基于PID算法的大功率LED驅(qū)動電源設計

順德職業(yè)技術(shù)學院 李國焱 林云鋒

一、引言

現(xiàn)在主流的照明光源是高壓氣體放電的，這種照明系統(tǒng)效率低、消耗能量多，并且污染環(huán)境，而LED照明系統(tǒng)是一種全固態(tài)冷光源，它擁有各種優(yōu)點：工作時間長、能量消耗低、安全性高、綠色環(huán)保。但是大功率LED照明系統(tǒng)在使用中存在一些問題，如：轉(zhuǎn)換效率低、穩(wěn)定性差、調(diào)光效率不夠高等。解決這個問題的一種途徑是設計高轉(zhuǎn)換效率、調(diào)光效率、恒流精確和電磁兼容性更好的大功率LED驅(qū)動電源。本文設計了基于PID算法的大功率LE D驅(qū) 動電源。

二、基于PID算法的大功率LED驅(qū)動電源設計方案

設計并制作數(shù)控大功率LED驅(qū)動電源，交流輸入電壓為180V-250V，50Hz，輸出直流電壓小于或者等于20V。圖1是基于PID算法的大功率LED驅(qū)動電源原理圖。

設計基于反激式LED驅(qū)動器SSL2101，引入反饋信號控制，輸出PWM脈沖到亮度引腳和PWM，形成固定電流輸出，發(fā)光強度通過動態(tài)控制系統(tǒng)控制，然后根據(jù)熱量分布實時控制電流。系統(tǒng)同時采用光傳感器跟蹤、自適應調(diào)節(jié)照明系統(tǒng)的亮度。在軟件設計中，基于遺傳算法優(yōu)化PID算法參數(shù)，達到對輸出電流的精確控制，同時提高 穩(wěn)定性，輸出使用交錯式PFC控制器控制輸出相位。

三、基于優(yōu)化PID算法的大功率LED驅(qū)動電源硬件與軟件設計

硬件電路包括系統(tǒng)控制器、固定電流源電路，A/D轉(zhuǎn)換電路和交錯式PFC控制器。目前，大多數(shù)數(shù)控固定電流源 設計都是基于51系列微控制器MCU，但是執(zhí)行速度低、并且穩(wěn)定性差。Atmega128微控制器具有高速工作處理能力，良好的穩(wěn)定性，并且它有一個可編程的內(nèi)置振蕩器看門狗定時器，Atmega128微控制器擁有8個通道單端或者差分輸入的10比特A/D轉(zhuǎn)換器，本系統(tǒng)即使用Atmega128微控制器，它的定時器帶來高精度、中斷匹配功能，并且能夠幫助實現(xiàn)高精度優(yōu)化PID算法。固定電流源由輸出電路、振蕩器和緩沖器，VCC，電源劃分控制電路，可變光學檢測，電源網(wǎng)絡總線緩沖器和輸入電路。

SSL2101是NXP半導體公司的第一個集成可調(diào)LED驅(qū)動控制器的微控制器，它具有很多優(yōu)點：高集成度、需要的外部元件少、高性價比，因此它是設計大功率LED驅(qū)動 電源的首選，本文選擇SSL2101構(gòu)成反激式電源轉(zhuǎn)換器，圖2是SSL2101反激式電路，反激式電源轉(zhuǎn)換器包括輸出電路、振蕩器、緩沖電路，可調(diào)檢測，電源網(wǎng)絡總線緩沖器和輸入電路。通過每個部分電路的功能設計和計算，我們設計了用于本系統(tǒng)的固定電流驅(qū)動電源。

本系統(tǒng)使用了PWM可調(diào)模式，采樣信號經(jīng)A/D處理，被送到控制器，然后控制器通過優(yōu)化的PID算法 產(chǎn)生PWM控制信號。信號輸出SSL2101亮度和PWM，然后實現(xiàn)優(yōu)化的照明系統(tǒng)可調(diào)控制。設計中有靈活的可調(diào)設置，因為SSL2101能夠獲得溫度測試模塊的溫度和光傳感器測試得到的光通量信號。溫度和光通量信號可以改變PWM脈沖信號的占空比，從而調(diào)節(jié)LED的亮度，它也能夠在不同條件下通過程序設置調(diào)節(jié)，節(jié)省能量。

圖1 大功率LED驅(qū)動電源原理圖

圖2 SSL2101反激式電路

圖3 PID算法流程圖 圖4 主程序流程圖

圖5 使用相位管理前后的電源負載線

使用FAN9612芯片設計交錯型PFC控制器，它能夠使得兩個信號輸出相位相差180度。當切換周期有一個頻率變化，控制器能夠達到同步和鎖定另外一個相位的頻率。因此，這個方法能夠降低損耗，特別是在大電流應用中。FAN9612擁有擴展的功耗范圍，并且能夠降低電流紋波、峰值電流。電源功耗轉(zhuǎn)換效率可以達到96%。

PID控制器的參數(shù)調(diào)節(jié)是控制系統(tǒng)設計的核心內(nèi)容，本文使用遺傳算法，它可以優(yōu)化參數(shù)設置提高PID控制的精度和電源的穩(wěn)定性、更好的效率。遺傳算法優(yōu)化參數(shù)設置的流程圖如圖3所示。

首先，我們確定優(yōu)化參數(shù)和編碼方式，遺傳算法實際上是一種智能搜索優(yōu)化技術(shù)，本文，我們使用實際代碼搜索PID控制器的三個參數(shù)kp，ki，kd。其次，產(chǎn)生原始群體。使用遺傳代數(shù)學提高算法搜索范圍，然后我們得到全局優(yōu)化解決方法，本文隨機產(chǎn)生90個初始個體。考慮參數(shù)搜索優(yōu)化的實際要求和遺傳算法的效率，我們設置最大 的遺傳代為100。

然后，確定合適的函數(shù)GA，我們在進化搜索中不需要外部信息，進化搜索基于合適的函數(shù)和個體的適合值。因此選擇合適的函數(shù)非常重要。它直接影響GA的收斂速度和是否能夠找到優(yōu)化的解決方法。ITAE指標是反映誤差e(t)的積分的綜合指標。如果系統(tǒng)響應，過沖和靜態(tài)誤差很低，這個值就會很低。

合適的函數(shù)定義如下：

首先，我們將離散化數(shù)據(jù)，然后我們根據(jù)前一步確定每個個體的遺傳操作，計算每一代合適的函數(shù)值。最后，然后獲得遺傳操作。

復制操作：每個個體的選擇概率Pi是：

Fi是個體i的自適應值，值越小越好，因此我們 在個體復制操作之前得到值的倒數(shù)，k是系數(shù)，N是個體的數(shù)量。

交叉操作：個體使用實際代碼，因此交叉操作使用實際方法，這個方法使k染色體和i染色體的交叉操作如下：

其中b是一個在[0，1]之間的隨機數(shù)。變異操作：

amax是基因aij的上限，amin是下限，f(g)=r2(1-g/Gmax)，r2是隨機數(shù)，g是當前迭代，Gmax是進化的最大數(shù)，r是一個位于[0，1]之間的隨機數(shù)。復上述步驟，直到完成100次操作，然后輸出目標值，即是搜索優(yōu)化的參數(shù)。

基于模塊化思想，系統(tǒng)軟件混合使用C和匯編語言編程，同時使用C語言的高效率和快速開發(fā)特點，匯編語言的簡便性，系統(tǒng)軟件包括輸出設置、電流調(diào)節(jié)等。軟件包括主程序，A/D采樣子程序和按鈕控制程序，PID算法子程序，優(yōu)化算法子程序，顯示子程序等。主程序的流程圖如圖4。

四、實驗數(shù)據(jù)分析

表1是測試得到的電源電壓變化時的電流值，負載效率曲線通過使用交錯型PFC控制器得到了很大提高，仿真示于圖5， 曲線表明了使用相位管理對性能的提高。

五、結(jié)語

本文中設計基于反激式LED驅(qū)動器SSL2101，并且利用了新的微處理器Atmega128實時采樣負載電流，然后通過優(yōu)化的PID算法處理用戶設置的電流值。最后，我們通過算法結(jié)果反饋控制電流源，固定電源的精度和穩(wěn)定性得到了很大提高。實驗結(jié)果表明這個方法能夠用于實際應用。

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