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用于LED智能照明的动态照度测量和控制
摘要
室内照明的能源管理对于建设智慧城市至关重要。 一个根据日光水平使电灯变暗的照明系统有助于节能。 实现这种日光控制的最常见方法之一是测量日光和电灯的组合，并确定电灯的调光水平。 基于PWM调光原理，我们提出了一种用于LED的低计算成本和部分反馈闭环控制方案，该方案仅测量和反馈日光的贡献，而不是两个光水平的贡献，来确定电光的输出。 使用光电传感器TEMT6000，提出了一个原型来验证部分反馈方案。 实验表明，部分反馈控制器具有令人满意的稳定亮度的能力。
1.介绍
智慧城市负责平衡环境和自然资源； 因此，节能照明对于降低能源成本，促进环境和经济可持续性至关重要[1]。 考虑到建筑物消耗的30-45％的电能用于照明[2]，除了城市照明外，室内照明的能源管理应成为建设智慧城市的重要问题； 室内照明的节能潜力很大，在某些地区高达60％[3,4]。 借助自动控制技术，日光收集可以有效节省建筑物消耗的室内照明能量。 为了平衡能量消耗和乘员的舒适感，当日光不足时，可以使用日光收集昏暗的电灯来保持工作平面上的混合照度恒定[5-7]。
工作平面的实际照度由日光照明和电照明两者结合得出。 众所周知，大多数照度的闭环控制都是通过光电检测器来测量的，而人造光会根据测量值而变暗[8-10]。 然而，文献[11]提出了一种开环照明控制方案，其中LED依次充当传感器和发射器。 当LED在感应模式下工作时测量照度，因此将日光与电光分开，因此，仅使用日光贡献来调暗电光。
利用LED的超快开关速度，我们提出了一种带有光电传感器的局部闭环控制方案，该方案可以在LED的关闭期间完成测量，然后仅测量并返回由日光贡献的部分照度。 。 与[11]中用作传感器的LED相比，光电传感器具有可靠和成熟的特点。
否则，没有复杂的协议和较低的计算成本意味着易于实现部分反馈。
最初，LED被制造为发光器而不是检测器，无论设计和制造如何，所有重点都放在改善和稳定照明性能上。 作为光传感器，可能无法保证一致性，因此与批量应用相反，LED提供的结果可能会发生巨大变化。 特别是，它的响应度不适用于人眼，因此与专用的光电传感器相比，通过倒置的LED简单难以获得准确的照度。
- 部分照度反馈的原理
受PWM调光原理的启发，我们将一个控制周期T分为两个时隙； 电灯插槽TON和电灯插槽TOFF，其中T = TON TOFF。 时隙与照度之间的映射如图1所示。其中EL是人造光的照度，ED是日光的照度，根据辐射度理论，ET = ED EL是总照度[12]。
根据PWM调光原理，平均照度为：
其中DOVE = TON / T是整个占空比。 根据上面的方程，我们知道在给定平均照度EAVG的情况下，可以仅使用DOVE和日光照度ED而不是组合来计算人造光照度EL。 显然，DOVE是可以预先配置的，而ED是可以动态测量的。 考虑LED的线性PWM调光特性[13]，EL = EL_MAX-DDIM，其中EL_MAX是LED产生的最大照度，将EL代入方程式的左侧。 （2）对于EL_MAX DDIM，则在TON持续时间内使用的调光占空比DDIM为：
在等式中 （3），DDIM与平均照度EAVG和日照度ED之差成正比。 部分反馈和P控制器是比例积分微分（PID）控制器的特例，其表达方式相似。 但是，给定LED和整个占空比DOVE，则方程式的比例系数1 /（EL_MAX DOVE）。 （3）可以预先确定，而无需进行参数调整过程，这对于PID控制器是必不可少的。 部分反馈直接给出了比例系数的定义，这比P控制器更清晰。 因此，部分反馈控制器比P控制器更具适应性。 它的输入是EAVG与ED之差，而输出是调光占空比DDIM。
部分反馈必须从混合光中排除电光，以仅获得日光的贡献。 我们通过在测量之前完全关闭LED来从组合中提取日光，因此在与给定的平均照度EAVG（即输入变量ER）进行比较之前，单独测量了日光的贡献。 然后，使用等式将ER和ED之间的差异转换为DDIM。 （3）对于部分反馈控制器，将DDIM输入到昏暗的电灯中以获得合理的EL，如图2（a）所示。 与显示一般反馈的图2（b）相比，仅将日光而不是光组合反馈给输入。 利用LED的超快开关速度，提取速度可以足够快以避免闪烁。
- 部分反馈的控制算法
控制算法的功能是动态测量日光照度并计算基于在一系列控制周期中，采用部分反馈的原理并保持恒定的混合照度。 为了控制照度，应该对每个控制周期执行三个操作，即调光信号的测量，计算和输出，如上所述，该控制周期由TON和TOFF组成。 如图3所示，在TOFF期间连续进行了测量和计算，同时输出了整个TON的信号。
根据等式。 （1），第n个控制周期的平均照度为：
其中En_D和En_L是第n个控制周期的日光和电灯的单独照度贡献。 对于LED En_L = EL_MAX Dn_DIM，其中Dn_DIM是第n个TON输出的PWM调光信号的占空比，EL_MAX是LED产生的最大照度。 用EL_MAX Dn_DIM替换En_L到上式中，第n个周期的平均照度表示如下：
将总占空比TON / T = DOVE，TOFF / T = 1 DOVE代入上式，调光占空比Dn_DIM可以通过以下公式计算：
上面的等式可以用作部分反馈的数字控制器，如果En_AVG预计为常数，则为日光收集的基本特征； 在一系列控制周期中，该控制器可单独用于仅基于日光的昏暗电灯，以稳定工作面上的照度。 另外，照度应从TOFF的开始到LED完全放电为止的时间间隔tdly之后进行测量。 否则，LED的余辉会使测量结果大于仅通过日光进行的实际照度，并且组合光会低于预期。
总的来说，占空比DOVE涉及分配一个完整的采样，计算和输出周期，而不只是作为调光信号的参数，与矩形波的占空比不同，矩形波的占空比定义为比率 高级别时间达到一个周期。 尽管DOVE影响照度的数量，但在相同的调光占空比Dn_DIM下，DOVE越大，输出时间TON越长，那么获得的照度就越大，如图3所示。
当电源关闭时，LED逐渐而不是瞬间熄灭，这是因为电路的电容器和电感器节省了能量，除了LED使用的荧光粉外，如图4所示。 处于关闭状态的LED称为余辉。 测得的照度是日照度ED和余辉照度EL_A的总和，不要误认为是Eq。 （6）存在余辉时。 因为总和大于En_D，所以Dn_DIM由公式计算得出。 根据En_L = EL_MAX Dn_DIM，（6）低于预期，因此人造光输出的En_L较低。 但是，日光的变化相对较慢，在短时间内几乎不变。 然后，较低的En_L使组合照度小于期望值。 因此，应在余辉消失后开始照度的测量。
根据人的视觉特征，照度的部分反馈直接计算电光的量以补偿照度，这与模糊逻辑和PID控制器不同，后者部分取决于经验和尝试以获得最佳控制结果[14] ]。
对于一般的照明应用场景，测量时间应足够短，以避免闪烁并为乘员带来舒适感，但是，对于照明测量，分辨率为50 lx甚至更低是可以接受的。 未经校准，数字环境光传感器BH1750FVI直接通过I2C接口输出照度，与模拟传感器相比，系统可以轻松实现该照度。 但是，由于其较低的时钟频率（通常为320 kHz），测量时间相对较长，至少16 ms。 使用模拟照度传感器和高速ADC，测量时间可短至数十微秒或更短。
如图5（a）所示，我们展示了一种智能LED照明驱动器，其STC15F2K60S2是一个8位微程序控制单元（MCU），集成了一个高速10位模数转换器（ADC）作为处理器 ，TEMT6000是硅NPN外延平面光电晶体管作为传感器，而PT4115是恒流降压转换器作为驱动器。 与串联的集电极串联的10 KX电阻将TEMT6000的光电流与可见光的强度成比例，将其转换为电压，然后通过STC15F2K60S2的ADC将电压数字化。 系统时钟为12 MHz时，其ADC的转换时间短至9 ms。 实验系统各组成部分之间的链接如图6所示。
上面提到的控制算法可应用于照度几乎与占空比成正比的人造光，例如LED。 如图7所示，在控制器的驱动下，我们使用商用照明器中的3 W LED呈现了这种关系。根据测量，占空比几乎与照度成正比，最大照度EL_MAX约为 3100 lx。 显然，结果并非唯一，随测量位置的不同而不同。
我们介绍了电压的数字值和照度之间的关系。 但是，由控制器转换的电压的数字值会随着PWM调光而剧烈波动。 除了TEMT6000对光的响应时间短之外，与STC15F2K60S2集成的ADC的转换时间（系统时钟为12 MHz）也短至9 ms，足以捕捉PWM调光引起的照度的快速波动。 为了消除波动，我们使用了一个2 mF以上的电容器，该电容器与TEMT6000模块的输出引脚并联连接。 根据图8，测量分辨率约为5.2 lx，足以用于照明应用。
- 余辉特性的测量
如上所述，进入时隙TOFF时，直到LED的余辉完全消失后才开始进行照度测量。 否则，照度是日光和余辉的结合，大于纯日光的贡献。 因此，电灯照度EL小于期望值，使得组合照度不足。
我们使用上述实验系统测量了LED的余辉特性。 LED由间歇的PWM调光信号调光，该信号直接通过MCU的PWM单元输出，如图9所示。照度是在信号的间隙周期内测得的。 信号进入间隔时间后，便启动了一个软定时器，用于预先设置时间延迟。 经过预设的延迟后，测量开始和结果从MCU的通用异步接收器/发送器（UART）输出，并发送到上位机。
我们使用由ADC转换的数字值来表示余辉在测试点上的照度。 根据图10，占空比确定了余辉特性； 占空比越大，初始余辉越高。 当占空比为100％时，余辉照度随着时间的流逝而降低，并从800毫秒后的初始值开始变为零。 显然，余辉的时间因系统而异，除了LED本身外，电容器的能量存储特性和构成驱动系统的电感都会影响余辉特性。
- 照度控制实验
利用本文提出的智能驱动器，当电灯或日光提供背景光时，我们验证了部分反馈的能力，以保持预期的照度，例如工作平面上的1000 lx。 保持恒定照度的流程图如图11所示。三个关键参数分别是测试分辨率，电灯产生的最大照度EL_MAX和程序中使用的总占空比DOVE。 根据方程式5.2 lx，3100 lx和50％ （6）。
6.1。 以人造光为背景的实验
为了便于调节背景照度EB，使用具有四级输出的现成的可调光LED灯作为背景光的提供者。 通过调整其相对于光电传感器和照度计的位置以及LED的亮度，可以获得背景照度。 例如，获得的一系列背景照度为0 lx，38 lx，214 lx，522 lx和769 lx。
实验表明，当EB小于预期照度EEXP时，部分反馈控制器确实可以适当地调暗电灯以补偿照度。 当EB大于EEXP时，LED熄灭，照度仅由EB贡献，例如522 lx和769 lx，位于蓝色曲线上的最后两个点与EEXP 500 lx相关，如图12所示。 组合照度与预期的最大值是30 lx。 考虑到当室内照明范围为300至1000 lx时，通常无法检测到小于50 lx的照度变化[15]，这是对一般情况的一种改进。
6.2。 以阳光为背景进行实验
直射阳光下EEXP的组合照度与预期照度之间存在很大差异。 在黎明和黄昏时，当日照度小于50 lx时，EEXP与实际照度之间的差异是可以接受的，但是当早晨的直射日光大于2000 lx时，当早晨EEXP = 1000 lx时，观察到明显的高于400 lx的差异。 。 原因应包括参数，例如程序中使用的分辨率是使用垂直入射光校准的，但是TEMT6000的光电响应度会随光的入射角而变化。 直射日光几乎不垂直于传感器的接收表面。 因此，使用了与参数的大小写冲突。 专为TEMT6000设计的余弦校正器应提高直接日光场景的性能。
在靠近山丘北侧的家庭环境中，在12月进行了散射阳光的实验。
被小山阻挡，阳光无法直接进入房间。
使用了两个带有USB接口的照度计，分别编号为“ 1”和“ 2”。 照度计1固定在靠近落地窗脚的阳台上，用于记录日光的变化。 照度计2靠近灯放置以测试组合照度，其相对于灯和传感器TEMT6000的位置与校准过程中的位置相同。 在图13中，照度计1的位置标记为RP，即测试点，而照度计2的位置标记为TP。 照度计收集的数据每五分钟通过USB自动上传到上位机，然后由程序另存为文件。
实验在每天的6:00至18:00进行，预期照度为1000 lx，从测试点TP获得的关于时间与照度的一些实验结果如图14所示。 考虑图11，当背景照度EB大于1000 lx，LED熄灭并且部分反馈控制器停止以调节照度，因此显示了1000 lx左右的部分照度，而不是全部。 根据结果，即使在传感器TEMT6000上不进行余弦校正，局部反馈算法也能很好地应对散射的阳光。
根据图14（a）和（b），随着日光的增加和减少，所有组合的照度曲线分别在早晨和下午绕着预期的1000 lx向下弯曲。
将（c）与（e）进行比较，以及（d）与（f）进行比较，下降幅度与天气状况有关，多云时的下降幅度要比晴天时的下降幅度低。 造成这种情况的原因可能是，除了山坡之外， 云再次散射阳光，相当于在TEMT6000上进行的余弦校正，进一步用照度计校正了差异。 日光的变化速度可能反映了天气情况。 通常，阴天的速度要比晴天慢。 因此，（c）中给出的阴天照度准确显示了发生的情况。
7结论
基于PWM调光原理，我们提出了一种针对LED的部分反馈照明控制方案，该方案可在关灯期间测量照度，仅使用日光照度来控制照度。 考虑到LED的超快开关速度和人
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