基于WTB/MVB總線的軌道車輛LED照明控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

張邦成 ，譚海東 ，郝明亮 ，尹曉靜

（1.長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春130012；2.長(zhǎng)春研奧電氣有限公司，吉林 長(zhǎng)春130062）

目前大部分軌道車輛車廂內(nèi)使用的還是傳統(tǒng)的熒光燈作為光源，其能耗大，使用效率低。LED具有效率高、綠色環(huán)保、壽命長(zhǎng)、能量轉(zhuǎn)換效率高、抗振性能好等優(yōu)點(diǎn)，其在軌道車輛領(lǐng)域的應(yīng)用也越來(lái)越受到關(guān)注[1]?？紤]到軌道車輛車廂照明系統(tǒng)在沖擊震動(dòng)、電磁兼容、溫度及供電范圍等方面都有特殊要求，現(xiàn)有的LED照明系統(tǒng)硬件不能直接應(yīng)用于軌道車輛車廂當(dāng)中，研究開(kāi)發(fā)抗干擾能力強(qiáng)、散熱性好、工作穩(wěn)定的軌道車輛車廂LED照明系統(tǒng)硬件對(duì)于改進(jìn)軌道車輛車廂照明系統(tǒng)具有非常重要的意義[2]。另外，隨著生活質(zhì)量的提高，人們對(duì)軌道車輛舒適性的要求也越來(lái)越高，實(shí)現(xiàn)軌道車輛照明系統(tǒng)的自動(dòng)調(diào)光將會(huì)大幅提高能源利用率，改善車廂照明條件，提高軌道客車的照明舒適性。

因此，本文針對(duì)鐵軌道車輛車廂LED照明控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)基于WTB(絞線式列車總線)和MVB(多功能車輛總線)相結(jié)合的軌道車輛車廂LED照明控制系統(tǒng)。

1 LED照明控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的硬件系統(tǒng)主要分成三部分：(1)車廂內(nèi)照明部分，采用LED作為發(fā)光源，設(shè)計(jì)了LED的驅(qū)動(dòng)電源來(lái)控制LED的驅(qū)動(dòng)電流；(2)信號(hào)采集與處理部分，亮度傳感器采集的亮度信息通過(guò)單片機(jī)處理反饋給安裝在車頭控制室內(nèi)的上位機(jī)IPC機(jī)，利用上位機(jī)軟件完成數(shù)據(jù)融合處理；(3)信息傳遞部分，IPC機(jī)處理后的數(shù)據(jù)信息通過(guò)WTB總線傳給各節(jié)車廂的MVB總線，以保證控制信號(hào)的高效傳輸[3]?？傮w硬件連接框圖如圖1所示。

圖1 總體硬件連接框圖

在圖1中，利用分布在各節(jié)車廂的單片機(jī)執(zhí)行IPC機(jī)的控制指令控制驅(qū)動(dòng)電源，實(shí)現(xiàn)LED燈的自動(dòng)控制。通過(guò)各部分的共同作用，實(shí)現(xiàn)了對(duì)軌道車輛LED照明系統(tǒng)的控制。

2 LED照明控制系統(tǒng)硬件模塊設(shè)計(jì)

2.1 通信模塊的設(shè)計(jì)

WTB總線用于構(gòu)成經(jīng)常動(dòng)態(tài)編組以及多節(jié)車輛級(jí)聯(lián)的開(kāi)放式列車，可實(shí)現(xiàn)車輛間的數(shù)據(jù)通信；MVB總線用于一個(gè)車輛內(nèi)設(shè)備或者一個(gè)固定的車輛組內(nèi)設(shè)備的數(shù)據(jù)通信，在一個(gè)車輛組內(nèi)最多可以連接4 096個(gè)傳感器并且可以實(shí)現(xiàn)信息的高速傳輸[4]。WTB總線與MVB總線之間通過(guò)網(wǎng)關(guān)連接。選擇這兩種通信總線結(jié)合使用的方式，既能保證傳輸?shù)母咝院蜏?zhǔn)確性，也因?yàn)閮煞N總線的成熟應(yīng)用節(jié)省了重新選擇總線所帶來(lái)的各種問(wèn)題。

2.2 硬件散熱殼體的設(shè)計(jì)

LED發(fā)光過(guò)程中將約62%的電能轉(zhuǎn)化成熱能。因此，解決LED燈的散熱問(wèn)題對(duì)LED的使用壽命非常重要。在基板與LED燈之間增加一層鋁制薄板來(lái)增加散熱效率，采用這樣的設(shè)計(jì)使得LED燈的散熱效果良好，有效降低了LED工作時(shí)溫度，延長(zhǎng)了使用壽命[5]。

2.3 LED排列方式的選擇

LED燈的排列方式一般有三種類型：串聯(lián)方式、并聯(lián)方式、混聯(lián)方式。將所有的LED串聯(lián)或并聯(lián)，不但限制LED燈的使用數(shù)量，而且并聯(lián)LED負(fù)載電流較大，驅(qū)動(dòng)器的成本也會(huì)增加。綜合考慮串/并聯(lián)兩種方式的優(yōu)缺點(diǎn)，采用串/并聯(lián)混合連接方式。同時(shí)，為了提高照明系統(tǒng)的容錯(cuò)性，采用交叉混聯(lián)排列方式，如圖2所示。在同一條串聯(lián)支路中，若有一個(gè)LED燈損壞，使一條串聯(lián)的LED燈不能調(diào)節(jié)時(shí)使用交叉式排列，在機(jī)械結(jié)構(gòu)的同一行，間隔性的還有LED燈正常工作，從而克服了串聯(lián)LED燈損壞導(dǎo)致整行亮度不能調(diào)節(jié)的缺點(diǎn)。

圖2 LED燈排列方式

2.4 亮度采集模塊設(shè)計(jì)

在保證照明控制系統(tǒng)對(duì)環(huán)境亮度信息的高速處理能力同時(shí)節(jié)約成本的前提下，結(jié)合軌道車廂的環(huán)境要求，選擇STC89C52單片機(jī)作為亮度采集模塊的微處理核心[6]。與單片機(jī)的P2引腳連接的模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片是ADC0804，實(shí)現(xiàn)模/數(shù)轉(zhuǎn)換；選擇三洋系列LA0150CS照度傳感器，分布在車廂的不同位置，實(shí)現(xiàn)對(duì)亮度信息的高速處理。亮度采集模塊如圖3所示。

圖3 亮度采集模塊

2.5 硬件驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)

由于軌道車輛采用外部供電，高壓電經(jīng)過(guò)變壓后供車廂內(nèi)部電路使用，在降壓過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生諧波干擾，為了消除電網(wǎng)中的電磁干擾，設(shè)計(jì)了EMC(電磁兼容性)濾波電路。采用橋式整流濾波電路，將220 V的工頻電流轉(zhuǎn)換成一定的直流電后進(jìn)行降壓變換，再經(jīng)過(guò)正激式DC/DC變換器變換為特定電壓的穩(wěn)壓直流電，以供LED照明。其工作流程圖如圖4所示。

圖4 驅(qū)動(dòng)電源工作流程圖

選擇PT4107作為驅(qū)動(dòng)芯片，PT4107能夠輸出范圍為18 V～450 V的電壓，能夠驅(qū)動(dòng)上百個(gè)LED的混聯(lián)應(yīng)用，可外部設(shè)定過(guò)溫保護(hù)，可通過(guò)PWM數(shù)字脈沖控制達(dá)到改變LED亮度的目的，滿足軌道車輛車廂LED照明驅(qū)動(dòng)要求[7]。同時(shí)，設(shè)置了PFC（功率因數(shù)校正）電路，克服了橋式整流濾波電路后功率因數(shù)降低的問(wèn)題，使電源的功率因數(shù)大大提高。

3 硬件驅(qū)動(dòng)電源仿真及實(shí)驗(yàn)

采用臨界比例度法對(duì)PID進(jìn)行參數(shù)整定并進(jìn)行驅(qū)動(dòng)電源的仿真分析。利用PID算法對(duì)PWM占空比進(jìn)行控制，從而控制驅(qū)動(dòng)電源的輸出電流，使LED的發(fā)光達(dá)到預(yù)定值。利用Matlab對(duì)控制算法進(jìn)行仿真[8]，將調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間 T1置于最大(T1=∞)，微分時(shí)間置零(τ=0)，比例度δ適當(dāng)，平衡操作一段時(shí)間，把系統(tǒng)投入自動(dòng)運(yùn)行。將比例度δ逐漸減小，記下臨界比例度δk和臨界振蕩周期Tk的值。根據(jù)δk和Tk的值，采用表1中的經(jīng)驗(yàn)公式，計(jì)算出調(diào)節(jié)器的各個(gè)參數(shù)，即δ、T1和τ的值。

表1 PID參數(shù)整定

按先比例后積分最后微分的操作程序?qū)⒄{(diào)節(jié)器整定參數(shù)調(diào)到計(jì)算值上。通過(guò)臨界比例度法對(duì)PID傳遞函數(shù)中的參數(shù)進(jìn)行整定，整定后的傳遞函數(shù)是：

圖5是對(duì)PID參數(shù)整定后的仿真結(jié)果?？梢钥闯?，通過(guò)對(duì)PID參數(shù)的整定，控制曲線在1 s以內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定值，系統(tǒng)響應(yīng)速度快，無(wú)超調(diào)。

圖5 PID參數(shù)整定仿真效果

圖6 模擬傍晚天逐漸暗時(shí)的仿真曲線

為了檢驗(yàn)驅(qū)動(dòng)電源的自動(dòng)調(diào)節(jié)能力，通過(guò)模擬傍晚天色逐漸變暗的過(guò)程得出了LED燈電流的仿真曲線圖，如圖6所示，圖中實(shí)曲線是系統(tǒng)根據(jù)亮度變化過(guò)程應(yīng)該輸出的電流值，帶點(diǎn)曲線是仿真中得到的系統(tǒng)輸出電流的曲線。從圖6可以得出，系統(tǒng)實(shí)際輸出電流值與理論輸出電流值相差很小，能夠滿足亮度自動(dòng)調(diào)節(jié)的要求。

將傳感器采集的數(shù)據(jù)量傳給IPC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，系統(tǒng)再根據(jù)融合得到的環(huán)境亮度值對(duì)LED燈發(fā)送不同占空比的PWM信號(hào)進(jìn)行調(diào)光。實(shí)驗(yàn)過(guò)程如圖7所示。

圖7 LED燈的調(diào)光過(guò)程

圖 7中，(a)、(b)、(c)分別為外界環(huán)境亮度不同時(shí)，LED照明系統(tǒng)的自動(dòng)調(diào)光過(guò)程。表2為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表2可見(jiàn)，設(shè)計(jì)的硬件系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)車廂內(nèi)LED燈亮度的自動(dòng)調(diào)節(jié)。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知，系統(tǒng)對(duì)車廂亮度的調(diào)節(jié)誤差小于1%，滿足系統(tǒng)對(duì)軌道車輛車廂的LED照明控制的要求。

本文設(shè)計(jì)的基于WTB總線和MVB總線的軌道車輛車廂LED照明系統(tǒng)采用集中式控制方式，根據(jù)車廂LED照明調(diào)光要求對(duì)LED燈樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，通過(guò)模擬傍晚由明到暗的過(guò)程對(duì)設(shè)計(jì)的硬件系統(tǒng)進(jìn)行了調(diào)光實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的硬件系統(tǒng)工作狀態(tài)良好，無(wú)噪音，LED燈發(fā)光均勻穩(wěn)定，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)調(diào)光，驗(yàn)證了本文硬件設(shè)計(jì)的正確性和合理性。

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