CN110267401A - 自反馈的led控制方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种自反馈的LED控制方法及系统，方法中，设定在频率f的开合控制中、以m个频率作为一个控制周期、每个控制周期内对n个LED实现指定方式亮度控制的控制参数Pm,n：将控制参数Pm,n、频率f与LED的理论输入电流之间的控制关系量化，并建立算法模型；将输入电流C与输出亮度iL的关系线性化，并建立算法模型；以及进行自反馈与量化、线性化的结合。该LED控制方法尤其适用于单个或多个LED模组在1KHZ‑20KHZ下的高频开合量化控制，实际亮度能够恒定不变且调节输入电流时亮度也随线性变化。并且在长期使用之中，光亮出现衰减时可以进行调节使得亮度恒定在控制范围，提高器件控制精度。
Description
技术领域
本发明涉及LED照明技术领域，具体而言，涉及自反馈的LED控制方法及系统。
背景技术
LED灯具发热低、功耗小、控制性强，是目前大力推广的节能光源。在现有LED(Light Emitting Diode，发光二极管)控制的应用技术中，对于LED的控制，目前已有的控制技术只存在1KHZ以下的LED开关控制，针对高频的开关控制，例如申请号为201810164212.1，名称为一种水冷型大功率高频开关电源装置，其实现了高频开关，但是该方案应用在大型的电力系统中，涉及到的装置体积庞大，且无法应用到LED的控制方案中，而针对1KHZ以上的LED开关控制，特别是1KHZ-20KHZ的LED开关控制，目前没有合适的方法，而目前已有的1KHZ以下的低频LED控制方法无法应对高频下1KHZ-20KHZ的LED的开关控制，导致目前在1KHZ-20KHZ这个频段下的LED开关控制处于空白状态。
现有技术中，LED控制仅为单纯的占空比控制或输入电流调节，无法实现组合式的高频周期性开合应用控制。
现有技术中，LED灯具在使用一段时间后，由于器件损耗导致发光亮度衰减，会影响LED灯具的控制精度。在LED灯具被用于精密视觉检测系统时，LED灯具亮度衰减会影响视觉检测系统的运行。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供了自反馈的LED控制方法及系统，用于解决前述技术问题中的至少一个。
具体地，其技术方案如下：
一种自反馈的LED控制方法，包括：
S1：根据LED自身的发光特性，设定在频率f的开合控制中、以m个频率作为一个控制周期、每个控制周期内对n个LED实现指定方式亮度控制的控制参数Pm,n：
Pm，n＝{a1，1 a1，2 a1，3 ... a1，N，a2，1 a2，2 a2，3 ... a2，n，..................am，1am，2 am，3 ... am，n}；
S2：将控制参数Pm,n、频率f与LED的理论输入电流之间的控制关系量化，并建立算法模型C(j,k)＝{T(P(j,k),f)|j＝1…m,k＝1…n)}，C(j,k)为第k个LED在控制周期内第j个频率下发光时所需的输入电流的大小；
S3：将输入电流C与输出亮度iL的关系线性化，并建立算法模型iL＝L(f(C))；
S4：反馈第j-1个频率下第k个LED的实际发光亮度信息i(j-1，k)，根据i(j-1，k)修正第j个频率下第k个LED的输入电流C(j，k)，结合步骤S2和步骤S3得到最终算法模型：
i(j,k)＝L(f(C(j，k)+f-1(L-1(i(j-1，k)))))
＝L(f(T(P(j,k),f)+f-1(L-1(i(j-1，k)))))，使输入电流C(j，k)不变时输出亮度iL能够恒定不变并且调节输入电流C(j，k)时输出亮度iL呈线性变化；
其中，i(j,k)＝0，j＝1…m,k＝1…n，步骤S2、步骤S3之间的先后顺序能够颠倒或者二者同时执行。
在一个具体的实施例中，所述控制参数P(j,k)包括第k个LED在一个控制周期内第j个频率下发光时的占空比信号。
在一个具体的实施例中，步骤S2具体包括以下方式：
在控制终端的存储模块中预先存储多维度变量下的各种控制指令值，所述控制终端将所述控制指令值传入到下层控制系统后对LED进行控制，所述多维度变量中的变量包括n个LED模组在m个频率内每次的点亮方式的控制参数、m个频率中一共存在的点亮方式的数量和控制周期。
在一个具体的实施例中，“在控制终端的存储模块中预先存储包括多维度变量下的各种控制指令值”的具体方法包括：
在控制终端的存储模块中预先建立三维表格，在所述三维表格中生成控制指令值，所述三维表格纵向第一维度是n个LED模组在m个频率内每次的点亮方式；所述三维表格横向第二维度是m个频率中一共存在的点亮方式的数量；所述三维表格第三维度是每一个不同控制周期下的关于第一维度变量和第二维度变量的控制信息。
在一个具体的实施例中，步骤S3具体包括以下方式：
S31：按照预设的采样精度，通过采样得到输入电流C为多个数值时的LED输出亮度iL的数值以形成多个采样点；
S32：在坐标轴中将多个所述采样点顺次连接并拟合后形成输入电流C与输出亮度iL之间的关系曲线；
S33：按照步骤S32中形成的关系曲线对LED的输入电流进行控制。
在一个具体的实施例中，步骤S3还包括以下方式：
S34：将步骤S32中拟合后形成的关系曲线再次进行拟合形成输入电流C与输出亮度iL之间的关系直线；
S35：按照按照步骤S34中形成的关系直线替换步骤S32中形成的关系曲线对LED的输入电流进行控制。
在一个具体的实施例中，步骤S34中形成的关系直线中横向电流精度不低于0.1ma。
在一个具体的实施例中，步骤S4具体包括以下方式：
通过采样电路采集第j-1个频率下第k个LED的等效电流；
或者，直接检测的第j-1个频率下第k个LED的灰度值。
一种LED控制系统，用于控制单个或多个LED模组，包括：
电源，配置为给所述LED模组供电；
控制终端，配置为根据前述任一方案所述的LED控制方法生成控制信号；
驱动电路，所述驱动电路设置在所述电源和所述LED模组之间，所述驱动电路接收所述控制终端发出的所述控制信号，将所述控制信号转换成占空比信号和输入电流控制信号后作用于所述LED模组，按照相应的占空比信号和输入电流控制所述LED模组；
反馈模块，所述反馈模块配置为采集所述LED模组的发光亮度并反馈给所述控制终端。
在一个具体的实施例中，所述驱动电路包括运算放大器、第一电容、限流电阻、电感；其中，所述运算放大器的输出端并列有第一电容，所述第一电容的一端接地；所述运算放大器的输出端还串连接有所述限流电阻；所述电感的一端连接所述第一电容接地的一端。
在一个具体的实施例中，所述驱动电路由快速开关器件控制所述LED模组的电流通断；
所述快速开关器件包括第二电容与开关管；其中，所述开关管的G极连接所述限流电阻与所述第二电容的一端；所述第二电容的另一端连接所述电感与所述开关管的D极；所述开关管的D极接地；所述开关管的S极连接所述待控LED。
本发明至少具有以下有益效果：
根据本发明提供的自反馈的LED控制方法及系统，对被控制的n个LED在每个周期里实现m种打光方式，且将离散化的LED周期性控制信号转换成可量化的控制方式。
并且，通过C(j，k)+f-1(L-1(i(j-1，k))实现LED的闭环反馈，通过线性关系L使控制信号实现线性的亮度调节，使得LED实际亮度能够恒定不变并且调节输入电流时LED的亮度也随线性变化。
此外，本发明的控制方法中将对起始亮度进行反馈处理并且随着时间推进不断进行调整，最后趋于所设定的亮度值，并且在长期使用之中，当LED光亮出现衰减时反馈电路可以进行调节使得LED亮度恒定在控制范围，提高器件控制精度。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为实施例中自反馈的LED控制方法的整体流程示意图；
图2是实施例中三维表格的示意图；
图3是实施例中方法L处理前后LED特性曲线；
图4是实施例中再次拟合后得到的关系直线；
图5是实施例中LED的初始控制阶段的效果图；
图6是实施例中驱动电路与快速开关器件的电路图。
具体实施方式
在下文中，将更全面地描述本发明的各种实施例。本发明可具有各种实施例，并且可在其中做出调整和改变。然而，应理解：不存在将本发明的各种实施例限于在此公开的特定实施例的意图，而是应将本发明理解为涵盖落入本发明的各种实施例的精神和范围内的所有调整、等同物和/或可选方案。
实施例
如图1所示，本实施例提供了一种自反馈的LED控制方法，该LED控制方法可用于控制单个或多个LED模组的点亮方式，尤其适用于单个或多个LED模组在1KHZ-20KHZ下的高频开合控制。
具体地，该自反馈的LED控制方法包括：
S1：根据LED自身的发光特性，设定在频率f的开合控制中、以m个频率作为一个控制周期、每个控制周期内对n个LED实现指定方式亮度控制的控制参数Pm，n：
Pm，n＝{a1，1 a1，2 a1，3 ... a1，N，a2，1 a2，2 a2，3 ... a2，n，..................am，1am，2 am，3 ... am，n}；
S2：将控制参数Pm，n、频率f与LED的理论输入电流之间的控制关系量化，并建立算法模型C(j，k)＝{T(P(j，k)，f)|j＝1…m，k＝1…n)}，C(j，k)为第k个LED在控制周期内第j个频率下发光时所需的输入电流的大小；
S3：将输入电流C与输出亮度iL的关系线性化，并建立算法模型iL＝L(f(C))；
S4：反馈第j-1个频率下第k个LED的实际发光亮度信息i(j-1，k)，根据i(j-1，k)修正第j个频率下第k个LED的输入电流C(j，k)，结合步骤S2和步骤S3得到最终算法模型：
i(j，k)＝L(f(C(j，k)+f-1(L-1(i(j-1，k)))))
＝L(f(T(P(j,k),f)+f-1(L-1(i(j-1，k)))))，使输入电流C(j，k)不变时输出亮度iL能够恒定不变并且调节输入电流C(j，k)时输出亮度iL呈线性变化；
其中，i(j,k)＝0，j＝1…m,k＝1…n，步骤S2、步骤S3之间的先后顺序能够颠倒或者二者同时执行。
其中，控制参数P(j,k)包括第k个LED在一个控制周期内第j个频率下发光时的占空比信号。例如，控制信号为占空比为0％-99.9％的脉冲信号。
在一个具体的实施例中，步骤S2中使用的方法为预设的方法T，具体包括以下方式：
在控制终端的存储模块中预先存储多维度变量下的各种控制指令值，控制终端将控制指令值传入到下层控制系统后对LED进行控制，多维度变量中的变量包括n个LED模组在m个频率内每次的点亮方式的控制参数、m个频率中一共存在的点亮方式的数量和控制周期。
在一个具体的实施例中，“在控制终端的存储模块中预先存储包括多维度变量下的各种控制指令值”的具体方法包括：
如图2所示，在控制终端的存储模块中预先建立三维表格，在三维表格中生成控制指令值，三维表格纵向第一维度是n个LED模组在m个频率内每次的点亮方式，其主要是n个LED模组在m个频率内每次占空比信息。三维表格横向第二维度是m个频率中一共存在的点亮方式的数量，即点亮方式的种类。三维表格第三维度是每一个不同控制周期下的前两个维度的控制信息，例如输入控制周期的种类、数量等。
在一个具体的实施例中，步骤S3中使用的方法为预设的方法L，具体包括以下方式：
S31：如表1所示，按照预设的采样精度，通过采样得到输入电流C为多个数值时的LED输出亮度iL的数值以形成多个采样点。表1中，每个电流的数值对应着指定的辉度，表格的横向精度为0.01A
表1(采样表)
S32：通过查表的方式，在坐标轴中将多个采样点顺次连接并拟合后形成输入电流C与输出亮度iL之间的关系曲线。
S33：按照步骤S32中形成的关系曲线对LED的输入电流进行控制。
在一个具体的实施例中，步骤S3还包括以下方式：
S34：将步骤S32中拟合后形成的关系曲线再次进行拟合形成输入电流C与输出亮度iL之间的关系直线；
S35：按照按照步骤S34中形成的关系直线替换步骤S32中形成的关系曲线对LED的输入电流进行控制。
在一个具体的实施例中，步骤S34中形成的关系直线中横向电流精度不低于0.1ma。
其中，步骤S34中“将步骤S32中拟合后形成的关系曲线再次进行拟合形成输入电流C与输出亮度iL之间的关系直线”的方法包括，在拟合过程中，根据关系曲线与预设关系直线上各个数据点之间的差值修正控制参数，实现LED亮度的修正，即实现输入电流的线性等效变换，最终使输入电流线性变化时，LED亮度也线性变化。
步骤S4具体包括以下两种方式：
第一种反馈方式中，通过采样电路采集第j-1个频率下第k个LED的等效电流。其中等效电流是指，第j-1个频率下第k个LED的总做功除以时间、电压后，得到的第j-1个频率的第k个LED等效做功电流。关于采样电路的具体结构，可参考现有技术，本实施例中不再赘述。
第一种反馈方式中，直接检测的第j-1个频率下第k个LED的灰度值。
根据本实施例提供的自反馈的LED控制方法及系统，对被控制的n个LED在每个周期里实现m种打光方式，且将离散化的LED周期性控制信号转换成可量化的控制方式。
并且，如图3-图5所示，通过C(j，k)+f-1(L-1(i(j-1，k))实现LED的闭环反馈，通过线性关系L使控制信号实现线性的亮度调节，使得LED实际亮度能够恒定不变并且调节输入电流时LED的亮度也随线性变化。
此外，本实施例的控制方法中将对起始亮度进行反馈处理并且随着时间推进不断进行调整，最后趋于所设定的亮度值，并且在长期使用之中，当LED光亮出现衰减时反馈电路可以进行调节使得LED亮度恒定在控制范围，提高器件控制精度。
为实施本实施例的前述控制方法，本实施例还进一步提供了一种LED控制系统，用于控制单个或多个LED模组，包括：
电源，配置为给LED模组供电；
控制终端，配置为根据前述任一方案的LED控制方法生成控制信号；
驱动电路，驱动电路设置在电源和LED模组之间，驱动电路接收控制终端发出的控制信号，将控制信号转换成占空比信号和输入电流控制信号后作用于LED模组，按照相应的占空比信号和输入电流控制LED模组；
反馈模块，反馈模块配置为采集LED模组的发光亮度并反馈给控制终端。
其中，电源包括受控直流电源，控制终端包括计算机设备(工控机或单片机等)以及安装在其中的控制软件。其中，反馈模块包括光亮度测量系统，其采集LED的光亮度并反馈给控制终端。关于反馈模块的具体结构，可参考现有技术，本实施例中不再赘述。
优选地，如图6所示，驱动电路包括运算放大器H1、第一电容C1、限流电阻R、电感L1；其中，运算放大器H1的输出端并列有第一电容C1，第一电容C1的一端接地GND1；运算放大器H1的输出端还串连接有限流电阻R；电感L1的一端连接第一电容C1接地的一端。
优选地，驱动电路由快速开关器件控制LED模组(图6中的A1)的电流通断。快速开关器件包括第二电容C2与开关管Q1；其中，开关管Q1的G极连接限流电阻R与第二电容C2的一端；第二电容C2的另一端连接电感L1与开关管的D极；开关管的D极接地GND2；开关管Q1的S极连接待控LED模组。
其中，运算放大器H1用于在运算放大器H1的输入端输入用于控制LED的控制信号到驱动电路，以通过驱动电路中的运算放大器提升控制信号的驱动能力；将提升后的控制信号输入快速开关器件；快速开关器件将提升后的控制信号输送到待控LED。在一个具体的实施例中，所述开关管为碳化硅MOSFET。
具体的，采用碳化硅MOSFET，其中的碳化硅(SiC)材质的热导系数几乎是一般Si材料的2.5倍，饱和电子漂移率是Si的2倍，所以SiC器件能在更高的频率下工作。相较于一般的开关管，其开关损耗大幅降低，且由于其高温工作特性，大大提高了高温稳定性，最重要的，还可以适用于更高的工作频率，利于实现对1KHZ-20KHZ频率区间的待控LED进行开关控制。
本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施场景的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。
本领域技术人员可以理解实施场景中的装置中的模块可以按照实施场景描述进行分布于实施场景的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施场景的一个或多个装置中。上述实施场景的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。
上述本发明序号仅仅为了描述，不代表实施场景的优劣。
以上公开的仅为本发明的几个具体实施场景，但是，本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种自反馈的LED控制方法，其特征在于，包括：
S1：根据LED自身的发光特性，设定在频率f的开合控制中、以m个频率作为一个控制周期、每个控制周期内对n个LED实现指定方式亮度控制的控制参数Pm，n：
Pm，n＝{a1，1 a1，2 a1，3 ... a1，N，a2，1 a2，2 a2，3 ... a2，n，………………am，1 am，2 am，3 ...am，n}；
S2：将控制参数Pm，n、频率f与LED的理论输入电流之间的控制关系量化，并建立算法模型C(j，k)＝{T(P(j，k)，f)|j＝1…m，k＝1…n)}，C(j，k)为第k个LED在控制周期内第j个频率下发光时所需的输入电流的大小；
S3：将输入电流C与输出亮度iL的关系线性化，并建立算法模型iL＝L(f(C))；
S4：反馈第j-1个频率下第k个LED的实际发光亮度信息i(j-1，k)，根据i(j-1，k)修正第j个频率下第k个LED的输入电流C(j，k)，结合步骤S2和步骤S3得到最终算法模型：
i(j，k)＝L(f(C(j，k)+f-1(L-1(i(j-1，k)))))
＝L(f(T(P(j，k)，f)+f-1(L-1(i(j-1，k)))))，使输入电流C(j，k)不变时输出亮度iL能够恒定不变并且调节输入电流C(j，k)时输出亮度iL呈线性变化；
其中，i(j，k)＝0，j＝1…m，k＝1…n，步骤S2、步骤S3之间的先后顺序能够颠倒或者二者同时执行。
2.根据权利要求1所述的自反馈的LED控制方法，其特征在于，所述控制参数P(j，k)包括第k个LED在一个控制周期内第j个频率下发光时的占空比信号。
3.根据权利要求1所述的多扇门导轨组件，其特征在于，步骤S2具体包括以下方式：
在控制终端的存储模块中预先存储多维度变量下的各种控制指令值，所述控制终端将所述控制指令值传入到下层控制系统后对LED进行控制，所述多维度变量中的变量包括n个LED模组在m个频率内每次的点亮方式的控制参数、m个频率中一共存在的点亮方式的数量和控制周期；
优选地，“在控制终端的存储模块中预先存储包括多维度变量下的各种控制指令值”的具体方法包括：在控制终端的存储模块中预先建立三维表格，在所述三维表格中生成控制指令值，所述三维表格纵向第一维度是n个LED模组在m个频率内每次的点亮方式；所述三维表格横向第二维度是m个频率中一共存在的点亮方式的数量；所述三维表格第三维度是每一个不同控制周期下的关于第一维度变量和第二维度变量的控制信息。
4.根据权利要求1所述的自反馈的LED控制方法，其特征在于，步骤S3具体包括以下方式：
S31：按照预设的采样精度，通过采样得到输入电流C为多个数值时的LED输出亮度iL的数值以形成多个采样点；
S32：在坐标轴中将多个所述采样点顺次连接并拟合后形成输入电流C与输出亮度iL之间的关系曲线；
S33：按照步骤S32中形成的关系曲线对LED的输入电流进行控制。
5.根据权利要求4所述的自反馈的LED控制方法，其特征在于，步骤S3还包括以下方式：
S34：将步骤S32中拟合后形成的关系曲线再次进行拟合形成输入电流C与输出亮度iL之间的关系直线；
S35：按照按照步骤S34中形成的关系直线替换步骤S32中形成的关系曲线对LED的输入电流进行控制。
6.根据权利要求5所述的自反馈的LED控制方法，其特征在于，步骤S34中形成的关系直线中横向电流精度不低于0.1ma。
7.根据权利要求1所述的自反馈的LED控制方法，其特征在于，步骤S4具体包括以下方式：
通过采样电路采集第j-1个频率下第k个LED的等效电流；
或者，直接检测的第j-1个频率下第k个LED的灰度值。
8.一种LED控制系统，用于控制单个或多个LED模组，其特征在于，包括：
电源，配置为给所述LED模组供电；
控制终端，配置为根据权利要求1-7中任一项所述的LED控制方法生成控制信号；
驱动电路，所述驱动电路设置在所述电源和所述LED模组之间，所述驱动电路接收所述控制终端发出的所述控制信号，将所述控制信号转换成占空比信号和输入电流控制信号后作用于所述LED模组，按照相应的占空比信号和输入电流控制所述LED模组；
反馈模块，所述反馈模块配置为采集所述LED模组的发光亮度并反馈给所述控制终端。
9.根据权利要求8所述的LED控制系统，其特征在于，所述驱动电路包括运算放大器、第一电容、限流电阻、电感；其中，所述运算放大器的输出端并列有所述第一电容，所述第一电容的一端接地；所述运算放大器的输出端还串连接有所述限流电阻；所述电感的一端连接所述第一电容接地的一端。
10.根据权利要求9所述的LED控制系统，其特征在于，所述驱动电路由快速开关器件控制所述LED模组的电流通断；
所述快速开关器件包括第二电容与开关管；其中，所述开关管的G极连接所述限流电阻与所述第二电容的一端；所述第二电容的另一端连接所述电感与所述开关管的D极；所述开关管的D极接地；所述开关管的S极连接所述待控LED。
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