基于恒功率控制的太阳能LED路灯驱动技术研究

浙江机电职业技术学院■方建华韩爱娟

基于恒功率控制的太阳能LED路灯驱动技术研究

浙江机电职业技术学院■方建华*韩爱娟

利用恒功率控制的电池直接驱动LED照明技术，导出了LED灯具系统动态模型，并设计了采用反馈型恒功率和调光控制的太阳能LED路灯系统。现场测试结果显示，18W LED灯具的功率可精确控制，误差为2%～5%；系统长期运行的表现稳定，可靠性高。由于在恒功率控制的电路未使用大功率电容器，预期寿命比传统驱动方式更长，对推广太阳能LED路灯的应用有现实和经济意义。

恒功率控制；电池驱动；太阳能路灯；LED照明

0 引言

与传统的照明工具相比，太阳能LED路灯具有节能环保、体积小、重量轻、方向性好、安装简单等优点，在众多应用领域中具有最广泛的发展前景。然而，可靠性、系统成本及使用寿命是影响这一技术接受程度的主要因素[1]。

如图1所示，发光二极管(LED)的特性曲线对电压敏感，外加电压的轻微变化可能会导致电流的突变进而损坏LED。因此，恒压驱动模式不适用于LED产品。相反，恒流驱动在商业产品中应用广泛。以恒定电流输出为主导的DC/DC转换器的在太阳能LED照明系统中被大量应用，但这带来了一系列问题，如转换器控制电路中的能量损耗、太阳能系统可靠性降低、成本增加。

很多商业LED照明产品使用了DC/DC恒流驱动模式。但在部分负载条件下，高功率LED的能量转换损耗很高(＞14%)，如ZetexSemiconductors公司为30～200W LED灯实施调光控制的DC/DC恒流驱动电路，其总成本约为30～50美元[2]。此外，由于电路中的电容器故障，高功率DC/DC转换器寿命预计约为3年。

图1 LED的I-V特性曲线

LED的电性能表现类似负温度系数电阻，电阻值随温度升高而降低，恒流驱动的LED照度及输入功率可随结温的变化而变化。对1个LED灯具进行照度试验表明，当温度上升40℃，恒流驱动导致照度减少12%，恒压驱动会使照度增加约50%(见图2)。

图2 不同驱动模式LED照度与温度间的关系

针对这些不足，在本研究中，我们开发了一种电池直接供电的恒功率驱动LED反馈控制系统，应用在太阳能LED照明系统。该照明系统采用恒功率驱动和夜间照明的调光控制。本文对该系统进行了试验及现场测试，并验证了系统性能。

1 电池驱动动LED的恒功率反馈控制

1.1 电池驱动LED的恒功率反馈控制的结构

电池驱动LED恒功率控制的反馈系统如图3所示。电路中没有像传统的DC/DC驱动电路一样使用的大功率电容，因此，更长的寿命是可以预期的。

LED灯具系统动态模型函数为Gvi(s)(s为自动控制系统传递函数的复变量因子)，接收电池电压Vbat作为输入，并产生通过LED灯具的电流ILED(ILED=GviVbat)。控制器产生特定占空比的PWM信号，驱动MOSFET开关创建PWM电流输入到LED灯具，进而产生光输出。使用平均电流测量装置，以获得LED平均电流信号Iave，与电池电压信号合并在乘法器装置中获得平均功率Pave。

通过比较器将Pave与设定值Pset产生误差信号e(e=Pset-Pave)到电流控制器Gc(s)，基于控制器的计算，输出PWM信号到MOSFET。

下文将根据所需的系统响应和抗干扰等因素，基于已知的LED灯具的动态模型Gvi(s)进行控制器设计。

图3 LED恒功率反馈控制系统结构

1.2 LED灯具系统动态模型Gvi(s)的导出

对于LED而言，目前由输入电压Vbat引起的ILED响应反应时间远短于1 ms，相比于热响应可近似为一个瞬时过程[3]。因此，LED动态模型Gvi(s)可被视为一个具有恒定增益Kvi的准稳态系统。Kvi为LED灯具I-V曲线的斜率，即电导，可通过I-V特性中电流对电压的稳态测量关系来确定(见图4)。

本研究中选择18W LED灯具进行实验。18 W的灯具由15个LED(每3个串联、5组并联)构成。灯具的动态模型参数易通过试验获得。相关参数见表1，导出的参数将用于反馈控制系统设计。

图4 不同结温的LED I-V特性曲线

表1 不同结温下LED及18W LED灯具的Kvi值

1.3 控制器设计

选择比例积分PI算法作为LED恒功率反馈控制系统Gc(s)的算法：

式中，Kp为PI控制器的比例常数；TI为积分常数。

从图3的控制器反馈结构看，式(1)也可由闭环系统的传递函数TCL(s)表示，即：

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

太阳能LED路灯的恒功率反馈控制系统的设计准则为：根据阶跃响应，上升时间(从最后稳态值10%～90%的阶跃响应时间)＜0.5 s；稳定时间(达到98%稳态值的阶跃响应时间)＜1 s。

利用Matlab中的Simulink工具箱，仿真确定PI控制器的参数Kp、TI，如图5所示，其中包括抗积分控制饱和现象。

图5 系统Simulink仿真模型图

利用绝对误差积分IAE作为确定合适的控制器参数的设计标准，IAE值越小代表控制器误差越小，可用下式得到：

式中，Pset为系统设置功率；t为系统响应时间。

PI控制器的比例常数Kp在无积分控制状况下首次调整。当Kp＞0.3时，发现系统响应保持相同；但更高的Kp值易导致执行机构饱和，因此，Kp取0.3。积分常数TI在Kp=0.3调谐，结果如图6所示。在TI＜1/12时，上升时间变化减小，从图6所示的不同TI阶跃响应，选择足够小的IAE值，发现TI=1/12(上升时间为0.18 s，稳定时间为0.33 s)足以满足设计标准。

图6 不同TI值阶跃响应仿真结果(Kp=0.3)

对于未来在太阳能照明中的应用，由于电池电压及LED的驱动电流随着环境变化而变化，控制器必须能够大幅降低环境的干扰。本文使用灵敏度函数，该函数被定义为闭环传递函数TCL(s)相对于工作变量Iave和Vbat的函数[4]。因此，灵敏度函数SI(s)和SV(s)可定义和推导为：

可以看出，SI(s)=SV(s)。SI(s)、SV(s)是相对于Iave或Vbat的变化率。

低灵敏度意味着闭环增益相对于工作变量Iave或Vbat的变化是不敏感的。将PI控制器的设计参数Kp、TI代入方程(4)及方程(5)，并计算其频率响应。通过检查灵敏度函数的增益功能，我们可以检查控制器设计的鲁棒性[5]。

灵敏度函数的频率响应如图7所示。由图7可知，不同参数的PI控制器，灵敏度函数SI(s)=SV(s)的增益小于-30 dB，Kp=0.3和TI=1/12的参数值应该适合于PI控制器，因此，传递函数的控制器选择见式(6)。

图7 灵敏度函数的频率响应

1.4 控制系统仿真

为了验证上述控制器的设计，我们进行了Simulink时域仿真，以检查电池电压扰动下的控制精度。

图8显示了在功率设置为18 W时，18W LED灯具的仿真结果。

图8 电池电压扰动下18W LED灯具的仿真结果(Pset=18 W)

由图8可知，当电池电压在50 s内由11.5～13 V快速变化时，LED灯具的功率始终保持稳定在18 W，未受到任何干扰。

2 控制系统实验和测试

基于PIC微处理器，构建了LED恒功率控制系统的实验电路(图9)。由于电路中未使用大功率电容器，更长的寿命是可以预期的。

图9 LED恒功率控制系统的实验电路

为减少能源损耗，通过检测0.003 Ω标准电阻Rs的电压来获取流过LED照明器的瞬时电流；运放(LM324)用于放大该电压信号并被发送到微处理器，同时处理获取Iave；Vbat通过采样电阻器R1、R2分压后测量，使得R2两端的电压足够低并送到微处理器；然后在PIC存储控制器软件计算产生控制信号(PWM信号，使用之前描述的PI算法，占空比DT)，并驱动MOSFET输出PWM电流，驱动LED灯具。

我们使用具有可调电压的电源来驱动LED，并测试在电池电压扰动下的控制精度(电池电压改变12.0%～22.5%)。

本文仅给出了当电源电压从14.2 V降至11.0 V时(22.5%变化)，18W LED灯具的测试结果。LED的平均输入功率为17.95 W，与设置功率18 W的最大偏差为0.88 W(5%)。结果表明，对于大扰动的电源电压，采用PI模式的反馈控制系统具有良好的鲁棒特性(误差为2%～5%)。

我们还构建了基于此系统的太阳能LED路灯装置，系统由130 Wp的太阳电池板、100Ah/12V的铅酸蓄电池、18W/12V LED灯具组成；输入18 W时，LED的光通量为1300 lm；前文所述的恒功率微处理器控制器应用于电池充放电控制及LED驱动；电池充电按照3段充电技术，基于系统设置功率Pset实施LED灯调光控制。

图10 电池电压扰动下的LED灯具平均输入功率变化

LED路灯照明在日落0.5 h之后开始，根据测得的光伏组件电压信号在日出后关闭。LED的调光时间设计为4个阶段：1)启动后，满载(18 W) 3 h；2)接下来3 h，功率从18 W线性减少到9 W；3)再接下来的3 h，从9 W线性递减到4.5 W；4)然后设置为4.5 W不变，直到LED在黎明关闭。在调光中使用的时间步长是6 min。通过编辑基于微处理器的软件，可随时设置LED灯的输入功率并调整调光时间计划。

图11显示了LED的夜晚调光控制测试结果，可见恒功率控制系统对于LED的调光计划跟踪是满意的。Pave的控制误差主要来源于调光计划的6 min控制步长及系统内部测试误差，LED灯的每晚能耗为125 Wh。太阳能路灯运行11个月没有出现任何故障，系统显示出良好的特性。

图11 LED的夜晚调光控制测试结果

3 结论

本文提出了使用电池直接驱动LED照明恒定功率的控制技术。本研究中，LED灯具的系统动态模型导出并应用于反馈控制系统的设计，基于PI算法的控制系统测试结果表明，在电池电压改变12.0%～22.5%时，18W LED灯具的功率可以被精确控制，误差为2%～5%。

将这项技术实际应用于太阳能LED路灯系统，并实施了调光控制。现场实验表明，系统运行稳定，特性良好，长期工作无任何故障。这验证了该项技术在LED照明和太阳能照明系统应用的技术可行性。

结果表明，该控制器控制精度高、环境温度影响小、运行寿命长，能够满足太阳能LED路灯在实际应用中的要求，也降低了系统一次性投资成本。

[1]周志敏,纪爱华.太阳能LED路灯设计与应用[M].北京:电子工业出版社,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]梅生伟,申铁龙,刘康志.现代鲁棒控制理论与应用[M].北京:清华大学出版社,2008.

2016-06-12

浙江省教育厅科研项目(y201534758)

方建华(1962—)，男，硕士，主要从事自动检测技术和光伏发电技术方面的研究。hyzx86@163.com