[发明专利]一种LED照明电路输出电流有效值和功率因数的控制方法及其控制系统

权利要求书

1.一种LED照明电路输出电流有效值和功率因数的控制方法，基于原边反馈的LED照明电路，其特征在于：定义输入市电整流后形成的半波波形对应的周期为一个半波周期，照明电路中开关管Q₁的栅极驱动信号PWM波的周期为开关周期；在每一个半波周期中，分别实时采集辅助绕组两端和初级电路中采样电阻两端的电压信号，在每个开关周期开始时刻，将开关管Q₁的栅极驱动信号PWM波置为高电平，根据本开关周期设置的PWM波占空比，在每个开关周期中PWM波置为低电平的前一时刻读取该时刻采样得到的初级电路中采样电阻两端的电压信号的峰值v_pp；在每个开关周期中PWM波置为低电平的对应时间段，根据辅助绕组两端的电压信号采样值，运用过零检测法找到在当前开关周期中辅助绕组电压的下降拐点，进而得到本开关周期的次级电路放电时间t_dis；通过谷底检测，实时检测当前时刻对应的半波波形是否处于谷底状态，如果不处于谷底状态，则保持设定的开关管Q₁栅极驱动信号PWM波的占空比D不变，如果处于谷底状态，则根据上一个半波周期中每个开关周期对应的初级电路中采样电阻两端的电压信号的峰值v_pp和次级电路放电时间t_dis，计算出上一个半波周期的输出电流有效值I_{out_rms}’，根据输出电流有效值设定值I_{out_rms}，并计算出输出电流有效值的控制误差e(k)，设上一个半波周期为第k个半波周期；根据计算得到的第k-1个和第k个半波周期的输出电流有效值的控制误差e(k-1)，e(k)和第k个半波周期对应的开关管Q₁的栅极驱动信号PWM波的占空比D(K)，利用增量式PID算法计算出即将进入的半波周期，即第k+1个半波周期的开关管Q₁的栅极驱动信号PWM波的占空比D(K+1)，在同一个半波周期中，开关管Q₁栅极的驱动信号PWM波的占空比保持不变，循环执行上述谷底检测过程，以实现对输出电流有效值的控制和提高LED照明电路的功率因数。 

2.根据权利要求1所述的LED照明电路输出电流有效值和功率因数的控制方法，包括以下步骤： 

(1)在每一个半波周期，分别实时采集辅助绕组两端和初级电路上采样电阻两端的电压信号，其采样频率至少为开关管Q₁开关频率的300倍； 

(2)在每个开关周期中，当开关管Q₁栅极驱动信号PWM波置为低电平的前一时刻， 记录初级电路上采样电阻两端的电压信号的峰值v_pp；在每个开关周期中，记开关管Q₁栅极驱动信号PWM波置为低电平的时刻为t₀，此为次级电路放电起始时刻，在每个开关周期中PWM波置为低电平的对应时间段，当第一次检测到辅助绕组两端电压为零时，记该时刻为t₁，当第二次检测到辅助绕组两端电压为零时，记该时刻为t₂，则该周期对应的次级电路放电时间

(3)取半波周期为0.01s，PWM波的周期为0.02ms，则每一个半波周期中包含500个开关周期，在每个开关周期中，输入电压整流后的半波的电压大小认为保持不变，并且在同一个半波周期中，开关管Q₁栅极驱动信号PWM波的占空比D不变，在同一个半波周期中，每个开关周期对应的初级电路上采样电阻两端的电压信号的峰值v_pp的大小正比于每个开关周期对应的半波的电压的大小，当检测到某个开关周期的初级电路上采样电阻两端的电压信号的峰值v_pp大于0时，则该开关周期对应的时间段不处于输入电压整流后的半波的谷底；当检测到某个开关周期的初级电路上采样电阻两端的电压信号的峰值v_pp不大于0时，则该开关周期对应的时间段处于输入电压整流后的半波的谷底； 

(4)若当前开关周期处于输入电压整流后的半波的谷底，开关管Q₁根据前500个开关周期对应的初级电路上采样电阻两端的电压信号的峰值v_pp1、v_pp2…v_pp500和次级电路放电时间t_dis1、t_dis2…t_dis500，计算上一个半波周期的电路输出电流有效值 其中N_p变压器T₁初级绕组的匝数，N_s为变压器次级绕组的匝数，R₀为初级电路上采样电阻的阻值；若当前开关周期不处于输入电压整流后的半波的谷底，开关管Q₁栅极驱动信号PWM波的占空比保持不变； 

(5)记电路输出电流有效值的设定值为则上一个半波周期为第k个半波周期的输出电流有效值控制误差为e(k)＝I_{out_rms}-I_{out_rms}’，记第k个半波周期中对应的开关管Q₁栅极驱动信号PWM波的占空比为D(K)，运用置位式PID算法，计算下一个半波周期，即第k+1个半波周期对应的占空比D(k+1)＝D(k)+K_P·Δe(k)+K_I·e(k)+K_D·[Δe(k)-Δe(k-1)]，其中，e(k-1)是第k-1个半波周期对应PWM波的占空比；K_P是比例常数，K_I是积分常数，K_D是微分常数，Δe(k)＝e(k)-e(k-1)； 

(6)回到步骤(2)，开始循环控制。 

3.根据权利要求1所述方法设计的控制系统，其特征在于，包括辅助绕组电压信号采样单元、初级电路采样电阻电压信号采样单元、次级电路放电时间测量单元、输出电流有效值设定单元、输出电流有效值计算单元、恒流控制误差比较单元、PID控制单元、谷底检测单元和PWM波输出单元；初级电路中采样电阻R₀的电压信号输出连接初级电路采样电阻电压信号采样单元，初级电路采样电阻电压信号采样单元输出连接谷底检测单元和输出电流有效值计算单元，辅助绕组Naux的电压信号输出连接辅助绕组电压信号采样单元，辅助绕组电压信号采样单元输出连接次级放电时间测量单元，次级放电时间测量单元输出连接输出电流有效值计算单元，输出电流有效值计算单元输出和输出电流有效值设定单元输出连接恒流控制误差比较单元，恒流控制误差比较单元输出连接PID控制单元，PID控制单元和谷底检测单元输出连接PWM波输出单元，PWM波输出单元的输出连接LED照明电路中开关管Q₁的栅极，其中： 

辅助绕组电压信号采样单元和初级电路采样电阻电压信号采样单元，采用采样频率为30M及以上的模数转换AD9226芯片，分别用于采集辅助绕组电压信号和初级电路中采样电阻的电压信号； 

次级电路放电时间测量单元根据辅助绕组电压信号计算每个开关周期对应的次级电路放电时间t_dis，通过可编程逻辑器件FPGA进行过零检测实现； 

输出电流有效值设定单元用于在LED照明电路工作时设定输出电流有效值设定值的大小通过外置键盘和可编程逻辑器件FPGA实现； 

输出有效值计算单元根据辅助绕组电压信号和初级电路中采样电阻的电压信号计算输出电流的有效值的实际大小，通过可编程逻辑器件FPGA实现； 

恒流控制误差比较单元根据输出电流的有效值的实际值和输出电流的有效值的设定值计算输出电流有效值的控制误差，通过可编程逻辑器件FPGA实现； 

谷底检测单元根据每个开关周期对应的初级电路上采样电阻两端的电压信号的峰值v_pp，判定当前开关周期对应时刻是否处于输入电压整流后的半波的谷底处，通过可编程逻辑器件FPGA实现； 

PID控制单元，若当前开关周期对应时刻处于输入电压整流后的半波的谷底处，根据前两个半波周期对应的输出电流有效值的控制误差，运用增量式PID算法，计算出下一个半波周期对应的开关管Q₁栅极驱动信号PWM波的占空比，通过可编程逻辑器件FPGA实现； 

PWM波输出单元，根据PID控制单元输出的开关管Q₁栅极驱动信号PWM波的占空比和谷底检测单元检测得到的当前是否处于输入电压整流后的半波的谷底处的情况，生成对应的PWM波； 

系统的控制过程如下： 

(1)通过外置键盘，在输出电流有效值设定单元里设定电路的输出电流值有效值的设定值

(2)在电路输入端接通市电； 

(3)辅助绕组电压信号采样单元和初级电路采样电阻电压信号采样单元实时采集辅助绕组两端和初级电路上采样电阻两端的电压信号，其采样频率至少为开关管Q₁开关频率的300倍； 

(4)在每个开关周期中，测量初级电路上采样电阻R₀两端的电压信号的峰值v_pp和次级电路放电时间t_dis； 

(5)用谷底检测单元判断当前开关周期对应的时刻是否处于输入电压整流后形成的半波波形的谷底； 

(6)若处于谷底，输出有效值计算单元计算上一个半波周期中电路的输出电流有效值的实际值，恒流控制误差比较单元计算出电路对输出电流有效值的控制误差，根据上两个半波周期的输出电流有效值的控制误差和上一个半波周期的开关管Q₁的栅极驱动信号PWM波的占空比，运用增量式PID算法，计算出下一个半波周期的开关管Q₁的栅极驱动信号PWM波的占空比；若不处于谷底，PWM波输出单元输出的PWM波的占空比保持不变； 

(7)回到步骤(3)，开始循环控制。