LED隧道照明控制系统的研究与开发[2]

　　采用CAN和RS485总线通信技术进行数据传输，都需要专门投资铺设通讯线路，当数据传输总线与LED灯电源线路并行敷设时，会有高压脉冲耦合侵入，通信质量易受到影响。而Zigbee是基于IEEE802.15.4协议的一种新兴的短距离无线通讯技术，能有效解决以上问题，非常适合在测量节点较多、分散、不要求较高数据传输速率的控制领域应用。本系统中的隧道照明控制器配备Zigbee模块，能够简单快速地进行Zigbee组网。图4为Zigbee无线网络照明控制示意图。

　　图4 Zigbee无线网络照明控制示意图

　　相对于舞台照明需要场景的快速变化，隧道照明的调光变化较缓慢，因此在通信协议的选择上采用了更为合适的DALI(DigitalAddressableLightingInterface:数字可寻址照明接口)协议标准。DALI是照明控制设备之间数据通信的接口标准，该技术的最大特点是可对系统内LED灯具独立寻址并进行精确的控制，尽管这些灯具在强电上是同一个回路或不同回路，但在照明控制上与强电线路无直接的联系。该技术为控制带来极大的灵活性，可根据需要设计满足其需求的照明方案，甚至在安装结束后的运行过程中仍可修改控制参数，而无须对线路做任何改动。采用DALI标准的系统，功能模块相对较少，结构简单，安装方便，调试也十分便捷，可以实现许多基于回路控制的智能照明控制系统无法实现的功能。

　　同时，DALI技术是双向通讯，不仅可以发送控制指令，而且可反馈LED照明控制器及光源的工作状态和故障信息，这给运营维护和集中管理带来了极大的便利。DALI协议采用数字照明控制技术，其无可比拟的先进性，精确的控制效果以及技术的标准化和优异的开放性，使得数字照明技术在照明控制领域迅速普及与推广，而运用数字照明也正成为一种设计潮流和应用趋势。

　　4 LED隧道灯智能控制单元

　　在LED隧道照明控制系统中，LED灯智能控制单元是整个照明控制系统的核心，它接收来自隧道照明控制器的控制命令，并控制流过LED的电流，从而达到调光的目的。

　　以CREE公司Q5芯片为例，单颗芯片额定电流为350mA，控制流过LED的电流大小即可控制其发出的光通量，控制电流可采用以下2种方法:

　　(1)通过斩波调相控制电流从0～350mA之间连续可调，但采用这种方案需要重新设计开关电源，面对众多LED厂家的电源，适应性很差，不利于普及推广。

　　(2)以各厂家LED灯具电源的额定输出电流为基准值，采用PWM(PulseWidthModulation:脉宽调制)的方式控制电源的平均输出电流从而实现调光控制。

　　本系统的LED灯调光控制器采用PWM方式调制，光通量0～256级连续可调，可连接于灯具电源和LED模组之间，与照明灯具原有电源无关，根据需要最多可控制6个LED模组。因为无需改变原有灯具电源结构，因而适应性广，控制精度高，稳定性好。LED灯智能控制单元系统结构如图5所示。

　　图5 LED灯智能控制单元系统结构图

　　各LED灯具厂家根据自身灯具的特点对LED灯珠采用串并联结构，将LED灯珠组合成1个或几个模块，在每个模块内采用串联结构，模块间采用并联结构。LED灯智能控制单元根据接收到的控制命令控制每个模组的PWM调制信号，可实现分组调光或联合调光。

　　在PWM调制频率的选择上，应考虑在隧道内LED照明灯可能会与其他光源产生差频效应。隧道内除LED灯外，可能还安装有高压钠灯、荧光灯等，如果频率过低，差频后会出现严重的频闪，严重时将影响隧道内行车安全。但是如果PWM的调制频率过高，又会增加开关损耗，导致电源发热，电源效率降低。根据多次研究测试，将PWM调制信号的频率选择在2kHz～10kHz之间较为合适，本方案选择的调制频率为6kHz。

　　LED灯智能控制单元的关键部件为大功率开关器件，可供选择的开关器件有可控硅、大功率MOS管、晶闸管、IGBT等。可控硅技术成熟、控制简单，但工作频率较低，不适合PWM调制应用，而晶闸管、IGBT等通常应用于几十安以上的大电流场合，因此本方案选择大功率MOS器件。

　　根据对大功率MOS器件的失效模型分析，在大于90%的情况下MOS器件的失效均表现为断路失效，因此为了保证照明控制系统的可靠性，开关器件采用旁路方式，这样在绝大多数故障情况下，会保持LED灯具全亮，从而保证隧道内行车安全。

　　测试结果表明，采用PWM调制电源效率高、对供电电源的污染较小。开关电源高压侧电流波形如图6所示，图7为电源电流频谱分析图。由图7可知，3次、5次谐波已分别衰减到5.2%、4.3%，说明采用此方案对电源系统的污染很小。

　　图6 电源电流波形图

　　5 结束语

　　在实际使用过程中，隧道照明控制系统还应与隧道通风系统、火灾报警系统以及环境监测系统互联，以达到最佳的控制效果。由于隧道的特殊结构，隧道内的烟尘特别多，且不易消散，隧道照明控制系统既要考虑光线的穿透性能，也要考虑由于烟尘反射而造成的亮度损失。而隧道通风则是降低烟雾浓度的有效手段，因此，照明控制和通风控制之间存在一定的联系，如何使二者统一且节能效果更好，有待进一步探讨。当隧道发生火灾时，为了紧急救援，如何快速及时打开全部照明，也有待研究。

　　但无论如何，LED隧道照明控制系统以其良好的控制性能和有效的节能降耗策略，必将在隧道照明系统中得到广泛的应用，为提高高速公路的运营效率，降低运行成本，提高行车安全性发挥更大的作用。

编辑：Cedar