CN108777894A - 一种uv-led阵列固化光源驱动器及设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种UV‑LED阵列固化光源驱动器及设计方法，驱动器包括人机接口、核心控制器、主回路、UV‑LED阵列以及反馈回路，所述人机接口、核心控制器、主回路以及UV‑LED阵列顺序连接，所述UV‑LED阵列还通过反馈回路与核心控制器连接；所述UV‑LED阵列由N×N的LED模块组成，相同波长的N个UV‑LED串联，共有N种波长的UV‑LED，即采用多波长UV‑LED组成光源阵列。本发明的驱动器中UV‑LED阵列为多组不同的波长组合，以微控制器为核心控制器、多路功率可调的BUCK电路为输出主回路，采用基于模型的根轨迹设计方法实现PI型控制器的设计，实现对UV‑LED的恒流控制。实验表明，本发明能够实现多波长输出，电流精度高，能够满足UV‑LED固化系统的工作需求。

Description

一种UV-LED阵列固化光源驱动器及设计方法

技术领域

本发明属于UV-LED固化光源设备技术领域，具体涉及一种UV-LED阵列固化光源驱动器及设计方法。

背景技术

UV固化，是指利用不同波长的紫外光线的作用下使油墨在承印物上成膜并且干燥的过程。UV墨与普通油墨相比，具有耐磨性能好、干燥速度快、节约时间、环保等优点，在印刷行业中得到广泛的应用。到了90年代，随着各国的环保政策日趋严格，印刷、电子行业的迅速发展，UV固化材料的耗用量日益增大，使用范围也越来越广泛。1998年我国用于印刷和电子领域的UV固化油墨达到三千吨以上，年增长率超过25％。与此同时，UV固化技术也在不断发展。起初，UV固化采用高压汞灯作为光源，高压汞灯的光谱很宽，能够一系列产生波长范围很宽的紫外光，能够使得UV油墨固化得更加均匀。但是高压汞灯寿命短，一般工作500个小时亮度就会开始衰减，而且汞灯的成本高。目前，UV-LED正逐渐取代高压汞灯作为UV固化的主要光源。发光二极管虽然它的波长比较集中，但是可以通过利用不同波长的组成的LED阵列来弥补光谱窄的短板。另外，LED作为冷光源，其辐照时产生的热量少，节能并且寿命长，经济实惠。

在使用UV-LED进行固化的过程，由于LED的伏安特性曲线并非线性，且LED工作时器件会发热，温度的改变也会影响其伏安特性，造成LED的工作电流不稳定。当LED发热时，通过LED的电流会增大，电流越大，发热越严重，导致温度越高，电流越大。因此，要使UV-LED固化效果好，系统工作稳定，就必须设计合理的固化光源驱动器，使得电流恒定，保持UV辐照稳定。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种UV-LED阵列固化光源驱动器及设计方法，实现多波长的光照以及对UV-LED的恒流控制。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明一种UV-LED阵列固化光源驱动器，包括人机接口、核心控制器、主回路、UV-LED阵列以及反馈回路，所述人机接口、核心控制器、主回路以及UV-LED阵列顺序连接，所述UV-LED阵列还通过反馈回路与核心控制器连接；所述UV-LED阵列由N×N的LED模块组成，相同波长的N个UV-LED串联，共有N种波长的UV-LED，即采用多波长UV-LED组成光源阵列。

作为优选的技术方案，所述人机接口用于实时监测UV-LED阵列的电压、电流以及UV-LED灯的亮灭情况，并且按要求设置流过UV-LED灯的电流。

作为优选的技术方案，所述N为3，相同波长的3个UV-LED串联，共有3种波长的UV-LED。

作为优选的技术方案，所述核心控制器由微控制器组成，所述微控制器为单片机、DSP或ARM。

作为优选的技术方案，所述主电路为BUCK电路。

作为优选的技术方案，所述反馈回路中电流信号由精密采样电阻转换为电压信号后，运算放大模块放大后输送给核心控制器的ADC外设进行模数转换。

本发明还提供了一种UV-LED阵列固化光源驱动器的设计方法，包括下述步骤：

S1、采用基于占空比的控制模式的BUCK电路分析方法，以PI型控制器为基础，建立固化光源驱动器闭环系统的二阶离散时域模型，所述的离散时域模型是以PI型控制器的比例系数Kp、积分系数Ki和占空比D为参变量的；

S2、以单位阶跃响应为欠阻尼系统为设计目标，减少驱动器启动时振荡，因此可得到光源驱动器闭环系统离散时域模型的两个特征值必须相等，从而得出比例系数Kp与积分系数Ki、占空比D之间的第二个相互关系方程式；

S3、基于步骤S1所述的二阶离散时域模型，采用根轨迹的方法，得到积分系数Ki以占空比D为变量，取不同比例系数Kp值的第一相互关系图；

S4、基于步骤S1所述的二阶离散时域模型以及步骤S2所述的第二个相互关系方程式，得到Kp/Ki与D之间的第二相互关系图；

S5、基于步骤S3所述的第一相互关系和步骤S4所述的第二相互关系图，以及占空比取[0.2 0.8]的条件，得到比例系数Kp和积分系数Ki的取值范围，从而得到系统是稳定的、且满足严格欠阻尼条件的PI型控制器的设计。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本发明的UV-LED阵列固化光源以微控制器为核心控制器、三路功率可调的BUCK电路为输出主回路，采用PI型控制算法实现对UV-LED的恒流控制，能够实现多波长输出，电流精度高，能够满足UV-LED固化系统的工作需求。

2、本发明以数字PI算法代替模拟PI控制器，实时跟随电流变化，减小输出纹波。用数字滤波器代替模拟滤波，较少电路元器件，降低硬件成本。

3、本发明采用基于模型的根轨迹PI控制器设计方法，为高性能的控制器设计提出了依据，减少了人工经验的PI型控制器参数的整定的不确定因素。

附图说明

图1是本发明UV-LED阵列固化光源驱动器结构方框图；

图2是本发明UV-LED阵列示意图；

图3是本发明控制器设计方法流程图。

附图标号说明：1、UV-LED；2、LED模块。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图1所示，本实施例所述UV-LED阵列固化光源驱动器包括：人机接口、核心控制器、主回路、UV-LED阵列、反馈回路五个部分；所述人机接口、核心控制器、主回路以及UV-LED阵列顺序连接，所述UV-LED阵列还通过反馈回路与核心控制器连接。

所述人机接口采用普通的PC作为平台，利用Visual studio进行人机接口界面和功能的编写。核心控制器以STM32F103ZET6单片机为核心，主回路采用BUCK拓扑结构，分多组输出，每一组对应UV-LED阵列的一个串联组。反馈回路由精密检流电阻和放大电路构成，经放大的信号进入核心控制器的A/D转换电路。

所述人机接口由可实时监测UV-LED阵列的电压和电流以及UV-LED灯的亮灭等情况，并且可按要求设置流过UV-LED灯的电流。

所述UV-LED阵列由N×N的LED模块组成，相同波长的N个UV-LED串联，共有N种波长的UV-LED，即采用多波长UV-LED组成光源阵列，既可以降低对UV固化油墨的要求，又有利于实现UV油墨的高均匀固化。如图2所示，在本实施例中，UV-LED阵列由3×3的LED模块2组成，相同波长的3个UV-LED 1串联，共有3种波长的UV-LED。当然，采用4×4的LED模块或5×5的LED模块等等，同样适用于本发明的技术方案。

所述核心控制器采用STM32F103ZET6单片机为核心，外加供电模块、MOSFET驱动模块构成核心控制器。

如图3所示，本发明的UV-LED阵列固化光源驱动器的控制器设计方法，包括下述步骤：

S1采用基于占空比的控制模式的BUCK电路分析方法，以PI型控制器为基础，建立固化光源驱动器闭环系统的二阶离散时域模型，所述的离散时域模型是以PI型控制器的比例系数Kp、积分系数Ki和占空比D为参变量的。

S2以单位阶跃响应为欠阻尼系统为设计目标，这样可以减少驱动器启动时振荡，因此可以得到光源驱动器闭环系统离散时域模型的两个特征值必须相等，从而可得出比例系数Kp与积分系数Ki、占空比D之间的第二个相互关系方程式。

S3基于S1所述的二阶离散时域模型，采用根轨迹的方法，得到积分系数Ki以占空比D为变量，取不同比例系数Kp值的第一相互关系图。

S4基于S1所述的二阶离散时域模型以及S2所述的第二个相互关系方程式，可以得到Kp/Ki与D之间的第二相互关系图。

S5基于S3所述的第一相互关系和S4所述的第二相互关系图，以及占空比取[0.20.8]的条件，可以得到比例系数Kp和积分系数Ki的取值范围，从而得到系统是稳定的、且满足严格欠阻尼条件的PI型控制器的设计。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种UV-LED阵列固化光源驱动器，其特征在于，包括人机接口、核心控制器、主回路、UV-LED阵列以及反馈回路，所述人机接口、核心控制器、主回路以及UV-LED阵列顺序连接，所述UV-LED阵列还通过反馈回路与核心控制器连接；所述UV-LED阵列由N×N的LED模块组成，相同波长的N个UV-LED串联，共有N种波长的UV-LED，即采用多波长UV-LED组成光源阵列。

2.根据权利要求1所述的UV-LED阵列固化光源驱动器，其特征在于，所述人机接口用于实时监测UV-LED阵列的电压、电流以及UV-LED灯的亮灭情况，并且按要求设置流过UV-LED灯的电流。

3.根据权利要求1所述的UV-LED阵列固化光源驱动器，其特征在于，所述N为3，相同波长的3个UV-LED串联，共有3种波长的UV-LED。

4.根据权利要求1所述的UV-LED阵列固化光源驱动器，其特征在于，所述核心控制器由微控制器组成，所述微控制器为单片机、DSP或ARM。

5.根据权利要求1所述的UV-LED阵列固化光源驱动器，其特征在于，所述主电路为BUCK电路。

6.根据权利要求1所述的UV-LED阵列固化光源驱动器，其特征在于，所述反馈回路中电流信号由精密采样电阻转换为电压信号后，运算放大模块放大后输送给核心控制器的ADC外设进行模数转换。

7.根据权利要求1-6中任一项UV-LED阵列固化光源驱动器的设计方法，其特征在于，包括下述步骤：

S1、采用基于占空比的控制模式的BUCK电路分析方法，以PI型控制器为基础，建立固化光源驱动器闭环系统的二阶离散时域模型，所述的离散时域模型是以PI型控制器的比例系数Kp、积分系数Ki和占空比D为参变量的；

S2、以单位阶跃响应为欠阻尼系统为设计目标，减少驱动器启动时振荡，因此可得到光源驱动器闭环系统离散时域模型的两个特征值必须相等，从而得出比例系数Kp与积分系数Ki、占空比D之间的第二个相互关系方程式；

S3、基于步骤S1所述的二阶离散时域模型，采用根轨迹的方法，得到积分系数Ki以占空比D为变量，取不同比例系数Kp值的第一相互关系图；

S4、基于步骤S1所述的二阶离散时域模型以及步骤S2所述的第二个相互关系方程式，得到Kp/Ki与D之间的第二相互关系图；

S5、基于步骤S3所述的第一相互关系和步骤S4所述的第二相互关系图，以及占空比取[0.2 0.8]的条件，得到比例系数Kp和积分系数Ki的取值范围，从而得到系统是稳定的、且满足严格欠阻尼条件的PI型控制器的设计。