[发明专利]基于前馈解耦控制的高精密半导体激光系统

权利要求书

1.一种基于前馈解耦控制的高精密半导体激光系统，其特征在于：由DSP数字信号处理器、温度传感器、光传感器、A/D转换器、D/A转换器、LD驱动电路及TEC驱动电路构成； LD驱动电源通电后系统自动复位，通过软件设定功率值，DSP数字信号处理器将此数值通过外扩DAC引脚加载到D/A转换器的输入端，经过数模转换后的信号提供给LD驱动电路，经过LD驱动电路的信号使半导体激光器正常工作，从而获得所需的功率输出，LD功率信号经过光传感器、A/D转换器的采样和模数转换后反馈至DSP的ADC引脚，实时计算后送入DSP数字信号处理器中，然后对输出控制量进行控制，以实现LD的功率控制；通过软件设定温度值，DSP通过PWM1引脚产生脉冲宽度调制信号PWM，经过TEC驱动电路后，使半导体激光器稳定工作，从而获得所需的温度信号，采用温度传感器对半导体激光器的温度采样，将温度通过DSP数字信号处理器GPIOA0端输入给DSP，经过算法处理，通过控制输出PWM占空比驱动TEC驱动电路工作，通过TEC和散热装置使得系统始终工作在设定的温度附近。

2.根据权利要求1所述的基于前馈解耦控制的高精密半导体激光系统，其特征在于：建立LD的温度－功率耦合模型，模型如下：

                                                         

    为了消除G₁₂和G₂₁的耦合影响，应满足：

          

其中：，分别为TEC和LD电流的设定值；，分别为控制对象LD的温度和功率；、分别是对、的作用，、分别是对、的作用；为消除对的影响的前馈补偿解耦控制器，为消除对的影响的前馈补偿解耦控制器；其传递函数分别为：

前馈补偿解耦矩阵为：

。

3.根据权利要求1或2所述的基于前馈解耦控制的高精密半导体激光系统，其特征在于：LD驱动电路由第一运算放大器、第二运算放大器、第一三极管、调整管、第一电阻、第二电阻及电容、电感和半导体激光器构成；D/A转换器输出端接第一运算放大器输入端，A/D转换器输出端连接第一运算放大器另一输入端及第二运算放大器输出端，第一运算放大器的输出端连接第一三极管基极，第一三极管发射极与调整管基极相连，第一电阻跨接于第一三极管的集电极及电源VCC间，调整管发射极串接第一电容和第一电感的并联支路后接至半导体激光器，调整管发射同时第二运算放大器输入端且串联第二电阻后接至地，第二运算放大器的另一输入端接地。

4.根据权利要求1或2所述的基于前馈解耦控制的高精密半导体激光系统，其特征在于：TEC驱动电路由光耦隔离器、第三电阻、第一电压比较器、第二电压比较器、第三至第六三极管、第一N沟道增强型MOS管、第二N沟道增强型MOS管、第一P沟道增强型MOS管、第二P沟道增强型MOS管、第二电容、第二电感、三电感、半导体制冷器及半导体激光器构成；从DSP数字信号处理器的PWM1引脚输出的PWM信号接入光耦隔离器的一端，光耦隔离器的另一端与第一电压比较器的正端、第二电压比较器的负端共同接地，另一端与第一电压比较器的负端、电压比较器U2B的正端通过上拉第三电阻R3接上电压（VCC）；从第一电压比较器输出的信号输入给第三三极管和第四三极管组成的互补对称电路的基极，第三三极管的集电极接电压（VCC）, 第四三极管的集电极接地，第三三极管的发射极与第四三极管的发射极相连，输出的信号分别接入第一N沟道增强型MOS管的G极和第一P沟道增强型MOS管的G极，第一N沟道增强型MOS管的S极接入电压（VCC）, 第一P沟道增强型MOS管管的D极直接接地，第一N沟道增强型MOS管管的G极与第一P沟道增强型MOS管的D极相连，输出信号进入第二电感；而从第二电压比较器输出的信号则输入给第五三极管和第六三极管组成的互补对称电路的基极，第五三极管的发射极与第六三极管的发射极相连，输出的信号分别接入第二N沟道增强型MOS管的G极和第二P沟道增强型MOS管的G极，第二N沟道增强型MOS管的S极接入电压（VCC）, 第二P沟道增强型MOS管管的D极直接接地，第二N沟道增强型MOS管的G极与第二P沟道增强型MOS管的D极相连，输出信号进入第三电感；从第二电感、第三电感的信号经过第二电容的隔离作用下进入半导体制冷器，来控制半导体激光器的加热和制冷。