基于層級化的LED智能控制分析及策略研究

劉紅平

摘 要：文章針對LED老式照明控制節能效果低下、控制方法簡單、層級化低、擴展性能不夠等問題，通過探索LED發光、伏安特性，分析基于恒定導通時間控制的LED驅動電源的模塊電路，建立具多路驅動能力的串聯諧振恒流LED驅動電源理論模型，構建LED恒流驅動電源原型機和PWM調光的期望光度量、色度量與電流占空比之間的定量計算模型，擬開發出LED多模式層級化照明控制系統，實現多種照明模式控制。

關鍵詞：LED;模塊電路;驅動電源理論模型;定量計算模型

0? ? 引言

LED電源驅動研究與老式照明燈不同，LED是低壓直流驅動，單個LED驅動電壓較低，實際使用中采用多個LED串聯或者組成陣列工作，每個LED陣列需要經過相應的變換電路才能接入220 V的交流電網，并且不同用途的LED，需要配備不同的工作電壓。LED驅動電源需要解決的技術難題：驅動電路整體壽命不長，大多采用容量較大的電解電容，高溫狀態下電源壽命低;轉換效率不高，損耗的能量被轉化為熱量耗散，LED長期高溫工作下器件性能變化，產生光衰，導致LED節能效果不佳;控制簡單、性能穩定的LED調光技術不太成熟。

LED電源的品質制約了LED產品的可靠性，生產驅動芯片的國外企業只致力研發控制簡單、特性好的芯片，僅滿足提高恒流穩定性和調光簡便性;驅動電源生產商僅致力研發轉換效率高、無電解電容的驅動電源;燈具生產商僅致力使用散熱性能較好的材料。以上成品只應用在小功率級別，長期效益不夠顯著[1]。

1 LED智能控制的創設與發展

LED光源以高效節能、綠色環保等優勢逐漸走入人們的視野，近年來成為道路照明的最佳選擇。我國現有多家企業開發生產LED城市照明路燈，但多采用普通LED陣列作發光體，所需LED數量多、光衰強，安裝維護成本高。在LED路燈應用示范過程中發現，因其驅動電源問題經常導致亮度不均勻、光衰、整體壽命不高等問題，其應用效果沒有達到人們的預期。延長LED的使用壽命和發揮出其在照明、節約能源方面的優勢，必然需要與LED負載相匹配的驅動方式和調光系統。特別對于隧道、橋梁等特殊路段，LED路燈運行的環境差別較大，其照明系統不僅要考慮安裝、節能等問題，還要考慮安全事故的問題和方便進行設備故障維護等需求。LED照明的光衰、散熱問題，特別是LED驅動電源的滯后研究，深深制約LED節能效果的發揮[2]。

老式的LED照明控制系統主要為手動控制和時間控制，它過多依賴控制者，控制相對分散，實時性和智能化較低。光源大部分時間為工作狀態，甚至無人時開啟;控制僅能實現過壓、過流保護，過溫保護不夠突出。老式的LED照明控制系統浪費大量人力、物力，管理上相對混亂[3]。

智能照明控制系統是指以計算機技術為核心，結合通信、自動化等相關學科，對LED照明進行自動控制，在提供合適光環境的同時，降低對電能的消耗以及成本費用或安裝費用[4]。

2 LED智能控制的整體分析

（1）本文主要分析LED照明控制在應用中存在的技術問題，對LED多模式層級化智能照明控制需求進行分析，針對LED特性，結合自動控制技術、計算機技術、通信技術、網絡技術、電子技術等，設計LED智能照明控制系統的總體架構及主要功能，研制LED多模式層級化智能照明控制系統。監控中心能夠對LED燈實現多種照明模式的遠程控制，實時監測LED燈工作狀態、環境照度;實時控制LED的亮度;出現異常，能通知用戶及時維修。整個控制系統能夠克服傳統照明控制系統節能效率低下、控制方法單一、智能化低、可靠性低、擴展性差等問題[5]。

（2）LED照明調光方式有：線性調光、PWM調光、可控硅調光。線性調光通過線性調節采樣電壓值，改變LED的電流值，此方式穩定性不好，抗干擾能力不強，頻繁閃爍;PWM調光通過調節改變 PWM輸入脈沖信號的占空比來改變LED電流，它解決了線性調光的顏色不穩定性，卻需要 PWM信號源;可控硅調光根據控制信號來改變LED電流，但存在誤導通、操作不穩等問題。調光與發光顏色、光輸出、發光效率密切相關，同時LED驅動電源、架構方式和已有的基礎設施等因素對LED調光控制性能有很大的影響。調光方式的選擇必須綜合考慮[6]。

LED照明控制通信方式有：現場總線通信、電力載波通信和無線通信等。現場總線通信安裝方法簡單，但布線麻煩，維護成本高且受環境約束，可擴展性較差，數據信號不便于遠距離傳輸;電力載波通信不需搭設通信線路，運行成本低，但抗干擾能力差，可靠性不穩;無線通信無須架設通信線路，抗干擾性強，可靠性很高，應用廣泛，主要用于無線遠距離傳輸，但應用到獨立LED燈調光的成本高，不能檢測和報告故障。針對LED照明控制系統，電力載波和無線網絡是適合的通信方式，電力載波通信便宜，無線網絡精準，具體方式的選擇需要依據要求和成本才能確定[7]。

（3）隨著科學技術進步，人們對智能照明的需求不斷提高，不僅要提供適宜的環境亮度外，還需要提供優雅舒適的氛圍。用戶要求控制方式靈活方便，可按需配置;施工方要求系統安裝簡單、維護方便;設計方要求系統能提供滿足用戶多樣性要求。以此，傳統的機械控制進化成目前的結合計算機技術、自動控制技術、通信技術的智能照明控制系統。以LED作為光源，將其調光特性與電子技術、傳感技術及通信技術相結合，脫離單一開關控制的管理系統，邁進智能化、網絡化，滿足控制系統功能豐富、控制靈活、管理維護方便科學，真正做到按需照明、實現最大化的節能，是LED智能照明控制系統發展的趨勢。

3 LED智能控制的實施策略

3.1 研究方法

（1）理論推導：利用LED發光原理、電磁學原理、電力電子技術等理論，推導出具有多路驅動能力的無電解電容串聯諧振恒流LED驅動電源;通過分析PWM調光技術下的幾何、光度、色度與電力約束條件，建立PWM調光的期望光度量、色度量與電流占空比之間的定量計算模型。

（2）計算機仿真：在理論推導、分析的基礎上建立驅動電源模型和PWM調光計算模型，利用Cadence，Saber軟件進行計算機仿真，確定驅動電源的各種量化指標，針對驅動模塊紋波、穩定性和效率問題，調整部分數據進行修改;仿真PWM恒流調光電路，高低壓分別模擬設計，優化相關參數。

（3）實驗研究：利用計算機仿真結果進行LED驅動電源、調光模塊和智能控制系統主站實驗，并通過實驗確定理論分析外的其他干擾因素，確定最優解。

3.2 擬解決的關鍵問題

（1）LED驅動電源必須具備功率因數校正和恒流驅動兩大功能。無論是有源或無源功率因數校正，一般采用大容量電解電容輸入輸出瞬時功率之間的差值，但在額定工作條件下電解電容的壽命僅有幾千小時，這與LED的理論壽命（10萬小時）不匹配。根據LED的簡化等效模型，本文提出一種具有多路驅動能力的無電解電容串聯諧振恒流LED驅動電源。

（2）LED常用的調光方法有線性調光和PWM調光。線性調光為線性調節LED電流，PWM調光是通過使用開關電路改變光輸出的平均值，使光度量相應地線性改變而色度量保持恒定。本文釆用一種滑膜變結構的PWM調光技術，在調光頻率內調節輸出電流，分低壓和高壓進行設計。

（3）沖突LED控制采用網絡協議和算法進行傳輸。單向信息傳輸低效，不能進行大批量的信息傳輸控制，無法實現實時監控。本文設計分級分層次LED智能照明控制系統通信鏈路，以滿足系統高效、穩定、及時的通信技術需要[8]。

4 LED智能控制的特色與創新;

（1）針對LED照明技術上存在的各類技術難題，提出應用LED多種模式、分層分級控制，將LED電源技術、調光技術、通信方式、管理平臺集合到一起，通過整個系統的優勢來解決各環節上的問題。

（2）針對LED驅動電源的驅動電路壽命不長、多采用容量較大的電解電容、轉換效率不高、器件老化、光衰等技術難題，本文提出采用具有多路驅動能力的無電解電容串聯諧振恒流LED驅動電源，實現電源的安全可靠運行。

（3）針對LED調光技術中存在的顏色穩定性不好、抗干擾能力較差、操作不穩定、閃爍不定等問題，釆用滑膜變結構的PWM調光技術，可在極寬的調光頻率內對輸出電流進行調節，且系統具有魯棒性。

[參考文獻]

[1]馬騰，李淵，李寶營，等.LED 路燈智能控制系統設計[J].大連工業大學學報，2017（1）：75-79.

[2]張群.獨立光伏發電智能 LED 道路照明系統的研究[D].南昌：南昌大學，2018.

[3]譚文兵，蘇華.LED 照明系統設計方案[J].科技情報開發與經濟，2019（24）：212-215.

[4]趙青青.智能照明控制系統的特點及應用綜述[J].照明工程學報，2019（4）：112-116.

[5]張利.辦公室室內數字智能化 LED 照明光環境研究[D].北京：北京工業大學，2013.

[6]高穎，楊建波，王榮.基于 Lon Works 的 LED 節能照明控制策略的研究[J].電氣傳動，2017（4）：52-55.

[7]吳春澤，林燕丹，孫耀杰.基于視覺與信息反演的室內 LED 照明技術[J].照明工程學報，2018（2）：231-234.

[8]黃天宏.LED照明技術的研究和設計實例[D].長沙：湖南大學，2020.

（編輯 王永超）