基于热电制冷器温控系统数学建模和参量辨识

王选择，侯洪洋，翟中生，杨练根，刘文超

(1.湖北工业大学机械工程学院，武汉430068;2.湖北工业大学湖北省现代制造质量工程重点实验室，武汉430068)

引 言

在干涉测量中，半导体激光器(laser diode，LD)作为干涉测量系统的光源，半导体激光器的输出功率与波长等受温度的影响较大。一般温度变化1℃导致输出波长的改变为0.2nm～0.3nm，这会严重影响干涉测量误差，因此对半导体激光器温度控制很重要。目前一般采用半导体热电制冷器(thermoelectric cooler，TEC)作为温度控制执行元件，而常用温度控制的方法是用脉冲宽度调制技术控制TEC端电压和比例-积分-微分控制器［1-5］对热响应进行调整。但实验中发现TEC热惯性非常小，制冷制热速度很快，同时由TEC、温度传感器、模组(安装着激光二极管)和散热装置组成的实验系统［6-7］，温度传感的时间常数也很小，精度要求高，因此在温度控制之前，亟待需要解决的问题是建立合理的热分析数学模型，在此模型的基础上进行系统热响应分析，这对温度的预测和温度控制显得尤为重要。而对于装有激光二极管模组温度的实时监控，运用基于相差识别的温度传感原理［8］。

为了在实际运用中实现温度的有效控制。作者在建立温控系统热分析数学模型的基础上，重点研究了在输入电压恒定的条件下，基于TEC温控系统输入与输出特性，仿真［9］与实验验证此模型的合理性，并应用非线性曲线拟合最小二乘法对模型中的特性参量进行辨识。

1 实验装置

实验结构模块如图1所示，由散热片、TEC、模组构成，圆槽内嵌入激光二极管，带条纹的小方槽装上热敏电阻，分别检测散热片和模组温度，且模组上的小方槽与圆槽在同一高度，保证激光头和热敏电阻在同一温度梯度上。……