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]?？紤]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(qiáng)、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(jìn)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(jī)處理反饋給安裝在車頭控制室內(nèi)的上位機(jī)IPC機(jī)，利用上位機(jī)軟件完成數(shù)據(jù)融合處理；(3)信息傳遞部分，IPC機(jī)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]?？傮w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(jī)執(zhí)行IPC機(jī)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(fù)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(jī)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(jī)作為亮度采集模塊的微處理核心[6]。與單片機(jī)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(jìn)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(hù)，可通過PWM數(shù)字脈沖控制達(dá)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(jìn)行參數(shù)整定并進(jìn)行驅(qū)動電源的仿真分析。利用PID算法對PWM占空比進(jìn)行控制，從而控制驅(qū)動電源的輸出電流，使LED的發(fā)光達(dá)到預(yù)定值。利用Matlab對控制算法進(jìn)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(yùn)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?？梢钥闯?，通過對PID參數(shù)的整定，控制曲線在1 s以內(nèi)達(dá)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(jī)進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jī)進(jìn)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(jìn)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(xiàn)
[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(jī)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.