激光器温度控制电路软启动算法研究.pdf
《激光器温度控制电路软启动算法研究.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《激光器温度控制电路软启动算法研究.pdf(7页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、 第 40 卷 第 4 期 2023 年 8 月 郭清华 激光器温度控制电路软启动算法研究 23 激光器温度控制电路软启动算法研究 郭清华1,2(1.中煤科工集团重庆研究院有限公司,重庆 400039;2.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室,重庆 400037)摘 要 为满足激光甲烷传感器在煤矿、天然气等工矿环境应用中 6km 的传输距离和测量精度,首先设计了一种基于激光吸收峰和工作温度的高精度双闭环负反馈温度控制系统,基于集成的 TEC 温控芯片开展 PI 补偿网络设计和系统稳定性、响应特性仿真分析,系统控制误差达减小到约1.37,减小温控系统对激光甲烷传感器测量值的影响;提出了基于逐步迭
2、代逼近的温控软启动算法,整机启动瞬态大电流由 0.5A12VDC 减小到 0.12A12VDC,最远传输距离达到 6km 以上;为激光甲烷传感器在煤矿、天然气等工矿领域的全面推广应用提供了技术支撑。关键词 双闭环负反馈温度控制系统;DFB 激光器;热电制冷器 TEC;软启动;中图分类号 O433 文献标识码 A Research on soft start algorithm of laser temperature control circuit Guo Qinghua1,2(1.Chongqing research institute of China coal technology&en
3、gineering group corp.Chongqing China 400039;2.National Key Lab for Gas disaster monitoring and emergency technology.Chongqing China 400037)Abstract In order to meet the 6km transmission distance and measurement accuracy of the laser methane sensor in coal mines,natural gas and other industrial and m
4、ining environments,a design method of a high-precision double-closed-loop negative feedback temperature control system based on laser absorption peak and working temperature was firstly proposed.Reduced to about 1.37,reducing the influence of the temperature control system on the measured value of t
5、he laser methane sensor.Carry out PI compensation network design and simulation analysis of system stability and response characteristics based on the integrated TEC temperature control chip.A temperature-controlled soft-start algorithm based on step-by-step iterative approximation is proposed,the t
6、ransient high current of the whole machine is reduced to 0.12A18VDC,and the longest transmission distance is more than 6km.A temperature-controlled soft-start algorithm based on step-by-step iterative approximation is proposed,the transient high current of the whole machine is reduced to 0.12A18VDC,
7、and the longest transmission distance is more than 6km.It provides technical support for the comprehensive promotion and application of laser methane sensor in coal,natural gas and other industrial and mining fields.Key words double closed-loop negative feedback temperature control system;DFB laser;
8、thermoelectric cooler TEC;soft start 我国煤炭资源赋存条件复杂,井工煤矿约占95%,平均开采深度已达到 600m 以上。煤矿灾害主要包括冲击地压、煤与瓦斯突出、火及突水等事故。在国有重点煤矿中,高瓦斯突出矿井占 49.5%左右,收稿日期:2023-02-28 基金项目:天地科技股份有限公司科技创新创业资金专项项目(2021-TD-MS008),重庆市技术创新与应用发展重点项目(cstc2019jscx-mbdxX0007),中煤科工集团重庆研究院重点项目(2021ZDXM03)。作者简介:郭清华(1983-),男,硕士,中煤科工集团重庆研究院副研究员,研究方
9、向:煤矿检测用仪器仪表,激光气体传感领域。Email:saint_ Modern Scientific Instruments Vol.40 No.4 Aug.2023 24 因此瓦斯灾害是当前我国煤炭工业所面临的首要问题1-3。目前应用于煤矿井下工作面、瓦斯抽放钻场及抽放管道的瓦斯浓度检测传感器已从传统的载体催化、红外发展到激光吸收光谱技术(TDLAS)4。目前国内中煤科工集团重庆研究院有限公司、大连艾科、山东微感等厂家自主研制了激光甲烷系列传感器,并在煤矿、天然气等领域得到了全面推广应用,产品不受水汽、其他背景气的影响,优势明显。根据最新煤矿安全监控系统升级改造技术方案,激光甲烷传感器须满
10、足带载传输距离 6km 和工作稳定性 6 个月的要求5-7,亟需解决整机上电阶段激光器温控电路瞬态大电流的问题,同时降低激光器温度控制电路功耗,提高整机的精度、长期工作稳定性及智能化调节水平,完成对激光甲烷传感器的智能化升级;为国家发改委、能源局、煤监局等多部委联合印发关于加快煤矿智能化发展的指导意见提出的智能化矿山建设目标,提供底层的技术支撑8-10。目前可调谐半导体激光器的温度控制主要采用半导体热电制冷器(Thermo Electric Cooler,TEC)实现温度加热或制冷,采用模拟或数字 PID 控制算法实现温度的精确控制11,12。国内外相关芯片公司推出的集成化 温度控制芯片主要有
11、前 MAXIM 公司的MAX1968-1978 系列、ADC 的 LTC1923(前凌特公司研制),以及 ADC 公司的 ADN8831-ADN8834 系列。国内外相关研究人员对上述芯片开展了大量的应用研究工作13-15,但在煤矿本安供电条件下启动大电流的抑制问题,井下、地面宽温度工作范围(-2060)的温度控制精度以及长期稳定性方面需要作进一步的研究及测试。1 半导体激光器温度控制系统设计 1.1 半导体激光器温度控制系统原理 本文设计的半导体激光器温度控制系统16,采用了双闭环负反馈控制系统架构,即第一层 GFB1波长负反馈系统和第二层 GTFB2温度负反馈系统,如图 1所示。图 1 激
12、光器双闭环负反馈温度控制系统 Figure.1 Laser double closed loop negative feedback temperature control system1.2 ADN8834 高精度温度控制系统电路设计 ADN8334-LFCSP 是一款高集成度的热电冷却器(TEC)控制器,通过测量热传感器反馈电压,结合比例-积分-微分(PID)补偿器调理信号,实现 TEC加热、冷却模式工作电流的控制,保证温度长期工作稳定,其封装的引脚配置,如图 2 所示。VDD、PVINL、PVINS 设置为 3.3V 电源输入,以降低芯片工作功耗和 TEC 组件 MOSFET 管的热消耗
13、;EN/SY 通过 MCU的 IO 口进行使能控制17。温度控制系统核心电路设计如图 3 所示。图 2 ADN8334-LFCSP 封装引脚配置 Figure.2 ADN8334-LFCSP Package Pin Configuration 第 40 卷 第 4 期 2023 年 8 月 郭清华 激光器温度控制电路软启动算法研究 25 图 3 ADN8834 温度控制系统核心电路 Figure.3 temperature control system core circuit 1.3 热敏电阻放大器设计 激光器的 NTC 热敏电阻信号通过温度误差放大器,包括 NTC 热敏电阻 RTH、RX和
14、 R5组成的电阻网络。其中 RTH=10k(25),补偿电阻 Rx=6.5k,R5=16.5 k,反馈电阻 RFB=100 k,可得温度误差放大器的最大增益 KEmax=5.06V/C(60)。1.4 PI 控制网络补偿放大器设计及仿真 激光器工作温度 TS对应数模转换芯片(DAC)LTC2641A 输出的设定值 TEMP_SET,通过 GTFB2温度负反馈系统控制回路实现。LTC2641A 是 16 位无缓冲电压输出高精度 DAC 芯片,采用 2.7V 至 5.5V单工作电源,输出误差为(1LSB INL 和1LSB DNL),采用该 DAC 芯片实现激光器宽范围温度定值设置;环境温度热敏电
15、阻 Renv,通过 MCU 的 ADC采样环境温度 TE,如图 4 所示。图 4 DAC 温度设置电路及环境温度采集电路 Figure.4 DAC temperature setting circuit and ambient temperature sampling circuit PI 网络补偿网络由电阻、电容组成,包括 RI,CI,RP组成。其中,积分环节 RI=6.8M,CI=10uF,比例环节 RP=1M,则时间常数 RPCI=10s,RICI=68s。PI 补偿放大器的传递函数GC(s):?()=(?(?)?)?(?)=(?)?(1-1)TEC 控制执行单元控制增益 KTEC=5V
16、/V;KE取最大增益约 5V/;TEC 执行增益为 KLT=30C/V;激光器的主极点时间常数 TL0=20s,次极点时间常数TL1=0.33s,因此GL(s)入式(1-2):?()=?(?)(?.?)(1-2)GTFB2温度负反馈控制系统开环传递函数 G(s)H(s)和反馈回路 H(s)分别如下式所示:()()=()?()?(1-3)分别将 KE、KTEC、GC(s)、GL(s)代入单位负反馈开环传递函数 GO(s)=G(s)H(s)可得式(1-4):?()=?(?)?(?)(?.?)(1-4)通过MATLAB控制系统工具箱和SIMULINK仿真测试环境,GO(s)的波特图如图 5 所示。图
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 激光器 温度 控制电路 启动 算法 研究
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。