大功率LD温控系统的研究

论文摘要

大功率半导体激光器的输出功率受温度变化的影响很大,微小的温度变化就会导致输出功率很大的波动,而且波长、阈值电流和使用寿命也会受到影响。所以,工作温度对于半导体激光器十分重要,必须给半导体激光器提供稳定的工作温度,研究大功率半导体激光器恒温控制的意义极为重要。热电制冷器是一种依据帕尔贴效应工作的固体热泵,体积小,质量轻,无噪音。采用热定制冷器进行半导体激光器的温度控制,具有不可比拟的优势,可以保证半导体激光器具有很高的温度稳定性。在给定环境温度条件下,热电制冷器的选型是整个温控系统有效控温的关键。本文详细分析了热电制冷器的数学模型,并建立了相应的spice仿真模型。通过仿真模型,分析了热电制冷器在不同工作状况下的工作特性,并据此提出了一种进行热电制冷器选型的有效方法。鉴于热电制冷器在加热和制冷条件下,具有不同的工作特性。为了获得最佳的控制效果,必须对其进行分段控制。由于温控系统是一个具有纯滞后环节的一阶惯性环节,本文通过理论分析和试验测试的方法确定加热、制冷条件下的系统传递函数。针对确定的传递函数,本文采用SIMULINK仿真的方法确定了系统在加热和制冷两个阶段的控制参数。由于采用了分段控制,可以保证系统在加热和制冷两种情况下,都具有很好的温度稳定性。针对传统温控电路不适合高功率驱动的情况,本文提出一种改进的H桥电路。采用H桥驱动芯片IR2110,实现上桥臂的自举充电,使得H桥的供电电压可以做的很高,实现了高功率的驱动。利用可编程逻辑器件实现了驱动信号的分配和死区时间的控制。本文从器件选型、控制方法研究和软硬件设计方面对半导体激光器的温控系统进行了详细的理论分析、仿真研究和试验验证。提出的器件选型方法、温度控制方法和适合高功率驱动的硬件系统可以有效的实现对半导体激光器的稳定温度控制,对于半导体激光器温度控制系统的开发具有很好的指导作用和实用价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 半导体激光器概述
• 1.2 半导体激光器温控系统的研究现状
• 1.3 本文的研究意义、内容和目标
• 第2章 热电制冷器模型分析
• 2.1 热电制冷器原理
• 2.2 热电制冷器的数学模型
• 2.3 热电制冷器的最大制冷效率选型方法
• 2.4 热电制冷器模型的Pspice仿真分析
• 2.5 本章小结
• 第3章 基于热电制冷器的温度控制方法研究
• 3.1 热电制冷器温控系统的数学模型
• 3.1.1 温控系统的数学模型推导
• 3.1.2 温控系统传递函数的试验测定
• 3.2 温控系统的控制方法
• 3.2.1 温控系统方框图分析
• 3.2.2 温控系统的SIMULINK仿真
• 3.3 本章小结
• 第4章 温控系统电路设计
• 4.1 温控系统总体介绍
• 4.2 温控系统硬件结构
• 4.2.1 PWM功率驱动装置的基本结构
• 4.2.2 PWM功率驱动信号设计
• 4.2.3 主电路实测波形分析
• 4.2.2 采样环节设计
• 4.3 本章小结
• 第5章 温控系统软件设计和实验结果
• 5.1 NTC热敏电阻温度采集
• 5.2 温控系统的PID算法
• 5.3 采用分段PID控制算法的实验结果
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢