（物理电子学专业论文）二极管激光器温度控制系统研究.pdf

华中季 技大学硕士学位论文 删_轴螂啊哪_-!-，一-_!竺竺!竺竺!竺竺!竺竺!竺竺竺 摘要 l 随着二圾管激光器在国际激光器市场所占份额越来越大，与二极管激光 器帽关的一些子系统技术也变得越来越重要0 本文重点讨论二极管激光器温 度控制技术的原理与实现方案。 首先系统采用新型的半导体制冷器取代传统的水冷，以实现对二极管 激光器温度更精确的控制。针对半导体制冷器又提出了一种新的驱动方式： 利用脉冲宽度可调方波的高低电平控制制冷器的通断，从而实现对制冷量的 精确控制。该驱动电路与以往的驱动方式相比有制冷量控制精度高、半导体 制冷器的电流驱动效率高、电路实现简单等优点。并用模拟电路实现了该驱 动方式的温度控制系统。弋 其次，对二极管激光器的散热系统进行了热效应的理论分析与数值模 拟。通过对实际模型的简化，建立了个与实际系统相吻合的数学模型，利 用大型有限元软件a n s y s 对这一模型进行求解。悚出了稳态情况下，整个 系统的温度场分布。通过分别对不同制冷功率下的稳态情况求解，得出了在 半导体制冷器制冷功率改变的情况下，对于温度场的稳态解，其温度传感器 放置处的温度与有源区的温度差为定值的结论。上 最后，利用对散热系统的热分析结果，并仍然采用p w m 波控制制冷量 的方式，利用数字电路实现了对二极管激光器有源区温度进行精确控制的温 度控制系统，温度控制精度为设定温度0 1 。 美筵罚：二极管激光器、热分析、温度控制、脉冲宽度调制 ，f ， 7 半导体制冷器一 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h e e x p l o s i v eg r o w t h o ft h ed i o d el a s e r si ni n t e r n a t i o n a l m a r k e t s ，t h e s u b s y s t e mt e c h n o l o g y i nd i o d el a s e r sb e c o m e sm o r ea n dm o r ei m p o r t a n t t h ep r i n c i p l e a n dr e a l i z a t i o no ft h ed i o d el a s e r s t e m p e r a t u r ec o n t r o l i i n gt e c h n o l o g yi st h ef o c u so ft h i s p a p e r f i r s to fa l l ，f o rm o r ea c c u r a t ec o n t r o l l i n go nt h et e m p e r a t u r eo ft h el a s e rd i o d e ，t h e n e w - s t y l es e m i c o n d u c t o rc o o l e rh a st a k e nt h ep l a c eo f t h et r a d i t i o n a lw a t e r - c o o l e r an e w d r i v i n g m e t h o do ft h es e m i c o n d u c t o rc o o l e rh a sb e e n u s e d ：u s i n g t h ep u l s e - w i d t h m o d u l a t i o nw a v et oc o n t r o lt h ec o o l e r ，t h en e wd r i v i n gc i r c u i tg a i n e dt h em o r ea c c u r a t e r e f r i g e r a t i o n 、h i g h e rd r i v ee f f i c i e n c y 、m o r es i m p l ec i r c u i tt h a nt h ec i r c u i tu s e df o r m e r d r i v i n gm e t h o d a n dt h r o u g ha n a l o gc i r c u i tt e c h n o l o g y ，t h et e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e m w i t ht h en e wd r i v i n gm e t h o di sr e a l i z e df i r s t l y s e c o n d l y ，t h et h e r m a lt h e o r e t i ca n a l y s i sa n dt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h el a s e r d i o d e s c o o l i n gs y s t e m h a v e b e e n d o n e t h r o u g h t h e p r e d i g e s t i n g o fr e a l m o d e l ，a m a t h e m a t i cm o d e la c c o r d i n gt ot h er e a lc o n d i t i o nh a sb e e ne s t a b l i s h e d w i t ht h eu s eo f t h ea n s y ss o f t w a r e ，t h es t e a d y s t a t et h e r m a la n a l y s i sh a sb e e nw e l ld o n et od e t e r m i n e s y s t e m st e m p e r a t u r e s t h r o u g h t h e s t e a d y - s t a t e t h e r m a l a n a l y s i s t h ee f f e c tw a s c a l c u l a t e dw h e nt h es e m i c o n d u c t o rc o o l e r sd i f f e r e n tt h e r m a ll o a d sw a sa p p l i e dt ot h e w h o l es y s t e m f r o mt h e s t e a d yr e s u l t ，t h e c o n c l u s i o nh a sb e e nm a d e ：t h ed i f f e r e n c e b e t w e e nt i l et e m p e r a t u r ei nt h ep l a c eo ft h et e m p e r a t u r e - s e n s o ra n dt h et e m p e r a t u r ei nt h e a c t i v ea r e ai st i l ec o n s t a n t f i n a l l y ，w i t ht h eu s eo ft h et h e r m a la n a l y s i s sr e s u l ta n dt h ep w md r i v i n gm e t h o d ， t h e t e m p e r a t u r ec o n t r o l s y s t e m h a sb e e n d e v e l o p e d w i t h d i g i t a l c i r c u i t t h e s y s t e m a c c u r a c yo f t h es e tt e m p e r a t u r ei s 0 1 k e y w or d s ：d i o d ei a s e r ，t h e r m a la n a l ys is t e m p e e a t u f ec o n t f o i p w m s e m ic o n d u c t o rc g o l e r i l 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 概述 自1 9 6 2 年二极管激光器问世以来，历经四十年的发展，就器件类型、 结构和增益介质而言，也由早期的同质结，经历了单异质结，双异质结、量 子阱、应变量子阱、法布里一帕罗腔结构、无腔的分布反馈式结构、水平腔 结构、垂直腔结构，直到今天正在发展的自组装量子点和量子级连的单极性 结构的重要发展阶段。激光器的阈值电流密度从1 0 5 a c m 2 下降到今天的 10 2 a c m 2 量级：器件的可靠性寿命从几分钟增加到百万小时连续运作；波长 覆盖区从中红外至近紫外：输出功率从若干毫瓦直至百瓦水平。二极管激光 器正日新月异的取得惊人的辉煌进展。与其他类型的激光器相比二极管激光 器具有以下的优点： 1 二极管激光器的体积特别小，其有源区体积仅在1 0 “o c m 3 ( 约 1 0 0 朋3 ) 量级。如果是量子阱器件，有源区的体积还要小。即使考 虑整个管芯，其体积也只有一5 1 0 - 3 m m 3 。 2 阈值电流低，供电功率小和转换效率高。对于功率小于3 0 m w 的小 功率器件，约2 0 m a8 0 m a ，工作电流约5 0 m a 1 2 0 m a 。 3 能通过注入电流进行直接调制。传输信号速率可达1 0 g h z 左右。虽 然强度噪声和频率噪声比其他种类激光器高，但对一般应用是能够 满足要求的。 4 可靠性高，已达1 0 5 h ( 大于1 0 年) 。 5 由于改进了工艺，提高了成品率，加大了产量，价格日益降低，已 为市场所广泛接受。 6 辐射波长能从可见、蓝绿光到红外，覆盖范围宽，除了用于光通信 的0 8 t u n 0 8 5 a n 和1 3 , t u n 1 6u r n 激光器已相当成熟外，为掺e r 光纤放大器泵浦光源用的0 9 8 、1 4 8 5 , t a n 波长激光器也有很大的发 展。 华中科技大学硕士学位论文 由于二极管激光器具有以上的优点。所以它已经成长为激光行业最大的 分支。有资料表明在1 9 9 8 ，全球仅激光器件的销售额已高达3 8 8 亿美元， 其中二极管激光器的销售额为2 1 5 亿美元，占5 5 8 ，而到了2 0 0 0 年全球 的激光器件的销售额已经增长至1 1 7 亿美元，其中二极管激光器在整个激光 器市场占主要部分，其销售额已经达到8 8 亿荚元，占7 5 。二极管激光器 已成为光通信、光盘、激光打印和印刷等信息产业的心脏，成为推动l d 泵 浦固体激光器，光纤激光器高速发展的巨大动力。下面简要介绍二极管激光 器应用的几个主要领域： a 光通信：在长距离通信系统中，通常采用1 3 t i m 、1 ，5 5 , t a n 长波长激光器 和用作光纤放大器泵浦源的9 8 0 n m 和1 4 8 0 n m 激光器。在近距离通信领 域中，可用g a a i a s 激光器，也可用发光二极管( l e d ) 。光通信用半导体 激光器的机构比较复杂，一般除了半导体激光器，还含有监视光功率输 出的光探测器，此外有的还包括热电制冷器t e c 、光学隔离器等。到9 8 年波分复用系统( w d m ) 的快速增长又促进了1 5 3 0 1 5 6 5 n m 的分布反 馈( d f b ) 半导体激光器的发展。光通信用半导体激光器是整个半导体激 光器市场销售额最大的一部分，在2 0 0 0 年其销售额为5 0 亿美元。 b 光存储：光存储是集计算技术、激光技术和数字通信技术于一体的综合 技术，至今仍是大容量、高密度、快速有效和低成本的信息存储手段， 很有应用价值及发展前途。它包括激光音频、视频，c d r o m 驱动器 ( 7 8 0 n m ) 、d v d r o m 驱动器( 6 5 0 n m ) 及可擦写光学驱动器( 6 8 0 n m ) 。 它们都要用二极管激光器产生的光束将信息写入和读出，是二极管激光 器用量最大的一种场合。在2 0 0 1 年，全球市场用量已经达到3 9 亿只。 c 条码扫描：二极管激光器在该领域的应用已经占绝对优势，最先在这一 领域获得广泛应用的h e n e 激光器，已普遍被可见光l d 所代替。这 是因为与h e n e 激光器相比，二极管激光器具有绝对的价格优势，每 一只用于光电扫描用的可见光激光二极管仅售4 0 美分。 d 激光指示器：这类二极管激光器被广泛应用于教育、科研、娱乐等领域， 价格几十元的红光指示器其射程可达i 公里，而近年来绿光指示器渐渐 华中科技大学硕士学位论文 有取代红光指示器的趋势。其销售数量仅次于光存储用二极管激光器， 位居第二，2 0 0 1 年的销售量为3 6 千万只，这种激光器的用量已基本稳 定，但随着价格的降低，整个市场份额在整个二极管激光器市场中所占 的比例逐步减小。 e 大功率应用：大功率l d 最大的应用是在激光照排领域，在此应用中的 l d 的功率一般为1 瓦，而一台印刷机通常要用到十几甚至几十只这样的 l d 。另外二极管激光器还可以直接用于材料加工，虽然其光束质量差， 但是在要求较低的领域的应用也在不断增长。大功率二极管激光器还可 以用于医学领域。 f 垂直腔半导体激光器：垂直腔半导体激光器( v c s e l ) 的输出光束呈 圆形，而不象普通的l d 是椭圆形。自1 9 9 6 年开始商品化以来，市场反 应良好，其生产成本也在不断的降低。主要用于光纤局域网中的g b i t 的 收发机。v c s e l 很适合高速数据传输，因为它有很高的调制速率，圆形 光斑便于与光纤耦合，器件噪声很小，现在8 5 0 n m 的v c s e l 正广泛应 用于网络中。 g l d 泵浦固体激光器( d p s s l ) ：大功率固体激光器在卫星通信、材料加 工、医学科学、大气监测、跟踪侦察和图象信息处理等方面都有广泛的 应用。早期使用闪光灯作为泵浦源，由于灯的发射光谱宽，固体激光工 作物质的吸收带很窄，因而电一光转换效率很低，仅约1 5 ，闪光 灯的大部分光能由于没有被激光工作物质吸收，都转化成了热能，造成 激光工作物质不可避免的热透镜效应。并且闪光灯的寿命十分有限，因 而早在1 9 6 3 年就有人提出用波长在8 0 0 n m 9 0 0 n m 之间的二极管光发射 器件作为固体介质泵浦源的设想。但只是在进入八十年代后，随着高功 率、高效率l d 及其阵列的发展，特别是m b e 、m o c v d 生长技术和量 子阱、应变量子阱结构的采用，使得单个激光二极管的闽值电流大大降 低，转换效率大幅度提高、输出功率成十倍的增长、使用寿命大大延长， 这样才使二极管激光器泵浦固体激光器的研究迈上了新台阶，取得了突 飞猛进的成就。到2 0 0 1 年为止，整个全固态二极管泵浦固体激光器的市 华中科技大学硕士学位论文 场已增长到1 7 亿美元。 l d 泵浦的固体激光器兼备了l d 和固体激光器两者的优点，弥补了对 方的缺点： 1 ) 总体转换效率有了很大提高，可达1 5 以上。这比传统用灯泵浦固 体激光器的总效率可提高5 1 0 倍，其主要原因是可将l d 的发射波长准确 调整到固体激光工作物质的吸收峰上，从而使光能更多的用于增加反转粒子 数。其调节方式一般都是利用温度调节，采用本论文中所讨论的温度控制系 统可以完成这一任务。 2 ) 具有更高的频率稳定性和更窄的线宽。由于l d 输出功率稳定度很高， 泵浦功率对线宽的影响降低。同时激光工作物质不用吸收无用辐射，使热效 应大大减小，可以降低噪声。目前l d 泵浦固体激光器已接近气体激光器的 指标，单频输出的漂移小于1 0 k h z ，输出波动小于l 。 3 ) 能达到衍射极限光束。激光工作物质热负载的减小可以提高光束质 量。目前一台千瓦级灯泵的固体激光器的光束发散角是衍射极限的4 0 6 0 倍。而同等功率的激光器其发散角比灯泵浦要小2 3 倍。在端面泵浦时， 可以产生近于t e m 0 0 模强度分布的光输出。 4 ) 可靠性高、寿命长。l d 泵浦的固体激光器，寿命可达1 0 4 h 1 0 5 h ， 而灯泵，其灯的寿命通常不到1 0 0 0 小时。 5 ) 体积小、重量轻，容易实现小型化。电源驱动方便，便于实现全固 化。 同时。l d 泵浦固体激光器可以弥补l d 的不足。例如可以提供高的峰 值功率，光谱线宽更窄，发射角小。降低激射波长随温度和注入电流变化的 敏感性，比较容易实现波长或频率的转换，得到新的工作波长的器件。所有 这些优点使l d 泵浦固体激光器在激光雷达、测距、制导、光电对抗、水下 通信、精密加工、集成电路加工、机载激光武器等多种应用中成为首选的激 光器。 华中科技大学硕士学位论文 1 2 大功率量子阱二极管激光器温度控制系统概述 虽然二极管激光器是高效率的电子一光子转换器件，但由于不可避免的 存在各种非辐射复合损耗，自由载流子吸收等损耗机制，使其外微分量子效 率只有2 0 3 0 。这意味着相当部分的注入电功率将转化成热量，引起激 光器温升，环境温度与注入电流的升高都使激光二极管的结温上升，使激光 器的阈值电流增加、发射波长红移、造成模式的不稳定、增加内部缺陷，严 重的影响器件的寿命，给应用带来很大的困难。如果不将产生的热量及时散 发掉，将造成一种恶性循环，使激光器性能变差或很快失效。 二极管激光器是随温度不断变化而波长也在不断变化的：当l d 结温变 化1 时，输出波长将有o 3 n m 的改变。而在d p s s l 中，如果激光工作物质 的吸收对温度不是平坦的，要获得最高效率，l d 输出波长必须与激光器的 工作物质的吸收峰相匹配。通过对二极管激光器系统进行温度控制可以使二 极管激光器的工作波长保持恒定，以获得最大的吸收、从而获得最高效率。 另外保持二极管激光器的结温，对于提高二极管激光器的运行寿命有着非常 重要的作用，有实验表明，温度每增加2 5 ，其器件的寿命减少一半。因此 如何更好的控制二极管激光器的结温就是本课题的主要目标，预定控温精度 为0 1 。 对于二极管激光器的控制系统由于应用较多，所以前人对这一课题的研 究有很多可以借鉴的地方，但是由于技术的发展，以及新器件的出现、新问 题的提出，因而这一课题可以在利用新器件，解决新问题的基础上，比以前 有进一步的提高： 首先，对于功率不超过1 0 w 的大功率量子阱二极管激光器的制冷器件 的选择，采用t e c ( 半导体制冷器) 已经是公认最好的选择，这是因为半导 体制冷器结构简单、无制冷工作介质( 如氟利昂) 、无机械部件、无振动、 制冷迅速、可以做到很长寿命。并且交换电流方向即可实现制冷或制热，调 节电流的大小即可控制制冷量的输出。然而在控制方式的选择上，根据对 已发表论文的研究，所有的制冷控制系统都是采用改变线性电压或控制固态 继电器的通出：，了式对t e c 进行控制以达到控制二极管激光器结温的目的。 5 华中科技大学硕士学位论文 本文针对此种情况，借鉴日益成熟的开关电源技术，提出了利用p w m 波控 制t e c 制冷功率的设想：通过控制p w m 信号，信号为高电平时，使驱动用 的大功率m o s 管导通，t e c 制冷；当信号为低电平时，m o s 管截止，t e c 不制冷；通过控制p w m 信号的占空比即可控制t e c 制冷功率。利用这种控 制方式可以极大的简化电路，不仅消除了无谓消耗在线性电压变换上的功 率，极大提高电路的效率：又避免了继电器控制的精度不够，以及继电器频 繁通断造成寿命变短的毛病。p w m 方式对t e c 制冷功率的控制无论从效率 还是效果都是其他两种控制方式所不能比拟的。 其次，对于同一二极管激光器的温度控制问题，有着不同的解决方案。 在研究工作中针对这一问题做了两种解决方案，一种是利用模拟电路的方 法，适用于功能要求比较单一，且基本上不需要对系统进行调节，系统预算 较低的情况。另一种是利用数字电路的处理方法，开发出可以根据用户的需 求灵活定制，用户界面友好，可以方便对诸多参数进行灵活调节的数字温度 控制系统。两种系统的控制方式都采用了p w m 波进行制冷功率的控制。 最后，为了使二极管激光器温度控制系统能够更加精确的控制实际温 度，在研究中利用传热学知识对于二极管激光器的散热系统做了理论上的定 性分析，并利用数值模拟方法求出了整个散热系统中所有空间点的温度场分 布，通过对温度场分布的掌握可以精确求出二极管激光器的有源区到温度传 感器的温度差。对散热系统的热分析，为温度控制系统的设计提供了理论依 据。另外在调研资料时，尚未发现有关此方面工作的报导，因此，在此之前 的温度控制系统的控制目标实际上都是温度传感器处的温度，而不是二极管 激光器有源区温度，而本研究课题所设计的数字控制系统则是可以精确的针 对有源区温度进行控制。 本论文将针对二极管激光器在运行过程中的温度控制问题，分别采用模 拟电路法，数字电路法展开讨论。 第二章主要分析模拟电路法；第三章采用有限元法，对二极管激光器在 运行过程中的热场分析进行了精确的计算，为控制系统的温度控制的精度提 供了保证；第四章主要分析了数字电路法；第五章总结了本文所获得的结果。 6 华中科技大学硕士学位论文 2 模拟温度控制系统 2 1 概述 模拟控制系统是较为传统的温度控制方法。整个控制系统可以分为以下 几个模块： 1 ) 信号采集模块 2 ) 前置放大与变换模块 3 ) 比例积分调节模块 4 ) 温度范围判定模块 5 ) t e c 驱动模块 6 ) 温度显示变换模块 下面将通过对这些模块进行详细说明，对整个模拟系统进行深入的探 讨。 2 2 模拟控制系统 2 2 1 信号采集 在模拟控制系统设计方案中，经过对各种不同的温度传感器的认真的选 择，初步选定7p t l 0 0 电阻和a n a l o gd e v i c e 公司的集成温度传感器a d 5 9 0 作为信号采集元件。 a d 5 9 0 是一种两端集成温度传感元件，在工作电压为+ 4 3 0 v 时，器件 可以等效为高阻抗恒流源，对应热力学绝对温度每变化1 k ，输出电流也变 化l 脚，器件的工作温度为一5 5 + l5 0 c 。另外由于a d 5 9 0 采用的是单 片集成电路，将p t l 0 0 使用所需的线性化电路，精密电压放大器，电阻测量， 冷端补偿电路都集成进芯片的内部了，所以采用a d 5 9 0 可以大大的简化电 路，提高可靠性。 根据系统的整体设计问题，信号采集与信号处理之间的距离较大，往往 华中科技大学硕士学位论文 会带来线压降及电平串扰问题。由于a d 5 9 0 在+ 4 3 0 v 时可等效为高阻抗 恒流源，所以可以在很大程度上抑制长距离传输所带来的信号干扰问题。 在应用此电路时，由于a d 5 9 0 具有很高的输出阻抗，所以对于电源电 压的漂移和纹波不是很敏感，其电压波动与输出电流波动b e 为0 2 脚v ，所 以在满足测量精度为0 1 朋时，对于a d 5 9 0 的电源设计要求不很严格，可以 将开关电源滤波后，即可满足系统的设计要求。 将+ 1 2 v 开关电源信号经过滤波，再经过7 8 0 5 将1 2 v 信号转化为+ 5 v 电 压，经滤波提供给a d 5 9 0 作为电源。经a d 5 9 0 输出为一电流信号，再经较 长距离的传输，然后在电路板上做i v 变换后取出电压信号。 图2 1 信号采集电路原理图 2 2 2 前置放大与变换 在典型的工业环境总存在着工频、静电、及电磁等干扰，而传感器与前 置放大器总有一定的距离，所以常常会对信号产生可观的共模干扰；由于传 感器输出的信号一般较为微弱，微弱的电信号很容易淹没在强大的共模干扰 中，因此要求前置放大器有足够的共模抑制比、电压放大倍数以及稳定性， 因此不能选择普通运算放大器。而要选择满足上述要求的仪器仪表放大器。 由于这种由三个运放组成的仪放是常用微弱信号的前置放大器所选用的形 式，很多模拟器件公司都推出了相应的集成高性能仪器仪表运算放大器。为 了降低电路的复杂度、增加电路的可靠性、并考虑到成本问题，因而选择 a d 公司的a d 6 2 0 双电源仪表放大器作为前置放大器。原理图如下图所示： 8 华中科技大学硕士学位论文 y t 图2 2 集成仪器仪表运算放大器电路原理图 此放大器应用简单，只需外接可调电阻以设定其差模电压放大倍数( 从 l 到1 0 0 0 ) 。另外还有一输出电压基准位置设置端，假设此基准位置的电压 设置为v s ，输入的差模电压为v i ，由电阻设定的放大倍数为g ，则输出端 的电压为： v o = r g + t ( 2 1 ) 由此可见，输出信号的平均电平可以很方便地改变。这在缓变信号的处 理非常有用。因为在整个模拟控制系统中要处理的信号主要是低频电压信 号，所以在前级和后级之间的耦合一定是直接耦合，而不能是阻容耦合。 在实际应用中，将温度传感器采集的信号经过i v 变换得到的电压信号 与一个表示设定温度的电压信号分别输a d 6 2 0 的+ 一i n 端，经仪表运算放 大器放大其差模信号。由于后级对前级电压的要求，v i x g 离想要得到的电 压还有一个差值，该差值是指平均值之差，可利用在r e f 端加偏置电压的办 法来消除。这样可以节省一个用于电压变换的加法器，简化了电路。 从系统整体的角度考虑，设置r g 与整个控制系统有很大的关系。根据 a d 6 2 0 的数据手册，r g 与仪表放大器的放大倍数的关系为： 如：筹 ( 2 t 2 ) 由此关系式可知，当r 6 越小，则g 越大，此时温度信号每变化一个较 9 华中科技大学硕士学位论文 小的值，系统的执行机构的改变也就越大。r e f 端的偏移量设置是本系统设 计的一个独到之处。通过调节r e f 端的电压可以使控制目标的温度在设定温 度位置的摆幅基本平衡。而改变r g 则可以调节控制目标温度的摆动幅度和 频率。r g 越大、g 越小、执行机构的变化减小，因此更加需要积分器的协助， 此时控制目标的温度变化频率降低，振幅增加。而r o 越小、g 越大、执行 机构的变化量越大，此时控制目标的温度变化振幅越小，而变化频率增加。 这是因为随温度的变化控制系统很快给出一个足够大的负反馈，这很快使系 统回到正常温度，而且很有可能存在一定量的超调。这样控制目标温度就在 设定温度上下不停的变化，其温度变化的振幅和频率与r g 有上面讨论的关 系。 2 2 3 比例积分调节环节 按偏差的比例，积分和微分进行控制的调节器( 简称p i d 调节器) ，是 连续控制系统中技术成熟，应用最为广泛的一种调节器。它的结构简单，参 数易于调整，在长期的应用中已经积累了丰富的经验。特别是在工业实际应 用中，由于控制对象的数学模型难以建立，系统的参数又经常发生变化，所 以人们常采用p i d 调节器，并根据经验进行在线整定。 p i d 调节器是一种线性调节器，这种调节器将设定值w 与实际输出值y 进行比较构成控制偏差 e = w y( 2 3 ) 并将其比例、积分、微分通过线性组合构成控制量，所以简称为p ( 比例) 、 i ( 积分) 、d ( 微分) 调节器。在实际应用中根据对象的特性和控制要求，可以 灵活的改变结构并取其中的一部分构成控制规律。在本系统考虑到微分作用 容易被干扰，效果不理想，故取消微分环节。 本系统设计所采取的模拟p i 调节器的控制系统框图如下： 1 0 华中科技大学硕士学位论文 图2 3 模拟p i 控制结构框图 下面分别讨论调节器各部分的作用和具体实现。 1 比例调节环节 比例调节器的控制规律为 “= k e + u o( 2 4 ) 式中，k 为比例系数；u 。是控制量的基准，也就是p = 0 时，当控制目 标被控制在设定温度位置时，控制t e c 制冷占空比的基准电压。 比例调节器对于偏差e 是即时反应的，偏差一旦产生，调节器立即产生 负反馈作用使被控制量朝着减小偏差的方向变化，负反馈作用的强弱取决于 比例系数k 。比例调节器虽然简单快速，但对于具有自平衡性( 即系统阶跃 响应终值为一有限值) 的控制对象存在静差。加大比例系数可以减小静差， 但当k 过大时，会使动态质量变坏，引起被控量振荡甚至导致闭环不稳定。 在系统的实现中，将比例系数的设置部分放在了a d 6 2 0 的增益倍数的 设定电阻r o 的调节上。正如上一段所讨论的，k 值的选取与执行机构的控 制作用的强弱有关，选取的大小与系统的控制性能的关系在前置放大与变换 一段已经详细的描述过了，这里就不再讨论了。 2 积分调节环节 为了消除在比例调节中残存的静差，可在比例调节的基础上加上积分 调节，形成比例积分调节器，其控制规律为 “= k 卜砉j e d t ) 啪 s ， 其中t 称为积分时间。p i 调节器对于偏差的阶跃响应除按比例变化部 分外，还带有累积部分。只要偏差e 不为零，它将通过累积作用影响控制量 华中科技大学硕士学位论文 。，并减小偏差，直至偏差为零，控制作用不再变化，系统才能达到稳态。 因此，积分环节的加入将有助于消除系统静差。如果积分时间t 大，则积分 作用弱，反之则积分作用强。增大t i 将减慢消除静差的过程，但可以减少超 调，提高稳定性。t i 必须根据对象特性来选，由于本系统是滞后较大温度对 象，所以t i 要选的大一些。 对于积分器的的硬件实现如下图所示： 图2 4 积分器实现电路原理图 为了保证整个系统的稳定性、准确性，并减小电容的漏电流，设计时采 用2 2 u f 的聚苯积分电容。另外为防止积分进入饱和，在后面的小节还具体 讨论了积分释放电路的设计。时间常数可以通过调节可调电位器r 2 7 设定。 这些都可以在实际调试中，根据被控对象的实际运行情况来调节。 在实际应用中，p i 调节器基本上达到了设计的预期效果，这不仅是因为 p i d 控制技术非常成熟，有很多前人的实际电路可以供参考，而且和一些具 体的辅助工作电路有着很大的关系。例如积分饱和释放电路可以使本调节器 避免积分饱和现象。积分饱和电路将在下一小节详细讨论。 2 2 4 窗式比较器及防积分饱和电路的设计 窗式比较器的主要作用就是检测信号源是否处在某一温度范围内，并根 据检测结果使系统做出相应反应。本模拟控制系统使用窗式比较器主要是完 成以下几个功能： 1 检测当前温度是否处于设定温度误差范围内，并给出提示。 2 如果在这一范围内则： 1 2 华中科技大学硕士学位论文 a 首先将积分器的积分电容放电，即完成积分饱和释放。 b 然后短路积分电容，使积分器变成个电压跟随调节器。 在整个系统设计中，这一窗式比较器的设计也是非常关键且有新意的， 而且起到了连接前后的作用，虽然电路不是很复杂，但是却非常有用。下面 将利用系统框图解释该窗式比较器的设计： 图2 5 窗式比较器系统结构图 从图上可见窗式比较器的三个信号分别是设定的上限，下限，以及待监 控的信号。在此，电路的设计上有了一些交融的部分。上图中的“p w m 基 准信号”、“p w m 基准信号+ 上限误差”、“p w m 基准信号一下限误差”， 三个信号是利用分压电路上的多个可调电位器、电阻取得。如图： 图2 6 分压电路设计示意图 雾垂 陆 千譬+奎il爹，警点 华中科技大学硕士学位论文 此处分压信号电路是模拟系统设计的关键之处。它用一个简单的分压电 路将前后级系统的关系处理的很巧妙。通过调节分压电路中p w m 基准信号 的设定，将控制目标保持在设定温度位置处所需要的功率。从理论上而言该 设定不应用分压器做绝对的设定，而是应该根据l d 的驱动电源给出的功率 大小信号决定，但是对于本泵浦系统中l d 功率变化，p i d 的调节能力完全 可以达到设计要求。 另外一个值得讨论的问题就是：在本窗式比较器电路中，输入的待比较 信号为前级a d 6 2 0 仪表放大器输出的差模放大信号+ p w m 基准信号。则窗 式比较器所比较的是：差模放大信号的绝对值的幅度是否大于m a x 上限误 差，下限误差1 ，如果不大于，则说明系统设定温度和实际温度的偏差是可 以接受的，此时可以使积分器工作在电压跟随器状态，即等价于短接积分器。 如果系统一开始的实际温度与设定温度相差较大，则在积分器的作用下会逐 渐向设定温度靠拢；但是一旦到达设定温度，如果积分器继续工作，则使温 度变化的趋势保持不变，温度将会迅速偏离设定温度，这种情况是不希望见 到的。因而系统设计为在设定温度误差的范围内进行积分释放更为合理。 最后，在设计时考虑到系统是滞后反应系统，所以要求时间常数较大， 并容易导致积分饱和。时间常数较大就要求电阻和积分电容都较大，且积分 电容必须选择漏电流小的电容。故不选电解电容，而要选择漏电流极小的聚 苯电容。考虑到积分饱和问题且电容较大，又对设计提出了一个要求：积分 电容很大，在窗式比较器控制耗尽型m o s 管工作时，必须要加一限流电阻， 以防止瞬间电流过大而烧坏器件。这些在总电路中都有体现在此不再多列出 电路图详细讨论。 2 2 5t e c 的驱动原理 由于本控制系统的执行系统是半导体制冷器t e c ，要控制t e c 有两种 方法：第一种一一线性化控制方法，即通过控制加在t e c 两端电压来控制 t e c 的制冷功率。加在t e c 两端的电压越大，因为t e c 的等效电阻可以认 为不变，所以t e c 的功率就按电压的平方关系增大。该控制方法的电路原 1 4 华中科技大学硕士学位论文 理图如下所示 图2 ，7t e c 线性控制方案电路原理图 由于o p 0 7 的反相端引入的反馈是负反馈，根据运算放大器虚断与虚短 ( v + = v 一) 的原理，可分析出此时v i 。上的电压等同于t e c 两端电压，因此 在v i 。端输入功率很小的信号电压，便可控制t e c 按信号电压进行工作。此 时大功率m o s 管工作在线性状态，m o s 管上的压降很大，由于t e c 的驱动 电流很大，一般为几安，导致驱动电源有很大部分功率消耗在m o s 管上。 此时m o s 管的发热不容忽视，必须在加大散热片的同时考虑一些其他的措 施以减小m o s 管上产生的热量。在本研究方案中曾采用串联电阻的方法将 加在m o s 管上的压降分给电阻，这样消耗在m o s 管上的一部分功率便转移 到电阻上去了。这一电压驱动器的方案简单、实用、有效，在早期的试验中 采用的都是这种驱动方式，但是在电阻两端所消耗的功率非常可观。几乎和 t e c 实际制冷所需消耗功率相当，甚至更高。根据已查阅的资料介绍，绝大 部分采用的是线性控制方式，只是具体的实现方式不同。上面所介绍的线性 控制方式是根据运放及负反馈工作原理自行设计的，故在此进行了较详细的 介绍。此电路在早期的电路调试中工作非常稳定，如果不考虑功耗问题，是 一种相当不错的解决方法。 下面着重介绍另外一种工作方式一一通断方式。 采用通断方式工作的t e c 驱动电路可以分为两种：一种是利用继电器 的通断来控制t e c 的制冷。另外一种就是最终实际工作方案所采用p w m ( 脉 冲宽度调制) 波来控制t e c ，下面分别介绍这两种控制方式。 用继电器工作一般而言通断频率不会过高，而且常常存在上下限的设定 1 5 华中科技大学硕士学位论文 问题。当实际温度低于设定的温度下限，则继电器断，不制冷；当实际温度 高于设定温度上限，继电器开始工作，直到被控制的目标的温度下降到设定 的温度下限，此时t e c 再一次停止制冷，然后一直等到温度上升到设定的 温度上限。如此继电器周而复始的通断，被控目标就在设定的上下限不断的 变化。这种温度控制方法实现较为简单，但是其实现机理是将温度控制在一 个范围而不是在一个特定的值。根据系统的要求，必须将温度上下限范围设 定的很小，才有可能满足设计要求。若上下限的范围设定过小，继电器会频 繁通断，甚至继电器的通断会出现抖动，从而使继电器的寿命大大缩短，所 以这种控制方式并不适合本系统。 因此引入p w m 方法对本控制系统进行改进。由于p w m 波是占空比 ( d u t yc y c l e ) 可调的方波，因此可以利用这一方波来控制大功率m o s 管的通 断，从而可以用通断方式实现等效于线性化控制方案的连续控制。用这种方 式控制大功率m o s 管可以使m o s 管工作在开关状态，管上的压降或者几乎 为零，或全断开，因而几乎不发热，极大的减小了m o s 管的功耗，增长m o s 管的工作寿命。且控制的可调节性比采用改变电压的方式更好。此外采用这 种控制方式具有不需改变硬件设备，而适配不同规格的t e c 的能力，这是 采用线性电压调节控制方案无法满足的。 p w m 波的优点非常明显，因此在很多方面都得到了广泛的应用。最常 见的是专门用于开关电源的集成p w m 驱动器。它根据输入的电压信号v i 。 决定输出方波的占空比：一般v i 。i l y ，3 5 v l 时有以下关系式： 矿一矿 占空比= = 兰1 0 0 ( 2 6 ) 2 5 p w m 波的产生需将输入电压信号v i 。送入比较器的同相输入端，锯齿 波发生器产生周期为t 的锯齿波信号并将其送入比较器的反相输入端，当输 入电压信号大于锯齿波电压时，比较器输出高电平：反之，输出低电平。比 较器的输出便为脉冲宽度可调的方波信号，周期为t 。 欲产生p w m 信号，可用一锯齿波发生器与一比较器共同组成，也可采 用成熟的p w m 驱动芯片。在初期为使设计电路尽量简化，决定利用专门用 1 6 华中科技大学硕士学位论文 于开关电源的集成脉冲宽度调制器获得输出占空比可调的p w m 波。故选择 广泛应用的t l 4 9 4 芯片，t l 4 9 4 的原理图如下所示： 1 l n “m o “柏t 帅 器l 淝 图2 8p w m 驱动器t l 4 9 4 电路原理图 下面针对t l 4 9 4 介绍与脉冲宽度调制系统关系密切的一些环节。 锯齿波发生器：t l 4 9 4 内部设有振荡器，振荡器接上外接的频率选择器 件r t 与c t ( 5 、6 端) 构成锯齿波发生器，振荡频率和r t 与c t 的关系由下式 来确定： 厂= 币1 百1 ( 2 7 ) 在电容c t 上输出频率为f 的锯齿波信号。 输出脉冲宽度调制器：由死区时间比较器、p w m 比较器、或门、t 触 发器、两个或非门以及两个输出晶体管组成。其中3 端是输入控制信号端。 4 端是死区时间控制端，由于此处为单端工作方式，因而不需要死区时问， 故将其接地。另外由于t l 4 9 4 为双端集成脉冲宽度调制器，因此在一个周期 内的占空比最大只能是5 0 。要得到最大占空比1 0 0 的p w m 波信号，必 须选择其工作方式。根据原理图可知：将1 3 脚接地可使输出方波的占空比 在0 1 0 0 内变化。最后由于需要的是一电平信号，而输出晶体管是o cf - j ， 这样在输出脚8 还要接一个上拉电阻。 经过上述处理，t l 4 9 4 双端输出式集成芯片便可完成输出方波占空比与 7 华中科技大学硕士学位论文 输入电压成正比变化的脉冲宽度调制功能。使用以来效果一直很好。 利用得到的占空比可变的方波去驱动大功率m o s 管可以很方便的控制 t e c 输出的制冷功率。采用集成脉宽调制器之后，电路的复杂度并无明显增 加，并且运行非常可靠。此外这种控制方式既有连续线性电压控制的优点， 又克服了通断方式工作的不能精确控制温度的缺点。是一种非常好的控制方 案。 2 2 6 t e g 的制冷机理 当直流电通过半导体p n 结时，在两结的接触面上会发生热电效应，它 是由五种不同的效应组成。其中有帕尔帖效应、焦耳效应、傅立叶效应、赛 贝克效应、汤姆逊效应等五种不同的效应。半导体制冷器主要是根据帕尔帖 原理，制成的一种简单方便的制冷器。结构简单，无制冷工作介质( 如氟利 昂) 、无机械部件、无振动、制冷迅速，可以做到很长寿命。并且交换电流 方向即可实现制冷或制热，调节电流的大小即可控制制冷量的输出。 1 ) 帕尔帖效应 当电流通过不同的材料构成的回路时，其接触面上将产生吸或放热现象 称为帕尔帖效应，帕尔帖热和通过该导体的电流的关系为： q 。= 石i ( 2 8 ) 其中：石= 常数，t 称为帕尔帖系数，它取决于这对导体的材料。帕尔 帖系数对于p n 结：l = ( 口。一o n ) x t 。a p 和d 。分别为p 型结和n 型结的温差 电动势率，t 为相应接头上的绝对温度。a 。为正，a 。为负。 2 ) 傅立叶效应 单位时间内经过均匀介质沿某一方向传导的热量与垂直这个方向的面 积和该方向温度梯度的乘积成正比 绋= 一五生= k a t ( 2 9 ) o 其中： 华中科技大学硕士学位论文 比例系数x 称为材料的热导率，或称为导热系数，单位是删似x 矽，其 数值大小反映材料的导热能力，热导率愈大，材料导热能力愈强。 4 ：参与导热的面积，占：导热体的厚度。 k ：导体的热导，为导热热阻的倒数。 3 ) 焦耳效应 直流电通过导体时单位时间内产生的热量等于导体电阻和电流平方的 乘积： q ，“2 r = 1 2 x 鲁 ( 2 _ l o ) 在制冷p n 结电偶中p n 结的一端为冷端，另一端则为热端，因此在p n 结的两端存在温差。由于温差的存在，同时由于电流通过电偶臂时产生焦耳 热，使局部的温度升高，热量就会由热端向冷端传播。如果热量在p n 结上 达到了平衡，则由热端传导给冷结点的热量可以用一维傅立叶方程来表示： 纵= 圭g + 绋= 吉，2 r + k a t ( 2 1 1 ) 由于热传导焦耳热影响了冷端的帕尔帖制冷效应，因此单个p n 结上的 制冷量为： q 冷= q p - 瓯= 绯一丢g 一绯= 疗，一三 r 一髓丁( 2 1 2 ) 可以推出p n 结冷热端的温差为 f g i - 三1 2 r 一队 a t = 生= 一 ( 2