（交通信息工程及控制专业论文）基于LonWorks的隧道LED无级调光照明控制系统研究.pdf

摘要 随着l e d 照明技术的日渐成熟和成本下降，l e d 照明作为照明绿色光源得到了广 泛的应用；而隧道照明费用开支是隧道运营开支中的最大的项目之一，因此将l e d 照 明应用到隧道照明，而且设计一个合理、有效的控制系统，对减少隧道照明能耗具有重 要的意义。 论文首先通过对l e d 隧道照明控制方式和控制信号传输方式进行分析对比，采用了 d c 0 5 v 模拟电压信号传输的模拟信号控制电流平均值模式的无级调光照明控制方式， 构架了隧道l e d 无级调光照明控制系统，并提出相应的控制方案，基本照明采用模糊控 制方式，以交通量和车速为模糊输入参量，输出相应的控制参数，从而控制基本照明的 亮度；加强照明采用了点对点控制方式，它以洞外实测亮度为输入参数，通过软件数据 处理来控制数字电位器的输出电压，从而达到隧道加强照明的亮度无级调控。并对该无 级照明控制系统进行了节能分析。 接着分析- j l o n w o r k s 技术和l o n 总线特点，将l e d 无级调光照明控制系统架构在 l o n w o r k s 总线上，选择电力线作为其通信介质，在现场层设计了以神经元芯片t m p n 3 1 5 0 为核心的检测节点、加强照明回路控制节点、加强照明和基本照明亮度控制节点硬件电 路和软件，并完成t m p n 3 1 5 0 存储器扩展和电力收发器p l t - 2 2 电路的设计；在管理层，利 用l o n w o r k s 开发工具l n s 中的d d e 技术，构造了一个基于l o n w o r k s 的基本照明模糊控制 器，并且完成模糊控制器的设计。 关键词：隧道照明、照明控制、l e d 照明、l o n w o r k s 、t m p n 3 1 5 0 、模糊控制 a b s t r a c t w t ht h eg r o w i n gm a t u r i t ya n dl o w e rc o s t so ft h el e d l i g h t i n gt e c h n o l o g y ，l e dl i g h t i n g a st h el i g h t i n go fg r e e nl i g h th a sb e e nw i d e l yu s e d t h ee x p e n s eo ft u n n e ll i g h t i n gi so n eo f t h eb i g g e s tp r o j e c t si nt u n n e lm a n a g e m e n t s oi t sv e r ys i g n i f i c a n tt or e d u c et u n n e ll i g h t i n g e n e r g yc o n s u m p t i o n ，i fl e dl i g h t i n gw i l lb ea p p l i e dt ot h et u n n e ll i g h t i n ga n dd e s i g n i n ga r a t i o n a la n de f f e c t i v ec o n t r o ls y s t e m t h i sp a p e rf i r s t l yc o m p a r e st h ed i f f e r e n tl e dt u n n e ll i g h t i n gc o n t r o lm e t h o d sa n dt h e c o n t r o ls i g n a lt r a n s m i s s i o nm e t h o d s ，t h e nc h o o s e ss t e p l e s sd i m m i n gl i g h t i n gc o n t r o lm e t h o d s w h i c hu s i n ga n a l o gs i g n a lt oc o n t r o lc u r r e n ta v e r a g eb yt h ew a yo fd c 0 。5 va n a l o gv o l t a g e s i g n a lt r a n s m i s s i o n c o n s t r u c t sat u n n e ls t e p l e s sd i m m i n gl e dl i g h t i n gc o n t r o ls y s t e ma n d p r o p o s e ss p e c i f i c c o n t r o ls c h e m e t h eb a s i c l i g h t i n gu s e sf u z z yc o n t r o ls y s t e mw h i c h o u t p u t t i n gc o n t r o lp a r a m e t e r st oc o n t r o lt h eb r i g h t n e s so ft h eb a s i cl i g h t i n ga c c o r d i n gt o t r a f f i cv o l u m ea n ds p e e df o rt h ef u z z yi n p u tp a r a m e t e r s t h ee n h a n c e dl i g h t i n gu s e sa p e e rt o p e e rc o n t r o lm e t h o dw h i c hu s i n gt h em e a s u r e db r i g h t n e s so ft h eo u t s i d eo ft u n n e la st h ei n p u t p a r a m e t e r s a n d c o n t r o l l i n g t h e d i g i t a lp o t e n t i o m e t e r o fo u t p u t t i n g v o l t a g e a f t e rd a t a p r o c e s s i n gt oa c h i e v et h eb r i g h t n e s ss t e p l e s sc o n t r o lo ft h et u n n e le n h a n c e dl i g h t i n g a n d a n a l y z e se n e r g ys a v i n go ft h es t e p l e s sd i m m i n gl i g h t i n gc o n t r o ls y s t e m t h e na r c h i t e c t u r e ss t e p l e s sd i m m i n gl e dl i g h t i n gc o n t r o ls y s t e mi nt h el o n w o r k sb u s w h i c hc h o o s i n gt h ep o w e rl i n ea sc o m m u n i c a t i o nm e d i u mo nt h eb a s eo fs t u d y i n ga n d a n a l y z i n gt h el o n w o r k st e c h n o l o g yf e a t u r e s i nt h ef i e l dl a y e rd e v i s e sh a r d w a r ea n d s o f t w a r eo ft h et e s tn o d e ，t h el o o pc o n t r o ln o d ea n db r i g h t n e s sc o n t r o ln o d ew h i c hu s i n g n e u r o nc h i pt m p n 315 0a st h ec o r e ，a n dc o m p l e t e st h ed e s i g nt m p n 315 0m e m o r y e x p a n s i o n a n dp o w e rt r a n s c e i v e rp l t - 2 2c i r c u i t ；i nt h em a n a g e m e n t ，c o n s t r u c t sab a s i cl i g h t i n gf u z z y c o n t r o l l e rb a s e do nl o n w o r k su s i n go ft h ed d et e c h n o l o g yw h i c hi si n c l u d e di nl o n w o r k s d e v e l o p m e n tt o o l sl n s ，a n dc o m p l e t e st h ed e s i g no f t h ef u z z yc o n t r o l l e r k e y w o r d s ：t u n n e ll i g h t i n g ；l i g h t i n g c o n t r o l ；l e dl i g h t i n g ；l o n w o r k s ；t m p n 315 0 ；f u z z y c o n t r 0 1 n 长安大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 随着我国高速公路建设的快速发展，公路隧道建设规模越来越大，速度越来越快， 同时隧道照明带来的电能消耗也随之越来越大。隧道照明与一般道路照明要求不同，需 要全天2 4 h 开灯，而且存在隧道照明亮度偏高，部分隧道照明亮度仍然处于中间视觉范 围等问题。对于一条中等长度隧道来说，耗电量每天可达到约7 2 0 k w h ，照明带来的运营开 支占了隧道运营开支的很大比例。因此对于隧道照明来说，节约能源是一个重要主题。 公路隧道照明设施的目的在于保证行驶车辆舒适、安全地穿越隧道，它是隧道建设 中的重要组成部分，它的基本要求是根据外部环境，提供与之相适应的照明，以满足人 眼的适应曲线。因此照明质量的好坏直接关系到机动车司机能否看清楚隧道内的环境。 目前，隧道照明几乎都是采用高压钠灯作为光源。但是高压钠灯在显色指数、显色性、 视觉敏感特性、功率规格、亮度控制等方面均存在许多不足，而新兴的l e d 隧道照明灯 具以其优异的性能，特别是亮度的连续可调性，克服了高压钠灯的诸多不足，正在成为 当今隧道照明的趋势。 公路隧道照明调光控制是满足不同亮度环境、交通环境下的照明需求。目前大部分 隧道l e d 照明所采用的控制方式为分级控制，它是利用灯具的不同回路排列组合对附加 照明迸行控制，使其产生所需光强分布的附加亮度【l 】。该控制方式虽然控制程序和线路 设计简单，维修保养容易，但是存在附加亮度连续性不好，而且灯具都是以最大亮度工 作，影响使用寿命；而且这种控制方式很少有考虑与与隧道照明亮度有关的洞外亮度、 洞内车速、洞内车流等因素，更没有将l e d 灯亮度和功耗调节容易的优势发挥出来。 因此将l e d 灯作为公路隧道照明灯具，且寻求一种合理、有效、节能的控制方式， 可以实现隧道内各照明区段的亮度平滑过渡，从而达到既满足隧道的照明亮度要求，又 能最大程度的保证洞内车辆的安全行驶，还能解决隧道照明运营开支过大的问题，达到 节省能源的目的，成为摆在我们面前急需解决的问题。 1 2 隧道l e d 照明应用现状 2 0 世纪初，在碳化硅p n 结两端施加正向偏压可以产生光辐射的l e d 基本原理被确 立。上世纪6 0 年代，红光和绿光l e d 问世，7 0 年代黄光l e d 出现，9 0 年代，日本制造 第一章绪论 商成功开发出蓝光l e d ，进而于1 9 9 6 年研制出白光l e d ，使得l e d 的用途从最早的信号 指示逐步拓宽到普通照明等应用领域【2 3 】。 l e d 具有节能、寿命长、环保、体积小、控制灵活、响应速度快等优点，有着诱人 的发展前景。随着l e d 技术的日渐成熟和成本下降，l e d 照明的推广和普及毫无疑问， 将会带来巨大的能源节约。奥运会上“水立方 的l e d 景观照明系统，世博会大量采用 l e d 照明的决定，都说明了l e d 照明具有其独特的优势，势必在照明行业被越来越多的 人接受。 隧道照明一直以来是隧道运营管理费用中最大的支项目日常开之一，选择采用l e d 照明将是隧道照明运营管理部门应对隧道安全与照明节能的最佳选择技术。随着我国大 力推崇节能减排、绿色照明等新技术、新产品的创新应用。大功率l e d 作为第三代照明 革命，产业本身的技术和创新应用得到飞速发展，其固有的特性更优于其他传统光源。 再加上近年来明视觉与中间视觉理论，显色性与照度关系等科研结果。大功率白光隧道 l e d 灯是近几年研制投产的新型照明灯具，与传统的灯具相比，具有低压、低功耗、高可 靠性、长寿命等优点，是一种符合环保、节能的绿色照明光源。白光l e d 应用于隧道照 明，除满足隧道对灯具光效、光通量、寿命及工作特性、光色、显色性和配光控制难易 程度等主要要求外，还能节约运行和维护成本，实现稳定经济运行。图1 1 所示就是大功 率隧道l e d 及其安装到隧道的效果。 一 图1 1l e d 隧道灯及其l e d 照明隧道 隧道照明的l e d 包j 新应用已逐步进入成熟应用阶段。目前，全国各个地方越来越多 的隧道采用l e d 灯作为其照明灯具。 陕西吴子高速公路前义坪隧道左右线全长9 2 6 米，单向双车道，照明设计速度为 6 0 k m h 洞外亮度按照4 0 0 0 c d m z 设计，原设计采用高压钠灯作为照明灯具，箱变容量为 3 1 5 k v a ，实际工程采用l e d 等照明，用8 0 k v a 箱变，实际功率仅为6 0 k w 。相对高压钠灯， 使用l e d 照明可以节能约7 0 9 6 左右。前义坪隧道l e d 照明试验段经重庆公路检测中心检测， 全隧道均满足规范要求照明指标，是国内全隧道采用l e d 照明的典范工程【4 ，5 1 。为了更好 了解前义坪运行情况，工作人员每个月固定地点，对照度进行测试。2 0 0 8 年3 月3 0 日， 2 长安大学硕士学位论文 测试结果表明，开通运行半年，入口段亮度为5 9 2 c d m 2 ( 开通运行时为5 5 2c d m 2 ) ， 这完全符合l e d 管芯寿命曲线，即在前6 0 0 0 d 、时，l e d 灯亮度会升高，然后才慢慢光衰。 根据资料显示，l e d 结温控制在7 5 以下，寿命可以做n 7 0 0 0 0 d 、时，光衰控制在3 0 以 1 6 , 7 。并且通过前期建设成本和后期运营成本分析，前期建设采用l e d 灯具，总费用比 高压钠灯高出2 0 左右，但是该隧道在运营不到1 年半，和高压钠灯相比，1 年半运营节 约费用可以将l e d 前期建设成本收回，经济效益可观。 l e d 用于隧道照明领域时具有如下一些特殊优势： 1 显色指数高 l e d 照明显色指数可达8 5 ，可以说近似于自然光，给人的视觉效果形象逼真，也就 是说，驾驶员在这种照明状态下能够清楚地分辨不同颜色和形状的物体，对运动着的物 体有良好的辨认，因此它相当适合于隧道照明。 2 工作电压范围宽 l e d 光源照明灯的电源驱动电路大多数为恒流驱动电路，其能耗几乎不随电源电压 的抖动而产生较大变化，其工作电压范围可达到a c 2 2 0 2 0 。与传统的光源夜间能耗随 着越到夜晚其能耗就越大，因为隧道夜间电网电压波动性比较大。 3 亮度可调 由于l e d 光源工作电流大小是可以通过人为的控制，所以用l e d 做成的灯具亮度也是 可以控制的。不论是灯具由于控制需要频繁的开、关，还是通过照明控制系统来调节电 源输出电流的大小以达到亮度调节，而且只要电流维持在额定电流的范围内，都不会影 响l e d 的使用寿命。 4 l e d 灯具功率大小可任意设置。 一般一个l e d 隧道灯具是由一连串的l - - 3 w 的l e d 串联组合而成。可以根据隧道各照 明区段的不同亮度要求，功率大小可以通过组合不同数量的l e d 。这样做的目的它可使 洞内照度刚好达到规范要求，可以避免由于功率不匹配而产生的过度照明。 5 l e d 具有单向辐射特性，无眩光。 l e d 隧道照明灯具所发出的大部分光能无须经过反射就可直接到达被照物体表面， 从而达到光能最大限度地利用，提高了灯具的效率：在相同的光效和照度条件下，l e d 光源所消耗的电能比其他光源更低，通常情况下比传统灯具节约5 0 n 。匕耗。 6 l e d 的寿命超长，绿色环保。 目前好的l e d 品牌，其寿命( 即平均无故障工作时间) 可达5 万小时以上。若每天工 第一章绪论 作1 2 小时，可用l1 年以上。l e d 灯的寿命概念与其他光源不同，一般是指当亮度衰减到 初始亮度的7 0 9 6 ( 有的公司为5 0 ) 时的时间，否则其寿命长得难以计算。这也就是l e d 灯具维护系数取0 8 5 的原因。而且l e d 废弃后，几乎没有什么污染，其废弃物几乎可以 全部回收利用，不仅节约了资源，还保护了环境。 7 功耗低 l e d 与纳灯灯具节能特性对比见下表。从表1 1 可以看出，用l e d 隧道灯简单地替代 高压钠灯，可实现5 0 以上的节能目标，若再加上亮度智能可调，可实现7 0 以上的节能 目标。 表1 1 钠灯与l e d 参数比较 序号参数名称纳灯参数l e d 等参数备注 1 光源发光效率( l m w ) 9 09 0 2 灯具效率( ) 7 0 9 0 3 设计维护系数( ) o 7o 8 5 4电源效率( ) o 8 5o 8 5 5有效照度( )8 0 9 0 输出光通量利用率 6 显色指数( ) 2 08 0 7 灯具功率规格( )少任意任意设置可减少过度 8 过度照明倍率( 倍) 1 21 o 照明 9 夜晚功率增加量 5 0 不变 1 0 亮度调节特性 不可调可调可实现亮度无级控制 1 1照明综合效率( e r a w ) 2 55 0 1 3l o n w o r k s 技术在照明领域的应用现状 随着控制、计算机、通信、网络等技术的发展，现场总线已成为当今工业控制领域 技术发展的热点之一。l o n w o r k s 现场总线由美国e c h e l o n 公司于1 9 9 3 年推出后，由于 其开放的网络操作系统、标准的网络通信协议、丰富的介质接口模板、支持多种介质之 间相互通信等特点，在照明控制管理领域得到了广泛应用。 在国外，l o n w o r k s 技术的相关产品已经成功应用在高速公路及隧道照明、道路照明、 楼宇和工厂照明等诸多照明领域；法国巴黎环城a 8 6 高速公路起始于l a l m a i s o n ，r u e i l 4 长安大学硕士学位论文 的隧道就是采用了e c h e l o n 公司的l o n w o r k s 技术，该技术平台利用l o n w o r k s 总线技术 将隧道各个关键的子系统( 通风、照明、监控、消防系统等) 完整地集成为一个统一的、 智能的系统。在国内，自从l o n w o r k s 技术推广到中国以来，已陆续在楼宇自动化系统 ( b a s ) ，道路照明，高速公路和隧道照明，远程通信网络中心监控系统领域开展了广泛 的应用研究。 基于l o n w o r k s 总线技术的楼宇和道路智能照明控制系统实现了室内和道路照度的 自动调节；系统灵活的控制模式设计，实现了不同场景、不同需求的照明控制需要；而 且能够及时了解每个控制单元的现场状态，对各部分控制和执行单元实现了分散控制、 集中管理【8 ，9 】。 2 0 0 7 年4 月，e c h e l o n 的基于l o n w o r k s 技术的网络化照明系统进入中国高速公路 照明市场，发展最快的地区之一长江三角洲的数条主要高速公路和桥梁照明采用该网络 化照明系统来更好地管理高速公路隧道和桥梁照明系统，以提高安全性、美化外观并节 约能耗。作为世界第一批基于i p 的开放式高速公路和桥梁设施之一，超过l ，5 0 0 个中 国高速公路隧道和桥梁照明将会与支持埃施朗l o n w o r k s 组网协议的f t 智能收发器集成 到一起。埃施朗的i l o n 因特网服务器将本地网延伸到因特网和i p 网络上，使得所有 站点都能用电脑从远程控制，无需人力操作。该系统提供改良的能耗管理和节能功能， 提高了安全性，系统维护和日常操作也更加高效。此外，网络化照明系统将会让高速公 路隧道和桥梁照明更加美观。 随着我国越来越多的企业对l o n w o r k s 技术的更深入认识，l o n w o r k s 技术在照明领 域应用的深度和广度已经越来越大，国内多家控制系统开发的专业公司己成为e c h e l o n 公司的合作伙伴。南京联宏采用e c h e l o n 的i l o n 因特网服务器和l o n w o r k s 单光纤网 络开放标准组网协议，建立的是一个开放式、灵活且可靠的照明管理系统，以降低能耗， 提高安全性。所提供的系统能够远程管理和监视照明节点，发挥公共高速公路隧道和桥 梁照明系统的可调可控功能。 l o n w o r k s 以其突出的统一性、开放性及互操作性正在受到各行各业的重视。最近， e c h e l o n 又有新的举措，这就是允许将l o n t a l k 协议移植到任何的其它处理器上。 l o n w o r k s 可以说己经在事实上起着通用现场总线的作用。因此可以比较容易的将 l o n w o r k s 技术移植到隧道照明控制和管理，实现隧道亮度可调可控从而达到节能的目的 并且相信随着时间的推移，l o n w o r k s 技术必定会以全新的概念，在照明领域发挥其无可 比拟的优越。 5 第一章绪论 1 4 论文的研究意义和主要内容 随着我国大力推崇节能减排、绿色照明等新技术，在隧道照明运营费用居高不下的 形式下，本着节约能源，又不会影响隧道行车安全的角度，提出了以亮度可调的l e d 灯 作为隧道照明灯具，研究隧道l e d 无级调光照明控制系统，并且提出了基于l o n w o r k s 的隧道l e d 无级调光照明控制系统，最大限度的减少隧道运营成本，提高运营经济效益 和社会效益。 本课题的主要内容是：论文首先通过对l e d 隧道照明控制方式和控制信号传输方式 进行分析对比，采用了d c o - - 5 v 模拟电压信号传输的模拟信号控制电流平均值模式的无 级调光照明控制方式，构架了隧道l e d 无级调光照明控制系统，并提出相应的控制方案， 基本照明采用模糊控制方式，以交通量和车速为模糊输入参量，输出相应的控制参数， 从而控制基本照明的亮度；加强照明采用了点对点控制方式，它以洞外实测亮度为输入 参数，进行软件数据处理来控制数字电位器的输出电压，从而达到隧道加强照明的亮度 无级调控。并对该无级照明控制系统进行了节能分析。接着分析了l o n w o r k s 技术和l o n 总线特点，将l e d 无级调光照明控制系统架构在l o n w o r k s 总线上，选择电力线作为其 通信介质，在现场层设计了以神经元芯片t m p n 3 1 5 0 为核心的检测节点、加强照明回路 控制节点、基本照明和加强照明亮度控制节点硬件电路和软件，并完成t m p n 3 1 5 0 存储 器扩展和电力收发器p l t - 2 2 电路的设计；在管理层，利用l o n w o r k s 开发工具l n s 中的 d d e 技术，构造了一个基于l o n w o r k s 的基本照明模糊控制器，并且完成基本照明模糊控 制器的设计。 基于l o n w o r k s 隧道l e d 无级调光照明控制系统设计具体所涉及到的内容有： ( 1 ) 隧道l e d 灯无级调光电路的研究，提出新型的隧道l e d 灯无级照明控制系统， 并对该控制方式的节能效果进行了分析。 ( 2 ) 设计了基于l o n w o r k s 的无级调光照明控制系统：包括基于n e u r o n 芯片的洞外 亮度，交通量和车速数据采集节点的硬件和软件设计：p l t - 2 2 电力收发器设计 和耦合电路设计；基于n e u r o n 芯片的加强照明回路控制节点、基本照明和加强 照明亮度控制节点的硬件和软件设计； ( 3 ) 利用l o n w o r k s 开发工具l n s 中的d d e 技术，设计了基于l o n w o r k s 的基本照明 模糊控制器。 6 长安大学硕上学位论文 第二章隧道l e d 照明无级调光照明控制系统 隧道l e d 灯是一种高效、环保、节能、亮度可调、显色指数高的灯具，非常适合用 于隧道照明。公路隧道照明调光控制系统要满足不断变化的洞外亮度环境、交通环境的 照明需求，本章设计了一种l e d 灯无级调光控制的隧道照明系统，可以实现隧道内各照 明区段的亮度平滑过渡，而且照明亮度随着洞外亮度和交通环境的变化动态调节，从而 达到既时刻满足隧道的照明亮度需求，保证驾驶员的行车安全，又能达到节省能耗的目 的。 2 1 隧道l e d 照明控制方式 公路隧道照明的目的在于保证车辆舒适、安全地穿越隧道，因此公路隧道照明的基 本要求是根据外部环境，提供与之相适应的照明，以满足人眼的适应曲线。 隧道照明系统主要包括：中间段照明、入口段照明、过渡段照明、出口段照明、应 急照明、洞外引道照明及接近段减光设施【l o l 。根据公路隧道通风照明设计规范( j t j 0 2 6 1 - 1 9 9 9 ) ，各照明区段亮度与长度如图2 1 所示。虚线部分为人眼适应曲线。 图2 1 各照明区段亮度与长度 公路隧道l e d 照明调光控制是满足不断变化的洞外亮度环境和交通环境下的照明需 求。因此在设计隧道照明我们应该考虑以下两点：- - n 要充分发挥l e d 灯亮度可调，能 耗较低的特点；- - n 尽可能的使照明曲线和人眼适应曲线相接近，实现隧道内各照明区 第二章隧道l e d 照明无级调光照明控制系统 段的亮度平滑过渡，使驾驶员可以顺利的从洞夕i - l i 较明亮的环境自然的过渡到隧道的亮 度环境，尽可能的消除亮度变化带来的驾驶疲劳和调节驾驶员的压抑心理。最后在达到 满足隧道的照明亮度要求，保证行车安全的前提下实现最大限度的节省能源。 2 1 1l e d 灯调光控制模式 目前，l e d 灯调光控制模式方式主要有以下三种调光控制模式： 1 ) 灯管阵列控制：与传统的分级控制一样，在不同的洞外亮度环境和交通环境， 通过点亮或关闭l e d 灯具中某一列或者某一区段灯管调节亮度，相当于传统的回路控制， 调节级数与灯具中控制阵列数相关； 2 ) 灯群组控制：通过对灯具进行地址编码，数字化控制关闭或点亮某一指定的灯 具，往往是统一开启或关闭一个回路或者一个区段的l e d 灯，实现亮度调节，调节级数 与灯具具体的地址编码有关； 3 ) 无级调节方式：实质上相当于控制l e d 的驱动电路输出电流或者电压，也就是 控制l e d 灯电源的输出电压或者输出电流，从而调节l e d 灯的亮度，可实现2 5 6 级亮度 调节； 灯管阵列控制和灯群组控制，其实还是比较类似于分级控制，其控制原理决定了其 亮度分级调节受到一定数量限制，但是分级控制不能完全有效的遏制隧道照明的电能浪 费，而且往往系统较为复杂，也不易实现隧道内各区段照明的平滑过渡，可应用于对亮 度调节分级不多的l e d 隧道照明控制工程中。无级调节方式可实现2 5 6 级调光，调光级 数多、范围宽，它可以将隧道照明仅仅分为基本照明和加强照明，系统结构简单，控制 灵活方便。因此，本文采用了l e d 灯亮度无级调节方式。 2 1 2l e d 灯无级调光控制方式 ( 1 ) 电压控制电流源( v c c s ) 亮度控制方式( 模拟信号控制电流平均值模式) 模拟信号控制电流平均值模式就是利用模拟直流电压信号来控制l e d 灯电源输出电 流的平均值，它要求l e d 电源是一种输出电流可控电源。其具体的原理图如图2 2 所示。 这种控制方式其实就是将电流信号取样后经隔离放大控制l e d 电源初级开关管的占空系 数，隔离变压器将不同占空系数的电能隔离后转换为直流脉冲电流，经低通滤波器滤波 后转换为大小随控制信号变化的直流电流，从而控制电源的输出电流。该电源的损耗主 要包括初级损耗、变压器损耗和次级整流、滤波损耗，电源效率相对较高1 1 , 1 2 。加入p f c ( p o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n ) 可以实现功率因数校正，过电压过电流保护。该亮度控 8 长安大学硕士学位论文 制方式一般效率在8 5 左右。因此将这种亮度控制方式应用到公路隧道l e d 灯照明无级 调光控制中将是不错的选择。 p o u t p i n = 8 5 图2 2 一次性恒流的可控恒流源原理图 ( 2 ) 脉冲宽度调制( p w m ) 亮度控制方式( p w m 模式) p 1 | m 模式的l e d 亮度控制方式是利用直流稳压电源先输出恒定电压，然后经过限流 电阻或电感限流后，再通过p i l 9 , 1 方式控制晶体管在单位周期内的导通时间来控制流过 l e d 的电流，从而达到控制l e d 亮度的目的【1 3 , 1 4 1 。其原理图如图2 3 所示。该电源的损 耗主要包括初级损耗、变压器损耗、次级整流、滤波损耗、限流电阻或电感和续流二极 管损耗和工作于开关状态的晶体管损耗；与前一种相比，电源效率较低，加入p f c 后一 般效率在7 5 9 6 左右。 在p w m 模式调光中，通过改变l e d 正向电流以改变的占空比在o 至1 0 0 间转换， 以进行亮度控制。然而，p 1 j l m 模式调光信号的频率一般应大于l k h z ，以免出现闪烁或抖 动。为尽可能降低闪烁或抖动，高端照明系统的调光频率范围一般要求几万赫兹。但更 高的调光频率将大幅缩小驱动的调光范围，进而降低系统的最大亮度。高频p w m 模式调 光主要有固定频率、时间延迟磁滞控制和固定导通时间的降压式l e d 调光方式，根据大 量制造商对三种不同配置的性能实验数据，采用带磁滞降压l e d 驱动器的并行调光方案 在高调光频率具有很宽的调光范围。固定导通时间l e d 驱动器是固定频率操作和磁滞控 制之间的一个较好的权衡，采用这种驱动器进行并行调光也可以在高调光频率下获得大 的调光范围。 9 第二章隧道l e d 照明无级调光照明控制系统 晰l 悄， p o u t 2 p i n = 7 2 3 p o i 吐2 p 呲1 = s ， 图2 3 先稳压再恒流的可控恒流源原理图 ( 3 ) 采用电阻和晶体管限流亮度控制方式( 限流模式) 采用限流模式的l e d 亮度控制方式是利用直流稳压电源先输出恒定电压，然后经过 限流电阻限流后，再通过工作于放大区的晶体管来控制流过l e d 的电流，从而达到控制 l e d 亮度的目的。该电源的损耗主要包括初级损耗、变压器损耗、次级整流、滤波损耗、 限流电阻损耗和工作于放大区的晶体管损耗【1 5 】；与前两种相比，电源效率最低，加入 p f c 后一般效率在7 0 以下。这一亮度控制方式电源能耗损失较大，这种控制方式多用 于对能耗要求不是不高的灯饰亮化场所，且大多情况用于小功率l e d 的亮度控制。 2 1 3 控制信号传输方式 ( 1 ) 采用d c o 5 v 模拟电压信号进行传输 这种传输方式的优点是控制线路简单，控制信号传输距离远；为了确保d co - - 一5 v 的 模拟电压控制信号有足够的传输距离，l e d 驱动电源设计时，可通过将l e d 驱动电源设计 成电压控制电流源形式，控制输入端为高输入阻抗，以确保控制信号的长距离传输。控 制输入端的输入阻抗高达1 0 8 m q 及以上，每盏灯在5 v 控制电压时的控制电流为5 x1 0 - 8 a ， 在长距离传输时电缆首尾压降可控制在一个较小值的范围。 ( 2 ) 采用数字信号进行传输 采用数字信号传输方式传输控制信号可采用r s - 4 8 5 或d m x 5 1 2 通讯协议，将控制信号 送至相应灯具的电源内，再由解码芯片解码后转换为脉冲宽度调制信号或经d a 转换成 1 0 长安大学硕士学位论文 模拟信号，去控制l e d 回路中开关三极管的导通时间或限流三极管的基极电流，从而达 到控锘u l e d 驱动电流之目的。它们的优点是控制方式灵活，可实现控制端与每盏灯具之 间的相互通讯，从而可让控制室随时了解每盏灯具的工作状态。目前在灯饰亮化场所， 这种信号传输方式已得到广泛地应用，但这种通讯方式的缺点是传输距离短，信号易受 干扰，终端接点的数量有限。如果要求控制室能够了解每盏灯具的工作状态，理论上 r s - 4 8 5 最多可控制1 2 8 盏灯，d m x 5 1 2 最多可控$ ! j 5 1 2 盏灯。 r s 一4 8 5 或d m x 5 1 2 通讯协议理论上的传输距离均可达1 2 0 0 m ，但在实际使用过程中， 为了确保系统通讯的可靠性，通常不大于2 5 0 m ；当控制线路距离大于2 5 0 m 时，需添加中 继器。考虑到通讯的可靠性，在公路隧道内中继器的级联数量一般不应超过2 个。根据 试验数据，采用数字通讯方式传送控制信号，为保证照明调光系统可靠，每通道传输距 离应控制在7 5 0 m 以内。 采用微波通讯的方式传输控制信号。由于微波在狭窄的隧道内传输时，会受到隧道 壁以及隧道内众多机电设备、汽车的反射，造成接收端真假信号难以甄别，从而容易导 致控制失到1 6 】。 电力载波通讯方式传输控制信号。由于通讯回路中负载众多且较为集中，灯具中p f c 的脉冲信号会对动力线造成一定的高频污染。对于亮度可控型灯具，在3 0 以下功率使 用时p f c 将失去作用，谐波会相对增大，从而严重干扰信号传输，谐波干扰是影响低压 电力载波通讯发展的重要因素【1 7 , 1 8 】。 2 1 4 同种规格灯具的互换性 采用r s - 4 8 5 或d m x 5 1 2 通讯协议传输控制信号，要求每盏灯具内要有相应的地址代 码，至少应确保隧道加强照明和基本照明的地址不同，以便于分别控制其灯具功率；如 果要求各段分别控制，则通常需要5 - 6 种地址代码，这种为灯具编码的方式会使灯具的 互换性下降，同时给灯具的运营维护带来一定困难。 采用d c o 5 v 的模拟电压信号来传输控制信号，对灯具编址等没有要求，可对不同 规格的灯具同时实现调光。 2 1 5 无级调光控制方式的性能比较 无级调光控制方式的性能比较主要应从调光范围、电源效率、信号传输性能三个方 面进行考核。 1 ) 调光范围：在电源的调光方面，最重要的两项指标是调光范围和电源效率。上 第二章隧道l e d 照明无级调光照明控制系统 述三种调光方式在5 - - - 1 0 0 的功率范围内均连续可调。 2 ) 电源效率：在电源效率方面，采用模拟信号控制电流平均值模式的l e d 亮度控制 方式效率最高，为8 5 ；p w m 亮度控制方式、限流模式的l e d 亮度控制方式，电源效率均 较低，一般小于7 5 。 3 ) 信号传输性能：采用d co 5 v 的模拟电压信号进行传输，可控n 5 0 0 0 盏以上l e d 灯具，其传输信号有效控制距离可达1 7 k m 。采用数字信号进行传输，r s - 4 8 5 可控铝i j 3 8 4 盏l e d 灯，其传输信号有效控制距离为7 5 0 m ；d m x 5 1 2 可控$ i j l 5 3 6 盏l e d 灯，其传输信号有 效控制距离可达为7 5 0 m 。 采用d c o 5 v 的模拟电压信号，l e d 灯具的互换性高；采用数字信号进行传输，灯具 的互换性较差。 因此采用d c o 5 v 模拟电压信号传输的模拟信号控制电流平均值模式的亮度控制方 式优于采用r s 一4 8 5 或d m x 5 1 2 通讯协议传输的p w m 模式的亮度控制方式、限流模式的亮度 控制方式。本文采用的就是模拟信号控制电流平均值模式的亮度控制方式，它也将是未 来大规模l e d 灯进入隧道照明的理想控制模式。 2 2 隧道l e d 无级调光照明控制系统设计 2 2 1 隧道l e d 无级调光照明控制系统结构 本文设计的隧道l e d 无级调光照明控制系统如图2 4 所示。它将隧道照明只分为基 本照明和加强照明两个回路。其工作原理为系统的洞外亮度检测装置、洞内交通量、车 速检测装置将检测到的隧道洞外亮度信号、交通量信号、车速信号经数据处理后的控制 信号传送至l e d 亮度无级调光控制节点上，再经过数据处理后输出0 5 v 的直流模拟信 号，去控制l e d 灯上的电压控制电流源。电压控制电流源的控制端电压的变化会使其输 出电流平均值随之变化，而输出电流的变化，又会引起l e d 输出的光通量发生变化，从 而达到控制被照场所亮度的目的。 基本照明采用了模糊控制，其控制方式也采用无级控制。它以交通量和车速为模糊 输入参量，经过模糊推导输出相应的控制参数，从而控制基本照明的亮度。其灯具的布 置方式与传统的照明分级控制下灯具布置方式相同，灯具间隔和输出功率均为相同。 加强照明采用了点对点控制方式，它以洞外实测亮度为输入参数，进行软件数据处 理，输出相应2 5 6 级中的对应某一级别的亮度，从而达到隧道加强照明亮度的无级调控。 其灯具的布置方式与传统的照明分级控制下的灯具布置方式有较大的不同点，所有加强 1 2 长安大学硕士学位论文 照明灯具的输出功率均相同，也就是输出的光通量是相同的，只是改变灯间距来满足各 照明区段的亮度要求，无级调光时所有的加强灯亮度是同步变化的。这样设置的好处是 可以通过线性的改变灯间距使隧道得到线性较好的照明曲线，尽可能的和人眼适应曲线 相接近。 图2 4 隧道无级调光照明控制系统结构图 为了保证系统的可靠性和稳定性，我们还需注意以下两个问题： ( 1 ) 系统为了确保控制信号能够长距离传输而由于电压损耗而产生信号的衰减，因 此我们要求在采用0 5 v 的直流模拟电压传输控制信号时，信号能够长距离传输的先觉 条件是灯具的控制输入端具有很高的输入阻抗。我们可以推算出来o 5 v 的信号按2 5 6 级划分，电压级别相当于0 0 2 v 。因此我们只要灯具的控制输入端阻抗设置合理，控制 输入端阻抗越高，其吸入电流就越小，则控制信号总线上的电压衰减也就越小，控制信 号的传输距离就越能满足工程需要。为使系统更加稳定，给每个照明配电箱内配置一个 l e d 无级调光照明控制节点，实现按配电箱分段控制策略。 ( 2 ) 由于高速公路隧道不允许照明突然消失，因此为了避免系统断电，一般设计采 用了u p s 、e p s 电源为部分照明灯具应急供电，从而确保了电源不会中断。但为了避免 一些故障因素对系统的影响，比如说在电源正常供电情况下，如果无级调光照明控制装 置发生某种故障( 如电源故障或者传感器无输入而导致控制装置无输出) ，使灯具无控 制信号输入，也就是输入电压为0 的状况，就会造成隧道内的照明强度突然低于应急照 明的要求甚至无照明存在。因此，设计系统的时候我们只要给系统加入一个5 v 的基准 电压，就可以实现将控制信号的0 v 对应灯具的输出最大亮度，而5 v 对应灯具的输出最 第二章隧道l e d 照明无级调光照明控制系统 小亮度，且灯具的最小亮度大多数情况下不会低于额定亮度的2 0 。而本文基本照明采 用了模糊控制，亮度变化区间设置为额定亮度的5 0 n 额定亮度。这样做的目的确保了 系统在任何故障状态下，只要应急电源工作正常，隧道内就会始终存在照明，从而可以 最大限度地保障驾驶员的行车安全。 2 2 2 隧道l e d 无级调光控制电路 本次设计的隧道无级照明控制系统采用了电压控制电流源( v c c s ) 亮度控制方式， 我们通过用一个数字电位器x 9 2 4 1 输出o - 5 v 的模拟电压来控$ 1 j l e d 电源输出电流，从而 来控$ 1 j l e d 的亮度，而数字电位器采用神经元芯片t m p n 3 1 5 0 来控制。 x 9 2 4 1 是x i c o r 公司生产的一种集成数字电位器。它在单一芯片上集成了4 个1 0 k q 数 字电位器为一体的c m o s 集成电路，每个电位器的滑动端共有6 4 个离散的调节节点，并有 4 1 8 b i t 的e 2 p r o m 数据寄存器以及一个滑刷控制寄存器( w c r ) 。用户可以通过相应指令 使电位器的w c r ( 滑刷控制寄存器) 与某个数据寄存器相关联，也可以直接控$ 1 j w c r 以达 到改变电位器滑动端位置的目地。4 个电位器可以级联，可提供2 5 6 级的增益控制。数字 电位器滑臂位置的控制由用户通过1 2 c 串行总线传递增益码控制，可以实现寄存器映射、 改变滑刷位置以及进行电位器级联等操作。接法简单，使用方便，可灵活控制滑臂位置， 改变阻值大d 4 1 9 , 2 0 j 。x 9 2 4 1 采用2 0 引脚双列直插封装，其引脚排列如图2 5 n 示。其中v w i ( i = 0 - 3 ) 为四个独立的l o k f l 电位器的滑动端；v l i ( i = 0 3 ) 分别为四个电位器的 四个终端；a 3 、a 2 、a 1 、a 0 为x 9 2 4 1 芯片的设备地址；s c l ，s d a 分别为1 2 c 接口的串行时 钟和串行数据线。x 9 2 4 1 的工作电压为5 v 。 图2 5x 9 2 4 1 芯片引脚图 1 4 长安大学硕士学位论文 由于