一种基于非线性闭环的可调光色LED控制系统的制作方法

该发明专利涉及LED照明技术领域，尤其是指一种基于非线性闭环的可调光色LED控制系统。

背景技术：

大功率发光二极管(LED)具有高发光效率、低能耗、更环保和更长工作寿命，同时有易调制的特性。近年来LED照明的市场渗透率不断增加，市场前景广阔，已成为取代传统荧光灯和白炽灯的下一代照明光源。目前，LED照明面临的一个主要问题是在光照强度和相关色温(correlated color temperature,CCT)一致性方面的需要，在比如酒店、博物馆、演播室、手术室等区域应用时，要求LED照明系统的光色保持稳定。由于老化和即时变化的工作条件，即使是同一制造商提供的同型号LED都会产生不一致的随着时间漂移的光谱，尤其是环境温度的变化会导致显著的发射光通量改变和CCT差异。因此提供不随时间而变化的稳定光输出和稳定CCT值照明尤为重要。LED照明的另一个问题是在家居、商超等区域应用时，需要根据照明需求提供可变的照度和CCT，以适应不同场景的需求。

解决以上两个问题都需要LED照明系统可实现出射光通量和色温可调，目前采用的方案是同时由暖白光和冷白光LED灯串组成组合照明系统(也称双色LED灯)，通过调整两种LED灯串的出光比例，实现光色稳定或光色变化的混合光输出。比如在发明专利：一种LED色温调节系统及方法(申请号201110389680.7)，一种可调光LED灯具及其调光装置，调光系统(申请号201510928982.5)，可调光色LED灯具目前这种可调双色LED灯(申请号201510714660.0)等已有所提及。相关产品已经出现在诸如工作室照明、酒店和博物馆的天花板灯照明、摄影照明等高端应用领域。然而，上述所有技术和产品都是基于简单的线性控制方法，采用冷、暖白光LED色温恒定的假设，直接给出冷暖双色LED灯的脉宽调制(pulse width modulation,PWM)信号来控制光输出和相关色温，并没有考虑到实际影响LED发光特性的多参数间的非线性因素。比如LED灯输入功率的变化会导致光强和结温的变化，反之又导致色温的移位。所以传统的双色LED灯无法提供精确的光强调节和CCT控制。

因此，需要一种非线性的闭环控制系统，能够精确调节双色LED灯的亮度和CCT，以解决上述在实际操作中遇到的问题。

技术实现要素：

本发明专利的目的在于解决现有技术存在的上述不足之处，提供一种基于非线性闭环的可调光色LED控制系统，采用双闭环非线性控制方式，实现冷、暖白光LED灯完全独立下的精确发光强度和CCT控制，从而获得更好的照明效果。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术解决方案：

一种基于非线性闭环的可调光色LED控制系统，包括微处理器、LED驱动控制器、暖白光LED串、冷白光LED串、光照/颜色传感器、照度传感器、电源模块；所述的微处理器连接两个恒流LED驱动控制器，其中一个LED驱动控制器控制暖白光LED串，另一个LED驱动控制器控制冷白光LED串，微处理器产生两路不同占空比的PWM信号R_w和R_c，分别用于调节暖白光LED串和冷白光LED串的输出；

所述的照度传感器测量环境背景光照强度，探测结果输入微处理器并转换为环境光通量；

所述的光照/颜色传感器在闭环工作条件下持续监测暖白光LED串和冷白光LED串，输出冷、暖白光混光后的有效光通量和RGB值，测量光通量和RGB值反馈给微处理器，其中RGB值可算出测量CCT值，微处理器将测量光通量和测量CCT值与之前输入的目标/环境光通量和目标CCT值进行比较，通过内置控制算法计算出下一时刻PWM信号的占空比R_w和R_c。

进一步的，所述的内置控制算法简述如下：

取i时刻冷、暖白光LED的光通量和CCT值分别为φ_c、φ_w和C_c、C_w，混光后总的光通量φ_m和C_m可表示为：

其中φ_a为环境光通量，由式(1)可以求出φ_w和φ_c，

(i+1)时刻的PWM信号占空比R_w(i+1)和R_c(i+1)校准应分别考虑测量光通量和目标光通量以及测量CCT值和目标CCT值的不一致，通过改变φ_c和φ_w以达到目标光通量φ_t和目标CCT值C_t；由(2)式，因测量光通量和目标光通量不一致，校准后产生的冷、暖白光LED输出光通变化量为，

类似的，因测量CCT值和目标CCT值不一致，冷、暖白光LED输出光通变化量为，

由式(3)、(4)，(i+1)时刻相对k时刻冷、暖白光总的光通变化量为，

所以(i+1)时刻的PWM信号占空比R_w(i+1)和R_c(i+1)为，

其中α_w和α_c为比例常数，可通过实验测得；式(6)即为非线性闭环控制方程。

进一步的，为了提高系统的运行速度和降低成本，将冷、暖白光LED占空比计算结果制成表格存入微处理器中，系统运行时，通过查表中最接近的两组数据值，进行线性插值运算得到实际控制占空比。

进一步的，所述的电源模块为微处理器和两个恒流LED驱动控制器提供电能。

本发明具有以下有益效果：

1、相比现有的线性控制方法，即使环境光照和温度发生改变，该非线性闭环控制算法仍可以提供精确的调光调色输出。

2、在LED灯串整个寿命周期内，调光调色结果不受LED光衰和控制电路老化的影响。

3、该系统的发光亮度和色温可根据环境背景光强弱自动调制，有利于节约能耗。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或技术方案，下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1为一种基于非线性闭环的可调光色LED控制系统结构示意图。

图2为控制算法流程图。

图3为实施例1的LED灯珠排布方式和光照/颜色传感器位置布置结构示意图。

图4为实施例2的LED灯珠排布方式和光照/颜色传感器位置布置结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行说明。

如图1、2所示，微处理器首先输入目标光通量和目标CCT值，然后获得来自照度传感器的环境背景光通量。待点亮冷、暖白光LED串后，光照/颜色传感器分别测量双色LED串的光通量和RGB值，并送入微处理器中。微处理器通过测量RGB值计算出测量CCT值，将测量光通量和测量CCT值与之前获得的目标/环境光通量和目标CCT值进行比较，利用内置非线性闭环控制算法求出下一时刻调整后的冷、暖白光LED串PWM驱动信号占空比R_c和R_w。这两个PWM信号送入两路LED驱动控制器，改变双色LED灯串的输出光通量，多次迭代后可实现照明系统光照和色温的精确调控。即使因环境光照和环境温度改变，或者驱动电路老化和LED灯珠光衰造成双色LED灯串的发光强度和发光光谱产生漂移，该非线性闭环控制算法仍能保证光通量和色温调节的精确度不变。考虑到控制算法较大的计算量和存储空间需求，为了提高控制系统的迭代计算速度和降低成本，亦可将计算结果制成表格存入微处理器中。照明系统运行时，微处理器查表寻找最接近的两组数据值，在其中进行线性插值得到所需的冷、暖白光LED驱动信号占空比。

为了让测量光通量和测量CCT值足够准确，LED灯珠排布方式和光照/颜色传感器相对位置非常重要。图3实施例1给出一种LED灯珠分布和光照/颜色传感器相对位置的结构示意图。图中，浅色方块代表冷白光LED灯珠(色温6500K)，深色方块代表暖白光LED灯珠(色温2700K)。双色LED灯珠交叉环装排列，圆心处为光照/颜色传感器，该实施例适用于LED筒灯、LED射灯等类型的灯具。

图4实施例2给出另一种LED灯珠分布和光照/颜色传感器相对位置的结构示意图。图中，LED封装基板为矩形，冷、暖白光LED灯珠交叉矩阵排列，光照/颜色传感器位于封装基板的中心处，该实施例适用于侧发光的LED平板灯、LED路灯、LED泛光灯等类型的灯具。

应当指出，以上所述具体实施方式可以使本领域的技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。因此，尽管本说明书参照附图和实施例对本发明进行了详细的说明，但是，本领域技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或者等同替换，总之，一切不脱离本发明创造的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明创造专利的保护范围之内。