2 PID网络调节及参数设定

PID(Proportion Integrator Differentiator)积分微分比例调节补偿网络是TEC温度控制最关键的部分，是影响到TEC控制器的响应速度和温度稳定性的
一个关键因素。用PID控制技术作为核心，以减少静态误差、提高控制精度。PID相当于放大倍数可调的放大器，用比例运算和积分运算来提高调节精度，用微分运算加速过渡过程，较好地解决了调节速度与精度的矛盾。PID的数学模型可用式(3)表示：



式中：Kp为比例系数；T1为积分时间常数；TD为微分时间常数。

ADN8830 TEC控制器采用外部补偿网络，仅需要几个电阻和电容，如图3所示。不同的应用设计者可以根据自己的热负载特性来调整补偿网络，从而达到最佳的温度设定时间和稳定性容限，但补偿网络的转换周期对控制系统的稳定性影响较大。为了确保温度控制的稳定性，补偿网络的转换周期必须小于TEC和温度传感器的热时间常数。但是TEC和温度传感器的热时间常数是一个难以描述的因素，无法通过计算方式来设计网络参数。针对图3的PID网络通常可以通过以下调试步骤来优化参数：



(1)将电容C₉短路、C₁₁开路，仅只留下电阻R₆和R₅构成一简单的补偿比例网络；

(2)增加电阻R₆和R₅的比例，从而增加增益直至TEC两端的电压开始出现振荡，然后将R₆和R₅的比例缩小至原来的1／2；

(3)将电容C₉串接到补偿网络，并减小该电容的值直至TEC两端的电压开始出现振荡，然后将电容C₉的值增加1倍，电容C₉的初始值基于式(4)使单位增益为0.1 Hz；



(4)短路电阻R₇并加入电容C₁₁使TEC两端的电压开始出现振荡，这时可以减小电容C₁₁或者重新接入电阻R₇使TEC两端的电压稳定；

(5)改变TEMPSET的电压值来调节TEC两端的电压稳定时间，TEMPSET的变化约在100 mV，然后减小电容C₁₁，C₉和电阻R₇从而减小稳定时间，但是会造成输出电压过充；

(6)添加与R₆和C₉并联的反馈电容C₁₀，反馈电容C₁₀在不增加稳定时间的前提下能够提高系统的稳定性。一般330 pF～1 nF的电容比较合适。

本文设计的温度控制电路利用图3的PID网络结构，当C₉=22μF，C₁₀=330 pF，C₁₁=1μF，R₇=1.388 MΩ，R₅=1.092 MΩ，R₆=175 kΩ时，系统从环境温度改变到目标温度的建立时间在10 s以内，精度可达0.01℃，并且能保持长期稳定。



3  性能测试

实验测试是在室温下进行的，图4中所示的信号为ADN8830的管脚30(TEMPOUT)的电压变化，其电压的变化与传感器探测到的温度变化相一致，因此可以从此电压变化的特性得到温度变化的特性。如图4所示可以看到经过8.4 s，电压稳定在预设电压1.45 V上，也就意味着温度从环境温度改变到目标温度25℃的建立时间为8.4 s，且过充较小，并达到了稳定。该电路具有正常工作指示和工作失效报警指示功能。当热敏电阻检测到的温度达到设定温度(本电路设定温度为25℃)时，ADN8830的管脚5(TEMPLOCK)输出高电平，表示非制冷红外焦平面的工作温度已达设定温度，此时发光二极管D1发光；当管脚1(THERMFAULT) 输出高电平时，表示电路工作异常，发光二极管D2被点亮。



4  结  语

本文设计的基于ADN8830的非制冷红外焦平面温度控制电路效率高、功耗低、体积小，通过实际应用证明能够把温度控制在预设温度上，并且精度可达0.01℃。通过几个简单的电阻电容构成的外部补偿网络能够在10 s内把温度控制在预设温度上，并使整个温控系统保持长时间稳定工作状态。