一种基于MFAC的高精度高功率拉曼光源激光器温控系统

本发明属于温度控制，具体涉及一种基于mfac的高精度高功率拉曼光源激光器温控系统。

背景技术：

1、激光光源是拉曼光谱仪的重要组成部分。拉曼光源激光器凭借其光束质量好、效率高、结构紧凑和稳定易用等优点，成为当下激光技术研究的热门和拉曼光谱仪激光光源的首选。以拉曼光源激光器为主要组成部分的拉曼激光输出模块面临激光功率需求增大、激光模块空间小型化等转变，模块内器件的热流密度上升，散热效果差，温度急剧飙升，使谐振腔热胀冷缩，长度改变，从而导致激光器输出波长发生偏移，严重影响光谱成像。因此在高功率激光器的使用过程中，为了保证激光器能稳定工作，要有高效的温控系统来精确控制激光器内部温度的恒定。

2、pid是目前应用最广的无模型控制算法，大部分难以通过建模途径实现的系统能够在pid控制下达到稳定运行，但pid对于该具有非线性、时变性的系统控制效果不佳。而本项目的拉曼光源激光器温控系统正是一个多干扰、强耦合、多环境、芯片算力有限但同时又有高精度、低时滞需求的非线性、时变性系统，pid应用于该系统时存在温度控制精度较低、时滞较高等控制效果不佳问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对解决背景技术中提出的问题，提出一种基于mfac的高精度高功率拉曼光源激光器温控系统。

2、为实现上述目的，本发明所采取的技术方案为：

3、本发明提出的一种基于mfac的高精度高功率拉曼光源激光器温控系统，所述温控系统包括分别与拉曼光源激光器电连接的主控模块、恒流驱动电路和恒温控制模块，其中：

4、所述拉曼光源激光器，包括位于壳体内的泵浦源、tec和热敏电阻；

5、所述恒温控制模块，包括tec驱动电路和a/d转换采集电路，所述tec驱动电路用于接收主控模块输入的一对互补的pwm信号，且形成相应大小和方向的电流输入至tec，且所述tec根据接收到的电流大小和方向进行制冷工作或不工作；

6、所述a/d转换采集电路用于实时采集热敏电阻的阻值，并将阻值发送至主控模块；

7、所述主控模块，包括温度计算单元、温度稳定判断单元、pwm计算单元和gpio控制器，所述温度计算单元用于接收a/d转换采集电路发送的阻值，并结合热敏电阻的阻值与热敏电阻的实际温度对应关系得到热敏电阻相应时刻的实际温度，并将该实际温度分别发送至温度稳定判断单元和pwm计算单元，且该实际温度作为拉曼光源激光器相应时刻的工作温度；

8、所述温度稳定判断单元，用于将接收到的实际温度与期望温度进行对比，判断实际温度是否与期望温度相等，并在相等且保持稳定时，则实现对拉曼光源激光器的温度控制；

9、所述pwm计算单元用于接收温度计算单元发送的实际温度，并采用mfac算法、依据期望温度和实际温度计算pwm占空比，并根据pwm占空比输出一对互补且相应占空比的pwm信号至tec驱动电路的输入端；

10、所述gpio控制器用于产生控制信号，控制恒流驱动电路驱动泵浦源的开启或关闭。

11、优选地，所述a/d转换采集电路包括adc芯片、参考电阻ref、第一引线电阻rl1、第二引线电阻rl2、第三引线电阻rl3、第一电容c1、第二电容c2和电感l，所述adc芯片的第四引脚和第五引脚分别与第一引线电阻rl1的一端连接，第一引线电阻rl1的另一端与热敏电阻的一端连接，热敏电阻的另一端分别与第二引线电阻rl2的一端和第三引线电阻rl3的一端连接，第二引线电阻rl2的另一端分别与adc芯片的第六引脚和第十一引脚连接，第三引线电阻rl3的另一端分别与adc芯片的第九引脚和参考电阻ref的一端连接，参考电阻ref的另一端分别与adc芯片的第十引脚和第十二引脚连接，以及分别与第一电容c1的一极板和第二电容c2的一极板连接，adc芯片的第十四引脚连接分别与电感l的一端、第一电容c1的另一极板和第二电容c2的另一极板连接，adc芯片的第十三引脚与电感l的另一端连接，且adc芯片的第一引脚、第三引脚、第十六引脚、第十五引脚和第十四引脚均与电源电压连接。

12、优选地，所述a/d转换采集电路采集热敏电阻的阻值时，首先采用三线式测量法测量出热敏电阻的阻值，且公式如下：

13、；

14、又因为，

15、；

16、得到：

17、；

18、其中，表示热敏电阻的阻值，表示参考电阻的阻值，表示热敏电阻的电压，表示参考电阻的电压，表示增益，取值为1，表示adc芯片的位数，表示从adc芯片数据寄存器中采集到的值。

19、优选地，所述tec驱动电路采用h桥电路，包括第一mos管q1、第二mos管q2、第三mos管q3、第四mos管q4、第五mos管q5、第六mos管q6、第三电容c3、第四电容c4、第五电容c5、第六电容c6、第一电阻r1、第二电阻r2、第三电阻r3、第四电阻r4、第五电阻r5、第六电阻r6、第七电阻r7、第八电阻r8、第九电阻r9、第十电阻r10、第十一电阻r11、第十二电阻r12、第十三电阻r13和第十四电阻r14；

20、所述第二电阻r2的一端和第四电阻r4的一端作为tec驱动电路的输入端，依次接入pwm计算单元输入的一路pwm信号+和另一路互补pwm信号-，所述第二电阻r2的另一端分别与第三电阻r3的一端和第一mos管q1的栅极连接，第三电阻r3的另一端和第一mos管q1的源极均接地，第一mos管q1的漏极分别与第一电阻r1的一端和第二mos管q2的栅极连接，第一电阻r1的另一端分别与第二mos管q2的源极和第三电容c3的一极板连接，且与电源电压连接，第二mos管q2的漏极分别与第三mos管q3的漏极、第六电阻r6的一端、第四电容c4的一极板和tec的正极连接，第六电阻r6的另一端与第三电容c3的另一极板连接，第三mos管q3的栅极分别与第四电阻r4的另一端和第五电阻r5的一端连接，第五电阻r5的另一端、第三mos管q3的源极和第七电阻r7的一端均接地，第七电阻r7的另一端与第四电容c4的另一极板连接；

21、第十一电阻r11的一端和第九电阻r9的一端作为tec驱动电路的输入端，依次接入pwm计算单元输入的一路pwm信号+和另一路互补pwm信号-，第九电阻r9的另一端分别与第十电阻r10的一端和第四mos管q4的栅极连接，第十电阻r10的两一端和第四mos管q4的源极均接地，第四mos管q4的漏极分别与第八电阻r8的一端和第五mos管q5的栅极连接，第八电阻r8的另一端分别与第五mos管q5的源极和第五电容c5的一极板连接，且与电源电压连接，第五电容c5的另一极板与第十三电阻r13的一端连接，第五mos管q5的漏极分别与第十三电阻r13的另一端、第六mos管q6的漏极、第六电容c6的一极板和tec的负极连接，第六mos管q6的栅极分别与第十二电阻r12的一端和第十一电阻r11的另一端连接，第十二电阻r12的另一端、第六mos管q6的源极和第十四电阻的一端均接地，第十四电阻的另一端与第六电容c6的另一极板连接。

22、优选地，所述第一mos管q1、第三mos管q3、第四mos管q4和第六mos管q6均为nmos管，第二mos管q2和第五mos管q5为pmos管。

23、优选地，所述pwm计算单元采用mfac算法、依据期望温度和实际温度计算pwm占空比的公式如下：

24、；

25、其中，

26、；

27、其中，表示时刻的pwm占空比，表示时刻的pwm占空比，表示时刻的pwm占空比，表示热敏电阻时刻的实际温度，表示热敏电阻时刻的实际温度，、、和均表示权重系数，表示热敏电阻时刻的期望温度，且不同时刻的期望温度保持一致，表示时刻中间参数，表示时刻中间参数。

28、优选地，所述温控系统还包括设置在拉曼光源激光器壳体上的散热块。

29、优选地，所述温控系统还包括上位机，所述温度稳定判断单元将实时的实际温度上传至上位机进行显示。

30、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

31、本基于mfac的高精度高功率拉曼光源激光器温控系统通过采集热敏电阻的阻值，并获取得到对应的实际温度，将实际温度与期望温度进行对比，计算pwm占空比并将对应的pwm波信号作为tec驱动电路的输入，来驱动tec的制冷工作或不工作，使得拉曼光源激光器在不同环境下的工作温度保持稳定，进而实现对拉曼光源激光器的温度控制；且采用mfac算法能更好地满足拉曼光源激光器温度控制高精度、低时滞的需求。