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、抗振性能好等優點，其在軌道車輛領域的應用也越來越受到關注[1]。考慮到軌道車輛車廂照明系統在沖擊震動、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照明系統硬件對于改進軌道車輛車廂照明系統具有非常重要的意義[2]。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，設計基于WTB(絞線式列車總線)和MVB(多功能車輛總線)相結合的軌道車輛車廂LED照明控制系統。
1 LED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)車廂內照明部分，采用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)信號采集與處理部分，亮度傳感器采集的亮度信息通過單片機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WTB總線傳給各節車廂的MVB總線，以保證控制信號的高效傳輸[3]。總體硬件連接框圖如圖1所示。

    在圖1中，利用分布在各節車廂的單片機執行IPC機的控制指令控制驅動電源，實現LED燈的自動控制。通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。
2 LED照明控制系統硬件模塊設計
2.1 通信模塊的設計
    WTB總線用于構成經常動態編組以及多節車輛級聯的開放式列車，可實現車輛間的數據通信；MVB總線用于一個車輛內設備或者一個固定的車輛組內設備的數據通信，在一個車輛組內最多可以連接4 096個傳感器并且可以實現信息的高速傳輸[4]。WTB總線與MVB總線之間通過網關連接。選擇這兩種通信總線結合使用的方式，既能保證傳輸的高效性和準確性，也因為兩種總線的成熟應用節省了重新選擇總線所帶來的各種問題。
2.2 硬件散熱殼體的設計
    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燈之間增加一層鋁制薄板來增加散熱效率，采用這樣的設計使得LED燈的散熱效果良好，有效降低了LED工作時溫度，延長了使用壽命[5]。
2.3 LED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、并聯方式、混聯方式。將所有的LED串聯或并聯，不但限制LED燈的使用數量，而且并聯LED負載電流較大，驅動器的成本也會增加。綜合考慮串/并聯兩種方式的優缺點，采用串/并聯混合連接方式。同時，為了提高照明系統的容錯性，采用交叉混聯排列方式，如圖2所示。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 亮度采集模塊設計
    在保證照明控制系統對環境亮度信息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單片機作為亮度采集模塊的微處理核心[6]。與單片機的P2引腳連接的模/數轉換芯片是ADC0804，實現模/數轉換；選擇三洋系列LA0150CS照度傳感器，分布在車廂的不同位置，實現對亮度信息的高速處理。亮度采集模塊如圖3所示。

2.5 硬件驅動電源設計
    由于軌道車輛采用外部供電，高壓電經過變壓后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(電磁兼容性)濾波電路。采用橋式整流濾波電路，將220 V的工頻電流轉換成一定的直流電后進行降壓變換，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。其工作流程圖如圖4所示。

    選擇PT4107作為驅動芯片，PT4107能夠輸出范圍為18 V～450 V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，可通過PWM數字脈沖控制達到改變LED亮度的目的，滿足軌道車輛車廂LED照明驅動要求[7]。同時，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題，使電源的功率因數大大提高。
3 硬件驅動電源仿真及實驗
    采用臨界比例度法對PID進行參數整定并進行驅動電源的仿真分析。利用PID算法對PWM占空比進行控制，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對控制算法進行仿真[8]，將調節器的積分時間T1置于最大(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中的經驗公式，計算出調節器的各個參數，即δ、T1和τ的值。

    圖5是對PID參數整定后的仿真結果。可以看出，通過對PID參數的整定，控制曲線在1 s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，通過模擬傍晚天色逐漸變暗的過程得出了LED燈電流的仿真曲線圖，如圖6所示，圖中實曲線是系統根據亮度變化過程應該輸出的電流值，帶點曲線是仿真中得到的系統輸出電流的曲線。從圖6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。

　將傳感器采集的數據量傳給IPC機進行數據融合，系統再根據融合得到的環境亮度值對LED燈發送不同占空比的PWM信號進行調光。實驗過程如圖7所示。

     圖7中，(a)、(b)、(c)分別為外界環境亮度不同時，LED照明系統的自動調光過程。表2為實驗數據。
    由表2可見，設計的硬件系統可以實現對車廂內LED燈亮度的自動調節。對數據進行分析可知，系統對車廂亮度的調節誤差小于1%，滿足系統對軌道車輛車廂的LED照明控制的要求。
    本文設計的基于WTB總線和MVB總線的軌道車輛車廂LED照明系統采用集中式控制方式，根據車廂LED照明調光要求對LED燈樣機進行實驗驗證，通過模擬傍晚由明到暗的過程對設計的硬件系統進行了調光實驗。實驗結果表明，設計的硬件系統工作狀態良好，無噪音，LED燈發光均勻穩定，能夠實現自動調光，驗證了本文硬件設計的正確性和合理性。
參考文獻
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