专利名称：控制供给放电灯的功率的功率控制设备、装置和方法
技术领域：
本发明涉及一种控制供给放电灯例如利用电力电源工作的荧光灯、卤光灯等的功率的设备和方法。
功率控制设备和镇流器被广泛地用来控制供给放电灯的功率。镇流器可以被用于优化放电灯的预热和点火，保持放电灯的一个恒定功率来保持一个选择的光强或使控制的亮度减小到放电灯的一个固定的，但是可调的功率水平。
US5910713公开了一种模拟功率控制系统，其中电灯电流检测电路提供一个代表电灯中的电流的信号，该信号被用在反馈回路中来调节供给电灯的功率。该功率控制系统的目的是为了稳定电灯中的电流。但是，没有实现调节电源来稳定电灯的功率。
US4928038公开了一种具有由电源开关的切换频率控制的电源的模拟功率控制电路。供给电灯的功率是根据检测到的流过电源开关本身的电流而不是电灯内的电流来控制的。
US5806055公开了一种数字镇流器(功率控制设备)，其中用数字控制回路来逼近模拟控制回路。数字镇流器提供了一种相对较低成本的功率控制。与模拟镇流器相比，数字镇流器用途广泛并且能够容易地实现复杂控制和定时过程。
通常电灯的电源是电力线，因此由电源提供的信号包括脉动(通常100Hz或120Hz)。该脉动也出现在控制回路信号中，诸如测量的电灯电压和/或测量的电灯电流。使用控制回路信号的数字控制将尽可能地消除脉动。这将造成采样频率和脉动的混频，该混频会造成控制回路的不稳定从而导致可见的光的闪烁。
本发明的目的是提供一种用于控制供给具有改进了稳定性的放电灯的功率的功率控制设备和方法。
根据本发明的第一方面，提供一种用于控制供给利用电力电源工作的放电灯的输出功率的功率控制设备，包括-功率水平确定装置，用于确定实际的电灯功率水平；-误差确定装置，用于确定所确定的电灯功率水平与给定参考功率水平之间的误差；-输出功率确定装置，用于当误差在一个给定的窗口内时，保持由电力电源供给电灯的输出功率水平并且在误差在一个给定的窗口外时，朝着参考功率水平调节由电力电源供给电灯的输出功率水平。输出功率水平仅仅当参考功率水平，例如由电灯使用者设置的(暗淡)级与实际功率水平之间的差异超过给定值时才被调节。这个给定值被选择大于电灯消耗的功率的脉动。如果参考功率水平和测量的电灯功率水平之间的差异很小，该差异就被认为是由脉动造成的并且因此不产生校正动作。
在数字功率控制设备中，实际功率水平和因此产生的误差例如用500Hz的时钟频率被反复地确定，并将输出功率水平朝着参考水平反复地调节。
一方面，窗口应该足够宽来消除脉动。另一方面，窗口应该足够窄来对变暗的电灯提供足够的功率控制。因此在优选实施例中，窗口宽度是根据给定参考功率水平确定的。由于因为电源的电流消耗在低输出功率时降低，因此直流电压上的脉动随着输出功率水平的降低而降低，窗口朝着较低的参考功率水平收紧。
在另一个优选实施例中，输出功率确定装置包括用于在最大窗口宽度和最小窗口宽度之间改变窗口宽度的装置，它们的比率最好是大约1/10或更大。最小窗口宽度应该被保持能够消除由于缺少输入和/或输出分辨率(例如由A/D和D/A转换器确定的分辨率)产生的有限周期振荡。因此最大和最小窗口宽度是可变的，取决于所采用的电子电路(微控制器)的分辨率。在具有高分辨率的微控制器地情况下，最好有大的比率。
在另一个优选实施例中，输出功率确定装置包括用于根据预存储的标称电灯功率水平和被输入到输出功率确定装置的暗淡级确定参考功率水平的装置。这使功率控制装置适合于不同类型的电灯(50W，60W，等等)。电灯类型的变化只需替换最好存储在下面将要描述的微控制器中的标称功率值来使功率控制设备适应给定类型的电灯。
在另一个优选实施例中，一个或多个校正取决于误差水平。当误差较大时，控制装置将使用一个相对较大的步长来反复校正输出功率，而当误差较小时，控制装置将使用一个相对较小的步长来反复校正输出功率。
在另一个优选实施例中，输出功率确定装置和误差确定装置包括一个与接口电路(IFC)连接的可编程微控制器(MC)。该微控制器通过在其存储器中存储软件来编程。通过修改在微控制器上运行的软件来使控制设备适应不同的电灯类型并且实现复杂控制和定时过程。
在一个优选实施例中，输出功率确定装置可以被连接到一个或多个电力电源的开关元件上以便通过控制开关元件的开关来控制输出功率。在此实施例中，供给电灯的输出功率取决于开关元件的工作周期。
根据本发明的另一方面，提供一种用于向放电灯提供功率的装置，最好包括前面描述的功率控制设备，该装置包括-一个电工作周期受控的电源，用于向电灯提供功率；-功率水平确定装置，用于确定电灯功率的实际水平；-误差确定装置，用于确定所确定的电灯功率水平和给定参考功率水平之间的误差；-输出功率确定装置，与电源相连用于控制电源的工作周期以便仅仅当误差落在给定窗口外时朝着参考功率水平调节供给电灯的输出功率。在此装置中最好使用前面所述的功率控制设备。在一个优选实施例中，直流电源是可控的并且功率确定装置控制直流电源的输出电压(UDC)以便调节输出功率。在此实施例中使用一个电压变化方法来控制输出功率。在另一个优选实施例中，电源的工作频率是可控的并且功率确定装置控制直流电源的输出电压以便调节输出功率。在此实施例中，使用一种频率变化方法来控制输出功率。
根据本发明的另一方面，提供一种控制供给利用电力电源工作的放电灯的功率的方法，包括-确定由电灯消耗的实际功率水平；-确定实际电灯功率水平和给定参考功率水平之间的误差；-如果误差落在给定窗口内，保持供给电灯的输出功率水平；-如果误差落在给定窗口外，朝着参考功率水平调节供给电灯的输出功率水平，窗口的宽度最好取决于给定的参考功率水平。
在下面对本发明的优选实施例的描述中将给出进一步的优点，特征和细节。在描述中，对附图进行了参考。
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图1是显示本发明的用于操作放电灯的优选实施例的方框-图2显示在输出功率和参考功率之间的偏差上使用的积分窗口；-图3显示在输出功率和参考功率之间的偏差上使用的两个积分窗口；-图4显示电灯在标准功率水平和暗淡功率水平下工作时的电灯功率上的脉动图；-图5显示一个滑动窗口的作为暗淡级的函数的窗口宽度。
根据本发明的优选实施例的电灯电源是定频脉宽调制(PWM)类型的工作周期受控的电源，它使用相同的频率用于电灯的点火，正常工作和暗淡工作。在图1所示的实施例中，电源是一个半桥，它产生一个方波信号并且用于电灯的点火和正常/暗淡工作。
电源以对称的模式工作。两个开关元件的工作周期是相等的，它们的工作时间以开关周期的1/2彼此分开。在点火阶段L-C组合Llamp、Clamp释荷从而产生一个通过电灯的高电压，这使电灯点火。在燃烧阶段L-C组合，Llamp和Clamp被电灯加载。发送给电灯的功率由该工作周期确定。因此，电灯电源由一个参数-开关元件的工作周期来控制。
在图1的方框图中显示一个与电力线(220V AC)连接的二极管桥B1。桥B1对电力线进行整流并且提供一个大约300V的直流电压。
为了驱动电灯，显示了一个半桥驱动电路，其中开关元件由两个功率晶体管(功率FETs)Q1和Q2组成。开关元件Q1和Q2的栅极被来自以下将要被描述的控制电路的驱动器信号GHB1和GHB2驱动。
接下来显示一个直流阻塞电容器CDC，一个用于驱动电灯的LC组合Llamp，Clamp，以及一个与接口电路(IFC)连接的微控制器MC来分别为晶体管Q1和Q2提供控制信号GHB1和GHB2。由于微处理器以较低的电压工作(典型为5V电源)时，输入信号一定要在0到5V的范围内并且因此微控制器可以发送的输出信号也在这个范围内。因此，接口电路(IFC)被提供来将电压和电流转换成微控制器(MC)可以使用的指示信号并且将来自微控制器(MC)的控制信号转换成开关元件Q1和Q2可以使用的驱动器信号。微控制器(MC)装备A/D转换器和D/A转换器，可编程或不可编程的只读存储器(ROM)，和/或随机存取存储器(RAM)。在存储器中存储控制软件。
虽然图1中没有表示，也可以提供用来在电灯点火之前预热电极的电极加热电路和各种类型的保护电路。
微控制器MC在软件的控制下输出一个方波，该方波在具有RC滤波器的接口电路中被平均来消除脉动分量。由此产生的直流电压被接口电路(IFC)使用来分别为开关元件Q1和Q2产生驱动器信号GHB1和GHB2。因此，用来控制电灯电源的工作周期是由存储在微控制器的存储器中的软件确定的。
可以通过修改在微控制器上运行的软件来实现稳定电灯中的功率或电流、最优化点火、预热和电极加热的功能、以及将其适用于不同的电灯类型。这些功能通过数字控制回路来实现，微控制器为数字控制回路执行多个物理量例如电灯中的电流、通过电灯的电压，供电电流和供电电压的测量。
Ilamp是电灯中的电流。Ilamp可以通过多种方式确定。在图1的实施例中，Ilamp由电灯电流互感器T来确定，互感器的初级绕组被连接在电灯的一个电极和地之间。电灯电流互感器T的次级绕组的电压在桥电路中(未显示)被整流和平均。由此产生的信号代表电灯电流Ilamp。
Ulamp是通过电灯的实际电压。Ulamp可以通过多种方式确定。在图1的实施例中，Ulamp是用取自高阻抗分压器和整流电路(DRV)的电压表示的。
Isupply由通过分压器D1的分路电阻的平均电压表示，而Usupply由来自分压器Du的平均电压表示。
信号Ilamp、Ulamp、Usupply和Isupply被送给接口电路(IFC)，接口电路将这些信号转换成微控制器可以使用的指示信号。
实际电灯功率可以通过同时测量通过电灯的电压Ulamp，测量电灯中的电流Ilamp并且随后将测量的电压Ulamp和电流Ilamp相乘来计算。这个乘法由微控制器执行。还可以设想使用例如下述的指数数字滤波器来计算平均功率水平Plamp,n＝Plamp,n-1*(1-a)*Ilamp,n-1*Ulamp,n-1其中Plamp,n是为时间n计算的电灯的功率值，Plamp,n-1、Ulamp,n-1和Ilamp,n-1是时间n-1的功率、电压和电流，并且a是一个常数(0＜a＜1)。
得到的控制输入功率Plamp,n与代表实际需要的功率水平(目标水平)的参考功率水平Pref作比较。参考功率水平是将预存在微控制器MC的存储器中并且取决于给定的使用的电灯的标称电灯功率与代表电灯暗淡级的多个预存值中的一个相乘来得出的。暗淡级可以通过多种方式设置，例如通过调节由操作者操作的开关(未显示)来设置。
通过在微控制器上运行软件实现的电灯功率控制过程的目的在于将电灯的功率保持在基于参考功率水平或暗淡级的值。该控制过程可以通过使用模糊规则集来实现，更特别地通过在积分窗口过程中使用模糊规则来实现。
在积分窗口过程中，测量的功率水平与参考功率水平之间的偏差(误差)的幅度和正负号确定将要执行哪个动作。在图2中显示一个从-W/2到+W/2的窗口。如果偏差在{-W/2，+W/2}窗口内，不发生校正动作。如果偏差在{-W/2，+W/2}窗口外，微控制器执行一个校正动作，产生一个微控制器输出的校正值。由此产生GHB1和GHB2的工作周期的校正值和随后的输出电灯功率Plamp。
上面给出了微控制器是如何只使用一个积分窗口来实现积分窗口控制过程的描述。如图3所示，在另一个优选实施例中，微控制器使用两个或多个窗口实现积分窗口控制过程。例如，如果偏差在第一个{-W1/2，+W1/2}(子)窗口内，不执行校正。如果偏差在第一个{-W1/2，+W1/2}(子)窗口外，但是在第二窗口{-W2/2，+W2/2}内，实施第一校正C1，而如果偏差在第二窗口{-W2/2，+W2/2}外，实施比第一校正大的第二校正C2。在所示实施例中分别通过以一个相对较小和一个较大的步长增加或降低输出功率来实现校正C1和C2。如果例如操作者操作上述的开关并设置暗淡级，和将参考功率水平设置到其原始值的一半，就导致了一个相对较宽的窗口外的一个负偏差，从而导致微控制器以输出功率水平的快速降低来响应。不久偏差将达到相对较宽的窗口的范围内，但是在相对较窄的窗口外，作为其后果，如果偏差为正，就会发生输出功率水平的缓慢降低或增加。
在上述实施例中，校正是作为常量的相对较小和相对较大的步长来实现的。这意味着校正与测量的功率水平和参考功率水平之间的偏差(误差)无关。然而，在另一个实施例中，供给电灯的输出功率，或者至少供给电灯的功率的工作周期满足Pn＝Pn-1+Kp(En-En-1)+KiEn其中Pn是在时间n供给电灯的输出功率水平(输出功率水平的工作周期)，Pn-1是供给当前采样的电灯的输出功率水平(输出功率水平的工作周期)，En和En-1是当前采样和先前采样的误差，Kp是比例增益并且Ki是积分增益。当增益因数对于满足-W/2＜E＜+W/2的误差信号变成零时，我们就有一个窗口积分/比例数字控制。这也适用于两个或多个窗口。当增益因数对于满足-W1/2＜E＜+W1/2的误差信号变成零时，如果-W2/2＜E＜-W1/2或者+W1/2＜E＜+W2/2，具有一个相对较小的值，并且如果E-W2/2或者E＞W2具有一个相对较大的值，从而实现两个窗口积分/比例数字控制。在此实施例中，对输出功率的校正取决于误差E并且校正输出功率的重复过程将在一个相对较短的时间中收敛。
由于电源的直流源是整流的电力线，由电源供给的信号包括脉动(通常100Hz或120Hz)。该脉动也出现在测量的电灯电压Ulamp和测量的电灯电流Ilamp和随后计算的电灯功率Plamp的工作周期中。数字控制将试图消除脉动。这将造成采样频率和脉动的混合，该混合将导致控制回路的不稳定从而造成视觉上的光的闪烁。因此窗口必需具有足够的宽度来保持控制回路的稳定。为了消除测量的电灯功率中的脉动，窗口应该具有一个宽度至少是电灯标称功率的10％的窗口(即W＝0.1*Pnormal)。用于50W的标称功率的电灯的高频电源需要例如一个+/-2.5W(即W＝2.5)的抗脉动窗口。如果输出功率水平被降到5W并且施加相同的窗口，控制公差将是2.5W到7.5W。在后一种情况下使窗口太宽以致于功率控制不充分。
由于高频功率发生器的电流消耗在低功率输出时下降，直流供电电压上的脉动随着暗淡的增加而减小。图4显示了电灯在其标称功率水平50W下被驱动和在暗淡功率水平5W下被驱动时电灯的直流供电电压上的脉动。标称功率上的最大脉动大约是5W，其大约是标称功率的10％。因此，从-2.5W到2.5W(W＝5W)的窗口足以保持控制回路的稳定。在5W的暗淡功率水平上的脉动大约是50mW，它大约是标称功率的0.1％。此时范围仅仅为-25mW到+25mW(W1＝50mW)的窗口将足以保持控制回路的稳定。因此窗口朝着较高的暗淡等级收紧。
然而最小窗口宽度应该被保持以便能够消除由于缺少输入和/或输出分辨率(例如由A/D和D/A转换器确定的分辨率)产生的有限周期振荡。
在优选实施例中，窗口宽度被预存储在微控制器(MC)的存储器中作为参考功率的函数或暗淡级的函数。
在存储器中存储了包含多个窗口宽度值和相应的暗淡级的表，根据由操作者设置的暗淡级从存储器中检索它们。图5显示了表示窗口宽度作为电灯的暗淡级的函数的连续曲线。当电灯工作在50W的标称功率时，施加5W的最大窗口宽度W1。控制公差是+47.5到+52.5W，能够实现足够的功率控制。当电灯被工作在5W的暗淡的功率水平时，窗口宽度重复地滑落到1W的宽度W1，即降低到大约其最大尺度的1/5。此时的控制公差是+4.5W到+5.5W，能够实现足够的功率控制。
当电灯工作在一个小于正常功率的10％的更暗淡功率水平时，窗口宽度进一步降低到最小窗口宽度，它取决于微控制器和其A/D和D/A转换器的分辨率。
图5显示了窗口宽度随着输出功率降低线性地减小。然而，窗口宽度的非线性降低是有利的，例如在最大输出功率的区中的一个相对较慢的降低和一个在最小输出功率的区中的一个相对较快的降低。
权利要求
1.用于控制供给利用电力电源工作的放电灯的输出功率的功率控制设备，包括-功率水平确定装置，用于确定实际的电灯功率水平；-误差确定装置，用于确定所确定的电灯功率水平和给定的参考功率水平之间的误差；-输出功率确定装置，如果所述误差落在给定窗口内，保持由电力电源供给电灯的输出功率水平并且如果所述误差落在所述给定窗口外，朝着所述参考功率水平调节由电力电源供给所述电灯的输出功率水平。
2.根据权利要求1的功率控制设备，其中所述窗口的宽度超过电灯功率上的脉动。
3.根据权利要求1或2的功率控制设备，其中所述窗口的宽度取决于所述给定参考功率水平。
4.根据权利要求1，2或3的功率控制设备，其中所述输出功率确定装置包括用于朝着低参考功率水平减小窗口宽度并且朝着高参考功率水平增加窗口宽度的装置。
5.根据权利要求1-4的任何一个的功率控制设备，其中所述输出功率确定装置包括在最大窗口宽度和最小窗口宽度之间改变窗口宽度的装置，其比率最好是大约1/10或更多。
6.根据权利要求5的功率控制设备，其中最大和最小窗口宽度的比率与最大输出功率和最小输出功率的比率为同一数量级，所述比率是由预定的最小和最大窗口宽度边界限定的。
7.根据前面任何一个权利要求的功率控制装置，其中所述输出功率确定装置包括用于根据预存储的标称功率水平和被输入到输出功率确定装置的暗淡级来确定参考功率水平的装置。
8.根据权利要求1-7的任何一个的功率控制设备，其中所述输出功率确定装置包括当所述误差位于所述窗口外时，分别用第一校正和第二校正反复升高或降低所述输出功率水平，并且在所述误差在所述窗口内时，保持所述输出功率水平的装置。
9.根据权利要求1-8的任何一个的功率控制设备，其中所述输出功率装置包括当所述误差在所述主窗口内而在所述主窗口的子窗口外时，分别使用第三和第四校正来升高或降低由电源供给的输出功率水平的装置，其中所述第三和第四校正分别小于所述第一和第二校正。
10.根据权利要求8或9的功率控制设备，其中所述校正是预存储在所述输出功率装置中的因数C1，C2，C3，C4。
11.根据权利要求8，9或10的功率控制设备，其中一个或多个校正取决于所述误差水平。
12.根据权利要求11的功率控制设备，其中输出功率水平的工作周期或供给电灯的输出功率水平满足Pn＝Pn-1+Kp(En-En-1)+KiEn其中Pn是在时间n供给电灯的输出功率水平(输出功率水平的工作周期)，Pn-1是在时间n-1供给电灯的输出功率水平(输出功率水平的工作周期)，En和En-1分别是在时间n和n-1的误差，Kp是比例增益并且Ki是积分增益。
13.根据前面的任何一个权利要求的功率控制设备，所述功率水平确定装置包括-用于确定通过电灯的实际电压的装置；-用于确定电灯中的实际电流的装置；-用于从实际电压和实际电流确定实际功率水平的装置。
14.根据前面的任何一个权利要求的功率控制设备，其中所述输出功率确定装置和所述误差确定装置包括一个与接口电路(IFC)连接的可编程微控制器(MC)。
15.根据前面的任何一个权利要求的功率控制设备，其中所述输出功率确定装置可以被连接到一个或多个电力电源的开关元件以便通过控制所述开关元件的开关来控制输出功率。
16.用于为放电灯提供功率的装置，包括-一个为电灯提供电力的电力电源；-功率水平确定装置，用于确定实际电灯功率水平；-误差确定装置，用于确定所述确定的电灯功率水平和一个给定参考功率水平之间的误差；-输出功率确定装置，与电源相连来控制输出功率以便仅仅当所述误差落在一个预定窗口外时朝着所述参考功率水平调节将要供给电灯的输出功率。
17.根据权利要求16的装置，其中直流电源(UDC)是可控的并且所述功率确定装置控制所述直流电源的输出电压(UDC)以便调节输出功率。
18.根据权利要求16的装置，其中工作频率(在GHB1，GHB2处)是可控的并且所述功率确定装置控制所述直流电源的输出电压(UDC)以便调节输出功率。
19.根据权利要求16-18的任何一个的装置，其中所述电源是开关模式的电源(SMPS)。
20.根据权利要求16-19的任何一个的装置，其中所述电源是定频脉宽调制(PWM)类型。
21.根据权利要求16-20的任何一个的装置，包括一个根据权利要求1-15中的任何一个的功率控制设备。
22.控制供给用电力电源工作的放电灯的功率的方法，包括-确定电灯消耗的功率的实际功率水平；-确定实际电灯功率水平和一个给定参考功率水平之间的误差；-如果所述误差落在一个给定窗口内，保持供给电灯的输出功率水平；-如果所述误差落在所述给定窗口外，朝着所述参考功率水平调节供给电灯的输出功率水平。
23.根据权利要求22的方法，其中所述窗口宽度取决于给定参考功率水平。
24.根据权利要求22或23的方法，其中所述窗口宽度朝着低参考功率水平减小并且朝着高参考功率水平增加。
25.根据权利要求22，23或24的方法，其中所述窗口宽度是可以在最大窗口宽度和最小窗口宽度之间可变的，其比率大约是1/10或更大。
26.根据权利要求22-25的任何一个的方法，其中所述参考功率水平是由预先设定的标称电灯功率和一个输入暗淡级确定的。
27.根据权利要求22-26的任何一个的方法，其中使用了一个根据权利要求1-15的任何一个的功率控制设备和根据权利要求16-21的任何一个的装置。
全文摘要
本发明涉及一种用于控制供给用电力电源工作的放电灯的输出功率的功率控制设备，包括功率水平确定装置，用于确定实际电灯功率水平；误差确定装置，用于确定所确定的电灯功率水平和一个给定的参考功率水平之间的误差；以及输出功率确定装置，用于在误差落在一个给定窗口内时，保持由电力电源供给电灯的输出功率水平，并且在误差落在一个给定窗口外时，朝着参考电压功率水平调节由电力电源供给电灯的输出功率水平。
文档编号H05B41/392GK1463569SQ02801988
公开日2003年12月24日 申请日期2002年5月24日 优先权日2001年5月31日
发明者A·W·布伊, M·贝 申请人:皇家菲利浦电子有限公司