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1、微特电机技术创新与发展论坛论文集 基于单片机的汽车H I D 灯电子镇流器研制 薛华，徐志科，金龙 ( 东南大学电气工程学院，南京2 1 0 0 9 6 ) 摘 要：介绍了一种单片机数字控制车用前照明H I D ( h i g l li n t e n s i t yd i s c h a r g e ) 灯的电子镇流器。 分析了H I D 灯的启动特性，设计了一种新型的单片机控制的镇流器系统。它通过单片机 M S P 4 3 0 F 1 1 2 1 软件编程，实现精确的数字控制，确保H I D 灯启动复杂的时序控制和恒功率控制 过程，可以很好地处理各种故障模式，而且具有输入过压欠压保护、输出
2、短路、开路保护等功 能。试验结果证明该设计方法满足H I D 灯的工作要求。 关键词：高强度气体放电灯；电子镇流器；单片机 D e s i 弘o fe I 劬l l i cb a U a 砒f o ra u t o m o 伽e 碰曲I n t e l l s i 白，蛐r 群L 锄pb 鹤e d 佃M C U X U EH u a ，X UZ h i - k e ，J I NL 加g ( s c h 砌o fE l e c t r i c a lE n 百n e e r i n g ，s o u t h e 鹊tU n i v e r s i t ) r ，N 舳j i n g2 1 0 0
3、 9 6 ，C h i n a ) A b 舳c t ：Ab a u 鹊t8 y s t e mf o ra u t o m o t i V eh i g Ii n t e m 畸d i s c h a r g e ( H I D ) l 锄pi 8p r I D I 瑚e d 1 1 1 i 8a J t i c l e 肌a l y st l l es i 】【o p e m “o ns k M r ei nl i g I l t i n gal 明l p ，锄dd e s i 弘san e wk i n do f b a l l 鹪ts y s t e mu s i n gI I l i
4、 c r o c o n n _ 0 U e r T h ep I ：0 畔db a U a s tc o n n D l s 出ec o m p l e xs t a n - u p 锄dc 叩s t a I l tp o w 盱b yp I q 删n g 彻t I l e M S P 4 3 0 F 11 2 1 1 1 1 eb a u 越f e a t u 陀ss u c hf h r I c t i o 璐酗缸l u r ep r o t e c t i o n ， i n p u to v e r - v o l t a g e u n d e r - V o l t - a g
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6、M C U O引言 近年来，随着人们生活及交往节奏的加快和 高速公路的发展，要求不断改善汽车夜间驾驶的 安全性，为此需要有良好的前照灯。因此世界各 国开始用高强度气体放电灯代替常规的卤素灯作 为汽车前照灯的光源。用直流1 2V 电源来点亮小 功率氙气灯也已经形成市场热点。它不仅可用于 仪器，也能用作汽车前照明。在中、高档汽车上 安装氙气前照灯，国外已很普及，国内正在兴起， 预计未来两三年，国产车装备氙气灯的车辆会大 大增加。 与传统卤素灯相比，H I D 氙气前照灯有如下几 个优点：光输出和光源亮度大大增加，使照 射可见区域增大，道路及障碍的可见度提高； 能够节约近一半电能；延长了灯的使用寿命
7、， 大约可以使用达3 0 0 0 小时以上，降低了光输出的 衰退速度，从而改善了交通安全性，同时降低了 维护和保险费用。 H I D 氙气灯虽具有上述优点，但由于汽车H I D 灯的启动过程极为复杂，使得配套的电子镇流器 设计难度高，因此目前只用于高档汽车。为此， 本文在对现有H I D 灯镇流器的关键技术作出充分 的研究分析后，设计了一种基于单片机控制的电 子镇流器方案，更好地实现了系统的启动过程和 恒功率状态控制，不仅能提高镇流器的效率和节 约能源，且能使镇流器更加正常稳定的工作，同 时延长了镇流器的使用寿命。 1 电路设计 因为车载电源一般是1 2V ，而H I D 氙气灯所 需的理想电
8、压是7 5V 一1 0 0V 的交流方波，所以 需要镇流器来提供变压。镇流器主要由D C D C 转换器、D C A C 逆变器、高压启动电路和单片机 控制电路几大关键部分组成，电路结构如图l 所示。 一2 3 5 基于单片机的汽车H I D 灯电子镇流器研制 图l 镇流器电路结构图 各部分工作原理如下： 直流升压电路：电源输入范围是9V 1 6V ， 变换器输出产生7 5V 一1 0 0V 的D C 电压给m D 灯 供电。灯点火前镇流器输出可视为开路，变换器提 供一个约柏oV 的开路电压至高压启动电路，用以 产生2 0k V 左右的高压点火脉冲。 全桥逆变电路：由于H I D 灯管点亮后需
9、要 工作在交流状态，因此，必须使用逆变电路将直 流电流转变为所需的交流方波电流。逆变电路一 般采用全桥逆变器，给灯管提供频率在7 0H z 以 上。1k H z 以下的交流方波电流。 高压点火电路：灯启动时需要一高压脉冲 才能击穿灯管，因此需要高压启动脉冲电路。提 供给灯2 0k V 左右的高压点火脉冲。 检测控制电路：灯管启动时控制启动电路， 灯管点亮后，检测是否有故障产生，通过检测灯 电压与电流信号，来检测驱动电路和保护电路， 使灯稳定工作。 2H I D 灯的特性分析及控制策略 2 1 H I D 灯的特性分析 H I D 灯的启动过程非常复杂，分为以下6 个阶 段2 】。其u J 曲线
10、如图2 所示。 ( 1( 2 )。( 4 )( 56 2 0V 一蜡V 6 8V l0 5V 亿。f 2 0 一4 0V n n1l 几r 卜 厂 一L JuL JUJ UUl J州 一4 0I V 1 3k 、 厂n n n nrnnn _ jjUUu u l 厂 图2H I D 灯特性的一，曲线 开路阶段( t u mo n ) ：灯被高压击穿前，灯 电阻非常大，等效为开路，此时直流升压电路可 输出柏0V 以上的开路点压。此电压给储能电容充 一2 3 6 一 电，提供能量以建立高压击穿灯管。点火击穿之 前都为开路阶段。时间维持约3 0m s 。 点火阶段( i 印i t i o n ) ：
11、在1 0I “3 0K V 的 高压脉冲下H I D 灯被击穿。由于灯的温度还不足 以保证进入弧光放电状态，灯交替工作在辉光放 电和弧光放电之间，电路必须能够释放足够的能 量以维持电弧。随着灯的老化，对点火电压的要 求也会提高。时间维持约1 0 0n s 。 接替阶段( t a k eo v e r ) ：灯弧被击穿后，灯 电阻由开路的无穷大急剧降到几欧姆，电压从 4 0 0V 降到2 0V 。输出电容放电，电流只能维持很 短的时间。此时灯需要一个较高的初始电流来维 持电弧，这一初始电流主要由电路中的储能元件 提供，持续3 0 0u s 。 恒流阶段( w a 肿u p ) ：电子镇流器提供给
12、 H I D 灯一个较大的起始功率，这样不但能维弧而且 能够保证尽快达到1 0 0 额定光输出的目的。电子 镇流器提供大的启动电流给灯，加速灯管达到热 平衡。此阶段灯电流最大值为2 6A ，维持6 8m 8 8m 8 0 过渡阶段( m nu p ) ：灯预热后，灯电压缓 慢上升，灯电流逐渐下降，输出功率也慢慢下降 到稳态3 5w 。维持6s 8s 。 稳态阶段( s t e a d ys t a t e ) ：2 08 后管内气压达 到稳态，灯额定功率3 5W 左右输出，过高功率缩 短灯寿命，过低会使灯弧不稳定乃至熄弧。 2 2 单片机的控制策略 本文采用的德州仪器公司生产的超低功耗单 片机
13、M S P 4 3 0 F l l 2 l 1 。 对应于传统的模拟控制，单片机数字控制有 很多优势：外围器件少，容易调整控制算法，而 无需改变硬件电路，对噪声抗干扰性好，通过编 程，可以对系统进行较全面的故障检测和保护等。 通过以上分析可以看出，镇流器需要在不同 的工作阶段工作于不同的控制模式下。在开路阶 段，镇流器要输出几百伏的开路电压知道点火， 因此工作于电压反馈控制模式；在恒流阶段，镇 流器需要控制灯电流峰值，工作于电流反馈控制 模式；在过渡阶段，镇流器要控制输出功率缓慢 下降到3 5w ，工作于变功率反馈模式；在稳态下， 镇流器要控制输出功率恒定在3 5W 左右，工作于 恒功率反馈模
14、式。根据上述控制策略，可以进行 微特电机技术创新与发展论坛论文集 单片机控制软件的设计编程。系统流程框图如图3几十毫秒的预热后逐渐减小到交流状态，从图中 所示。可以看出基本符合H I D 灯的启动特性，启动过程 广正常。 I 否 I 【一 空栽进入 保护状态 开始 参考电流1A6 0 W 恒功率 控制维持l8 l l j ? 嘉摹耄羹 是l 至额定电流 正常3 5 W 恒 功率控制 扪婶 采样灯电压 U 3 0 V 否 否 是 图3 单片机软件流程框图 主电路结构框图如图4 所示。模拟数字信号转 换芯片采样灯电压，并把它转换成数字信号，单 片机根据这个电压的数字信号计算出恒功率下此 时应有的灯
15、电流大小。把这个计算出来的灯电流 数字信号送给数字模拟信号转换芯片转换成模拟 信号。这个电流的参考信号再作为P W M 控制芯片 的反馈参考信号，灯电流经过采样电阻采集送给 P W M 控制芯片作为反馈信号，这种P W M 控制芯 片就能调节灯电流等于计算出来的灯电流参考信 号，以此达到恒功率控制的目的。这种控制方法 非常适合于汽车头灯的电子镇流器，它可以精确 有效地实现多种恒功率、恒流的控制。 单片机的编程是一个不断优化的过程，在软 件设计过程中，软硬件的匹配实验很重要。经过 频繁的调试，最终确定了较佳的软、硬件状态。 3 测试结果 通过上述的设计方法，研制出电子镇流器的 样品。该样品验证了
16、设计的镇流器系统在功能上 的正确性和可行性。接通电源后，启动瞬间灯输 出电流波形如图5 所示。该电流在启动过程中维持 D C ，D C l 直流 I 升压l R I 芯片 。1 r 参考电右T 单片柳M S P F 4 3 0 1 1 2 l 低频方波驱动信号 图4 单片机控制电路结构图 图5 启动过程灯电流波形 该样品在输入电压工作范围内的测试数据列 于表l ，效率见图6 。 表1 镇流器测试结果 样品的工作效率接近于国外同类产品的指标 ( 典型8 3 ) ，而且具有比较全面的控制功能：启 动时序控制、输输出电压检测、输出开路保 护、输出短路保护等。 图7 是H I D 灯稳态工作后某一时间测得的输出 电压与输出电流的波形。其值分别为玑= 8 2 9 2V ， ，o = 0 3 7 8A ，功率为3 2W 。可以发现本文所提出的 控制方式有效地实现了工作时功率控制的目的。 4 总结 由于高强度气体放电灯的性
