激光器高精度溫度控制系統(tǒng)的研究①

田浥彤 王海星

(東北石油大學(xué)電氣信息工程學(xué)院)

激光器高精度溫度控制系統(tǒng)的研究①

田浥彤 王海星

(東北石油大學(xué)電氣信息工程學(xué)院)

為使激光器發(fā)出的波長(zhǎng)準(zhǔn)確、穩(wěn)定，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)激光器高精度溫度控制系統(tǒng)。給出系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)，利用抗積分飽和PID算法對(duì)溫度進(jìn)行高精度控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：系統(tǒng)溫度控制精度為±0.008℃，調(diào)整時(shí)間小于30s，滿(mǎn)足氣體檢測(cè)對(duì)激光器溫度控制的要求。

高精度溫度控制系統(tǒng) 激光器 抗積分飽和PID算法 STM32

半導(dǎo)體激光器具有轉(zhuǎn)換率高、體積小、重量輕及可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于氣體檢測(cè)、光譜分析及激光雷達(dá)等領(lǐng)域[1]。可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy,TDLAS)技術(shù)利用激光器輸出的特定波段的光譜，掃描被檢測(cè)氣體的吸收躍遷譜線(xiàn)，并提取探測(cè)信號(hào)中的二次諧波以獲取相應(yīng)的氣體濃度信息[2]。激光器是一種極其脆弱的光學(xué)元件，影響其使用壽命的因素很多，其中溫度是最重要的因素之一。激光器在工作時(shí)熱耗很大，約占總功耗的50%～70%，若不能及時(shí)散熱會(huì)使溫度急劇上升，導(dǎo)致輸出功率下降進(jìn)而影響使用壽命[1]。同時(shí)，激光器輸出波長(zhǎng)也受溫度影響，典型值是0.1nm/℃。因此，對(duì)激光器溫度進(jìn)行高精度控制是極其重要的。

目前，激光器溫度控制方式主要分為兩種，一種是采用集成溫度控制芯片(如LTC1923)實(shí)現(xiàn)溫度控制，另一種是以嵌入式控制器(如DSP、ARM等)為主控芯片進(jìn)行高精度的溫度控制。兩種方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，但第2種方式在應(yīng)用算法和控制時(shí)更加靈活，控制精度一般在0.01～0.05℃。因此，筆者以ARM芯片STM32為主控制器，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)激光器高精度溫度控制系統(tǒng)，從ADC精度、TEC驅(qū)動(dòng)及算法等多方面提高激光器溫度控制精度。

1 系統(tǒng)硬件部分

激光器高精度溫度控制系統(tǒng)(圖1)由主控單元(STM32最小系統(tǒng))、被控對(duì)象(Norcada-Near-IR-DFB激光器)、TEC驅(qū)動(dòng)電路(DRV592)、采集模塊(24bit高精度ADC芯片AD7793)和上位機(jī)(用于觀察溫度變化)5部分組成。

圖1 系統(tǒng)硬件組成框圖

STM32是一個(gè)基于Cortex-M3內(nèi)核的32位ARM處理器，具有價(jià)格低廉、功耗低及性能優(yōu)越等優(yōu)點(diǎn)，內(nèi)部集成了高級(jí)定時(shí)器，可生成互補(bǔ)含有死區(qū)的PWM脈沖。STM32最小系統(tǒng)由電源電路、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路和程序下載電路組成。Norcada-Near-IR-DFB激光器內(nèi)部集成了反映溫度信息的熱敏電阻和執(zhí)行機(jī)構(gòu)——熱電制冷器TEC，通過(guò)控制流過(guò)TEC的電流方向就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)TEC的加熱或制冷。DRV592驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示，內(nèi)部集成了高效率、大電流的H橋電路[3]。DRV592的輸入(IN+和IN-)是高阻抗輸入，可兼容TTL電平信號(hào)。從STM32輸出的PWM可直接接到DRV592輸入端口，只需兩路互補(bǔ)的PWM輸出即可驅(qū)動(dòng)DRV592完成對(duì)TEC的控制。由于TEC材料容易受到快速瞬變產(chǎn)生的電流熱應(yīng)力的影響而導(dǎo)致其使用壽命縮短，所以必須采取濾波手段減小紋波，因此DRV592的輸出端需要接LC低通濾波器后再連接TEC，即通過(guò)LC濾波裝置把來(lái)自DRV592的方波信號(hào)轉(zhuǎn)換成波動(dòng)小的直流信號(hào)。TEC制造商通常推薦不超過(guò)10%的波動(dòng)[4]。

圖2 DRV592驅(qū)動(dòng)電路

高精度溫度控制的前提是高精度的溫度數(shù)據(jù)采集，但STM32內(nèi)部集成的12bit ADC難以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需求，所以采用24bit高精度ADC芯片AD7793進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)采集。AD7793具有功耗低、噪聲低的優(yōu)點(diǎn)，內(nèi)置一個(gè)低噪聲、帶有3個(gè)差分模擬輸入的24bit∑-Δ型ADC[5]，集成了兩個(gè)恒流源模塊，可以通過(guò)編程選擇恒流源的值。AD7793電路如圖3所示。熱敏電阻采用四線(xiàn)制接法，能夠最大限度地降低導(dǎo)線(xiàn)造成的測(cè)量誤差并提高采集精度。需要特別注意的是，AD7793的分辨率極高，所以印刷電路板的接地和布局尤為重要。印刷電路板在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)將模擬部分與數(shù)字部分分離，并限制在電路板的特定區(qū)域內(nèi)。為實(shí)現(xiàn)最佳屏蔽，接地層一般避免采用蝕刻技術(shù)[5]。

圖3 AD7793電路

2 系統(tǒng)軟件部分

激光器高精度溫度控制系統(tǒng)的閉環(huán)控制方案如圖4所示。將溫度傳感器采集到的實(shí)際溫度與給定溫度做差，得到偏差信號(hào)后送入控制器，控制器輸出作用在TEC上，從而實(shí)現(xiàn)溫度的閉環(huán)控制。

圖4 系統(tǒng)閉環(huán)控制方案

2.1 采集部分程序

激光器中集成的溫度傳感器為負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻，電阻R與溫度T的關(guān)系為：

其中，C1=1.1289×10-3，C2=2.3415×10-4，C3=8.7674×10-8。

利用Matlab軟件擬合出溫度、阻值曲線(xiàn)，制作溫度、阻值對(duì)應(yīng)表，微處理器通過(guò)查表的方式即可得到阻值對(duì)應(yīng)的溫度。

數(shù)據(jù)采集部分的程序流程如圖5所示。AD7793通過(guò)SPI總線(xiàn)方式與STM32通信，配置AD7793使之對(duì)通道1(共3個(gè)通道)實(shí)現(xiàn)連續(xù)采集(采樣速率為200Hz)，并使能其10μA電流源和內(nèi)部基準(zhǔn)源。為了最大限度地提高采集精度，程序使用軟件濾波方式，即多次采樣去掉最大、最小值并求取平均值。時(shí)鐘SCLK是高頻信號(hào)，為避免干擾建議將SPI通信線(xiàn)與地線(xiàn)絞接。

圖5 采集部分程序流程

2.2 控制部分程序

由于溫度變化相對(duì)緩慢，TEC控制需要一個(gè)相對(duì)較低的控制器響應(yīng)速度，因此經(jīng)典 PID控制即可達(dá)到期望的閉環(huán)性能。PID是一種線(xiàn)性控制算法，是一種基于偏差的控制[6]，將偏差e(t)的比例、積分、微分通過(guò)線(xiàn)性組合構(gòu)成控制量u(t)，對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行控制。PID的控制規(guī)律為：

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是一種采樣控制系統(tǒng)，它只能根據(jù)采樣時(shí)刻的偏差值計(jì)算控制量，所以連續(xù)PID控制算法不能直接在微控制器中使用，需要將它離散化，即采用增量PID控制方法：

Δu(k)=u(k-1)+kp[e(k)-e(k-1)]+kie(k)+

kd[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]

如果計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)采用恒定的采樣周期，只要使用前后3次測(cè)量的偏差值就可以求出控制量。

溫度控制具有特殊性，使用PID算法時(shí)易出現(xiàn)積分飽和現(xiàn)象[7]。對(duì)于TEC控制，其最大極限輸出是占空比為100%的PWM。積分飽和會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)失去閉環(huán)控制作用，造成系統(tǒng)控制性能惡化，所以需要使用抗積分飽和PID算法消除積分飽和現(xiàn)象。抗積分飽和算法的思路是：在計(jì)算控制量輸出u(k)時(shí)，先判斷上一時(shí)刻的控制量u(k-1)是否已經(jīng)超出限制范圍Umax，若u(k-1)≥Umax則只累加負(fù)偏差，若u(k-1)≤Umin則只累加正偏差。控制部分程序流程如圖6所示。實(shí)驗(yàn)中觀察到，采樣熱敏電阻信號(hào)時(shí)會(huì)受到PWM開(kāi)關(guān)時(shí)刻的干擾，所以應(yīng)避免將采集時(shí)刻設(shè)置在PWM開(kāi)關(guān)時(shí)刻，從而降低干擾，提高控制精度。

圖6 控制部分程序流程

為了更加直觀地觀察溫度的變化情況和控制效果，將溫度值通過(guò)串口發(fā)送到PC機(jī)中，使用圖形化編程環(huán)境LabVIEW編寫(xiě)上位機(jī)顯示軟件[8]。

STM32系列微控制器的開(kāi)發(fā)環(huán)境有很多，常用的是ARM開(kāi)發(fā)工具M(jìn)DK。MDK是一種嵌入式應(yīng)用程序，可根據(jù)程序流程在MDK中完成對(duì)控制算法的編寫(xiě)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

結(jié)合硬件設(shè)計(jì)和軟件編程搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，完成基于STM32的激光器高精度溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。圖7是系統(tǒng)在設(shè)定溫度為23℃、室溫25℃時(shí)的溫度控制曲線(xiàn)，可以看出，系統(tǒng)的溫度控制精度為±0.008℃。系統(tǒng)長(zhǎng)期工作穩(wěn)定可靠，啟動(dòng)激光器后溫度調(diào)整時(shí)間在30s以?xún)?nèi)，響應(yīng)快速。

圖7 系統(tǒng)溫度變化曲線(xiàn)

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)氣體檢測(cè)領(lǐng)域中對(duì)激光器發(fā)出波長(zhǎng)穩(wěn)定性的要求，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于STM32的激光器高精度溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)。通過(guò)提高ADC采集精度、增加濾波環(huán)節(jié)、將通信線(xiàn)絞接、使用恒流源方法檢測(cè)熱敏電阻值、采用抗積分飽和PID算法、避免采樣時(shí)刻處于PWM開(kāi)關(guān)時(shí)刻以及將高頻信號(hào)線(xiàn)與地線(xiàn)絞接等方法，提高了系統(tǒng)溫度控制的精度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)溫度控制精度可達(dá)±0.008℃，滿(mǎn)足氣體檢測(cè)中對(duì)激光器溫度控制的要求。

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High-precisionTemperatureControlSystemforLasers

TIAN Yi-tong, WANG Hai-xing

(CollegeofElectricalEngineeringandInformation,NortheastPetroleumUniversity)

A laser’s high-precision temperature control system was designed to ensure laser wavelength’s accuracy and stability, including the system’s hardware and software design. Having anti-integration saturation PID algorithm adopted to control temperature shows that, the temperature control accuracy can stay at ±0.008℃ and the setting time is less than 30s. This can satisfy laser’s requirements for temperature control accurately.

high-precision temperature control system, laser,anti-integration saturation PID algorithm,STM32

田浥彤(1996-)，本科生，從事控制理論與控制工程的研究。

TH862

A

1000-3932(2017)03-0267-04

聲明

聯(lián)系人王海星(1991-)，碩士研究生，從事電力電子與電力傳動(dòng)的研究，whx1237@163.com。

2016-02-22)

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