一種基于單片機的智能LED驅動(dòng)電路系統設計

　　摘要 采用單片機智能控制以實(shí)現由風(fēng)、光、市電多路輸入的大功率LED驅動(dòng)電路設計。其中，風(fēng)光發(fā)電互補系統實(shí)現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)光互補措施。蓄電池充電控制方案分段優(yōu)化充電過(guò)程，以智能化操控實(shí)現能源的最大利用。從而實(shí)現了驅動(dòng)電路整體最優(yōu)性能的設計。

　　關(guān)鍵詞 驅動(dòng)電路;風(fēng)光互補;LED;MPPT

　　智能LED驅動(dòng)電路系統是基于風(fēng)能和太陽(yáng)能發(fā)電系統而改進(jìn)設計的。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(shí)，再采用市電提供電源。由于受天氣、時(shí)間、地域條件的改變，太陽(yáng)能和風(fēng)力資源有著(zhù)不同的分布，為達到最大的風(fēng)能光能利用率，采用了風(fēng)光互補系統，并進(jìn)行MPPT控制策略改進(jìn)能源輸入方案。單片機控制系統可對多路電源輸入進(jìn)行控制，按一定的優(yōu)化方案執行對驅動(dòng)電路供電。因為未采用單一能源的電力供應，為使風(fēng)力發(fā)電和太陽(yáng)能發(fā)電達到最大功率，MPPT控制策略扮演了重要角色。文中將綜合太陽(yáng)能電池板和風(fēng)力發(fā)電機組的特點(diǎn)，分析它們的輸出功率特性，以?xún)?yōu)化的風(fēng)光電源對蓄電池的充電過(guò)程。在單片機智能控制系統的控制下，建立一個(gè)合理的解決方案，提供一個(gè)恒流電源以滿(mǎn)足項目設計要求。

　　1 多路輸入驅動(dòng)LED基本方案

　　LED智能驅動(dòng)電路系統的結構圖如圖1和圖2所示。系統由負載、控制器、驅動(dòng)電路、風(fēng)力發(fā)動(dòng)機、太陽(yáng)能電池板、蓄電池和市電組成。

　　多路輸入就是以市電、太陽(yáng)能電池板和蓄電池作為電源動(dòng)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定或者斷電，這樣需要照明時(shí)經(jīng)常停電影響交通，這時(shí)可以通過(guò)太陽(yáng)能或蓄電池進(jìn)行供電，即在驅動(dòng)電路里面加入選擇判斷電路組成多輸入控制選擇器。同時(shí)利用MPPT控制方式，實(shí)現最大限度的能源利用。通過(guò)對風(fēng)機發(fā)電和光伏發(fā)電的控制調節，若發(fā)電電能未能供給所有電氣負載時(shí)，風(fēng)光互補控制器將傳送給負載蓄電池電能。反之，控制器控制電路直接供給負載電能，并將剩余電能充電至蓄電池內。同時(shí)控制器保護蓄電池，使其工作在合理的電壓區域內，確保蓄電池安全穩定的工作。

　　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(dòng)能公式可以得出采用氣流所具風(fēng)能的大小同通過(guò)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)電機在發(fā)電風(fēng)能利用率的局限性，無(wú)法做到自然風(fēng)能的全部利用，所以在計算風(fēng)機實(shí)際有用功率輸出時(shí)需要考慮留在尾流中未利用的動(dòng)能，基本公式為

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

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

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

　　2.2 太陽(yáng)能電池板特性

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

　　2.3 變步長(cháng)擾動(dòng)最大功率點(diǎn)搜索控制

　　通過(guò)分析風(fēng)力發(fā)電機的輸出特性，可采用3種方式確定其最大功率點(diǎn)：擾動(dòng)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，它主要應用于大型風(fēng)機控制。為控制功率信號，需要得到風(fēng)力發(fā)電機的最大功率負載曲線(xiàn)。采用最大功率點(diǎn)擾動(dòng)搜索控制較為簡(jiǎn)便。而太陽(yáng)能MPPT的控制有恒定電壓控制法、最大功率點(diǎn)的觀(guān)察擾動(dòng)法、導納增量法。

　　綜合考慮太陽(yáng)能和風(fēng)力發(fā)電機MPPT控制功能，本項目使用改變步長(cháng)搜索擾動(dòng)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，同時(shí)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(shí)的電能利用率。

　　當系統運行時(shí)，控制信號起始基準功率為Pa，其占空比為x，輸入一個(gè)擾動(dòng)△x，Pb為檢測擾動(dòng)后的功率。當Pb>Pa時(shí)，證明擾動(dòng)方向無(wú)誤，保持同方向施加擾動(dòng)已搜尋最大功率點(diǎn);反之，反方向擾動(dòng)。雙向擾動(dòng)之后，判斷Pb和Pa，若檢測擾動(dòng)后的功率Pb小于等于起始基準功率Pa，繼續減小擾動(dòng)幅度，并再次進(jìn)行雙向搜索，當擾動(dòng)△x