CN106132011B - 一种高散热led路灯控制方法 - Google Patents

Abstract

一种高散热LED路灯控制方法,包括初始化，获得最大风能对应角度，调整风力发电装置角度，调整太阳能电池组角度，采集电能和风能并存储，采集光照强度并处理，超出电能卸载，功率和照明时间控制步骤，功能多样，能源效率高，散热效果好，使用寿命长，维护费用低廉，并且节能环保，操控智能化。

Description

一种高散热LED路灯控制方法

技术领域

本发明涉及照明及其控制领域，具体涉及一种高散热LED路灯控制方法。

背景技术

在商业照明、工业照明及政府办公、公共照明等领域，国家大力推动推动LED产品在医疗、农业、舞台、景观照明等专业和特殊场所的示范应用，重点开展LED隧道灯、路灯等产品和系统的示范应用，积极开展绿色照明示范城市创建活动。在重点开展LED筒灯、射灯等照明产品应用和推广的同时，适时进入家居照明领域。在国家优先发展节能环保产业政策的支持下，我国LED灯具行业的发展迅猛，2013年我国LED灯具产量达到8.1亿只。

预计未来几年，LED灯具行业生产量将呈现出逐年增长态势，到2019年行业产量将达到56.4亿只。LED市场需求逐步提升，未来增长趋势突显随着世界经济的高速增长，全球能源短缺日益严重，节能减排、寻求低碳发展模式的呼声越来越响。在这个大背景下LED产业发展如火如荼，尤其是在LED光源模块化方面的应用更是备受关注。

LED路灯因为长时间的工作，散热问题成为了一个研究的热门问题。目前，现有技术中LED路灯针对路灯的散热设计简单，其控制方法使得能源利用效率较低，并且仅仅是将传统照明领域的散热方式用于LED路灯，没有专门针对LED路灯设计的散热结构及散热方法，散热效果不佳，LED路灯使用寿命低，并且LED灯结构单一，能源利用效率较低，其控制方法使得能源利用效率较低，功能单一，无法满足社会的需求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种功能多样，能源效率高，散热效果好，使用寿命长，维护费用低廉，并且节能环保，操控智能化的高散热LED路灯控制方法。

本发明提供了一种高散热LED路灯控制方法,依次包括如下步骤：

(1)通过控制处理装置中的处理器设置太阳能电池组，风力发电装置和光敏传感器的初始参数，检查太阳能电池组，风力发电装置和光敏传感器的工作状态；

(2)通过控制装置中的驱动单元发出控制命令，控制驱动电机带动风力发电装置在水平面顺时针旋转2周，同时采集风能并记录对应的采集角度，将采集到的风能数据和角度数据同时发送至处理器，处理器计算获得最大风能对应的角度；

(3)通过控制装置中的驱动单元发出控制命令，控制驱动电机在水平面上逆时针调整风力发电装置的角度，使得风力发电装置采集风能的角度为处理器计算获得的最大风能对应的角度；

(4)调整路灯的灯杆上非对称设置的两个太阳能电池组，使得两个太阳能电池组与风力发电装置在投影平面上的角度为两两相差120度，具体可以调整路灯的灯杆上非对称设置的两个太阳能电池组是通过将两个太阳能电池组沿着水平方向旋转实现；

(5)夜间和阴雨天无阳光时由风力发电装置发电，或晴天由太阳能电池组件发电，或在既有风又有太阳能的情况下由风力发电装置和太阳能电池组件同时发电，当采用风力发电装置进行发电时，利用电磁涡流制动控制方式进行控制，当风轮超过风力发电装置额定转速发电机功率输出时,通过脉宽调制方式向风机内的电磁涡流缓速器自动发出电磁信号，通过控制励磁电流来调节制动力矩，限制风轮的快速转动；

(6)将步骤(5)发出的电存储到蓄电池组中，如果发出的电能超过蓄电池组和逆变输出需要时，通过脉宽调制芯片进行无级卸载；

(7)利用两个太阳能电池组的正中心的位置处设置的第一、第二光敏传感器，以及在风力发电装置上远离风扇的一端末尾设置的第三光敏传感器分别采集光照强度信息，并将分别采集到的光照强度信息发送至处理控制装置中的处理器，处理器将分别采集到的光照强度信息进行处理：将第一、二、三光敏传感器采集到的光照强度信息分别记为G1，G2，G3，计算

如果P1小于等于0.03，则将P作为处理器进行处理后的处理结果；

如果P1大于0.03，则分别计算取W1，W2，W3中的一个，二个或三个的值小于等于0.03对应的光照强度信息进行平均值处理，将平均值处理后的结果作为处理器进行处理后的处理结果。

优选地，步骤(4)中调整路灯的灯杆上非对称设置的两个太阳能电池组是通过将两个太阳能电池组沿着水平方向旋转实现。

优选地，步骤(7)还包括校正步骤，将W1，W2，W3取值大于0.03对应的光敏传感器进行重新校正。

优选地，蓄电池组包括一个或多个蓄电池。

优选地，太阳能电池组包括一个或多个太阳能电池。

本发明的高散热LED路灯控制方法，可以实现：

1)功能多样，智能控制集成驱动，路灯结构简单，能源利用效率高，散热效果好；

2)设备可拆线式设计，方便维护，维护费用低廉，并且使用寿命长；

3)精心设计光强信息采集传感器及其优化的设计位置，结合特定的处理方式，数据采集可靠性强，出错率低，准确率提高，效率提高；

4)灯杆可旋转，使得风力发电装置接收风力的方向角度可调，最大程度的获得风能，从而最大程度的将其转换为电能，并且减小对太阳能电池组采集光能的影响，使得自身效率提高的同时也提高了太阳能电池的效能；

5)通过散热翼片和孔的配合同时散热，二者配合使得散热效果有很大的提高。

6)采用PWM+MPPT(脉冲宽度集成最大功率点)集成控制技术，可以通过调整PWM的周期、PWM的占空比而达到控制充放电电流的目的。既可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率，控制方式更优。

附图说明

图1为高散热LED路灯结构示意图

图2为高散热LED路灯电路连接示意图

图3为高散热LED路灯灯罩结构示意图

图4为高散热LED路灯控制方法流程示意图

具体实施方式

下面详细说明本发明的具体实施，有必要在此指出的是，以下实施只是用于本发明的进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域技术熟练人员根据上述本发明内容对本发明做出的一些非本质的改进和调整，仍然属于本发明的保护范围。

LED具有寿命长、低污染、低功耗、节能和抗冲击等优点。跟传统的照明器具相比较，LED不仅单色性好、光学效率高、光效强等优点，LED应用于各种照明更为广泛，大大加快LED产业的多元化、多能化，而利用LED实现路灯照明也越来越普遍，而散热效果好的LED路灯使用寿命长，并且工作时性能最佳，为此本发明提供了一种高散热LED路灯控制方法，优化路灯结构以及能源转换效率的同时，优化设计了散热结构，使得整个路灯性能和效能都得到了提高，通过智能有效的控制路灯提高能源利用效率，提高数据采集准确率的同时，减小路灯损耗，延长使用寿命。

如图1所示，高散热LED路灯包括底座1，连接杆4，灯杆5，支架6，LED灯头7，太阳能电池组8，风力发电装置10，还包括蓄电池组2，处理控制装置3，光敏传感器9，如图2所示，太阳能电池组、光敏传感器、LED光源、蓄电池组分别与处理控制装置电连接，风力发电装置通过驱动电机与控制处理装置电连接，其中连接杆4为中空结构，其下端固定连接底座1，蓄电池组2设置于底座1内，灯杆5的直径小于连接杆4，灯杆5的下端通过连接杆4的中空结构能够从连接杆4的上端插入，从而使得灯杆5能够在垂直方向固定。支架6的一端设置于灯杆5上，另一端向外延伸并连接LED灯头7，使得LED灯头7远离灯杆5。

LED灯头7包括灯罩以及LED光源，图3为灯罩的结构示意图，灯罩的上表面具有多个散热翼片12，LED灯头的热量可以通过散热翼片12传递，散热翼片12的设置加大了散热面积，加速LED灯头的散热。散热翼片12远离灯罩上表面的一端为弧形结构，并且每一个散热翼片12之间间隔1.2cm，优选地，散热翼片12为金属；灯罩具有一定的厚度，在灯罩4个侧表面上分别设置一个或多个孔11，使得空气可以带动LED灯头的热量通过孔11流通，从而加快散热，孔11的直径为0.6cm，并且每个相邻孔11中心距离为1.3cm，这种散热结构设置实现了双重散热，通过散热翼片12和孔11的配合同时散热，实验也证明了散热翼片12和孔11同时设置使得空气在灯头周边的流动速度加快，并且散热翼片12本身使得散热面积增大，两者的结合使得空气在散热翼片12周边空气的流动速度也加快，从而二者配合使得散热效果有很大的提高。

灯杆5的顶端设置一风力发电装置10，其中风力发电装置10可以利用驱动单元，通过控制命令来驱使驱动电机将灯杆5沿着在水平方向上旋转，这种设置方式使得风力发电装置10接收风力的方向角度可调，从而可以最大程度的获得风能，最大程度的将其转换为电能，具体来说通过控制装置中的驱动单元发出控制命令，控制驱动电机带动风力发电装置在水平面顺时针旋转2周，同时采集风能并记录对应的采集角度，将采集到的风能数据和角度数据同时发送至处理器，处理器计算即可获得最大风能对应的角度；在此基础上，就可以通过控制装置中的驱动单元发出控制命令，控制驱动电机在水平面上逆时针调整风力发电装置的角度，使得风力发电装置采集风能的角度为处理器计算获得的最大风能对应的角度来实现最大风能采集。

在风力发电装置10与支架6之间非对称的在灯杆5上设置两个太阳能电池组8，这种设置方式使得风力发电装置10在旋转时，可以尽量避免在某一方向遮挡了其中的一个或两个太阳能电池组8的部分时，仍然可以高效率的接收太阳光的照射，最大程度的获得光能将其转换为电能，其中获得的电能可以由蓄电池组2进行储存,其中一种实施方式中，可以将两个太阳能电池组8与风力发电装置10在投影平面上的角度设置为两两相差120度，并且可以将太阳能电池组在垂直方向的距离设置为45cm，更进一步地，本发明还设计风力发电装置10可沿着在水平方向上旋转的同时，还设计两个太阳能电池组8同样可以沿着水平方向旋转，这样可以保证风力发电装置10在最大程度的接收风能进行角度调解时，为了避免遮挡太阳能电池组接收光能，同时可以将两个太阳能电池组8进行分别的旋转，从而调整三者在投影平面上的角度始终保持在120度，从而最大程度的提高效能。

在实际的路灯应用中，如果长时间的打开路灯会造成能源的浪费，因此智能分时的控制路灯可以有效的降低能耗，提高工作效率。本发明的集成驱动智能的多功能LED路灯采用PWM+MPPT(脉冲宽度集成最大功率点)集成控制技术。通过具有在线参数调整的自适应占空比扰动法，对半导体开关器件的导通和关断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，根据风能和光能的新能源LED路灯点亮时间特点，对各脉冲的宽度进行节律调制。把每一脉冲宽度均相等的脉冲列作为PWM波形，通过改变脉冲列的周期可以调频，改变脉冲的宽度或占空比可以调压，采用适当节律控制方法即可使电压与频率协调变化。可以通过调整PWM的周期、PWM的占空比而达到控制充放电电流的目的。既可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。

电磁涡流制动是解决过风保护过程中电磁缓速器和风力发电机转子定子的控制方式问题。根据风能利用系数原理，在风力发电机额定风速的范围内，风轮在额定风速的工作条件下工作,并达到额定输出转速时,风力发电机的输出功率最大,风能的利用系数最大；当风速超过额定风速,即超过风力发电机工作的最佳风速时，风轮失速,风能利用系数下降,输出功率降低，甚至会损坏电机发生危险事故。风轮在峰值点即在额定风速的时候发电机的输出功率最大，风能利用系数最大。

集成式电磁涡流制动控制方式，保证了产业化过程中性能的稳定性和质量的可靠性。当风轮超过风力发电机额定转速发电机功率输出发生变化时,通过脉宽调制方式向风机内的电磁涡流缓速器自动发出电磁信号,该控制方式，采用电流直接驱动，无中间环节，其操纵响应时间非常短，仅40毫秒，比液力缓速器响应时间快20倍，制动力矩的大小可以通过控制励磁电流来调节，完全自动控制，给缓速器的定子线圈通入直流电，在定子线圈会产生磁场，该磁场在相邻铁芯、磁轭板、气隙、转子之间形成一个回路。此时，如果转子和定子之间有相对运动，这种运动就相当于导体在切割磁力线，根据电磁感应原理，在导体内部会产生感应电流，同时感应电流会产生另外一个感应磁场，该磁场和已经存在的磁场之间会有作用力，而作用力的方向永远是阻碍导体运动的方向。这个作用力就是缓速器制动力矩的来源。这样就限制了风轮的快速转动,实现了大风时限速或刹车，达到了快速有效的风力发电机过风保护，实现了风力发电机电磁感应系统的生产流程模块化，品质可靠质量可控性高，相比传统技术的优点是：实现自动感应控制，灵敏度高，控制速度快，生产过程自动化，实现了模块化、流程化生产。

在风能所发出的电能超过蓄电池和逆变输出需要时，控制器必须将能量通过卸荷释放掉。普通的控制器是将整个卸荷全部接上，此时蓄电池一般还没有充满，但能量却全部被耗在卸荷上，从而造成了能量的浪费。有的控制器采用分阶段接上卸荷，则阶段越多，控制效果越好，但一般只能做到五六级左右，所以效果仍不够理想。本发明采用的控制方式是安装脉宽调制芯片进行无级卸载，即可以达到上千级的卸载。脉宽调制芯片控制的一个优点是从处理器到被控系统信号都是数字形式的，无需进行数模转换。让信号保持为数字形式可将噪声影响降到最小。噪声只有在强到足以将逻辑1改变为逻辑0或将逻辑0改变为逻辑1时，也才能对数字信号产生影响。所以，在正常卸载情况下，可确保蓄电池电压始终稳定在浮充电压点，而只是将多余的电能释放到卸荷上。从而保证了最佳的蓄电池充电特性，使电能得到充分利用，并确保了蓄电池的使用寿命。

根据最大功率点跟踪的基本原理及常用风能和光能的发电控制系统的特点,提出一种改进的基于模糊控制、具有在线参数调整的自适应占空比扰动法。以TMS3202407A为主控制芯片，以升压BOOST电路为主电路，采用双路控制结构，一路使用数字PI控制器，一路使用基于模糊控制的最大功率点跟踪器，该方法能迅速地感知外界的风速变化,调整发电机与负载之间的功率匹配，使风力机以最佳叶尖速比运行。通过Matlab/Simulink仿真实验表明:采用模糊控制电路,风力机的输出功率大幅提高,在风速发生突变的情况下，也能快速地找到新的最大功率点。

此外，现有技术中通常只设置一个光敏传感器，并且采用单一或简单的采集方式采集光照强度信息，从而基于此直接进行路灯的控制，而这种设置方式比较局限，当光敏传感器故障或者由于遮挡或其他因素导致光敏传感器采集光照强度信息受到外界环境的干扰时，则采集到的光照强度信息不准确，从而使得对路灯控制处理方式出错或者出现低效率的操作。基于此，本发明在两个太阳能电池组8的正中心的位置处分别设置第一、第二光敏传感器9，并且在风力发电装置10远离风扇的一端末尾设置第三光敏传感器9，三个光敏传感器9分别采集光照强度信息，并将分别采集到的光照强度信息发送至处理控制装置3，处理控制装置3包括处理器和驱动电源，处理器将分别采集到的光照强度信息进行处理，然后根据处理结果对LED光源进行功率和照明时间控制，其中处理器将分别采集到的光照强度信息进行处理具体是通过将第一、二、三光敏传感器9采集到的光照强度信息分别记为G1，G2，G3：

如果P1小于等于0.03，则将P作为处理器进行处理后的处理结果对LED光源进行功率和照明时间控制；

如果P1大于0.03，则分别计算取W1，W2，W3中的一个，二个或三个的值小于等于0.03对应的光照强度信息进行平均值处理，将平均值处理后的结果作为处理器进行处理后的处理结果对LED光源进行功率和照明时间控制，将W1，W2，W3取值大于0.03对应的光敏传感器进行重新校正。

如图3所示，是高散热LED路灯控制方法流程示意图，具体实现时，高散热LED路灯控制方法依次包括如下步骤：

(1)通过控制处理装置中的处理器设置太阳能电池组，风力发电装置和光敏传感器的初始参数，检查太阳能电池组，风力发电装置和光敏传感器的工作状态；

(2)通过控制装置中的驱动单元发出控制命令，控制驱动电机带动风力发电装置在水平面顺时针旋转2周，同时采集风能并记录对应的采集角度，将采集到的风能数据和角度数据同时发送至处理器，处理器计算获得最大风能对应的角度；

(3)通过控制装置中的驱动单元发出控制命令，控制驱动电机在水平面上逆时针调整风力发电装置的角度，使得风力发电装置采集风能的角度为处理器计算获得的最大风能对应的角度；

(4)调整路灯的灯杆上非对称设置的两个太阳能电池组，使得两个太阳能电池组与风力发电装置在投影平面上的角度为两两相差120度，具体可以调整路灯的灯杆上非对称设置的两个太阳能电池组是通过将两个太阳能电池组沿着水平方向旋转实现；

(5)夜间和阴雨天无阳光时由风力发电装置发电，或晴天由太阳能电池组件发电，或在既有风又有太阳能的情况下由风力发电装置和太阳能电池组件同时发电，当采用风力发电装置进行发电时，利用电磁涡流制动控制方式进行控制，当风轮超过风力发电装置额定转速发电机功率输出时,通过脉宽调制方式向风机内的电磁涡流缓速器自动发出电磁信号，通过控制励磁电流来调节制动力矩，限制风轮的快速转动；

(6)将步骤(5)发出的电存储到蓄电池组中，如果发出的电能超过蓄电池组和逆变输出需要时，通过脉宽调制芯片进行无级卸载；

(7)利用两个太阳能电池组的正中心的位置处设置的第一、第二光敏传感器，以及在风力发电装置上远离风扇的一端末尾设置的第三光敏传感器分别采集光照强度信息，并将分别采集到的光照强度信息发送至处理控制装置中的处理器，处理器将分别采集到的光照强度信息进行处理：将第一、二、三光敏传感器采集到的光照强度信息分别记为G1，G2，G3，计算

如果P1小于等于0.03，则将P作为处理器进行处理后的处理结果；

如果P1大于0.03，则分别计算取W1，W2，W3中的一个，二个或三个的值小于等于0.03对应的光照强度信息进行平均值处理，将平均值处理后的结果作为处理器进行处理后的处理结果；还可以包括校正步骤，将W1，W2，W3取值大于0.03对应的光敏传感器进行重新校正。

应当理解的是，本发明的技术方案，以及技术方案中的公式及参数，都是在合理的预期和合理的应用情况下使用，极端或者不满足技术方案，以及技术方案中的公式及参数的情况，本领域技术人员能够合理的剔除。

尽管为了说明的目的，已描述了本发明的示例性实施方式，但是本领域的技术人员将理解，不脱离所附权利要求中公开的发明的范围和精神的情况下，可以在形式和细节上进行各种修改、添加和替换等的改变，而所有这些改变都应属于本发明所附权利要求的保护范围，并且本发明要求保护的产品各个部门和方法中的各个步骤，可以以任意组合的形式组合在一起。因此，对本发明中所公开的实施方式的描述并非为了限制本发明的范围，而是用于描述本发明。相应地，本发明的范围不受以上实施方式的限制，而是由权利要求或其等同物进行限定。

Claims (5)

1.一种高散热LED路灯控制方法,其特征在于，依次包括如下步骤：

(1)通过控制处理装置中的处理器设置太阳能电池组，风力发电装置和光敏传感器的初始参数，检查太阳能电池组，风力发电装置和光敏传感器的工作状态；

(2)通过控制装置中的驱动单元发出控制命令，控制驱动电机带动风力发电装置在水平面顺时针旋转2周，同时采集风能并记录对应的采集角度，将采集到的风能数据和角度数据同时发送至处理器，处理器计算获得最大风能对应的角度；

(3)通过控制装置中的驱动单元发出控制命令，控制驱动电机在水平面上逆时针调整风力发电装置的角度，使得风力发电装置采集风能的角度为处理器计算获得的最大风能对应的角度；

(4)调整路灯的灯杆上非对称设置的两个太阳能电池组，使得两个太阳能电池组与风力发电装置在投影平面上的角度为两两相差120度，具体能够调整路灯的灯杆上非对称设置的两个太阳能电池组是通过将两个太阳能电池组沿着水平方向旋转实现；

(5)夜间和阴雨天无阳光时由风力发电装置发电，或晴天由太阳能电池组件发电，或在既有风又有太阳能的情况下由风力发电装置和太阳能电池组件同时发电，当采用风力发电装置进行发电时，利用电磁涡流制动控制方式进行控制，当风轮超过风力发电装置额定转速发电机功率输出时,通过脉宽调制方式向风机内的电磁涡流缓速器自动发出电磁信号，通过控制励磁电流来调节制动力矩，限制风轮的快速转动；

(6)将步骤(5)发出的电存储到蓄电池组中，如果发出的电能超过蓄电池组和逆变输出需要时，通过脉宽调制芯片进行无级卸载；

(7)利用两个太阳能电池组的正中心的位置处设置的第一、第二光敏传感器，以及在风力发电装置上远离风扇的一端末尾设置的第三光敏传感器分别采集光照强度信息，并将分别采集到的光照强度信息发送至处理控制装置中的处理器，处理器将分别采集到的光照强度信息进行处理：将第一、二、三光敏传感器采集到的光照强度信息分别记为G1，G2，G3，计算

如果P1小于等于0.03，则将P作为处理器进行处理后的处理结果；

如果P1大于0.03，则分别计算取W1，W2，W3中的一个，二个或三个的值小于等于0.03对应的光照强度信息进行平均值处理，将平均值处理后的结果作为处理器进行处理后的处理结果；还能够包括校正步骤，将W1，W2，W3取值大于0.03对应的光敏传感器进行重新校正。

2.如权利要求1所述的高散热LED路灯控制方法，其特征在于：步骤(4)中调整路灯的灯杆上非对称设置的两个太阳能电池组是通过将两个太阳能电池组沿着水平方向旋转实现。

3.如权利要求1所述的高散热LED路灯控制方法，其特征在于：步骤(7)还包括校正步骤，将W1，W2，W3取值大于0.03对应的光敏传感器进行重新校正。

4.如权利要求1所述的高散热LED路灯控制方法，其特征在于：蓄电池组包括一个或多个蓄电池。

5.如权利要求1所述的高散热LED路灯控制方法，其特征在于：太阳能电池组包括一个或多个太阳能电池。