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1、杭州电子科技大学 硕士学位论文 基于MCU控制的机车HID前照灯开发 姓名：姚建斌 申请学位级别：硕士 专业：电路与系统 指导教师：高明煜 20091201 杭州电子科技大学硕士学位论文 I 摘 要 自铁路发明以来，机车在人类的运输和人文发展历史上扮演着非常重要的角色。近几年 来机车技术飞速发展，对照明光源的需求和要求也在不断提高，高强度气体放电灯（HID灯） 是二十一世纪的一种热门绿色光源，具有体积小，光效高，显色性好，寿命长等特点，因此 它应用于机车前照灯具有很大的发展前景。 HID 灯在汽车前照灯领域已经得到了广泛应用，并开始向机车前照灯领域延伸，作为机 车传统的卤钨前照灯会慢慢退主导地
2、位，于此同时电子式镇流器应用技术已经得到了比较成 熟的发展，它以体积小、效率高、稳定性好等特点克服了传统电感式镇流器普遍存在的缺陷。 以 MCU为核心的数字电子镇流器技术不仅具有传统模拟电子镇流器的基本特性，而且可以 实现数字通信、自动化管理、软开关等特殊设计要求，它已经成为机车前照灯研究和开发的 新热点。 本文首先分析了目前国内外机车前照灯和电子镇流器的现状， 然后从HID灯的工作原理、 放电伏安特性、过渡特性及电子镇流器硬件电路的基本拓扑、全桥逆变、系统控制等方面出 发，综合研究机车 HID灯电子镇流器 MCU方案的可行性，在此理论基础上设计制作了 HID 灯电子镇流器样机。论文对硬件电路
3、中反激式变换器、RCD吸收电路各个的参数设计分步骤 详细推导，详细介绍了全桥驱动电路、高压触发电路和控制电路的设计方法，最后结合编程 开发环境，介绍了软件控制流程、程序主循环，并对 PSC 模块、软开关模块、A/D 采样模块 相关的寄存器配置进行详细说明。 本文最后给出了选频电路、开关管、冷热启动、续流电路等关键点的试验结果和试验波 形，试验结果验证了设计的合理性。 关键词：HID 灯，数字电源，电子镇流器，软开关 杭州电子科技大学硕士学位论文 II ABSTRACT After the development of railway, locomotive make an important
4、role in human s development of transportation and civilization. With the quick development of motorcycle technology this years, requirements of lighting improve also. High Intensity Discharge Lamp(HID Lamp) to be as a hotly lighting in the 21st century, with the characteristic of small size, high li
5、ght effect and perfect color rendering, long natural life, it will have a perfect prospects in the area of locomotive lighting. HID Lamp have widely be used in the field of car s headlamp, also extend to field of locomotive s headlamp step by step, then to be as a traditional halogen headlamp, it wi
6、ll drop out the leading place. At the same time technology of HID Lamp ballast also have maturing development, it has the characteristic of small size high effective and perfect stability which can overcome the defect of traditional inductive ballast. The digital power technology with the core of MC
7、U not only has the basic characteristics of traditional analog power technology, but also can achieve the communication, automation, soft switching and other special design requirements, applied to HID Lamp ballast has become a new hot spot in the area of locomotive s headlamp research and developme
8、nt. This paper first analyzes the current domestic and international locomotive headlights and HID Lamp ballasts the basic situation, combined with the working principle of HID Lamps, the volt- ampere characteristics of gas- discharge, transition characteristics, comprehensive study the feasibility
9、of locomotive s HID Lamp ballast using MCU from basic topology, full bridge inverter, control system and other key technologies. On the basis of this theory, has produced a prototype of HID Lamp ballast, papers have detail introduce on the concrete steps in flyback converter circuit and RCD circuit
10、in hardware, select chips for H- bridge drive circuit, high voltage trigger and control circuit. combination with programming environment, introduce the software controlled process, the main program loop, and describes the PSC module, soft switching module, A/D sampling module registers a detailed c
11、onfiguration. Finally, papers gives the test results and test waveforms of MOSFET, cold- hot start, freewheeling circuit which is the key point in the start- up phase and steady state. The test results validate the rationality of the design. Keywords：HID Lamp, digital power, ballasts, soft switching
12、 杭州电子科技大学 学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明： 所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得 的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过 的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文使用授权说明 本人完全了解杭州电子科技大学关于保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属杭州电子科技大学。本人保证毕业离校后，发表论文或 使用论文工作成果时
13、署名单位仍然为杭州电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件， 允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其 它复制手段保存论文。 （保密论文在解密后遵守此规定） 论文作者签名： 日期： 年 月 日 指导教师签名： 日期： 年 月 日 杭州电子科技大学硕士学位论文 1 第 1 章 绪论 1 . 1 研究背景 1 - 2 1 . 1 . 1 机车前照灯现状及发展趋势 随着我国铁路运输的迅速发展，机车技术也在不断更新，行车速度更快、运行效率更高 成为未来机车发展的趋势。与此同时机车前照灯的要求和需求也发生了很大改变，五、六十 年代机车通常采用白炽灯作为前照灯光源
14、，由于当时技术水平的限制，白炽灯普遍存在寿命 短、电光转换效率低、含红外辐射、容易破碎等缺点，只能采用频繁更换灯管的方式保证机 车夜间行车安全，大大提高了维护成本。到了七、八十年代碘钨灯被当成机车前照灯光源， 与白炽灯相比碘钨灯具有光效高、亮度大、体积小等优点，但是它同样存在不足之处，例如 灯管内存在紫红色的碘蒸汽，对亮度和发光效率多少产生一定的影响，还有水平放置的管形 碘钨灯必须放的很平，倾斜度不得超过 4 度，提高了安装难度。九十年代后，机车普遍采用 卤钨灯作为前照灯，卤钨灯属于热辐射光源，具有体积小、重量轻、使用安全方便、光通维 持率高、显色性好等优点，但也存在亮度低、电光转换率低等缺点
15、。 二十一世纪初，有人尝试将放映用球形氙气灯应用于机车前照灯，球形氙气灯是可以发 出亮度很高、颜色近似于日光的点光源，通常应用在电影放映机、探照灯、模拟日光等领域。 一些机车制造商开始尝试使用球形氙气灯作为机车前照灯，但是由于它的工作电流很大、并 且工作于直流状态，恒功率电路和触发电路还存在设计上的缺陷，应用时故障率很高、维修 麻烦，因此球形氙气灯最终没有能在机车前照灯领域推广应用，使用过球形氙气灯的制造商 目前也不再使用。 国外机车主要采用以卤钨灯为光源的封闭式的前照灯，使用和维护都相对方便，如美国 ND5 型机车、法国 8K 型机车、瑞典摆式列车等。广九线运行的摆式机车由瑞典进口引进， 前
16、照灯由 6 个封闭式的卤钨灯组成，青藏线上运行的机车由美国进口引进，前照灯由 4 个封 闭式卤钨灯组成，通过观察和测试，4 个卤钨灯同时工作并处于强光时，最大照射距离可以 达到 200 米，6 个卤钨灯的照射距离则可以达到将近 250 米。德国 NY6 型机车、法国 ND4 型机车、前苏联 8G 型机车等也都采用卤钨灯作为前照灯光源，照射距离从 200 米到 400 米 不等。日本 K6 型电力机车采用 HID 灯作为前照灯光源，经过光束焦点和方向的仔细调整， 照射距离可以达到 700 米，亮度也较高，远远优于封闭式卤钨灯，但成本将近高出 5 倍。国 内外几种机车前照灯光源如表 1.1 所示。 杭州电子科技大学硕士学位论文 2 表 1.1 国内外几种机车光源及参数 序号 1 2 3 4 5 6 型号 110V600BT 50Q/CL / UXL- 3700 SCQ500 LJQ110- 800 电压/V 110 110 30 100 110 110 功率/W 600 5002 4002 35
