KR20030036200A - 제어 시스템 - Google Patents

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코닌클리즈케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.
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Abstract

본 발명은, 피드백 3 자극 값과 기준 3 자극 값을 추적하여, 상기 피드백 3 자극 값과 기준 3 자극 값 간의 오차가 제로가 될 때까지 상기 오차에 따라, LED 발광체를 구동하는 순방향 전류를 조절하는, RGB 기반 LED 발광체 제어 시스템을 제공한다.

Description

제어 시스템{SYSTEM FOR RGB BASED LED LUMINARY}
본 기술에서 잘 알려진 바처럼, 적색, 녹색, 청색(RGB) 기반 LED 발광체는 LCD 백 라이팅(back lighting), 상업용 프리저 라이팅(commercial-freezer lighting), 백색광 조명 장치 등과 같은 애플리케이션에서 보편적으로 사용되는 백색광 내에 포함된 다양한 색상의 광들을 생성하기 위해 사용된다. LED 기반 발광체에 의한 조명은, LED의 광학적 특성들이 온도, 순방향 전류, 수명과 함께 변하기 때문에, 어려운 문제를 낳는다. 또한, 개별 LED의 특성들은 동일한 LED 제조 공정 동안 배치들 간에서(batch-to-batch) 크게 변한다. 그러므로, RGB 기반 LED 발광체에 의해 생성된 광의 질은 크게 변할 수 있으며 백색광의 바람직한 색 포인트 및 필요한 발광 레벨이 적당한 피드백 시스템 없이는 획득될 수 없다.
한 알려진 종래 기술 시스템은 고정 루멘 출력 백색광에 일정한 색상을 제공하기 위해 백색 LED 발광체를 제어하는 루멘-피드백 ━ 온도-피드포워드 제어 시스템(a lumen-feedback ━ temperature-feedforward controlling system)을 사용한다. 온도 피드포워드 보상 시스템은 접합부 온도로 인한 색 온도에서의 변화에 대한 보상을 제공하며 기준 루멘을 제공한다. 루멘 피드백 제어 시스템은 각 RGB LED 루멘을 상기 기준 루멘으로 조정한다. 이러한 제어 시스템은 LED를 온도로 특성화하는 것을 필요로 하며, 이는 고비용의 공장 캘리브레이션(factory calibration)을 요한다. 또한, 상기 시스템은 광 측정을 위해 LED 광 소스를 일시적으로 스위칭 오프하는 것을 요한다. 이러한 LED 광 소스의 스위칭 오프는 플리커 현상을 유발하며 이로써 전원은 고속 응답 시간을 가져야 한다. 또한, PWM 구동 방법이 순방향 전류로 LED 변화를 극복하기 위해 필요하다. PWM 제어로 인해, 구현은 복잡해지며 또한 LED는 자신의 총용량까지 사용될 수 없다.
그러므로, 종래 기술에서의 이러한 문제들을 일으키지 않으면서 RGB 기반 LED 발광체를 제어하는 저비용의 제어 시스템 기술이 필요하다.
발명의 개요
본 발명은, RGB 기반 LED 발광체의 혼합된 출력 광을 나타내는 피드백 3 자극 값을 바람직한 광을 나타내는 기준 3 자극 값과 비교하여, 이 3 자극 값에서의 차가 제로로 감소되도록 LED 발광체의 순방향 전류를 조절하는, 신규한 제어 방법및 RGB 기반 LED 발광체를 제어하는 시스템을 개시한다.
특히, 상기 제어 시스템은 LED 발광체의 피드백 3 자극 값을 생성하는 광다이오드를 포함하는 피드백 장치와, 피드백 3 자극 값과 바람직한 기준 3 자극 값 간의 차를 획득하여 이 3 자극 값에서의 차가 제로로 감소하도록 LED 발광체의 순방향을 전류를 조절하는 제어 전압을 생성하는 제어기를 포함한다.
비교 하에 있는 3 자극 값은 CIE 1931 3 자극 시스템 또는 새로운 RGB 측색계(測色計) 시스템 하에서 존재할 수 있지만, 이 둘 중 어느 하나의 경우에도 발광체의 제어는 기준 3 자극 값을 추적한다. 이로써, 피드백 3 자극 값이 바람직한 기준 3 자극 값을 따르는 정상 상태 하에서는, LED 발광체에 의해 생성된 광은 바람직한 목표 색 온도 및 루멘 출력을 가지며, 이 온도 및 출력은 LED의 접합부 온도, 순방향 전류, 수명에서의 변화와 상관 없이 목표값으로 정확하게 조정된다.
혼합된 광의 3 자극 값이 제어를 위해 측정 되기 때문에, 본 발명의 제어 방법은 LED의 온도 관련 특성을 획득하기 위한 공장 캘리브레이션을 필요로 하지 않는다. 또한, 상기 방법은 LED들에서의 배치들 간의 변화를 극복하여 임의의 LED를 배치로 사용할 수 있기 때문에 상당한 비용 감소를 유발한다.
적색, 녹색, 청색 LED 광 소스의 개별 구성 요소와는 상관 없이, 오직 혼합된 광만이 광다이오드에 의해 측정되기 때문에, 이러한 방법은 광 측정을 위해 전원을 스위칭 오프할 필요가 없다. 또한, LED가 보다 높은 리플(ripple)을 허용하며 이와 같이 높은 리플은 시스템의 성능에 영향을 주지 않기 때문에, LED 구동에 있어서 리플(ripple)에 대한 제한치는 보다 커질수 있다. 이러한 요인들은 전원의 비용 절감에 기여한다.
본 발명의 상기 특징과 장점, 다른 특징과 장점은 첨부 도면을 참조하여 바람직한 실시예의 다음의 상세한 설명으로부터 보다 분명해질 것이다.
본 발명은 RGB 기반 LED 발광체(RGB based LED luminary)에 관한 것이며, 특히 RGB 기반 LED 발광체를 제어하는 시스템에 관한 것이며, 이 시스템에서는, 상기 LED 발광체가 바람직한 색상 및 발광 레벨을 생성하도록, LED 발광체를 구동하는 순방향 전류가 상기 발광체로부터 출력된 혼합광의 3 자극 값(tristimulus value)과 바람직한 광의 3 자극 값 간의 차에 따라 조절된다.
도 1은 본 발명의 폐쇄 루프 제어 시스템과 함께 내장된 RGB 기반 LED 발광체의 도면,
도 2는 제어기가 CIE 3 자극 값을 추적하는 제어기의 함수들을 도시한 도면,
도 3은 제어기가 RGB 측색계 시스템에서의 3 자극 값을 추적하는 제어기의 함수들을 도시한 도면,
도 4는 CIE 1931 3 자극 값을 기준 입력으로 갖는 본 발명의 폐쇄 루프 제어 시스템의 설계도,
도 5는 RGB 기반 LED 발광체를 위한 적당한 제어기 선택에 대한 흐름도,
도 6은 RGB 측색계 시스템에서의 3 자극 값을 기준 입력으로 갖는 본 발명의 폐쇄 루프 제어 시스템의 설계도,
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 제어 시스템을 위한 제어 알고리즘에 대한 흐름도.
도 1은 RGB 기반 백색 LED 발광체 시스템의 구성 요소를 도시하며, 상기 시스템은 백색 LED 발광체(10), 피드백 장치(20), 기준값 추적 제어기(30)를 포함한다. 예시적인 실시예로서, 백색 LED 발광체(10)가 본 명세서에서 개시되지만, 본 발명은 임의의 다른 색상의 광에도 적용가능하다.
백색 LED 발광체(10)는 적색, 녹색, 청색(RGB) LED 광 소스(11), 광학 어셈블리 및 열 싱크(optical assembly and heat sink)(12), 세 개의 개별적인 적색, 녹색, 청색 LED 구동기(14)를 갖는 전원(13)을 포함한다. 각 LED 광 소스(11)는 유사한 전기적 특성 및 광학적 특성을 갖는 다수의 LED로 구성되며, 이 다수의 LED들은 적당하게 서로 직렬 및 병렬 조합으로 접속되어 광 소스를 형성한다. LED는 열 싱크 상에 실장되며 이 열 싱크 상의 상기 LED들의 배열체는 프리저용 백라이팅 및 백색 조명 장치와 같은 백색 LED 발광체(10)로 사용된다. 이렇게 사용되기 위해, RGB LED 광 소스(11)의 광 출력을 혼합하여 백색광을 형성하기 위해 적당한 광학 장치가 사용된다.
LED 광 소스(11)는 이 RGB LED 광 소스(11)를 위한 세 개의 개별 구동기(11)로 구성된 전원(13)에 의해 구동된다. 전원(13) 및 LED 광 소스(11)를 위한 구동기(14)는 적당한 AC/DC 변환기, DC/DC 변환기 토폴러지를 기초로 한다. RGB LED 구동기(14)는 제어 전압 VCR-ref, VCG-ref, VCB-ref의 형태로 된 LED 순방향 전류 기준 신호를 기준값 추적 제어기(30)로부터 수신하여 필요한 순방향 전류를 RGB LED 광 소스(11)에 공급한다. LED 구동기(14)는 이 구동기의 기준값을 따르는 LED 순방향 전류를 형성하는, 전류 피드백 시스템 및 적당한 전류 제어 시스템을 포함한다.여기서, 제어 전압 VCR-ref, VCG-ref, VCB-ref은 LED 광 소스(11)를 구동하는 각각의 순방향 전류를 위한 전류 제어 시스템에 대한 기준값이다.
피드백 장치(20)는 필터를 갖는 세 개의 광다이오드(21), 상기 광다이오드(21)의 출력을 기준값 추적 제어기(30)에 의해 사용될 수 있는 전기 신호로 변환하기 위해 필요한 증폭기 및 신호 변환 회로를 포함한다. 상기 광다이오드(21)는 충분한 혼합 광을 수신하도록 상기 광학 어셈블리 내부에서 적당한 위치에 실장된다. 이로써, 대응하는 광전류는 노이즈 레벨(noise level)보다 높으며 노이즈로부터 구별될 수 있다. 또한, 광다이오드(21)는 표유 광(stray light) 및 주변 광(ambient light)이 광다이오드(21)에 의해 측정되지 않도록 차폐된다. 광다이오드(21)의 배치에 대한 세부 사항은 애플리케이션에 따라 특정해진다. 증폭기 및 신호 변환 회로는 광전류를 적당하게 증폭된 전압 신호로 변환시킨다.
기준값 추적 제어기(30)는 사용자 인터페이스(31), 기준값 생성기(32), 제어 함수를 구현하는 제어 함수 장치(33)로 구성된다. 기준값 추적 제어기(30)는 아날로그 또는 디지털 형태로 실현될 수 있지만, 마이크로프로세서 및 마이크로제어기를 사용하는 디지털 구현이 바람직하다. 사용자 인터페이스(31)는 백색광의 바람직한 백색 포인트 및 루멘 출력을 획득하여 이들을 적당한 전기 신호로 변환하며, 이 전기 신호는 기준값 생성기(32)에서 3 자극 기준값을 생성하는데 사용된다. 이 생성기(32)로부터의 기준값 및 피드백 장치(20)로부터의 피드백 신호는 기준값 추적 제어기(30)의 제어 함수 장치(33)로 입력된다.
제어기(30)는 백색 LED 발광체(10)에 의해 생성된 혼합광을 추적 및 제어하기 위해 필요한 제어 함수 장치(33)를 포함한다. 백색광의 바람직한 색 포인트 및 루멘 출력을 나타내는, 사용자 인터페이스(31)의 출력은 먼저 기준값 생성기(32)에 입력된다. 기준값 생성기(32)는 상기 사용자 입력 신호를 기초로 하여 제어 함수 장치(33)를 위해 필요한 기준 신호를 유도한다. 제어 함수 장치(33)를 위한 피드백 신호는 피드백 장치(20)의 출력으로부터 유도된다. 이어서, 제어 함수 장치(33)는 피드백 신호 및 기준 신호의 상태를 기초로 하여 전원을 위해 필요한 제어 전압을 획득하고, 이어서 상기 피드백 신호가 기준값을 따르도록 LED 광 소스를 위한 순방향 전류를 변화시킨다. 상기 시스템이 정상 상태 조건에 도달하면, 제어기(30)는 기준 신호를 따르는 피드백 신호를 형성한다. 피드백 신호가 백색 LED 발광체(10)에 의해 생성된 백색광을 나타내기 때문에, 발광체(10)로부터 출력된 광은 바람직한 색 포인트 및 루멘 출력을 갖도록 조정되며, 상기 색 포인트 및 루멘 출력은 LED의 온도 및 순방향 전류와 상관없이 유지된다.
피드백 장치(20)로부터 출력된 신호 및 사용자에 의해 입력된 신호는 두 개의 상이한 시스템, 즉 CIE 1931 3 자극 시스템 및 새로운 RGB 측색계 시스템으로 존재한다. 이 두 개의 시스템에서의 3 자극 값들은 이하에 설명될 바처럼 서로 선형적으로 변환가능하다.
구체적으로 말하자면, 사용자 인터페이스(13)는 백색광의 바람직한 색 온도 및 루멘 출력을 제공한다. 백색광의 색 온도는 CIE 1931 색도 좌표 Xw-ref, Yw-ref에의해 표현된다. 바람직한 루멘 출력은 루멘 출력 Lw-ref로 변환되는 조도 레벨(dimming level)의 형태로 주어진다. 바람직한 입력 기준 백색광의 3 자극 값은 CIE 1931 3 자극 시스템에서는 다음과 같이 획득된다.
필터 및 증폭기의 조합을 구비한 세 개의 광다이오드(21)는 피드백 신호를 제공하며, 이 피드백 신호는 새로운 RGB 측색계 시스템에서의 3 자극 값을 나타낸다. 새로운 RGB 측색계 시스템에서의 3 자극 값은 CIE 1931 3 자극 값으로 변환될 수 있으며, 이는 특허 출원 번호 779016 "METHOD AND SYSTEM FOR SENSING TRI-STIMULUS VALUES FOR CONTROLLING A LUMINARY"에서 개시되며, 이 문헌은 세 개의 광 다이오드와 필터의 조합을 사용함으로써 CIE 1931 3 자극 값을 획득하는 변환 기술을 설명한다(여기서, CIE 1931 3 자극 값은 광 소스의 색상 및 루멘을 나타냄). 특허 출원 번호 779016의 개시 내용은 본 명세서에서 참조로서 인용되며 본 명세서에서 부록 A로 첨부된다. 이러한 방법에서, CIE 1931 3 자극 값은 다음과 같이 규정되는 변환 기술을 사용함으로써 광다이오드의 출력으로부터 획득된다.
여기서, Rw및 Gw및 Bw는 광다이오드의 출력이며, Xw및 Yw및 Zw는 광소스에 대한 대응하는 CIE 1931 3 자극 값이다. 변환 행렬 TRGB-XYZ는 광다이오드 및 증폭기의 조합의 출력을 CIE 1931 3 자극 값으로 변환하는데 사용되며, 이 행렬의 계수를 획득하는 방법은 상술된 특허 출원 번호 779016에 설명되어 있다. 여기에서, 새로운 측색계 시스템이 (가령 RGB로) 규정될 수 있으며 광 다이오드의 출력 [RwGwBw]는 CIE 1931 3 자극 값 [XwYwZw]에 대응하는, 새로운 RGB 측색계 시스템에서의 등가하는 3 자극 값이다.
이로써, 광다이오드(21) 및 증폭기의 조합의 출력은 백색 LED 발광체(10)에 의해 생성된 혼합광의 3 자극 값을 감지하는 수단을 제공한다. 또한 기준 신호가 3 자극 값의 형태로 유도될 때, 기준값 추적 제어 시스템은 백색 LED 발광체(10)로부터 출력된 혼합된 백색광에 대한 피드백 신호 및 기준 신호로 설계된다. LED 광 소스(11)를 구동하는 순방향 전류를 변화시킴으로써, 백색 LED 발광체(10)에 의해 생성된 광에 대한 3 자극 값도 변화되며, 이로써 RGB LED 광 소스(11)를 위한 세 개의 순방향 전류는 제어 입력이 된다. 기준 신호 및 피드백 신호의 상태에 따라, 제어 함수 장치(33)는 상기 기준 신호 및 피드백 신호 간의 차 또는 오차가 제로가 되도록 상기 RGB LED 광 소스(11)를 위한 세 개의 순방향 전류를 제어한다. 전원(13) 및 LED 구동기(14)가 순방향 전류를 공급하기 때문에, 제어기(30)는 다음에 순방향 전류를 공급할 LED 구동기(14)에 필요한 제어 전압을 공급한다.
제어 함수는, CIE 1931 3 자극 값 [XwYwZw] 또는 RGB 측색계 시스템에서의 등가의 3 자극 값[RwGwBw]을 이들의 대응하는 기준 3 자극 값으로 조절하도록, 될수 있다. CIE 1931 3 자극 값 [XwYwZw]과 RGB 측색계 시스템에서의 3 자극 값[RwGwBw] 간의 변환이 선형성이므로, 백색 LED 발광체(10)의 제어는 두 경우에 동일하다. 그러나, 기준 입력 신호는 적합한 형태로 유도되어야 하며, 기준값 추적 제어기의 함수는 도 2 및 도 3에 도시된 바처럼 제어된 양에 따라 상이한 형태를 취한다.
도 2에서, 기준값 추적 제어 시스템은 자신들의 기준값을 따르는, 백색 LED 발광체(10)로부터 출력된 광의 CIE 1931 XYZ 3 자극 값을 추적한다. 먼저, 기준 CIE 1931 3 자극 값이 백색광의 바람직한 색 포인트 및 루멘 출력에 대해 사용자 인터페이스(31)로부터 획득되어 제어 함수 장치(33)로 입력된다. 필터를 구비한 광다이오드(21)는 RGB 측색계 시스템에서의 혼합광에 대한 3 자극 값을 제공한다. 백색 LED 발광체(10)로부터 출력된 광에 대한 CIE 1931 3 자극 값은 광다이오드(21)와 증폭기의 조합의 출력에 대해 변환 행렬 [TRGB-XYZ]을 가함으로써 획득된다. 또한, 감지된 CIE 1931 3 자극 값은 제어 함수 장치(33)로 입력된다. 제어 함수 장치(33)에서의 제어 함수는 바람직한 과도 응답(transient reponse)을 안정된 폐쇄 시스템에 제공하도록 적당하게 선택되며, 이는 나중에 설명될 것이다. 제어 함수 장치(33)는 기준 신호 및 피드백 신호 간의 오차를 기초로 하여 전원(13)을 위한 제어 전압을 생성한다. 제어 함수 장치(33)는 MINO 시스템이며 상기 오차가 제로가 되도록 RGB LED 순방향 전류들을 동시에 제어한다.
또한, 백색광의 색 포인트 및 루멘 출력의 추적은 도 3에 도시된 바와 같은RGB 색 공간에서의 등가하는 3 자극 값을 추적하는 제어기(30)를 구비함으로써 성취될 수 있다. 이 경우에는, 상기 CIE 1931 3 자극 값에 대한 기준값은 RGB 시스템의 것으로 다음과 같이 변환되어 기준 신호로서 제어 함수 장치(33)에 입력된다. (여기서, 변환 행렬 [TXYZ-RGB]은 변환 행렬 [TRGB-XYZ]의 역행렬이다).
광다이오드(21) 증폭기의 조합의 출력은 제어 함수 장치(33)로 직접적으로 입력되고, 상기 제어 함수 장치(33)는 자신들의 기준값을 따르는 3 자극 값을 추적한다.
사용자 입력은 바람직한 백색광의 정보를 적합한 형태로 제공하는 수단을 갖는다. 푸시 버튼(Push-Button)이 색 포인트 및 조도 레벨에 대해 사전결정된 세팅으로 스위칭하거나 퍼텐쇼미터(potentiometers)가 색 포인트 및 루멘 출력에 대해 해석될 수 있는 전기 신호를 공급하는데 사용될 수 있다. 제어기(30)가 디지털 형태로 구현되면, 상기 값들은 메모리 어레이 내에 저장될 수 있으며 사용자 선택에 따라 메모리로부터 판독될 수 있다. 이러한 방법에 의해, 색 포인트 및 루멘 출력의 선택을 위한 사용자 인터페이스(31)가 보다 용이하게 형성될 수 있으며 단순성의 이점을 갖는다.
제어 함수는, 3 자극 값이 출력이 되고 3 개의 순방향 전류가 제어 입력이 되는, 다중 입력 다중 출력(multi-input-multi-output:MIMO) 함수이다. 이로써, 모든 세 개의 오차가 제로가 될 때만이 정상 상태가 도달된다. 정상 상태 상황하에서는, 피드백 신호는 백색광의 바람직한 색 포인트 및 루멘 출력으로부터 유도된 기준 신호를 따른다. 이로써, 백색 LED 발광체(10)에 의해 생성된 백색광은 바람직한 색 포인트 및 루멘 출력을 갖는다.
백색 LED 발광체(10)로부터의 혼합광의 3 자극 값만이 감지되기 때문에, 상기 방법은 개별 LED 광 소스(11)로부터 출력된 광을 감지할 필요가 없다. 이로써, 상기 방법은 광 측정을 위해 LED 광 소스(11)를 스위칭 오프할 필요가 없으며 이로써 전원(13)은 고속 과도 특성을 필요로 하지 않는다. 또한, LED 순방향 전류는 DC 전류의 형태로 공급되며 이로써 평균 전류를 제공하기 위해 PWM 구동 방식이 필요하지 않게 된다. 순방향 전류로 인한 백색광의 색 포인트 및 루멘 출력에서의 임의의 변화도 제어 전압에 의해 보정되기 때문에, 순방향 전류는 DC 전류에 의해 전달되며 복잡한 PWM 방법이 필요없게 된다. 또한, 순방향 전류에서의 리플의 양은 어떠한 성능 저하도 발생시키지 않으면서 증가될 수 있으며, 이는 전원에 대한 비용을 절감시킨다. 광다이오드(21) 및 증폭기의 조합에 추가된 필터로 3 자극 값의 측정 시의 리플을 제거할 수 있다.
3 자극 값이 이러한 제어 방법으로 제어되기 때문에, LED의 배치들 간의 변화는 극복될 수 있다. 이러한 방법은 온도 피드포워드 시스템에서 필요한, 공장에서의 LED의 특성화를 필요로 하지 않는다.
이로써, 적합하게 설계된 기준값 추적 제어 시스템은 기준 신호와 피드백 신호 간의 오차 또는 차를 제로로 만들 수 있다. 이로써, 이러한 제어 시스템의 정확도는 3 자극 값을 감지하기 위해 필요한 광다이오드 및 변환 행렬에 의존한다.
바람직한 과도 응답을 갖는 안정된 폐쇄 루프 제어 시스템을 성취하기 위해, 제어 함수는 적절하게 설계되어야 한다. 이를 위해, RGB LED 발광체(10) 및 전원(13)을 위한 전달 함수가 먼저 획득된다. LED들의 특성은 온도 및 전류로 그리고 배치들 간에서 변한다. 그러므로, LED들을 위해 획득된 임의의 전달 함수 모델은 하나의 특정한 동작 조건에 의존하며, 이로써 백색 LED 발광체에 대해 불변 모델은 존재하지 않는다. LED(11) 및 백색 LED 발광체(10)에 대한 제어 모델은 발광체(10)에서 사용된 LED(11)의 수, LED의 특성, 동작 지점에 의존한다. 이 모델에서의 부정확성은 발광체(10)의 특성에서의 변화에 대해 어느 정도의 내성을 갖는 제어기(30)에 의해 극복된다. 이럼에도 불구하고, 제어 함수 모델은 출력은 3 자극 값으로 하고 제어 입력은 순방향 전류로 하여 획득되며, 이 제어 함수 모델은 다중 입력 다중 출력(MIMO) 시스템이다.
제어 시스템의 설계에서의 제 2 단계는 LED 구동기(14) 및 전원(13)의 전달 함수를 획득하는 것이다. 이 전달 함수는 출력은 LED 순방향 전류로 하고 입력은 제어 전압으로 하여 획득된다. 소형 신호 모델링 방식이 이를 위해 사용된다.
CIE 1931 3 자극 값을 추적하는 기준값 추적 제어 시스템에 대한 블록도가 도 4에 도시된다. 여기에서, RGB 기반 백색 LED 발광체(10)에 대한 전달 함수는 GLED(s)로 표현되며 RGB LED 구동기(14)에 대한 것은 GPS(s)로 표현된다. 파라미터[IfR(s),IfG(s),IfB(s)]는 LED 순방향 전류이다. 도 4에서, GC(s)는 제어기(30)에 대한 전달 함수를 나타낸다. 이 제어기(30)는, 백색 LED 발광체 모델을 기초로 하여 설계된 제어기(30)의 성능이 LED의 배치들 간의 변화에 따라 크게 변하되지 않도록, 어느 정도의 내성을 가져야 한다. PI(Proportional-Integral) 제어기는 위의 내성을 갖는 제어기에 대한 실례가 될 것이며, 공장에서의 변환에 대한 불변성 및 내성을 어느 정도 갖는다. PI 제어기가 본 명세서에서 실례로서 도시되며, 제어기(30)에 대한 전달 함수는 다음과 같이 주어진다.
여기서, Kpxx및 Kixx는 각기 비례 상수 및 적분 상수이며, 이들은 바람직한 과도 응답을 갖는 안정된 폐쇄 루프 시스템을 제공하도록 적당하게 선택된다. 도 4의 블록도는 피드백 시스템의 타입을 결정하는 제어 시스템의 설계에서 사용된다. 여기서 기술된 시스템은 단일 피드백(unity feedback) 다중 입력 다중 출력 기준값 추적 시스템이다. 도 4에서, 기준 3 자극 값 및 피드백 3 자극 값 간의 오차는 제어기(30)에 입력된다. 제어기(30)가 적분기 요소를 포함하기 때문에, 상기 제어기는 현 오차 및 이전 오차를 기초로 하여 제어 행동을 구동시켜며 순방향 전류를 제어함으로써 상기 오차가 제로가 되게 한다. 정상 상태 상황 하에서, 즉 오차가 제로가 될 때, 피드백 3 자극 값은 그들 각각의 기준값을 따른다. 양호한 성능을 얻기 위해, PI 제어기의 계수는 바람직한 과도 응답을 안정된 제어 시스템에 제공하도록 신중하게 선택되어야 한다. 다양한 다른 제어기들이 이를 사용될 수 있으며, 피드백 시스템은 제어기에 따라 상이한 형태를 취할 수 있다.
도 4에서, 백색 LED 발광체(10)의 출력과 제어기(30)로의 오차 입력 간의 전달 함수는 다음과 같이 유도된다.
다양한 제어 설계 기술이 제어 시스템을 설계하기 위해 사용될 수 있다. 이러한 기술 중 하나는 보드 플롯 방식(bode plot approach)이며, 이 방식에 대해서는, 상술된 식이 사용된다. 백색 LED 발광체(10)에 대한 제어 시스템은 다변수 시스템이며 제어기(30)의 이득은 바람직한 동적 응답을 갖는 안정된 시스템을 제공하도록 적절하게 선택되어야 한다. 적절하게 설계된 PI 제어기는 강성 제어 시스템(robust controlling system)을 제공하며 LED들에서의 변화와 무관하게 될 수 있다.
도 5는 적절한 제어기 및 이의 이득을 선택하는 절차를 도시한다. 먼저, RGB 기반 백색 LED 발광체(10) 및 전원(13)을 위한 전달 함수가 단계(101)에서 획득된다. 이어서 광다이오드(21) 및 백색 LED 발광체(10)를 위한 변환 행렬[T]이 단계(102)에서 획득된다. 이어서, 단계(103)에서, PI 제어기와 같은 제어 함수가 선택되며 이 제어기의 이득이 도 4에 도시된 전달 함수 모델을 사용하여 유도된다. 다음에, 제어기(30)의 응답이 단계(104)에서 시뮬레이션 및 실험에 의해 증명되고, 만일 응답이 바람직한 응답이면, 제어기(30)는 단계(105)에서 아날로그 또는 디지털 형태 중 하나로 구현된다. 디지털 구현은, 제어 시스템이 바람직한 응답을 계속적으로 생성하도록, 제어 설계 시에 샘플링 간격을 선택하는 것과 샘플 앤드 홀드(sample and hold)의 실행을 포함하는 것을 요한다.
도 6은 RGB 시스템에서의 3 자극 값을 추적하는 피드백 제어 시스템에 대한 블록도이다. 이 제어 시스템 모델에서는, 출력은 RGB 시스템에서의 3 자극 값이며, 이 3 자극 값은 광다이오드(21) 및 증폭기의 조합의 출력이다. CIE 1931 3 자극 값은 상태 변수이며 변환 행렬은 출력 행렬이다. 도 6에서의 점선은 상태 피드백이 제어를 위해 여기에서 또한 사용될 수 있음을 표시한다.
도 2 및 도 3에서 도시된 기준값 추적 시스템은 아날로그 또는 디지털 형태로 실현될 수 있다. 마이크로제어기를 사용하는 디지털 구현은 가변 색상 제어 및 조도 레벨과 같은 다양한 특징을 제공한다. 디지털 구현의 경우, 제어기의 설계 시에 샘플링이 포함되어야 한다. 제어 시스템 설계는 또한 이산 형태로 실행될 수 있다. 상술된 PI 제어기에 대한 (디지털 형태로 구현되기 위한) 샘플링된 데이터 시스템에서의 제어 법칙은 다음과 같이 주어진다.
위의 식에서, TS는 샘플링 간격이며, [VCR(k) VCG(k) VCB(k)]는 전원에 대한 제어 전압이며, [Xw-err(k) Yw-err(k) Zw-err(k)]는 샘플링 간격 k에서의 기준값 및 피드백값 간의 오차이다.
위의 식은 제어 전압이 세 개의 오차와 관계와 관계됨을 시사하며, 이로써시스템은 모든 세 개의 오차가 제로가 될 때에만 정상 상태에 이르게 된다.
도 7a 및 도 7b는 제어기(30)가 디지털 형태로 구현될 경우의 제어 알고리즘의 흐름도이다. 시작 단계(201)에서, 마이크로제어기(30)는 주변 장치를 초기화하며 샘플링 간격을 생성하는 타이머를 셋업한다. 이어서, 단계(202)에서, 상기 제어기는 전원을 위한 초기 제어 값을 출력하며, 이로써 시스템이 시작된다. 디지털 구현은 가변 색상 및 조도 제어 특성을 제공하기 때문에, 마이크로제어기(30)는 먼저 레벨(203)에서 색상 제어 및 조도 레벨에 대한 사용자 입력을 획득한다. 사용자 인터페이스(31)는 온백색(warm white), 냉백색(cold white), 태양광(day light) 등과 같은 서술적인 용어의 형태로, 또는 2700°K, 5600°K 등과 같은 색 온도의 형태로 색상 선택을 제공할 수 있다. 조도 레벨은 퍼센트 범위(가령, 25%, 50%, 100%)로 제공될 수 있다. 사용자 인터페이스는 이러한 정보들을 적당한 형태로 제공하는 수단을 갖는다. Xw-ref, Yw-ref의 대응하는 값 및 루멘 출력 Lw-ref은 메모리 어레이 내에 저장되며, 마이크로제어기는 단계(204)에서 메모리로부터 상기 정보를 검색한다. 이어서, CIE 1931 3 자극 값이 단계(205)에서 획득되며 RGB 공간에서의 3 자극 값이 단계(206)에서 선택된다. CIE 1931 3 자극 시스템에서의 3 자극 값의 추적이 필요하다면, 이 단계는 생략된다. 이어서, 마이크로제어기는 단계(207)에서 샘플링 간격이 발생할 것을 대기한다.
샘플링 간격 후에, 광다이오드(21) 및 증폭기의 조합의 출력의 샘플링이 단계(208)에서 실행된다. 이어서, 단계(209)에서 획득된 오차로, 단계(210)에서 제어기는 기준 입력 신호 및 피드백 신호를 기초로 하여 전원을 위한 제어 전압을 계산하고, 단계(211)에서 전원에 제어 전압을 출력한다. 이어서, 마이크로제어기는 색상 및 조도 레벨에 대한 사용자 입력이 변경될지의 여부를 체크한다. 단계(212)에서, 만약 상기 사용자 입력이 변경된다면, 마이크로제어기는 도 7에 도시된 바와 같은 함수를 반복하며, 그렇지 않다면, 상기 제어기는 다음 샘플링 간격을 대기하고 제어 동작을 수행한다.
상기 설명들은 RGB 기반 백색 LED 발광체(10)로부터 생성된 백색광의 제어를 위한 기준값 추적 제어 시스템을 기술하였다. 이 기준값 추적 제어 시스템이 3 자극 값을 제어하는데 사용되기 때문에, 이 제어 시스템은 LED 기반 발광체에 의해 생성될 수 있는 임의의 색상의 광을 제어하는데 사용될 수 있다. 그러므로, 본 명세서의 개시 내용의 적용은 오직 백색 조명 장치에만 한정되는 것이 아니라 임의의 LED 조명 장치에도 해당된다.
본 기술의 당업자에게는, 수 많은 수정 및 변환이 본 발명의 범위 안에서 가능하다. 그러므로, 본 발명의 범위는 첨부된 청구 범위로만 한정되는 것이 아니다.

Claims (13)

  1. 혼합광을 생성하도록 순방향 전류에 의해 구동되는 RGB 기반 LED 발광체를 위한 제어 시스템에 있어서,
    상기 발광체에 의해 생성되는 상기 혼합광을 나타내는 피드백 3 자극 값을 생성하는 피드백 장치(20)와,
    상기 피드백 3 자극 값과, 바람직한 혼합광을 나타내는 기준 3 자극 값 간의 차를 획득하여 상기 차가 제로로 감소되도록 상기 차에 따라 상기 순방향을 전류를 조절하는 제어기(33)를 포함하는
    제어 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 피드백 장치는 상기 RGB 기반 LED 발광체의 광학 어셈블리 내에 실장된 필터를 구비한 광다이오드를 포함하는
    제어 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 피드백 장치는 상기 광다이오드(21)로부터 출력된 광전류를 적당하게증폭된 전압 신호로 변환시키는 증폭기(56) 및 신호 변환 회로를 더 포함하는
    제어 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 피드백 장치는 RGB 측색계 시스템에서의 상기 피드백 3 자극 값을 CIE 1931 3 자극 시스템에서의 피드백 3 자극 값으로 변환하는 수단을 더 포함하는
    제어 시스템.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 피드백 장치는 상기 피드백 3 자극 값을 상기 제어기로 전송하는 수단을 더 포함하는
    제어 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 바람직한 혼합광을 선택하는데 사용되는 사용자 인터페이스(31)를 포함하는
    제어 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 사용자에 의해 선택된 상기 바람직한 혼합광을 나타내는 상기 기준 3 자극 값을 획득하는 수단을 더 포함하는
    제어 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제어기는 CIE 1931 3 자극 시스템에서의 상기 기준 3 자극 값을 RGB 측색계 시스템에서의 기준 3 자극 값으로 변환하는 수단을 더 포함하는
    제어 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 피드백 3 자극 값과 상기 기준 3 자극 값 간의 상기 차에 따라 제어 전압을 생성하여 상기 순방향을 전류를 조절하기 위해 상기 제어 전압을 상기 RGB 기반 LED 발광체의 LED 구동기에 인가하는 수단을 더 포함하는
    제어 시스템.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어기(33)는 상기 피드백 장치로부터 상기 피드백 3 자극 값을 수신하는 수단을 포함하는
    제어 시스템.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어기(33)는 아날로그 회로로 동작하는
    제어 시스템.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어기(33)는 디지털 형태로 구현되는
    제어 시스템.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 제어기(33)는 상기 바람직한 혼합광을 나타내기 위해 사용자가 선택한 색 온도 및 루멘 값을 사전 저장하는 메모리를 포함하는
    제어 시스템.
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