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浅析半导体激光器温度控制的方法,我想为半导体激光器制作一个温度控制电路。目前有两种设备...

浅析半导体激光器温度控制的方法

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为什么要选择半导体制冷器作为半导体激光器温控系...

基于半导体激光器,通过在半导体激光器的尾部光纤部分制作光纤光栅来形成外腔,用于模式选择或频率稳定。

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浅析半导体激光器温度控制的方法范文

半导体纸模型五:

主题:半导体激光器温度控制概述

文摘:温度对半导体激光器的工作特性有很大影响,因此半导体激光器温度控制的精度和响应速度相对较高。虽然许多控制方法已经被提出并应用于一些场合,但是为了实现精度控制和更快的响应速度,仍然有许多问题需要解决。本文简要介绍了近年来半导体激光器温度控制的方法和一些改进措施,供从事半导体激光器温度控制的研究人员参考。

关键词:温度控制;半导体激光器;PID控制;模糊控制;

0简介

半导体激光器在各个领域的应用越来越广泛,具有良好的应用前景。然而,半导体激光器输出光的阈值电流、输出功率和波长容易受到温度[1,2]的影响,因此半导体激光器的使用通常伴随着对其温度的控制。根据当前文献,通常用于半导体激光器温度控制的执行装置是半导体冷却器(TEC) [3],其是集成冷却和加热的电流驱动温度控制装置。半导体激光器的温度控制是为了实现对半导体激光器的精确控制。

1 PID温度控制方法

PID控制是半导体激光器温度控制中应用最广泛的控制方法。PID控制是比例、积分和微分控制的缩写。它是一种线性控制器,根据给定值和实际输出值构成控制偏差,偏差按比例、积分和微分通过线性组合构成控制量,来控制被控对象。数学模型可以用下面的公式[4]表示:

控制系统结构如图1[5所示]:

参考[6],ADN 8830(ADI公司的专用温度控制器)和TMS 320 f 2812(TI公司生产的32位定点数字信号处理器芯片)分别被选为实现半导体激光器温度PID控制的主控芯片,并进行了比较。这两种温度控制方法的精度可以达到0.125℃,但基于TMS320F2812的温度控制方法达到稳定所需的响应时间为180秒,而基于ADN8830的控制方法在80年代可以达到平衡状态,且体积小、功耗低。

参考[7],选择单片机PIC16F877A作为主控芯片实现PID控制。半导体泵头温度控制精度在-40-55℃范围内可达0.2℃,系统达到2分钟的稳定响应时间。三年的现场应用表明,该系统稳定正常。

参考[8],马克西姆的专用TEC驱动芯片MAX1968被选为实现PID控制的主控芯片。当环境温度为40℃,设定温度为25℃时,系统控制精度为0.02℃。参考[9),选择了马克西姆公司推出的另一款TEC专用驱动芯片MAX1978。该芯片集成了基于MAX1968的TEC驱动电路,控制精度可达0.005℃。

PID控制能很好地实现半导体激光器的温度控制,具有较高的控制精度和响应速度,易于与PC机通信,完整的人机界面,实现更复杂的控制算法和数据处理。因此,这种控制方法被人们广泛使用。

2模糊控制方法

在大多数模糊控制器中,偏差值e及其偏差变化率de/dt被选为模糊控制器的输入变量,控制量u被选为模糊控制器的输出变量。因此,它是一个二维模糊控制器,其结构如图2所示。

这样,确定了模糊控制器的基本结构。从图2可以看出,通过采样获得的输入量和预期输出量,从而获得偏差信号e和偏差变化率de/dt。这两个信号是精确的量。它们作为两个输入信号被发送到模糊控制器。模糊化后,两个输入信号成为模糊量集e和EC。然后根据专家经验建立的模糊规则得到模糊关系,再根据模糊关系的输入给出相应的输出u。这是推理合成。最后,通过模糊判断得到精确的控制量[10]。

模糊控制技术应用于家用电器是一种普遍现象,但将这种方法用于半导体激光器的温度控制仍然很少。目前,文献中还没有发现真正的系统,大部分都是基于simulink仿真的。在参考文献[11]中,使用simulink来模拟这种控制方法。简单的模糊控制和控制目标无超调,达到稳态的时间短,响应时间约为4秒,稳态误差约为1.5%。这种控制方法也在参考文献[12]中进行了仿真,结论是没有过冲,响应时间为3s,稳态误差约为1.5%。

模糊控制不存在PID方法中存在的积分饱和现象。实验调节过程表明,模糊控制不仅比PID控制对被控对象参数变化具有更强的适应性、更快的响应速度、更小的超调量和更强的鲁棒性,而且在对象模型[3]变化较大的情况下也能获得更好的控制效果。

3模糊PID控制

自适应模糊PID控制系统的结构主要由参数可控的PID和模糊控制系统组成,其结构如图2所示。参数可控的PID完成了系统的控制,模糊控制系统实现了PID[3个参数的自动校正。

模糊PID控制包括参数模糊化、模糊规则推理、参数去模糊化、PID控制器等几个重要组成部分。计算机根据设定的输入和反馈信号计算实际位置和理论位置之间的偏差E和当前偏差变化ec,并根据模糊规则进行模糊推理。最后,对模糊参数进行去模糊处理,输出比例、积分和微分系数。结构如下:

文件[15]模拟模糊PID控制,并将其与PID控制进行比较。与PID控制相比,模糊PID控制具有较小的超调量和较快的响应速度。采用MSP430F149作为主控芯片,实现半导体激光器温度的模糊PID控制。控制精度达到0.02℃,最大超调量为0.5%,响应时间约为15s。

参考[16],采用TMS320F2812芯片作为主控芯片,实现半导体激光器温度的模糊PID控制。当温度设定在25℃时,控制精度可达到0.1℃,系统响应时间为100秒,超调不超过0.5℃。半导体激光器的温度得到很好的控制。

4基于自抗扰控制器的控制方法(ADRC)

自抗扰控制器(ADRC)采用了PID误差反馈控制的核心思想。自抗扰控制器主要由三部分组成:跟踪微分器、扩展状态观测器和非线性状态误差反馈控制律。自抗扰控制器(ADRC)作为一种非线性控制器,可以实时估计对象模型的扰动和不确定外部扰动,并采用特殊的非线性反馈结构进行自动补偿。它是“不变性原理”和“内模原理”的进一步发展。它具有实用性强、精度高、鲁棒性强等特点。它能更好地解决非线性系统的控制问题,[17]。

自抗扰控制器很少用于半导体激光器的温度控制。文件[18]模拟了半导体激光器温度控制的这种控制方法,并将其与PID控制进行了比较。与PID控制相比,该控制方法无超调,稳态误差小,但响应速度慢,响应时间长。

5分段控制模式

文献[19]提到了一种实现半导体激光器温度控制的新控制方法。在本文件中,分段控制模式用于将总控制空分成三个部分,即极限控制区域、比例控制区域和自适应控制区域。在自适应过程中,采用两级计数器调整控制参数,大大提高了控制精度。这种控制模式不需要为控制对象和外部环境建立复杂的数学模型,大大降低了设计难度,大大提高了控制精度,提高了设计的可移植性。控制精度可达0.1℃,超调量小,响应速度快。

[/s2/]6[概述/S2/]

从目前相关研究人员设计的半导体激光器温度控制系统来看,半导体激光器的温度控制达到了较高的控制精度和较快的响应速度。然而,随着技术的发展,对控制的要求越来越高,为了满足新环境下的技术要求,研究半导体激光器的温度控制仍然是必要的。

参考

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