专利名称：：太阳能led照明系统的恒流滑模变结构控制方法
技术领域：
：本发明属于电力电子应用技术及新能源应用发电
技术领域：
，尤其适用在太阳能LED照明系统中，广泛用在市政工程，道路、庭院、室内等照明场所，满足智能照明控制、智能充电及能量管理、高效节能等要求。
背景技术：
：传统的大多使用高压钠灯、节能灯等传统电光源。半导体发光二极管(Light-EmittingDiode,LED),被誉为"21世纪新光源"，是继白炽灯、荧光灯和高强度气体放电灯(HID)之后的"第四代光源"。目前，LED正开始成为光伏照明系统的理想电光源。光伏照明系统对电光源的性能有特殊要求光伏阵列本身价格昂贵，光电转换效率不高，因此电光源就要尽量提高能源利用效率，降低用电功耗，做到节能高效；其次，光伏照明系统大都工作在室外和偏远地区，如果经常性的维修和更换电光源，会造成很大的不便，这就要求电光源的可靠性高，寿命长；而且要尽量使电光源对环境的污染降到最小程度。LED具有发光效率高、寿命长、起动时间短、无高压启辉过程、结构牢固、不含荥和铅等重金属、不发出紫外线等诸多优点，如表l所示。目前LED供电电路控制系统存在着三个主要的问题第一，放电过程不合理导致蓄电池寿命较短；第二，LED老化严重，寿命难以达到理论预期值；第三，LED光通量闪动。其中第一、第二点问题涉及到LED的控制策略，第二、第三点与LED的具体控制算法有关。传统的PID控制，如单电流环(SCL)控制算法、双电流环+前馈(DCLF)控制算法等，或者选取的控制参数太少，控制精度和抗干扰性差，或者选取多个控制参数，带来参数整定复杂、受系统影响较大的问题。根据以上不足，非常合适采用LED不同温度段进行分段恒电流控制方法(SCC)，即根据LED不同温度下对应的不同的特性曲线，选择合适的电流参考值进行控制。而滑模变结构控制方法，具有独特的不同参考值选取能力，应用于太阳能供电下的LED照明系统中，对非线性负载LED进行分段恒流控制非常适合。滑模变结构控制(SlidingModeControl,SMC)是变结构控制系统的一种控制方法。这种控制方法与常规控制的根本区别在于控制的不连续性，即一种使系统"结构"随时变化的开关特性。该控制特性可以迫使系统在一定条件下沿规定的状态轨迹作小幅度、高频率的上下运动，即滑动模态或"滑模"运动，如图l所示。
发明内容本发明的目的是提供一种防止LED老化、保持LED平稳发光、延长LED使用寿命、延长蓄电池使用寿命、抗干扰性强、动态及稳态响应快和控制简单等特点的太阳能LED照明系统的新型控制方法。该发明应用于太阳能LED照明控制系统，具有独特的优越性。本发明的特征在于，所述方法依次含有以下步骤步骤(1)，设计一个用于LED照明的Boost主电路。所述Boost主电路含有蓄电池E、电感L、电容C、二极管D、MOSFET开关S、第一电流传感器、第二电流传感器、电压传感器、LED,以及用于测量所述LED环境温度的温度传感器。其中所述蓄电池E的正极依次串接所述电感L、第一电流传感器、二极管D、第二电流传感器和LED后返回该蓄电池负极，直接地构成一个所述Boost主电路的主回路，所述电容C直接于所述第二电流传感器和LED的负极之间，所述M0SFET开关S直接于所述二极管正极和电容C之间；所述电压传感器输出所述蓄电池的端电压^信号；所述第一电流传感器输出电感电流人信号；所述第二电流传感器输出流过所述LED的电流i，信；所述温度传感器输出所述LED的环境温度T;步骤(2)，在DSP控制器中设立以下模块按LED的不同环境温度段进行分段恒流控制用的SCC模块、滑模面计算模块、饱和函数模块、控制模块以及脉宽调制模块，其中所述SCC模块，设有LED环境温度与LED电流参考值乙，的映射表，输入是环境温度，输出是LED电流参考值/"所述滑模面计算模块，输入以下参数所述LED的电流i，、所述Boost主电路中与蓄电池串接电感L上的电流力、所述蓄电池的端电压《，以及所述LED电流参考值乙,，输出是所述滑模面的方程^(X):其中6。=0.0003，61=0.0023y=Uv。,:r)，v。为LED的端电压，^x)为滑模面切换函数，所述饱和函数模块，设有一饱和函数，输入是所述滑模面函数s(X)，输出为s，当^0>0日寸，o"<i当s(X)〈0时，-1<"0所述控制模块，输入是所述参数S，输出是控制函数"，其采用的形式如下<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>而所述饱禾口函数saturation:<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>步骤(3)，依次按以下步骤对通过所述LED的电流进行滑模变结构控制步骤(3.1)，所述电压传感器、温度传感器各自分别向所述SCC模块输入所述蓄电池的端电压&和LED环境温度T,输出所述LED参数电流;步骤(3.2)，所述SCC模块、电压传感器、第一电流传感器、第二电流传感器各自分别向所述滑模面计算模块输出所述LED参数电流/^、蓄电池端电压&、电感电流厶和LED电流厶柳计算出滑模面函数s(A:);步骤(3.3)，所述滑模面计算模块想所述饱和函数模块输出滑模面形状参数^(AT)，AT为所述T、v。组成的二维参数，所述饱和函数模块向所述控制模块输出参数s;步骤(3.4)，所述控制模块在收到所述参数s后输出控制信号w0,MOSFET开关S关断此时<">0，1，MOSFET开关S闭合此时<"<0;步骤(3.5)，把控制信号"输入到PWM模块，与预设的锯齿波比较，产生步骤(3.4)所述的对于M0SFET开关s的开关信号；当所述LED的环境温度升高，系统将通过SCC模块降低电流参考值，控制LED的输入电流；当LED的环境温度降低，系统可以通过SCC模块适当升高电流参考值，使LED输入电流相应提高。根据上面分析，Boost变换器中，LED恒流运行的滑模控制滑模面的物理意义为电感电流A确定一个电流基准，当A趋近于这个基准时，LED的电流收敛到给定的参考值乙r。这样，系统实现了采用通过控制人间接控制的方法代替直接对/,ED进行控制的传统思路。图1变结构控制中的滑动模态。图2符号函数和饱和函数示意图(a)符号函数，(b)饱和函数。图3Boost变换器中滑模控制LED恒流运行的控制框图。图4SMC算法控制LED恒流运行与其它算法比较波形(a)系统起动过程的输出电流波形，(b)电流参考值改变时的输出电流波形，(c)输入电压发生扰动时的输出电流波形。图5控制系统程序流程图。图6各种控制方法在系统起动过程的输出电流实验波形比较-(a)SCL控制算法，(b)DCLF控制算法，(c)SMC算法。图7各种控制方法电流参考值改变时的输出电流实验波形比较(a)SCL控制算法，(b)DCLF控制算法，(c)SMC算法。图8各种控制方法输入电压发生扰动时的输出电流实验波形比较:(a)SCL控制算法,(b)DCLF控制算法，(c)SMC算法。具体实施例方式由于LED的非线性特性，需要用"一类仿射非线性系统"模型代替双线性系统模型对DC-DC变换器进行状态空间描述，即<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>其中，X=RV为状态向量;f(X),g(X)为状态空间中W维向量场；U为控制函数，值为0时代表开关断开，值为l时代表开关闭合；h(X)为J的标量函数，具体表达式为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>(2)其中厶;D(4乃是LED的伏安特性，是一个多变量函数，自变量y。是LED的端电压即变换器输出电压，r是LED的环境温度。设计滑模面形如<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>(3)其中，^仏，Zv)为一个元素非负的尉隹行向量，^为变换器输入电压，L为LED的参考电流。具体参数根据实际系统需要进行相应的选择。控制函数为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>(4)即s(x)>0时，开关断开；s(x)<0时，开关闭合。对于Boost电路系统的具体形式为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>(5)其中，x1=/￡(电感上的电流)，x2=Mc。(电容两端的电压)若取B-(h,O)，则滑模面可确定为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>(6)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>(7)控制函数为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>(8)对于一个理想的滑模变结构控制系统，假设"结构"切换的过程具有理想开关特性，系统状态测量无误，控制量不受限制，则滑动模态将光滑运动而且渐近稳定，不会出现抖振。但是对于一个现实的滑模变结构控制系统，这些假设不可能完全成立，特别是离散控制系统的滑模变结构控制算法，都将会在光滑的滑模面上叠加一个锯齿形的轨迹，即"抖振"现象。抖振产生的主要原因为切换开关的时间和空间滞后、系统惯性的影响以及离散系统本身造成的抖振。采用"准滑动模态"和"边界层"方法实现准滑动模态控制，削弱抖振现象，使用饱和函数<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>(9)f的取值在0.002左右代替符号函数，如图2所示。具体实现方法是在边界层外采用正常的滑模控制，在边界层内为连续状态的反馈控制，即得到控制变量w，将其与锯齿波比较得到开关S的控制信本发明所述的恒流滑膜变结构控制方法可以广泛的应用于太阳能LED照明系统的控制，以Boost升压变换器主电路为例，如图3所示1.Boost主电路部分该部分主要是Boost主电路，外加电流传感器、电压传感器、LED温度传感器等。主电路的电源由蓄电池供给。2.DSP控制系统该部分是整个控制部分的核心，具体可以分为以下几个方面1)LED温度传感器通过测量LED的温度，根据表2选择合适的电流参考值进行相应的控制的，从而实现分段恒电流控制方法(SCC)。例如，当检测到LED的温度为45'C时，选择参考电流为15mA2)LED电流传感器LED电流传感器提供其测量电流i，用于与参考电流进行比较，用于滑模面的确定。3)电感L的电流传感器电感L提供其测量值i，用于滑模面的确定。4)蓄电池端电压传感器蓄电池的端电压传感器的测量值为&，一方面作为分段恒流控制中参考电流选择的依据，一方面作为滑模面确定的参数。5)确定系统滑模变结构控制的具体结构，根据以上的参数，确定滑模面为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>在实际系统中，选取b0=0.0003，b1=0.0023°B的其余参数b2,b3,...,bN设定为0对于Boost电路，y=iLED根据控制函数<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>使用饱和函数<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>e的取值在0.002左右在边界层外采用正常的滑模控制，在边界层内为连续状态的反馈控制。6)根据得到的控制函数u，将其与锯齿波比较，得到开关S的P丽控制信号，实现整个过程的最终控制。整个系统的控制框图如图3所示，控制程序流程图如图5所示。Boost变换器中，开关器件动作导致系统结构改变的过程中，A的变化相对于电容电压的变化是非常灵敏的，所以本方法可以提高系统的响应速度，取得较好的控制效果。本方法的滑模面的另一个特点是滑模面函数只包含。的积分项，不需要/,，的具体表达式，无需LED伏安特性的具体参数和解析式，这种滑模面选择方式避免了对LED进行建模和参数辨识，大大简化了控制算法。9表1LED与传统光源的比较<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>表2不同温度下单颗LED的电流参考值<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>权利要求1.太阳能LED照明系统的恒流滑模变结构控制方法其特征在于，所述方法依次含有以下步骤步骤(1)，设计一个用于LED照明的Boost主电路，所述Boost主电路含有蓄电池E、电感L、电容C、二极管D、MOSFET开关S、第一电流传感器、第二电流传感器、电压传感器、LED，以及用于测量所述LED环境温度的温度传感器。其中所述蓄电池E的正极依次串接所述电感L、第一电流传感器、二极管D、第二电流传感器和LED后返回该蓄电池负极，直接地构成一个所述Boost主电路的主回路，所述电容C直接于所述第二电流传感器和LED的负极之间，所述MOSFET开关S直接于所述二极管正极和电容C之间；所述电压传感器输出所述蓄电池的端电压Ein信号；所述第一电流传感器输出电感电流iL信号；所述第二电流传感器输出流过所述LED的电流iLED信；所述温度传感器输出所述LED的环境温度T；步骤(2)，在DSP控制器中设立以下模块按LED的不同环境温度段进行分段恒流控制用的SCC模块、滑模面计算模块、饱和函数模块、控制模块以及脉宽调制模块，其中所述SCC模块，设有LED环境温度与LED电流参考值Iref的映射表，输入是环境温度，输出是LED电流参考值Iref；所述滑模面计算模块，输入以下参数所述LED的电流iLED、所述Boost主电路中与蓄电池串接电感L上的电流iL、所述蓄电池的端电压Ein，以及所述LED电流参考值Iref，输出是所述滑模面的方程s(X)其中b0＝0.0003，b1＝0.0023y＝iLED(v0，T)，v0为LED的端电压，s(X)为滑模面切换函数，所述饱和函数模块，设有一饱和函数，输入是所述滑模面函数s(X)，输出为s，当s(X)>0时，0<s<1当s(X)<0时，-1<s<0所述控制模块，输入是所述参数s，输出是控制函数u，其采用的形式如下u＝1/2(1-saturation)而所述饱和函数步骤(3)，依次按以下步骤对通过所述LED的电流进行滑模变结构控制步骤(3.1)，所述电压传感器、温度传感器各自分别向所述SCC模块输入所述蓄电池的端电压Ein和LED环境温度T，输出所述LED参数电流Iref；步骤(3.2)，所述SCC模块、电压传感器、第一电流传感器、第二电流传感器各自分别向所述滑模面计算模块输出所述LED参数电流己Iref、蓄电池端电压Ein、电感电流iL和LED电流iLED，计算出滑模面函数s(X)；步骤(3.3)，所述滑模面计算模块想所述饱和函数模块输出滑模面形状参数s(X)，X为所述T、v0组成的二维参数，所述饱和函数模块向所述控制模块输出参数s；步骤(3.4)，所述控制模块在收到所述参数s后输出控制信号u；步骤(3.5)，把控制信号u输入到PWM模块，与预设的锯齿波比较，产生步骤(3.4)所述的对于MOSFET开关s的开关信号；当所述LED的环境温度升高，系统通过SCC模块降低电流参考值，控制LED的输入电流；当LED的环境温度降低，系统通过SCC模块适当升高电流参考值，使LED输入电流相应提高。全文摘要太阳能LED照明系统的恒流滑模变结构控制方法属于太阳能LED照明控制系统方法
技术领域：
，其特征在于包含设计一个带有恒流滑模变结构控制模块的Boost主电路，设计一个带有以下功能模块的控制器按LED不同环境温度进行分段恒流控制的SCC模块，滑模面计算模块，用于消弱由切换开关的时空滞后性、系统惯性和离散化带来的抖振现象的控制模块，以及通过对控制信号产生PWM模块，包括应用Boost主电路电感电流、LED电流、蓄电池端电压以及LED环境温度，进行LED在不同环境温度下选择不同的电流参考值进行LED的分段恒流实时控制的步骤。本发明具有响应速度快、控制精度高以及控制简单的优点。文档编号H05B37/02GK101363586SQ20081022281公开日2009年2月11日申请日期2008年9月19日优先权日2008年9月19日发明者博冯,张颖超,袁立强,赵争鸣,剑陈申请人:清华大学