利用SPICE設(shè)計TEC溫度環(huán)路PID控制

使用模擬比例積分微分 (PID) 控制器的溫度控制是一種非常簡單的電路，是確保熱電冷卻器 (TEC) 的設(shè)置點(diǎn)能夠?qū)囟然蛘呒す膺M(jìn)行調(diào)節(jié)的有效方法。比例積分項(xiàng)協(xié)同工作，精確地伺服TEC的電流，以維持控制器的溫度設(shè)置點(diǎn)。與此同時，微分項(xiàng)對完成上述工作的速率進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而優(yōu)化總體系統(tǒng)響應(yīng)。如果可以對總體系統(tǒng)響應(yīng)H (s) 進(jìn)行描述，則為其設(shè)計 PID 控制器G (s) 的最為方便和有效的方法是利用 SPICE 進(jìn)行仿真。

步驟1：確定SPICE模型的TEC/Temp傳感器熱阻抗。

要想把 SPICE 作為 PID 環(huán)路設(shè)計的一種有效工具，獲取溫度環(huán)路的熱響應(yīng)非常重要，目的是獲得 PCBàTECà 激光二極管à 溫度傳感器接線的實(shí)際熱敏電阻、電容和傳輸函數(shù)。記住，由于實(shí)際熱特性會出現(xiàn)高達(dá)50%的變化，因此最好是向?qū)嶋H系統(tǒng)注入一個熱步進(jìn)輸入，并對其進(jìn)行測量，以獲得最佳的 SPICE 仿真熱模型。

如果對熱連接線進(jìn)行描述，請使用“外環(huán)路、內(nèi)環(huán)路”程序來確定G (s) 模塊中控制放大器的總體環(huán)路響應(yīng)和穩(wěn)定性。在所有情況下，都會使用一個非常大的電感來中斷外環(huán)路和內(nèi)環(huán)路，并通過一個大電容器和 AC 電源激勵環(huán)路。

步驟 2：中斷G(s)和H(s)之間的外環(huán)路

外環(huán)路定義為圍繞G（s）和H（s）模塊的一條通路。使用圖 1 進(jìn)行模擬的目標(biāo)是中斷外環(huán)路，獲得H（s）、G（s）和總環(huán)路增益，以驗(yàn)證熱環(huán)路穩(wěn)定性。這種情況下，圖 2 顯示相位降至零度以下，而環(huán)路增益變?yōu)?0 dB，其表明整個環(huán)路不穩(wěn)定。因此，改變 G（s）應(yīng)加強(qiáng) PID 控制，并增加溫度環(huán)路的穩(wěn)定性。

圖 1 仿真電路獲得環(huán)路增益和相位

圖 2 圖 1 的環(huán)路增益和相位曲線圖