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气体传感器PID脉宽恒温控制电路设计

董克冰?? 曹勇全?? 张建国?? 程文进?? 景涛?? 杨成佳?? 中国电子科技集团公司第四十八研究所 微处理机?? 2015年06月25日 ?? 收藏4

3.3 温度控制环路

通常温度系统是大惯性系统,具有较大的滞后性,往往需要具有超前调节的微分环节。气体传感器芯体体积很小,无论是加热还是制冷,芯体对温度都有快速响应,采用比例积分控制就可以获得不错的效果。

3.3.1 比例环节

比例环节具有快速调节能力,比例系数越大静差越小,过大容易震荡。电路如图4 所示,其增益为 - RP1 /RP2,试验测试比例系数为- 4 时控制效果较好。

3.3.2 积分环节

积分环节可以消除系统静差,当系统有稳态误差时,积分环节的输出会持续增大使得控制作用加强,从而减小稳态误差。积分系数越小,积分作用越明显,控制精度越高。积分电路如图5 所示,其增益为- 1 /RI1 * CI1 * S,其中S 为拉式算子。经调整时间常数RI1CI1为4.7s 比较合适。

积分电路

采用PWM 通断控制模式,能最大化利用加热功率。在导通瞬间,加热电压完全加载在加热电阻上,电流峰值会比较大,因此需要控制加热电阻合适的阻值。另外PWM 控制存在完全导通的情况,虽然在本电路应用中不会带来坏的影响,但是为了调整最大加热功率以达到控制最大加热温度的目的,在PID 输出环节采用稳压二极管,控制PID 输出电压的幅度,保证PWM 能够输出一定宽度的死区。

3.3.3 微分电路

微分环境对输入快速变化的情况具有较大的反应输出,能提高控温系统对环境温度波动的快速响应能力。微分环节具有超前调节的作用,具体电路如图6 所示。

图6 微分电路
图6 微分电路

3.3.4 PWM 产生电路

PWM 电路采用简单分立器件搭建,具体电路如图7 所示,主要构成有比较器产生限阈值翻转波形,然后经过积分电路充放电产生标准锯齿波,锯齿波在与PID 环节输出电压比较,产生脉宽随温度误差调整的波形,该波形输出给驱动加热电路。

图7 PWM 电路
图7 PWM 电路

4 实验结果

样机进行了稳定动态过程的短时间测试和稳定点长时间测试。短时间测试样机温度曲线如图8 所示,其中可以看出样机到达温度设定点90% 的时间非常短,大概为120s,整体控温精度在0.15℃以内。当环境温度波动时控温点会随着扰动,很快就能回到设定的温度值,动态响应非常快.

图8 控温稳定过程
图8 控温稳定过程

样机控温效果稳定点长时间监测曲线如图9 所示,从该图可知整体控温精度在0.15℃以内更加明显,说明样机电路控温点不会随时间飘移,也不随环境缓慢变化的温度波动漂移。

图9 长时间稳定性
图9 长时间稳定性

5 结束语

PID 脉宽温度控制电路,所用元器件较少,调节简单,控制精度可以达到±0.15℃,完全满足气体传感器应用需求。在可行性、可靠性、安全性方面特别适合航天产品的需求,可在气体传感器中应用推广。


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温度控制? 传感器? 放大电路?

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