目前大部分軌道車輛車廂內(nèi)使用的還是傳統(tǒng)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(huán)保、壽命長、能量轉(zhuǎn)換效率高、抗振性能好等優(yōu)點，其在軌道車輛領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越受到關(guān)注[1]。考慮到軌道車輛車廂照明系統(tǒng)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(xiàn)有的LED照明系統(tǒng)硬件不能直接應(yīng)用于軌道車輛車廂當(dāng)中，研究開發(fā)抗干擾能力強、散熱性好、工作穩(wěn)定的軌道車輛車廂LED照明系統(tǒng)硬件對于改進軌道車輛車廂照明系統(tǒng)具有非常重要的意義[2]。另外，隨著生活質(zhì)量的提高，人們對軌道車輛舒適性的要求也越來越高，實現(xiàn)軌道車輛照明系統(tǒng)的自動調(diào)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(tǒng)的特點，設(shè)計基于WTB(絞線式列車總線)和MVB(多功能車輛總線)相結(jié)合的軌道車輛車廂LED照明控制系統(tǒng)。
1 LED照明控制系統(tǒng)硬件設(shè)計
    設(shè)計的硬件系統(tǒng)主要分成三部分：(1)車廂內(nèi)照明部分，采用LED作為發(fā)光源，設(shè)計了LED的驅(qū)動電源來控制LED的驅(qū)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(nèi)的上位機IPC機，利用上位機軟件完成數(shù)據(jù)融合處理；(3)信息傳遞部分，IPC機處理后的數(shù)據(jù)信息通過WTB總線傳給各節(jié)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(jié)車廂的單片機執(zhí)行IPC機的控制指令控制驅(qū)動電源，實現(xiàn)LED燈的自動控制。通過各部分的共同作用，實現(xiàn)了對軌道車輛LED照明系統(tǒng)的控制。
2 LED照明控制系統(tǒng)硬件模塊設(shè)計
2.1 通信模塊的設(shè)計
    WTB總線用于構(gòu)成經(jīng)常動態(tài)編組以及多節(jié)車輛級聯(lián)的開放式列車，可實現(xiàn)車輛間的數(shù)據(jù)通信；MVB總線用于一個車輛內(nèi)設(shè)備或者一個固定的車輛組內(nèi)設(shè)備的數(shù)據(jù)通信，在一個車輛組內(nèi)最多可以連接4 096個傳感器并且可以實現(xiàn)信息的高速傳輸[4]。WTB總線與MVB總線之間通過網(wǎng)關(guān)連接。選擇這兩種通信總線結(jié)合使用的方式，既能保證傳輸?shù)母咝院蜏?zhǔn)確性，也因為兩種總線的成熟應(yīng)用節(jié)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(shè)計
    LED發(fā)光過程中將約62%的電能轉(zhuǎn)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(shè)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(lián)方式、并聯(lián)方式、混聯(lián)方式。將所有的LED串聯(lián)或并聯(lián)，不但限制LED燈的使用數(shù)量，而且并聯(lián)LED負載電流較大，驅(qū)動器的成本也會增加。綜合考慮串/并聯(lián)兩種方式的優(yōu)缺點，采用串/并聯(lián)混合連接方式。同時，為了提高照明系統(tǒng)的容錯性，采用交叉混聯(lián)排列方式，如圖2所示。在同一條串聯(lián)支路中，若有一個LED燈損壞，使一條串聯(lián)的LED燈不能調(diào)節(jié)時使用交叉式排列，在機械結(jié)構(gòu)的同一行，間隔性的還有LED燈正常工作，從而克服了串聯(lián)LED燈損壞導(dǎo)致整行亮度不能調(diào)節(jié)的缺點。

2.4 亮度采集模塊設(shè)計
    在保證照明控制系統(tǒng)對環(huán)境亮度信息的高速處理能力同時節(jié)約成本的前提下，結(jié)合軌道車廂的環(huán)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(shù)轉(zhuǎn)換芯片是ADC0804，實現(xiàn)模/數(shù)轉(zhuǎn)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(xiàn)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(qū)動電源設(shè)計
    由于軌道車輛采用外部供電，高壓電經(jīng)過變壓后供車廂內(nèi)部電路使用，在降壓過程中會產(chǎn)生諧波干擾，為了消除電網(wǎng)中的電磁干擾，設(shè)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(zhuǎn)換成一定的直流電后進行降壓變換，再經(jīng)過正激式DC/DC變換器變換為特定電壓的穩(wěn)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(qū)動芯片，PT4107能夠輸出范圍為18 V～450 V的電壓，能夠驅(qū)動上百個LED的混聯(lián)應(yīng)用，可外部設(shè)定過溫保護，可通過PWM數(shù)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(qū)動要求[7]。同時，設(shè)置了PFC（功率因數(shù)校正）電路，克服了橋式整流濾波電路后功率因數(shù)降低的問題，使電源的功率因數(shù)大大提高。
3 硬件驅(qū)動電源仿真及實驗
    采用臨界比例度法對PID進行參數(shù)整定并進行驅(qū)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(qū)動電源的輸出電流，使LED的發(fā)光達到預(yù)定值。利用Matlab對控制算法進行仿真[8]，將調(diào)節(jié)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(dāng)，平衡操作一段時間，把系統(tǒng)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(jù)δk和Tk的值，采用表1中的經(jīng)驗公式，計算出調(diào)節(jié)器的各個參數(shù)，即δ、T1和τ的值。

    圖5是對PID參數(shù)整定后的仿真結(jié)果。可以看出，通過對PID參數(shù)的整定，控制曲線在1 s以內(nèi)達到穩(wěn)定值，系統(tǒng)響應(yīng)速度快，無超調(diào)。
    為了檢驗驅(qū)動電源的自動調(diào)節(jié)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(tǒng)根據(jù)亮度變化過程應(yīng)該輸出的電流值，帶點曲線是仿真中得到的系統(tǒng)輸出電流的曲線。從圖6可以得出，系統(tǒng)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(diào)節(jié)的要求。

　將傳感器采集的數(shù)據(jù)量傳給IPC機進行數(shù)據(jù)融合，系統(tǒng)再根據(jù)融合得到的環(huán)境亮度值對LED燈發(fā)送不同占空比的PWM信號進行調(diào)光。實驗過程如圖7所示。

     圖7中，(a)、(b)、(c)分別為外界環(huán)境亮度不同時，LED照明系統(tǒng)的自動調(diào)光過程。表2為實驗數(shù)據(jù)。
    由表2可見，設(shè)計的硬件系統(tǒng)可以實現(xiàn)對車廂內(nèi)LED燈亮度的自動調(diào)節(jié)。對數(shù)據(jù)進行分析可知，系統(tǒng)對車廂亮度的調(diào)節(jié)誤差小于1%，滿足系統(tǒng)對軌道車輛車廂的LED照明控制的要求。
    本文設(shè)計的基于WTB總線和MVB總線的軌道車輛車廂LED照明系統(tǒng)采用集中式控制方式，根據(jù)車廂LED照明調(diào)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(shè)計的硬件系統(tǒng)進行了調(diào)光實驗。實驗結(jié)果表明，設(shè)計的硬件系統(tǒng)工作狀態(tài)良好，無噪音，LED燈發(fā)光均勻穩(wěn)定，能夠?qū)崿F(xiàn)自動調(diào)光，驗證了本文硬件設(shè)計的正確性和合理性。
參考文獻
[1] 王雅芳.基于照明特性分析的串聯(lián)飽和型恒流驅(qū)動設(shè)計[J]. 電力電子技術(shù)，2009，43(4)：53-54.
[2] 羅曉霞.LED照明系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計[D].長春：長春光學(xué)精密機械與物理研究所，2011.
[3] 李國平.列車通信網(wǎng)絡(luò)WTB/MVB與Lon Works的技術(shù)比較與應(yīng)用[J].鐵道車輛，2004，42(1)：22-25.
[4] 李常賢，鄒積巖，趙明花，等.一種基于MVB網(wǎng)絡(luò)通信的中央控制設(shè)備設(shè)計方案及其實現(xiàn)[J].鐵道學(xué)報，2010，32(2)：125-130.
[5] 汪雙鳳，胡艷鑫，陳金建.應(yīng)用于LED燈具散熱的平板熱管傳熱特性[J].工程熱物理學(xué)報，2012(8)：1371-1374.
[6] 楊旸，趙夢戀，陸佳穎，等.高亮度白光LED驅(qū)動控制器設(shè)計[J].浙江大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版)，2010，44(1)：111-117.
[7] 陸彥超，隋修武，杜玉紅，等.基于模糊控制的鋰電池恒流 放電系統(tǒng)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2013，39(9)：89-92.
[8] 王素青，姜維福.基于MATLAB/Simulink的PID參數(shù)整定[J].自動化技術(shù)與應(yīng)用，2009，28(3)：24-25.