程 敏，季 清，吳仁杰，韓 天

(蘇州大學，江蘇 蘇州 215000)

引言

發(fā)光二極管(Light Emitting Diode,LED)作為第四代電光源，相對于過去的高壓鈉燈以及熒光燈等電光源，具有效率高、冷光源、光質純、可調性高等優(yōu)點，使得LED在各行各業(yè)都受到廣泛關注與應用。

在植物種植行業(yè)，采用人工補光已經成為一種成熟的提高種植物產量以及品質的方法。LED的各種優(yōu)點十分契合植物補光光源的要求：高效率的優(yōu)點能夠大量節(jié)約電能；冷光源的優(yōu)點使得LED能夠與種植物保持較近的距離，提高空間利用率；壽命長的優(yōu)點保證補光光源不需要頻繁替換，提高種植農場自動化程度；而光質純與可調性高的優(yōu)點使得補光光源發(fā)出的光質能夠進行精確調控，針對不同種植物不同生長階段的光照需求，可以調配出最優(yōu)光照環(huán)境[1-3]。

植物生長的自然光照環(huán)境為連續(xù)光，因此在人工光照環(huán)境下通常采用連續(xù)光照為植物補光。近年來，光質生理學的研究者開始探究脈沖光對于植物生長的影響。目前有研究表明，脈沖光不僅不會降低植物的產量，反而可以促進植物的生長，并提高植物的光合熒光效率[4]，而且采用脈沖光能夠使得LED輸出的光照更高效地被植物吸收，節(jié)約大量光照能量。

圖1給出了采用脈沖光為植物補光時，LED光源的實際工作狀態(tài)和理想電流波形。

圖1 脈沖光波形圖Fig.1 Pulse light waveform

光周期通常以24 h為一個周期，對應自然光照期和暗期的生物節(jié)律。在光照期時，LED工作于間歇脈沖狀態(tài)，以TDIM為脈沖周期，每個脈沖周期分為亮區(qū)與暗區(qū)，其中TL為亮區(qū)時間，TD為暗區(qū)時間。通過控制電流值Iref可以調節(jié)LED光源產生的瞬時光量子通量密度(Photosynthetic Photon Flux Density,PPFD)。

脈沖光的三個主要參數為脈沖光周期TDIM、脈沖光占空比DDIM以及脈沖光瞬時PPFD。由于不同植物所需的最佳脈沖光環(huán)境不同[5-7]，如黃瓜處于脈沖光占空比為0.25時光合速率最高，而生菜最適宜的占空比為0.5，脈沖光周期對于不同植物也會產生不同效果。因此需要通過控制LED電流波形的TL、TD與Iref參數來修改TDIM、DDIM以及瞬時PPFD。

常見LED調光方式分為模擬調光與PWM調光[8,9]。模擬調光通過控制LED正向電壓，調節(jié)LED電流，輸出連續(xù)光照。PWM調光是通過將調光開關與LED串聯(lián)或并聯(lián)，使用PWM信號驅動調光開關，改變PWM信號的占空比調節(jié)LED驅動電流的平均值，LED實際工作于脈沖狀態(tài)。圖2(a)和2(b)分別給出了調光開關Q與LED串聯(lián)和并聯(lián)的結構簡圖[10,11]。

圖2 PWM調光結構簡圖Fig.2 PWM dimming structure diagram

圖2采用的PWM調光方式不能直接調節(jié)脈沖電流的瞬時值Iref，需要額外調節(jié)前級驅動電源的VOUT或IOUT。本文采用單管Buck電路直接驅動LED，在亮區(qū)控制Buck電路開關管的占空比，調節(jié)電流瞬時值Iref，在暗區(qū)關閉開關管，保證脈沖電流的精準調節(jié)，同時減少驅動器成本。

采用Buck電路直接驅動LED輸出脈沖光時，Buck電路實際工作于亮區(qū)和暗區(qū)的切換狀態(tài)，需要電路具有較高的動態(tài)性能。文獻[12]提出的脈沖序列(Pulse Train,PT)控制能夠改善切換狀態(tài)的動態(tài)性能，提高LED驅動電流的響應速度。但PT控制主要針對DCM(Discontinuous Conduction Mode)狀態(tài)，在CCM(Continuous Conduction Mode)狀態(tài)下則會存在紋波較大、啟動存在較大過沖、輸出功率可調范圍小等問題[13]。文獻[14]基于PT控制提出雙緣調制脈沖序列(Dual Edge Modulation Pulse Train,DEMPT)，分別對高低能量脈沖采用前緣和后緣調制以抑制紋波和啟動過沖，且不會影響動態(tài)性能。DEMPT控制方式雖然能夠抑制PT控制啟動過沖，但相對于PID控制，在穩(wěn)態(tài)下的輸出紋波依舊較大。且由于預設不同能級的脈沖無法改變，輸出電壓的可調范圍受限。

本文通過將DEMPT控制與PID控制相結合，提出一種DEMPT-PID控制方式，縮短輸出LED電流的上升時間，以此提高脈沖光周期以及占空比可調范圍，同時通過將控制模式切換為PID控制，以消除DEMPT控制帶來的低頻振蕩，提高LED電流的穩(wěn)定性，減小電流紋波。

1 工作原理分析

圖3給出了以單管Buck實現(xiàn)的LED脈沖驅動電路，其中負載LED等效為二極管、穩(wěn)壓直流源和電阻串聯(lián)的近似線性模型[15]。

圖3 Buck電路拓撲圖Fig.3 Buck circuit topology

Buck電路在脈沖亮區(qū)采用恒流驅動，R1為電流采樣電阻，通過反饋R1的電壓，通過換算可以獲得LED電流值。VIN為電路直流輸入，Q為開關管，C為輸出濾波電容，L為濾波電感，D為續(xù)流二極管，DLED為等效二極管，VF為等效直流源，RLED為等效電阻。使用DSP(Digital Signal Processing)作為控制核心，根據反饋信號調節(jié)開關驅動PWM。DSP依據亮區(qū)和暗區(qū)的預設值，在亮區(qū)開啟驅動信號，在暗區(qū)關閉驅動信號。

圖4給出了亮區(qū)和暗區(qū)的實際電流和開關驅動PWM波形。其中，TSW為PWM的周期，對應頻率為fSW，對應占空比為DSW。通過調節(jié)DSW可以調控Buck電路輸出電流iLED，從而控制LED在亮區(qū)產生的瞬時PPFD。TL與TD分別為亮區(qū)與暗區(qū)時間，對應調節(jié)脈沖光周期TDIM與占空比DDIM。

圖4 PWM波形與實際電流波形Fig.4 PWM waveform and actual current waveform

在進入亮區(qū)時，Buck電路輸出電流存在上升時間tr，若TL小于tr，輸出電流還未穩(wěn)定便切換至暗區(qū)，電路無法正常工作。為了提高輸出脈沖光頻率fDIM的可調范圍，需要縮短上升時間tr。同時，為了保證亮區(qū)光照強度的穩(wěn)定性，應抑制LED進入亮區(qū)時的電流過沖、減小穩(wěn)態(tài)紋波。

2 PT控制與DEMPT控制原理

Buck電路工作于恒流輸出的穩(wěn)態(tài)時，通常采用PID控制來對開關管驅動波形進行調節(jié)，然而PID控制對于脈沖切換狀態(tài)下的Buck電路而言，無法同時獲得良好的動態(tài)響應速度和魯棒性。PT控制是一種非線性控制，預設兩個占空比參數，即占空比高的脈沖序列為PH，占空比為DH，占空比低的脈沖序列為PL，占空比為DL。當反饋信號小于目標參數時，發(fā)出PH脈沖，大于目標參數則發(fā)出PL脈沖，開關驅動占空比為：

(1)

若開關管在一個開關周期內先導通再關斷，則調制方式為后緣調制，反之為前緣調制。在PT控制中，對高占空比脈沖PH使用后緣調制，對低占空比脈沖PL使用前緣調制，這種控制方式稱為雙緣調制脈沖序列(DEMPT)控制，圖5給出了采用后緣調制PT控制與DEMPT控制啟動電路波形。

圖5 后緣調制PT控制與DEMPT控制啟動波形圖Fig.5 Start waveform diagram of trailing edge modulation PT control and DEMPT control

由于DEMPT控制對誤差能夠進行快速調節(jié)，因此采用DEMPT控制可以有效降低PT控制啟動電路時帶來的過沖。

但DEMPT控制在穩(wěn)態(tài)時由于占空比切換，依舊會產生較大的紋波，影響LED發(fā)光質量。穩(wěn)態(tài)下的DEMPT控制紋波最小的狀態(tài)為脈沖序列以1PH-1PL的方式組合，此時的紋波大小為：

(2)

采用PID控制的Buck電路穩(wěn)態(tài)紋波大小為：

(3)

由式(2)與式(3)可以得出，PID控制的穩(wěn)態(tài)紋波小于DEMPT控制紋波。

本文將DEMPT控制與PID控制相結合，通過在Buck電路啟動時采用DEMPT控制，進入穩(wěn)態(tài)后切換至PID控制，即DEMPT-PID控制方式。

3 DEMPT-PID控制工作原理

圖6給出了DEMPT-PID的控制過程，其中Iref為目標電流參考值，Imref為允許的輸出電流過沖值。

圖6 DEMPT-PID控制波形原理圖Fig.6 Schematic diagram of DEMPT-PID control waveform

設定亮區(qū)起始點時間為t=0，進入亮區(qū)時，先采用DEMPT模式進行控制，縮短iLED的上升時間并抑制過沖。t=TST時，切換為PID控制模式，穩(wěn)定輸出電流。在DEMPT模式下，將電流采樣點設定為開關周期結束的時刻。t=TST時，為了消除高頻紋波帶來的反饋干擾，PID模式下采樣點切換為開關管導通一半的時刻。

需要調節(jié)目標電流值Iref以應對不同植物在不同生長階段的光照需求時，所對應最優(yōu)控制DEMPT控制參數與模式切換時間TST不同，因此高占空比DH、低占空比DL和模式切換時間TST不能選取固定值。

本文采用了一種自適應調節(jié)參數的控制方法，TST參數可以根據輸出電流狀態(tài)自動調節(jié)，并且根據輸出電流iLED的上升時間tr與電流過沖值imax自動調節(jié)DH與DL，從而既能縮短上升時間，又能夠一定程度抑制過沖。

LED工作狀態(tài)為周期性的亮區(qū)和暗區(qū)切換，因此可以根據上一調光周期的工作狀態(tài)來修改當前調光周期的控制參數。

DH的取值：DH決定上升時間tr，通過將上一周期亮區(qū)脈沖的tr作為反饋量與目標上升時間Tref進行計算，對當前周期DH調節(jié)，如式(4)所示。

DL的取值：DL用來抑制電路進入亮區(qū)輸出過沖，可以比較上一周期的輸出電流過沖值imax與目標輸出電流過沖值Imref，對當前周期的DL進行調節(jié)，如式(5)所示。

DH(N+1)=k(tr(N)-Tref)+DH(N)

(4)

DL(N+1)=m(Imref-imax(N))+DL(N)

(5)

其中DH(N)、DL(N)、DH(N+1)、DL(N+1)分別為第N個周期和N+1個周期的DH和DL。Tref為目標上升時間，tr(N)為第N個周期的上升時間，k為上升時間誤差的增益系數。Imref為目標輸出電流過沖值，imax(N)為第N個周期的輸出電流過沖值，m為電流過沖值誤差增益系數。

圖7為第N個周期與第N+x個周期的波形示意圖以及參數變化。在第N個周期中，上升時間tr(N)大于目標上升時間Tref，根據式(4)，DH(N+1)會增加；電流過沖值imax(N)大于目標過沖值Imref，根據式(5)，DL(N+1)會減小。在經過x個周期后，tr(N+x)與imax(N+x)滿足要求，系統(tǒng)達到穩(wěn)定。

圖7 參數變化示意圖Fig.7 Schematic diagram of parameter change

TST的取值：由于DEMPT控制需要完成兩個目標，縮短上升時間與抑制過沖。因此DEMPT控制切換至PID控制需要滿足兩個條件：

(1)DEMPT模式輸出脈沖為低功率PL，表明PH脈沖已完成上升階段；

(2)輸出LED電流iLED小于參考電流Iref，表明PL脈沖已完成過沖抑制。

在圖7的DEMPT模式下，每個開關周期結束節(jié)點都會根據上述條件，判斷是否切換為PID控制。

在切換為PID控制模式后，為了使輸出電流盡快達到穩(wěn)態(tài)，同時減小切換過程中的紋波，需要合理選定PID模式的占空比初值DM。

DM的取值：在PID控制Buck電路穩(wěn)態(tài)狀態(tài)下，每個開關周期響應都可分為由穩(wěn)態(tài)占空比控制的零狀態(tài)響應與由電感電流iL和輸出電容電壓vC決定的零輸入響應。通過將上一周期的穩(wěn)態(tài)占空比賦值給DM，可以使得PID電路狀態(tài)更接近穩(wěn)態(tài)電路狀態(tài)，減小輸出紋波。

圖8給出了PID控制起始占空比DM分別為穩(wěn)態(tài)占空比、DH與DL的波形仿真圖。

在圖8中，讀取上一周期穩(wěn)態(tài)占空比為0.55，DH為0.75，DL為0.37，分別帶入至DM中?？梢钥闯鰺o論是選取DL或DH，都會由于PID控制的滯后性產生較高的振蕩。而采用穩(wěn)態(tài)占空比則能夠較快進入穩(wěn)態(tài)，不會產生較大紋波。

圖8 不同DM取值仿真圖Fig.8 Simulation diagram of different DM values

此外考慮到LED的溫漂現(xiàn)象，LED的伏安特性會隨溫度變化，相應的穩(wěn)態(tài)占空比也會改變，因此DM不可選定固定值，通過每個周期讀取上一周期的穩(wěn)態(tài)占空比，可以有效避免因LED伏安特性變化帶來的電路狀態(tài)不穩(wěn)定。

圖9給出了DEMPT-PID的控制程序流程圖。

圖9 控制程序流程圖Fig.9 Flow chart of control procedure

控制流程圖可以分為系統(tǒng)啟動流程與脈沖調光流程，如圖9(a)和9(b)所示。當LED驅動系統(tǒng)啟動時，首先采用軟啟動來抑制系統(tǒng)啟動時產生的過沖，并在系統(tǒng)穩(wěn)定后獲取初始的穩(wěn)態(tài)占空比。在軟啟動過程中，占空比DSW緩慢上升，直至輸出電流iLED達到目標電流值Iref，在此階段LED輸出連續(xù)光。當軟啟動結束后，讀取穩(wěn)態(tài)占空比，帶入至DM(1)、DH(1)與DL(1)，進入脈沖調光階段。每個脈沖光脈沖周期都會運行一次參數調節(jié)，根據此周期對應的DH與DL參數進行DEMPT控制，直到TST時間節(jié)點切換為PID控制。PID控制下的起始占空比為此周期對應穩(wěn)態(tài)占空比的DM，通過PID調節(jié)使得輸出電流穩(wěn)定，并在電路進入穩(wěn)定后讀取此周期的穩(wěn)態(tài)占空比。當亮區(qū)時間結束時，驅動器進入暗區(qū)狀態(tài)。此時控制器關閉PWM輸出，使LED電流下降為0。

在每次脈沖調光結束后，每個調光周期根據本周期上升時間tr以及電流過沖值imax計算出下一周期的DH和DL，并更新DM數值。

采用Simulink進行仿真驗證，設定RLED=2.4 Ω、VF=10.8 V、VIN=24 V、L=100μH、C2=1 μF、TSW=5 μs、TDIM=100 μs、DDIM=0.5、k=1000、m=0.1、Iref=1 A、Imref=1.1 A、Tref=15 μs。

圖10為DEMPT-PID控制參數DH與DL的變化。橫軸N為周期數，在同一周期內DH與DL不會改變。周期N=1時DH與DL值等于通過電路軟啟動讀取的穩(wěn)態(tài)占空比DM，讀取穩(wěn)態(tài)值為0.57。然后在每個調光周期讀取tr與imax，并對DH與DL進行調節(jié)。仿真在第26個周期時達到穩(wěn)態(tài)，此時采樣的上升時間tr(26)為15μs，最大電流值imax(26)為1.087 A，DH(26)為0.805，DL(26)為0.42。

圖10 DEMPT參數變化圖Fig.10 DEMPT parameter variation diagram

波形變化時序圖如圖11(a)所示，第1、10、20、26周期輸出電流波形如圖11(b)所示。

圖11 DEMPT-PID控制仿真圖Fig.11 Simulation diagram of DEMPT-PID control

在第1個周期內DEMPT模式采用的是10PH-0PL序列組合，隨著DH與DL的調節(jié)，DEMPT控制下的脈沖序列逐漸變?yōu)榱说?0周期的4PH-1PL組合、第20周期的4PH-1PL組合以及穩(wěn)態(tài)的第26周期的3PH-1PL組合。根據第26周期的電流波形可以看出，上升時間tr滿足Tref要求，電流最大值imax滿足Imref要求。在輸出電流具有較快上升速度的同時，不會產生較大過沖。

通過修改增益參數k與m可以縮短電路達到穩(wěn)定所需周期，但過大的增益參數可能會導致DH與DL參數出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)振蕩，影響電路輸出電流性能。

4 實驗驗證

為了驗證上述DEMPT-PID控制方案的可行性，搭建了采用Buck驅動電路的實驗樣機，主要參數見表1。

表1 調光驅動器參數Table 1 The parameters of the dimming driver

圖12～圖14分別為采用PID控制、PT-PID控制、DEMPT-PID控制輸出電流波形和開關管vgs波形。其中PT-PID控制采用與DEMPT-PID相同的控制邏輯。

圖12 PID控制波形圖Fig.12 PID control waveform

圖13 PT-PID控制波形圖Fig.13 PT-PID control waveform

圖14 DEMPT-PID控制波形圖Fig.14 DEMPT-PID control waveform

可以看出，PID控制模式下上升時間tr為24 μs，imax為1.61 A。PT-PID控制模式下上升時間tr為19 μs，imax為1.1 A。DEMPT-PID控制模式下上升時間tr為15 μs，imax為1.1 A。在上升時間tr的優(yōu)化上，PT-PID控制與DEMPT-PID控制更容易達到設定的要求時間Tref。而PID控制不僅較難滿足上升時間要求，且會產生較大過沖，在較短時間內較難進入穩(wěn)定。

在過沖值imax的優(yōu)化上，PT-PID控制當滿足了過沖大小時，會導致輸出電流減小。而DEMPT-PID控制則能夠在滿足上升時間的要求下，同時抑制過沖，產生較為理想的輸出電流波形，實驗結果也基本與仿真一致。

5 結論

本文基于Buck電路設計了一種脈沖能量可控的高效率LED植物燈驅動電源，能夠單獨調節(jié)輸出脈沖光的瞬時光照強度、脈沖頻率以及脈沖占空比，可調脈沖頻率最大為10 kHz。同時提出了DEMPT-PID的控制模式，在滿足輸出電流上升時間的基礎上，抑制了過沖，并通過切換到PID控制模式以避免DEMPT模式在穩(wěn)態(tài)所產生的低頻紋波的影響。最后設計了實驗樣機進行了驗證，證明了此控制模式的可行性以及穩(wěn)定性。對于植物種植行業(yè)中植物照明能源節(jié)約方面具有一定促進作用。