高精度雙閉環負反饋激光器溫度控制系統設計?

郭清華

(1.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400039；2.瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室，重慶 400037)

我國煤礦地質儲存復雜，在國有重點煤礦中，高瓦斯突出礦井占49.5%左右，因此瓦斯災害是當前我國煤炭工業所面臨的首要問題[1－3]。目前應用于煤礦井下工作面、瓦斯抽放鉆場及抽放管道的瓦斯濃度檢測傳感器已從傳統的載體催化、熱導技術、紅外發展到激光吸收光譜技術(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy，TDLAS)。激光吸收光譜技術具有測量精度高、穩定性好、激光譜線窄、氣體吸收選擇性單一以及抗電磁干擾能力強等特性；且采用波長調制掃描吸收譜線，能自動識別有效吸收波形，為實現傳感器的智能調校和故障自診斷提供了重要技術支撐，具有無可比擬的優勢[4]。

根據最新煤礦安全監控系統升級改造技術方案，激光甲烷傳感器須滿足高精度、低功耗和長期工作穩定性6 個月的要求[5]，亟需提高激光器溫度控制系統的精度、魯棒性和智能化調節水平，同時降低激光器溫控電路功耗，完成對激光甲烷傳感器的智能化升級；為國家發改委、能源局、煤監局等多部委聯合印發?關于加快煤礦智能化發展的指導意見?提出的智能化礦山建設目標，提供底層的技術支撐[6－7]。

目前半導體激光器的溫度控制主要以熱電制冷器(Thermo Electric Cooler，TEC)作為執行元件，采用模擬PID 或者數字PID 反饋控制方法實現溫度的精確控制[8－9]。國內外相關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。國內外相關研究人員對上述芯片開展了大量的應用研究工作[10－12]，但在煤礦本安供電條件下如何實現井下、地面寬溫度工作范圍(－20～60)℃的溫度高精度控制以及長期穩定性方面需要作進一步的研究及測試。

本文針對激光氣體傳感器在煤礦、天然氣等實際工礦應用環境(－20～60)℃的溫度波動范圍，開展了DFB 激光器雙閉環負反饋溫度控制系統原理、溫控電路設計、PID 控制補償網絡研究，并對溫控精度及長期工作穩定性進行了仿真和實驗驗證。

1 半導體激光器溫度控制系統設計原理

分布式反饋半導體激光器(DFB 激光器)通過內部封裝的半導體熱電制冷器(Thermoelectric Cooler，TEC)和高精度NTC(Negative Temperature Coefficient)熱敏電阻，實現對激光器芯片工作溫度的穩定控制，從而激發出測量系統需要的特征光波[13]。蝶形DFB 激光器的封裝，如圖1 所示。

圖1 DFB 激光器封裝

本文設計的半導體激光器溫度控制系統，采用了雙閉環負反饋控制系統架構，即第一層GλFB1波長負反饋系統和第二層GTFB2溫度負反饋系統，如圖2所示。

圖2 激光器雙閉環負反饋溫度控制系統

第一層GλFB1波長負反饋系統控制回路，通過調節設定波長λS與參考氣室提取波長特征λR之間的誤差變量e1來實現。首先，將激光器輸出光波引入到特征氣體參考氣室光路，參考氣室密封有濃度恒定的特征氣體(如甲烷氣體)。測量系統的微控制器(MCU)檢測、解析參考氣室特征氣體所吸收的二次諧波[14－15]，提取特征光波波長λ1，如圖3 所示；將λ1與設定值λS進行比較，即波長誤差變量e1＝λSλ1；將e1歸一化處理，MCU 再調用特征波長誤差模糊轉化算法更新數模轉換器(Digital to Analog Converter，DAC)的溫度設置電壓值UI，然后進入到第二層GTFB2溫度負反饋系統。

圖3 參考氣室特征氣體吸收二次諧波

第二層GTFB2溫度負反饋系統控制回路，通過調節溫度設置電壓值UI與NTC 熱敏電阻轉換輸出電壓UFBt之間的誤差變量e2來實現。激光器內部封裝的激光二極管(LD)的實際工作溫度，通過NTC熱敏電阻進行檢測，通過溫度前置運算放大器處理得到UFBt，即溫度誤差變量e2＝UI－UFBt；將e2輸入到增益為KE的誤差放大器進行線性放大，再輸入到補償放大器進行PID 控制單元(傳遞函數GC(s))調節，最后驅動TEC 控制執行單元(控制增益KTEC)進行相應的加熱或制冷動作，使得溫度偏差減小到接近于零，從而實現半導體激光器輸出波長和內部溫度的恒定控制。

2 高精度溫度控制系統電路設計

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制功率器的TEC 驅動組件、一個誤差放大器、一個補償放大器、2.5 V 基準電壓源、2M 內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部，形成驅動TEC 工作電流的H 橋。H 橋一側使用線性輸出，無需外圍器件；H 橋另一側使用PWM 驅動器，只需外接一個電感和一個電容來濾除紋波，且PWM 開關頻率為2 MHz，在滿足同一輸出電壓紋波條件下，電感和電容的設計參數和封裝明顯減小。相較于外接MOSFET 管的溫度控制芯片，ADN8834集成度更高，工作效率達到90%以上，適用于低功耗、小體積的傳感設備及便攜式設備。

2.2 ADN8834 高精度溫度控制系統電路設計

ADN8334－LFCSP 控制電路設計，如圖5 所示。VDD、PVINL、PVINS 設置為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 口進行使能控制[17]。

圖5 ADN8834 溫度控制系統核心電路

TEC 驅動組件對熱電制冷器TEC 工作電流進行控制和調節:TEC 正向電流由TEC ＋流向TEC－時，處于制冷工作模式；TEC 反向電流由TEC－流向TEC＋時，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 驅動器的電源紋波。

2.2.1 熱敏電阻放大器設計

NTC 熱敏電阻通過溫度誤差放大器進行線性放大，IN1N 引腳設置電壓VREF/2 ＝1.25 V，通過R12、R13分壓實現；IN1P 引腳連接NTC 熱敏電阻RTH、Rx和R5組成電阻網絡，其中RTH＝10 kΩ(＠25 ℃)；根據激光器設定的工作溫度范圍(－20～60)℃，可得最佳補償電阻Rx＝6.5 kΩ，R5＝16.5 kΩ；為保證在高低溫范圍內，放大器輸出動態電壓的靈敏度，設置反饋電阻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態增益KE隨溫度的變化值，可由式(1)計算得出。在工作溫度范圍(－20～60)℃內，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 控制網絡補償放大器設計

激光器工作溫度TS對應DAC 設定值TEMP＿SET，通過GTFB2溫度負反饋系統控制回路實現。本文采用DAC 數模轉換芯片實現激光器寬范圍溫度定值設置；根據溫度、波長控制精度要求，本文采用了16 bit 的高精度DAC 芯片LTC2641A；同時引入環境溫度熱敏電阻Renv，通過MCU 的ADC 采樣環境溫度TE，如圖7 所示。

圖7 DAC 溫度設置電路及環境溫度采用電路

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

PI 補償放大器的傳遞函數GC(s):

2.2.3 溫度控制系統傳遞函數仿真分析

由圖2 可知，本文設計的基于ADN8334 的GTFB2溫度負反饋控制系統，由于誤差放大電路設置在溫控反饋回路中，因此溫控系統的開環傳遞函數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/℃(保證工作溫度內系統穩定)；一般激光器與TEC 的控溫傳遞函數GL(s)如下所示:

本文激光器的TEC 執行增益KLT＝30 ℃/V，使用的激光器通過查閱產品資料和實驗測試，其主極點時間常數TL0＝20 s，次極點時間常數TL1＝0.33 s，因此GL(s)如式(5)所示:

GTFB2溫度控制系統的單位負反饋開環傳遞函數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 控制系統工具箱和SIMULINK仿真測試環境，對GTFB2溫度控制系統的進行頻域穩定性分析和時域響應分析。系統的波特圖如圖8所示。

圖8 GO(s)波特圖及穩定裕度分析

系統幅值裕度Gm ＝Inf dB(＠ Inf rad/s)，相角裕度Pm ＝39.6°(＠3.56 rad/s)。在設定的工作溫度范圍(－20～60)℃，系統的幅值裕度都是Inf dB(Inf，Infinite)，在邊界溫度－20 ℃、60 ℃兩個點取得最小的相角裕度Pm ＝39.6°，因此GTFB2溫度控制系統的魯棒性好，系統穩定可靠。系統的沖激響應曲線如圖9 所示。系統響應上升時間trise＝5 s～6 s，系統建立時間tsetting＝35 s～40 s 之間。

圖9 GO(s)沖激響應曲線

3 實驗測試與分析

為了驗證本文設計的激光器溫控電路系統的溫度控制精度和穩定性，整機在高低溫箱25 ℃的恒溫條件下，對該激光器溫控系統的響應時間、穩定時間和控制精度進行了測試，實驗測試數據如圖10、圖11 所示。

圖10 25 ℃整機溫控響應測試數據

圖11 吸收峰中心控制精度測試數據

激光器波長掃描范圍為0～20 000 個點，激光器甲烷吸收峰中心設定在10 200 位置。如圖10 所示，溫控系統輸出的控制中心位置在第7 個采樣序列達到9 500，響應時間trise＝(7－1)×1.5 s＝9 s，系統穩定時間在第36 個采樣序列達到，tsetting＝(36－1)×1.5 s＝52.5 s。由于激光器內部溫度傳導存在延時滯后環節，因此該溫控系統的實際響應時間和穩定時間符合仿真分析結論。

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

將整機在高低溫箱進行了(－20～60)℃的溫度循環實驗，同時在測量光路外接密封甲烷氣體的參考氣室(密封的甲烷濃度約為22.00%)，并放置在常溫環境中，避免高低溫實驗對測量濃度值的影響。實驗測試數據如圖12 所示，通過近4 h 的高低溫循環實驗測試，激光甲烷傳感器測量值在(21.76～21.84)%CH4之間變化，以21.80%為中心，測量波動幅值在(－0.04～0.04)%CH4，即激光器溫控系統對吸收峰中心的控制誤差減小到±1.8‰，驗證了雙閉環負反饋溫度控制系統對激光器工作溫度和吸收峰中心的控制精度。

圖12 整機(－20～60)℃溫度循環實驗測試數據

為驗證激光甲烷傳感器溫控系統長期工作穩定性，進行為期60 天的穩定性測試，每天分別通入2.00%甲烷標氣。測試數據如圖13 所示，測量誤差約為1.00%，遠低于煤礦等現場對甲烷濃度檢測的誤差要求，保證了激光甲烷傳感器在煤礦、瓦斯抽放管道、天然氣、石油化工等環境中工作的穩定性和可靠性。

圖13 激光甲烷傳感器長期工作穩定性測試數據

4 結論

本文首先對DFB 激光器溫度控制系統原理、溫控電路TEC 控制芯片電路設計進行研究，然后開展溫控系統PID 補償網絡設計，最后對溫控系統的穩定性、溫控精度及長期工作穩定性進行仿真和驗證。提出了一種基于激光吸收峰和溫度的高精度雙閉環激光器溫度控制系統設計方法，以提高DFB 激光器溫控系統的控制精度，減小溫控系統對激光甲烷傳感器測量值的影響。設計了基于PI 補償網絡溫控系統，進行了頻域穩定性分析和時域響應分析。整機通過了(－20～60)℃高低溫實驗和60 d 工作穩定性實驗，驗證了溫控系統在設定工作溫度范圍的穩定性，為激光甲烷傳感器在煤礦等工業現場的應用提供了技術支撐。