2 PID網(wǎng)絡(luò)調(diào)節(jié)及參數(shù)設(shè)定

PID(Proportion Integrator Differentiator)積分微分比例調(diào)節(jié)補償網(wǎng)絡(luò)是TEC溫度控制最關(guān)鍵的部分，是影響到TEC控制器的響應(yīng)速度和溫度穩(wěn)定性的
一個關(guān)鍵因素。用PID控制技術(shù)作為核心，以減少靜態(tài)誤差、提高控制精度。PID相當(dāng)于放大倍數(shù)可調(diào)的放大器，用比例運算和積分運算來提高調(diào)節(jié)精度，用微分運算加速過渡過程，較好地解決了調(diào)節(jié)速度與精度的矛盾。PID的數(shù)學(xué)模型可用式(3)表示：



式中：Kp為比例系數(shù)；T1為積分時間常數(shù)；TD為微分時間常數(shù)。

ADN8830 TEC控制器采用外部補償網(wǎng)絡(luò)，僅需要幾個電阻和電容，如圖3所示。不同的應(yīng)用設(shè)計者可以根據(jù)自己的熱負載特性來調(diào)整補償網(wǎng)絡(luò)，從而達到最佳的溫度設(shè)定時間和穩(wěn)定性容限，但補償網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)換周期對控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性影響較大。為了確保溫度控制的穩(wěn)定性，補償網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)換周期必須小于TEC和溫度傳感器的熱時間常數(shù)。但是TEC和溫度傳感器的熱時間常數(shù)是一個難以描述的因素，無法通過計算方式來設(shè)計網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。針對圖3的PID網(wǎng)絡(luò)通常可以通過以下調(diào)試步驟來優(yōu)化參數(shù)：



(1)將電容C₉短路、C₁₁開路，僅只留下電阻R₆和R₅構(gòu)成一簡單的補償比例網(wǎng)絡(luò)；

(2)增加電阻R₆和R₅的比例，從而增加增益直至TEC兩端的電壓開始出現(xiàn)振蕩，然后將R₆和R₅的比例縮小至原來的1／2；

(3)將電容C₉串接到補償網(wǎng)絡(luò)，并減小該電容的值直至TEC兩端的電壓開始出現(xiàn)振蕩，然后將電容C₉的值增加1倍，電容C₉的初始值基于式(4)使單位增益為0.1 Hz；



(4)短路電阻R₇并加入電容C₁₁使TEC兩端的電壓開始出現(xiàn)振蕩，這時可以減小電容C₁₁或者重新接入電阻R₇使TEC兩端的電壓穩(wěn)定；

(5)改變TEMPSET的電壓值來調(diào)節(jié)TEC兩端的電壓穩(wěn)定時間，TEMPSET的變化約在100 mV，然后減小電容C₁₁，C₉和電阻R₇從而減小穩(wěn)定時間，但是會造成輸出電壓過充；

(6)添加與R₆和C₉并聯(lián)的反饋電容C₁₀，反饋電容C₁₀在不增加穩(wěn)定時間的前提下能夠提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。一般330 pF～1 nF的電容比較合適。

本文設(shè)計的溫度控制電路利用圖3的PID網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，當(dāng)C₉=22μF，C₁₀=330 pF，C₁₁=1μF，R₇=1.388 MΩ，R₅=1.092 MΩ，R₆=175 kΩ時，系統(tǒng)從環(huán)境溫度改變到目標(biāo)溫度的建立時間在10 s以內(nèi)，精度可達0.01℃，并且能保持長期穩(wěn)定。



3  性能測試

實驗測試是在室溫下進行的，圖4中所示的信號為ADN8830的管腳30(TEMPOUT)的電壓變化，其電壓的變化與傳感器探測到的溫度變化相一致，因此可以從此電壓變化的特性得到溫度變化的特性。如圖4所示可以看到經(jīng)過8.4 s，電壓穩(wěn)定在預(yù)設(shè)電壓1.45 V上，也就意味著溫度從環(huán)境溫度改變到目標(biāo)溫度25℃的建立時間為8.4 s，且過充較小，并達到了穩(wěn)定。該電路具有正常工作指示和工作失效報警指示功能。當(dāng)熱敏電阻檢測到的溫度達到設(shè)定溫度(本電路設(shè)定溫度為25℃)時，ADN8830的管腳5(TEMPLOCK)輸出高電平，表示非制冷紅外焦平面的工作溫度已達設(shè)定溫度，此時發(fā)光二極管D1發(fā)光；當(dāng)管腳1(THERMFAULT) 輸出高電平時，表示電路工作異常，發(fā)光二極管D2被點亮。



4  結(jié)  語

本文設(shè)計的基于ADN8830的非制冷紅外焦平面溫度控制電路效率高、功耗低、體積小，通過實際應(yīng)用證明能夠把溫度控制在預(yù)設(shè)溫度上，并且精度可達0.01℃。通過幾個簡單的電阻電容構(gòu)成的外部補償網(wǎng)絡(luò)能夠在10 s內(nèi)把溫度控制在預(yù)設(shè)溫度上，并使整個溫控系統(tǒng)保持長時間穩(wěn)定工作狀態(tài)。