6.大功led灯光动态变化控制器设计(dsp2023控制)

收稿日期：2010-03-11作者简介：肖文超（1983—），男，湖北仙桃人，硕士研究生，主要研究方向为开关电源、电机的数字控制技术。

大功率LED 灯光动态变化控制器设计肖文超，卢　刚，李声晋（西北工业大学机电学院，陕西西安　710072）摘要：设计了一套能同时控制红色、绿色、蓝色3路30W 功率LED 灯的控制器，采用Microchip 公司的dsPIC30F2023处理器对LED 灯电流进行闭环控制，使其按照给定要求变化，从而使红色、绿色、蓝色LED 灯发出预定要求强度的光，组合成非常美丽的光线。

关键词：LED 灯；升压斩波电路；电流闭环控制中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1000-8829（2010）12-0052-03Controller Design for Dynamic Changing Light of High⁃Power LEDXIAO Wen⁃chao熏LU Gang熏LI Sheng⁃jin穴School of Mechatronics熏Northwestern Polytechnical University熏Xi’an 710072熏China雪Abstract押A controller that controls red熏green and blue 30W LED lights simultaneously is designed and dsPIC30F2023processor from Microchip is used to do the closed⁃loop control for currents which flows through the lights.The LED lights can give out light of the required intensity and make up a beautiful scene with the help of the controller.Key words押LED light鸦Boost Chopper鸦current closed⁃loop control LED 光源具有寿命长、光效高、能耗低等特点，同时LED 光源的光色饱和度、纯度等均是传统光源无法比拟的。

上世纪90年代中期，GaN 基蓝色和绿色LED 的突破使得LED 成为红、绿、蓝三基色完备的发光体系。

通过控制红色、绿色和蓝色LED 的电流大小可以实现亮度、灰度、颜色的连续变化，使得照明从通常意义上的白光扩展到多种颜色的光。

因此人们可以根据个性要求、场景情况，在不同的时间选择不同的照明效果。

体现LED 诸多特点的、场景化的照明系统必将是LED 应用的重要发展方向之一，其最重要的特征是利用LED 实现场景照明的调控、预置和选择。

本设计运用3路Boost Chopper 电路推动红、蓝、绿LED 灯，采用电流闭环算法和DDS 原理动态改变LED 电流，将不同强度的LED 光线（RGB ）进行组合，达到变色效果。

1　方案设计本方案采用的LED 灯额定工作电压为30V ，额定电流为1.2A 。

在LED 灯光控制器设计中，采用3路Boost Chopper 电路使得红、绿、蓝色LED 灯电压按照预定要求变化。

由于LED 灯的电流随着电压的增长按照指数规律增加，所以电流控制比电压控制更加精确稳定，因此采用了电流控制方式。

控制器对LED 灯电流进行采样，并使用美国Mi⁃crochip 公司的dsPIC30F2023处理器对输出电流进行闭环控制。

同时对输出电压进行检测，防止LED 灯两端电压过高，损坏LED 灯。

为了使串口通信抗干扰能力强、传输距离远，采用Maxim 公司的SP491E 芯片，将处理器异步串口信号转为RS422差分信号；在PC 端，再采用RS422⁃RS232转换器将信号变为RS232信号，实现与PC 机的对接，使用者可以在PC 机上对三色灯的电流进行读取和设置。

系统结构图如图1所示，虚线框内是控制器部分。

1.1　dsPIC30F2023介绍dsPIC30F2023是美国微芯（Microchip ）公司电源控制用16位定点数字信号控制器DSC ，采用了高性能的改进型哈佛结构的RISC CPU 内核，允许多种外设和内部中断。

其内部集成了DSP 运算引擎，支持多种寻址工作模式和单周期乘加指令。

I /O 引脚驱动能力强；集成外设功能强大，包括3个16位定时器；集成了SPI 接口、I 2C 总线接口，UART 串行接口，12通道10位A /D 转换器和电源控制PWM 模块，专用于电源控·25·《测控技术》2010年第29卷第12期万方数据制。

它还具有多种工作模式，能够运行在低功耗模式，降低系统功率；工作电压范围为3.3V 和5V ，抗干扰性能优异。

图1　系统结构图1.2　Boost Chopper 电路设计本方案中，Boost Chopper 电路的输入电压为12V ，输出电压值随着全控型器件的导通关断规律变化，由于LED 的额定电压为30V ，所以设计的Boost Chop⁃per 电路输出电压变化范围为15耀40V 。

（1）全控型器件的选择。

功率MOSFET 具有导通电阻低、负载电流大的优点。

本方案采用国际整流公司的MOSFET 器件IRF540，其能承受的漏源级电压为100V ，导通电阻为44m Ω，源漏极电流可达33A 。

实际运用中，MOSFET 器件的工作温度达到70°，尖峰电流很大，在LED 灯功率不高于40W 和有散热的情况下，MOSFET 功率管能可靠工作。

（2）功率二级管的选择。

Boost 升压电路中的二极管要承受的反向电压为28V ，并要通过1.5A 的电流。

在符合要求的功率二极管中，为了节能，导通电阻越小越好，同时在实际过程中，工作频率高，电流尖峰很大。

因此选用了IR 公司的MBR20100双并联肖特基快恢复二级管，其过电流为20A ，承受的反向电压为100V ，导通电阻为0.7Ω，反向恢复时间短，能满足设计需要。

（3）电感参数与斩波频率的确定。

大功率的升压变换器应工作在连续电流工作模式下，电感的大小与斩波频率极为相关，由于设计中的升压比最大为2.5，考虑设计余量，使升压比高于3，同时不能使电感的磁性材料饱和。

在满足要求的情况下，应尽可能地减小电感，从而缩小控制器的面积。

根据试验结果，在斩波频率为480kHz 的情况下，电感为1.2μH 。

1.3　驱动电路设计MOSFET 栅极电容比较大，在导通之前要先对该电容充电，当电容电压超过阈值电压时才开始导通。

因此，栅极驱动器的负载能力必须足够大，以保证在系统要求的时间内完成对等效栅极电容的充电。

同时开启电压大于10V 才能使得MOSFET 可靠开启。

本方案采用Microchip 公司的双高速功率MOSFET 驱动芯片TC4426A ，它的峰值输出电流高达1.5A ，输出低电压为0.025V ，输出高电压比电源供电电压低0.025V ，最高达18V 。

控制器采用2片TC4426A ，能驱动4片MOSFET ，一路留作扩展。

1.4　电流采样与电压采样对输出电流检测采取小电阻采样法，将小电阻的压降经过同向运算放大器电路的调节后，传送至dsPIC30F2023。

dsPIC30F2023集成的10位高精度A /D 转换模块拥有高达2Mb /s 的采样速率，能实时采样LED 灯的电流来进行电流闭环运算。

由于电流大，电阻选取要考虑所选用电阻能承受的功率，本方案采用0.1Ω，2512的封装，当电流为2A （考虑余量）时，电阻的功耗不到0.5W ，满足实际要求。

对输出电压采样过程中，使用比较器电路，当检测到LED 灯的电压超过36V 时，立刻关断MOSFET 功率管，LED 灯两端电压降为输入电压。

2　软件设计2.1　下位机程序设计下位机程序主要包括与PC 机的串口通信、实时采样LED 灯的电流和端电压，运用DDS 原理和LED 变化模式数据生成LED 电流的目标值，同时运用积分分离算法改变LED 电流实际值。

为了保护LED 灯，当LED 电压过高时，立刻关断PWM 输出。

下位机程序中关键是LED 灯电流闭环的实现，以及按照预定要求实现LED 灯电流的动态改变。

（1）积分分离PID 控制算法———电流闭环。

积分分离控制算法可表示为u （k ）=K P e （k ）+aK I ∑i =1e （i ）+K D ［e （k ）-e （k -1）］式中，a 为积分项的开关系数，即|e （k ）|>ε，采用PD 控制|e （k ）|≤ε，采用PID 控制 （2）运用DDS 原理动态改变LED 灯电流。

DDS （direct digital synthesis ，直接数字合成）是一种应用数字技术产生信号波形的方法。

DDS 技术建立在采样定理的基础上，它首先对需要产生的信号波形进行采样和量化，然后存入存储器作为待产生波形的数据表。

在输出信号波形时，从数据表中依次读出数据，产生数字化的信号。

它将所需要的电流值以数组的形式存入ROM 中，使用dsPICF2023内部定时器，每一次中断查找数组获得每一点的波形所对应的电流·35·大功率LED 灯光动态变化控制器设计万方数据值。

使用DDS 可以生成任意电流波形，控制程序框图如图2所示。

图2　控制程序流程图2.2　基于LabWindows /CVI 的上位机软件设计LabWindows /CVI 是美国NI （National Instrument ）公司推出的32位面向计算机测控领域的虚拟仪器开发平台，可以在多个操作系统下运行，它以工程技术人员所熟知的ANSI C 为核心，将功能强大、使用灵活的C 语言与用于数据采集、分析和显示的测控专业工具有机地结合起来。

此外，模块化的数据处理方法，使软件开发效率得到极大的提升且易于升级。

上位机软件主要功能有：对串行口通信进行设置、接收处理器通过串口发过来的数据并解包、实时动态显示数据及控制LED 电流变化模式，软件流程图如图3所示。

图3　上位机串口收发流程图3　实验结果通过上位机设置，使红色灯的电流按照正弦规律变化蓝色灯电流按照锯齿波形变化并且逐渐增大，绿色灯电流按照锯齿波形并且逐渐减小。

红色，蓝色和绿色灯的电流最大值为700mA ，电流最小值为57mA ，相位互错0°，电流周期为4s 。

上位机设置参数如图4所示。

上位机收到红色、绿色、蓝色LED 灯电流数据后，在波形控件上将数据显示出来，可以看到3路LED 灯的电流按照上位机软件设置的参数变化。

采用电流钳分别测量红色LED 灯、蓝色LED 灯、绿色LED 灯的电流，示波器显示电路波形如图5耀图7所示，示波器栅格大小设置为500mA ，栅格时间设置为1s。