高精度雙閉環(huán)負(fù)反饋激光器溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)?

郭清華

(1.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400039；2.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400037)

我國(guó)煤礦地質(zhì)儲(chǔ)存復(fù)雜，在國(guó)有重點(diǎn)煤礦中，高瓦斯突出礦井占49.5%左右，因此瓦斯災(zāi)害是當(dāng)前我國(guó)煤炭工業(yè)所面臨的首要問題[1－3]。目前應(yīng)用于煤礦井下工作面、瓦斯抽放鉆場(chǎng)及抽放管道的瓦斯?jié)舛葯z測(cè)傳感器已從傳統(tǒng)的載體催化、熱導(dǎo)技術(shù)、紅外發(fā)展到激光吸收光譜技術(shù)(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy，TDLAS)。激光吸收光譜技術(shù)具有測(cè)量精度高、穩(wěn)定性好、激光譜線窄、氣體吸收選擇性單一以及抗電磁干擾能力強(qiáng)等特性；且采用波長(zhǎng)調(diào)制掃描吸收譜線，能自動(dòng)識(shí)別有效吸收波形，為實(shí)現(xiàn)傳感器的智能調(diào)校和故障自診斷提供了重要技術(shù)支撐，具有無可比擬的優(yōu)勢(shì)[4]。

根據(jù)最新煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)升級(jí)改造技術(shù)方案，激光甲烷傳感器須滿足高精度、低功耗和長(zhǎng)期工作穩(wěn)定性6 個(gè)月的要求[5]，亟需提高激光器溫度控制系統(tǒng)的精度、魯棒性和智能化調(diào)節(jié)水平，同時(shí)降低激光器溫控電路功耗，完成對(duì)激光甲烷傳感器的智能化升級(jí)；為國(guó)家發(fā)改委、能源局、煤監(jiān)局等多部委聯(lián)合印發(fā)?關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見?提出的智能化礦山建設(shè)目標(biāo)，提供底層的技術(shù)支撐[6－7]。

目前半導(dǎo)體激光器的溫度控制主要以熱電制冷器(Thermo Electric Cooler，TEC)作為執(zhí)行元件，采用模擬PID 或者數(shù)字PID 反饋控制方法實(shí)現(xiàn)溫度的精確控制[8－9]。國(guó)內(nèi)外相關(guān)芯片公司推出的集成化 溫度控制芯片主要有前 MAXIM 公司的MAX1968－1978 系列、前凌特公司的LTC1923，以及ADC 公司的ADN8831－ADN8834 系列。國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究人員對(duì)上述芯片開展了大量的應(yīng)用研究工作[10－12]，但在煤礦本安供電條件下如何實(shí)現(xiàn)井下、地面寬溫度工作范圍(－20～60)℃的溫度高精度控制以及長(zhǎng)期穩(wěn)定性方面需要作進(jìn)一步的研究及測(cè)試。

本文針對(duì)激光氣體傳感器在煤礦、天然氣等實(shí)際工礦應(yīng)用環(huán)境(－20～60)℃的溫度波動(dòng)范圍，開展了DFB 激光器雙閉環(huán)負(fù)反饋溫度控制系統(tǒng)原理、溫控電路設(shè)計(jì)、PID 控制補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)研究，并對(duì)溫控精度及長(zhǎng)期工作穩(wěn)定性進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 半導(dǎo)體激光器溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

分布式反饋半導(dǎo)體激光器(DFB 激光器)通過內(nèi)部封裝的半導(dǎo)體熱電制冷器(Thermoelectric Cooler，TEC)和高精度NTC(Negative Temperature Coefficient)熱敏電阻，實(shí)現(xiàn)對(duì)激光器芯片工作溫度的穩(wěn)定控制，從而激發(fā)出測(cè)量系統(tǒng)需要的特征光波[13]。蝶形DFB 激光器的封裝，如圖1 所示。

圖1 DFB 激光器封裝

本文設(shè)計(jì)的半導(dǎo)體激光器溫度控制系統(tǒng)，采用了雙閉環(huán)負(fù)反饋控制系統(tǒng)架構(gòu)，即第一層GλFB1波長(zhǎng)負(fù)反饋系統(tǒng)和第二層GTFB2溫度負(fù)反饋系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2 激光器雙閉環(huán)負(fù)反饋溫度控制系統(tǒng)

第一層GλFB1波長(zhǎng)負(fù)反饋系統(tǒng)控制回路，通過調(diào)節(jié)設(shè)定波長(zhǎng)λS與參考?xì)馐姨崛〔ㄩL(zhǎng)特征λR之間的誤差變量e1來實(shí)現(xiàn)。首先，將激光器輸出光波引入到特征氣體參考?xì)馐夜饴?，參考?xì)馐颐芊庥袧舛群愣ǖ奶卣鳉怏w(如甲烷氣體)。測(cè)量系統(tǒng)的微控制器(MCU)檢測(cè)、解析參考?xì)馐姨卣鳉怏w所吸收的二次諧波[14－15]，提取特征光波波長(zhǎng)λ1，如圖3 所示；將λ1與設(shè)定值λS進(jìn)行比較，即波長(zhǎng)誤差變量e1＝λSλ1；將e1歸一化處理，MCU 再調(diào)用特征波長(zhǎng)誤差模糊轉(zhuǎn)化算法更新數(shù)模轉(zhuǎn)換器(Digital to Analog Converter，DAC)的溫度設(shè)置電壓值UI，然后進(jìn)入到第二層GTFB2溫度負(fù)反饋系統(tǒng)。

圖3 參考?xì)馐姨卣鳉怏w吸收二次諧波

第二層GTFB2溫度負(fù)反饋系統(tǒng)控制回路，通過調(diào)節(jié)溫度設(shè)置電壓值UI與NTC 熱敏電阻轉(zhuǎn)換輸出電壓UFBt之間的誤差變量e2來實(shí)現(xiàn)。激光器內(nèi)部封裝的激光二極管(LD)的實(shí)際工作溫度，通過NTC熱敏電阻進(jìn)行檢測(cè)，通過溫度前置運(yùn)算放大器處理得到UFBt，即溫度誤差變量e2＝UI－UFBt；將e2輸入到增益為KE的誤差放大器進(jìn)行線性放大，再輸入到補(bǔ)償放大器進(jìn)行PID 控制單元(傳遞函數(shù)GC(s))調(diào)節(jié)，最后驅(qū)動(dòng)TEC 控制執(zhí)行單元(控制增益KTEC)進(jìn)行相應(yīng)的加熱或制冷動(dòng)作，使得溫度偏差減小到接近于零，從而實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體激光器輸出波長(zhǎng)和內(nèi)部溫度的恒定控制。

2 高精度溫度控制系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

2.1 ADN8834 溫度控制器功能特性

ADN8834 是一款集成的TEC 控制器芯片，主要由包含線性功率器和脈沖寬度調(diào)制功率器的TEC 驅(qū)動(dòng)組件、一個(gè)誤差放大器、一個(gè)補(bǔ)償放大器、2.5 V 基準(zhǔn)電壓源、2M 內(nèi)部晶振及控制器組成，如圖4 所示[16]。

圖4 ADN8834 溫度控制器功能框圖

ADN8834 把MOSFET 晶體管集成在芯片內(nèi)部，形成驅(qū)動(dòng)TEC 工作電流的H 橋。H 橋一側(cè)使用線性輸出，無需外圍器件；H 橋另一側(cè)使用PWM 驅(qū)動(dòng)器，只需外接一個(gè)電感和一個(gè)電容來濾除紋波，且PWM 開關(guān)頻率為2 MHz，在滿足同一輸出電壓紋波條件下，電感和電容的設(shè)計(jì)參數(shù)和封裝明顯減小。相較于外接MOSFET 管的溫度控制芯片，ADN8834集成度更高，工作效率達(dá)到90%以上，適用于低功耗、小體積的傳感設(shè)備及便攜式設(shè)備。

2.2 ADN8834 高精度溫度控制系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

ADN8334－LFCSP 控制電路設(shè)計(jì)，如圖5 所示。VDD、PVINL、PVINS 設(shè)置為3.3V 電源輸入，以降低芯片工作功耗和TEC 組件MOSFET 管的熱消耗；EN/SY 通過MCU 的IO 口進(jìn)行使能控制[17]。

圖5 ADN8834 溫度控制系統(tǒng)核心電路

TEC 驅(qū)動(dòng)組件對(duì)熱電制冷器TEC 工作電流進(jìn)行控制和調(diào)節(jié):TEC 正向電流由TEC ＋流向TEC－時(shí)，處于制冷工作模式；TEC 反向電流由TEC－流向TEC＋時(shí)，處于加熱工作模式。SW 外接濾波電感L1＝2 μH，濾波電容C50＝10 μF，以減小PWM 驅(qū)動(dòng)器的電源紋波。

2.2.1 熱敏電阻放大器設(shè)計(jì)

NTC 熱敏電阻通過溫度誤差放大器進(jìn)行線性放大，IN1N 引腳設(shè)置電壓VREF/2 ＝1.25 V，通過R12、R13分壓實(shí)現(xiàn)；IN1P 引腳連接NTC 熱敏電阻RTH、Rx和R5組成電阻網(wǎng)絡(luò)，其中RTH＝10 kΩ(＠25 ℃)；根據(jù)激光器設(shè)定的工作溫度范圍(－20～60)℃，可得最佳補(bǔ)償電阻Rx＝6.5 kΩ，R5＝16.5 kΩ；為保證在高低溫范圍內(nèi)，放大器輸出動(dòng)態(tài)電壓的靈敏度，設(shè)置反饋電阻RFB＝100 kΩ，OUT1為溫度誤差放大器的輸出電壓[18]。

溫度誤差放大器的動(dòng)態(tài)增益KE隨溫度的變化值，可由式(1)計(jì)算得出。在工作溫度范圍(－20～60)℃內(nèi)，KEmin＝－5.09 V/℃(＠－20 ℃)，KEmax＝5.06 V/℃(＠60 ℃)，其變化曲線如圖6 所示。

圖6 KE 變化曲線

2.2.2 PID 控制網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償放大器設(shè)計(jì)

激光器工作溫度TS對(duì)應(yīng)DAC 設(shè)定值TEMP＿SET，通過GTFB2溫度負(fù)反饋系統(tǒng)控制回路實(shí)現(xiàn)。本文采用DAC 數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片實(shí)現(xiàn)激光器寬范圍溫度定值設(shè)置；根據(jù)溫度、波長(zhǎng)控制精度要求，本文采用了16 bit 的高精度DAC 芯片LTC2641A；同時(shí)引入環(huán)境溫度熱敏電阻Renv，通過MCU 的ADC 采樣環(huán)境溫度TE，如圖7 所示。

圖7 DAC 溫度設(shè)置電路及環(huán)境溫度采用電路

DAC 輸出電壓TEMP＿SET 作為補(bǔ)償放大器(COMP-AMP)同相IN2P 的輸入；補(bǔ)償放大器的IN2N、OUT2 與誤差放大器的OUT1 通過電阻、電容網(wǎng)絡(luò)連接，組成PI 補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。其中，積分環(huán)節(jié)RI＝6.8 MΩ，CI＝10 μF，比例環(huán)節(jié)RP＝1 MΩ，則時(shí)間常數(shù)RPCI＝10 s，RICI＝68 s。

PI 補(bǔ)償放大器的傳遞函數(shù)GC(s):

2.2.3 溫度控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)仿真分析

由圖2 可知，本文設(shè)計(jì)的基于ADN8334 的GTFB2溫度負(fù)反饋控制系統(tǒng)，由于誤差放大電路設(shè)置在溫控反饋回路中，因此溫控系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)G(s)H(s)和反饋回路H(s)分別如式(3)所示[19]:

式中:TEC 控制執(zhí)行單元控制增益KTEC＝5 V/V；KE取最大增益約5 V/℃(保證工作溫度內(nèi)系統(tǒng)穩(wěn)定)；一般激光器與TEC 的控溫傳遞函數(shù)GL(s)如下所示:

本文激光器的TEC 執(zhí)行增益KLT＝30 ℃/V，使用的激光器通過查閱產(chǎn)品資料和實(shí)驗(yàn)測(cè)試，其主極點(diǎn)時(shí)間常數(shù)TL0＝20 s，次極點(diǎn)時(shí)間常數(shù)TL1＝0.33 s，因此GL(s)如式(5)所示:

GTFB2溫度控制系統(tǒng)的單位負(fù)反饋開環(huán)傳遞函數(shù)GO(s)＝G(s)H(s)，分別將KE、KTEC及式(2)、式(4)代入式(3)可得式(6):

通過MATLAB 控制系統(tǒng)工具箱和SIMULINK仿真測(cè)試環(huán)境，對(duì)GTFB2溫度控制系統(tǒng)的進(jìn)行頻域穩(wěn)定性分析和時(shí)域響應(yīng)分析。系統(tǒng)的波特圖如圖8所示。

圖8 GO(s)波特圖及穩(wěn)定裕度分析

系統(tǒng)幅值裕度Gm ＝Inf dB(＠ Inf rad/s)，相角裕度Pm ＝39.6°(＠3.56 rad/s)。在設(shè)定的工作溫度范圍(－20～60)℃，系統(tǒng)的幅值裕度都是Inf dB(Inf，Infinite)，在邊界溫度－20 ℃、60 ℃兩個(gè)點(diǎn)取得最小的相角裕度Pm ＝39.6°，因此GTFB2溫度控制系統(tǒng)的魯棒性好，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。系統(tǒng)的沖激響應(yīng)曲線如圖9 所示。系統(tǒng)響應(yīng)上升時(shí)間trise＝5 s～6 s，系統(tǒng)建立時(shí)間tsetting＝35 s～40 s 之間。

圖9 GO(s)沖激響應(yīng)曲線

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試與分析

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的激光器溫控電路系統(tǒng)的溫度控制精度和穩(wěn)定性，整機(jī)在高低溫箱25 ℃的恒溫條件下，對(duì)該激光器溫控系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間、穩(wěn)定時(shí)間和控制精度進(jìn)行了測(cè)試，實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)如圖10、圖11 所示。

圖10 25 ℃整機(jī)溫控響應(yīng)測(cè)試數(shù)據(jù)

圖11 吸收峰中心控制精度測(cè)試數(shù)據(jù)

激光器波長(zhǎng)掃描范圍為0～20 000 個(gè)點(diǎn)，激光器甲烷吸收峰中心設(shè)定在10 200 位置。如圖10 所示，溫控系統(tǒng)輸出的控制中心位置在第7 個(gè)采樣序列達(dá)到9 500，響應(yīng)時(shí)間trise＝(7－1)×1.5 s＝9 s，系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)間在第36 個(gè)采樣序列達(dá)到，tsetting＝(36－1)×1.5 s＝52.5 s。由于激光器內(nèi)部溫度傳導(dǎo)存在延時(shí)滯后環(huán)節(jié)，因此該溫控系統(tǒng)的實(shí)際響應(yīng)時(shí)間和穩(wěn)定時(shí)間符合仿真分析結(jié)論。

該激光器溫控系統(tǒng)在達(dá)到穩(wěn)定后，連續(xù)工作15 min，吸收峰中心波動(dòng)范圍在(10 148～10 260)之間變化，以10 200 為中心，吸收峰中心波動(dòng)幅值在(－32～＋30)，以20 000 個(gè)掃描點(diǎn)作為基數(shù)，則激光器中心在25 ℃恒溫條件下的控制誤差達(dá)到了±1.6‰。

將整機(jī)在高低溫箱進(jìn)行了(－20～60)℃的溫度循環(huán)實(shí)驗(yàn)，同時(shí)在測(cè)量光路外接密封甲烷氣體的參考?xì)馐?密封的甲烷濃度約為22.00%)，并放置在常溫環(huán)境中，避免高低溫實(shí)驗(yàn)對(duì)測(cè)量濃度值的影響。實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)如圖12 所示，通過近4 h 的高低溫循環(huán)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，激光甲烷傳感器測(cè)量值在(21.76～21.84)%CH4之間變化，以21.80%為中心，測(cè)量波動(dòng)幅值在(－0.04～0.04)%CH4，即激光器溫控系統(tǒng)對(duì)吸收峰中心的控制誤差減小到±1.8‰，驗(yàn)證了雙閉環(huán)負(fù)反饋溫度控制系統(tǒng)對(duì)激光器工作溫度和吸收峰中心的控制精度。

圖12 整機(jī)(－20～60)℃溫度循環(huán)實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)

為驗(yàn)證激光甲烷傳感器溫控系統(tǒng)長(zhǎng)期工作穩(wěn)定性，進(jìn)行為期60 天的穩(wěn)定性測(cè)試，每天分別通入2.00%甲烷標(biāo)氣。測(cè)試數(shù)據(jù)如圖13 所示，測(cè)量誤差約為1.00%，遠(yuǎn)低于煤礦等現(xiàn)場(chǎng)對(duì)甲烷濃度檢測(cè)的誤差要求，保證了激光甲烷傳感器在煤礦、瓦斯抽放管道、天然氣、石油化工等環(huán)境中工作的穩(wěn)定性和可靠性。

圖13 激光甲烷傳感器長(zhǎng)期工作穩(wěn)定性測(cè)試數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

本文首先對(duì)DFB 激光器溫度控制系統(tǒng)原理、溫控電路TEC 控制芯片電路設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，然后開展溫控系統(tǒng)PID 補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，最后對(duì)溫控系統(tǒng)的穩(wěn)定性、溫控精度及長(zhǎng)期工作穩(wěn)定性進(jìn)行仿真和驗(yàn)證。提出了一種基于激光吸收峰和溫度的高精度雙閉環(huán)激光器溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，以提高DFB 激光器溫控系統(tǒng)的控制精度，減小溫控系統(tǒng)對(duì)激光甲烷傳感器測(cè)量值的影響。設(shè)計(jì)了基于PI 補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)溫控系統(tǒng)，進(jìn)行了頻域穩(wěn)定性分析和時(shí)域響應(yīng)分析。整機(jī)通過了(－20～60)℃高低溫實(shí)驗(yàn)和60 d 工作穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了溫控系統(tǒng)在設(shè)定工作溫度范圍的穩(wěn)定性，為激光甲烷傳感器在煤礦等工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用提供了技術(shù)支撐。