楊思俊

（西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，西安710089）

采用PID控制的LED恒流源設(shè)計(jì)

楊思俊

（西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，西安710089）

通過c8051f020的控制使開關(guān)電源輸出電流恒定并在LED負(fù)載變化的情況下仍可驅(qū)動(dòng)LED高效、穩(wěn)定的工作。恒流源系統(tǒng)由電源電路、BUCK主電路、驅(qū)動(dòng)電路、電壓電流采樣電路、控制電路、顯示電路、斷路檢測(cè)模塊組成。電源模塊采用接觸式調(diào)壓器，并對(duì)輸出進(jìn)行整流、濾波、穩(wěn)壓；降壓電路采用超低導(dǎo)通電阻及快速響應(yīng)時(shí)間的功率MOSFET作為調(diào)整管；單片機(jī)根據(jù)檢測(cè)電流的大小采用PID控制輸出PWM波來控制調(diào)整管，改變其輸出脈沖占空比，使LED驅(qū)動(dòng)電源處于恒壓和恒流狀態(tài)。結(jié)果表明該系統(tǒng)電流精度高，紋波電壓小，運(yùn)行穩(wěn)定，效率高。

降壓電路;恒流控制;PID控制;LED恒流源;c8051f020控制器;PWM占空比;PID算法

1 引言

LED恒流驅(qū)動(dòng)電源的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，主要由如下幾大部分組成：電源電路、BUCK主電路、驅(qū)動(dòng)電路、電壓電流采樣電路、控制電路、顯示電路、斷路檢測(cè)模塊。

圖1 LED恒流驅(qū)動(dòng)電源總體結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

（1）電源電路

系統(tǒng)中需有+36V、+15V、+5V電源，如圖2所示，由工頻隔離變壓器輸出，進(jìn)行整流和濾波后輸出+36V，為主電路提供電源。由U3 24S15DC-DC降壓模塊產(chǎn)生系統(tǒng)所需的+15V電壓，給MOS管的驅(qū)動(dòng)芯片光耦TLP521提供電源。由U4 220S05AC-DC降壓模塊產(chǎn)生系統(tǒng)所需的+5V電壓，給主控芯片c8051f020、顯示電路、信號(hào)處理電路提供電源。

（2）降壓主電路

降壓主電路如圖3所示。在Buck電路中，采用N溝道IFR640N作為開關(guān)管，電感量為220uH，開關(guān)頻率 ?fs為10KHz，C8051F020單片機(jī)進(jìn)行控制輸出不同占空比的PWM信號(hào)。光耦TLP521驅(qū)動(dòng)開關(guān)管，開關(guān)周期為 ?TS，導(dǎo)通時(shí)間為 ?t1= ?D1TS,斷開時(shí)間為 ?t2? D2TS，開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間為? tON?t1?D1TS，?t ?t?T?t ?DT?D?T_開關(guān)管截止時(shí)間OFF2S 12S ，T＜1，稱D1為導(dǎo)通時(shí)間占空比，D2為截止時(shí)間占空比[1]。調(diào)節(jié)Q1的占空比D1，主回路電壓輸入電壓為+36V，接入10個(gè)LED負(fù)載情況下，輸出電流在150mA-350mA范圍內(nèi)步進(jìn)調(diào)整，步進(jìn)值為50mA，且電流精度為1%，紋波電壓小于1V。當(dāng)Buck電路輸入電壓在32V-40V范圍內(nèi)變化時(shí)，調(diào)節(jié)占空比D1，輸出電流保持恒定，LED負(fù)載電流變化為1%。當(dāng)Buck電路輸入電壓為36V，接入的LED負(fù)載由2個(gè)逐漸增加至10個(gè)，調(diào)節(jié)PWM占空比，保持負(fù)載電流恒定，變化不超過1%。

圖2 電源電路

圖3 降壓主電路及驅(qū)動(dòng)電路

（3）電壓電流檢測(cè)電路

電壓檢測(cè)采用電阻分壓，如圖4，送入主控芯片進(jìn)行AD顯示。

電流檢測(cè)采用LM358，設(shè)計(jì)中通過采樣康銅絲電阻兩端的電壓降來反映流過康銅絲的電流。將采樣的電壓經(jīng)集成運(yùn)放LM358放大，輸入到單片機(jī)中，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和控制[2]。

（4）控制電路

控制電路主要包含以下功能：顯示，電壓、電流AD轉(zhuǎn)換及處理，PWM輸出，PID控制。如圖5所示。

c8051f020單片機(jī)具有8位500 ksps的ADC，帶PGA和8通道模擬多路開關(guān)；兩個(gè)12位DAC，具有可編程數(shù)據(jù)更新方式；有5個(gè)捕捉/比較模塊的可編程計(jì)數(shù)器/定時(shí)器陣列[3]。其控制12864顯示輸入電壓、電流、輸出電壓、電流及電流步進(jìn)值。將檢測(cè)電路采集的電壓、電流進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，并進(jìn)行處理、濾波。通過軟件編程實(shí)現(xiàn)PID控制PWM占空比，使系統(tǒng)保持恒壓、恒流，控制精度高，穩(wěn)定性強(qiáng)，精度達(dá)1%，紋波電壓峰值小于1V。

圖4 電壓電流檢測(cè)電路

圖5 控制電路

（5）LED斷路檢測(cè)電路

LED斷路監(jiān)測(cè)的控制是由10個(gè)繼電器和10個(gè)LED組成，為電路提供負(fù)載。當(dāng)單片機(jī)檢測(cè)到某路燈斷開時(shí)，本電路能自動(dòng)將其短路并使三極管導(dǎo)通驅(qū)動(dòng)繼電器自動(dòng)閉合，以保證正常照明。

3 程序控制

（1）主程序流程

單片機(jī)主控程序完成輸出電流檢測(cè)，從而控制輸出電壓、電流的大小，以保證恒壓和恒流輸出[4]，主程序流程如圖6所示。

（2）PID控制

在以微處理器為硬件核心的控制系統(tǒng)中，由于是以采樣周期對(duì)輸入和輸出狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣，故它是離散時(shí)間控制系統(tǒng)[5]。在離散控制系統(tǒng)中，PID控制采用差分方程表示:

圖6 主程序流程

式中u(n)為N采樣周期時(shí)的輸出，en為N采樣周期的偏差，N為采樣周期。在實(shí)際應(yīng)用中采用增量式[6]：

比例系數(shù)KP的作用在于加快系統(tǒng)響應(yīng)速度，提高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度，設(shè)計(jì)中KP=20；積分時(shí)間常數(shù)Ki可以影響積分部分消除系統(tǒng)偏差，設(shè)計(jì)中Ki=0.1；微分時(shí)間常數(shù)Kd決定閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度[8]，設(shè)計(jì)中Kd=0.2。

PID的算法實(shí)現(xiàn)流程圖如圖7所示。

圖7 PID的算法實(shí)現(xiàn)流程圖

4 調(diào)試及結(jié)果分析

（1）在LED負(fù)載條件下，輸出的電流可在150mA-350mA范圍內(nèi)步進(jìn)調(diào)整，對(duì)應(yīng)的輸出電流測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示，步進(jìn)值50mA,電流精度為1%。

表1 設(shè)定電流與輸出電流測(cè)量值

（2）當(dāng)負(fù)載為10個(gè)LED，輸入電壓在32V-40V范圍內(nèi)變化時(shí)，對(duì)應(yīng)的輸出電流測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。對(duì)應(yīng)的輸出電流變化近似為1%。

表2 輸入電壓與輸出電流測(cè)量值

（3）先預(yù)設(shè)一個(gè)電流值為200mA，輸入電壓為36V，負(fù)載由2個(gè)LED增加到10個(gè)時(shí)，對(duì)應(yīng)的輸出電流測(cè)試數(shù)據(jù)如表3所示，輸出電流近似不變。

表3 負(fù)載變化與輸出電流測(cè)量值

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LED Constant Current Source by PID Control

Yang Sijun
（Xi'an Aeronautical Polytechnic Institute,Xi'an 710089，China）

The output current of switch power supply,controlled by c8051f020，is stable,and can still drive LED working efficiently and stably with the changing of the LED load.The constant current source is composed of Power supply circuit,BUCK main circuit,drive circuit,voltage and current sampling circuit,control circuit,display circuit and open circuit detection module.Power supply module uses the contact voltage regulator and perform rectifier,filter and voltage stability for the output;Buck circuit adopts low resistance and rapid response time MOSFET;CPU determines the constant voltage mode and constant current mode according to the sampling current and changes the output pulse duty ratio，which adopts PID Control,and makes the LED drive power supply in constant voltage or constant current.Results show that the system current is of high precision,small ripple voltage,stable running and high efficiency.

BUCK circuit；Constant-Current Control；PID Control；The LED Constant Current Source；c8051f020 controller；PWM duty ratio；PID Algorithm

10.3969/j.issn.1002-2279.2017.01.021

TN73

A

1002-2279-（2017）02-0082-04

楊思?。?981-），女，陜西省渭南市潼關(guān)縣人，講師,碩士研究生，主研方向:嵌入式控制、開關(guān)電源。

2016-07-07