無(wú)線LED照明驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要有：無(wú)線供電模塊、恒流驅(qū)動(dòng)源模塊、有源電力濾波器(APF)模塊、控制電路，系統(tǒng)總體框圖如圖1 所示。其中，逆變裝置、整流濾波2 構(gòu)成無(wú)線供電模塊;正激變換電路、整流濾波3 構(gòu)成恒流源驅(qū)動(dòng)模塊。MCU 通過(guò)光電池進(jìn)行光照采集對(duì)輸出電流進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)以使輸出穩(wěn)壓、恒流。APF通過(guò)主控制器輸出電流來(lái)抵消由無(wú)線驅(qū)動(dòng)模塊注入電網(wǎng)的電流諧波，以改善輸入端電能質(zhì)量。

2 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

2.1 無(wú)線供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

無(wú)線供電系統(tǒng)由控制端、發(fā)射端、負(fù)載整流電路組成，分別通過(guò)電磁耦合(近距離傳輸方式)和電磁共振(遠(yuǎn)距離傳輸方式)，實(shí)現(xiàn)無(wú)線供電，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示。

發(fā)射端主要由逆變器和傳輸通道組成。逆變器負(fù)責(zé)將直流電(DC)轉(zhuǎn)化為交流電(AC)的裝置，它由逆變橋、控制邏輯和濾波電路組成。近距離逆變頻率為200~500 kHz，通過(guò)電磁耦合的方式傳輸，使用U 形松耦合鐵氧體磁芯隔離實(shí)現(xiàn)無(wú)線供電，如圖3。

遠(yuǎn)距離逆變頻率為1 MHz，通過(guò)電磁共振的方式傳輸,采用空心變壓器耦合， 將初級(jí)和次級(jí)分別纏繞在圓筒上，作為傳輸介質(zhì)，達(dá)到遠(yuǎn)距離電能傳輸，如圖4 所示。

本系統(tǒng)通過(guò)智能切換傳輸方式，達(dá)到穩(wěn)定的高效傳輸電能。次級(jí)在初級(jí)等效電阻與距離的關(guān)系如圖5，z 為阻抗，L 為距離，只有在L0 的位置等效阻抗為最小。根據(jù)此原理，當(dāng)接收距離遠(yuǎn)離L0 時(shí)，阻抗增大，初級(jí)電流減小，通過(guò)霍爾電流傳感器采集初級(jí)輸入電流大小，判斷模式的切換。

2.2 恒流源電路

恒流源系統(tǒng)主要由DC/DC 正激變換電路和MCU 控制電路組成。正激變換電路為L(zhǎng)ED 恒流驅(qū)動(dòng)源，如圖6。逆變器輸出經(jīng)整流濾波后以芯片L7824ACV 作穩(wěn)壓，為DC/DC 變換電路提供+24 V 輸入。該結(jié)構(gòu)的恒流源具有高精度輸出的特點(diǎn)，其輸出功率取決于變壓器參數(shù)的選擇，一般能達(dá)32 W 以上，滿足大多數(shù)人LED 照明應(yīng)用場(chǎng)合的功率要求。

該電路采用TL494 作恒流控制芯片， 開(kāi)關(guān)頻率fosc由式fosc=1.1/(RTCT)設(shè)定，通過(guò)電位器R4 調(diào)節(jié)死區(qū)時(shí)間，其電流輸出誤差可<1%。圖6 中，RS 為電流取樣電阻; R3 為反饋電壓采樣電阻，用來(lái)限制最大輸出電壓。當(dāng)輸出電流變化時(shí)，引腳2(1IN-)的電位也隨之變化，通過(guò)TL494 內(nèi)部誤差放大比較以后改變PWM 驅(qū)動(dòng)信號(hào)的占空比， 實(shí)現(xiàn)輸出電流的負(fù)反饋調(diào)整。單片機(jī)通過(guò)A/D 采集光電池電壓， 進(jìn)行判斷后輸出PWM 經(jīng)過(guò)低通濾波器變成大小與占空比成正比的基準(zhǔn)電壓來(lái)改變輸出電流大小， 達(dá)到自動(dòng)調(diào)節(jié)LED 發(fā)光強(qiáng)度的目的，其中運(yùn)放作的電壓跟隨器起隔離和增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力的作用。調(diào)節(jié)R2 可改變基準(zhǔn)電壓與輸出電流的比例關(guān)系。L1、D3 為磁泄放繞組，以防止變壓器初級(jí)線圈磁飽和，使在開(kāi)關(guān)管關(guān)斷期間能為初級(jí)線圈提供磁復(fù)位。由于TL494 驅(qū)動(dòng)能力有限，所以通過(guò)三極管推挽輸出，增加TL494 驅(qū)動(dòng)能力。

表1 為以輸出16 W 為例的DC/DC 變換電路實(shí)物測(cè)試結(jié)果，證明了該恒流源能夠?qū)崿F(xiàn)較高效率和高精度的電流輸出。

2.3 諧波補(bǔ)償系統(tǒng)

2.3.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

諧波補(bǔ)償系統(tǒng)硬件主要由有源電力濾波器(APF)完成，結(jié)構(gòu)如圖7 所示。本文采用TMS320F2812 型號(hào)的數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)作為核心控制和信號(hào)處理單元。調(diào)理電路主要有電流/電壓傳感器信號(hào)放大、整流，抗混疊濾波。電流傳感器1采樣負(fù)載端三相電流，通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路送入DSP 經(jīng)A/D 采集后作諧波電流萃取算法和控制算法處理，并驅(qū)動(dòng)逆變器對(duì)諧波電流作相應(yīng)的抵消, 以電流傳感器2 采樣輸出的補(bǔ)償電流作反饋調(diào)節(jié)。逆變器直流母線電壓經(jīng)霍爾電壓傳感器變換供給DSP 的內(nèi)部A/D 采集，通過(guò)算法控制其直流側(cè)電容電壓穩(wěn)定。三相電壓信號(hào)的過(guò)零點(diǎn)作為過(guò)零觸發(fā)信號(hào)，作為每個(gè)周期軟件處理清零和起始信號(hào)。

2.3.2 諧波電流萃取算法

1)三相瞬時(shí)無(wú)功功率原理

該補(bǔ)償系統(tǒng)軟件部分主要包括諧波電流萃取算法，采用目前常用的三相瞬時(shí)無(wú)功功率理論(亦稱(chēng)ip-iq 算法)。該檢測(cè)法通過(guò)某一轉(zhuǎn)移矩陣將三相電流與基于該理論所分解出的ip 和iq 電流分量有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，并以此為出發(fā)點(diǎn)可以分別得到三相電流諧波和無(wú)功電流，其表達(dá)式為：

通過(guò)低通濾波器(LPF)可將對(duì)應(yīng)基波電流的分量分離出來(lái)，由于ipf，iqf，可由基波分量iaf，ibf，icf 變換得到，因而ipf，iqf，經(jīng)反變換即可得到三相電流中的iaf，ibf，icf 即：

當(dāng)要求同時(shí)檢測(cè)出諧波和無(wú)功電流時(shí)， 只需忽略計(jì)算ip的通道， 由ipf 計(jì)算出被檢測(cè)電流的基波有功分量iapf ， ibpf ，icpf，即：

將ia，ib，ic 與iapf，ibpf，icpf 相減，即可得出ia，ib，ic 的諧波分量波和基波無(wú)功分量。

2)仿真結(jié)果

文中基于DSP 編譯環(huán)境CCS3.3 的仿真模式對(duì)該算法進(jìn)行仿真，假設(shè)原三相輸入電流為相位差120°的50 Hz正弦波，并以單相被削波失真為例說(shuō)明。圖8(a)為單相削波失真波形，根據(jù)總諧波畸變率(THD)計(jì)算式：

其中Ih 為各次諧波電流的有效值，I1 為基波電流有效值， 對(duì)波形作頻譜分析可計(jì)算得該相初始電流為12.2%。圖8(b)為經(jīng)算法提取諧波后的基波波形，經(jīng)三相瞬時(shí)無(wú)功功率算法濾波后，諧波電流基本消除，原始波形被還原。

3 結(jié)論

該系統(tǒng)沒(méi)有電線的限制，LED 可以在無(wú)線供電接受范圍內(nèi)任意安裝，并通過(guò)光電傳感器自動(dòng)感光來(lái)調(diào)節(jié)LED 亮度。同時(shí)利用有源電力濾波器諧波補(bǔ)償技術(shù)， 設(shè)計(jì)出與無(wú)線驅(qū)動(dòng)模塊配套的消諧波裝置，以濾除系統(tǒng)運(yùn)作中的高次電流諧波，降低輸電網(wǎng)的總諧波失真。本設(shè)計(jì)可以應(yīng)用到家居、車(chē)載、場(chǎng)景或景觀LED 照明中，有效地提高照明分布的靈活性，節(jié)約電能和減小光污染，并改善電能質(zhì)量，有著廣泛的應(yīng)用前景。