摘要：傳統(tǒng)的電感式鎮(zhèn)流器存在體積大、效率低等缺點。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，采用了精簡的三級式電子鎮(zhèn)流器拓撲，同時依據(jù)紫外燈的伏安特性設計了分階段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，測試結(jié)果證明了該電子鎮(zhèn)流器滿足實際生產(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，是一種光化學過程，它利用紫外線燈進行照射，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，可實現(xiàn)輸出功率的快速可調(diào)，同時自身能耗卻非常小，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。此處的研究目標就是研制一套針對紫外線固化系統(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，具有強烈的負阻抗特性。典型的紫外燈的電壓、電流與時間的特性曲線如圖1所示。

    在點亮前階段，隨著電場的進一步增強，所有帶電粒子全部到達陰極，此時電流達到飽和，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。當電壓升高，且大于燈的擊穿電壓后，紫外燈進入擊穿階段工作。此時，強電場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，同時隨著溫度的升高，汞也隨之汽化，進而使電子產(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。同時在鎮(zhèn)流器的作用下，為了不至于將燈燒毀，管壓也會迅速下降，以保證紫外燈電流在一個合理的范圍內(nèi)，該過程是輝光放電階段。之后為預熱階段，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，此時燈管的電阻、電壓、電流將會保持在一個動態(tài)的平衡狀態(tài)，該時刻便進入弧光放電階段工作。由上述分析可知，紫外燈的啟動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個階段。

3 電子鎮(zhèn)流器主電路拓撲結(jié)構(gòu)
    由不控整流和全橋逆變組成的兩級拓撲不適用于大功率電子鎮(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)三級電子鎮(zhèn)流器優(yōu)點的同時，選擇適合于所用紫外燈的電路拓撲。其中第1級為無源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級與第3級繼承了傳統(tǒng)的三級式電子鎮(zhèn)流器的形式。第2級Buck電路實現(xiàn)對燈電流和功率的調(diào)節(jié)，控制從燈擊穿到穩(wěn)態(tài)工作的所有過程，是整個電路的核心。第3級為全橋逆變，不進行調(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，即電感和電容的設計。在大功率Buck電路中，其電感不能按照開關(guān)電源中的計算方法設計。因為小功率的Buck電路用在恒壓輸出、電流不大的場合，所以在該電路中設計電感時應先根據(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)整個電源的輸出功率致使其輸出電壓變化范圍很寬，同時由于負載電流較大，如果工作在電流連續(xù)模式，將需要一個很大的電感，這在實際應用中實現(xiàn)比較困難；另外，電感工作在電流斷續(xù)模式時，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工作在臨界電流連續(xù)模式，其表達式為：
    Lmin=(Uinmax-Usat-Uo)／△iL      (1)
    式中：Uinmax為最大輸入電壓；Usat為IGBT導通管壓降；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，實際應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力。輸出電容容量的大小決定了Buck電路輸出電壓紋波的強弱，工程應用中常利用式(2)進行計算：
   
    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，實際應用中選用10μF／1．2 kV的高頻薄膜無感電容。

4 控制系統(tǒng)設計
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，是整個電子鎮(zhèn)流器的核心。紫外燈從啟動到正常工作需經(jīng)歷3個階段，即啟動階段、恒流預熱階段和功率跟隨階段。紫外燈的啟動和預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)啟動階段  電子鎮(zhèn)流器系統(tǒng)啟動完畢后，進行紫外燈啟動，采樣當前Buck輸出電壓和電流，如果此時電壓小于50 V，并且電流在2～10 A之間，則將紫外燈運行階段標志置為第2階段。如果不滿足上述條件則仍使紫外燈運行控制程序運行在第1階段。在此階段中僅進行每100μs一次的電流數(shù)字PID閉環(huán)調(diào)節(jié)。PID調(diào)節(jié)時，如果采樣所得電流小于2 A，則用較小的比例系數(shù)Kp進行調(diào)節(jié)，使得Buck占空比慢慢增大，同時限制Buck電路的最大占空比為10％，因為此時紫外燈未被擊穿，Buck電路相當于空載，經(jīng)過幾個工作周期后Buck電路輸出電容的電壓便會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進行調(diào)節(jié)，這時紫外燈剛被擊穿，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)預熱階段  轉(zhuǎn)換到預熱的第2階段后，采樣當前Buck電路的輸出電壓和電流，DSP可算得當前的功率，若此時功率大于設定功率的80％，則將紫外燈運行階段標志置為第3階段，否則仍使紫外燈運行控制程序運行在預熱階段。
    在此階段中也只進行每100μs一次的電流數(shù)字PID閉環(huán)調(diào)節(jié)，且此時紫外燈的工作狀態(tài)相對較穩(wěn)定，其等效內(nèi)阻會隨著溫度的升高而增大，這時PID調(diào)節(jié)器只需調(diào)節(jié)Buck電路的占空比使得當前負載滿足恒流的要求。
    (3)功率跟隨階段  轉(zhuǎn)換到功率跟隨的第3階段后，紫外燈運行控制程序便重復在這一階段工作，除非進行新一次的啟動過程。在此階段中進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)的時間間隔是100μs，而功率PID調(diào)節(jié)器的時間間隔是1 ms。由于采用了電流環(huán)作為內(nèi)環(huán)，且每100μs計算一次，整個電子鎮(zhèn)流器系統(tǒng)可等效為一個恒流源，即具有非常高的輸出阻抗。同時采用分段控制具有采樣量少，控制簡單較易實現(xiàn)等優(yōu)點。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 主程序設計
    對于紫外燈電子鎮(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)能否夠按照設計思想正常運行的關(guān)鍵。整個電子鎮(zhèn)流器系統(tǒng)的軟件程序主要是由主程序和各個功能程序組成，DSP作為核心處理器，承擔了各種控制算法運算、外設控制、狀態(tài)監(jiān)控等任務。
    系統(tǒng)主程序主要包括上電初始化、時序控制程序、紫外燈運行控制程序、保護程序、顯示和I／O控制程序。時序控制程序?qū)⒄麄€控制周期分為不連續(xù)的一些時間片，使DSP在不同的時間片處理不同的程序，這樣做的好處是能合理分配DSP的運算資源，在不犧牲實時性的同時保證控制程序的各個模塊能順利且有效地完成相應的功能。主程序流程圖如圖5所示。

5 實驗結(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，實現(xiàn)了全數(shù)字控制的5 kW紫外燈電子鎮(zhèn)流器，也驗證了所提出的分段控制紫外燈策略的正確性，即將紫外燈的運行階段分為啟動、恒流預熱、功率跟隨，并在不同階段運用不同的PID控制器進行調(diào)節(jié)。最后通過樣機驗證了此電子鎮(zhèn)流器的啟動與調(diào)光等其他功能，展現(xiàn)了較高的性價比。