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利用SPICE設計TEC溫度環路PID控制

   2012年06月05日 17:20  
  使用模擬比例積分微分(PID)控制器的溫度控制是一種非常簡單的電路,是確保熱電冷卻器(TEC)的設置點能夠對溫度或者激光進行調節的有效方法。比例積分項協同工作,地伺服TEC的電流,以維持控制器的溫度設置點。與此同時,微分項對完成上述工作的速率進行調節,從而優化總體系統響應。如果可以對總體系統響應H(s)進行描述,則為其設計PID控制器G(s)的zui為方便和有效的方法是利用SPICE進行仿真。
  
  步驟1:確定SPICE模型的TEC/Temp傳感器熱阻抗。
  
  要想把SPICE作為PID環路設計的一種有效工具,獲取溫度環路的熱響應非常重要,目的是獲得PCBàTECà激光二極管à溫度傳感器接線的實際熱敏電阻、電容和傳輸函數。記住,由于實際熱特性會出現高達50%的變化,因此是向實際系統注入一個熱步進輸入,并對其進行測量,以獲得*的SPICE仿真熱模型。
  
  如果對熱連接線進行描述,請使用“外環路、內環路”程序來確定G(s)模塊中控制放大器的總體環路響應和穩定性。在所有情況下,都會使用一個非常大的電感來中斷外環路和內環路,并通過一個大電容器和AC電源激勵環路。
  
  步驟2:中斷G(s)和H(s)之間的外環路
  
  外環路定義為圍繞G(s)和H(s)模塊的一條通路。使用圖1進行模擬的目標是中斷外環路,獲得H(s)、G(s)和總環路增益,以驗證熱環路穩定性。這種情況下,圖2顯示相位降至零度以下,而環路增益變為0dB,其表明整個環路不穩定。因此,改變G(s)應加強PID控制,并增加溫度環路的穩定性。
  
  圖1仿真電路獲得環路增益和相位
  
  圖2圖1的環路增益和相位曲線圖
  
  圖3中改進型G(s)模塊包括PID組件。微分電路的角頻由R7和C3設定;R3設置比例增益;C2和R6設置積分電路角頻。
  
  圖3補償G(s)的仿真電路
  
  步驟3:中斷G(s)“內環路”,確定本地放大器穩定性
  
  構建完整PID組件的zui后一步是中斷內環路,檢查本地放大器(OPA2314)的穩定性,從而確保其穩定性與總環路增益無關。在這種情況下,放大器要求使用一個50pF電容器(請參見圖4),以維持本地環路的穩定運行。
  
  圖4經過補償的本地G(s)環路的zui終電路

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