基于DSP的光伏LED照明驅(qū)動控制系統(tǒng)

1、基于DSP的光伏LED照明驅(qū)動控制系統(tǒng)    摘 要：結(jié)合光伏電池輸出電壓變動范圍大、輸出功率不穩(wěn)定的特點，設(shè)計了一種基于TMS320F2812的LED（Light Emitting Diode）照明驅(qū)動控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)根據(jù)負(fù)載和電源的變化自適性切換驅(qū)動電路，調(diào)節(jié)LED負(fù)載電流，提高其適應(yīng)性和調(diào)節(jié)范圍。實驗結(jié)果證明獲得了更大的負(fù)載電流調(diào)節(jié)范圍和調(diào)光范圍，實現(xiàn)了光伏LED的恒流驅(qū)動。關(guān)鍵詞：光伏電池；LED照明；驅(qū)動控制；穩(wěn)定電流中圖分類號：TM615 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1672-1098(2012)02-0022-04收稿日期：2012-03-

2、06基金項目：國家級大學(xué)生創(chuàng)新性實驗計劃資助項目(101035918)作者簡介：祝青(1991-)，男，安徽淮南人，在讀學(xué)士，研究方向為電氣工程及其自動化。Photovoltaic LEDs Lighting Drive Control System Based on TMS320F2812ZHU Qing, WANG Xiao-chen, JIANG Wei, CUI Rong-xiang, ZHOU Yu(School of Electrical Engineering and Automation, Hefei University of Technology, Hefei Anhui

3、230000, China)Abstract:Considering broad range of photovoltaic battery output voltage and instability of the output power, a kind of LED (Light Emitting Diode) lighting-driving control system based on TMS320F2812 was designed, the control system according to changes in load and supply self-adaptivel

4、y switch driving circuits, adjusting LED load current, to improve their adaptability and adjustment range. Experimental results show that a greater load current adjustment range and dimming range are obtained, and photovoltaic constant current LED driver is realyzed.Key words: photovoltaic battery;

5、LEDs lighting; driving control; constant current隨著太陽能的開發(fā)利用，在整個照明領(lǐng)域，以白熾燈和熒光燈為主力軍的角色已經(jīng)發(fā)生改變，備受人們關(guān)注的光伏LED(Light Emitting Diode)燈已經(jīng)開始進(jìn)入市場。作為一種新型的綠色照明光源，正在以獨特的優(yōu)勢取代傳統(tǒng)的電光源。采用LED照明主要有以下幾個特點：LED燈的發(fā)光效率高，是熒光燈的2倍，白熾燈的10倍；LED燈的供電電壓為低壓直流，而太陽能組件輸出電壓和蓄電池的儲能電壓都是低壓直流，省去了交直流轉(zhuǎn)換的逆變器，節(jié)約了設(shè)備成本；壽命長，LED燈的理論壽命可長達(dá)10萬小時1；LED是典型的

6、電流型器件，對工作電流的大小和穩(wěn)定性要求較高，電流的波動會影響LED的發(fā)光效率和色彩，而電流超過額定值將損害LED，降低其使用壽命與可靠性2。常用的LED驅(qū)動有降壓型(Buck)、升壓型(Boost)、升降壓型(Buck-Boost)三種，而常用的驅(qū)動控制器只能適用于其中一種，因此研制一種具有普適性的驅(qū)動控制系統(tǒng)具有很好的應(yīng)用前景。1 照明控制系統(tǒng)的組成LED光源對電流和電壓的穩(wěn)定有著相當(dāng)高的要求，電壓過高會使LED變色甚至損壞。LED驅(qū)動電路的主要任務(wù)是輸出穩(wěn)定的負(fù)載電流，其作用是將太陽能電池板輸入的不穩(wěn)定電壓，通過DCDC-1變換器輸出穩(wěn)定的負(fù)載電流，保證LED燈的正常亮度和使用壽命。一般

7、的LED驅(qū)動電路雖然能基本滿足需要，但只能用于特定的電源或特定的電壓環(huán)境，這種驅(qū)動電路受環(huán)境因素影響太大。為提高LED照明驅(qū)動系統(tǒng)的的適應(yīng)性和靈活性。本文設(shè)計了基于TMS320F2812的DSP芯片為控制核心的光伏LED照明驅(qū)動控制系統(tǒng)(見圖1)，它能根據(jù)環(huán)境的變化實時監(jiān)控和調(diào)節(jié)驅(qū)動器輸出的負(fù)載電流。由于TI公司的TMS320F2812系列的DSP芯片擁有強大的控制功能和高速的處理速度，在控制領(lǐng)域有較好的表現(xiàn)，因此選用它作為控制系統(tǒng)的核心。LED照明系統(tǒng)的能量來源是太陽能電池板，白天有光照時產(chǎn)生電能并儲存在蓄電池中，在光照強度過低時關(guān)閉太陽能電源，以蓄電池的儲能作為驅(qū)動電源點亮LED照明負(fù)載。

8、控制系統(tǒng)以TMS320F2812為核心，分別由太陽能電池板、充電控制器(DCDC-1)、蓄電池，驅(qū)動控制器(DCDC-2)，電壓電流采樣、DSP控制電路等組成。光伏照明系統(tǒng)工作時，太陽能電池板提供電能，蓄電池的電壓為直流12V LED照明系統(tǒng)的能量來源是一塊太陽能電池板，白天有光照時產(chǎn)生電能并儲存在蓄電池中，同時也為LDE供電，在光照強度過低時關(guān)閉太陽能電源，使用蓄電池作為電源繼續(xù)工作。為控制芯片 摘 要：結(jié)合光伏電池輸出電壓變動范圍大、輸出功率不穩(wěn)定的特點，設(shè)計了一種基于TMS320F2812的LED（Light Emitting Diode）照明驅(qū)動控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)根據(jù)負(fù)載和電源的變化

9、自適性切換驅(qū)動電路，調(diào)節(jié)LED負(fù)載電流，提高其適應(yīng)性和調(diào)節(jié)范圍。實驗結(jié)果證明獲得了更大的負(fù)載電流調(diào)節(jié)范圍和調(diào)光范圍，實現(xiàn)了光伏LED的恒流驅(qū)動。關(guān)鍵詞：光伏電池；LED照明；驅(qū)動控制；穩(wěn)定電流中圖分類號：TM615 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1672-1098(2012)02-0022-04收稿日期：2012-03-06基金項目：國家級大學(xué)生創(chuàng)新性實驗計劃資助項目(101035918)作者簡介：祝青(1991-)，男，安徽淮南人，在讀學(xué)士，研究方向為電氣工程及其自動化。Photovoltaic LEDs Lighting Drive Control System Based on TMS320F

10、2812ZHU Qing, WANG Xiao-chen, JIANG Wei, CUI Rong-xiang, ZHOU Yu(School of Electrical Engineering and Automation, Hefei University of Technology, Hefei Anhui 230000, China)Abstract:Considering broad range of photovoltaic battery output voltage and instability of the output power, a kind of LED (Ligh

11、t Emitting Diode) lighting-driving control system based on TMS320F2812 was designed, the control system according to changes in load and supply self-adaptively switch driving circuits, adjusting LED load current, to improve their adaptability and adjustment range. Experimental results show that a gr

12、eater load current adjustment range and dimming range are obtained, and photovoltaic constant current LED driver is realyzed.Key words: photovoltaic battery; LEDs lighting; driving control; constant current隨著太陽能的開發(fā)利用，在整個照明領(lǐng)域，以白熾燈和熒光燈為主力軍的角色已經(jīng)發(fā)生改變，備受人們關(guān)注的光伏LED(Light Emitting Diode)燈已經(jīng)開始進(jìn)入市場。作為一種新型的綠色

13、照明光源，正在以獨特的優(yōu)勢取代傳統(tǒng)的電光源。采用LED照明主要有以下幾個特點：LED燈的發(fā)光效率高，是熒光燈的2倍，白熾燈的10倍；LED燈的供電電壓為低壓直流，而太陽能組件輸出電壓和蓄電池的儲能電壓都是低壓直流，省去了交直流轉(zhuǎn)換的逆變器，節(jié)約了設(shè)備成本；壽命長，LED燈的理論壽命可長達(dá)10萬小時1；LED是典型的電流型器件，對工作電流的大小和穩(wěn)定性要求較高，電流的波動會影響LED的發(fā)光效率和色彩，而電流超過額定值將損害LED，降低其使用壽命與可靠性2。常用的LED驅(qū)動有降壓型(Buck)、升壓型(Boost)、升降壓型(Buck-Boost)三種，而常用的驅(qū)動控制器只能適用于其中一種，因此研

14、制一種具有普適性的驅(qū)動控制系統(tǒng)具有很好的應(yīng)用前景。1 照明控制系統(tǒng)的組成LED光源對電流和電壓的穩(wěn)定有著相當(dāng)高的要求，電壓過高會使LED變色甚至損壞。LED驅(qū)動電路的主要任務(wù)是輸出穩(wěn)定的負(fù)載電流，其作用是將太陽能電池板輸入的不穩(wěn)定電壓，通過DCDC-1變換器輸出穩(wěn)定的負(fù)載電流，保證LED燈的正常亮度和使用壽命。一般的LED驅(qū)動電路雖然能基本滿足需要，但只能用于特定的電源或特定的電壓環(huán)境，這種驅(qū)動電路受環(huán)境因素影響太大。為提高LED照明驅(qū)動系統(tǒng)的的適應(yīng)性和靈活性。本文設(shè)計了基于TMS320F2812的DSP芯片為控制核心的光伏LED照明驅(qū)動控制系統(tǒng)(見圖1)，它能根據(jù)環(huán)境的變化實時監(jiān)控和調(diào)節(jié)驅(qū)動

15、器輸出的負(fù)載電流。由于TI公司的TMS320F2812系列的DSP芯片擁有強大的控制功能和高速的處理速度，在控制領(lǐng)域有較好的表現(xiàn)，因此選用它作為控制系統(tǒng)的核心。LED照明系統(tǒng)的能量來源是太陽能電池板，白天有光照時產(chǎn)生電能并儲存在蓄電池中，在光照強度過低時關(guān)閉太陽能電源，以蓄電池的儲能作為驅(qū)動電源點亮LED照明負(fù)載?？刂葡到y(tǒng)以TMS320F2812為核心，分別由太陽能電池板、充電控制器(DCDC-1)、蓄電池，驅(qū)動控制器(DCDC-2)，電壓電流采樣、DSP控制電路等組成。光伏照明系統(tǒng)工作時，太陽能電池板提供電能，蓄電池的電壓為直流12V LED照明系統(tǒng)的能量來源是一塊太陽能電池板，白天有光照時

16、產(chǎn)生電能并儲存在蓄電池中，同時也為LDE供電，在光照強度過低時關(guān)閉太陽能電源，使用蓄電池作為電源繼續(xù)工作。為控制芯片 各個驅(qū)動電路提供電源，而采樣部分將電路中各部分的電壓電流數(shù)據(jù)實時傳遞給DSP，DSP通過輸入的采樣數(shù)據(jù)判斷系統(tǒng)工作是否正常，并根據(jù)數(shù)據(jù)對輸出電路進(jìn)行控制，從而為LED負(fù)載提供穩(wěn)定而持續(xù)的電流。2 驅(qū)動控制器的設(shè)計2.1 驅(qū)動控制電路驅(qū)動控制電路（見圖2）是直接與照明負(fù)載連接的部分，起驅(qū)動LED負(fù)載、穩(wěn)定負(fù)載電流和調(diào)光的作用。通過對其儲能電感L、續(xù)流二極管VD、及濾波電容C位置的改變，可實現(xiàn)升壓或降壓的功能，這些驅(qū)動電路又稱為直流斬波電路。圖2 常見的LED驅(qū)動電路在實驗中發(fā)現(xiàn)，

17、當(dāng)直流斬波器的負(fù)載是LED時，調(diào)整PWM信號占空比的大小對輸出電壓的影響不大，而對電流的影響很大。以Buck電路為例，電感選用1 mH，電容100 F，負(fù)載使用一個普通1.2 W的LED燈管，輸入5 V穩(wěn)壓電源，PWM信號頻率設(shè)置為20 kHz，當(dāng)PWM信號占空比從0.1至0.7變化時，LED兩端電壓總在2.7 V左右，變化很小，而電流卻在50 mA到250 mA之間大幅變化，LED的亮度也有變化但變化范圍較小。因此可以設(shè)計一個兩級串聯(lián)的斬波電路，第一個斬波器起粗調(diào)作用，調(diào)節(jié)范圍較大，根據(jù)電源和負(fù)載的實際情況決定是Buck還是Boost；第二個斬波器起細(xì)調(diào)作用，可以使照明亮度保持穩(wěn)定。另外，B

18、uck電路只能起降壓作用，在調(diào)節(jié)范圍上又有很大的局限性，所以還可以將第二級斬波器設(shè)計為雙斬波器切換的形式，根據(jù)負(fù)載的不同和電源的不同靈活切換工作電路，中間用DSP控制電子開關(guān)實現(xiàn)切換(見圖3)。第一級斬波器以Buck型為例，第二級的兩個不同的斬波器通過DSP的GPIO口控制兩個電子開關(guān)同步切換。圖3 串聯(lián)可切換斬波電路作為輸出部分另外一個重要組成部分就是開關(guān)管的驅(qū)動，開關(guān)管選用高速MOSFET，以IRF540n型場效應(yīng)管為例，實測開啟電壓是8 V，而DSP輸出的PWM信號高電平只有3 V，這就需要在DSP與場效應(yīng)管之間添加轉(zhuǎn)換電路，放大PWM信號使之能驅(qū)動MOSFET。另外，為了防止MOSFE

19、T的高電壓串回到DSP回路而使之燒毀，必須在DSP與驅(qū)動電路的之間加入光電耦合器4N25進(jìn)行電氣隔離，驅(qū)動芯片選擇MOSFET專用的IR2125芯片(見圖4)。圖4 MOSFET基本驅(qū)動電路圖4中C1的作用是自舉電容，用于抬高VB的電壓，使驅(qū)動芯片能正常輸出被放大的PWM波。RS為MOS管的電流采樣電阻，電流采樣電壓由CS與VS兩端輸入，其電壓差要求小于0.5 V，故RS的阻值一般在1 以內(nèi)。2.2 DSP控制DSP控制集中了對系統(tǒng)的綜合監(jiān)測和控制。DSP控制分為幾個模塊，分別是AD模塊，EV事件管理器模塊，GPIO輸入輸出模塊和CPU控制模塊。電壓電流信號通過AD轉(zhuǎn)換成DSP可識別的數(shù)字信號

20、再加以處理， 系統(tǒng)共需要6路采樣信號進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換， 分別是太陽能電池輸出電壓和電流， 蓄電池端電壓和電流， LED負(fù)載電壓和電流。AD采樣工作方式選擇級聯(lián)模式下的順序采樣，只需開啟ADCINA0至ADCINA5共六個AD端口， 用定時器T1啟動AD轉(zhuǎn)換， 采樣周期設(shè)置為1 ms，即采樣頻率是1 kHz。每次采樣得到的數(shù)據(jù)先存儲起來，采樣十次后將這十次的采樣值取平均值，根據(jù)這個平均值判斷系統(tǒng)的工作狀態(tài)，并對輸出PWM波形的占空比進(jìn)行調(diào)整，因此系統(tǒng)的調(diào)整頻率是100 Hz。AD模塊輸入信號的最大電壓是3 V，因此要嚴(yán)格控制輸入電壓的大小。EV事件管理器用來輸出PWM驅(qū)動脈沖，系統(tǒng)共需要4路PWM波

21、形，分別用來驅(qū)動4個功率MOS管的導(dǎo)通和關(guān)斷。4路PWM脈沖分別用T1PWMT4PWM產(chǎn)生，PWM占空比由AD模塊反饋回的負(fù)載電流大小決定。由于AD采樣的觸發(fā)方式是用T1定時器的上溢信號觸發(fā)，所以EV事件管理器也是控制AD采樣的重要組成部分。GPIO是DSP的通用輸入輸出端口，它可以根據(jù)采樣數(shù)據(jù)的大小輸出高電平或低電平，來控制主電路中的電子開關(guān)，從而達(dá)到切換工作狀態(tài)或保護(hù)電路的作用。系統(tǒng)為了得到更大的調(diào)光范圍，采取boost電路和buck電路相互切換的形式。即當(dāng)buck電路的調(diào)壓能力達(dá)到極限時，CPU根據(jù)這一情況通過GPIO輸出高低電平把輸出電路切換成boost工作狀態(tài)以增大調(diào)壓范圍。當(dāng)DSP

22、開始工作時，所有數(shù)據(jù)的初始設(shè)定都要使通過LED的負(fù)載電流為0，即驅(qū)動電路切換成兩個Buck電路串聯(lián)，PWM占空比設(shè)為0，目的是有效地保護(hù)LED不被開啟電路時的涌浪電流損壞。然后，DSP根據(jù)AD模塊傳回的負(fù)載電壓電流數(shù)據(jù)不斷增大PWM占空比的值直到輸出電流值達(dá)到預(yù)設(shè)值。負(fù)載電流控制采 用滯環(huán)比較器，設(shè)定一個電流最大值和一個最小值，當(dāng)輸出電流超過最大值或低于最小值時才對PWM占空比的值進(jìn)行調(diào)整，使輸出電流穩(wěn)定在設(shè)定范圍內(nèi)。當(dāng)Buck電路的調(diào)節(jié)能力達(dá)到極限時，也就是說Buck電路已經(jīng)無法有效地增大電流以滿足負(fù)載的變化時，DSP將通過GPIO端口及時將驅(qū)動電路切換成Buck和Boost電路串聯(lián)的形式，以獲得更大的調(diào)壓范圍。3 實驗結(jié)果分析驅(qū)動電路正常工作時，DSP產(chǎn)生的PWM信號通過光電耦合器傳送到驅(qū)動芯片IR2125，信號經(jīng)過放大后用來驅(qū)動場效應(yīng)管的開通和關(guān)斷