基于PID自動(dòng)控制的高精度溫控電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

鄭本昌

（中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院研究發(fā)展部 北京市 100076）

1 引言

半導(dǎo)體激光器由于其體積小、效率高、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，在激光光通訊、光存儲(chǔ)、激光高速印刷、光信息處理、光傳感等諸多方面得到廣泛而至關(guān)重要的應(yīng)用[1-3]。但從物理機(jī)制上講，溫度變化影響了半導(dǎo)體激光器的這一美妙應(yīng)用，由于激活介質(zhì)的能帶中等效費(fèi)米能級(jí)隨溫度變化，使得增益曲線漂移從而造成頻率漂移，甚至導(dǎo)致跳模，另外，溫度變化引起激光器腔長(zhǎng)變化，也將導(dǎo)致頻率變化[4-5]。由此可見，控制溫度使其穩(wěn)定是一項(xiàng)重要而且必不可少的任務(wù)。

針對(duì)半導(dǎo)體激光器控溫，國(guó)內(nèi)外進(jìn)行了大量的研究。PID (Proportional Integral Derivative)控制作為控制工程中技術(shù)成熟，應(yīng)用廣泛的一種控制策略，能夠在一定程度上合理的解決動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性和靜態(tài)增益之間的矛盾，因此吸引了眾多研究人員的興趣。賀春貴[6]等人分析了PI 參數(shù)對(duì)溫度控制穩(wěn)定性的影響及溫度控制的短期穩(wěn)定性，盧燕[7]等采用DSP 數(shù)字信號(hào)處理芯片的方式實(shí)現(xiàn)了±0.1°控溫精度的溫控系統(tǒng)，鮑健[8]等人實(shí)現(xiàn)了±0.05°的高精度二極管激光溫度控制器。

本文針對(duì)某激光器控溫精度±0.1°控溫需求，設(shè)計(jì)了基于PID自動(dòng)控制的高精度溫控電路，有機(jī)結(jié)合模擬控制與數(shù)字控制，利用數(shù)字電路的大范圍和高精度和模擬電路的高穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)高精度控溫。

2 總體方案設(shè)計(jì)

根據(jù)某半導(dǎo)體激光器總體要求指標(biāo)，單一的模擬電路和數(shù)字電路均難以實(shí)現(xiàn)?；赑ID 自動(dòng)控制的模擬電路控溫精度高，但控溫范圍小的缺點(diǎn)無法避免，數(shù)字電路控溫范圍大，但穩(wěn)定性又略低，電路實(shí)現(xiàn)和程序均相對(duì)復(fù)雜。本文設(shè)計(jì)以模擬系統(tǒng)的PID 自動(dòng)控制作為主要的控溫方法和解決途徑，再配合數(shù)字電路以得到穩(wěn)定性好，控溫范圍大，精度高，響應(yīng)速度快的控溫電路。

總體設(shè)計(jì)思路如圖1 所示，以模擬電路做PID 自動(dòng)溫控，輸出較小的電壓V1保證控溫精度和穩(wěn)定性；同時(shí)以數(shù)字電路輔助提供偏差電壓V2，保證有足夠的電流輸出滿足控高溫和低溫時(shí)需求，兩者通過加法電路輸出給后續(xù)并聯(lián)反饋電路和功率放大電路，最后實(shí)現(xiàn)控溫電流的輸出。

3 各部分電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖1：電路設(shè)計(jì)方框圖

圖2：基準(zhǔn)電壓采樣電路

圖3：差分比較電路

3.1 基準(zhǔn)電壓采樣電路

考慮到控溫電路要求控到0.01mv，所以選用了穩(wěn)定度達(dá)到10-6的LM399，其溫度適應(yīng)范圍為0～70 度，溫度系數(shù)為10-6，具有穩(wěn)定度高和紋波小的特點(diǎn)?；鶞?zhǔn)電壓采樣電路如圖2 所示。R1 的阻值由LM399 的齊納二極管ZD 中電流IR 所決定。通過查找LM399特性，當(dāng)IR 為0.5～10mA 時(shí)，其輸出的基準(zhǔn)電壓為6.95V，變化范圍為6.6～7.3V。這里取最初通過齊納二極管的啟動(dòng)電流為5mV, 以利于電壓的穩(wěn)定。

圖4：PID 自動(dòng)控制電路

圖5：反饋調(diào)節(jié)電路

圖6：功率放大電路

圖7：數(shù)字偏壓與控溫關(guān)系曲線

表1：用齊格勒—尼柯爾斯整定規(guī)則2 確定PID 參數(shù)

電路中R1 的阻值為1.5K。

3.2 差分比較電路

差分電路將實(shí)際電阻兩端電壓與代表預(yù)置溫度的電阻兩端電壓相比較并相減，隨后進(jìn)行放大，經(jīng)過分壓后得到偏差信號(hào)，輸入PID 中進(jìn)行相應(yīng)控制。

其中差分的放大倍數(shù)=R10/R6=R8/R7=25.5。所以

其中R11,R6,R7,R8,R10 的取值對(duì)整個(gè)電路的效果是有一定的影響的，前級(jí)放大相當(dāng)于后面的比例控制。所以選取過高，使得電路增益過高，電路的穩(wěn)定性降低，容易產(chǎn)生震蕩。如選取過低，無法更好的區(qū)別Vreal 和Vset, 影響控溫的精度，所以R11 選用了滑動(dòng)變阻器，可以進(jìn)行微調(diào)。

電路設(shè)計(jì)如圖3 所示。

3.3 PID自動(dòng)控制電路

自動(dòng)控制電路如圖4 所示，電路的傳遞函數(shù)為：

如表1 所示，采用齊格勒—尼柯爾斯整定規(guī)則調(diào)整PID 參數(shù)，齊格勒—尼柯爾斯整定規(guī)則被廣泛應(yīng)用于過程控制系統(tǒng)中，能夠[9]在被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性不能精確知道的情況下，實(shí)現(xiàn)PID 控制器參數(shù)的調(diào)整。本文中采用的是齊格勒—尼柯爾斯整定規(guī)則第二種形式，首先設(shè)TI=∞,TD=0,控制器僅為比例控制作用，增加KP值，從0 到臨界值KCR，系統(tǒng)輸出第一次出現(xiàn)固定的震蕩。如果KP取任何值，系統(tǒng)輸出都沒有明顯的固定震蕩。這種方法就不能用。臨界增益KCR和相應(yīng)的周期TCR由實(shí)驗(yàn)確定。

先用小電阻將C2,C3 短路，將R14 調(diào)至最大值，然后逐步減小R14,同時(shí)用示波器監(jiān)視c(t),當(dāng)R14 調(diào)到某一位置時(shí)，觀察到c(t)出現(xiàn)震蕩，記錄震蕩周期TCR，通過調(diào)整R14 使得KP=0.6 KCR,TD=R16*C2=0.125TCRTI=R18*C3=0.5TCRR16=910K, R18=2.2M, TCR =11s, 通過計(jì)算求得C2=1.51uF, c3=2.50uF。

3.4 反饋調(diào)節(jié)電路

反饋調(diào)節(jié)電路如圖5 所示，提供了閉環(huán)系統(tǒng)中的并聯(lián)反饋回路，它一方面將電壓反饋形成了局部的反饋，保證后級(jí)調(diào)節(jié)的穩(wěn)定性，更為重要的是它改善了系統(tǒng)總體傳遞函數(shù)，增加了一級(jí)積分電路，使控溫系統(tǒng)由Ⅰ型變?yōu)榱刷蛐?，使系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能得以改善，同時(shí)系統(tǒng)由不穩(wěn)定變?yōu)榉€(wěn)定，同時(shí)增加了靜態(tài)增益，但是，系統(tǒng)的快速性降低，動(dòng)態(tài)性能變差了。

圖8：模擬電路的PCB 板3D 俯視圖

圖9：數(shù)字電路的PCB 板3D 俯視圖

圖10：熱敏電阻兩端電壓隨時(shí)間的變化曲線

3.5 功率放大電路

功率放大電路如圖6 所示，由于達(dá)林頓管具有功率放大倍數(shù)高，效率高，基極電流小的特點(diǎn)，故采用它進(jìn)行功率放大。對(duì)致冷硅進(jìn)行致冷和加熱，有兩路組成。當(dāng)前級(jí)輸出正電壓時(shí)，T1 管導(dǎo)通，T2 管截止，此時(shí)電流通過Ri2 流入致冷硅，對(duì)熱沉進(jìn)行加熱。相反，當(dāng)前級(jí)輸出負(fù)電壓時(shí)，T2 管導(dǎo)通，T1 管截止，此時(shí)電流通過Ri4流出致冷硅，對(duì)熱沉進(jìn)行致冷。

3.6 數(shù)字偏壓電路

控高溫和低溫時(shí)需要很高的電壓來保證后級(jí)的正常工作，提供足夠的電流給致冷硅，以消除外界對(duì)激光器的影響，達(dá)到系統(tǒng)的熱平衡，這就需要數(shù)字電路的輔助設(shè)計(jì)，為PID 的后級(jí)提供相應(yīng)的偏差電壓，使模擬部分始終只需要提供很小的電壓，而這部分很小的電壓正是電路高穩(wěn)定性和高精度的保證，離散的數(shù)字偏差電壓保證了很大的控溫范圍。其原理如圖7 所示。

4 電路實(shí)現(xiàn)與測(cè)試結(jié)果

4.1 電路板制作

考慮到功率放大電路中的達(dá)林頓管和大功率電阻都需要散熱，所以均固定在一塊散熱片上，所以一共制做了兩塊電路板，如圖8-9所示。

4.2 測(cè)試結(jié)果

為測(cè)試電路溫控性能，在某半導(dǎo)體激光器上搭建了測(cè)試平臺(tái)。如圖10 所示為控溫電路長(zhǎng)時(shí)間的采樣結(jié)果，經(jīng)過換算，本溫控電路的穩(wěn)定性小于0.001%，響應(yīng)速度小于兩分鐘，準(zhǔn)確性小于0.02℃，控溫范圍達(dá)到0-50℃。

5 結(jié)束語

以PID 自動(dòng)控制模擬電路為核心，設(shè)計(jì)了一種面向半導(dǎo)體激光器控溫應(yīng)用的高精度溫控電路，并對(duì)電路進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，本電路可以滿足總體的控溫需求，控制性能優(yōu)于傳統(tǒng)的半導(dǎo)體溫控方式，具有很好的實(shí)用價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。