植物照明光谱建模和LED驱动调光控制_虞玲.pdf

年 月 第 卷 第 期 照明工程学报 植物照明光谱建模和 驱动调光控制 虞 玲 林维明 黄舒晨 福建省新能源发电与电能变换重点实验室 福州大学 福建福州 摘 要 为进一步优化 植物照明各色光谱组合调光应用 通过分析 种 在不同电流条件下的光谱 提出 了基于电流影响的非对称 光谱数学模型 对 各色 光源进行了拟合验证 为实现所提出光谱模 型的光谱匹配调光控制 提出了一种单级 四路输出 驱动电路 基于优化拟合光谱 提出了一种基于光 谱需求的调光控制策略 开展了计算机仿真分析和研制了一台额定功率 交流输入电压有效值范围在 的所提出电路实验样机及其调光控制策略 实验结果满足 类标准 实现植物照明光谱最优配置 在输入交流电压有效值为 时 效率达到最高值 调光控制提供了符合植物生长需求的最佳光谱 计 算机仿真和实验结果验证了所提出光谱模型 驱动电路及其调光控制策略的有效性 关键词 植物照明 光谱数学模型 单级四路输出 驱动电路 光谱匹配 调光控制策略 中图分类号 文献标识码 基金项目 福建省科技厅高校产学重大项目 通信作者 林维明 照明工程学报 年 月 引言 随着 技术的不断发展 光谱建模也逐 渐成为 植物照明领域的关键研究领域之一 早期 光谱建模主要依靠实验数据和经验模型进 行分析和预测 随着光学理论和计算机仿真技术的 发展 光谱建模逐渐引入理论模型的应用 研 究者开始发展基于物理原理的模型 随着计算 机性能的提升和数值模拟技术的成熟 光谱建 模逐渐转向数值模拟和优化方法 通过数值模拟 可以对 的光谱进行更精确的预测和分析 同时 优化 器件的结构和材料 以实现更高的发光 效率 调光技术的发展也经历了从早期的简单控 制到现代智能化 精准化的转变 作为植物照明的 核心支撑技术 调光系统通过动态调控光强 光谱 及光周期 能够精准匹配不同作物各生长阶段的光 需求 早期的 调光主要依赖于基本的电流或电 压调节 通过改变驱动电流或电压实现光强的调整 但这种方法在精度和灵活性上存在局限性 随着技 术的进步 研究者开始引入基于物理模型的调光方 法 例如利用 的电流和温度依赖性来优化光谱 输出 从而实现更高效的光强控制 进入 世 纪后 调光技术逐渐向智能化方向发展 通过 结合遗传算法 机器学习等先进算法 研究者能够 自动优化光谱参数 实现精准的光强和色温调 节 未来 调光技术的发展将更加注重智能 化和高效化 一方面 随着人工智能和物联网技术 的融合 调光系统将能够根据作物生长周期或环境 变化动态调整光强和光谱分布 另一方面 基于新 材料和新结构的 器件将进一步提升调光精度和 效率 通常情况下 驱动电源采用的主电路拓扑 是两级级联电路结构 包括前级 电路和后级 电路 这种两级级联结构在 驱动电源中 被广泛应用 但在中小功率场合却存在效率低和多 套控制电路等问题 植物照明系统需要能够提 供包括红光 蓝光 紫外光 黄绿光等多种波长的 光 为了实现多波长组合和基于光谱模型的调光 植物照明系统通常采用多路输出设计 每一路要求 独立控制特定波长或特定光谱组合的光源 通过精 确调节每一路的输出 实现复杂的光谱组合和动态 光照模拟 本文为进一步优化植物照明光谱匹配 测量了 种 灯不同电流下的光谱 提出一种含电流 参数的非对称 光谱模型 利用此模型对太阳光 谱进行光谱拟合 同时 研制了一台额定功率 交流输入电压有效值范围在 的所 提出电路样机 提出一种结合光谱拟合的调光策略 该策略将不同波长的光源以适当的比例组合 以获 得符合植物生长需求的光照 根据拟合太阳光最优 配置 紫外光 绿光 蓝光 和红光 实验测量数据 值均高于 在交流输入电压有效值为 时 效率最高为 各路 实现基于光谱数学模型的调光 策略调光 非对称 光谱数学模型 光谱特性 以 光源光强度为纵坐标 以波长为横坐 标 可绘制出一条光谱分布曲线 如图 所示 由 其可确定 光源的主波长 光谱半高宽度等色度 学参数 对于单色 尽管不同种类和不同型号 的 光谱分布图所处的波长范围和形状不同 但 都在某一波长位置处 灯的相对发光强度最大 该波长被称为峰值波长 用 表示 此外 在 光谱曲线峰值两侧 存在发光强度等于峰值一 半的两个点 图 中的 点和 点 这两个点之 间的宽度叫做光谱的半高宽度 用 表示 表征 单色性的好坏 非对称 光谱数学模型 实际 的光谱谱线是表征导带上若干电子占 据态和价带上空穴占据态这两类能态之间光跃迁的 总和 由于这些电子空穴的热分布效应 各自引起 跃迁的能量有所不同 因此实际上大多数 的光 谱谱线是不对称的 若用对称高斯函数或洛伦兹函 数来描述单色 光谱的模型误差较大 本文从 发射光谱的研究入手 以光子能量 为横坐标 发射光谱 与电子 空穴状 态的联合密度和导带 价带中能态占有概率分布的 乘积成正比 得到发射光谱表达式 第 卷第 期虞玲等 植物照明光谱建模和 驱动调光控制 图 单色 光谱波长分布示意图 式中 是电子 空穴辐射复合寿命 是电子 和空穴的状态联合密度 描述了当 芯片实现热平衡时通过费米 狄拉克统计得到导带和 价带中能态的占有概率 如式 所示 nullnullnull nullnullnull 式中 为费米能级 为粒子的波数 为载流 子的温度 单位为 实际 半导体结的辐射机制非常复杂 其半 导体材料量子阱中成分或厚度的波动会引起载流子 形成局域态 因此将载流子的状态密度 描述 成 形函数 如式 所示 null nullnull null nullnull 式中 参数 取决于半导体材料 因此 以光子能量为研究变量时 单色 的 辐射光谱模型可表示为 null nullnull null nullnull nullnullnull nullnullnull 式中 为系数 能量 与波长 的关系为 为普朗克常数 为光速 代入后再经 简化可得最终非对称光谱模型 null nullnull null nullnull null nullnull null nullnull 式中 为待拟合参数 与半导 体的材料有关 和 的取值与 的峰值波长 线性相关 的值与 光谱的半高宽度 相关 电流影响的 光谱模型 电流对 光谱峰值波长的影响 在 的驱动电流发生变化时 实验结果显 示 种 的峰值波长发生了各不相同的变化 其中 紫外光和蓝光范围的 峰值波长基本上没 有发生漂移 而黄绿光和红光范围的 则表现出 较好的单色性 其峰值波长偏移变化较大 大于 的单色 光漂移情况见表 表 波长大于 的 的实测峰值波长范围 主波长 电流范围 峰值波长范围 电流影响的非对称 光谱模型 通过对以上数据进行分析波长在 以上的 波长峰值随电流变化的规律 为了确定最佳的 拟合函数形式 分别采用一次到四次等多项式进行 拟合 基于综合考虑 最终选择采用三次多项式来 拟合 峰值波长随电流变化的函数 如式 所示 该模型能保证拟合的准确性 又能降低 计算复杂度 在实际应用中更加可行和可靠 以 的 峰值波长变化为例 其峰值波 长变化三项式拟合波形如图 所示 达到为 具体各波长 拟合结果及参数见表 式 中 和 的取值与 的峰值波 长相关 可以用式 来表示上述参数与峰值波 长的关系 null 式中 为待拟合参数 照明工程学报 年 月 图 峰值波长变化三项式拟合 表 峰值波长拟合参数及相关系数 主波长 将三次多项式拟合后的峰值波长计算式带入 式 即可得到精确度更高的单色 光谱 模型 null nullnull null nullnull null nullnull null nullnull 模型验证与分析 为验证本文提出的基于电流影响的 光谱数 学模型的准确性 选择从紫外光 约 到红 光 约 范围的 种 芯片进行测试 得到其各自的光谱数据 并进行分析验证 实验的 示意图如图 所示 在光谱分析 图像处理 机器学习等领域 算法广泛应用于非线性 参数估计和曲线拟合问题 图 光学实验装置示意图 式中 为误差平方和 为预测值 为光 谱测试得到的实际数据 本文使用 算法和 软件进行非线性回 归分析 对所提出的光谱模型的数据进行了拟合 该非对称模型包含了待拟合参数 并采用了拟合相关系数作为评估指标 拟合相 关系数反映了实际观测数据与拟合模型之间的相关 程度 其值越接近 表示拟合程度越好 表 为 种 模型的各拟合参数及拟合相关系数 图 为 种 芯片测量值与本文所提出的基于宽电流影 响光谱模型的模型曲线的比较 表 单色 光谱模型拟合参数及相关系数 波长 植物生长光谱匹配拟合算法 基于所提出的电流变量的单色 光谱进阶数 学模型 以太阳光谱作为目标光谱 通过研究拟合 算法组合 的光谱和相对强度 可以获得与目标 光谱最接近的拟合结果 使用改进柯西粒子群算法 拟合太阳光谱 该方法通过引入柯西变 第 卷第 期虞玲等 植物照明光谱建模和 驱动调光控制 图 种 芯片的光谱测量值与模型曲线比较 异增强搜索多样性 避免局部最优 算法结合实测 单色 光谱 通过动态调整策略优化光谱匹配精 度 最终得到匹配度最高的对应四路输出电流 算 法流程图如图 所示 将改进的 算法应用于 种不同 光 谱来进行太阳光的光谱拟合 实验结果表明 改进 的粒子群算法补偿拟合目标光谱 均方根误差仅为 展示了更高的匹配精度和效率 最优电流 配置结果为紫外光 绿光 蓝光 和红光 照明工程学报 年 月 图 光谱合成改进粒子群算法流程图 驱动调光控制 集成单级多路输出 驱动电路 基于第二节 光谱拟合的结果 提出一种基 于集成单级 四路输出 驱动电路 使用 单电感多输出变换器 通过分时复用技术实现集成 单级驱动电路输出电感的共用 实现 和紫色四路组合单色 驱动控制 图 所示为本文提出的单级四路输出 驱动电路 该单级变换器结构由 电路单元和 型单电感多输出 电路单 元集成 支路开关管为辅助开关管 选择导通各 支路 该驱动电路采用 电路单元 主要目 的是实现功率因数校正 在该拓扑中 前级电感 图 单级四路输出 驱动电路原理图 与二极管 串联 阻断 的反向电流 稳定了 的电流波形 解除其与电感 间的耦合关系 使得 和 能够在独立的工作模式下工作 同时 在 模式下 变换器的输入电流波形可以 更紧密地跟随输入电压波形 实现自动功率因数 校正 多输出 电路单元采用单电感多输出的 拓扑结构 用于将 电路单元的高电压 转换为稳定的低电压供 使用 二极管 保证即使在开关状态改变时 也不会 在输出通道中产生电流反向的情况 直流输出开关 和 负责选择四路输出通道的分时复用 控制 在 导通而 断开的情况下 驱动 电路为 通道的 供电 当 导通而 断开时 供电切换至 通道的 当 导通而 断开时 供电切换至 通道的 当 导通而 断开时 供电切换至 通道的 工作在 模式下 控制简单且 能够避免各路之间的交叉干扰 特定单色 波长峰值控制策略 在植物照明应用中 除了通过光谱拟合技术来 匹配植物对特定光谱的需求之外 还可以通过控制 光源的峰值波长来达到促进植物生长的目的 该方 法涉及到精确调节光源 以符合植物光合作用的光 谱吸收特性 植物对光的吸收并不是均匀的 而 是在某些特定的波长范围内更为有效 如蓝光和红 第 卷第 期虞玲等 植物照明光谱建模和 驱动调光控制 光波段 通过调整 发光的峰值波长 可以直接 影响植物的生长速度 开花情况以及果实成熟的 时间 结合本文研究的单色 峰值波长与电流关 系的数学模型 基于波长为 的八种 单色 本文采用的 峰值波长控制方案为 通过电流采样电路 将采样值通过 采样口进入 根据第二章建立的峰值波长数学模型得到峰 值波长的采样值 并与 中设定的单色 峰 值波长基准值比较 若采样值 大于设定的基准 值 经过 调节后 输出的占空比减小 逐渐降低平均电流值 使得 的峰值波长减小 至与基准值相等 反之 输出的占空比增大 逐渐增加平均电流值 使得 发光的峰值波长 增大至与基准值相等 其控制流程图如图 所示 图 发光的峰值波长控制框图 仿真与实验结果 仿真结果 为验证所提出电路的有效性 本章通过 对所提出的四路恒流输出电路进行仿真验证 表 为电路仿真参数 图 为输入电压有效值分别在 下 输入电压 输入电流 以及中 间电容电压 的仿真波形图 从图中可以看到在不 同交流输入电压下 输入电流的波形均能较好地跟 踪输入电压的波形 证明了 的作用 仿真结果 还显示 在 的输入电压条件下 中间电容的电 压约为 在 输入时 电容电压增至约 表 电路仿真参数 参数值 输入交流电压有效值 电网频率 主开关管 复用频率 路 串额定电流 路 串额定电流 路 串额定电流 路 串额定电流 电感 电感 中间储能电容 输出电容 图 为该电路四条支路的额定输出电流 对应四路光色为紫外光 绿光 蓝光 红 光 按照 的配比 分别为 时的仿真波形 可以看 出各支路输出电流与目标配比结果一致 说明该电 路能够按照预期提供所需的额定电流 且最大输出 电流纹波为 当四路输出电流分别为 时 四路输出电流的仿 真波形如图 所示 其最大输出电流纹波 为 实验结果 为了验证本文所提出高精度光谱模型与调光控 制策略和基于集成单级多路 驱动电路的有效 性 搭建了一台分时复用调节每路电流特性的 集成单级四路恒流输出 植物照明驱动电路 的实验样机 如图 所示 节给出了主电路的电感电容参数 其余器 件的选择与相关参数见表 表 基于光谱拟合的调光策略 本文采用的基于集成单级四路输出电路的四路 额定电流与太阳光谱拟合结果相匹配 对应的四路 输出电流分别为波长从 的紫外光 波长从 的绿光 波长 从 的蓝光 波长从 照明工程学报 年 月 图 输入电压 输入电流 中间电容电压仿真波形 图 输出电流波形图 的红光 如图 所示为额定情况下 的四路输出电流实验波形 其最大纹波为 表 为不同输入情况下各路输出电流的实测数据和 误差精度 电路输出电流最大的恒流误差为 满足设计要求 如图 所示为四路输出负载电流拟合太阳光情 况下的样机效率随输入交流电压变化的曲线 可见 样机的效率随输入电压的增加逐步下降 在输入交 流电压有效值为 时 样机的效率达到最高 为 满足电路的设计指标 第 卷第 期虞玲等 植物照明光谱建模和 驱动调光控制 表 功率器件参数 器件选择与参数 整流桥 主开关管与支路开关管 沟道功率 管 二极管 控制芯片 表 规格 尺寸 功率 正向电压 紫外光 绿光 蓝光 红光 图 实验样机 图 额定情况下四路输出电流实验波形 草莓最佳输出配比调光策略 为了验证本文所提出的拓扑满足于不同植物生 长配比的要求 以荧光灯 作为对照 通过比 较四种光质组合得出 当红光 绿光 蓝光 远红光的 配比为 时 能够显著缩短草莓的 生长周期 使得现蕾 始花 坐果和采收的时间提 前了约 和 在单株产量 方面也表现出较高的产量 比对照组高出 此外 处理的草莓在总酚含量和总黄 酮含量方面也有着较好的表现 因此 采用 处理 照明工程学报 年 月 的 复合光谱在全人工光环境下 能有效促进草 莓的生长发育和品质提升 表 为不同输入情况下草莓最佳配比各路输出 电流的实测数据和误差精度 该电路的四路输出电 流都在其目标值左右 最大的恒流误差为 满足设计要求 能够实现对各路电流的精确控制 表 不同输入电压 光谱拟合四路输出电流实测数据 参数值 输入电压 输出电流 误差 输出电压 误差 输出电流 误差 输出电流 误差 图 效率特性曲线 表 不同输入电压草莓最佳配比四路输出电流 参数值 输入电压 输出电流 误差 输出电流 误差 输出电流 误差 输出电流 误差 峰值波长控制策略实验结果 为验证所提出的单色 峰值波长控制策略的 有效性 本文测试波长 的 种峰值波 长会随电流变化而漂移的单色 芯片 当峰值波 长参考值设定为其主波长时 电路对应的电流 并 用积分球实际测量各色 在该电流下的峰值波长 与参考值存在的差异 结果见表 从表中可以看 出 理论峰值波长与实际峰值波长的最大误差在 以内 验证了本文采用的光谱峰值波长控制策 略的有效性 表 各单色 峰值波长控制策略实验结果 波长 平均电流 参考值 实际值 误差 结论 本文为进一步优化 植物照明光谱匹配 开 展了高精度和基于电流变量的 进阶数学模型研 究 考虑到 光谱的峰值波长受电流变化的影 响 通过测试 种 在不同电流条件下的光谱 提出了基于电流影响的非对称 光谱数学模型 对 各色 进行了拟合验证 研究了高 效驱动电路和植物生长调光控制策略 进行了计算 机仿真分析和实验样机验证 主要结论如下 分析单色 的光谱特性 提出了一种波 长为变量的单色 光谱的进阶数学模型 并通过 分析驱动电流对光谱峰值波长的影响 提出了基于 电流变量的单色 光谱数学模型 提出了一种基于集成 电路和多 路输出 电路的单级单电感 驱动电路 提出了一种基于目标光谱和选定单色峰值 波长的调光策略 该策略将不同波长的光源以适当 的比例组合 提供符合植物生长需求的光照 第 卷第 期虞玲等 植物照明光谱建模和 驱动调光控制 参考文献 邹丰谦 邱成军 植物生长环境测控系统设计 传 感器与微系统 胡锡兵 谢志坚 陈功 等 光源光谱相似度模型的 建立以及光谱对比分析 照明工程学报 王晓波 现代农业蔬菜栽培技术要点分析 农业 与技术 陈怡 张志义 包宇刚 适用于照明和可见光通信的 宽输入电压范围的分段式 驱动电路 电工技 术学报 李淋倍 林海涛 王忆 智能半导体植物照明在设施园 艺中的应用 农业工程技术 阎铁生 陶权保 胡啸天 等 基于双路恒流输出单 级 变换器的 驱动电路 电机与控制 学报 林国庆 占盆朋 陈伟 一种单级非隔离型无电解电 容 驱动电路 电机与控制学报 杨佳楠 王书昶 赵见国 等 低蓝光的白光 制备 与评价指标修正 半导体技术 李剑飞 周晓明 基于 电流 温度光谱模型的照 明系统研究 红外与激光工程 李英 王乐 基于机器学习的 照明色温调节算法 优化研究 中国照明电器 李琪 辛易 全光谱 发展现状及应用前景 中国照明电器 窦林平 国内 照明应用探讨 照明工程学 报 朱继亦 任建伟 李葆勇 等 基于 的光谱可调光 源的光谱分布合成 发光学报 王懿杰 张相军 管乐诗 等 一种新型单级 路 灯照明驱动器 电工技术学报 彭程 雷允超 毛育青 植物生长用多排阵列 的 散热结构 半导体技术 周月阁 朱奕 李享 等 照明用驱动电源性能 可靠性评估 电机与控制学报 萧展涛 林维明 张亮亮 等 分布式组合 驱动电路及其定纹波控制策略 电机与控制学 报 陈武 王广江 一种高功率因数无电解电容 恒流 驱动电源 电工技术学报 徐鉴 邓光平 蒲熙 等 一种用于光隔离 栅极 驱动的智能型 驱动电路 半导体光电 沈霞 王洪诚 许瑾 基于 变换器的高功率因 数 照明电源设计 电机与控制学报 欢迎参加国际照明委员会全球照明教育调查 国际照明委员会正在开展全球照明教育调查 目的是更好了解哪些教育项目与资源能够最有效地支持照明领域学生们的 学习与职业发展 欢迎照明领域及建筑 工程 物理 光学 光生物学等相关领域的本科生 硕士及博士研究生积极参与此 次调查 调查链接 截止日期 年 月 日 本次调查 约 分钟 涉及学习兴趣 偏好的项目形式 以及最能为学生提供帮助的支持类型等方面内容 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