基于補償變壓器的LED路燈調光系統

海 濤，時 雨，李俊杰，陳永鑒，劉振語

（廣西大學 電氣工程學院，廣西 南寧 530001）

0 引言

隨著LED亮度的提高和價格的下降，其控制簡易、壽命長等優勢逐漸凸顯，使得LED成為新一代路燈光源.但目前LED路燈存在傳輸距離較短、成本較高和極易受外界干擾等問題，對能源造成了極大的浪費，且利用率不高[1-3].國外從很早就開始注重路燈中的能源浪費問題，提出了“如何在保證照明效果的同時節約電量”的思路，而國內雖然發展較晚，但也提出了通過新的控制方法達到節能目的的基本構想[4-5].現在的路燈調光方式一般采用分散手動控制或時間控制的方式[6-7]，導致路燈長時間保持高亮度工作，能源浪費較大且利用率較低.

結合路燈調光技術發展和市場需求，設計了一種基于補償變壓器的LED路燈調光系統.系統改變補償變壓器二次側接法按要求輸出電壓波動，通過單片機A/D通道轉換為數字信號，根據握手協議，建立與單片機的連接，分析電壓不同變化信號，輸出對應的PWM信號，并通過驅動電路，實現對LED的無級調光.

1 調光控制系統設計

1.1 調壓電路原理

如圖1所示，UA為輸入電壓，U'A為輸出電壓，即有U'A=UA+?UA.由變壓器原理[4-5]，考慮以下3種情況：1）當A端連接UA，B端連接UN時，?UA＞0，則U'A＞UA，輸出電壓升高；2）當A端連接UN，B端連接UA時，?UA＜0，則U'A＜UA，輸出電壓降低；3）當A端、B端同時連接UN時，?UA=0，則U'A=UA，輸出電壓不變.通過上述3種連接組合，可輸出3種不同的U'A.圖1中，SSR為固態繼電器，是一種無觸點開關[8]，通過對4個SSR的接通、關斷，即可實現變壓器的升降壓.

圖1 補償變壓器調壓電路Fig.1 Compensation transformer voltage regulating circuit

固態繼電器控制示意圖如圖2所示，其輸出端可等效為開關，其輸入端一端接過零同步信號，一端輸入控制信號，即可由單片機直接控制輸出端開關，U'A會反饋給單片機，再由單片機根據升降壓情況輸出控制信號.考慮電壓波動太高會導致路燈壽命縮短[9-10]，設計變壓器匝數比為50∶1，則升降壓幅度為2%.

圖2 固態繼電器控制示意圖Fig.2 Solid state relay control schematic

1.2 系統控制原理

補償變壓器產生電壓波動后，可能會受到其他干擾信號的影響[11-12]，導致單片機接收錯誤信號.對電網電壓波動的原因及特性分析如表1所示.可以看出，干擾信號產生的非正常波動不會在某段信號出現時高時低的現象，故控制一段時高時低的信號作為握手協議可有效解決干擾問題.

電網中電壓信號周期為0.02 s，調壓電路每次升降壓持續5個周期，令單片機每過5個周期檢測一段信號，則可能出現如圖3所示3種情況.

表1 電網電壓波動情況分析Tab.1 Analysis of grid voltage fluctuation

圖3 電壓控制信號檢測情況分析Fig.3 Analysis of voltage control signal detection

設某一段單片機最終輸入電壓信號為νi，如圖3（a）所示，5個周期內正好檢測到同一信號ν0，則νi= ν0；如圖3（b）所示，先檢測到ν0信號的次數n0為4，后檢測到ν1信號的次數n1為1，n0＞ n1，則νi=ν0，且下一個采樣時間t1=t0+n0T=t0+0.8，使下一段采樣信號趨近于圖3（a）所示信號；如圖3（c）所示，則νi= ν0，t1=t0+n0T=t0+0.6.

調光控制系統原理框圖如圖4所示.系統采用廣播形式[13]發送信號，控制電壓波動后，對應電壓信號從n1一直傳輸至nn.調光信號發送到控制端后，由單片機分析信號并輸出對應PWM信號通過LED驅動電路[14-15]進行調光.

圖4 調光控制系統原理框圖Fig.4 Functional block diagram of dimming control system

單片機系統中，在初始階段時單片機會定義一個電壓信號初始值，隨后在固定時間內將采集到的信號與初始值進行比較，若其變化率在2%左右則可能是控制信號.設某一時刻電壓為Un，經過單位時間，若電壓變化率＜1%或＞3%，則無輸出并繼續等待下一信號；若1%＜＜3%，則根據升降情況輸出為“1”或“0”并存儲，繼續接收后面連續信號并存儲，待接收滿4個信號段時判斷內容并進行對應操作.

定義握手協議為電壓“升高—降低—持續—升高”，輸出電壓信號變化規律滿足握手條件，則握手成功建立連接；隨后補償變壓器控制電壓波動，發送控制內容信號；控制結束后，電壓“降低—升高—持續—降低”，則斷開握手連接協議，控制結束.邏輯描述如式（1）所示：

單片機根據信號的邏輯內容輸出對應PWM進行調光，正常情況下電壓變化對應邏輯信號關系如圖5所示.可根據晚上的時段或車流量情況對單片機進行編程，調節路燈的亮度，達到節能目的.

圖5 電壓變化對應邏輯信號圖Fig.5 Logic signal diagram of voltage change

圖6 主程序流程圖Fig.6 Main program flow chart

2 系統軟件設計

系統主程序流程圖如圖6所示.初始化后，根據對握手協議的定義，當單片機檢測到電壓變化規律為“升高—降低—持續—升高”時，建立連接握手成功；隨后根據接收到的調節內容信號進行對應PWM信號輸出：當信號段為“1010”時，輸出PWM占空比為70%；當信號段為“1100”時，輸出PWM占空比為30%；當信號段為“1001”時，輸出PWM占空比為0%.輸出對應PWM信號后，當單片機檢測到電壓變化規律為“降低—升高—持續—降低”時，表示控制完成，握手結束，斷開連接.

3 系統測試

3.1 控制測試

對補償變壓器調壓電路輸出進行測試，測試電路實物如圖7所示.單片機選用STM32F103ZET6，示波器選用泰克TDS1001B-SC.為便于觀察，將調壓幅度設定在5%左右，用小燈泡代替控制端輸出進行測試，觀察示波器波形變化.測試結果如圖8所示，由圖8（a）可以看出經過補償變壓器調壓的電壓波形變化平滑，基本可實現路燈電壓平穩波動；由圖8（b）可以看出，單片機控制固態繼電器輸出可平滑實現上述握手協議所要求的電壓波形變化.

圖7 實驗電路實物圖Fig.7 Experimental circuit physical map

圖8 控制測試電壓波形Fig.8 Control test voltage waveform

3.2 驅動測試

驅動測試采用額定電流為5A的LED路燈進行測試，驅動電路如圖9所示.通過設置不同的PWM輸出占空比，可輸出不同的驅動電流，從而調節LED路燈亮度.輸出電流與占空比的關系曲線如圖10所示.

圖9 LED驅動電路Fig.9 LED drive circuit

圖10 輸出電流與占空比關系曲線Fig.10 Relationship curve between output current and duty cycle

3.3 通信測試

受電網實際波動影響，補償變壓器產生的電壓變化幅度在實際通信中會隨距離增加而減小，導致通信失敗.在南方某學校進行通信測試，通信測試方法是：通過總控制端補償變壓對電網電壓進行微小升降壓控制，將控制信號發送至集中控制端，再由集中控制端將信號發送至等間隔距離的LED控制終端；在固定時間內，按電網電壓50 Hz的頻率發送信號，每發送1 000次信號，查看控制終端接收數據情況.測試結果如表2所示.

表2 通信測試結果Tab.2 Communication test results

通過通信測試結果可知，在通信距離1 600 m范圍內可以實現穩定可靠的控制效果.

4 結語

實驗結果表明：LED可通過補償變壓器進行控制，可靠實現遠距離調光.基于補償變壓器的LED調光方案可應用于學校、醫院等公共場所，還可根據使用需求，應用于彩光調節等控制系統.