CN107645805A - 一种led高效调光控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种LED高效调光控制方法，该方法通过实时检测照明环境，并结合用户设置的模式，确定LED功率设定值，可精准满足用户的灯光使用需求；该方法采用PID算法公式改变输出频率调节并稳定功率，反馈电压高了就调高输出频率，反馈电压低了就降低输出频率，通过采样、PID计算的高速循环达到稳定输出功率的效果。
Description
技术领域
本发明涉及发光二极管领域，具体涉及一种LED高效调光控制方法。
背景技术
发光二极管(Light Emitting Diode，LED)这类型的固态发光元件的应用已经越来越广泛，举凡显示面板中的光源模块、日常生活中的照明装置、公共空间中的指示灯等都已逐渐普及地采用发光二极管作为发光光源。
LED调光装置可使得LED照明系统感知外界环境亮度进行调光，节约能耗的同时，提供了更加智能和舒适的照明环境。在现有的LED照明系统根据环境亮度调光控制方案中，感光器件检测环境亮度后，将环境亮度信号传送至MCU(Micro Controller Unit，微控制单元)模块，MCU模块将环境亮度信号转换为调光信号并将调光信号传送至LED驱动器，LED驱动器根据接收到的调光信号，调整输出功率，达到调光目的。
由于PWM调光易于实现，生产成本低，因此得以广泛应用。PWM调光的基本原理就是周期性地开启和关闭LED来改变正向电流的导通时间，因为人眼感知的亮度是一个累积过程，即亮的时间在整个周期中所占得比例越大，人眼感觉越亮。如果亮暗的频率超过100Hz，人眼看到的就是平均亮度，而不是LED在闪烁。PID是工业控制上的一种控制算法，其中P表示比例，I表示积分，D表示微分。在过程控制中，按偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）进行控制的PID控制器（亦称PID调节器）是应用最广泛的一种自动控制器，它具有原理简单，易于实现，适用面广，控制参数相互独立，参数的选定比较简单等优点。
发明内容
本发明提供一种LED高效调光控制方法，该方法通过实时检测照明环境，并结合用户设置的模式，确定LED功率设定值，可精准满足用户的灯光使用需求；该方法采用PID算法公式改变输出频率调节并稳定功率，反馈电压高了就调高输出频率，反馈电压低了就降低输出频率，通过采样、PID计算的高速循环达到稳定输出功率的效果。
为了实现上述目的，本发明提供一种LED高效调光控制方法，该方法包括如下步骤：
S1.实时检测照明环境信息；
S2.根据照明环境信息以及用户设定的LED工作模式，确定LED的功率设定值；
S3.根据所述功率设定值进行PID控制，并产生PWM控制信号；
S4.根据PWM控制信号，驱动PWM模块以调整LED的亮度。
优选的，在所述步骤S2中包括如下步骤：
用户设定LED的工作模式；
根据用户审定的LED工作模式和外部环境信息，确定功率设定值；
将所述功率设定值发送给调光模块的PID控制单元。
优选的，在所述步骤S2中，所述PID控制具体包括如下步骤：
S21：接收功率设定值和功率控制目标值的上、下限值X、Y；
S22：接收市电输入功率值采样值Next_Point，并按下式计算功率设定值和该采样值的当前差值ek_0：ek_0=PSET-Next_Point；
S23：计算功率控制目标值增量，得到功率控制目标值增减量Udk，并根据PID算法进行功率控制目标值调整，得到PID调整后的功率控制目标值Uk；
S24：进行接收功率设定值和市电输入功率值采样值的交换；
S25：对功率控制目标值Uk与设定的限值进行比较，根据经PID调整过的功率控制目标值Uk产生PWM控制信号。
优选的，所述步骤S23包括：
S231：根据公式Uk=Uk_1+ Udk，计算得到Udk值；
S232：根据公式
Udk=P×(ek_0-ek_1)+b×I×ek_0+D×(ek_0-2×ek_1+ek_2)得到PID调整后的功率控制目标值Uk；
其中：Udk是计算完的功率控制目标值增减量，Uk是PID调整后的功率控制目标值，Uk_1是功率控制目标值的设定值，P是比例系数，I是积分系数，D是微分系数，b是常数系数，Pset是功率设定值，ek_0是当前功率控制目标值的设定值和功率控制目标值的差，ek_1是上一次功率控制目标值的设定值和功率控制目标值的差，ek_2是上二次功率控制目标值的设定值和功率控制目标值的差。
优选的，所述步骤S25包括：
S251：若调整后的功率控制目标值Uk大于目标设定值的上限值，则使Uk 等于目标设定值的上限值X；
S252：若调整后的功率控制目标值Uk小于功率控制目标值的下限值，则使得Uk等于目标设定值的下限值Y。
优选的，在S4中，包括如下步骤：
接收PWM控制信号；
于解析PWM控制信号，确定调光等级；
输出功率调整单元用于控制调整输出功率，实现所述调光等级的调光操作。
优选的，PWM控制信号解析单元将PWM控制信号转化为由高低电平信号组成的数字化信号，通过数字化信号代表调光等级；
将PWM控制信号转化为由高低电平信号组成的数字化信号包括：定义高电平为数字信号1，低电平为数字信号0；或者，低电平为数字信号0，高电平为数字信号1，将上述固定频率和信号宽度的通断电操作转化为一组二进制数字码，对该二进制数字码添加起始位、终止位以及校验码，获得数字化信号。
采用一定位数的二进制数码，如8位，将高电平定义为1，低电平定义为0，8位二进制数码分别为00000000-11111111，通过此类标准化的二进制数码来代表不同的调光等级。此外，还可以在以上二进制数码的基础上，添加起始位、终止位以及校验码。
优选的，通断电操作为：PWM控制信号一个采样周期内，以一定的频率对LED进行通断电操作。该频率代表调光等级。这种通断电操作方案是以MOSFET或者三极管的开关操作频率来代表不同的调光等级需求。
本发明具有如下优点：（1）该方法通过实时检测照明环境，并结合用户设置的模式，确定LED功率设定值，可精准满足用户的灯光使用需求；（2）该方法采用PID算法公式改变输出频率调节并稳定功率，反馈电压高了就调高输出频率，反馈电压低了就降低输出频率，通过采样、PID计算的高速循环达到稳定输出功率的效果。
附图说明
图1示出了本发明的一种LED调光驱动系统的框图；
图2示出了一种LED高效调光控制方法的流程图。
具体实施方式
图1示出了一种LED调光驱动系统10，该系统10包括：
照明环境检测模块11，用于实时获取LED照明环境信息；所述照明环境检测模块11采用光敏控制器PS-001。PWM模块13，将市电进行PWM变换，用于驱动LED发光。调光模块12，用于对LED的发光度进行调整；用户设置模块14，用于用户设置调光驱动系统的工作模式。
其中，所述调光模块12包含功率检测单元121、触发单元122以及PID控制单元；功率检测单元121用于检测输入功率值，并将输入功率值发送给PID控制单元；PID控制单元用于根据所述输入功率值和功率设定值向触发单元输出控制值，其中所述设定值由用户设置模块14和照明环境检测模块11共同确定；触发单元122包括控制信号产生电路，用于根据所述输出控制值产生PWM控制信号，用于控制PWM模块的运行。
所述PWM模块13包括交直流整流电路，用于将交流市电转换为具有一定电压的直流电；所述交直流整流电路包括依次连接的过流保护单元、共模抑制单元、全桥整流单元以及差模抑制单元。
所述PWM模块13还包括PWM控制信号接收单元、PWM控制信号解析单元以及输出功率调整单元，PWM控制信号接收单元用于接收所述PWM控制信号；PWM控制信号解析单元用于解析PWM控制信号，确定调光等级；输出功率调整单元用于控制调整输出功率，实现所述调光等级的调光操作。
PWM控制信号解析单元将PWM控制信号转化为由高低电平信号组成的数字化信号，通过数字化信号代表调光等级。
将PWM控制信号转化为由高低电平信号组成的数字化信号包括：定义高电平为数字信号1，低电平为数字信号0；或者，低电平为数字信号0，高电平为数字信号1，将上述固定频率和信号宽度的通断电操作转化为一组二进制数字码，对该二进制数字码添加起始位、终止位以及校验码，获得数字化信号。
采用一定位数的二进制数码，如8位，将高电平定义为1，低电平定义为0，8位二进制数码分别为00000000-11111111，通过此类标准化的二进制数码来代表不同的调光等级。此外，还可以在以上二进制数码的基础上，添加起始位、终止位以及校验码。
通断电操作为：PWM控制信号一个采样周期内，以一定的频率对LED进行通断电操作。该频率代表调光等级。这种通断电操作方案是以MOSFET或者三极管的开关操作频率来代表不同的调光等级需求。
所述用户设置模块14包括：用户设定单元，用于用户设定LED的工作模式；
功率设定单元，用于根据用户审定的LED工作模式和外部环境信息，确定功率设定值；
发送单元，用于将所述功率设定值发送给调光模块12的PID控制单元123。
所述控制参数确定单元包括：
第一参数确定子单元，被配置为根据确定的时间信息、外部环境信息，查询第一预置列表，确定LED的色温参数，其中，所述第一预置列表包括：时间信息、外部环境信息与色温参数的对应关系。
所述控制参数确定单元还包括：
第二参数确定子单元，被配置为根据所述时间信息和所述色温参数，查询第二预置列表，确定所述LED的亮度参数，所述第二预置列表中包括：时间信息、色温信息与光照亮度的对应关系。
信号产生电路根据所述发光控制参数产生驱动信号，并根据光敏控制器PS-001的实时检测到的照明信息，使驱动信号在多个状态之间切换。
第一调光电路根据驱动信号产生调光信号，调光信号被提供到发光二极管LED以调整LED的亮度。
信号产生电路包含滤波电路、电压产生电路以及多段式切换电路。
图2示出了一种LED高效调光控制方法的流程图，该方法包括如下步骤：
S1.实时检测照明环境信息；
S2.根据照明环境信息以及用户设定的LED工作模式，确定LED的功率设定值；
S3.根据所述功率设定值进行PID控制，并产生PWM控制信号；
S4.根据PWM控制信号，驱动PWM模块以调整LED的亮度。
优选的，在所述步骤S2中包括如下步骤：
用户设定LED的工作模式；
根据用户审定的LED工作模式和外部环境信息，确定功率设定值；
将所述功率设定值发送给调光模块的PID控制单元。
优选的，在所述步骤S2中，所述PID控制具体包括如下步骤：
S21：接收功率设定值和功率控制目标值的上、下限值X、Y；
S22：接收市电输入功率值采样值Next_Point，并按下式计算功率设定值和该采样值的当前差值ek_0：ek_0=PSET-Next_Point；
S23：计算功率控制目标值增量，得到功率控制目标值增减量Udk，并根据PID算法进行功率控制目标值调整，得到PID调整后的功率控制目标值Uk；
S24：进行接收功率设定值和市电输入功率值采样值的交换；
S25：对功率控制目标值Uk与设定的限值进行比较，根据经PID调整过的功率控制目标值Uk产生PWM控制信号。
优选的，所述步骤S23包括：
S231：根据公式Uk=Uk_1+ Udk，计算得到Udk值；
S232：根据公式
Udk=P×(ek_0-ek_1)+b×I×ek_0+D×(ek_0-2×ek_1+ek_2)得到PID调整后的功率控制目标值Uk；
其中：Udk是计算完的功率控制目标值增减量，Uk是PID调整后的功率控制目标值，Uk_1是功率控制目标值的设定值，P是比例系数，I是积分系数，D是微分系数，b是常数系数，Pset是功率设定值，ek_0是当前功率控制目标值的设定值和功率控制目标值的差，ek_1是上一次功率控制目标值的设定值和功率控制目标值的差，ek_2是上二次功率控制目标值的设定值和功率控制目标值的差。
优选的，所述步骤S25包括：
S251：若调整后的功率控制目标值Uk大于目标设定值的上限值，则使Uk 等于目标设定值的上限值X；
S252：若调整后的功率控制目标值Uk小于功率控制目标值的下限值，则使得Uk等于目标设定值的下限值Y。
优选的，在S4中，包括如下步骤：
接收PWM控制信号；
于解析PWM控制信号，确定调光等级；
输出功率调整单元用于控制调整输出功率，实现所述调光等级的调光操作。
优选的，PWM控制信号解析单元将PWM控制信号转化为由高低电平信号组成的数字化信号，通过数字化信号代表调光等级；
将PWM控制信号转化为由高低电平信号组成的数字化信号包括：定义高电平为数字信号1，低电平为数字信号0；或者，低电平为数字信号0，高电平为数字信号1，将上述固定频率和信号宽度的通断电操作转化为一组二进制数字码，对该二进制数字码添加起始位、终止位以及校验码，获得数字化信号。
采用一定位数的二进制数码，如8位，将高电平定义为1，低电平定义为0，8位二进制数码分别为00000000-11111111，通过此类标准化的二进制数码来代表不同的调光等级。此外，还可以在以上二进制数码的基础上，添加起始位、终止位以及校验码。
优选的，通断电操作为：PWM控制信号一个采样周期内，以一定的频率对LED进行通断电操作。该频率代表调光等级。这种通断电操作方案是以MOSFET或者三极管的开关操作频率来代表不同的调光等级需求。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种LED高效调光控制方法，该方法包括如下步骤：
S1.实时检测照明环境信息；
S2.根据照明环境信息以及用户设定的LED工作模式，确定LED的功率设定值；
S3.根据所述功率设定值进行PID控制，并产生PWM控制信号；
S4.根据PWM控制信号，驱动PWM模块以调整LED的亮度。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤S2中包括如下步骤：
用户设定LED的工作模式；
根据用户审定的LED工作模式和外部环境信息，确定功率设定值；
将所述功率设定值发送给调光模块的PID控制单元。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所述步骤S2中，所述PID控制具体包括如下步骤：
S21：接收功率设定值和功率控制目标值的上、下限值X、Y；
S22：接收市电输入功率值采样值Next_Point，并按下式计算功率设定值和该采样值的当前差值ek_0：ek_0=PSET-Next_Point；
S23：计算功率控制目标值增量，得到功率控制目标值增减量Udk，并根据PID算法进行功率控制目标值调整，得到PID调整后的功率控制目标值Uk；
S24：进行接收功率设定值和市电输入功率值采样值的交换；
S25：对功率控制目标值Uk与设定的限值进行比较，根据经PID调整过的功率控制目标值Uk产生PWM控制信号。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤S23包括：
S231：根据公式Uk=Uk_1+ Udk，计算得到Udk值；
S232：根据公式
Udk=P×(ek_0-ek_1)+b×I×ek_0+D×(ek_0-2×ek_1+ek_2)得到PID调整后的功率控制目标值Uk；
其中：Udk是计算完的功率控制目标值增减量，Uk是PID调整后的功率控制目标值，Uk_1是功率控制目标值的设定值，P是比例系数，I是积分系数，D是微分系数，b是常数系数，Pset是功率设定值，ek_0是当前功率控制目标值的设定值和功率控制目标值的差，ek_1是上一次功率控制目标值的设定值和功率控制目标值的差，ek_2是上二次功率控制目标值的设定值和功率控制目标值的差。
5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤S25包括：
S251：若调整后的功率控制目标值Uk大于目标设定值的上限值，则使Uk 等于目标设定值的上限值X；
S252：若调整后的功率控制目标值Uk小于功率控制目标值的下限值，则使得Uk等于目标设定值的下限值Y。
6.如权利要求1-5任一所述的方法，其特征在于，在S4中，包括如下步骤：
接收PWM控制信号；
于解析PWM控制信号，确定调光等级；
输出功率调整单元用于控制调整输出功率，实现所述调光等级的调光操作。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，PWM控制信号解析单元将PWM控制信号转化为由高低电平信号组成的数字化信号，通过数字化信号代表调光等级；
将PWM控制信号转化为由高低电平信号组成的数字化信号包括：定义高电平为数字信号1，低电平为数字信号0；或者，低电平为数字信号0，高电平为数字信号1，将上述固定频率和信号宽度的通断电操作转化为一组二进制数字码，对该二进制数字码添加起始位、终止位以及校验码，获得数字化信号。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，通断电操作为：PWM控制信号一个采样周期内，以一定的频率对LED进行通断电操作，
该频率代表调光等级，
这种通断电操作方案是以MOSFET或者三极管的开关操作频率来代表不同的调光等级需求。
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