操作放电灯的设备与方法 【技术领域】
本发明涉及操作放电灯，如荧光灯、卤素灯等，的设备与方法。
背景技术
操作放电灯的设备或镇流器广泛用于向放电灯提供可控电源。通常，功率控制电路控制包括连接在干线与放电灯之间的开关式电源(SMPS)的灯驱动电路。功率控制电路可用于优化放电灯的预热和点火，为维持选定的灯亮度而维持恒定的放电灯功率，或者用于放电灯灯亮度的可控调光。
最近开发出了操作放电灯的数字设备或数字镇流器，其中功率控制电路使用数字技术来控制由开关式电源提供给放电灯的功率。数字镇流器对由电源提供的功率、电压和/或电流提供相对低成本的控制。与模拟镇流器相比，数字镇流器是通用的，并且允许更容易地实现复杂控制和定时处理。
为了输出功率的控制，特定类型的镇流器可以确定一个或多个灯参数，如灯电压、灯电流和/或灯功率，地值并在电源控制过程中利用这些确定的值。因此，参数值被测量且一个或多个表示测量参数值的信号反馈到功率控制电路。功率控制电路利用这些参数信号来控制由电源实际提供给灯的输出电压、输出电流和/或输出功率。但是，这种控制过程的精度尤其依赖于所确定参数信号的精度及这些信号的误差灵敏度。
为了改进控制过程，参数信号可以通过利用一个或多个模拟滤波器，例如包括如电阻器和电容器的无源元件的滤波器，进行过滤。
与此相关的一个缺点是如果模拟滤波器应用在镇流器中，则滤波器的特性依赖于所应用的硬件，即依赖于所应用的特定无源元件。当在不同情况下需要具有不同滤波特性的滤波器时，用在一种情况下的硬件必须由用在另一种情况下的不同硬件来代替。
另一个缺点是滤波器放置在镇流器中以后滤波特性就保持不变。这意味着一旦镇流器制造出来以后，滤波器的滤波特性通常就不能改变。例如，在所使用特定灯的使用寿命的最后，电源控制要求的控制信号滤波器的滤波特性可能与使用新的灯时的最佳滤波特性显著不同。
还有一个缺点是由于现有模拟滤波器的不灵活性，每个参数信号都由独立的滤波器进行过滤，这要求相当多的电子元件，从而使镇流器电路变得复杂。
还有一个缺点是模拟滤波器不能在镇流器工作期间改变滤波特性。例如，这在提供给灯的功率变化期间，如灯调光期间，最佳电源控制要求改变滤波器滤波特性的情况下可能是需要的。
本发明的一个目的是改进操作放电灯的现有设备并提供至少消除一个上述缺点的设备。
【发明内容】
根据本发明的第一方面，提供了一种操作放电灯的设备，该设备包括：
从电源电压向放电灯提供功率的电源电路，
用于测量实际灯电流、实际灯电压和实际灯功率中至少一个的装置，以提供分别表示灯电流、灯电压和灯功率的至少一个模拟灯控制信号；
过滤至少一个灯控制信号的滤波装置；
用于控制由电源电路提供的功率的控制装置，其中至少一个滤波的灯控制信号馈送到控制装置，而控制装置依赖于至少该灯控制信号对功率进行控制；
其中滤波装置包括将至少一个模拟灯控制信号转换成对应数字灯控制信号的转换装置，而且其中该滤波装置还包括将数字灯控制信号过滤成滤波数字灯控制信号的数字滤波器。通过应用数字滤波器，滤波特性实际上可以独立于所使用的硬件，这使得操作设备更加通用。
根据一种优选实施方案，数字滤波器是软件可控的。因此，滤波器的工作，例如滤波器的特性，可以通过简单加载控制该滤波器的软件的适应性版本很容易地改变。
在另一种优选实施方案中，滤波器可以修改，从而能够在放电灯工作期间控制数字滤波器的特性。例如，滤波特性可以依赖于测量控制信号的某些预定值改变，或者可以作为正在使用灯的使用寿命的函数改变。
在另一种优选实施方案中，转换装置包括用于采样第一灯控制信号的第一模数(A/D-)转换器和用于采样第二灯控制信号的第二模数(A/D-)转换器。当测量三个或更多信号时，转换装置可以包括三个或更多模数转换器，每个模数转换器用于一个测量控制信号。结果数字控制信号每个都可以提交到数字滤波器。但是，优选地，每个结果数字控制信号都在同一个数字滤波器中进行过滤，这进一步减少了实现操作设备所需的电子元件个数。
在另一种优选实施方案中，转换装置包括一个用于连续采样每个灯控制信号的模数(A/D-)转换器。在这种实施方案中，不同的测量模拟控制信号是由同一个A/D转换器连续采样的，从而电路设计可以进一步简化。
在本发明的一种优选实施方案中，数字滤波器是一阶滤波器，其中该一阶滤波器优选地根据下式处理数字灯控制信号：
ON=1XIN+X-1XON-1]]>
其中ON是时间点N的滤波数字灯控制信号，ON-1是时间点N-1的滤波数字灯控制信号，IN是时间点N的数字灯控制信号，而X是软件可控的滤波参数，X优选地是一个预置的整数。一阶滤波器相对简单，且实现一阶滤波器所需的程序源代码量是有限的。
如果需要更强大的滤波器，则数字滤波器可以包括两个或多个串联的一阶滤波器来创建二阶滤波器，等等。但是，在另一种优选实施方案中，可以直接对二阶和高阶滤波器进行编程。
在另一种优选实施方案中，数字滤波器包括用于存储数字灯控制信号多个输入采样值的缓冲阵列和用于处理至少一部分所述缓冲阵列中多个输入采样值以提供数字控制信号的输出采样值的装置。尽管缓冲阵列的应用可能需要相对较大的存储能力，但这种实施方案将提供对灯控制信号快速、通用的数字滤波。
优选地，该缓冲阵列具有先入先出(FIFO)结构，这意味着输入数据采样值存储在具有多个(N个)记录的阵列中，当新采样值必须被放置到缓冲阵列中时最旧的输入数据采样值移出。所有记录或至少多个记录用于对输入数据进行过滤。
在另一种优选实施方案中，对数字灯控制信号的多个输入采样值中的每个采样值都应用不同的加权因子，然后对加权的输入采样值求和以提供数字控制信号的输出采样值，优选地提供具有正弦形状的频率响应的移动平均值滤波器。
在一种优选实施方案中，滤波装置和控制装置是在一个微控制器中实现的。微控制器包括至少中央处理单元、可以加载控制软件的存储器、输入输出终端及互连电路。该微控制器结合了电源控制电路的功能和控制电路所使用的控制信号滤波功能。这两种功能都可以由运行在微控制器上的同一个软件程序实现。
根据本发明的另一方面，提供了一种操作放电灯的方法，包括步骤：
测量实际放电灯电流、实际放电灯电压和实际放电灯功率中的至少一个，以提供分别表示灯电流、灯电压和灯功率的至少一个模拟灯控制信号；
将至少一个模拟灯控制信号转换成对应的数字灯控制信号；
对至少一个灯控制信号进行数字滤波；
将数字滤波的灯控制信号提供给控制电路；
根据提供给控制电路的数字滤波灯控制信号，控制提供给放电灯的功率。
【附图说明】
其它优点、特点和细节在以下对本发明两种优选实施方案的描述中给出。在描述过程中，参考附图。
图1是用于操作放电灯的优选设备的示意电路图；
图2是显示用于操作放电灯的本发明另一种优选实施方案的方框图；及
图3是显示图2实施方案的方框图，其中结合了控制器和滤波器；
图4是其中使用了缓冲阵列滤波器的操作设备的另一种优选实施方案的方框图。
【具体实施方式】
根据本发明优选实施方案的灯电源是稳频脉宽调制(PWM)类型的工作循环控制开关式电源(SMPS)，它对灯的点火、正常操作及调光操作使用相同的频率。在图1所示的实施方案中，电源是一个半桥，它产生方波信号并用于灯的点火、正常操作及调光操作。
开关式电源(SMPS)以对称方式运行。两个开关元件的工作循环是相同的，它们的开启时间被1/2开关周期彼此分开。在点火阶段，产生通过灯的高电压的L-C组合Llamp、Clamp未加载。这使得灯点火。在发光阶段，L-C组合Llamp和Clamp由灯加载。传输到灯的功率是由工作循环确定的。因此，灯电源是由一个参数，开关元件的工作循环，控制的。
在图1的方框图中示出了连接到干线M(220V AC)的二极管网桥B1。网桥B1对干线M整流并提供大约400V的DC电源电压UDC。
为了驱动灯，示出了半桥式驱动电路，其中开关元件由两个功率晶体管(功率FET)Q1和Q1构成。开关元件Q1和Q1的门由源自控制电路的驱动信号GHB1和GHB2驱动，其中控制电路将在以后进行描述。
此外还示出了用于驱动灯的L-C组合Llamp、Clamp及用于分别向功率晶体管Q1和Q1提供控制信号GHB1和GHB2的控制电路。由于控制电路工作在相对低的电压(通常是5V电源电压)，因此输入信号必须在0至5V之间，从而控制电路可以传输的输出信号也在这个范围之内。因此，控制电路配备有用于将电压和电流转换成可用指示信号及用于将来自控制电路的控制信号转换成可用于开关元件Q1和Q2的驱动信号的接口电路(IFC)。控制电路配备有包括只读存储器(ROM)、可编程或不可编程随机存取存储器(RAM)和/或处理器、A/D转换器、D/A转换器等的微控制器(MC)。在微控制器的存储器中存储控制软件。一种包括专门设计用于数字信号处理的CPU的专用数字信号处理器(DSP)可以代替微控制器来使用。在DSP中，提供超快速的指令序列来提高设备的信号处理性能。
尽管在图1中未示出，但用于在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等也可以提供。
在软件控制下，控制电路(1)输出在接口电路中利用RC-滤波器求平均以消除波纹成分的方波。结果DC-电压由控制电路(1)用来产生分别用于开关元件Q1和Q1的驱动信号GHB1和GHB2。在本发明的另一种实施方案中，驱动信号GHB1和GHB2可以直接由微控制器产生。有一个电平偏移器(未示出)用于将驱动信号GHB1恢复到合适的电平。因此，利用其对灯电源进行控制的工作循环是由存储在微控制器存储器中的软件确定的。
灯功率或电流的稳定、点火的优化、预热和电极加热、对不同灯类型进行修改的功能可以通过修改运行在微控制器上的软件来实现。这些功能是由数字控制回路实现的，微控制器在该回路上执行对多个物理量或参数，如灯电流、通过灯的电压、电源电流和电源电压，的测量。
其中一个参数可以是在灯中流动的电流Ilamp。Ilamp可以各种不同的方式确定。在图1的实施方案中，Ilamp是由灯电流变压器T确定的，该变压器的原边连接在灯电极和地之间。灯电流变压器T的次边电压在桥接电路(未示出)中进行整流并求平均。结果模拟信号Ilamp，meas表示灯电流Ilamp。
另一个参数可以是通过灯的实际电压Ulamp。Ulamp可以各种不同的方式确定。在图1的实施方案中，Ulamp由得自高欧姆分压器和整流器电路(DRV)的结果模拟电压Ulamp，meas表示。
以上提到的参数可以利用能够执行相关参数高频采样的相对快速的A/D转换器来确定。
另一个参数可以是由通过分流器DI分流电阻的平均电压表示的电源电流Isupply。结果模拟信号Isupply，meas表示电源电流。同样，电源电压Usupply也可以由来自分压器DU的平均电压Usupply，meas表示。
模拟控制信号Ilamp，meas、Ulamp，meas、Usupply，meas和Isupply，meas馈送到将信号转换成微处理器可用指示信号的接口控制器(IFC)。此外，每个模拟控制信号都由一个或多个在控制电路(1)中提供的A/D转换器转换成时应的数字控制信号。控制电路(1)可以利用对应多个A/D转换器将每个模拟控制信号转换成对应的数字控制信号，即一个A/D转换器用于一个控制信号。但是，也可以对微控制器进行编程以使用较少的A/D转换器，甚至只使用一个A/D转换器与多路复用器组合用于将模拟控制信号转换成对应的数字控制信号。
一旦模拟控制信号转换成了数字形式，它们就可以被微控制器(MC)处理。每个数字控制信号都利用数字滤波器，在本实施方案中是软件滤波器，进行滤波。
通常，一阶软件滤波器可以如下描述：
ON＝IN-1*k+IN-2*k2+...+IN-M*kM
其中O代表滤波器的输出结果，k是0到1之间的任意数字，而IN代表第N个输入信号。以软件实现产生特定类型的滤波器：
ON＝(1/X)*IN+(X-1)/X*ON-1
其中X是整数。如果X大，则截止频率低。当X小时，滤波器的截止频率高。
硬件实现模拟一阶滤波器的阶跃响应是一个连续函数：
O＝(1-e(-t/RC))
其中t是时间，而RC是常量。在软件实现的滤波器中，响应时间依赖于X和输入信号的重复采样速率。假定数字滤波器如下实现：
ON＝0,25IN+0,75ON-1
则“新”输入采样值提供结果ON的1/4，而“旧”输出采样值提供“新”输出信号的3/4。如果X从4增加到8，则“新”输入采样值提供的量减少到1/8。如果需要更“强大”的滤波器，则两个一阶滤波器串联放置以创建具有对应二阶滤波特性的二阶滤波器，等等。
在图2和3中，给出了根据本发明操作设备的其它实施方案的更多简化表示。图2示出了驱动灯的开关式电源。各种不同的灯参数，如灯电压、灯电流、灯功率等，可以由第一测量单元、第二测量单元等确定。测量单元可以是传统类型的。每个测量单元都向模数转换器提供一个或多个表示确定灯参数的模拟输出信号，该模数转换器提供表示模拟输入信号的数字输出信号。然后，数字输出控制信号提供给滤波器。滤波器在微控制器中实现，该微控制器包括用于处理数字控制信号从而向微控制器(MC)提供控制开关式电源(SMPS)的数字滤波输出信号的处理单元。根据接收到的滤波器数字输出信号，微控制器控制由开关式电源提供给灯的功率。在这种实施方案中，模数转换器、滤波器和微控制器(MC)是在独立的电子电路中实现的。在图3中示出了一种实施方案，其中来自第一和第二测量单元的模拟控制信号提供给对第一参数，如灯电流Ilamp，meas，和第二参数，如灯电压Ulamp，meas，连续采样的一个A/D转换器。在这种实施方案中，采样值是从不同的测量单元连续得到的，同时选择采样速率使每个测量单元都可以向控制电路传送足够多的采样值，从而使控制电路能够保证对提供给灯的功率有足够快速和精确的控制。此外，在图3的实施方案中，用于控制开关式电源(SMPS)的控制电路和滤波电路结合在一起。滤波功能和功率控制功能都可以在一个微控制器中实现。
在图4中示出了本发明另一种优选实施方案的方框图。在这种实施方案中，数字滤波是通过将数字控制数据存储到N记录长的阵列中实现的。该阵列具有先入先出(FIFO)结构，这意味着当新采样值必须被放置到阵列中时最旧的采样值将移出。该阵列对每个记录增加不同的加权因子，从而实现具有正弦形状频率响应的可编程移动平均值滤波器。
本发明不限于上述其优选实施方案；其权利由下面的权利要求定义，在其范围之内可以设想很多修改。