CN113141695B - 基于周期测量及能量估算的交流切相调光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于周期测量及能量估算的交流切相调光器及算法，算法通过精确测量和计算，得到不同亮度要求情况下，切换供电线路的截止和导通状态的准确时间点，从而实现对灯光亮度的数字化精确控制。调光器包含单片机、人机接口电路、远程控制电路、交流周期测量电路、切相电路，基于交流周期测量电路单片机测量输入交流信号周期，通过远程控制接口或者本地0～10V模拟调光信号或者人机接口电路的旋钮和按键输入及LED数码显示，获取和反馈用户所需调节的亮度百分比，单片机根据所需亮度，及所测量的交流信号周期，按本发明所述控制算法获得对应的切相时间点，并在对应的时间段控制切相电路导通和截断灯光供电线路上的电力传输。

Description

基于周期测量及能量估算的交流切相调光器

技术领域

本发明涉及一种灯光控制用调光器及算法，具体用于灯光亮度控制。

背景技术

交流电源驱动的传统调光器通过可控硅或者类似电路，通过移相或者电平比较电路控制灯光供电线路的截止和导通，从而控制灯光的亮度，如图6所示；

用户通过调节可调电阻即可控制每个交流周期中可控硅导通截止时间，从而调节负载灯光的亮度。但这种方法难以数字化精准调节灯光亮度到目标值。

发明内容

本发明基于周期测量及能量估算的交流切相调光器及算法，基于周期测量和能量计算的切相控制算法，通过精确测量和计算，得到不同亮度要求情况下，切换供电线路的截止和导通状态的准确时间点，从而实现对灯光亮度的数字化精确控制。

为了达到上述目的，本发明公开的基于周期测量及能量估算的交流切相算法，采用以下技术方案予以实现：

基于周期测量及能量估算的交流切相算法，采用交流周期测量电路进行电路测量，获取测量结果后进行如下计算：

(1)按照式1-0计算下一半周期时间起点；

T_s＝T₀+t₁/2(式1-0)

(2)按照式1-1～式1-6计算下一半周期时间长度；

单片机检测到的每个交流半周期t_h由低电平持续时间t₁和高电平持续时间t₂构成；

即：

t_h＝t₁₊t₂

假设即将到来的半周期为t_h0’，其之前的测得半周期时长依次为t_h1、t_h2、t_h3、t_h4、t_h5、t_h6(依时间先后顺序为t_h6、t_h5、t_h4、t_h3、t_h2、t_h1)。

根据实际情况可以采用以下公式之一计算即将到来的半周期时长的预计值:

t_h0’＝t_h1 (式1-1)

t_h0’＝t_h2 (式1-2)

t_h0’＝2*t_h1-t_h2 (式1-3)

t_h0’＝2*t_h2-t_h4 (式1-4)

t_h0’＝t_h1+2(t_h1-t_h2)-(t_h2-t_h3)＝3t_h1+t_h3-3t_h2 (式1-5)

t_h0’＝t_h2+2(t_h2-t_h4)-(t_h4-t_h6)＝3t_h2+t_h6-3t_h4 (式1-6)

(3)根据式2-0～式2-5建立导通相位与灯光亮度关系表及给定亮度，查找给定的亮度所需对应的导通相位，从而根据起点和周期计算出切相电路状态翻转的时间点；

对于恒定负载，弦波交流信号半周期相位与负载消耗能量比例的关系可以用以下方法近似计算：

将弦波0～180度相位按时间均分为足够多的份数K，当每份时间足够短时，可以近似认为第n份(0≤n≤K)时间负载R消耗的能量为：

E_n＝t*((v*sin(nπ/K))^2)/R(式2-0)

从相位0开始导通到第m段，后续截止到相位180度累计的能量(波形5切相方式)：

从相位0开始截止到K-m段，后续导通到相位180度累计的能量(波形4切相方式)为：

半周期全导通累计消耗的能量为：

由于被驱动的灯具需要一定的启动能量，即只有导通相位角达到一定值后才能开始点亮，通过实测可以获得这一相位，对应时段数记为S，启动能量为：

或者

作为本发明的交流切相算法的一种优选上述方式：灯具在启动消耗能量之外部分消耗能量用于发光，所以可以近似认为时间段m导通截止切换所输送给灯具的能量与半周期全导通所消耗能量的比值乘以100％即为灯具在m段导通截止切换所带来的灯具亮度百分比L_m，即：

L_m＝(E_tm-E_ts)/(E_th-E_ts)

选择从相位0开始导通到第m段，之后截止到相位180度的控制方式时，采用(式2-1)计算E_tm，采用(式2-4)计算E_ts；

选择从相位0开始截止到K-m段，之后导通到相位180度的控制方式时，采用(式2-2)计算E_tm，采用(式2-5)计算E_ts。

作为本发明的交流切相算法的一种优选上述方式：还包含切相时间点的计算：

当单片机根据获取用户通过按键、旋钮和LED屏输入的目标亮度百分比、或者通过0～10V外接信号输入的亮度百分比、或者通过远程监控接口设定的亮度百分比之后，查找亮度与导通截止切换时段对应关系表，获取到切换时段；假设半周期分段总数为K，查得的切换段数为m，则导通截止切换时间点计算方法为：

采用从相位0开始截止到K-m段，后续导通到相位180度时:

T₁＝T₀+t₁/2+t_h*(K-m)/K (式3-1)

采用从相位0开始导通到m段，后续截止到相位180度时:

T₂＝T₀+t₁/2+t_h*m/K (式3-2)

单片机根据测得的半周期数据、需要调节的目标亮度，亮度与切相时段对应关系表可以快捷计算出每半周期中需要切换导通截止的时间点；得到起始时间点Ts和转换时间点T1或者T2后，单片机只需要在相应时间点通过反转切相控制电路输出引脚电平即可实现对被调光的灯具亮度的数字化精准控制。

本发明还公开了基于周期测量及能量估算的交流切相调光器，包含单片机、人机接口电路、远程控制电路、交流周期测量电路、切相电路，基于交流周期测量电路单片机测量输入交流信号周期，通过远程控制接口或者本地0～10V模拟调光信号或者人机接口电路的旋钮和按键输入及LED数码显示，获取和反馈用户所需调节的亮度百分比；

单片机根据所需亮度，及所测量的交流信号周期，按任一上述的交流切相算法获得对应的切相时间点，并在对应的时间段控制切相电路导通和截断灯光供电线路上的电力传输，从而实现对灯光的亮度调节。

作为本发明公开的调光器的一种优选上述方式：

还包含如下的一项结构或者多项结构：

I：按键、旋钮、段码构成的手工输入和反馈亮度值电路；

II：0-10V外接信号自动控制亮度电路；

III：包含对交流信号进行整流、分压、限幅、过零检测的周期测量电路。

作为本发明公开的调光器的一种优选上述方式：市电50/60Hz交流周期信号经整流(BD3)、分压(R93)、限幅(ZD4)和过零检测(M13)电路,把它传送到单片机U201_Pin8,通过逻辑运算处理后，从U201_Pin1送出切相控制信号。

作为本发明公开的调光器的一种优选上述方式：来自单片机U201_Pin1的调光信号经电阻R41、晶体三极管Q3、电阻R12、晶体三极管Q4、电机M1、电阻R27、电阻R28驱动场效应管Q1、Q2切相，调节负载端的输入平均电压，实现调光的目的。

作为本发明公开的调光器的一种优选上述方式：所述单片机为STM32F103RCT6。

作为本发明公开的调光器的一种优选上述方式：所述远程控制电路通过RS-485通信实现；主程序单片机U200的U200_Pin42,U200_Pin43分别与集成电路U14的U14_Pin6,U14_Pin3连接，通过TTL电平传送数据；集成电路U14再转换成的差分电平从U14_Pin12,U14_Pin13送出；通信是以RS-485协议与电脑连接，最后以网络通信实现远程控制。

本发明有益效果是：

本发明提供一种调光器及算法，包含交流电力信号周期测量计算、周期起始点确定、能量计算、导通截止时间点选取四个部分，并应用这种方法实现一种数字化精确控制负载灯光亮度的调光器。获取和反馈用户所需调节的亮度百分比，单片机根据所需亮度，及所测量的交流信号周期，按本发明所述控制算法获得对应的切相时间点，并在对应的时间段控制切相电路导通和截断灯光供电线路上的电力传输，从而实现对灯光的亮度调节。

附图说明

图1为本发明的调光器结构原理图；

图2为本发明的交流周期测量电路的一种具体实施方式的电路图；

图3为本发明的单片机的人机接口电路的一种具体实施方式的电路图；

图4为本发明的交流输入切相电路的一种具体实施方式的电路图；

图5为本发明的远程控制电路的一种具体实施方式的电路图；

图6为现有技术的可控硅调光电路的原理图；

图7为本发明的控制逻辑时序图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例描述本发明具体实施方式：

T₀为初始相位的时间点；t为周期；v为相位角；t_h为第h个周期；

如图1～7所示，其示出了本发明的具体实施方式，如图所示，具体实施例中：

基于周期测量和能量计算的切相控制算法：应用图2电路测量的结果，按照说明书(式1-0)计算下一半周期时间起点，按照说明书(式1-1)～(式1-6)计算下一半周期时间长度，根据说明书(式2-0)～(式2-5)建立导通相位与灯光亮度关系表及给定亮度，查找给定的亮度所需对应的导通相位，从而根据起点和周期计算出切相电路状态翻转的时间点。

本发明提供一种方法，包含交流电力信号周期测量计算、周期起始点确定、能量计算、导通截止时间点选取四个部分，并应用这种方法实现一种数字化精确控制负载灯光亮度的调光器。

市电供应的50/60Hz交流周期信号经整流、分压、限幅和过零检测电路，获取如图7所示的系列波形1、2、3。

单片机将中断输入引脚连接过零检测电路，并将引脚设置为电平翻转产生中断，同时打开芯片内部计时器的脉宽测量功能，以超过1MHz的时钟源作为脉宽测量时钟，在中断发生时读取计时器计数值并将计数值清零，开始下一脉宽测量。

由于过零检测电路输出方波低电平持续时间段围绕交流信号过零时间点较为稳定对称，且持续时间较短，因此下一半周期起点可近似为:

T_s＝T₀+t₁/2(式1-0)

如波形图3所示，单片机检测到的每个交流半周期t_h由低电平持续时间t₁和高电平持续时间t₂构成。即：

t_h＝t₁₊t₂

假设即将到来的半周期为t_h0’，其之前的测得半周期时长依次为t_h1、t_h2、t_h3、t_h4、t_h5、t_h6(依时间先后顺序为t_h6、t_h5、t_h4、t_h3、t_h2、t_h1)。

根据实际情况可以采用以下公式之一计算即将到来的半周期时长的预计值:

t_h0’＝t_h1 (式1-1)

t_h0’＝t_h2 (式1-2)

t_h0’＝2*t_h1-t_h2 (式1-3)

t_h0’＝2*t_h2-t_h4 (式1-4)

t_h0’＝t_h1+2(t_h1-t_h2)-(t_h2-t_h3)＝3t_h1+t_h3-3t_h2 (式1-5)

t_h0’＝t_h2+2(t_h2-t_h4)-(t_h4-t_h6)＝3t_h2+t_h6-3t_h4 (式1-6)

对于恒定负载，弦波交流信号半周期相位与负载消耗能量比例的关系可以用以下方法近似计算：

将弦波0～180度相位按时间均分为足够多的份数K，当每份时间足够短时，可以近似认为第n份(0≤n≤K)时间负载R消耗的能量为：

E_n＝t*((v*sin(nπ/K))^2)/R (式2-0)

从相位0开始导通到第m段，后续截止到相位180度累计的能量(波形5切相方式)：

从相位0开始截止到K-m段，后续导通到相位180度累计的能量(波形4切相方式)为：

半周期全导通累计消耗的能量为：

由于被驱动的灯具需要一定的启动能量，即只有导通相位角达到一定值后才能开始点亮，通过实测可以获得这一相位，对应时段数记为S，启动能量为：

或者

灯具在启动消耗能量之外部分消耗能量用于发光，所以可以近似认为时间段m导通截止切换所输送给灯具的能量与半周期全导通所消耗能量的比值乘以100％即为灯具在m段导通截止切换所带来的灯具亮度百分比L_m，即：

L_m＝(E_tm-E_ts)/(E_th-E_ts)

选择从相位0开始导通到第m段，之后截止到相位180度的控制方式(波形5切相方式)时，采用(式2-1)计算E_tm，采用(式2-4)计算E_ts。

选择从相位0开始截止到K-m段，之后导通到相位180度的控制方式(波形4切相方式)时，采用(式2-2)计算E_tm，采用(式2-5)计算E_ts。

为满足单片机及时响应的需求，根据调节精度需要，选取合理的K值将半周期细分后，计算出每个时间段内导通截止切换时对应的亮度百分比，并根据需要调节亮度的范围和精度，建立亮度和导通截止切换时段的对应关系表。

切相时间点的计算：

当单片机根据获取用户通过按键、旋钮和LED屏输入的目标亮度百分比(手动模式)、或者通过0～10V外接信号输入的亮度百分比(自动模式,0V对应0％，10V对应100％,每增加0.1V亮度增加1％)、或者通过远程监控接口设定的亮度百分比(遥控模式)之后，查找亮度与导通截止切换时段对应关系表，获取到切换时段。假设半周期分段总数为K，查得的切换段数为m，则导通截止切换时间点计算方法为：

采用从相位0开始截止到K-m段，后续导通到相位180度(波形4切相方式)时，:

T₁＝T₀+t₁/2+t_h*(K-m)/K (式3-1)

采用从相位0开始导通到m段，后续截止到相位180度(波形5切相方式)时:

T₂＝T₀+t₁/2+t_h*m/K (式3-2)

由此式，单片机根据测得的半周期数据、需要调节的目标亮度，亮度与切相时段对应关系表可以快捷计算出每半周期中需要切换导通截止的时间点。得到起始时间点Ts和转换时间点T1(波形4切相方式)或者T2(波形5切相方式)后，单片机只需要在相应时间点通过反转切相控制电路输出引脚电平即可实现对被调光的灯具亮度的数字化精准控制：

波形4切相方式：

Ts时间点切相电路开始截止，T1时间点开始导通

波形5切相方式：

Ts时间点切相电路开始导通，T2时间点开始截止。

本发明还公开了基于周期测量及能量估算的交流切相调光器，包含单片机、人机接口电路、远程控制电路、交流周期测量电路、切相电路，基于交流周期测量电路单片机测量输入交流信号周期，通过远程控制接口或者本地0～10V模拟调光信号或者人机接口电路的旋钮和按键输入及LED数码显示，获取和反馈用户所需调节的亮度百分比；

单片机根据所需亮度，及所测量的交流信号周期，按任一所述的交流切相算法获得对应的切相时间点，并在对应的时间段控制切相电路导通和截断灯光供电线路上的电力传输，从而实现对灯光的亮度调节。

作为本发明公开的调光器的优选实施例：还包含如下的一项结构或者多项结构：

I：按键、旋钮、段码构成的手工输入和反馈亮度值电路；

II：0-10V外接信号自动控制亮度电路；

III：包含对交流信号进行整流、分压、限幅、过零检测的周期测量电路。

作为本发明公开的调光器的优选实施例，如图2所示：市电50/60Hz交流周期信号经整流(BD3)、分压(R93)、限幅(ZD4)和过零检测(M13)电路,把它传送到单片机U201_Pin8,通过逻辑运算处理后，从U201_Pin1送出切相控制信号。

如图3所示：U200为已意法半导体STM32F103RCT6单片机，负责时间程序控制、以及按键、指示灯、LCD显示屏数据处理通信以及对外RS485通信处理。U201负责执行来自U200的程序命令，Pin1送出切相控制信号。

作为本发明公开的调光器的优选实施例，如图3和图4所示：来自单片机U201_Pin1的调光信号经电阻R41、晶体三极管Q3、电阻R12、晶体三极管Q4、电机M1、电阻R27、电阻R28驱动场效应管Q1、Q2切相，调节负载端的输入平均电压，实现调光的目的。

作为本发明公开的调光器的优选实施例：所述单片机为STM32F103RCT6。

作为本发明公开的调光器的优选实施例，如图5所示：远程控制是通过RS-485通信实现。U200是主程序单片机，U200_Pin42,U200_Pin43分别与U14_Pin6,U14_Pin3连接，通过TTL电平传送数据。U14再转换成的差分电平从U14_Pin12,U14_Pin13送出。通信是以RS-485协议与电脑等设备连接，最后以网络通信实现远程控制。

上面结合附图对本发明优选实施方式作了详细说明，但是本发明不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化，这些变化涉及本领域技术人员所熟知的相关技术，这些都落入本发明专利的保护范围。

不脱离本发明的构思和范围可以做出许多其他改变和改型。应当理解，本发明不限于特定的实施方式，本发明的范围由所附权利要求限定。

Claims (3)

1.基于周期测量及能量估算的交流切相调光器，其特征在于：包含单片机、人机接口电路、远程控制电路、交流周期测量电路、切相电路，交流周期测量电路通过单片机测量输入交流信号周期，通过远程控制接口或者本地0～10V模拟调光信号或者人机接口电路的旋钮和按键输入及LED数码显示，获取和反馈用户所需调节的亮度百分比；

单片机根据所需亮度，及所测量的交流信号周期，按交流切相算法获得对应的切相时间点，并在对应的时间段控制切相电路导通和截断灯光供电线路上的电力传输，从而实现对灯光的亮度调节；

所述交流切相算法采用交流周期测量电路进行电路测量，获取测量结果后进行如下计算：

(1)按照式1-0计算下一半周期时间起点；

T_s＝T₀+t₁/2 式1-0

(2)按照式1-1～式1-6计算下一半周期时间长度；

单片机检测到的每个交流半周期t_h由低电平持续时间t₁和高电平持续时间t₂构成；

即：

t_h＝t₁₊t₂

假设即将到来的半周期为t_h0’，其之前的测得半周期时长依次为t_h1、t_h2、t_h3、t_h4、t_h5、t_h6，依时间先后顺序为t_h6、t_h5、t_h4、t_h3、t_h2、t_h1；

采用以下公式之一计算即将到来的半周期时长的预计值:

t_h0’＝t_h1 式1-1

t_h0’＝t_h2 式1-2

t_h0’＝2*t_h1-t_h2 式1-3

t_h0’＝2*t_h2-t_h4 式1-4

t_h0’＝t_h1+2(t_h1-t_h2)-(t_h2-t_h3)＝3t_h1+t_h3-3t_h2 式1-5

t_h0’＝t_h2+2(t_h2-t_h4)-(t_h4-t_h6)＝3t_h2+t_h6-3t_h4 式1-6

(3)根据式2-0～式2-5建立导通相位与灯光亮度关系表及给定亮度，查找给定的亮度所需对应的导通相位，从而根据起点和周期计算出切相电路状态翻转的时间点；

对于恒定负载，弦波交流信号半周期相位与负载消耗能量比例的关系可以用以下方法计算：

将弦波0～180度相位按时间均分为多个的份数K，认为第n份时间，且0≤n≤K，负载R消耗的能量为：

E_n＝t*((v*sin(nπ/K))^2)/R 式2-0

从相位0开始导通到第m段，后续截止到相位180度累计的能量为：

式2-1

从相位0开始截止到K-m段，后续导通到相位180度累计的能量为：

式2-2

半周期全导通累计消耗的能量为：

式2-3

由于被驱动的灯具需要一定的启动能量，即只有导通相位角达到一定值后才能开始点亮，通过实测可以获得这一相位，对应时段数记为S，启动能量为：

式2-4

或者

式2-5；

灯具在启动消耗能量之外部分消耗能量用于发光，时间段m导通截止切换所输送给灯具的能量与半周期全导通所消耗能量的比值乘以100％即为灯具在m段导通截止切换所带来的灯具亮度百分比L_m，即：

L_m＝(E_tm-E_ts)/(E_th-E_ts)

选择从相位0开始导通到第m段，之后截止到相位180度的控制方式时，采用式2-1计算E_tm，采用式2-4计算E_ts；

选择从相位0开始截止到K-m段，之后导通到相位180度的控制方式时，采用式2-2计算E_tm，采用式2-5计算E_ts；

还包含切相时间点的计算：

当单片机根据获取用户通过按键、旋钮和LED屏输入的目标亮度百分比、或者通过0～10V外接信号输入的亮度百分比、或者通过远程监控接口设定的亮度百分比之后，查找亮度与导通截止切换时段对应关系表，获取到切换时段；假设半周期分段总数为K，查得的切换段数为m，则导通截止切换时间点计算方法为：

采用从相位0开始截止到K-m段，后续导通到相位180度时:

T₁＝T₀+t₁/2+t_h*(K-m)/K 式3-1

采用从相位0开始导通到m段，后续截止到相位180度时:

T₂＝T₀+t₁/2+t_h*m/K 式3-2

单片机根据测得的半周期数据、需要调节的目标亮度，亮度与切相时段对应关系表可以快捷计算出每半周期中需要切换导通截止的时间点；得到起始时间点Ts和转换时间点T1或者T2后，单片机只需要在相应时间点通过反转切相控制电路输出引脚电平即可实现对被调光的灯具亮度的数字化精准控制；

T₀为初始相位的时间点；t为周期；v为相位角；t_h为第h个周期。

2.如权利要求1所述的基于周期测量及能量估算的交流切相调光器，其特征在于，

还包含如下的一项结构或者多项结构：

I：按键、旋钮、段码构成的手工输入和反馈亮度值电路；

II：0-10V外接信号自动控制亮度电路；

III：包含对交流信号进行整流、分压、限幅、过零检测的周期测量电路。

3.如权利要求2所述的基于周期测量及能量估算的交流切相调光器，其特征在于：所述单片机为STM32F103RCT6。

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