一種基于單片機(jī)的智能LED驅(qū)動電路系統(tǒng)設(shè)計

　　摘要 采用單片機(jī)智能控制以實(shí)現(xiàn)由風(fēng)、光、市電多路輸入的大功率LED驅(qū)動電路設(shè)計。其中，風(fēng)光發(fā)電互補(bǔ)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了不同工作情況下的最大功率點(diǎn)跟蹤控制策略，并以模擬的風(fēng)光能源展示發(fā)電特性，完善了風(fēng)光互補(bǔ)措施。蓄電池充電控制方案分段優(yōu)化充電過程，以智能化操控實(shí)現(xiàn)能源的最大利用。從而實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動電路整體最優(yōu)性能的設(shè)計。

　　關(guān)鍵詞 驅(qū)動電路;風(fēng)光互補(bǔ);LED;MPPT

　　智能LED驅(qū)動電路系統(tǒng)是基于風(fēng)能和太陽能發(fā)電系統(tǒng)而改進(jìn)設(shè)計的。其中，風(fēng)電和光伏發(fā)電賦予了較高的優(yōu)先級，在兩種能源不足以供給照明時，再采用市電提供電源。由于受天氣、時間、地域條件的改變，太陽能和風(fēng)力資源有著不同的分布，為達(dá)到最大的風(fēng)能光能利用率，采用了風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)，并進(jìn)行MPPT控制策略改進(jìn)能源輸入方案。單片機(jī)控制系統(tǒng)可對多路電源輸入進(jìn)行控制，按一定的優(yōu)化方案執(zhí)行對驅(qū)動電路供電。因為未采用單一能源的電力供應(yīng)，為使風(fēng)力發(fā)電和太陽能發(fā)電達(dá)到最大功率，MPPT控制策略扮演了重要角色。文中將綜合太陽能電池板和風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的特點(diǎn)，分析它們的輸出功率特性，以優(yōu)化的風(fēng)光電源對蓄電池的充電過程。在單片機(jī)智能控制系統(tǒng)的控制下，建立一個合理的解決方案，提供一個恒流電源以滿足項目設(shè)計要求。

　　1 多路輸入驅(qū)動LED基本方案

　　LED智能驅(qū)動電路系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1和圖2所示。系統(tǒng)由負(fù)載、控制器、驅(qū)動電路、風(fēng)力發(fā)動機(jī)、太陽能電池板、蓄電池和市電組成。

　　多路輸入就是以市電、太陽能電池板和蓄電池作為電源動力，在實(shí)際工況中經(jīng)常遇到，因為市電下很多路燈的工作情況不太穩(wěn)定或者斷電，這樣需要照明時經(jīng)常停電影響交通，這時可以通過太陽能或蓄電池進(jìn)行供電，即在驅(qū)動電路里面加入選擇判斷電路組成多輸入控制選擇器。同時利用MPPT控制方式，實(shí)現(xiàn)最大限度的能源利用。通過對風(fēng)機(jī)發(fā)電和光伏發(fā)電的控制調(diào)節(jié)，若發(fā)電電能未能供給所有電氣負(fù)載時，風(fēng)光互補(bǔ)控制器將傳送給負(fù)載蓄電池電能。反之，控制器控制電路直接供給負(fù)載電能，并將剩余電能充電至蓄電池內(nèi)。同時控制器保護(hù)蓄電池，使其工作在合理的電壓區(qū)域內(nèi)，確保蓄電池安全穩(wěn)定的工作。

　　2 MPPT控制方案

　　2.1 風(fēng)力發(fā)電特性原理

　　由流體力學(xué)中氣流動能公式可以得出采用氣流所具風(fēng)能的大小同通過的面積、氣流密度以及氣流的速度成正比關(guān)系

　　由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)在發(fā)電風(fēng)能利用率的局限性，無法做到自然風(fēng)能的全部利用，所以在計算風(fēng)機(jī)實(shí)際有用功率輸出時需要考慮留在尾流中未利用的動能，基本公式為

　　上式，一般情況下Cp<0.593，其表示風(fēng)力發(fā)電機(jī)的實(shí)際風(fēng)能利用系數(shù)，可由貝茲(Betz)極限理論得到。風(fēng)能的利用系數(shù)Cp與風(fēng)力機(jī)的葉尖速比有關(guān)，葉尖速比一般用λ來表示，由風(fēng)力機(jī)葉尖旋轉(zhuǎn)的圓周速度和風(fēng)速的比值來確定

　　圖3給出了風(fēng)能的利用系數(shù)和葉尖速比的曲線關(guān)系，是風(fēng)力機(jī)的基本特性之一。

　　在λ處于某一特定值λ0時，就定漿矩風(fēng)機(jī)而言，Cp達(dá)到最大并且風(fēng)力機(jī)具有最大機(jī)械功率的輸出，最佳葉尖速比用λm表示。因自然風(fēng)具有不定隨時變化的特性，這會使得Cp在大多數(shù)情況下不在最大工作點(diǎn)上，此時，風(fēng)機(jī)的效率經(jīng)常處在較低水平。對于這個問題，處理時需要控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行速度，在一個較大的風(fēng)速范圍內(nèi)，盡可能使風(fēng)能的利用系數(shù)在最大值附近運(yùn)行，且葉尖速比λ達(dá)到最為優(yōu)化的葉尖速比，以實(shí)現(xiàn)風(fēng)電轉(zhuǎn)換最高效率的跟蹤。

　　2.2 太陽能電池板特性

　　太陽能電池的功率特性非線性化較為明顯，容易被外界因素影響。不同日照下表現(xiàn)出的電壓/電流和電壓/功率特性，如圖4和圖5所示。

　　2.3 變步長擾動最大功率點(diǎn)搜索控制

　　通過分析風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出特性，可采用3種方式確定其最大功率點(diǎn)：擾動搜索其最大功率點(diǎn)、控制功率信號、控制葉尖速比。因為要借用風(fēng)速計，使得葉尖速比控制成本較高，它主要應(yīng)用于大型風(fēng)機(jī)控制。為控制功率信號，需要得到風(fēng)力發(fā)電機(jī)的最大功率負(fù)載曲線。采用最大功率點(diǎn)擾動搜索控制較為簡便。而太陽能MPPT的控制有恒定電壓控制法、最大功率點(diǎn)的觀察擾動法、導(dǎo)納增量法。

　　綜合考慮太陽能和風(fēng)力發(fā)電機(jī)MPPT控制功能，本項目使用改變步長搜索擾動方法控制最大功率點(diǎn)，MPPT控制的關(guān)鍵是如何使最大充電功率電池電壓平穩(wěn)，同時電池充電和發(fā)電部分功率相等。檢測電池的充電電流以及電壓，能夠計算得到此時的電能利用率。

　　當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時，控制信號起始基準(zhǔn)功率為Pa，其占空比為x，輸入一個擾動△x，Pb為檢測擾動后的功率。當(dāng)Pb>Pa時，證明擾動方向無誤，保持同方向施加擾動已搜尋最大功率點(diǎn);反之，反方向擾動。雙向擾動之后，判斷Pb和Pa，若檢測擾動后的功率Pb小于等于起始基準(zhǔn)功率Pa，繼續(xù)減小擾動幅度，并再次進(jìn)行雙向搜索，當(dāng)擾動△x