一种高精度LD功率自动控制系统设计.pdf

《一种高精度LD功率自动控制系统设计.pdf》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、工业自化)一种高精度LD功率自动控制系统设计董全财(广东工业大学机电工程学院，广东广州510090)于DSP技术和PID算法的自动控制方法，来控制半导体激光二极管的驱动电流以实现对其输出功率。与传统法来实现激光二极管输出功率控制的方法相比，DSP技术与PID算法的应用能有效提高稳定性。介绍了系统的硬件结构和软件流程，并对其主要功能模块的原理进行了分析。关键词：DSP；PID：半导体激光二极管；自动控制中图分类号：TP202+．2文献标识码：A文章编号：1009—9492(2010)l2-0059-021引言2LD及其性能≥g∞寸半导体激光器(LD)具有单色性好、方向性好、体积为了方便自

2、动功率控制，一般激光管由LD和监测其小、光功率利用率高、工作电压要求较低，使用方便、价背向光输出光功率的PIN光电二极管集成，其封装有两种格低廉、光路结构简单等一系列优点，在光纤通信、计算形式：共阴极与共阳极。机光驱、教学设备、医疗器械、测量仪器等方面有广泛的如图1所示，LD管与PIN光电二极管(PD)有一个应用⋯。而半导体激光二极管的工作物质是PN结，其工公共端，两管同向连接，在T作过程中，LD正向偏置，作特性极易受环境因素。特别是温度的影响，所以LD的PD反向偏置。LD的I-P特性如图2所示。输H{波长、阈值电流及输出功率的稳定性对温度都非常敏感。而且随着使用时间的延长，激光管会老

3、化，从而导致其输出功率的不稳定。为了使激光管的输出功率稳定，人们一般采用运放电路为其提供一个带反馈的驱动电流的方法．但这种方法的控制灵敏度和控制精度都不够高。为此．本文提出了一种基于DSP芯片，利用PID算法控制激光二极管驱动电流的方法，该方法有很高的控制精度和灵敏度．大大的改善了激光二极管功率自动控制系统的性能020406O801O0mA33图2LD的I—P特性PDLDPD激光二极管的阀值电流和输出功率受温度的影响较明显3控制系统结构本控制系统的结构框图如图3所示。监测LD背向输出光功率的PIN光电二极管发生光电共阳极共阴极转换产生与LD输出功率成线性关系的电流，通过电流转电压电路．

4、再通过AD转换模块转换为数字信号，AD转换图lLD的封装器的精度直接影响控制系统的控制精度。数字信号送到收稿日期：2010一Ol一27自动化DSP处理器，将其与需要的输出光功率对应的数值电压值电路的设计，且l2位的转换精度能够检测到输出光功率进行比较，调用PID算法处理，然后通过DA转换。通过0．02％的变化．使系统有很高的灵敏度。电压转电流电路模块，将处理后得到的电压值转换为激光DA模块选用AD公司的AD7237，它是有双通道，12二极管的驱动电流．形成一个闭环的控制系统，以得到稳位的转换精度的DA转换芯片。若激光二极管驱动电流的定的输出光功率。其中，算法的系数调节由PC机通过串最大

5、值为100mA，则控制精度可以达到：0．02mA，有二行口传输到DSP。很高的控制精度。3_3LD驱动电路本系统的LD驱动电路主要由两片运算放大器LM358构成，如图5所示。图3系统控制原理框图3．1电流转电压电流转电压环节中．一般采用接一个电阻的形式，将GND输出光功率对应的电流转换为电压，然后与参考电压通过冈5LD的驱动电路一个运算放大器。但电阻的工作特性容易受温度的影响，且精度不够高。本设计采用电阻桥的形式，如图4所示：由运算放大器“虚短”和“虚断”可以得到：用四个阻值与温度系数一样的电阻尺～R组成电阻桥，让／oK2·U(1)PIN光电二极管的输出电流，。与参考电流，’从两个端口

6、输入．再从电阻桥的另一端口接到差分运放INA114进行放在(1)式中，，n是激光二极管的驱动电流，是DA大。这样，温度的影响就最大程度上得到了抵消。在运放转换器输出的电压INA114中，尺为调节放大倍数的可调电阻。在电路的启动和关闭时，为了避免瞬间冲击对激光二极管的损坏，本设计加入了慢启动保护电路。慢启动电路由和组成，在上电时起到了一个延时保护的作用。延时的长短由所选的电阻，电容的大小决定，一般延时时间在lOOms左右即可。C和D的作用是旁路可能产生的噪声．以免激光二极管在瞬间噪声的起伏下导致损坏。4PID算法PID算法是连续系统控制理论中最为成熟，应用最广泛的一种控制策略。它具有原理

7、简单、易于实现、适用面D广、控制参数相互独立和参数调整方便等优点。其中参数P是比例系数．反映偏差信号，增大P可以提高系统动作GND的灵敏速度，但过大会引起系统的振荡；参数I是积分系图4电流一电压转换电路数，主要用于消除静态误差，提高系统的无差度；参数D是微分参数，能反映偏差信号的变化趋势，可作早期修正3．2TM$320F2812及DA转换信号，加快系统的动作速度，减小调节时间[4J。本设计采用的DSP处理器是美国TI公司的PID的一般表达式为：