基于层级化的LED智能控制分析及策略研究

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  摘 要:文章针对LED老式照明控制节能效果低下、控制方法简单、层级化低、扩展性能不够等问题,通过探索LED发光、伏安特性,分析基于恒定导通时间控制的LED驱动电源的模块电路,建立具多路驱动能力的串联谐振恒流LED驱动电源理论模型,构建LED恒流驱动电源原型机和PWM调光的期望光度量、色度量与电流占空比之间的定量计算模型,拟开发出LED多模式层级化照明控制系统,实现多种照明模式控制。
  关键词:LED;模块电路;驱动电源理论模型;定量计算模型
  0    引言
  LED电源驱动研究与老式照明灯不同,LED是低压直流驱动,单个LED驱动电压较低,实际使用中采用多个LED串联或者组成阵列工作,每个LED阵列需要经过相应的变换电路才能接入220 V的交流电网,并且不同用途的LED,需要配备不同的工作电压。LED驱动电源需要解决的技术难题:驱动电路整体寿命不长,大多采用容量较大的电解电容,高温状态下电源寿命低;转换效率不高,损耗的能量被转化为热量耗散,LED长期高温工作下器件性能变化,产生光衰,导致LED节能效果不佳;控制简单、性能稳定的LED调光技术不太成熟。
  LED电源的品质制约了LED产品的可靠性,生产驱动芯片的国外企业只致力研发控制简单、特性好的芯片,仅满足提高恒流稳定性和调光简便性;驱动电源生产商仅致力研发转换效率高、无电解电容的驱动电源;灯具生产商仅致力使用散热性能较好的材料。以上成品只应用在小功率级别,长期效益不够显著[1]。
  1 LED智能控制的创设与发展
  LED光源以高效节能、绿色环保等优势逐渐走入人们的视野,近年来成为道路照明的最佳选择。我国现有多家企业开发生产LED城市照明路灯,但多采用普通LED阵列作发光体,所需LED数量多、光衰强,安装维护成本高。在LED路灯应用示范过程中发现,因其驱动电源问题经常导致亮度不均匀、光衰、整体寿命不高等问题,其应用效果没有达到人们的预期。延长LED的使用寿命和发挥出其在照明、节约能源方面的优势,必然需要与LED负载相匹配的驱动方式和调光系统。特别对于隧道、桥梁等特殊路段,LED路灯运行的环境差别较大,其照明系统不仅要考虑安装、节能等问题,还要考虑安全事故的问题和方便进行设备故障维护等需求。LED照明的光衰、散热问题,特别是LED驱动电源的滞后研究,深深制约LED节能效果的发挥[2]。
  老式的LED照明控制系统主要为手动控制和时间控制,它过多依赖控制者,控制相对分散,实时性和智能化较低。光源大部分时间为工作状态,甚至无人时开启;控制仅能实现过压、过流保护,过温保护不够突出。老式的LED照明控制系统浪费大量人力、物力,管理上相对混乱[3]。
  智能照明控制系统是指以计算机技术为核心,结合通信、自动化等相关学科,对LED照明进行自动控制,在提供合适光环境的同时,降低对电能的消耗以及成本费用或安装费用[4]。
  2 LED智能控制的整体分析
  (1)本文主要分析LED照明控制在应用中存在的技术问题,对LED多模式层级化智能照明控制需求进行分析,针对LED特性,结合自动控制技术、计算机技术、通信技术、网络技术、电子技术等,设计LED智能照明控制系统的总体架构及主要功能,研制LED多模式层级化智能照明控制系统。监控中心能够对LED灯实现多种照明模式的远程控制,实时监测LED灯工作状态、环境照度;实时控制LED的亮度;出现异常,能通知用户及时维修。整个控制系统能够克服传统照明控制系统节能效率低下、控制方法单一、智能化低、可靠性低、扩展性差等问题[5]。
  (2)LED照明調光方式有:线性调光、PWM调光、可控硅调光。线性调光通过线性调节采样电压值,改变LED的电流值,此方式稳定性不好,抗干扰能力不强,频繁闪烁;PWM调光通过调节改变 PWM输入脉冲信号的占空比来改变LED电流,它解决了线性调光的颜色不稳定性,却需要 PWM信号源;可控硅调光根据控制信号来改变LED电流,但存在误导通、操作不稳等问题。调光与发光颜色、光输出、发光效率密切相关,同时LED驱动电源、架构方式和已有的基础设施等因素对LED调光控制性能有很大的影响。调光方式的选择必须综合考虑[6]。
  LED照明控制通信方式有:现场总线通信、电力载波通信和无线通信等。现场总线通信安装方法简单,但布线麻烦,维护成本高且受环境约束,可扩展性较差,数据信号不便于远距离传输;电力载波通信不需搭设通信线路,运行成本低,但抗干扰能力差,可靠性不稳;无线通信无须架设通信线路,抗干扰性强,可靠性很高,应用广泛,主要用于无线远距离传输,但应用到独立LED灯调光的成本高,不能检测和报告故障。针对LED照明控制系统,电力载波和无线网络是适合的通信方式,电力载波通信便宜,无线网络精准,具体方式的选择需要依据要求和成本才能确定[7]。
  (3)随着科学技术进步,人们对智能照明的需求不断提高,不仅要提供适宜的环境亮度外,还需要提供优雅舒适的氛围。用户要求控制方式灵活方便,可按需配置;施工方要求系统安装简单、维护方便;设计方要求系统能提供满足用户多样性要求。以此,传统的机械控制进化成目前的结合计算机技术、自动控制技术、通信技术的智能照明控制系统。以LED作为光源,将其调光特性与电子技术、传感技术及通信技术相结合,脱离单一开关控制的管理系统,迈进智能化、网络化,满足控制系统功能丰富、控制灵活、管理维护方便科学,真正做到按需照明、实现最大化的节能,是LED智能照明控制系统发展的趋势。
  3 LED智能控制的实施策略
  3.1 研究方法
  (1)理论推导:利用LED发光原理、电磁学原理、电力电子技术等理论,推导出具有多路驱动能力的无电解电容串联谐振恒流LED驱动电源;通过分析PWM调光技术下的几何、光度、色度与电力约束条件,建立PWM调光的期望光度量、色度量与电流占空比之间的定量计算模型。   (2)计算机仿真:在理论推导、分析的基础上建立驱动电源模型和PWM调光计算模型,利用Cadence,Saber软件进行计算机仿真,确定驱动电源的各种量化指标,针对驱动模块纹波、稳定性和效率问题,调整部分数据进行修改;仿真PWM恒流调光电路,高低压分别模拟设计,优化相关参数。
  (3)实验研究:利用计算机仿真结果进行LED驱动电源、调光模块和智能控制系统主站实验,并通过实验确定理论分析外的其他干扰因素,确定最优解。
  3.2 拟解决的关键问题
  (1)LED驱动电源必须具备功率因数校正和恒流驱动两大功能。无论是有源或无源功率因数校正,一般采用大容量电解电容输入输出瞬时功率之间的差值,但在额定工作条件下电解电容的寿命仅有几千小时,这与LED的理论寿命(10万小时)不匹配。根据LED的简化等效模型,本文提出一种具有多路驱动能力的无电解电容串联谐振恒流LED驱动电源。
  (2)LED常用的调光方法有线性调光和PWM调光。线性调光为线性调节LED电流,PWM调光是通过使用开关电路改变光输出的平均值,使光度量相应地线性改变而色度量保持恒定。本文釆用一种滑膜变结构的PWM调光技术,在调光频率内调节输出电流,分低压和高压进行设计。
  (3)冲突LED控制采用网络协议和算法进行传输。单向信息传输低效,不能进行大批量的信息传输控制,无法实现实时监控。本文设计分级分层次LED智能照明控制系统通信链路,以满足系统高效、稳定、及时的通信技术需要[8]。
  4 LED智能控制的特色与创新;
  (1)针对LED照明技术上存在的各类技术难题,提出应用LED多种模式、分层分级控制,将LED电源技术、调光技术、通信方式、管理平台集合到一起,通过整个系统的优势来解决各环节上的问题。
  (2)针对LED驱动电源的驱动电路寿命不长、多采用容量较大的电解电容、转换效率不高、器件老化、光衰等技术难题,本文提出采用具有多路驱动能力的无电解电容串联谐振恒流LED驱动电源,实现电源的安全可靠运行。
  (3)针对LED调光技术中存在的颜色稳定性不好、抗干扰能力较差、操作不穩定、闪烁不定等问题,釆用滑膜变结构的PWM调光技术,可在极宽的调光频率内对输出电流进行调节,且系统具有鲁棒性。
  [参考文献]
  [1]马腾,李渊,李宝营,等.LED 路灯智能控制系统设计[J].大连工业大学学报,2017(1):75-79.
  [2]张群.独立光伏发电智能 LED 道路照明系统的研究[D].南昌:南昌大学,2018.
  [3]谭文兵,苏华.LED 照明系统设计方案[J].科技情报开发与经济,2019(24):212-215.
  [4]赵青青.智能照明控制系统的特点及应用综述[J].照明工程学报,2019(4):112-116.
  [5]张利.办公室室内数字智能化 LED 照明光环境研究[D].北京:北京工业大学,2013.
  [6]高颖,杨建波,王荣.基于 Lon Works 的 LED 节能照明控制策略的研究[J].电气传动,2017(4):52-55.
  [7]吴春泽,林燕丹,孙耀杰.基于视觉与信息反演的室内 LED 照明技术[J].照明工程学报,2018(2):231-234.
  [8]黄天宏.LED照明技术的研究和设计实例[D].长沙:湖南大学,2020.
  (编辑 王永超)
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