半導體製冷器模擬pid溫控電路參數自動整定系統的製作方法

2023-06-21 06:39:26

專利名稱：半導體製冷器模擬pid溫控電路參數自動整定系統的製作方法
技術領域：
本專利涉及半導體製冷器溫控電路參數自動整定系統，具體是指一種半導體製冷器模擬PID溫控電路參數自動整定系統。
背景技術：
隨著紅外探測器的廣泛應用，人們發現探測器的工作溫度對探測器的響應波段、暗電流、量子效率、非均勻性、響應時間常數等性能都有很大影響。因此，隨著加工工藝的不斷進步，越來越多的紅外探測器中封裝了製冷精度高、響應速率快的熱電製冷模塊(TEC)，甚至採用多級熱電製冷來實現探測器工作所需低溫工作環境。為了保證高探測性能，往往要求探測器的工作溫度具有很好的穩定性。目前大多數應用PWM的功率驅動技術來控制TEC的製冷電流，不僅能提高系統的效率，而且具有高精度、高效率和高集成度的特點。但實際使用中，由於TEC與探測器封裝在一起，大電流、高頻率的PWM信號容易對探測器的探測性能產生影響，特別是對於微弱信號的探測，PWM信號產生的幹擾噪聲甚至能淹沒有效信號。而採用模擬PID電路對TEC製冷進行控制時，由於不涉及數字量的變化，因此對探測器的探測性能幾乎沒有影響。另外，模擬PID的控制是由電路實現的，這有利於提高系統的運行速率，簡化系統程序的結構，減少程序運行出錯機率，提高系統程序運行的可靠性。因此，具有電路簡單、性能可靠、噪聲低等優點的模擬PID溫控電路不僅能保證探測器工作溫度穩定，而且不影響探測性能。一般，模擬PID溫控電路使用前需要對三個PID參數進行設定。另外，環境的變化使被控對象具有時變性，系統經過一段時間後往往會出現性能欠佳、適應性變差、控制效果下降等情況，這時也需要對PID參數進行重新設定。而模擬PID電路參數的設定一般要求調試人員具有豐富的模擬電路調試經驗，且需要調試人員反覆調整電阻或電容等參數才能達到控制精度要求，其調試過 程非常繁瑣、耗時。因此，研究模擬PID溫控電路參數自動整定系統，以適應複雜工況及高性能指標的控制要求，是實現節能優化控制的重要手段，具有重大的工程實踐意義。到目前為止，國內外有很多研究人員對數字PID參數的自動整定技術進行了大量的研究工作，也取得了一些成果，如基於繼電反饋的PID參數自整定、基於模糊PID參數的自整定以及基於神經網絡的PID參數自整定。然而，對於模擬PID電路參數的自動整定技術，國內外目前還沒有對其進行過研究，通常憑藉調試人員的經驗對PID電路參數進行調試。
發明內容本發明的目的是提供一種能對半導體製冷器模擬PID溫控電路參數進行自動整定的裝置，解決人工調試模擬PID溫控電路參數繁瑣、耗時的問題，並降低對調試人員調試經驗的要求，針對不同溫控指標的模擬PID溫控電路進行參數優化，可有效減少調試周期，提高效率，加快研發進度。[0006]本專利的半導體製冷器模擬PID溫控電路參數自動整定系統由測溫模塊、模擬PID溫控模塊、熱電製冷驅動模塊、MCU主控制模塊以及上位機組成，其中:所述的測溫模塊由溫度傳感器和測溫電路組成，溫度傳感器採用熱電偶、熱電阻、熱敏電阻或集成電路傳感器，測溫電路是橋式測溫或恆流源式測溫；所述的模擬PID溫控模塊由模擬PID電路和被控數字元器件組成，其中模擬PID電路採用模擬PI電路、模擬ro電路或模擬PID電路，被控數字元器件採用數字電位器或數子電各器；所述的熱電製冷驅動模塊由熱電製冷片、MOS管和散熱裝置組成，散熱裝置為銅塊熱傳導、風扇熱對流或水冷裝置；所述的MCU主控制模塊由MCU、ADC、DAC和串口通訊組成，其中MCU為單片機、DSP、ARM、FPGA, CPLD 或 PLC ；所述的上位機由微型機及內置編程軟體構成，微型機與MCU的通訊埠是串口、USB總線、CAN總線、PCI總線或網絡接口，其內置編程軟體是VC、VB、Matlab或LabView ；系統的工作流程如下:MCU通過串口通訊接收在上位機的軟體界面設定的溫控指標、PID參數初始值及整定裝置的啟動命令後，首先通過測溫模塊對熱電製冷器內部溫度進行連續採集，然後通過自整定算法將採集的多組溫度數據進行計算、並與溫控指標進行比較，最後用比較結果對模擬PID溫控模塊中的數字電位器進行調節，以此控制驅動熱電製冷器的製冷電流；整個過程中MCU還需要將連續採集的熱電製冷器內部溫度通過串口通訊傳給上位機進行實時顯示，以便觀測整個自整定過程。
所述的自整定算法是先比例，後積分，最後是微分的常規PID參數整定算法或者是模糊算法、神經網絡算法的智能PID參數整定。本發明由於採用以上技術方案，具有如下優點:由於整個自整定過程不需要更改硬體，只需要在上位機軟體界面輸入半導體製冷系統所需的溫控指標，可有效的解決人工調試模擬PID溫控電路參數繁瑣、耗時的問題，同時降低對調試人員調試經驗的要求，更有利於對不同溫控指標的模擬PID溫控電路參數的整定。

圖1是半導體製冷器模擬PID溫控電路參數自動整定系統框圖。圖2是測溫電路原理圖。圖3是模擬PID整定電路原理圖。圖4是模擬PID自整定流程圖。圖5是熱電製冷驅動電路原理圖。圖6是上位機人機互動界面。
具體實施方式
以下結合附圖和實施例，對本專利進行詳細描述。本專利是一套可用於半導體製冷器模擬PID溫控電路參數自動整定的系統，其原理框圖如附圖1所示，包括:測溫模塊、模擬PID溫控模塊、熱電製冷驅動模塊、MCU主控制模塊以及上位機。[0023]I)測溫模塊測溫模塊主要涉及溫度傳感器的選取和測溫電路方式的選擇。溫度傳感器的選取與自整定系統的溫度範圍、測溫精度、整定後系統的溫度穩定性等要求密不可分，工業上常用的溫度傳感器有四類:熱電偶、熱電阻RTD、熱敏電阻及集成電路溫度傳感器。本專利中的溫度傳感器根據一般工程上對測溫範圍、靈敏度、測溫精度以及對溫度的線性度等要求，採用熱電阻RTD中的鉬電阻PtlOO，其對溫度響應的線性度最好、測溫範圍寬(-250 900°C)、靈敏度高(0.00385 Ω/tO、測溫精度高:(±0.01°C)。測溫方式一般有橋式測溫和恆流源式測溫。為了避免橋式測溫電路中由於電阻的差異引起橋臂電阻和電橋輸出電壓之間的非線性問題，本專利中採用恆流源式測溫電路，經ADC採樣後的測溫精度為±0.03°C。整個測溫模塊原理圖如附圖2所示。2)模擬PID溫控模塊本專利中採用並聯式模擬PID電路，其原理圖如附圖3所示。並聯式模擬PID電路的優點是三個參數的調整過程可以互不影響；圖中的可調電阻由數字電位器替代，因此模擬PID電路的比例、積分、微分三個參數的調整可由MCU對三個電位器整定來實現。值得注意的是，數字電位器滑動端抽頭不是連續的，其微調電阻的阻值受總電阻值和抽頭個數的影響，因此使用中需根據被控對象特性進行合理選擇。本專利的被控對像是一個溫控系統，可看作是一個二階遲滯系統，微分參數的影響幾乎可以忽略。本專利選用總阻值分別為1M、10M、10K，抽頭均為512個的數字電位器。採用的自整定算法是常規PID參數整定方式，即先調節比例係數，然後是積分係數，最後是微分係數。具體的自整定流程如附圖4所示。3 )熱電製冷驅動模塊本專利中熱電製冷器(TEC)驅動模塊的電路原理圖如附圖5所示。溫差信號經過模擬PID電路調節後，通過一個負反饋積分電路驅動一個功率MOS管，從而實現對TEC製冷電流的控制。其中，在MOS管的柵極加入了一個程控開關來實現製冷關斷和打開。值得注意的是，在溫控系統對低 溫進行製冷時，由於溫差大，需要的製冷電流也大，導致熱電製冷片的熱面過熱，這時需要將熱端的溫度及時導出，避免對冷端的製冷效率和自整定過程產生影響。4) MCU主控制模塊本專利中MCU主控制模塊採用TI的低功耗16位單片機MSP430。其供電電壓範圍為1.8V 3.6V，指令周期125ns ;內部集成了 12位的ADC、12位的DAC和兩個串行通訊接口，16KB+256B fIash存儲器和512B ROM。其主要功能:與上位機進行串口通訊；連續實時採集熱電製冷器內部溫度；將連續採集到的多組溫度進行處理後，根據溫控指標對模擬PID溫度電路中的三個數字電位器進行調整；整定結束後，將模擬PID溫控電路的三個參數通過串口傳給上位機顯示。5)上位機本專利中上位機是在Windows XP系統下，採用C++Builder6.0軟體編寫的基於串口通訊的人機互動界面。主要功能:溫控指標和模擬PID溫控電路參數初值的設定、熱電製冷器內部溫度實時顯示以及將整定好的模擬PID參數進行顯示。本專利中採用的電腦配置為:CPU (Intel. Core(TM)2Quad);主頻(2.4GHz);內存(2GB);硬碟(80GB);顯卡(ATIRadeon HD2400)。
權利要求1.一種半導體製冷器模擬PID溫控電路參數自動整定系統，由測溫模塊、模擬PID溫控模塊、熱電製冷驅動模塊、MCU主控制模塊以及上位機組成，其特徵在於: 所述的測溫模塊由溫度傳感器和測溫電路組成，溫度傳感器採用熱電偶、熱電阻、熱敏電阻或集成電路傳感器，測溫電路是橋式測溫或恆流源式測溫； 所述的模擬PID溫控模塊由模擬PID電路和被控數字元器件組成，其中模擬PID電路採用模擬PI電路、模擬ro電路或模擬PID電路，被控數字元器件採用數字電位器或數字電容器； 所述的熱電製冷驅動 模塊由熱電製冷片、MOS管和散熱裝置組成，散熱裝置為銅塊熱傳導、風扇熱對流或水冷裝置； 所述的MCU主控制模塊由MCU、ADC、DAC和串口通訊組成，其中MCU為單片機、DSP、ARM、FPGA、CPLD 或 PLC ； 所述的上位機由微型機及內置編程軟體構成，微型機與MCU的通訊埠是串口、USB總線、CAN總線、PCI總線或網絡接口。
專利摘要本專利公開了一種半導體製冷器模擬PID溫控電路參數自動整定系統，其特徵在於自整定對象為模擬PID溫控電路參數；溫控方法是模擬PID電路；溫控對象為半導體製冷器；溫控指標的設定由上位機軟體界面輸入；模擬PID溫控電路參數的自整定過程由MCU控制。本專利的系統可有效解決人工調整模擬PID溫控電路參數繁瑣、複雜的調試過程以及模擬PID溫控電路參數調試過程對調試人員調試經驗的要求。另外，整個自整定過程不需要更改硬體，只需在上位機軟體界面輸入半導體製冷裝置所需的溫控指標，有利於對不同溫控指標的模擬PID溫控電路參數的整定。
文檔編號G05D23/20GK203133630SQ201320057269
公開日2013年8月14日 申請日期2013年1月31日 優先權日2013年1月31日
發明者劉雲芳, 傅雨田, 李建偉, 張曉 申請人:中國科學院上海技術物理研究所