基于恒功率控制的太陽能LED路燈驅動技術研究

浙江機電職業技術學院■方建華韓愛娟

基于恒功率控制的太陽能LED路燈驅動技術研究

浙江機電職業技術學院■方建華*韓愛娟

利用恒功率控制的電池直接驅動LED照明技術，導出了LED燈具系統動態模型，并設計了采用反饋型恒功率和調光控制的太陽能LED路燈系統。現場測試結果顯示，18W LED燈具的功率可精確控制，誤差為2%～5%；系統長期運行的表現穩定，可靠性高。由于在恒功率控制的電路未使用大功率電容器，預期壽命比傳統驅動方式更長，對推廣太陽能LED路燈的應用有現實和經濟意義。

恒功率控制；電池驅動；太陽能路燈；LED照明

0 引言

與傳統的照明工具相比，太陽能LED路燈具有節能環保、體積小、重量輕、方向性好、安裝簡單等優點，在眾多應用領域中具有最廣泛的發展前景。然而，可靠性、系統成本及使用壽命是影響這一技術接受程度的主要因素[1]。

如圖1所示，發光二極管(LED)的特性曲線對電壓敏感，外加電壓的輕微變化可能會導致電流的突變進而損壞LED。因此，恒壓驅動模式不適用于LED產品。相反，恒流驅動在商業產品中應用廣泛。以恒定電流輸出為主導的DC/DC轉換器的在太陽能LED照明系統中被大量應用，但這帶來了一系列問題，如轉換器控制電路中的能量損耗、太陽能系統可靠性降低、成本增加。

很多商業LED照明產品使用了DC/DC恒流驅動模式。但在部分負載條件下，高功率LED的能量轉換損耗很高(＞14%)，如ZetexSemiconductors公司為30～200W LED燈實施調光控制的DC/DC恒流驅動電路，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轉換器壽命預計約為3年。

圖1 LED的I-V特性曲線

LED的電性能表現類似負溫度系數電阻，電阻值隨溫度升高而降低，恒流驅動的LED照度及輸入功率可隨結溫的變化而變化。對1個LED燈具進行照度試驗表明，當溫度上升40℃，恒流驅動導致照度減少12%，恒壓驅動會使照度增加約50%(見圖2)。

圖2 不同驅動模式LED照度與溫度間的關系

針對這些不足，在本研究中，我們開發了一種電池直接供電的恒功率驅動LED反饋控制系統，應用在太陽能LED照明系統。該照明系統采用恒功率驅動和夜間照明的調光控制。本文對該系統進行了試驗及現場測試，并驗證了系統性能。

1 電池驅動動LED的恒功率反饋控制

1.1 電池驅動LED的恒功率反饋控制的結構

電池驅動LED恒功率控制的反饋系統如圖3所示。電路中沒有像傳統的DC/DC驅動電路一樣使用的大功率電容，因此，更長的壽命是可以預期的。

LED燈具系統動態模型函數為Gvi(s)(s為自動控制系統傳遞函數的復變量因子)，接收電池電壓Vbat作為輸入，并產生通過LED燈具的電流ILED(ILED=GviVbat)。控制器產生特定占空比的PWM信號，驅動MOSFET開關創建PWM電流輸入到LED燈具，進而產生光輸出。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與設定值Pset產生誤差信號e(e=Pset-Pave)到電流控制器Gc(s)，基于控制器的計算，輸出PWM信號到MOSFET。

下文將根據所需的系統響應和抗干擾等因素，基于已知的LED燈具的動態模型Gvi(s)進行控制器設計。

圖3 LED恒功率反饋控制系統結構

1.2 LED燈具系統動態模型Gvi(s)的導出

對于LED而言，目前由輸入電壓Vbat引起的ILED響應反應時間遠短于1 ms，相比于熱響應可近似為一個瞬時過程[3]。因此，LED動態模型Gvi(s)可被視為一個具有恒定增益Kvi的準穩態系統。Kvi為LED燈具I-V曲線的斜率，即電導，可通過I-V特性中電流對電壓的穩態測量關系來確定(見圖4)。

本研究中選擇18W LED燈具進行實驗。18 W的燈具由15個LED(每3個串聯、5組并聯)構成。燈具的動態模型參數易通過試驗獲得。相關參數見表1，導出的參數將用于反饋控制系統設計。

圖4 不同結溫的LED I-V特性曲線

表1 不同結溫下LED及18W LED燈具的Kvi值

1.3 控制器設計

選擇比例積分PI算法作為LED恒功率反饋控制系統Gc(s)的算法：

式中，Kp為PI控制器的比例常數；TI為積分常數。

從圖3的控制器反饋結構看，式(1)也可由閉環系統的傳遞函數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的設計準則為：根據階躍響應，上升時間(從最后穩態值10%～90%的階躍響應時間)＜0.5 s；穩定時間(達到98%穩態值的階躍響應時間)＜1 s。

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

圖5 系統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的設計標準，IAE值越小代表控制器誤差越小，可用下式得到：

式中，Pset為系統設置功率；t為系統響應時間。

PI控制器的比例常數Kp在無積分控制狀況下首次調整。當Kp＞0.3時，發現系統響應保持相同；但更高的Kp值易導致執行機構飽和，因此，Kp取0.3。積分常數TI在Kp=0.3調諧，結果如圖6所示。在TI＜1/12時，上升時間變化減小，從圖6所示的不同TI階躍響應，選擇足夠小的IAE值，發現TI=1/12(上升時間為0.18 s，穩定時間為0.33 s)足以滿足設計標準。

圖6 不同TI值階躍響應仿真結果(Kp=0.3)

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

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控制器的設計參數Kp、TI代入方程(4)及方程(5)，并計算其頻率響應。通過檢查靈敏度函數的增益功能，我們可以檢查控制器設計的魯棒性[5]。

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

圖7 靈敏度函數的頻率響應

1.4 控制系統仿真

為了驗證上述控制器的設計，我們進行了Simulink時域仿真，以檢查電池電壓擾動下的控制精度。

圖8顯示了在功率設置為18 W時，18W LED燈具的仿真結果。

圖8 電池電壓擾動下18W LED燈具的仿真結果(Pset=18 W)

由圖8可知，當電池電壓在50 s內由11.5～13 V快速變化時，LED燈具的功率始終保持穩定在18 W，未受到任何干擾。

2 控制系統實驗和測試

基于PIC微處理器，構建了LED恒功率控制系統的實驗電路(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期的。

圖9 LED恒功率控制系統的實驗電路

為減少能源損耗，通過檢測0.003 Ω標準電阻Rs的電壓來獲取流過LED照明器的瞬時電流；運放(LM324)用于放大該電壓信號并被發送到微處理器，同時處理獲取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存儲控制器軟件計算產生控制信號(PWM信號，使用之前描述的PI算法，占空比DT)，并驅動MOSFET輸出PWM電流，驅動LED燈具。

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

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

我們還構建了基于此系統的太陽能LED路燈裝置，系統由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，LED的光通量為1300 lm；前文所述的恒功率微處理器控制器應用于電池充放電控制及LED驅動；電池充電按照3段充電技術，基于系統設置功率Pset實施LED燈調光控制。

圖10 電池電壓擾動下的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，根據測得的光伏組件電壓信號在日出后關閉。LED的調光時間設計為4個階段：1)啟動后，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)然后設置為4.5 W不變，直到LED在黎明關閉。在調光中使用的時間步長是6 min。通過編輯基于微處理器的軟件，可隨時設置LED燈的輸入功率并調整調光時間計劃。

圖11顯示了LED的夜晚調光控制測試結果，可見恒功率控制系統對于LED的調光計劃跟蹤是滿意的。Pave的控制誤差主要來源于調光計劃的6 min控制步長及系統內部測試誤差，LED燈的每晚能耗為125 Wh。太陽能路燈運行11個月沒有出現任何故障，系統顯示出良好的特性。

圖11 LED的夜晚調光控制測試結果

3 結論

本文提出了使用電池直接驅動LED照明恒定功率的控制技術。本研究中，LED燈具的系統動態模型導出并應用于反饋控制系統的設計，基于PI算法的控制系統測試結果表明，在電池電壓改變12.0%～22.5%時，18W LED燈具的功率可以被精確控制，誤差為2%～5%。

將這項技術實際應用于太陽能LED路燈系統，并實施了調光控制。現場實驗表明，系統運行穩定，特性良好，長期工作無任何故障。這驗證了該項技術在LED照明和太陽能照明系統應用的技術可行性。

結果表明，該控制器控制精度高、環境溫度影響小、運行壽命長，能夠滿足太陽能LED路燈在實際應用中的要求，也降低了系統一次性投資成本。

[1]周志敏,紀愛華.太陽能LED路燈設計與應用[M].北京:電子工業出版社,2009.

[2]Zetex Semiconductors PLC.ZXLD1320 buck mode DC-DC converter for LED driving with 1.5 A output and current control [EB/OL].http://www.zetex.com,2008.

[3]Abdelkader H I,Hausien H H,Martin J D.Temperature rise and thermal rise time measurement of a semiconductor laser diode [J].Review of Scientific Instruments,1992,63(3):2004－2007.

[4]Franklin G F,Powell J D,Emami-Naeini A.Feedback Control of Dynamic Systems(3ed)[M].Addison-Wesley,1994.

[5]梅生偉,申鐵龍,劉康志.現代魯棒控制理論與應用[M].北京:清華大學出版社,2008.

2016-06-12

浙江省教育廳科研項目(y201534758)

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