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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(jié)的有效方法。比例積分項協(xié)同工作,精確地伺服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(jié),從而優(yōu)化總體系統(tǒng)響應。如果可以對總體系統(tǒng)響應H (s) 進行描述,則為其設計PID 控制器G (s) 的最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(huán)路設計的一種有效工具,獲取溫度環(huán)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(xiàn)高達50%的變化,因此最好是向實際系統(tǒng)注入一個熱步進輸入,并對其進行測量,以獲得最佳的SPICE 仿真熱模型。

如果對熱連接線進行描述,請使用“外環(huán)路、內環(huán)路”程序來確定G (s) 模塊中控制放大器的總體環(huán)路響應和穩(wěn)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(huán)路和內環(huán)路,并通過一個大電容器和AC 電源激勵環(huán)路。

步驟2:中斷G(s)H(s)之間的外環(huán)路

外環(huán)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(huán)路,獲得H(s)、G(s)和總環(huán)路增益,以驗證熱環(huán)路穩(wěn)定性。這種情況下,圖2顯示相位降至零度以下,而環(huán)路增益變?yōu)? dB,其表明整個環(huán)路不穩(wěn)定。因此,改變G(s)應加強PID 控制,并增加溫度環(huán)路的穩(wěn)定性。

圖1 仿真電路獲得環(huán)路增益和相位

圖2 圖1 的環(huán)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Gs內環(huán)路,確定本地放大器穩(wěn)定性

構建完整PID 組件的最后一步是中斷內環(huán)路,檢查本地放大器(OPA2314) 的穩(wěn)定性,從而確保其穩(wěn)定性與總環(huán)路增益無關。在這種情況下,放大器要求使用一個50 pF電容器(請參見圖4),以維持本地環(huán)路的穩(wěn)定運行。

圖4 經過補償的本地G (s) 環(huán)路的最終電路

下次,我們將討論一種20W 放大器毀掉100W 揚聲器的糟糕設計,敬請期待。

參考文獻

· 《運算放大器穩(wěn)定性,第2部分(共15部分):運算放大器網絡,SPICE分析》,作者:Green, Timothy,發(fā)表于2006年《En-Genius》(原《模擬地帶》)。

· 《熱電冷卻器的PSPICE 兼容等效電路》,作者:Simon Lenvkin, Sam Ben-Yaakov,發(fā)表于2005年“電力電子專家大會”PESC '05. IEEE 36th

· 《包括熱效應在內的熱電元件SPICE模型》,作者Chavez, J.A., Salazar, J, Ortega, J.A.和Garcia, M.J.,發(fā)表于2000年“儀器測試與測量技術大會”第17屆IEEE會議記錄。

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