輸出電壓和電流，DSP可算得當(dāng)前的功率，若此時(shí)功率大于設(shè)定功率的80％，則將紫外燈運(yùn)行階段標(biāo)志置為第3階段，否則仍使紫外燈運(yùn)行控制程序運(yùn)行在預(yù)熱階段。
    在此階段中也只進(jìn)行每100μs一次的電流數(shù)字PID閉環(huán)調(diào)節(jié)，且此時(shí)紫外燈的工作狀態(tài)相對(duì)較穩(wěn)定，其等效內(nèi)阻會(huì)隨著溫度的升高而增大，這時(shí)PID調(diào)節(jié)器只需調(diào)節(jié)Buck電路的占空比使得當(dāng)前負(fù)載滿足恒流的要求。
    (3)功率跟隨階段  轉(zhuǎn)換到功率跟隨的第3階段后，紫外燈運(yùn)行控制程序便重復(fù)在這一階段工作，除非進(jìn)行新一次的啟動(dòng)過程。在此階段中進(jìn)行電流與功率的雙數(shù)字PID閉環(huán)調(diào)節(jié)，電流PID調(diào)節(jié)的時(shí)間間隔是100μs，而功率PID調(diào)節(jié)器的時(shí)間間隔是1 ms。由于采用了電流環(huán)作為內(nèi)環(huán)，且每100μs計(jì)算一次，整個(gè)電子鎮(zhèn)流器系統(tǒng)可等效為一個(gè)恒流源，即具有非常高的輸出阻抗。同時(shí)采用分段控制具有采樣量少，控制簡單較易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。圖3示出閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖，圖4示出紫外燈控制策略的流程圖。

4．2 主程序設(shè)計(jì)
    對(duì)于紫外燈電子鎮(zhèn)流器系統(tǒng)而言，控制系統(tǒng)軟件是該系統(tǒng)的核心部分，是該系統(tǒng)能否夠按照設(shè)計(jì)思想正常運(yùn)行的關(guān)鍵。整個(gè)電子鎮(zhèn)流器系統(tǒng)的軟件程序主要是由主程序和各個(gè)功能程序組成，DSP作為核心處理器，承擔(dān)了各種控制算法運(yùn)算、外設(shè)控制、狀態(tài)監(jiān)控等任務(wù)。
    系統(tǒng)主程序主要包括上電初始化、時(shí)序控制程序、紫外燈運(yùn)行控制程序、保護(hù)程序、顯示和I／O控制程序。時(shí)序控制程序?qū)⒄麄€(gè)控制周期分為不連續(xù)的一些時(shí)間片，使DSP在不同的時(shí)間片處理不同的程序，這樣做的好處是能合理分配DSP的運(yùn)算資源，在不犧牲實(shí)時(shí)性的同時(shí)保證控制程序的各個(gè)模塊能順利且有效地完成相應(yīng)的功能。主程序流程圖如圖5所示。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
    取L1=0．8 mH，C1=940 μF，L2為單邊電感量為180 μH的非晶磁芯共模電感，C2=10μF。圖6a為紫外燈啟動(dòng)瞬間的電壓ust，電流ist波形，圖6b為紫外燈2．5 kW恒功率工作時(shí)的電壓uper，電流iper波形。

6 結(jié)論
    該電子鎮(zhèn)流器采用TMS320F2808型DSP作為主控芯片，實(shí)現(xiàn)了全數(shù)字控制的5 kW紫外燈電子鎮(zhèn)流器，也驗(yàn)證了所提出的分段控制紫外燈策略的正確性，即將紫外燈的運(yùn)行階段分為啟動(dòng)、恒流預(yù)熱、功率跟隨，并在不同階段運(yùn)用不同的PID控制器進(jìn)行調(diào)節(jié)。最后通過樣機(jī)驗(yàn)證了此電子鎮(zhèn)流器的啟動(dòng)與調(diào)光等其他功能，展現(xiàn)了較高的性價(jià)比。