基于层级化的LED智能控制分析及策略研究

刘红平

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）