CN103149954A

CN103149954A - 半导体制冷器模拟pid温控电路参数自动整定装置

Info

Publication number: CN103149954A
Application number: CN2013100391015A
Authority: CN
Inventors: 刘云芳; 傅雨田; 李建伟; 张晓�
Original assignee: Shanghai Institute of Technical Physics of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Technical Physics of CAS
Priority date: 2013-01-31
Filing date: 2013-01-31
Publication date: 2013-06-12

Abstract

本发明公开了一种半导体制冷器模拟PID温控电路参数自动整定装置，其特征在于：自整定对象为模拟PID温控电路参数；温控方法是模拟PID电路；温控对象为半导体制冷器；温控指标的设定由上位机软件界面输入；模拟PID温控电路参数的自整定过程由MCU控制。本发明的装置可有效解决人工调整模拟PID温控电路参数繁琐、复杂的调试过程以及模拟PID温控电路参数调试过程对调试人员调试经验的要求。另外，整个自整定过程不需要更改硬件，只需在上位机软件界面输入半导体制冷系统所需的温控指标，有利于对不同温控指标的模拟PID温控电路参数的整定。

Description

半导体制冷器模拟PID温控电路参数自动整定装置

技术领域

本发明涉及半导体制冷器温控电路参数自动整定装置，具体是指一种半导体制冷器模拟PID温控电路参数自动整定装置。

背景技术

随着红外探测器的广泛应用，人们发现探测器的工作温度对探测器的响应波段、暗电流、量子效率、非均匀性、响应时间常数等性能都有很大影响。因此，随着加工工艺的不断进步，越来越多的红外探测器中封装了制冷精度高、响应速率快的热电制冷模块（TEC），甚至采用多级热电制冷来实现探测器工作所需低温工作环境。为了保证高探测性能，往往要求探测器的工作温度具有很好的稳定性。目前大多数应用PWM的功率驱动技术来控制TEC的制冷电流，不仅能提高系统的效率，而且具有高精度、高效率和高集成度的特点。但实际使用中，由于TEC与探测器封装在一起，大电流、高频率的PWM信号容易对探测器的探测性能产生影响，特别是对于微弱信号的探测，PWM信号产生的干扰噪声甚至能淹没有效信号。而采用模拟PID电路对TEC制冷进行控制时，由于不涉及数字量的变化，因此对探测器的探测性能几乎没有影响。另外，模拟PID的控制是由电路实现的，这有利于提高系统的运行速率，简化系统程序的结构，减少程序运行出错几率，提高系统程序运行的可靠性。因此，具有电路简单、性能可靠、噪声低等优点的模拟PID温控电路不仅能保证探测器工作温度稳定，而且不影响探测性能。

一般，模拟PID温控电路使用前需要对三个PID参数进行设定。另外，环境的变化使被控对象具有时变性，系统经过一段时间后往往会出现性能欠佳、适应性变差、控制效果下降等情况，这时也需要对PID参数进行重新设定。而模拟PID电路参数的设定一般要求调试人员具有丰富的模拟电路调试经验，且需要调试人员反复调整电阻或电容等参数才能达到控制精度要求，其调试过程非常繁琐、耗时。因此，研究模拟PID温控电路参数自动整定装置，以适应复杂工况及高性能指标的控制要求，是实现节能优化控制的重要手段，具有重大的工程实践意义。

到目前为止，国内外有很多研究人员对数字PID参数的自动整定技术进行了大量的研究工作，也取得了一些成果，如基于继电反馈的PID参数自整定、基于模糊PID参数的自整定以及基于神经网络的PID参数自整定。然而，对于模拟PID电路参数的自动整定技术，国内外目前还没有对其进行过研究，通常凭借调试人员的经验对PID电路参数进行调试。

发明内容

本发明的目的是提供一种能对半导体制冷器模拟PID温控电路参数进行自动整定的装置，解决人工调试模拟PID温控电路参数繁琐、耗时的问题，并降低对调试人员调试经验的要求，针对不同温控指标的模拟PID温控电路进行参数优化，可有效减少调试周期，提高效率，加快研发进度。

本发明的半导体制冷器模拟PID温控电路参数自动整定装置由测温模块、模拟PID温控模块、热电制冷驱动模块、MCU主控制模块以及上位机组成，其中，所述的测温模块由温度传感器和测温电路组成，用于实时采集热电制冷器内部温度；所述的模拟PID温控模块由模拟PID电路和被控数字元器件组成，用于控制驱动热电制冷器的制冷电流；所述的热电制冷驱动模块由热电制冷片、MOS管和散热装置组成，用于实现热电制冷片的冷端制冷和热端散热；所述的MCU主控制模块是整个装置的核心，由MCU、ADC、DAC和通讯端口组成，其功能包括温度的采集、与上位机进行通讯、模拟PID温控参数的调节、自整定算法的实现；所述的上位机由微型机及内置编程软件构成，完成温控指标、PID参数初始值的设定以及热电制冷内部温度的实时显示。

本发明的半导体制冷器模拟PID温控电路参数自动整定装置的工作流程如下：MCU通过串口通讯接收在上位机的软件界面设定的温控指标、PID参数初始值及整定装置的启动命令后，首先通过测温模块对热电制冷器内部温度进行连续采集，然后通过自整定算法将采集的多组温度数据进行计算、并与温控指标进行比较，最后用比较结果对模拟PID温控模块中的数字电位器进行调节，以此控制驱动热电制冷器的制冷电流；整个过程中MCU还需要将连续采集的热电制冷器内部温度通过串口通讯传给上位机进行实时显示，以便观测整个自整定过程。所述的自整定算法是先比例，后积分，最后是微分的常规PID参数整定算法或者是模糊算法、神经网络算法的智能PID参数整定。

本发明由于采用以上技术方案，具有如下优点：由于整个自整定过程不需要更改硬件，只需要在上位机软件界面输入半导体制冷系统所需的温控指标，可有效的解决人工调试模拟PID温控电路参数繁琐、耗时的问题，同时降低对调试人员调试经验的要求，更有利于对不同温控指标的模拟PID温控电路参数的整定。

附图说明

图1是半导体制冷器模拟PID温控电路参数自动整定装置框图。

图2是测温电路原理图。

图3是模拟PID整定电路原理图。

图4是模拟PID自整定流程图。

图5是热电制冷驱动电路原理图。

图6是上位机人机交互界面。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明进行详细描述。

本发明是一套可用于半导体制冷器模拟PID温控电路参数自动整定的装置，其原理框图如附图1所示，包括：测温模块、模拟PID温控模块、热电制冷驱动模块、MCU主控制模块以及上位机。

1）测温模块

测温模块主要涉及温度传感器的选取和测温电路方式的选择。温度传感器的选取与自整定系统的温度范围、测温精度、整定后系统的温度稳定性等要求密不可分，工业上常用的温度传感器有四类：热电偶、热电阻RTD、热敏电阻及集成电路温度传感器。本发明中的温度传感器根据一般工程上对测温范围、灵敏度、测温精度以及对温度的线性度等要求，采用热电阻RTD中的铂电阻Pt100，其对温度响应的线性度最好、测温范围宽（-250~900℃）、灵敏度高（0.00385Ω/℃）、测温精度高：（±0.01℃）。

测温方式一般有桥式测温和恒流源式测温。为了避免桥式测温电路中由于电阻的差异引起桥臂电阻和电桥输出电压之间的非线性问题，本发明中采用恒流源式测温电路，经ADC采样后的测温精度为±0.03℃。整个测温模块原理图如附图2所示。

2）模拟PID温控模块

本发明中采用并联式模拟PID电路，其原理图如附图3所示。并联式模拟PID电路的优点是三个参数的调整过程可以互不影响；图中的可调电阻由数字电位器替代，因此模拟PID电路的比例、积分、微分三个参数的调整可由MCU对三个电位器整定来实现。值得注意的是，数字电位器滑动端抽头不是连续的，其微调电阻的阻值受总电阻值和抽头个数的影响，因此使用中需根据被控对象特性进行合理选择。本发明的被控对像是一个温控系统，可看作是一个二阶迟滞系统，微分参数的影响几乎可以忽略。本发明选用总阻值分别为1M、10M、10K，抽头均为512个的数字电位器。采用的自整定算法是常规PID参数整定方式，即先调节比例系数，然后是积分系数，最后是微分系数。具体的自整定流程如附图4所示。

3）热电制冷驱动模块

本发明中热电制冷器（TEC）驱动模块的电路原理图如附图5所示。温差信号经过模拟PID电路调节后，通过一个负反馈积分电路驱动一个功率MOS管来，从而实现对TEC制冷电流的控制。其中，在MOS管的栅极加入了一个程控开关来实现制冷关断和打开。值得注意的是，在温控系统对低温进行制冷时，由于温差大，需要的制冷电流也大，导致热电制冷片的热面过热，这时需要将热端的温度及时导出，避免对冷端的制冷效率和自整定过程产生影响。

4）MCU主控制模块

本发明中MCU主控制模块采用TI的低功耗16位单片机MSP430。其供电电压范围为1.8V~3.6V，指令周期125ns；内部集成了12位的ADC、12位的DAC和两个串行通讯接口，16KB+256B flash存储器和512B ROM。其主要功能：与上位机进行串口通讯；连续实时采集热电制冷器内部温度；将连续采集到的多组温度进行处理后，根据温控指标对模拟PID温度电路中的三个数字电位器进行调整；整定结束后，将模拟PID温控电路的三个参数通过串口传给上位机显示。

5）上位机

本发明中上位机是在Windows XP系统下，采用C++Builder6.0软件编写的基于串口通讯的人机交互界面，如附图6所示。主要功能：温控指标和模拟PID温控电路参数初值的设定、热电制冷器内部温度实时显示以及将整定好的模拟PID参数进行显示。本发明中采用的电脑配置为：CPU（

Core(TM)2Quad）；主频（2.4GHz）；内存（2GB）；硬盘（80GB）；显卡（ATI Radeon HD2400）。

Claims

1.一种半导体制冷器模拟PID温控电路参数自动整定装置，由测温模块、模拟PID温控模块、热电制冷驱动模块、MCU主控制模块以及上位机组成，其特征在于：

所述的测温模块由温度传感器和测温电路组成，温度传感器采用热电偶、热电阻、热敏电阻或集成电路传感器，测温电路是桥式测温或恒流源式测温；

所述的模拟PID温控模块由模拟PID电路和被控数字元器件组成，其中模拟PID电路采用模拟PI电路、模拟PD电路或模拟PID电路，被控数字元器件采用数字电位器或数字电容器；

所述的热电制冷驱动模块由热电制冷片、MOS管和散热装置组成，散热装置为铜块热传导、风扇热对流或水冷装置；

所述的MCU主控制模块由MCU、ADC、DAC和串口通讯组成，其中MCU为单片机、DSP、ARM、FPGA、CPLD或PLC；

所述的上位机由微型机及内置编程软件构成，微型机与MCU的通讯端口是串口、USB总线、CAN总线、PCI总线或网络接口，其内置编程软件是VC、VB、Matlab或LabView；

装置的工作流程如下：MCU通过串口通讯接收在上位机的软件界面设定的温控指标、PID参数初始值及整定装置的启动命令后，首先通过测温模块对热电制冷器内部温度进行连续采集，然后通过自整定算法将采集的多组温度数据进行计算、并与温控指标进行比较，最后用比较结果对模拟PID温控模块中的数字电位器进行调节，以此控制驱动热电制冷器的制冷电流；整个过程中MCU还需要将连续采集的热电制冷器内部温度通过串口通讯传给上位机进行实时显示，以便观测整个自整定过程。

2.根据权利要求1所述的一种半导体制冷器模拟PID温控电路参数自动整定装置，其特征在于，所述的自整定算法是先比例，后积分，最后是微分的常规PID参数整定算法或者是模糊算法、神经网络算法的智能PID参数整定。