半导体激光器温度控制系统设计与算法仿真.pdf

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1、2013仪表技术与传感器2013第5期InstrumentTechniqueandSensorNo．5半导体激光器温度控制系统设计与算法仿真．汪灵，叶会英，赵闻(郑州大学信息工程学院，河南郑州450001)摘要：针对半导体激光器冷却系统体积大、温控精度不高的缺点，采用ARM微处理器配合集成数字温度传感器、半导体制冷器和液晶显示器等设计一个半导体激光器的温度控制系统，建立系统的数学模型，并对其控制算法进行深入研究。同时使用MATlab进行仿真，并进行定性定量的分析比较，提出在ARM芯片中使用模糊PID—Smith算法的温控方案，以提高所设计的温度控制系统的控制精度和稳定性。关键

2、词：半导体激光器；温度控制；Smith算法；模糊PID—Smith控制中图分类号：TN248．4文献标识码：A文章编号：1002—1841(2013)05—0095—04DesignandSimulationAlgorithmofTemperatureControlSystemofDiodeLaserWANGLing，YEHui—ying，ZHAOWen(InformationEngineeringInstitute，ZhengzhouUniversity，Zhengzhou450001，China)Abstract：Diodelaser(LD)hasthecharacter

3、isticsoflargevolume，andlowprecisionoftemperaturecontro1．Thispaperde—signedakindoftemperaturecontrolsystemtotheLDbasedonARMprocessor，integrateddigitaltemperaturesensorandsemicon—ductorrefrigerationdeviceandLCD．Itadoptedthetheoryoftemperaturecontrolsystem，andestablishedmathematicsmodel，andstu

4、diedthecorecontrolalgorithmindetail．TheMATLABsimulationwasusedtOthesystem，andmakingqualitativeandquantita—tiveanalysistotheresults．ItpresentedtheARMcontrolusedfuzzyPID—Smithalgorithm，inordertoimprovethedesignoftempera—turecontrolaccuracyandstabilityofthissystem．Keywords：semiconductorlasers；

5、temperaturecontrol；Smithalgorithm；fuzzyPID·Smithcontrol0引言控制器半导体激光器是以直接带隙半导体材料构成的PN结或nPIN结为工作物质的一种小型化激光器，具有较高的电子一光子转换效率，但由于存在非辐射复合损耗、自由载流子吸收等ARM损耗机制，使相当部分注入的电功率转化为热量。随着温度的升高导致激光器的阀值电流增加、输出功率降低、发射波长飘移、模式的不稳定、严重影响器件的寿命，给应用带来很大的困导垒害矍}制I『／、L一1面电j矗司：<、⋯控制量难，因此应对半导体激光器的温度进行精密控制。为了给半导一体激光器提供稳定且能够精

6、密调整的工作温度，设计了一个温图1基于ARM的半导体激光器温度控制系统框图度控制系统，建立了温度控制系统的数学模型，并对系统的核由图1所示的系统框图知半导体激光器温度控制单元的心部分的几种控制算法进行了分析和比较，并使用了MATlab控温过程，即首先温度传感器采集半导体激光器的温度，并将的SIMULINK工具对算法进行了仿真。此温度值经过信号处理电路的转换传送给ARM芯片，ARM将1温控系统的理论分析采样温度与设定温度之间的差值作为控制器的输入，然后通过1．1温控系统的设计框图模糊、PID以及Smith等控制算法对其计算处理产生相应的控如图1所示，该恒温控制系统由控制部分、数

7、据采样部分、制量。控制变量经DRV592的H桥驱动电路，输出电流驱动半输入输出部分、驱动部分组成。其中控制部分采用ARM芯片导体制冷器TEC工作，对被控器件半导体激光器进行加热或制LPC1768，它主要完成采样数据处理，以及根据控制算法计算输冷，同时半导体激光器的温度又被温度传感器反馈到数据采样出控制量的功能；数据采样部分采用集成的温度传感器来完成电路中，从而调整输出电流的大小，直到半导体激光器的温度温度数据采集的功能；输入输出部分分别使用了键盘和液晶显稳定在设置的温度值。示模块，由键盘设置半导体激光器