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第 40 卷 第 4 期 2023 年 8 月 郭清华 激光器温度控制电路软启动算法研究 23 激光器温度控制电路软启动算法研究 郭清华1,2（1.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400039；2.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆 400037）摘 要 为满足激光甲烷传感器在煤矿、天然气等工矿环境应用中 6km 的传输距离和测量精度，首先设计了一种基于激光吸收峰和工作温度的高精度双闭环负反馈温度控制系统，基于集成的 TEC 温控芯片开展 PI 补偿网络设计和系统稳定性、响应特性仿真分析，系统控制误差达减小到约1.37，减小温控系统对激光甲烷传感器测量值的影响；提出了基于逐步迭代逼近的温控软启动算法，整机启动瞬态大电流由 0.5A12VDC 减小到 0.12A12VDC，最远传输距离达到 6km 以上；为激光甲烷传感器在煤矿、天然气等工矿领域的全面推广应用提供了技术支撑。关键词 双闭环负反馈温度控制系统；DFB 激光器；热电制冷器 TEC；软启动；中图分类号 O433 文献标识码 A Research on soft start algorithm of laser temperature control circuit Guo Qinghua1,2(1.Chongqing research institute of China coal technology&engineering group corp.Chongqing China 400039；2.National Key Lab for Gas disaster monitoring and emergency technology.Chongqing China 400037)Abstract In order to meet the 6km transmission distance and measurement accuracy of the laser methane sensor in coal mines,natural gas and other industrial and mining environments,a design method of a high-precision double-closed-loop negative feedback temperature control system based on laser absorption peak and working temperature was firstly proposed.Reduced to about 1.37,reducing the influence of the temperature control system on the measured value of the laser methane sensor.Carry out PI compensation network design and simulation analysis of system stability and response characteristics based on the integrated TEC temperature control chip.A temperature-controlled soft-start algorithm based on step-by-step iterative approximation is proposed,the transient high current of the whole machine is reduced to 0.12A18VDC,and the longest transmission distance is more than 6km.A temperature-controlled soft-start algorithm based on step-by-step iterative approximation is proposed,the transient high current of the whole machine is reduced to 0.12A18VDC,and the longest transmission distance is more than 6km.It provides technical support for the comprehensive promotion and application of laser methane sensor in coal,natural gas and other industrial and mining fields.Key words double closed-loop negative feedback temperature control system;DFB laser;thermoelectric cooler TEC;soft start 我国煤炭资源赋存条件复杂，井工煤矿约占95%，平均开采深度已达到 600m 以上。煤矿灾害主要包括冲击地压、煤与瓦斯突出、火及突水等事故。在国有重点煤矿中，高瓦斯突出矿井占 49.5%左右，收稿日期：2023-02-28 基金项目：天地科技股份有限公司科技创新创业资金专项项目(2021-TD-MS008)，重庆市技术创新与应用发展重点项目(cstc2019jscx-mbdxX0007),中煤科工集团重庆研究院重点项目(2021ZDXM03)。作者简介：郭清华（1983-），男，硕士，中煤科工集团重庆研究院副研究员，研究方向：煤矿检测用仪器仪表，激光气体传感领域。Email：saint_ Modern Scientific Instruments Vol.40 No.4 Aug.2023 24 因此瓦斯灾害是当前我国煤炭工业所面临的首要问题1-3。目前应用于煤矿井下工作面、瓦斯抽放钻场及抽放管道的瓦斯浓度检测传感器已从传统的载体催化、红外发展到激光吸收光谱技术(TDLAS)4。目前国内中煤科工集团重庆研究院有限公司、大连艾科、山东微感等厂家自主研制了激光甲烷系列传感器，并在煤矿、天然气等领域得到了全面推广应用，产品不受水汽、其他背景气的影响，优势明显。根据最新煤矿安全监控系统升级改造技术方案，激光甲烷传感器须满足带载传输距离 6km 和工作稳定性 6 个月的要求5-7，亟需解决整机上电阶段激光器温控电路瞬态大电流的问题，同时降低激光器温度控制电路功耗，提高整机的精度、长期工作稳定性及智能化调节水平，完成对激光甲烷传感器的智能化升级；为国家发改委、能源局、煤监局等多部委联合印发关于加快煤矿智能化发展的指导意见提出的智能化矿山建设目标，提供底层的技术支撑8-10。目前可调谐半导体激光器的温度控制主要采用半导体热电制冷器（Thermo Electric Cooler,TEC）实现温度加热或制冷，采用模拟或数字 PID 控制算法实现温度的精确控制11,12。国内外相关芯片公司推出的集成化 温度控制芯片主要有前 MAXIM 公司的MAX1968-1978 系列、ADC 的 LTC1923(前凌特公司研制)，以及 ADC 公司的 ADN8831-ADN8834 系列。国内外相关研究人员对上述芯片开展了大量的应用研究工作13-15，但在煤矿本安供电条件下启动大电流的抑制问题，井下、地面宽温度工作范围（-2060）的温度控制精度以及长期稳定性方面需要作进一步的研究及测试。1 半导体激光器温度控制系统设计 1.1 半导体激光器温度控制系统原理 本文设计的半导体激光器温度控制系统16，采用了双闭环负反馈控制系统架构，即第一层 GFB1波长负反馈系统和第二层 GTFB2温度负反馈系统，如图 1所示。图 1 激光器双闭环负反馈温度控制系统 Figure.1 Laser double closed loop negative feedback temperature control system1.2 ADN8834 高精度温度控制系统电路设计 ADN8334-LFCSP 是一款高集成度的热电冷却器（TEC）控制器，通过测量热传感器反馈电压，结合比例-积分-微分（PID）补偿器调理信号，实现 TEC加热、冷却模式工作电流的控制，保证温度长期工作稳定，其封装的引脚配置，如图 2 所示。VDD、PVINL、PVINS 设置为 3.3V 电源输入，以降低芯片工作功耗和 TEC 组件 MOSFET 管的热消耗；EN/SY 通过 MCU的 IO 口进行使能控制17。温度控制系统核心电路设计如图 3 所示。图 2 ADN8334-LFCSP 封装引脚配置 Figure.2 ADN8334-LFCSP Package Pin Configuration 第 40 卷 第 4 期 2023 年 8 月 郭清华 激光器温度控制电路软启动算法研究 25 图 3 ADN8834 温度控制系统核心电路 Figure.3 temperature control system core circuit 1.3 热敏电阻放大器设计 激光器的 NTC 热敏电阻信号通过温度误差放大器，包括 NTC 热敏电阻 RTH、RX和 R5组成的电阻网络。其中 RTH=10k(25)，补偿电阻 Rx=6.5k，R5=16.5 k，反馈电阻 RFB=100 k，可得温度误差放大器的最大增益 KEmax=5.06V/C(60)。1.4 PI 控制网络补偿放大器设计及仿真 激光器工作温度 TS对应数模转换芯片（DAC）LTC2641A 输出的设定值 TEMP_SET，通过 GTFB2温度负反馈系统控制回路实现。LTC2641A 是 16 位无缓冲电压输出高精度 DAC 芯片，采用 2.7V 至 5.5V单工作电源，输出误差为（1LSB INL 和1LSB DNL），采用该 DAC 芯片实现激光器宽范围温度定值设置；环境温度热敏电阻 Renv，通过 MCU 的 ADC采样环境温度 TE，如图 4 所示。图 4 DAC 温度设置电路及环境温度采集电路 Figure.4 DAC temperature setting circuit and ambient temperature sampling circuit PI 网络补偿网络由电阻、电容组成，包括 RI，CI，RP组成。其中，积分环节 RI=6.8M，CI=10uF，比例环节 RP=1M，则时间常数 RPCI=10s，RICI=68s。PI 补偿放大器的传递函数GC(s)：?()=(?(?)?)?(?)=(?)?（1-1）TEC 控制执行单元控制增益 KTEC=5V/V；KE取最大增益约 5V/；TEC 执行增益为 KLT=30C/V；激光器的主极点时间常数 TL0=20s，次极点时间常数TL1=0.33s，因此GL(s)入式(1-2):?()=?(?)(?.?)（1-2）GTFB2温度负反馈控制系统开环传递函数 G(s)H(s)和反馈回路 H(s)分别如下式所示：()()=()?()?（1-3）分别将 KE、KTEC、GC(s)、GL(s)代入单位负反馈开环传递函数 GO(s)=G(s)H(s)可得式(1-4)：?()=?(?)?(?)(?.?)（1-4）通过MATLAB控制系统工具箱和SIMULINK仿真测试环境，GO(s)的波特图如图 5 所示。图 5 GO(s)波特图及稳定裕度分析 Figure.5 GO(s)bode plot and margin analysis 系统幅值裕度 Gm=Inf dB(Inf rad/s)，最小相角裕度 Pm=39.6deg(3.56 rad/s)，温度控制系统鲁棒性好，稳定可靠。系统的冲激响应曲线如图 6 所示。系统响应上升时间 trise=56s，系统建立时间 tsetting=35 40s 之间。2 2 2.冷5VTE贝作电量F 26 Figur温控电路软.1 TEC 工作本文采用的冷片为 TEC-1V，最大工作EC 常用的基贝克效应、帕尔作，形成上侧冷电原理以及热平量 Qc、耗功 P图 7Figure.7 Schemt制冷量 Qc?=耗功 P：图 6 GO(s)冲re.6 GO(s)impu软启动控制特性分析 的国外半导体12705 热电制作电流 2A，最基本结构如图示尔贴效应、汤冷端低温区、平衡方程18,19、能效系数 C7 热电制冷模块matic diagram thermoelectric cc：=?0.5 冲激响应曲线 ulse response c算法 体激光器，内制冷模块，其最大温差 68示 7 所示，T汤姆逊效应等下侧热端高9，模块各项COP 公式如下块 TEC 结构示意of the TEC stcooling module?(?Modern Sciecurve 置的半导体制最大工作电压，内阻约 2TEC 模块在塞共同作用下工高温区；根据热性能参数制冷下：意图 tructure of thee?)（2-1）entific Instrum 制压。塞工热冷 e）能式Tc、Th为模块电材料常况下，电流的Q且 Qc、效应：极大值过极大Fig2.2 激由境温度和热端TS不变1）于 Qc效系数ments =?能效系数 COP式中，I 工作电h对应冷端、块的塞贝克系料决定；H 为常规的热电制其制冷量 Qc的变化曲线如Qc、P、COP 三、COP 存在极随着工作电流值点后，逐步递大值点后，快图 8 热电模块gure 8.Variatthermoele激光器温控启由图 4 可知，度 TE分别对应端温度 Th。因变的情况下：）TE与 TS温度曲线的连续递数 COP 处于高 Vol.?=P：=?/电流(A)，R 模热端温度（K系数（V/K），模块的热导率冷模块，在冷c、耗功 P、能图 8 所示。三个参数与电极大值点，过流 I 连续增加递减；同样，C速递减。块的性能指标随tion curve of pectric module w启动电流与环激光器工作温应激光器 TE因此，在激光 度差较小时，递增区间，工高效能值区域40 No.4 Au+?/模块的等效电K），=(，由模块的 P率（W/K）。冷、热端温度能效系数 CO电流 I 为非线过极点后曲线加，Qc先逐步COP 先连续快随电流的变化曲线performance indwith current环境温度关系温度 TS、MCC 模块的冷端光器目标设定TEC 模块工工作电流相对域，激光器温ug.2023 （2-2）（2-3）电阻()，?)，P、N 级热 度不变的情P 随工作线性关系，线发生后弯步递增，过快速递增，线 dex of 系 CU 采样环端温度 Tc工作温度工作电流处对较小，能温控电路正 第 40 卷 第 4 期 2023 年 8 月 郭清华 激光器温度控制电路软启动算法研究 27常工作。2）TE与 TS温度较大时，TEC 模块工作电流跨过了极值点，处于 Qc曲线后弯的连续递减区间，工作电流快速增大，Qc不增反减，能效系数 COP 急剧下降，处于低效能值区域，激光器温控电路处于异常状态。由此可知，在激光器温控上电启动时，必须根据TE与 TS温度差值的大小，采用逐步迭代逼近的方法，来减小温控系统的 TEC 启动电流，避免上述情况 2）的发生；否者上电时启动电流 I 峰值过高，导致 I 与Qc处于负相关的递减区间，致使原设计的负反馈温控系统逆转为正反馈温控系统，产生自激震荡，导致传感器无法正常启动和工作20。2.3 软启动控制算法 设定激光器工作温度为 TS，环境温度为 TE，调节激光器温度的迭代总步长为 N（一般 N5，以减小TEC 启动工作电流 I），迭代间隔时间周期=trise（温控系统冲激响应时间），则温控系统上电软启动的温度调节设置值()和软启动时间?，分别如下20：()=?+?,?0?,?0 （2-4）其中，n=1,2,3NH为加热迭代步长，NC为制冷迭代步长，N=NC5。?=?=?（2-5）为减小激光器波长扫描电路工作电流 IL对温控系统工作电流 I 的扰动，则扫描工作电流 IL的注入时间必须按式（2-6）进行设置，如下所示20：?()=?.(),?5?.(?),?5 （2-6）其中，()为单位阶跃函数，m=1,2,3NC，N=NC5。如图 9 所示，在激光器设置工作温度大于环境温度 5以上时，则在上电时立即注入扫描电流，协助TEC 给激光器加热；反之，则在激光器温控系统完成温控软启动控制后，再给激光器注入扫描电流，以尽量减小温控启动电路。图 9 激光器波长扫描电路 Figure 9.Laser wavelength scanning circuit 2.4 算法流程 针对激光器温度控制环路系统的软启动算法流程如图 10 所示，包括激光器温控系统参数调节、激光器设定温度判断、软启动温度调节设置、激光器扫描电路工作条件判定等步骤。图 10 激光器温控系统软启动算法流程 Figure 10.Soft start algorithm flow of laser temperature control system 3 实验测试与分析 本文设计的激光器温度控制模块及激光甲烷传 Modern Scientific Instruments Vol.40 No.4 Aug.2023 28 感器样机设定的激光器工作温度为 25，在实验室高低温箱中进行了 60、-20两个边界温度点的启动电流测试，通过示波器捕获采集了启动过程中的瞬态最大电流，具体测试数据如图 11-13 所示：软启动算法在不介入的情况下，整机在 60时的温控启动瞬态电流峰值达到 0.5A12VDC，在-20时整机温控启动瞬态电流峰值达到 0.35A12VDC；在上电开启软启动算法，设定迭代总步长 N=10 后，在 60、-20的整机温控启动瞬态大电流均减小到约0.12A12VDC。通过激光甲烷传感器整机上电实验，该温控系统在软启动算法的调节下，瞬态启动峰值电流减小到最大启动电流的 24.0%左右，在煤矿本安电源供电条件下，激光甲烷传感器的最远传输距离达到6km 以上。图 11 高温 60温控瞬态启动峰值电流 Figure 11.High temperature 60 temperature control transient start high current 图 12 低温-20温控瞬态启动峰值电流 Figure 12.Low temperature-20 temperature control transient start high current 图 13 温控软启动瞬态峰值电流 Figure 13.Temperature-controlled soft-start transient high current 为验证激光器温控系统的控制精度和稳定性，将整机在高低温箱进行了-20、60两个边界温度点的恒温实验。首先，在测量光路通过光纤连接密封甲烷气体测量气室（密封 22.00%CH4的甲烷标气），并放置在 25的常温环境中，以消除高低温对测量气室造成的影响。实验测试数据如图 14、15 所示：在近 1.5 小时的 60恒温实验中，激光甲烷传感器测量值在（21.7821.84）%CH4之间变化，以 21.81%CH4为中心，测量波动幅值在（-0.030.03）%CH4，即激光器温 控 系 统 对 吸 收 峰 中 心 的 控 制 误 差 减 小 到 1.375；在近 1.5 小时的-20恒温实验中，激光甲烷传感器测量值在（21.7721.83）%CH4之间变化，以21.80%CH4为 中 心，测 量 波 动 幅 值 在（-0.030.03）%CH4，温控对吸收峰中心的控制误差达减小到1.376。通过上述高低温实验测试，验证了双闭环负反馈温度控制系统对激光器工作温度、吸收峰中心控制精度。图 14 恒温 60整机实验测试结果 Figure 14.The experimental test results of the methane sensor at a constant temperature of 60 C 第 40 卷 第 4 期 2023 年 8 月 郭清华 激光器温度控制电路软启动算法研究 29 图 15 恒温-20整机实验测试结果 Figure 12.The experimental test results of the methane sensor at a constant temperature of-20 C 4 结论 本文首先对 DFB 激光器温度控制系统进行研究设计，基于集成的 TEC 温控芯片 ADN8334 开展 PI补偿设计和系统稳定性、响应特性仿真分析；为增加传感器传输带载距离，设计了配套的软启动硬件，建立了软启动算法；最后对温控软启动的有效性和温控系统的稳定性、精度进行了实验验证。设计了基于PI 补偿网络温控系统，进行了频域稳定性分析和时域响应分析，通过实验激光器温控系统的控制精度，控制误差达减小到约1.37；提出了基于逐步迭代逼近的温控软启动算法，使整机上电启动瞬态大电流减小到 0.12A12VDC，最远传输距离达到 6km 以上；为激光甲烷传感器在煤矿、天然气等工矿领域的全面推广应用提供了技术支撑。参考文献 1 卢鉴章.我国煤矿一通三防技术的发展与进步J.煤炭科学技术,2007(01):8-13.2 郭建伟.煤矿复合动力灾害危险性评价与监测预警技术D.徐州:中国矿业大学，2013.3 刘超.采动煤岩瓦斯动力灾害致灾机理及微震预警方法研究D.大连:大连理工大学,2011.4 樊荣,侯媛彬,郭清华.激光甲烷传感器相关理论及其检测方法研究M.西安电子科技大学出版社,2017,12.5 孙继平.煤矿信息化自动化新技术与发展J.煤炭科学技术,2016,44(1):19-23,83.6 国家煤矿安监局印发 煤矿安全监控系统升级改造技术方案 (煤安监函20165 号)A.7 汪丛笑.煤矿安全监控系统升级改造及关键技术研究J 工矿自动化,2017,43(2):1-6.8 王国法,刘峰等.煤矿智能化(初级阶段)究与实践J.煤炭科学术,2019,47(8):1-36.9 孙继平AQ1029-2017煤矿安全监控系统及检测仪器使用管理规范（报批稿）J.工矿自动化,2017,43(6):87-94 10 郭江涛.煤矿安全监控系统现状及发展趋势J.煤矿机械,2017(38):1-3.11 辛文辉,方林,樊建鑫,等.半导体激光器双闭环温度控制系统J.测控技术,2022,41(9):31-36.12 熊佳慧,卜雄洙,杨昊青,等.TDLAS 气体浓度检测中 DFB 激光器驱动及温控电路设计J.电子测量技术,2020,43(9):161-165.13 李学升,辛菊盛,刘伟.基于 PID 算法的单频光纤激光器温度控制研究J.电子技术,2021,50(11):5-7.14 高华兴.基于参数辨识的半导体激光器温度自动控制J.机械与电子,2022,40(11):55-60.15 张安迪,张艳荣,李涛.论域可变的模糊 PID 控制在半导体激光器温度控制系统中的应用J.光学学报,2021,41(12):1-9.16 刘瑾,闫正等.双波长线斑激光诱导荧光检测器的研制J.现代科学仪器,2013(02):67-70.17ADN8834 热电冷却器(TEC)控制器数据手册： 郭琛,潘开林等.热电制冷技术的研究进展J.微纳电子技术，2018,55(12):927-930.19 屈福林.半导体空调器的理论计算.制冷学报,1981,(01):42-56.20 郭清华,于庆,等.一种激光器温度控制系统的软启动方法P.INVENTION_PUBLICATION,CN202211199459.X.2022-09-27.