淺論基于WTB/MVB總線(xiàn)的軌道車(chē)輛LED照明控制系統設計論文
目前大部分軌道車(chē)輛車(chē)廂內使用的還是傳統的熒光燈作為光源，其能耗大，使用效率低。LED具有效率高、綠色環(huán)保、壽命長(cháng)、能量轉換效率高、抗振性能好等優(yōu)點(diǎn)，其在軌道車(chē)輛領(lǐng)域的應用也越來(lái)越受到關(guān)注�？紤]到軌道車(chē)輛車(chē)廂照明系統在沖擊震動(dòng)、電磁兼容、溫度及供電范圍等方面都有特殊要求，現有的LED照明系統硬件不能直接應用于軌道車(chē)輛車(chē)廂當中，研究開(kāi)發(fā)抗干擾能力強、散熱性好、工作穩定的軌道車(chē)輛車(chē)廂LED照明系統硬件對于改進(jìn)軌道車(chē)輛車(chē)廂照明系統具有非常重要的意義。另外，隨著(zhù)生活質(zhì)量的提高，人們對軌道車(chē)輛舒適性的要求也越來(lái)越高，實(shí)現軌道車(chē)輛照明系統的自動(dòng)調光將會(huì )大幅提高能源利用率，改善車(chē)廂照明條件，提高軌道客車(chē)的照明舒適性。
因此，本文針對鐵軌道車(chē)輛車(chē)廂LED照明控制系統的特點(diǎn)，設計基于WTB(絞線(xiàn)式列車(chē)總線(xiàn))和MVB(多功能車(chē)輛總線(xiàn))相結合的軌道車(chē)輛車(chē)廂LED照明控制系統。
1LED照明控制系統硬件設計
設計的硬件系統主要分成三部分：(1)車(chē)廂內照明部分，采用LED作為發(fā)光源，設計了LED的驅動(dòng)電源來(lái)控制LED的驅動(dòng)電流;(2)信號采集與處理部分，亮度傳感器采集的亮度信息通過(guò)單片機處理反饋給安裝在車(chē)頭控制室內的上位機IPC機，利用上位機軟件完成數據融合處理;(3)信息傳遞部分，IPC機處理后的數據信息通過(guò)WTB總線(xiàn)傳給各節車(chē)廂的MVB總線(xiàn)，以保證控制信號的高效傳輸。
利用分布在各節車(chē)廂的單片機執行IPC機的控制指令控制驅動(dòng)電源，實(shí)現LED燈的自動(dòng)控制。通過(guò)各部分的共同作用，實(shí)現了對軌道車(chē)輛LED照明系統的控制。
2LED照明控制系統硬件模塊設計
2.1通信模塊的設計
WTB總線(xiàn)用于構成經(jīng)常動(dòng)態(tài)編組以及多節車(chē)輛級聯(lián)的開(kāi)放式列車(chē)，可實(shí)現車(chē)輛間的數據通信;MVB總線(xiàn)用于一個(gè)車(chē)輛內設備或者一個(gè)固定的車(chē)輛組內設備的數據通信，在一個(gè)車(chē)輛組內最多可以連接4096個(gè)傳感器并且可以實(shí)現信息的高速傳輸。WTB總線(xiàn)與MVB總線(xiàn)之間通過(guò)網(wǎng)關(guān)連接。選擇這兩種通信總線(xiàn)結合使用的方式，既能保證傳輸的高效性和準確性，也因為兩種總線(xiàn)的成熟應用節省了重新選擇總線(xiàn)所帶來(lái)的各種問(wèn)題。
2.2硬件散熱殼體的設計
LED發(fā)光過(guò)程中將約62%的電能轉化成熱能。因此，解決LED燈的散熱問(wèn)題對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，采用這樣的設計使得LED燈的散熱效果良好，有效降低了LED工作時(shí)溫度，延長(cháng)了使用壽命。
2.3LED排列方式的選擇
LED燈的排列方式一般有三種類(lèi)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燈的使用數量，而且并聯(lián)LED負載電流較大，驅動(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)，為了提高照明系統的容錯性，采用交叉混聯(lián)排列方式。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燈不能調節時(shí)使用交叉式排列，在機械結構的同一行，間隔性的還有LED燈正常工作，從而克服了串聯(lián)LED燈損壞導致整行亮度不能調節的缺點(diǎn)。
2.4亮度采集模塊設計
在保證照明控制系統對環(huán)境亮度信息的高速處理能力同時(shí)節約成本的前提下，結合軌道車(chē)廂的環(huán)境要求，選擇STC89C52單片機作為亮度采集模塊的微處理核心。與單片機的.P2引腳連接的模/數轉換芯片是ADC0804，實(shí)現模/數轉換;選擇三洋系列LA0150CS照度傳感器，分布在車(chē)廂的不同位置，實(shí)現對亮度信息的高速處理。
2.5硬件驅動(dòng)電源設計
由于軌道車(chē)輛采用外部供電，高壓電經(jīng)過(guò)變壓后供車(chē)廂內部電路使用，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，設計了EMC(電磁兼容性)濾波電路。采用橋式整流濾波電路，將220V的工頻電流轉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壓直流電，以供LED照明。
選擇PT4107作為驅動(dòng)芯片，PT4107能夠輸出范圍為18V～450V的電壓，能夠驅動(dòng)上百個(gè)LED的混聯(lián)應用，可外部設定過(guò)溫保護，可通過(guò)PWM數字脈沖控制達到改變LED亮度的目的，滿(mǎn)足軌道車(chē)輛車(chē)廂LED照明驅動(dòng)要求。同時(shí)，設置了PFC(功率因數校正)電路，克服了橋式整流濾波電路后功率因數降低的問(wèn)題，使電源的功率因數大大提高。
3硬件驅動(dòng)電源仿真及實(shí)驗
采用臨界比例度法對PID進(jìn)行參數整定并進(jìn)行驅動(dòng)電源的仿真分析。利用PID算法對PWM占空比進(jìn)行控制，從而控制驅動(dòng)電源的輸出電流，使LED的發(fā)光達到預定值。利用Matlab對控制算法進(jìn)行仿真，將調節器的積分時(shí)間T1置于最大(T1=∞)，微分時(shí)間置零(τ=0)，比例度δ適當，平衡操作一段時(shí)間，把系統投入自動(dòng)運行。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δk和Tk的值，采用表1中的經(jīng)驗公式，計算出調節器的各個(gè)參數，即δ、T1和τ的值。
按先比例后積分最后微分的操作程序將調節器整定參數調到計算值上。通過(guò)臨界比例度法對PID傳遞函數中的參數進(jìn)行整定，整定后的傳遞函數是：
G(s)=500(s2+10s+50)(s+10)
可以看出，通過(guò)對PID參數的整定，控制曲線(xiàn)在1s以?xún)冗_到穩定值，系統響應速度快，無(wú)超調。
為了檢驗驅動(dòng)電源的自動(dòng)調節能力，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(xiàn)圖，圖中實(shí)曲線(xiàn)是系統根據亮度變化過(guò)程應該輸出的電流值，帶點(diǎn)曲線(xiàn)是仿真中得到的系統輸出電流的曲線(xiàn)�？梢缘贸�，系統實(shí)際輸出電流值與理論輸出電流值相差很小，能夠滿(mǎn)足亮度自動(dòng)調節的要求。
將傳感器采集的數據量傳給IPC機進(jìn)行數據融合，系統再根據融合得到的環(huán)境亮度值對LED燈發(fā)送不同占空比的PWM信號進(jìn)行調光。
可見(jiàn)，設計的硬件系統可以實(shí)現對車(chē)廂內LED燈亮度的自動(dòng)調節。對數據進(jìn)行分析可知，系統對車(chē)廂亮度的調節誤差小于1%，滿(mǎn)足系統對軌道車(chē)輛車(chē)廂的LED照明控制的要求。
本文設計的基于WTB總線(xiàn)和MVB總線(xiàn)的軌道車(chē)輛車(chē)廂LED照明系統采用集中式控制方式，根據車(chē)廂LED照明調光要求對LED燈樣機進(jìn)行實(shí)驗驗證，通過(guò)模擬傍晚由明到暗的過(guò)程對設計的硬件系統進(jìn)行了調光實(shí)驗。實(shí)驗結果表明，設計的硬件系統工作狀態(tài)良好，無(wú)噪音，LED燈發(fā)光均勻穩定，能夠實(shí)現自動(dòng)調光，驗證了本文硬件設計的正確性和合理性。
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