淺論基於WTB/MVB匯流排的軌道車輛LED照明控制系統設計論文
淺論基於WTB/MVB匯流排的軌道車輛LED照明控制系統設計論文
目前大部分軌道車輛車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、綠色環保、壽命長、能量轉換效率高、抗振效能好等優點，其在軌道車輛領域的應用也越來越受到關注。考慮到軌道車輛車廂照明系統在衝擊震動、電磁相容、溫度及供電範圍等方面都有特殊要求，現有的LED照明系統硬體不能直接應用於軌道車輛車廂當中，研究開發抗干擾能力強、散熱性好、工作穩定的軌道車輛車廂LED照明系統硬體對於改進軌道車輛車廂照明系統具有非常重要的意義。另外，隨著生活質量的提高，人們對軌道車輛舒適性的要求也越來越高，實現軌道車輛照明系統的自動調光將會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，本文針對鐵軌道車輛車廂LED照明控制系統的特點，設計基於WTB(絞線式列車匯流排)和MVB(多功能車輛匯流排)相結合的軌道車輛車廂LED照明控制系統。
1LED照明控制系統硬體設計
設計的硬體系統主要分成三部分：(1)車廂內照明部分，採用LED作為發光源，設計了LED的驅動電源來控制LED的驅動電流;(2)訊號採集與處理部分，亮度感測器採集的亮度資訊透過微控制器處理反饋給安裝在車頭控制室內的上位機IPC機，利用上位機軟體完成資料融合處理;(3)資訊傳遞部分，IPC機處理後的資料資訊透過WTB匯流排傳給各節車廂的MVB匯流排，以保證控制訊號的高效傳輸。
利用分佈在各節車廂的微控制器執行IPC機的控制指令控制驅動電源，實現LED燈的自動控制。透過各部分的共同作用，實現了對軌道車輛LED照明系統的控制。
2LED照明控制系統硬體模組設計
2.1通訊模組的設計
WTB匯流排用於構成經常動態編組以及多節車輛級聯的開放式列車，可實現車輛間的資料通訊;MVB匯流排用於一個車輛內裝置或者一個固定的車輛組內裝置的資料通訊，在一個車輛組內最多可以連線4096個感測器並且可以實現資訊的高速傳輸。WTB匯流排與MVB匯流排之間透過閘道器連線。選擇這兩種通訊匯流排結合使用的方式，既能保證傳輸的高效性和準確性，也因為兩種匯流排的成熟應用節省了重新選擇匯流排所帶來的各種問題。
2.2硬體散熱殼體的設計
LED發光過程中將約62%的電能轉化成熱能。因此，解決LED燈的散熱問題對LED的使用壽命非常重要。在基板與LED燈之間增加一層鋁製薄板來增加散熱效率，採用這樣的設計使得LED燈的散熱效果良好，有效降低了LED工作時溫度，延長了使用壽命。
2.3LED排列方式的選擇
LED燈的排列方式一般有三種類型：串聯方式、並聯方式、混聯方式。將所有的LED串聯或並聯，不但限制LED燈的使用數量，而且並聯LED負載電流較大，驅動器的成本也會增加。綜合考慮串/並聯兩種方式的優缺點，採用串/並聯混合連線方式。同時，為了提高照明系統的容錯性，採用交叉混聯排列方式。在同一條串聯支路中，若有一個LED燈損壞，使一條串聯的LED燈不能調節時使用交叉式排列，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LED燈損壞導致整行亮度不能調節的缺點。
2.4亮度採集模組設計
在保證照明控制系統對環境亮度資訊的高速處理能力同時節約成本的前提下，結合軌道車廂的環境要求，選擇STC89C52微控制器作為亮度採集模組的微處理核心。與微控制器的.P2引腳連線的模/數轉換晶片是ADC0804，實現模/數轉換;選擇三洋系列LA0150CS照度感測器，分佈在車廂的不同位置，實現對亮度資訊的高速處理。
2.5硬體驅動電源設計
由於軌道車輛採用外部供電，高壓電經過變壓後供車廂內部電路使用，在降壓過程中會產生諧波干擾，為了消除電網中的電磁干擾，設計了EMC(電磁相容性)濾波電路。採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後進行降壓變換，再經過正激式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作為驅動晶片，PT4107能夠輸出範圍為18V～450V的電壓，能夠驅動上百個LED的混聯應用，可外部設定過溫保護，可透過PWM數字脈衝控制達到改變LED亮度的目的，滿足軌道車輛車廂LED照明驅動要求。同時，設定了PFC(功率因數校正)電路，克服了橋式整流濾波電路後功率因數降低的問題，使電源的功率因數大大提高。
3硬體驅動電源模擬及實驗
採用臨界比例度法對PID進行引數整定並進行驅動電源的模擬分析。利用PID演算法對PWM佔空比進行控制，從而控制驅動電源的輸出電流，使LED的發光達到預定值。利用Matlab對控制演算法進行模擬，將調節器的積分時間T1置於最大(T1=∞)，微分時間置零(τ=0)，比例度δ適當，平衡操作一段時間，把系統投入自動執行。將比例度δ逐漸減小，記下臨界比例度δk和臨界振盪週期Tk的值。根據δk和Tk的值，採用表1中的經驗公式，計算出調節器的各個引數，即δ、T1和τ的值。
按先比例後積分最後微分的操作程式將調節器整定引數調到計算值上。透過臨界比例度法對PID傳遞函式中的引數進行整定，整定後的傳遞函式是：
G(s)=500(s2+10s+50)(s+10)
可以看出，透過對PID引數的整定，控制曲線在1s以內達到穩定值，系統響應速度快，無超調。
為了檢驗驅動電源的自動調節能力，透過模擬傍晚天色逐漸變暗的過程得出了LED燈電流的模擬曲線圖，圖中實曲線是系統根據亮度變化過程應該輸出的電流值，帶點曲線是模擬中得到的系統輸出電流的曲線。可以得出，系統實際輸出電流值與理論輸出電流值相差很小，能夠滿足亮度自動調節的要求。
將感測器採集的資料量傳給IPC機進行資料融合，系統再根據融合得到的環境亮度值對LED燈傳送不同佔空比的PWM訊號進行調光。
可見，設計的硬體系統可以實現對車廂內LED燈亮度的自動調節。對資料進行分析可知，系統對車廂亮度的調節誤差小於1%，滿足系統對軌道車輛車廂的LED照明控制的要求。
本文設計的基於WTB匯流排和MVB匯流排的軌道車輛車廂LED照明系統採用集中式控制方式，根據車廂LED照明調光要求對LED燈樣機進行實驗驗證，透過模擬傍晚由明到暗的過程對設計的硬體系統進行了調光實驗。實驗結果表明，設計的硬體系統工作狀態良好，無噪音，LED燈發光均勻穩定，能夠實現自動調光，驗證了本文硬體設計的正確性和合理性。