專利名稱：：太陽(yáng)能led照明系統(tǒng)的恒流滑模變結(jié)構(gòu)控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明屬于電力電子應(yīng)用技術(shù)及新能源應(yīng)用發(fā)電
技術(shù)領(lǐng)域：
，尤其適用在太陽(yáng)能LED照明系統(tǒng)中，廣泛用在市政工程，道路、庭院、室內(nèi)等照明場(chǎng)所，滿足智能照明控制、智能充電及能量管理、高效節(jié)能等要求。
背景技術(shù)：
：傳統(tǒng)的大多使用高壓鈉燈、節(jié)能燈等傳統(tǒng)電光源。半導(dǎo)體發(fā)光二極管(Light-EmittingDiode,LED),被譽(yù)為"21世紀(jì)新光源"，是繼白熾燈、熒光燈和高強(qiáng)度氣體放電燈(HID)之后的"第四代光源"。目前，LED正開(kāi)始成為光伏照明系統(tǒng)的理想電光源。光伏照明系統(tǒng)對(duì)電光源的性能有特殊要求光伏陣列本身價(jià)格昂貴，光電轉(zhuǎn)換效率不高，因此電光源就要盡量提高能源利用效率，降低用電功耗，做到節(jié)能高效；其次，光伏照明系統(tǒng)大都工作在室外和偏遠(yuǎn)地區(qū)，如果經(jīng)常性的維修和更換電光源，會(huì)造成很大的不便，這就要求電光源的可靠性高，壽命長(zhǎng)；而且要盡量使電光源對(duì)環(huán)境的污染降到最小程度。LED具有發(fā)光效率高、壽命長(zhǎng)、起動(dòng)時(shí)間短、無(wú)高壓?jiǎn)⑤x過(guò)程、結(jié)構(gòu)牢固、不含滎和鉛等重金屬、不發(fā)出紫外線等諸多優(yōu)點(diǎn)，如表l所示。目前LED供電電路控制系統(tǒng)存在著三個(gè)主要的問(wèn)題第一，放電過(guò)程不合理導(dǎo)致蓄電池壽命較短；第二，LED老化嚴(yán)重，壽命難以達(dá)到理論預(yù)期值；第三，LED光通量閃動(dòng)。其中第一、第二點(diǎn)問(wèn)題涉及到LED的控制策略，第二、第三點(diǎn)與LED的具體控制算法有關(guān)。傳統(tǒng)的PID控制，如單電流環(huán)(SCL)控制算法、雙電流環(huán)+前饋(DCLF)控制算法等，或者選取的控制參數(shù)太少，控制精度和抗干擾性差，或者選取多個(gè)控制參數(shù)，帶來(lái)參數(shù)整定復(fù)雜、受系統(tǒng)影響較大的問(wèn)題。根據(jù)以上不足，非常合適采用LED不同溫度段進(jìn)行分段恒電流控制方法(SCC)，即根據(jù)LED不同溫度下對(duì)應(yīng)的不同的特性曲線，選擇合適的電流參考值進(jìn)行控制。而滑模變結(jié)構(gòu)控制方法，具有獨(dú)特的不同參考值選取能力，應(yīng)用于太陽(yáng)能供電下的LED照明系統(tǒng)中，對(duì)非線性負(fù)載LED進(jìn)行分段恒流控制非常適合。滑模變結(jié)構(gòu)控制(SlidingModeControl,SMC)是變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)的一種控制方法。這種控制方法與常規(guī)控制的根本區(qū)別在于控制的不連續(xù)性，即一種使系統(tǒng)"結(jié)構(gòu)"隨時(shí)變化的開(kāi)關(guān)特性。該控制特性可以迫使系統(tǒng)在一定條件下沿規(guī)定的狀態(tài)軌跡作小幅度、高頻率的上下運(yùn)動(dòng)，即滑動(dòng)模態(tài)或"滑模"運(yùn)動(dòng)，如圖l所示。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種防止LED老化、保持LED平穩(wěn)發(fā)光、延長(zhǎng)LED使用壽命、延長(zhǎng)蓄電池使用壽命、抗干擾性強(qiáng)、動(dòng)態(tài)及穩(wěn)態(tài)響應(yīng)快和控制簡(jiǎn)單等特點(diǎn)的太陽(yáng)能LED照明系統(tǒng)的新型控制方法。該發(fā)明應(yīng)用于太陽(yáng)能LED照明控制系統(tǒng)，具有獨(dú)特的優(yōu)越性。本發(fā)明的特征在于，所述方法依次含有以下步驟步驟(1)，設(shè)計(jì)一個(gè)用于LED照明的Boost主電路。所述Boost主電路含有蓄電池E、電感L、電容C、二極管D、MOSFET開(kāi)關(guān)S、第一電流傳感器、第二電流傳感器、電壓傳感器、LED,以及用于測(cè)量所述LED環(huán)境溫度的溫度傳感器。其中所述蓄電池E的正極依次串接所述電感L、第一電流傳感器、二極管D、第二電流傳感器和LED后返回該蓄電池負(fù)極，直接地構(gòu)成一個(gè)所述Boost主電路的主回路，所述電容C直接于所述第二電流傳感器和LED的負(fù)極之間，所述M0SFET開(kāi)關(guān)S直接于所述二極管正極和電容C之間；所述電壓傳感器輸出所述蓄電池的端電壓^信號(hào)；所述第一電流傳感器輸出電感電流人信號(hào)；所述第二電流傳感器輸出流過(guò)所述LED的電流i，信；所述溫度傳感器輸出所述LED的環(huán)境溫度T;步驟(2)，在DSP控制器中設(shè)立以下模塊按LED的不同環(huán)境溫度段進(jìn)行分段恒流控制用的SCC模塊、滑模面計(jì)算模塊、飽和函數(shù)模塊、控制模塊以及脈寬調(diào)制模塊，其中所述SCC模塊，設(shè)有LED環(huán)境溫度與LED電流參考值乙，的映射表，輸入是環(huán)境溫度，輸出是LED電流參考值/"所述滑模面計(jì)算模塊，輸入以下參數(shù)所述LED的電流i，、所述Boost主電路中與蓄電池串接電感L上的電流力、所述蓄電池的端電壓《，以及所述LED電流參考值乙,，輸出是所述滑模面的方程^(X):其中6。=0.0003，61=0.0023y=Uv。,:r)，v。為L(zhǎng)ED的端電壓，^x)為滑模面切換函數(shù)，所述飽和函數(shù)模塊，設(shè)有一飽和函數(shù)，輸入是所述滑模面函數(shù)s(X)，輸出為s，當(dāng)^0>0日寸，o"<i當(dāng)s(X)〈0時(shí)，-1<"0所述控制模塊，輸入是所述參數(shù)S，輸出是控制函數(shù)"，其采用的形式如下<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>而所述飽禾口函數(shù)saturation:<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>步驟(3)，依次按以下步驟對(duì)通過(guò)所述LED的電流進(jìn)行滑模變結(jié)構(gòu)控制步驟(3.1)，所述電壓傳感器、溫度傳感器各自分別向所述SCC模塊輸入所述蓄電池的端電壓&和LED環(huán)境溫度T,輸出所述LED參數(shù)電流;步驟(3.2)，所述SCC模塊、電壓傳感器、第一電流傳感器、第二電流傳感器各自分別向所述滑模面計(jì)算模塊輸出所述LED參數(shù)電流/^、蓄電池端電壓&、電感電流厶和LED電流厶柳計(jì)算出滑模面函數(shù)s(A:);步驟(3.3)，所述滑模面計(jì)算模塊想所述飽和函數(shù)模塊輸出滑模面形狀參數(shù)^(AT)，AT為所述T、v。組成的二維參數(shù)，所述飽和函數(shù)模塊向所述控制模塊輸出參數(shù)s;步驟(3.4)，所述控制模塊在收到所述參數(shù)s后輸出控制信號(hào)w0,MOSFET開(kāi)關(guān)S關(guān)斷此時(shí)<">0，1，MOSFET開(kāi)關(guān)S閉合此時(shí)<"<0;步驟(3.5)，把控制信號(hào)"輸入到PWM模塊，與預(yù)設(shè)的鋸齒波比較，產(chǎn)生步驟(3.4)所述的對(duì)于M0SFET開(kāi)關(guān)s的開(kāi)關(guān)信號(hào)；當(dāng)所述LED的環(huán)境溫度升高，系統(tǒng)將通過(guò)SCC模塊降低電流參考值，控制LED的輸入電流；當(dāng)LED的環(huán)境溫度降低，系統(tǒng)可以通過(guò)SCC模塊適當(dāng)升高電流參考值，使LED輸入電流相應(yīng)提高。根據(jù)上面分析，Boost變換器中，LED恒流運(yùn)行的滑模控制滑模面的物理意義為電感電流A確定一個(gè)電流基準(zhǔn)，當(dāng)A趨近于這個(gè)基準(zhǔn)時(shí)，LED的電流收斂到給定的參考值乙r。這樣，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了采用通過(guò)控制人間接控制的方法代替直接對(duì)/,ED進(jìn)行控制的傳統(tǒng)思路。圖1變結(jié)構(gòu)控制中的滑動(dòng)模態(tài)。圖2符號(hào)函數(shù)和飽和函數(shù)示意圖(a)符號(hào)函數(shù)，(b)飽和函數(shù)。圖3Boost變換器中滑模控制LED恒流運(yùn)行的控制框圖。圖4SMC算法控制LED恒流運(yùn)行與其它算法比較波形(a)系統(tǒng)起動(dòng)過(guò)程的輸出電流波形，(b)電流參考值改變時(shí)的輸出電流波形，(c)輸入電壓發(fā)生擾動(dòng)時(shí)的輸出電流波形。圖5控制系統(tǒng)程序流程圖。圖6各種控制方法在系統(tǒng)起動(dòng)過(guò)程的輸出電流實(shí)驗(yàn)波形比較-(a)SCL控制算法，(b)DCLF控制算法，(c)SMC算法。圖7各種控制方法電流參考值改變時(shí)的輸出電流實(shí)驗(yàn)波形比較(a)SCL控制算法，(b)DCLF控制算法，(c)SMC算法。圖8各種控制方法輸入電壓發(fā)生擾動(dòng)時(shí)的輸出電流實(shí)驗(yàn)波形比較:(a)SCL控制算法,(b)DCLF控制算法，(c)SMC算法。具體實(shí)施例方式由于LED的非線性特性，需要用"一類仿射非線性系統(tǒng)"模型代替雙線性系統(tǒng)模型對(duì)DC-DC變換器進(jìn)行狀態(tài)空間描述，即<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>其中，X=RV為狀態(tài)向量;f(X),g(X)為狀態(tài)空間中W維向量場(chǎng)；U為控制函數(shù)，值為0時(shí)代表開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，值為l時(shí)代表開(kāi)關(guān)閉合；h(X)為J的標(biāo)量函數(shù)，具體表達(dá)式為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>(2)其中厶;D(4乃是LED的伏安特性，是一個(gè)多變量函數(shù)，自變量y。是LED的端電壓即變換器輸出電壓，r是LED的環(huán)境溫度。設(shè)計(jì)滑模面形如<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>(3)其中，^仏，Zv)為一個(gè)元素非負(fù)的尉隹行向量，^為變換器輸入電壓，L為L(zhǎng)ED的參考電流。具體參數(shù)根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)需要進(jìn)行相應(yīng)的選擇?？刂坪瘮?shù)為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>(4)即s(x)>0時(shí)，開(kāi)關(guān)斷開(kāi)；s(x)<0時(shí)，開(kāi)關(guān)閉合。對(duì)于Boost電路系統(tǒng)的具體形式為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>(5)其中，x1=/￡(電感上的電流)，x2=Mc。(電容兩端的電壓)若取B-(h,O)，則滑模面可確定為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>(6)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>(7)控制函數(shù)為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>(8)對(duì)于一個(gè)理想的滑模變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)，假設(shè)"結(jié)構(gòu)"切換的過(guò)程具有理想開(kāi)關(guān)特性，系統(tǒng)狀態(tài)測(cè)量無(wú)誤，控制量不受限制，則滑動(dòng)模態(tài)將光滑運(yùn)動(dòng)而且漸近穩(wěn)定，不會(huì)出現(xiàn)抖振。但是對(duì)于一個(gè)現(xiàn)實(shí)的滑模變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)，這些假設(shè)不可能完全成立，特別是離散控制系統(tǒng)的滑模變結(jié)構(gòu)控制算法，都將會(huì)在光滑的滑模面上疊加一個(gè)鋸齒形的軌跡，即"抖振"現(xiàn)象。抖振產(chǎn)生的主要原因?yàn)榍袚Q開(kāi)關(guān)的時(shí)間和空間滯后、系統(tǒng)慣性的影響以及離散系統(tǒng)本身造成的抖振。采用"準(zhǔn)滑動(dòng)模態(tài)"和"邊界層"方法實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)滑動(dòng)模態(tài)控制，削弱抖振現(xiàn)象，使用飽和函數(shù)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>(9)f的取值在0.002左右代替符號(hào)函數(shù)，如圖2所示。具體實(shí)現(xiàn)方法是在邊界層外采用正常的滑模控制，在邊界層內(nèi)為連續(xù)狀態(tài)的反饋控制，即得到控制變量w，將其與鋸齒波比較得到開(kāi)關(guān)S的控制信本發(fā)明所述的恒流滑膜變結(jié)構(gòu)控制方法可以廣泛的應(yīng)用于太陽(yáng)能LED照明系統(tǒng)的控制，以Boost升壓變換器主電路為例，如圖3所示1.Boost主電路部分該部分主要是Boost主電路，外加電流傳感器、電壓傳感器、LED溫度傳感器等。主電路的電源由蓄電池供給。2.DSP控制系統(tǒng)該部分是整個(gè)控制部分的核心，具體可以分為以下幾個(gè)方面1)LED溫度傳感器通過(guò)測(cè)量LED的溫度，根據(jù)表2選擇合適的電流參考值進(jìn)行相應(yīng)的控制的，從而實(shí)現(xiàn)分段恒電流控制方法(SCC)。例如，當(dāng)檢測(cè)到LED的溫度為45'C時(shí)，選擇參考電流為15mA2)LED電流傳感器LED電流傳感器提供其測(cè)量電流i，用于與參考電流進(jìn)行比較，用于滑模面的確定。3)電感L的電流傳感器電感L提供其測(cè)量值i，用于滑模面的確定。4)蓄電池端電壓傳感器蓄電池的端電壓傳感器的測(cè)量值為&，一方面作為分段恒流控制中參考電流選擇的依據(jù)，一方面作為滑模面確定的參數(shù)。5)確定系統(tǒng)滑模變結(jié)構(gòu)控制的具體結(jié)構(gòu)，根據(jù)以上的參數(shù)，確定滑模面為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>在實(shí)際系統(tǒng)中，選取b0=0.0003，b1=0.0023°B的其余參數(shù)b2,b3,...,bN設(shè)定為0對(duì)于Boost電路，y=iLED根據(jù)控制函數(shù)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>使用飽和函數(shù)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>e的取值在0.002左右在邊界層外采用正常的滑模控制，在邊界層內(nèi)為連續(xù)狀態(tài)的反饋控制。6)根據(jù)得到的控制函數(shù)u，將其與鋸齒波比較，得到開(kāi)關(guān)S的P麗控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)過(guò)程的最終控制。整個(gè)系統(tǒng)的控制框圖如圖3所示，控制程序流程圖如圖5所示。Boost變換器中，開(kāi)關(guān)器件動(dòng)作導(dǎo)致系統(tǒng)結(jié)構(gòu)改變的過(guò)程中，A的變化相對(duì)于電容電壓的變化是非常靈敏的，所以本方法可以提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，取得較好的控制效果。本方法的滑模面的另一個(gè)特點(diǎn)是滑模面函數(shù)只包含。的積分項(xiàng)，不需要/,，的具體表達(dá)式，無(wú)需LED伏安特性的具體參數(shù)和解析式，這種滑模面選擇方式避免了對(duì)LED進(jìn)行建模和參數(shù)辨識(shí)，大大簡(jiǎn)化了控制算法。9表1LED與傳統(tǒng)光源的比較<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>表2不同溫度下單顆LED的電流參考值<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>權(quán)利要求1.太陽(yáng)能LED照明系統(tǒng)的恒流滑模變結(jié)構(gòu)控制方法其特征在于，所述方法依次含有以下步驟步驟(1)，設(shè)計(jì)一個(gè)用于LED照明的Boost主電路，所述Boost主電路含有蓄電池E、電感L、電容C、二極管D、MOSFET開(kāi)關(guān)S、第一電流傳感器、第二電流傳感器、電壓傳感器、LED，以及用于測(cè)量所述LED環(huán)境溫度的溫度傳感器。其中所述蓄電池E的正極依次串接所述電感L、第一電流傳感器、二極管D、第二電流傳感器和LED后返回該蓄電池負(fù)極，直接地構(gòu)成一個(gè)所述Boost主電路的主回路，所述電容C直接于所述第二電流傳感器和LED的負(fù)極之間，所述MOSFET開(kāi)關(guān)S直接于所述二極管正極和電容C之間；所述電壓傳感器輸出所述蓄電池的端電壓Ein信號(hào)；所述第一電流傳感器輸出電感電流iL信號(hào)；所述第二電流傳感器輸出流過(guò)所述LED的電流iLED信；所述溫度傳感器輸出所述LED的環(huán)境溫度T；步驟(2)，在DSP控制器中設(shè)立以下模塊按LED的不同環(huán)境溫度段進(jìn)行分段恒流控制用的SCC模塊、滑模面計(jì)算模塊、飽和函數(shù)模塊、控制模塊以及脈寬調(diào)制模塊，其中所述SCC模塊，設(shè)有LED環(huán)境溫度與LED電流參考值Iref的映射表，輸入是環(huán)境溫度，輸出是LED電流參考值Iref；所述滑模面計(jì)算模塊，輸入以下參數(shù)所述LED的電流iLED、所述Boost主電路中與蓄電池串接電感L上的電流iL、所述蓄電池的端電壓Ein，以及所述LED電流參考值Iref，輸出是所述滑模面的方程s(X)其中b0＝0.0003，b1＝0.0023y＝iLED(v0，T)，v0為L(zhǎng)ED的端電壓，s(X)為滑模面切換函數(shù)，所述飽和函數(shù)模塊，設(shè)有一飽和函數(shù)，輸入是所述滑模面函數(shù)s(X)，輸出為s，當(dāng)s(X)>0時(shí)，0<s<1當(dāng)s(X)<0時(shí)，-1<s<0所述控制模塊，輸入是所述參數(shù)s，輸出是控制函數(shù)u，其采用的形式如下u＝1/2(1-saturation)而所述飽和函數(shù)步驟(3)，依次按以下步驟對(duì)通過(guò)所述LED的電流進(jìn)行滑模變結(jié)構(gòu)控制步驟(3.1)，所述電壓傳感器、溫度傳感器各自分別向所述SCC模塊輸入所述蓄電池的端電壓Ein和LED環(huán)境溫度T，輸出所述LED參數(shù)電流Iref；步驟(3.2)，所述SCC模塊、電壓傳感器、第一電流傳感器、第二電流傳感器各自分別向所述滑模面計(jì)算模塊輸出所述LED參數(shù)電流己Iref、蓄電池端電壓Ein、電感電流iL和LED電流iLED，計(jì)算出滑模面函數(shù)s(X)；步驟(3.3)，所述滑模面計(jì)算模塊想所述飽和函數(shù)模塊輸出滑模面形狀參數(shù)s(X)，X為所述T、v0組成的二維參數(shù)，所述飽和函數(shù)模塊向所述控制模塊輸出參數(shù)s；步驟(3.4)，所述控制模塊在收到所述參數(shù)s后輸出控制信號(hào)u；步驟(3.5)，把控制信號(hào)u輸入到PWM模塊，與預(yù)設(shè)的鋸齒波比較，產(chǎn)生步驟(3.4)所述的對(duì)于MOSFET開(kāi)關(guān)s的開(kāi)關(guān)信號(hào)；當(dāng)所述LED的環(huán)境溫度升高，系統(tǒng)通過(guò)SCC模塊降低電流參考值，控制LED的輸入電流；當(dāng)LED的環(huán)境溫度降低，系統(tǒng)通過(guò)SCC模塊適當(dāng)升高電流參考值，使LED輸入電流相應(yīng)提高。全文摘要太陽(yáng)能LED照明系統(tǒng)的恒流滑模變結(jié)構(gòu)控制方法屬于太陽(yáng)能LED照明控制系統(tǒng)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
，其特征在于包含設(shè)計(jì)一個(gè)帶有恒流滑模變結(jié)構(gòu)控制模塊的Boost主電路，設(shè)計(jì)一個(gè)帶有以下功能模塊的控制器按LED不同環(huán)境溫度進(jìn)行分段恒流控制的SCC模塊，滑模面計(jì)算模塊，用于消弱由切換開(kāi)關(guān)的時(shí)空滯后性、系統(tǒng)慣性和離散化帶來(lái)的抖振現(xiàn)象的控制模塊，以及通過(guò)對(duì)控制信號(hào)產(chǎn)生PWM模塊，包括應(yīng)用Boost主電路電感電流、LED電流、蓄電池端電壓以及LED環(huán)境溫度，進(jìn)行LED在不同環(huán)境溫度下選擇不同的電流參考值進(jìn)行LED的分段恒流實(shí)時(shí)控制的步驟。本發(fā)明具有響應(yīng)速度快、控制精度高以及控制簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。文檔編號(hào)H05B37/02GK101363586SQ20081022281公開(kāi)日2009年2月11日申請(qǐng)日期2008年9月19日優(yōu)先權(quán)日2008年9月19日發(fā)明者博馮,張穎超,袁立強(qiáng),趙爭(zhēng)鳴,劍陳申請(qǐng)人:清華大學(xué)