浙江機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院■方建華韓愛娟

基于恒功率控制的太陽能LED路燈驅(qū)動(dòng)技術(shù)研究

浙江機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院■方建華*韓愛娟

利用恒功率控制的電池直接驅(qū)動(dòng)LED照明技術(shù)，導(dǎo)出了LED燈具系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型，并設(shè)計(jì)了采用反饋型恒功率和調(diào)光控制的太陽能LED路燈系統(tǒng)?，F(xiàn)場測試結(jié)果顯示，18W LED燈具的功率可精確控制，誤差為2%～5%；系統(tǒng)長期運(yùn)行的表現(xiàn)穩(wěn)定，可靠性高。由于在恒功率控制的電路未使用大功率電容器，預(yù)期壽命比傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方式更長，對推廣太陽能LED路燈的應(yīng)用有現(xiàn)實(shí)和經(jīng)濟(jì)意義。

恒功率控制；電池驅(qū)動(dòng)；太陽能路燈；LED照明

0 引言

與傳統(tǒng)的照明工具相比，太陽能LED路燈具有節(jié)能環(huán)保、體積小、重量輕、方向性好、安裝簡單等優(yōu)點(diǎn)，在眾多應(yīng)用領(lǐng)域中具有最廣泛的發(fā)展前景。然而，可靠性、系統(tǒng)成本及使用壽命是影響這一技術(shù)接受程度的主要因素[1]。

如圖1所示，發(fā)光二極管(LED)的特性曲線對電壓敏感，外加電壓的輕微變化可能會(huì)導(dǎo)致電流的突變進(jìn)而損壞LED。因此，恒壓驅(qū)動(dòng)模式不適用于LED產(chǎn)品。相反，恒流驅(qū)動(dòng)在商業(yè)產(chǎn)品中應(yīng)用廣泛。以恒定電流輸出為主導(dǎo)的DC/DC轉(zhuǎn)換器的在太陽能LED照明系統(tǒng)中被大量應(yīng)用，但這帶來了一系列問題，如轉(zhuǎn)換器控制電路中的能量損耗、太陽能系統(tǒng)可靠性降低、成本增加。

很多商業(yè)LED照明產(chǎn)品使用了DC/DC恒流驅(qū)動(dòng)模式。但在部分負(fù)載條件下，高功率LED的能量轉(zhuǎn)換損耗很高(＞14%)，如ZetexSemiconductors公司為30～200W LED燈實(shí)施調(diào)光控制的DC/DC恒流驅(qū)動(dòng)電路，其總成本約為30～50美元[2]。此外，由于電路中的電容器故障，高功率DC/DC轉(zhuǎn)換器壽命預(yù)計(jì)約為3年。

圖1 LED的I-V特性曲線

LED的電性能表現(xiàn)類似負(fù)溫度系數(shù)電阻，電阻值隨溫度升高而降低，恒流驅(qū)動(dòng)的LED照度及輸入功率可隨結(jié)溫的變化而變化。對1個(gè)LED燈具進(jìn)行照度試驗(yàn)表明，當(dāng)溫度上升40℃，恒流驅(qū)動(dòng)導(dǎo)致照度減少12%，恒壓驅(qū)動(dòng)會(huì)使照度增加約50%(見圖2)。

圖2 不同驅(qū)動(dòng)模式LED照度與溫度間的關(guān)系

針對這些不足，在本研究中，我們開發(fā)了一種電池直接供電的恒功率驅(qū)動(dòng)LED反饋控制系統(tǒng)，應(yīng)用在太陽能LED照明系統(tǒng)。該照明系統(tǒng)采用恒功率驅(qū)動(dòng)和夜間照明的調(diào)光控制。本文對該系統(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn)及現(xiàn)場測試，并驗(yàn)證了系統(tǒng)性能。

1 電池驅(qū)動(dòng)動(dòng)LED的恒功率反饋控制

1.1 電池驅(qū)動(dòng)LED的恒功率反饋控制的結(jié)構(gòu)

電池驅(qū)動(dòng)LED恒功率控制的反饋系統(tǒng)如圖3所示。電路中沒有像傳統(tǒng)的DC/DC驅(qū)動(dòng)電路一樣使用的大功率電容，因此，更長的壽命是可以預(yù)期的。

LED燈具系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型函數(shù)為Gvi(s)(s為自動(dòng)控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)的復(fù)變量因子)，接收電池電壓Vbat作為輸入，并產(chǎn)生通過LED燈具的電流ILED(ILED=GviVbat)?？刂破鳟a(chǎn)生特定占空比的PWM信號，驅(qū)動(dòng)MOSFET開關(guān)創(chuàng)建PWM電流輸入到LED燈具，進(jìn)而產(chǎn)生光輸出。使用平均電流測量裝置，以獲得LED平均電流信號Iave，與電池電壓信號合并在乘法器裝置中獲得平均功率Pave。

通過比較器將Pave與設(shè)定值Pset產(chǎn)生誤差信號e(e=Pset-Pave)到電流控制器Gc(s)，基于控制器的計(jì)算，輸出PWM信號到MOSFET。

下文將根據(jù)所需的系統(tǒng)響應(yīng)和抗干擾等因素，基于已知的LED燈具的動(dòng)態(tài)模型Gvi(s)進(jìn)行控制器設(shè)計(jì)。

圖3 LED恒功率反饋控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 LED燈具系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型Gvi(s)的導(dǎo)出

對于LED而言，目前由輸入電壓Vbat引起的ILED響應(yīng)反應(yīng)時(shí)間遠(yuǎn)短于1 ms，相比于熱響應(yīng)可近似為一個(gè)瞬時(shí)過程[3]。因此，LED動(dòng)態(tài)模型Gvi(s)可被視為一個(gè)具有恒定增益Kvi的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)。Kvi為LED燈具I-V曲線的斜率，即電導(dǎo)，可通過I-V特性中電流對電壓的穩(wěn)態(tài)測量關(guān)系來確定(見圖4)。

本研究中選擇18W LED燈具進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。18 W的燈具由15個(gè)LED(每3個(gè)串聯(lián)、5組并聯(lián))構(gòu)成。燈具的動(dòng)態(tài)模型參數(shù)易通過試驗(yàn)獲得。相關(guān)參數(shù)見表1，導(dǎo)出的參數(shù)將用于反饋控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

圖4 不同結(jié)溫的LED I-V特性曲線

表1 不同結(jié)溫下LED及18W LED燈具的Kvi值

1.3 控制器設(shè)計(jì)

選擇比例積分PI算法作為LED恒功率反饋控制系統(tǒng)Gc(s)的算法：

式中，Kp為PI控制器的比例常數(shù)；TI為積分常數(shù)。

從圖3的控制器反饋結(jié)構(gòu)看，式(1)也可由閉環(huán)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)TCL(s)表示，即：

式中，Iave=DTKviVbat。其中，DT為MOSFET的占空比；Kvi=Gvi，由表1獲得。

太陽能LED路燈的恒功率反饋控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則為：根據(jù)階躍響應(yīng)，上升時(shí)間(從最后穩(wěn)態(tài)值10%～90%的階躍響應(yīng)時(shí)間)＜0.5 s；穩(wěn)定時(shí)間(達(dá)到98%穩(wěn)態(tài)值的階躍響應(yīng)時(shí)間)＜1 s。

利用Matlab中的Simulink工具箱，仿真確定PI控制器的參數(shù)Kp、TI，如圖5所示，其中包括抗積分控制飽和現(xiàn)象。

圖5 系統(tǒng)Simulink仿真模型圖

利用絕對誤差積分IAE作為確定合適的控制器參數(shù)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，IAE值越小代表控制器誤差越小，可用下式得到：

式中，Pset為系統(tǒng)設(shè)置功率；t為系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間。

PI控制器的比例常數(shù)Kp在無積分控制狀況下首次調(diào)整。當(dāng)Kp＞0.3時(shí)，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)響應(yīng)保持相同；但更高的Kp值易導(dǎo)致執(zhí)行機(jī)構(gòu)飽和，因此，Kp取0.3。積分常數(shù)TI在Kp=0.3調(diào)諧，結(jié)果如圖6所示。在TI＜1/12時(shí)，上升時(shí)間變化減小，從圖6所示的不同TI階躍響應(yīng)，選擇足夠小的IAE值，發(fā)現(xiàn)TI=1/12(上升時(shí)間為0.18 s，穩(wěn)定時(shí)間為0.33 s)足以滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

圖6 不同TI值階躍響應(yīng)仿真結(jié)果(Kp=0.3)

對于未來在太陽能照明中的應(yīng)用，由于電池電壓及LED的驅(qū)動(dòng)電流隨著環(huán)境變化而變化，控制器必須能夠大幅降低環(huán)境的干擾。本文使用靈敏度函數(shù)，該函數(shù)被定義為閉環(huán)傳遞函數(shù)TCL(s)相對于工作變量Iave和Vbat的函數(shù)[4]。因此，靈敏度函數(shù)SI(s)和SV(s)可定義和推導(dǎo)為：

可以看出，SI(s)=SV(s)。SI(s)、SV(s)是相對于Iave或Vbat的變化率。

低靈敏度意味著閉環(huán)增益相對于工作變量Iave或Vbat的變化是不敏感的。將PI控制器的設(shè)計(jì)參數(shù)Kp、TI代入方程(4)及方程(5)，并計(jì)算其頻率響應(yīng)。通過檢查靈敏度函數(shù)的增益功能，我們可以檢查控制器設(shè)計(jì)的魯棒性[5]。

靈敏度函數(shù)的頻率響應(yīng)如圖7所示。由圖7可知，不同參數(shù)的PI控制器，靈敏度函數(shù)SI(s)=SV(s)的增益小于-30 dB，Kp=0.3和TI=1/12的參數(shù)值應(yīng)該適合于PI控制器，因此，傳遞函數(shù)的控制器選擇見式(6)。

圖7 靈敏度函數(shù)的頻率響應(yīng)

1.4 控制系統(tǒng)仿真

為了驗(yàn)證上述控制器的設(shè)計(jì)，我們進(jìn)行了Simulink時(shí)域仿真，以檢查電池電壓擾動(dòng)下的控制精度。

圖8顯示了在功率設(shè)置為18 W時(shí)，18W LED燈具的仿真結(jié)果。

圖8 電池電壓擾動(dòng)下18W LED燈具的仿真結(jié)果(Pset=18 W)

由圖8可知，當(dāng)電池電壓在50 s內(nèi)由11.5～13 V快速變化時(shí)，LED燈具的功率始終保持穩(wěn)定在18 W，未受到任何干擾。

2 控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)和測試

基于PIC微處理器，構(gòu)建了LED恒功率控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)電路(圖9)。由于電路中未使用大功率電容器，更長的壽命是可以預(yù)期的。

圖9 LED恒功率控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)電路

為減少能源損耗，通過檢測0.003 Ω標(biāo)準(zhǔn)電阻Rs的電壓來獲取流過LED照明器的瞬時(shí)電流；運(yùn)放(LM324)用于放大該電壓信號并被發(fā)送到微處理器，同時(shí)處理獲取Iave；Vbat通過采樣電阻器R1、R2分壓后測量，使得R2兩端的電壓足夠低并送到微處理器；然后在PIC存儲(chǔ)控制器軟件計(jì)算產(chǎn)生控制信號(PWM信號，使用之前描述的PI算法，占空比DT)，并驅(qū)動(dòng)MOSFET輸出PWM電流，驅(qū)動(dòng)LED燈具。

我們使用具有可調(diào)電壓的電源來驅(qū)動(dòng)LED，并測試在電池電壓擾動(dòng)下的控制精度(電池電壓改變12.0%～22.5%)。

本文僅給出了當(dāng)電源電壓從14.2 V降至11.0 V時(shí)(22.5%變化)，18W LED燈具的測試結(jié)果。LED的平均輸入功率為17.95 W，與設(shè)置功率18 W的最大偏差為0.88 W(5%)。結(jié)果表明，對于大擾動(dòng)的電源電壓，采用PI模式的反饋控制系統(tǒng)具有良好的魯棒特性(誤差為2%～5%)。

我們還構(gòu)建了基于此系統(tǒng)的太陽能LED路燈裝置，系統(tǒng)由130 Wp的太陽電池板、100Ah/12V的鉛酸蓄電池、18W/12V LED燈具組成；輸入18 W時(shí)，LED的光通量為1300 lm；前文所述的恒功率微處理器控制器應(yīng)用于電池充放電控制及LED驅(qū)動(dòng)；電池充電按照3段充電技術(shù)，基于系統(tǒng)設(shè)置功率Pset實(shí)施LED燈調(diào)光控制。

圖10 電池電壓擾動(dòng)下的LED燈具平均輸入功率變化

LED路燈照明在日落0.5 h之后開始，根據(jù)測得的光伏組件電壓信號在日出后關(guān)閉。LED的調(diào)光時(shí)間設(shè)計(jì)為4個(gè)階段：1)啟動(dòng)后，滿載(18 W) 3 h；2)接下來3 h，功率從18 W線性減少到9 W；3)再接下來的3 h，從9 W線性遞減到4.5 W；4)然后設(shè)置為4.5 W不變，直到LED在黎明關(guān)閉。在調(diào)光中使用的時(shí)間步長是6 min。通過編輯基于微處理器的軟件，可隨時(shí)設(shè)置LED燈的輸入功率并調(diào)整調(diào)光時(shí)間計(jì)劃。

圖11顯示了LED的夜晚調(diào)光控制測試結(jié)果，可見恒功率控制系統(tǒng)對于LED的調(diào)光計(jì)劃跟蹤是滿意的。Pave的控制誤差主要來源于調(diào)光計(jì)劃的6 min控制步長及系統(tǒng)內(nèi)部測試誤差，LED燈的每晚能耗為125 Wh。太陽能路燈運(yùn)行11個(gè)月沒有出現(xiàn)任何故障，系統(tǒng)顯示出良好的特性。

圖11 LED的夜晚調(diào)光控制測試結(jié)果

3 結(jié)論

本文提出了使用電池直接驅(qū)動(dòng)LED照明恒定功率的控制技術(shù)。本研究中，LED燈具的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型導(dǎo)出并應(yīng)用于反饋控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，基于PI算法的控制系統(tǒng)測試結(jié)果表明，在電池電壓改變12.0%～22.5%時(shí)，18W LED燈具的功率可以被精確控制，誤差為2%～5%。

將這項(xiàng)技術(shù)實(shí)際應(yīng)用于太陽能LED路燈系統(tǒng)，并實(shí)施了調(diào)光控制?，F(xiàn)場實(shí)驗(yàn)表明，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，特性良好，長期工作無任何故障。這驗(yàn)證了該項(xiàng)技術(shù)在LED照明和太陽能照明系統(tǒng)應(yīng)用的技術(shù)可行性。

結(jié)果表明，該控制器控制精度高、環(huán)境溫度影響小、運(yùn)行壽命長，能夠滿足太陽能LED路燈在實(shí)際應(yīng)用中的要求，也降低了系統(tǒng)一次性投資成本。

[1]周志敏,紀(jì)愛華.太陽能LED路燈設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2009.

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2016-06-12

浙江省教育廳科研項(xiàng)目(y201534758)

方建華(1962—)，男，碩士，主要從事自動(dòng)檢測技術(shù)和光伏發(fā)電技術(shù)方面的研究。hyzx86@163.com