基于PID算法的大功率LED驱动电源设计

顺德职业技术学院 李国焱 林云锋

一、引言

现在主流的照明光源是高压气体放电的，这种照明系统效率低、消耗能量多，并且污染环境，而LED照明系统是一种全固态冷光源，它拥有各种优点：工作时间长、能量消耗低、安全性高、绿色环保。但是大功率LED照明系统在使用中存在一些问题，如：转换效率低、稳定性差、调光效率不够高等。解决这个问题的一种途径是设计高转换效率、调光效率、恒流精确和电磁兼容性更好的大功率LED驱动电源。本文设计了基于PID算法的大功率LE D驱 动电源。

二、基于PID算法的大功率LED驱动电源设计方案

设计并制作数控大功率LED驱动电源，交流输入电压为180V-250V，50Hz，输出直流电压小于或者等于20V。图1是基于PID算法的大功率LED驱动电源原理图。

设计基于反激式LED驱动器SSL2101，引入反馈信号控制，输出PWM脉冲到亮度引脚和PWM，形成固定电流输出，发光强度通过动态控制系统控制，然后根据热量分布实时控制电流。系统同时采用光传感器跟踪、自适应调节照明系统的亮度。在软件设计中，基于遗传算法优化PID算法参数，达到对输出电流的精确控制，同时提高 稳定性，输出使用交错式PFC控制器控制输出相位。

三、基于优化PID算法的大功率LED驱动电源硬件与软件设计

硬件电路包括系统控制器、固定电流源电路，A/D转换电路和交错式PFC控制器。目前，大多数数控固定电流源 设计都是基于51系列微控制器MCU，但是执行速度低、并且稳定性差。Atmega128微控制器具有高速工作处理能力，良好的稳定性，并且它有一个可编程的内置振荡器看门狗定时器，Atmega128微控制器拥有8个通道单端或者差分输入的10比特A/D转换器，本系统即使用Atmega128微控制器，它的定时器带来高精度、中断匹配功能，并且能够帮助实现高精度优化PID算法。固定电流源由输出电路、振荡器和缓冲器，VCC，电源划分控制电路，可变光学检测，电源网络总线缓冲器和输入电路。

SSL2101是NXP半导体公司的第一个集成可调LED驱动控制器的微控制器，它具有很多优点：高集成度、需要的外部元件少、高性价比，因此它是设计大功率LED驱动 电源的首选，本文选择SSL2101构成反激式电源转换器，图2是SSL2101反激式电路，反激式电源转换器包括输出电路、振荡器、缓冲电路，可调检测，电源网络总线缓冲器和输入电路。通过每个部分电路的功能设计和计算，我们设计了用于本系统的固定电流驱动电源。

本系统使用了PWM可调模式，采样信号经A/D处理，被送到控制器，然后控制器通过优化的PID算法 产生PWM控制信号。信号输出SSL2101亮度和PWM，然后实现优化的照明系统可调控制。设计中有灵活的可调设置，因为SSL2101能够获得温度测试模块的温度和光传感器测试得到的光通量信号。温度和光通量信号可以改变PWM脉冲信号的占空比，从而调节LED的亮度，它也能够在不同条件下通过程序设置调节，节省能量。

图1 大功率LED驱动电源原理图

图2 SSL2101反激式电路

图3 PID算法流程图 图4 主程序流程图

图5 使用相位管理前后的电源负载线

使用FAN9612芯片设计交错型PFC控制器，它能够使得两个信号输出相位相差180度。当切换周期有一个频率变化，控制器能够达到同步和锁定另外一个相位的频率。因此，这个方法能够降低损耗，特别是在大电流应用中。FAN9612拥有扩展的功耗范围，并且能够降低电流纹波、峰值电流。电源功耗转换效率可以达到96%。

PID控制器的参数调节是控制系统设计的核心内容，本文使用遗传算法，它可以优化参数设置提高PID控制的精度和电源的稳定性、更好的效率。遗传算法优化参数设置的流程图如图3所示。

首先，我们确定优化参数和编码方式，遗传算法实际上是一种智能搜索优化技术，本文，我们使用实际代码搜索PID控制器的三个参数kp，ki，kd。其次，产生原始群体。使用遗传代数学提高算法搜索范围，然后我们得到全局优化解决方法，本文随机产生90个初始个体。考虑参数搜索优化的实际要求和遗传算法的效率，我们设置最大 的遗传代为100。

然后，确定合适的函数GA，我们在进化搜索中不需要外部信息，进化搜索基于合适的函数和个体的适合值。因此选择合适的函数非常重要。它直接影响GA的收敛速度和是否能够找到优化的解决方法。ITAE指标是反映误差e(t)的积分的综合指标。如果系统响应，过冲和静态误差很低，这个值就会很低。

合适的函数定义如下：

首先，我们将离散化数据，然后我们根据前一步确定每个个体的遗传操作，计算每一代合适的函数值。最后，然后获得遗传操作。

复制操作：每个个体的选择概率Pi是：

Fi是个体i的自适应值，值越小越好，因此我们 在个体复制操作之前得到值的倒数，k是系数，N是个体的数量。

交叉操作：个体使用实际代码，因此交叉操作使用实际方法，这个方法使k染色体和i染色体的交叉操作如下：

其中b是一个在[0，1]之间的随机数。变异操作：

amax是基因aij的上限，amin是下限，f(g)=r2(1-g/Gmax)，r2是随机数，g是当前迭代，Gmax是进化的最大数，r是一个位于[0，1]之间的随机数。复上述步骤，直到完成100次操作，然后输出目标值，即是搜索优化的参数。

基于模块化思想，系统软件混合使用C和汇编语言编程，同时使用C语言的高效率和快速开发特点，汇编语言的简便性，系统软件包括输出设置、电流调节等。软件包括主程序，A/D采样子程序和按钮控制程序，PID算法子程序，优化算法子程序，显示子程序等。主程序的流程图如图4。

四、实验数据分析

表1是测试得到的电源电压变化时的电流值，负载效率曲线通过使用交错型PFC控制器得到了很大提高，仿真示于图5， 曲线表明了使用相位管理对性能的提高。

五、结语

本文中设计基于反激式LED驱动器SSL2101，并且利用了新的微处理器Atmega128实时采样负载电流，然后通过优化的PID算法处理用户设置的电流值。最后，我们通过算法结果反馈控制电流源，固定电源的精度和稳定性得到了很大提高。实验结果表明这个方法能够用于实际应用。

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