高精度激光溫控系統設計

張曉杰，于 航，趙寶奇，劉春華，唐剛鋒

(1.中航工業洛陽電光設備研究所，河南 洛陽 471009;2.空軍駐北京地區軍事代表局，北京 100009;3.中國人民解放軍駐洛陽電光設備研究所空軍代表室，河南 洛陽 471009)

0 引言

激光半導體泵浦固體激光器(DPL)以其高效率、高光束質量、結構緊湊、長壽命等優點引起人們極大的研究興趣［1］。半導體激光器是利用半導體二極管(LD)PN結正向電流中粒子數反轉實現受激輻射產生激光的［2］。對半導體來說，由于電子是在各能帶之間進行躍遷，而不是在分立的能級之間躍遷，所以躍遷能量不是個確定值，這使得半導體激光器的輸出波長展布在一個很寬的范圍上。當溫度變化時，LD輸出波長會隨之變化，進而影響DPL輸出功率的變化，本文提出了一種控制LD溫度的方法，從而保證激光器輸出功率的穩定。

1 LD溫度控制需求

在LD中，為實現對激光的譜線耦合，必須調整LD的輸出波長，使其與激光晶體的吸收峰值匹配。LD的輸出波長易受溫度和注入電流的影響，一般LD溫度漂移系數約為0.26～0.3 nm/℃。目前固體激光器的吸收譜線帶寬很窄(對Nd:YAG的吸收峰寬度只有4～5 nm)，因此LD的精確溫控已成為阻礙DPL工程應用的關鍵技術問題。

由圖1可知，Nd∶YAG激光器輸出功率最大時波長為809 nm;輸出功率圍繞最大值波動為±10%時，波長從808.2 nm 變化到 810 nm［3］;綜合以上指標，則:(810－808.2)÷0.3=6℃。所以，不考慮其他因素，僅考慮LD輸出波長對輸出功率影響，一般為保證Nd∶YAG激光器的輸出功率穩定度≤±10%，溫度控制精度需要控制在±3℃以內。

圖1 激光器輸出功率與LD波長的關系Fig.1 Laser output versus LD wavelength

2 LD高精度溫控系統

2.1 組成及工作原理

溫控電路主要由溫度傳感器、單片機、半導體制冷器(TEC)、驅動電路組成，如圖2所示。

圖2 溫控系統原理框圖Fig.2 Block diagram of temperature control system

在－45～+60℃的環境下，溫度傳感器實時測量半導體激光器陣列溫度，單片機采集后，首先判斷是否超過告警溫度70℃，如果超過則啟動快速控制制冷，同時告警;如果沒有超過，則將實測溫度與溫控點溫度(45℃)比較，高于溫控點溫度，則使TEC制冷;低于溫控點溫度，則TEC制熱，從而使半導體陣列保持在溫控點溫度工作。

2.2 溫度采集調理電路

考慮空間限制和測溫范圍因素，采用PT100鉑熱電阻傳感器。溫度傳感器埋在LD陣列里，因為它是熱源;為采集準確，一個LD陣列放3個傳感器，然后取平均值。

采用單片機片上的8位A/D，考慮需要采集溫度范圍是－45～+70℃，而單片機采集的電壓范圍是0～5 V，根據這個精度要求設計采集電路(如圖3所示)，則溫度采集精度高于±0.5℃。

圖3 溫度采集電路Fig.3 Temperature acquisition circuit

2.3 驅動電路設計

普通大功率三極管和絕緣柵功率器件(包括MOSFET和IGBT等)，由于器件結構的不同，具體的驅動要求和技術也大不相同。前者屬于電流控制器件，要求合適的電流波形來驅動;后者屬于電場控制器件，要求一定的電壓來驅動［4］。

當驅動信號與功率器件不需要隔離時，有許多驅動集成電路;當需要驅動器的輸入端與輸出端電氣隔離時，一般采用光電耦合器或利用脈沖變壓器來提供電氣隔離。

本電路中單片機輸出的PWM信號不足以直接驅動功率管組成的H橋電路，所以需要增加驅動能力，接一個成品驅動器。目前，這類成品驅動器種類很多，如TI公司的 UCC37XXX系列、TOSIBA公司的TPS28XX系列、SHARP公司的PC9xx系列等。本設計中采用了國際整流器公司的IR2110。驅動部分電路見圖4。

圖4 TEC驅動電路示意圖Fig.4 The sketch of TEC drive circuit

2.4 溫控的執行元件選擇及應用

基于帕爾貼(Peltier)效應制成的TEC半導體制冷器是進行制冷或加熱的半導體器件［5］。在TEC兩端加上直流工作電壓會使TEC的一端發熱，另一端制冷;把TEC兩端的電壓反向則會導致相反的熱流向。而且尺寸、功率很多選擇，并有體積小、重量輕、制冷效率高、環境適應性好、使用方便的特點。當電流一定時，產冷量隨熱端溫度的升高而降低，為保證TEC可以提供足夠的制冷量，必須對其熱端充分散熱，以保證冷熱端溫差不大于額定的最大溫差。

半導體陣列通電工作時所產生的熱量逐級傳遞，最后所有能量將由散熱片散掉，所以:

式中:Q為散熱功率;ΔQ為半導體制冷器的電功率;Q0為激光陣列熱功率。由于激光陣列熱功率為115 W，制冷片按溫差60℃時最低效率40%計算，則需要制冷片的電功率為100/40%=287 W。所以，Q=ΔQ+Q0=287+115=402 W;低溫下加熱，要在5 min的時間從－45℃加到45℃，溫差90℃，所以要求TEC有足夠的功率。

根據尺寸、供電等要求，TEC選用4片Ferrotec的9500/199/100B，其尺寸為40 mm ×40 mm ×3.5 mm，其單片電氣指標為 Umax=27.4 V，Imax=10 A，Qmax=148 W。安裝方式見圖5。

圖5 TEC安裝結構圖Fig.5 Structure of TEC setup

半導體陣列、熱沉、TEC和散熱片緊緊貼在一起，其中TEC冷端接觸熱沉，熱端接觸散熱片。在TEC與熱沉和散熱片之間均勻地涂一層導熱硅脂以避免其間空氣薄層對導熱性的影響。

3 軟件的算法以及仿真

用單片機實現控制，體積小、可靠性高、易修改。采用Microchip的PIC單片機是由于其抗干擾能力強，適合工業控制使用。由于電源內有大電流等，對抗干擾要求較高，如果采用DSP或51等單片機，則抗干擾能力差，可能誤讀數據，造成死機等［6－7］。

3.1 控制算法

PID算法是工業控制系統中，使用最廣泛的一種方法，就是比例、積分、微分算法，可以成比例改變控制的參量，可以消除偏差，可以根據偏差的變化速率調整控制參量。該算法的優點有:計算機輸出增量，所以誤動作小;不需要累加，控制增量的確定僅與最近的3次采樣值有關，因而比較容易通過加權處理獲得比較好的控制效果，增量PID控制算式［8］為

式中:Uk為最終輸出量;U(k－1)為上一次輸出;Kp為PID系數;E(k)為偏差;E(k－1)為上一次的偏差;Ki為PID系數。

對PID運算的結果進行歸一化，然后通過改變PWM信號的占空比改變供給TEC上的電流大小。

軟件系統流程如圖6所示。首先對單片機進行初始化，然后將測得的溫度與設定溫度進行比較。

由于PID算法是精確控制，需要一定的時間才能達到控制點。所以這里采用細分區間，在離溫控點遠的區域，用固定占空比的PWM信號大功率工作。試驗中，TEC供電是27 V，加熱時采用的占空比為50%，制冷時采用的占空比為35%;在溫控點附近區域，用PID算法不斷變換PWM信號的占空比，從而趨近溫控點，這個區域越小，則PWM信號的占空比變化范圍越小，這個區域越大，PWM信號占空比變化范圍越大。本系統在高溫環境下采用PID算法的區域為40～60℃，試驗中，PWM信號占空比變化范圍為0% ～60%。

當溫度在設定的安全范圍內(T＜70℃)就按以上規律控制，隨后顯示測得的溫度。當溫度超限，馬上調用快速控制，使TEC盡快制冷，并驅動報警電路工作。

對于PID系數的整定，是比較繁瑣的。編程時只設定大概數值，然后通過反復在實際控制對象上進行的實驗，才能找到理想的參數值。

圖6 軟件流程圖Fig.6 Software flow chart

3.2 軟件仿真

用單片機配套的仿真平臺，只能看每個寄存器的值是否正確，這一步完成之后，有必要看一下系統全速運行時是什么效果。這一步通常在目標板上進行，但是為了排除目標板上可能存在的問題，單純看軟件是否正確，就可以用PROTEUS這個軟件。該軟件是一個從概念產品到設計完成的完整電子設計工具，組合了高級原理布圖、混合模式仿真、PCB設計、自動布線等。

選定單片機后，只要把通過編譯的程序導入，就可以在示波器窗口看到波形，可以任意改變輸入，看波形的變化是否正確。圖7是各種情況單片機輸出波形。

圖7 單片機輸出波形Fig.7 Waveform of singlechip output

4 實驗結果

本設計在某型號激光輻射器中進行高低溫試驗時，由于散熱條件限制以及采用了高溫陣列，該陣列在45～60℃基本能輸出穩定的波長。所以要求在高低溫條件下溫控范圍60℃ ±3℃。試驗證明，在常溫25℃的條件下，1 min之內可以使LD加熱到45℃;在環境為－45℃的條件下，5 min可以把LD陣列加熱到43℃;在環境為60℃的條件下，能夠控制LD陣列溫度為60±1℃，滿足設計要求的精度±3℃。

5 結論

在這個系統中，各個參量可以改變，如散熱條件改變、LD陣列發熱功率改變、溫控點改變、TEC供電改變等，在一定范圍內，都可以沿用這個硬件及軟件設計，只需對軟件或硬件進行少許修改。所以，該設計具有一定的通用性。

該系統體積小、精度高、加熱/制冷效率高、通用性好，為大功率半導體激光器的溫度控制提供了一種良好的解決方案。

［1］文建國，蔡德芳，王石語，等.大功率DPL中激光二極管熱負荷及散熱技術［J］.西安電子科技大學學報，2000(4):463-466.

［2］林志琦，張洋，郎永輝，等.采用半導體激光器自身pn結特性測溫的半導體激光器恒溫控制［J］.發光學報，2009(2):223-227.

［3］KOECHNER W.Solid-tate laser engineering［M］.Springer Science+Business Media.Inc，2006.

［4］董亮，王艷，李彩虹.一種小功率開關磁阻電動機驅動系統設計［J］.微電機，2009(3):56-59.

［5］李曉波，方玲，朱志華，等.關于新型半導體制冷方法的研究［J］.科技資訊，2008，31:8-9.

［6］王曉明.電動機的單片機控制［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2002.

［7］何信龍.PIC16F87X快速上手［M］.北京:清華大學出版社，2002.

［8］張文源，范松，李冬清.基于PLC與模糊PID的步進式加熱爐溫度控制系統［J］.安徽冶金科技職業學院學報，2009(1):27-29，40.