專(zhuān)利名稱(chēng)：半導(dǎo)體制冷器模擬pid溫控電路參數(shù)自動(dòng)整定系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本專(zhuān)利涉及半導(dǎo)體制冷器溫控電路參數(shù)自動(dòng)整定系統(tǒng)，具體是指一種半導(dǎo)體制冷器模擬PID溫控電路參數(shù)自動(dòng)整定系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著紅外探測(cè)器的廣泛應(yīng)用，人們發(fā)現(xiàn)探測(cè)器的工作溫度對(duì)探測(cè)器的響應(yīng)波段、暗電流、量子效率、非均勻性、響應(yīng)時(shí)間常數(shù)等性能都有很大影響。因此，隨著加工工藝的不斷進(jìn)步，越來(lái)越多的紅外探測(cè)器中封裝了制冷精度高、響應(yīng)速率快的熱電制冷模塊(TEC)，甚至采用多級(jí)熱電制冷來(lái)實(shí)現(xiàn)探測(cè)器工作所需低溫工作環(huán)境。為了保證高探測(cè)性能，往往要求探測(cè)器的工作溫度具有很好的穩(wěn)定性。目前大多數(shù)應(yīng)用PWM的功率驅(qū)動(dòng)技術(shù)來(lái)控制TEC的制冷電流，不僅能提高系統(tǒng)的效率，而且具有高精度、高效率和高集成度的特點(diǎn)。但實(shí)際使用中，由于TEC與探測(cè)器封裝在一起，大電流、高頻率的PWM信號(hào)容易對(duì)探測(cè)器的探測(cè)性能產(chǎn)生影響，特別是對(duì)于微弱信號(hào)的探測(cè)，PWM信號(hào)產(chǎn)生的干擾噪聲甚至能淹沒(méi)有效信號(hào)。而采用模擬PID電路對(duì)TEC制冷進(jìn)行控制時(shí)，由于不涉及數(shù)字量的變化，因此對(duì)探測(cè)器的探測(cè)性能幾乎沒(méi)有影響。另外，模擬PID的控制是由電路實(shí)現(xiàn)的，這有利于提高系統(tǒng)的運(yùn)行速率，簡(jiǎn)化系統(tǒng)程序的結(jié)構(gòu)，減少程序運(yùn)行出錯(cuò)幾率，提高系統(tǒng)程序運(yùn)行的可靠性。因此，具有電路簡(jiǎn)單、性能可靠、噪聲低等優(yōu)點(diǎn)的模擬PID溫控電路不僅能保證探測(cè)器工作溫度穩(wěn)定，而且不影響探測(cè)性能。一般，模擬PID溫控電路使用前需要對(duì)三個(gè)PID參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。另外，環(huán)境的變化使被控對(duì)象具有時(shí)變性，系統(tǒng)經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后往往會(huì)出現(xiàn)性能欠佳、適應(yīng)性變差、控制效果下降等情況，這時(shí)也需要對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行重新設(shè)定。而模擬PID電路參數(shù)的設(shè)定一般要求調(diào)試人員具有豐富的模擬電路調(diào)試經(jīng)驗(yàn)，且需要調(diào)試人員反復(fù)調(diào)整電阻或電容等參數(shù)才能達(dá)到控制精度要求，其調(diào)試過(guò) 程非常繁瑣、耗時(shí)。因此，研究模擬PID溫控電路參數(shù)自動(dòng)整定系統(tǒng)，以適應(yīng)復(fù)雜工況及高性能指標(biāo)的控制要求，是實(shí)現(xiàn)節(jié)能優(yōu)化控制的重要手段，具有重大的工程實(shí)踐意義。到目前為止，國(guó)內(nèi)外有很多研究人員對(duì)數(shù)字PID參數(shù)的自動(dòng)整定技術(shù)進(jìn)行了大量的研究工作，也取得了一些成果，如基于繼電反饋的PID參數(shù)自整定、基于模糊PID參數(shù)的自整定以及基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID參數(shù)自整定。然而，對(duì)于模擬PID電路參數(shù)的自動(dòng)整定技術(shù)，國(guó)內(nèi)外目前還沒(méi)有對(duì)其進(jìn)行過(guò)研究，通常憑借調(diào)試人員的經(jīng)驗(yàn)對(duì)PID電路參數(shù)進(jìn)行調(diào)試。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種能對(duì)半導(dǎo)體制冷器模擬PID溫控電路參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)整定的裝置，解決人工調(diào)試模擬PID溫控電路參數(shù)繁瑣、耗時(shí)的問(wèn)題，并降低對(duì)調(diào)試人員調(diào)試經(jīng)驗(yàn)的要求，針對(duì)不同溫控指標(biāo)的模擬PID溫控電路進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，可有效減少調(diào)試周期，提高效率，加快研發(fā)進(jìn)度。[0006]本專(zhuān)利的半導(dǎo)體制冷器模擬PID溫控電路參數(shù)自動(dòng)整定系統(tǒng)由測(cè)溫模塊、模擬PID溫控模塊、熱電制冷驅(qū)動(dòng)模塊、MCU主控制模塊以及上位機(jī)組成，其中:所述的測(cè)溫模塊由溫度傳感器和測(cè)溫電路組成，溫度傳感器采用熱電偶、熱電阻、熱敏電阻或集成電路傳感器，測(cè)溫電路是橋式測(cè)溫或恒流源式測(cè)溫；所述的模擬PID溫控模塊由模擬PID電路和被控?cái)?shù)字元器件組成，其中模擬PID電路采用模擬PI電路、模擬ro電路或模擬PID電路，被控?cái)?shù)字元器件采用數(shù)字電位器或數(shù)子電各器；所述的熱電制冷驅(qū)動(dòng)模塊由熱電制冷片、MOS管和散熱裝置組成，散熱裝置為銅塊熱傳導(dǎo)、風(fēng)扇熱對(duì)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(jī)、DSP、ARM、FPGA, CPLD 或 PLC ；所述的上位機(jī)由微型機(jī)及內(nèi)置編程軟件構(gòu)成，微型機(jī)與MCU的通訊端口是串口、USB總線、CAN總線、PCI總線或網(wǎng)絡(luò)接口，其內(nèi)置編程軟件是VC、VB、Matlab或LabView ；系統(tǒng)的工作流程如下:MCU通過(guò)串口通訊接收在上位機(jī)的軟件界面設(shè)定的溫控指標(biāo)、PID參數(shù)初始值及整定裝置的啟動(dòng)命令后，首先通過(guò)測(cè)溫模塊對(duì)熱電制冷器內(nèi)部溫度進(jìn)行連續(xù)采集，然后通過(guò)自整定算法將采集的多組溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算、并與溫控指標(biāo)進(jìn)行比較，最后用比較結(jié)果對(duì)模擬PID溫控模塊中的數(shù)字電位器進(jìn)行調(diào)節(jié)，以此控制驅(qū)動(dòng)熱電制冷器的制冷電流；整個(gè)過(guò)程中MCU還需要將連續(xù)采集的熱電制冷器內(nèi)部溫度通過(guò)串口通訊傳給上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，以便觀測(cè)整個(gè)自整定過(guò)程。
所述的自整定算法是先比例，后積分，最后是微分的常規(guī)PID參數(shù)整定算法或者是模糊算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的智能PID參數(shù)整定。本發(fā)明由于采用以上技術(shù)方案，具有如下優(yōu)點(diǎn):由于整個(gè)自整定過(guò)程不需要更改硬件，只需要在上位機(jī)軟件界面輸入半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)所需的溫控指標(biāo)，可有效的解決人工調(diào)試模擬PID溫控電路參數(shù)繁瑣、耗時(shí)的問(wèn)題，同時(shí)降低對(duì)調(diào)試人員調(diào)試經(jīng)驗(yàn)的要求，更有利于對(duì)不同溫控指標(biāo)的模擬PID溫控電路參數(shù)的整定。

圖1是半導(dǎo)體制冷器模擬PID溫控電路參數(shù)自動(dòng)整定系統(tǒng)框圖。圖2是測(cè)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是熱電制冷驅(qū)動(dòng)電路原理圖。圖6是上位機(jī)人機(jī)交互界面。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本專(zhuān)利進(jìn)行詳細(xì)描述。本專(zhuān)利是一套可用于半導(dǎo)體制冷器模擬PID溫控電路參數(shù)自動(dòng)整定的系統(tǒng)，其原理框圖如附圖1所示，包括:測(cè)溫模塊、模擬PID溫控模塊、熱電制冷驅(qū)動(dòng)模塊、MCU主控制模塊以及上位機(jī)。[0023]I)測(cè)溫模塊測(cè)溫模塊主要涉及溫度傳感器的選取和測(cè)溫電路方式的選擇。溫度傳感器的選取與自整定系統(tǒng)的溫度范圍、測(cè)溫精度、整定后系統(tǒng)的溫度穩(wěn)定性等要求密不可分，工業(yè)上常用的溫度傳感器有四類(lèi):熱電偶、熱電阻RTD、熱敏電阻及集成電路溫度傳感器。本專(zhuān)利中的溫度傳感器根據(jù)一般工程上對(duì)測(cè)溫范圍、靈敏度、測(cè)溫精度以及對(duì)溫度的線性度等要求，采用熱電阻RTD中的鉬電阻PtlOO，其對(duì)溫度響應(yīng)的線性度最好、測(cè)溫范圍寬(-250 900°C)、靈敏度高(0.00385 Ω/tO、測(cè)溫精度高:(±0.01°C)。測(cè)溫方式一般有橋式測(cè)溫和恒流源式測(cè)溫。為了避免橋式測(cè)溫電路中由于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(wèn)題，本專(zhuān)利中采用恒流源式測(cè)溫電路，經(jīng)ADC采樣后的測(cè)溫精度為±0.03°C。整個(gè)測(cè)溫模塊原理圖如附圖2所示。2)模擬PID溫控模塊本專(zhuān)利中采用并聯(lián)式模擬PID電路，其原理圖如附圖3所示。并聯(lián)式模擬PID電路的優(yōu)點(diǎn)是三個(gè)參數(shù)的調(diào)整過(guò)程可以互不影響；圖中的可調(diào)電阻由數(shù)字電位器替代，因此模擬PID電路的比例、積分、微分三個(gè)參數(shù)的調(diào)整可由MCU對(duì)三個(gè)電位器整定來(lái)實(shí)現(xiàn)。值得注意的是，數(shù)字電位器滑動(dòng)端抽頭不是連續(xù)的，其微調(diào)電阻的阻值受總電阻值和抽頭個(gè)數(shù)的影響，因此使用中需根據(jù)被控對(duì)象特性進(jìn)行合理選擇。本專(zhuān)利的被控對(duì)像是一個(gè)溫控系統(tǒng)，可看作是一個(gè)二階遲滯系統(tǒng)，微分參數(shù)的影響幾乎可以忽略。本專(zhuān)利選用總阻值分別為1M、10M、10K，抽頭均為512個(gè)的數(shù)字電位器。采用的自整定算法是常規(guī)PID參數(shù)整定方式，即先調(diào)節(jié)比例系數(shù)，然后是積分系數(shù)，最后是微分系數(shù)。具體的自整定流程如附圖4所示。3 )熱電制冷驅(qū)動(dòng)模塊本專(zhuān)利中熱電制冷器(TEC)驅(qū)動(dòng)模塊的電路原理圖如附圖5所示。溫差信號(hào)經(jīng)過(guò)模擬PID電路調(diào)節(jié)后，通過(guò)一個(gè)負(fù)反饋積分電路驅(qū)動(dòng)一個(gè)功率MOS管，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)TEC制冷電流的控制。其中，在MOS管的柵極加入了一個(gè)程控開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)制冷關(guān)斷和打開(kāi)。值得注意的是，在溫控系統(tǒng)對(duì)低 溫進(jìn)行制冷時(shí)，由于溫差大，需要的制冷電流也大，導(dǎo)致熱電制冷片的熱面過(guò)熱，這時(shí)需要將熱端的溫度及時(shí)導(dǎo)出，避免對(duì)冷端的制冷效率和自整定過(guò)程產(chǎn)生影響。4) MCU主控制模塊本專(zhuān)利中MCU主控制模塊采用TI的低功耗16位單片機(jī)MSP430。其供電電壓范圍為1.8V 3.6V，指令周期125ns ;內(nèi)部集成了 12位的ADC、12位的DAC和兩個(gè)串行通訊接口，16KB+256B fIash存儲(chǔ)器和512B ROM。其主要功能:與上位機(jī)進(jìn)行串口通訊；連續(xù)實(shí)時(shí)采集熱電制冷器內(nèi)部溫度；將連續(xù)采集到的多組溫度進(jìn)行處理后，根據(jù)溫控指標(biāo)對(duì)模擬PID溫度電路中的三個(gè)數(shù)字電位器進(jìn)行調(diào)整；整定結(jié)束后，將模擬PID溫控電路的三個(gè)參數(shù)通過(guò)串口傳給上位機(jī)顯示。5)上位機(jī)本專(zhuān)利中上位機(jī)是在Windows XP系統(tǒng)下，采用C++Builder6.0軟件編寫(xiě)的基于串口通訊的人機(jī)交互界面。主要功能:溫控指標(biāo)和模擬PID溫控電路參數(shù)初值的設(shè)定、熱電制冷器內(nèi)部溫度實(shí)時(shí)顯示以及將整定好的模擬PID參數(shù)進(jìn)行顯示。本專(zhuān)利中采用的電腦配置為:CPU (Intel. Core(TM)2Quad);主頻(2.4GHz);內(nèi)存(2GB);硬盤(pán)(80GB);顯卡(ATIRadeon HD2400)。
權(quán)利要求1.一種半導(dǎo)體制冷器模擬PID溫控電路參數(shù)自動(dòng)整定系統(tǒng)，由測(cè)溫模塊、模擬PID溫控模塊、熱電制冷驅(qū)動(dòng)模塊、MCU主控制模塊以及上位機(jī)組成，其特征在于: 所述的測(cè)溫模塊由溫度傳感器和測(cè)溫電路組成，溫度傳感器采用熱電偶、熱電阻、熱敏電阻或集成電路傳感器，測(cè)溫電路是橋式測(cè)溫或恒流源式測(cè)溫； 所述的模擬PID溫控模塊由模擬PID電路和被控?cái)?shù)字元器件組成，其中模擬PID電路采用模擬PI電路、模擬ro電路或模擬PID電路，被控?cái)?shù)字元器件采用數(shù)字電位器或數(shù)字電容器； 所述的熱電制冷驅(qū)動(dòng) 模塊由熱電制冷片、MOS管和散熱裝置組成，散熱裝置為銅塊熱傳導(dǎo)、風(fēng)扇熱對(duì)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(jī)、DSP、ARM、FPGA、CPLD 或 PLC ； 所述的上位機(jī)由微型機(jī)及內(nèi)置編程軟件構(gòu)成，微型機(jī)與MCU的通訊端口是串口、USB總線、CAN總線、PCI總線或網(wǎng)絡(luò)接口。
專(zhuān)利摘要本專(zhuān)利公開(kāi)了一種半導(dǎo)體制冷器模擬PID溫控電路參數(shù)自動(dòng)整定系統(tǒng)，其特征在于自整定對(duì)象為模擬PID溫控電路參數(shù)；溫控方法是模擬PID電路；溫控對(duì)象為半導(dǎo)體制冷器；溫控指標(biāo)的設(shè)定由上位機(jī)軟件界面輸入；模擬PID溫控電路參數(shù)的自整定過(guò)程由MCU控制。本專(zhuān)利的系統(tǒng)可有效解決人工調(diào)整模擬PID溫控電路參數(shù)繁瑣、復(fù)雜的調(diào)試過(guò)程以及模擬PID溫控電路參數(shù)調(diào)試過(guò)程對(duì)調(diào)試人員調(diào)試經(jīng)驗(yàn)的要求。另外，整個(gè)自整定過(guò)程不需要更改硬件，只需在上位機(jī)軟件界面輸入半導(dǎo)體制冷裝置所需的溫控指標(biāo)，有利于對(duì)不同溫控指標(biāo)的模擬PID溫控電路參數(shù)的整定。
文檔編號(hào)G05D23/20GK203133630SQ201320057269
公開(kāi)日2013年8月14日 申請(qǐng)日期2013年1月31日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月31日
發(fā)明者劉云芳, 傅雨田, 李建偉, 張曉 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所