基于补偿变压器的LED路灯调光系统

海 涛，时 雨，李俊杰，陈永鉴，刘振语

（广西大学 电气工程学院，广西 南宁 530001）

0 引言

随着LED亮度的提高和价格的下降，其控制简易、寿命长等优势逐渐凸显，使得LED成为新一代路灯光源.但目前LED路灯存在传输距离较短、成本较高和极易受外界干扰等问题，对能源造成了极大的浪费，且利用率不高[1-3].国外从很早就开始注重路灯中的能源浪费问题，提出了“如何在保证照明效果的同时节约电量”的思路，而国内虽然发展较晚，但也提出了通过新的控制方法达到节能目的的基本构想[4-5].现在的路灯调光方式一般采用分散手动控制或时间控制的方式[6-7]，导致路灯长时间保持高亮度工作，能源浪费较大且利用率较低.

结合路灯调光技术发展和市场需求，设计了一种基于补偿变压器的LED路灯调光系统.系统改变补偿变压器二次侧接法按要求输出电压波动，通过单片机A/D通道转换为数字信号，根据握手协议，建立与单片机的连接，分析电压不同变化信号，输出对应的PWM信号，并通过驱动电路，实现对LED的无级调光.

1 调光控制系统设计

1.1 调压电路原理

如图1所示，UA为输入电压，U'A为输出电压，即有U'A=UA+∆UA.由变压器原理[4-5]，考虑以下3种情况：1）当A端连接UA，B端连接UN时，∆UA＞0，则U'A＞UA，输出电压升高；2）当A端连接UN，B端连接UA时，∆UA＜0，则U'A＜UA，输出电压降低；3）当A端、B端同时连接UN时，∆UA=0，则U'A=UA，输出电压不变.通过上述3种连接组合，可输出3种不同的U'A.图1中，SSR为固态继电器，是一种无触点开关[8]，通过对4个SSR的接通、关断，即可实现变压器的升降压.

图1 补偿变压器调压电路Fig.1 Compensation transformer voltage regulating circuit

固态继电器控制示意图如图2所示，其输出端可等效为开关，其输入端一端接过零同步信号，一端输入控制信号，即可由单片机直接控制输出端开关，U'A会反馈给单片机，再由单片机根据升降压情况输出控制信号.考虑电压波动太高会导致路灯寿命缩短[9-10]，设计变压器匝数比为50∶1，则升降压幅度为2%.

图2 固态继电器控制示意图Fig.2 Solid state relay control schematic

1.2 系统控制原理

补偿变压器产生电压波动后，可能会受到其他干扰信号的影响[11-12]，导致单片机接收错误信号.对电网电压波动的原因及特性分析如表1所示.可以看出，干扰信号产生的非正常波动不会在某段信号出现时高时低的现象，故控制一段时高时低的信号作为握手协议可有效解决干扰问题.

电网中电压信号周期为0.02 s，调压电路每次升降压持续5个周期，令单片机每过5个周期检测一段信号，则可能出现如图3所示3种情况.

表1 电网电压波动情况分析Tab.1 Analysis of grid voltage fluctuation

图3 电压控制信号检测情况分析Fig.3 Analysis of voltage control signal detection

设某一段单片机最终输入电压信号为νi，如图3（a）所示，5个周期内正好检测到同一信号ν0，则νi= ν0；如图3（b）所示，先检测到ν0信号的次数n0为4，后检测到ν1信号的次数n1为1，n0＞ n1，则νi=ν0，且下一个采样时间t1=t0+n0T=t0+0.8，使下一段采样信号趋近于图3（a）所示信号；如图3（c）所示，则νi= ν0，t1=t0+n0T=t0+0.6.

调光控制系统原理框图如图4所示.系统采用广播形式[13]发送信号，控制电压波动后，对应电压信号从n1一直传输至nn.调光信号发送到控制端后，由单片机分析信号并输出对应PWM信号通过LED驱动电路[14-15]进行调光.

图4 调光控制系统原理框图Fig.4 Functional block diagram of dimming control system

单片机系统中，在初始阶段时单片机会定义一个电压信号初始值，随后在固定时间内将采集到的信号与初始值进行比较，若其变化率在2%左右则可能是控制信号.设某一时刻电压为Un，经过单位时间，若电压变化率＜1%或＞3%，则无输出并继续等待下一信号；若1%＜＜3%，则根据升降情况输出为“1”或“0”并存储，继续接收后面连续信号并存储，待接收满4个信号段时判断内容并进行对应操作.

定义握手协议为电压“升高—降低—持续—升高”，输出电压信号变化规律满足握手条件，则握手成功建立连接；随后补偿变压器控制电压波动，发送控制内容信号；控制结束后，电压“降低—升高—持续—降低”，则断开握手连接协议，控制结束.逻辑描述如式（1）所示：

单片机根据信号的逻辑内容输出对应PWM进行调光，正常情况下电压变化对应逻辑信号关系如图5所示.可根据晚上的时段或车流量情况对单片机进行编程，调节路灯的亮度，达到节能目的.

图5 电压变化对应逻辑信号图Fig.5 Logic signal diagram of voltage change

图6 主程序流程图Fig.6 Main program flow chart

2 系统软件设计

系统主程序流程图如图6所示.初始化后，根据对握手协议的定义，当单片机检测到电压变化规律为“升高—降低—持续—升高”时，建立连接握手成功；随后根据接收到的调节内容信号进行对应PWM信号输出：当信号段为“1010”时，输出PWM占空比为70%；当信号段为“1100”时，输出PWM占空比为30%；当信号段为“1001”时，输出PWM占空比为0%.输出对应PWM信号后，当单片机检测到电压变化规律为“降低—升高—持续—降低”时，表示控制完成，握手结束，断开连接.

3 系统测试

3.1 控制测试

对补偿变压器调压电路输出进行测试，测试电路实物如图7所示.单片机选用STM32F103ZET6，示波器选用泰克TDS1001B-SC.为便于观察，将调压幅度设定在5%左右，用小灯泡代替控制端输出进行测试，观察示波器波形变化.测试结果如图8所示，由图8（a）可以看出经过补偿变压器调压的电压波形变化平滑，基本可实现路灯电压平稳波动；由图8（b）可以看出，单片机控制固态继电器输出可平滑实现上述握手协议所要求的电压波形变化.

图7 实验电路实物图Fig.7 Experimental circuit physical map

图8 控制测试电压波形Fig.8 Control test voltage waveform

3.2 驱动测试

驱动测试采用额定电流为5A的LED路灯进行测试，驱动电路如图9所示.通过设置不同的PWM输出占空比，可输出不同的驱动电流，从而调节LED路灯亮度.输出电流与占空比的关系曲线如图10所示.

图9 LED驱动电路Fig.9 LED drive circuit

图10 输出电流与占空比关系曲线Fig.10 Relationship curve between output current and duty cycle

3.3 通信测试

受电网实际波动影响，补偿变压器产生的电压变化幅度在实际通信中会随距离增加而减小，导致通信失败.在南方某学校进行通信测试，通信测试方法是：通过总控制端补偿变压对电网电压进行微小升降压控制，将控制信号发送至集中控制端，再由集中控制端将信号发送至等间隔距离的LED控制终端；在固定时间内，按电网电压50 Hz的频率发送信号，每发送1 000次信号，查看控制终端接收数据情况.测试结果如表2所示.

表2 通信测试结果Tab.2 Communication test results

通过通信测试结果可知，在通信距离1 600 m范围内可以实现稳定可靠的控制效果.

4 结语

实验结果表明：LED可通过补偿变压器进行控制，可靠实现远距离调光.基于补偿变压器的LED调光方案可应用于学校、医院等公共场所，还可根据使用需求，应用于彩光调节等控制系统.