無(wú)刷直流電機(jī)在近紅外光譜儀中的應(yīng)用

無(wú)刷直流電機(jī)在近紅外光譜儀中的應(yīng)用
摘 要：介紹了無(wú)刷直流電機(jī)的工作原理及其在自制近紅外光譜儀中的應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明 應(yīng)用無(wú)刷直流電機(jī)的近紅外光譜儀重復(fù)性好、穩(wěn)定度高。無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)速性能好，調(diào)制頻率 更為穩(wěn)定可靠。并且在使用時(shí)無(wú)發(fā)熱現(xiàn)象，不必采用散熱片，減少了儀器的體積和質(zhì)量。

1 引 言 濾光片型近紅外光譜儀需要采用斬光器來(lái)調(diào)制 光頻率。工作時(shí)，由電機(jī)控制斬光器將連續(xù)光源發(fā) 出的光信號(hào)調(diào)制成固定頻率的交變信號(hào)，以便于放 大和抑制噪聲及進(jìn)行濾波處理。若調(diào)制有誤差，則 其調(diào)制波偏離理論波形，檢測(cè)信號(hào)的信噪比降低。 因此電機(jī)的工作性能成為決定近紅外儀器信噪比的 重要因素之一。 應(yīng)用同步電機(jī)時(shí)發(fā)現(xiàn)有以下問(wèn)題：首先，電機(jī)的 發(fā)熱現(xiàn)象顯著，溫度極高，而溫度是影響近紅外光譜 分析結(jié)果準(zhǔn)確性的主要因素之一l2]�，F(xiàn)有的解決 方案是應(yīng)用大量的散熱片，結(jié)果造成儀器體積大，機(jī) 械設(shè)計(jì)不理想，且影響預(yù)測(cè)精度。其次，由于同步電 機(jī)不能調(diào)速，其轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性取決于電網(wǎng)頻率的穩(wěn) 定性，帶來(lái)無(wú)法克服的頻率波動(dòng)。而頻率的穩(wěn)定性 對(duì)提高近紅外光譜儀的信噪比起關(guān)鍵性作用。而有 刷直流電機(jī)在換向時(shí)易產(chǎn)生電火花、噪音大，導(dǎo)致采 樣信號(hào)不穩(wěn)定。基于上述原因，提出應(yīng)用無(wú)刷直流 電機(jī)以克服溫度問(wèn)題帶來(lái)的不利影響并利用無(wú)刷直 流電機(jī)良好的調(diào)速性能來(lái)獲得穩(wěn)定可靠的調(diào)制 頻率測(cè)厚儀| 測(cè)速儀| 轉(zhuǎn)速表| 壓力表| 壓力計(jì)| 真空表| 硬度計(jì)| 探傷儀| 電子稱| 熱像儀| 頻閃儀| 測(cè)高儀| 測(cè)距儀| 金屬探測(cè)器。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)構(gòu)想 2．1 系統(tǒng)組成 濾光片型近紅外光譜儀結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示， 光源采用鹵鎢燈。光經(jīng)過(guò)斬光器在時(shí)間上分為Ⅳ 束(Ⅳ為斬光器的遮光板個(gè)數(shù))。斬光器以一定的 頻率旋轉(zhuǎn)，光交替透過(guò)或被吸收，透過(guò)部分經(jīng)濾光片 后成為單色光，照到樣品上，用與樣品成一定角度的 檢測(cè)器檢測(cè)光信號(hào)，轉(zhuǎn)動(dòng)濾光片架，使光從不同波長(zhǎng) 基金項(xiàng)目：國(guó)家十五攻關(guān)項(xiàng)目(No．2001BA5112BIM)。 作者簡(jiǎn)介：洪喜(1980一)，女，中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光機(jī)所碩士研 究生，主要從事光電傳感技術(shù)及近紅外光譜分析技術(shù)的研究。 的濾光片透過(guò)，即可得到各個(gè)不同波長(zhǎng)的信號(hào) J。 由電機(jī)帶動(dòng)斬光器旋轉(zhuǎn)，電機(jī)的轉(zhuǎn)軸頻率 決 定了斬光器調(diào)制光的頻率． 。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的不穩(wěn)定 表現(xiàn)為其轉(zhuǎn)動(dòng)頻率的變化 ，這種變化將直接反 映到調(diào)制波頻率的變化afo，因?yàn)閒o=NfM，則afo= 。因此，為了獲得穩(wěn)定、可靠的調(diào)制頻率，要求 電機(jī)的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，調(diào)速性能好。 、sourc~／1I u 。 ，r — brushless zachine 圖1 近紅外光譜儀結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 Fig．1 structure of NIR anal~，zer 2．2溫度的影響 近紅外光譜是分子的能量光譜，因此任何溫度 的變化都會(huì)改變光譜的形狀 J。就儀器設(shè)計(jì)而 言，首先，溫度的變化會(huì)影響光源的穩(wěn)定性與強(qiáng)度， 從而直接影響儀器的信噪比。其次，近紅外分析儀 的檢測(cè)器對(duì)溫度變化特別敏感 J，這也是溫度影響 近紅外分析結(jié)果的主要原因之一。圖2是硫化鉛 (PbS)型檢測(cè)器的溫度敏感特性曲線。 、 ‘＼ 一 ’ 。● 、 ＼ 、 一lU U lU ZU 3U 4U bU 6U 70 temperature／~C 圖2 溫度敏感特性曲線 Fig．2 photo sensitivity temperature characteristic 由圖2可見(jiàn)溫度的變化對(duì)PbS的靈敏度影響極 大，會(huì)嚴(yán)重影響儀器的信噪比。因此必須減少儀器 本身的溫度變化以減少對(duì)檢測(cè)器的影響，從而提高 分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。采用轉(zhuǎn)速穩(wěn)定且工作時(shí)無(wú)升溫 現(xiàn)象的無(wú)刷直流電機(jī)是一種理想的解決方案。

3 無(wú)刷直流電機(jī)的工作原理 無(wú)刷直流電機(jī)由電機(jī)本體、轉(zhuǎn)子位置傳感器和 電子開(kāi)關(guān)線路三部分組成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所 示。工作時(shí)，直流電源通過(guò)開(kāi)關(guān)電路向電機(jī)定子繞 組供電，位置傳感器隨時(shí)檢測(cè)到轉(zhuǎn)子所處的位置，并 根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置信號(hào)控制開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通和截止，從 而自動(dòng)控制了哪些繞組通電，哪些繞組斷電，實(shí)現(xiàn)了 電子換向。無(wú)刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子是由永磁材料制成 的，具有一定磁極對(duì)數(shù)的永磁體；定子上有電樞，這 一點(diǎn)與永磁有刷直流電機(jī)正相反；各相繞組分別與 電子開(kāi)關(guān)電路相連，開(kāi)關(guān)電路的開(kāi)關(guān)管受位置傳感 器的信號(hào)控制。無(wú)刷直流電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中定子電 樞的各相繞組不斷地?fù)Q相通電，這樣才能使定子磁 場(chǎng)隨著轉(zhuǎn)子的位置不斷變化，使定子磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子永 磁磁場(chǎng)始終保持9O。左右的空間角，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩推動(dòng) 轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn) 。 圖3 無(wú)刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)不恿圖 Fig．3 structure of brushless DC
3．1 換相控制 設(shè)計(jì)采用三相全橋聯(lián)結(jié)，有6種導(dǎo)通狀態(tài)，導(dǎo)通 狀態(tài)的轉(zhuǎn)換通過(guò)軟件完成，即根據(jù)HALLA，HALLB， HALLC不斷地取控制字送至Pl口來(lái)實(shí)現(xiàn)換相�？� 制字由Pl與MOSFET的連接關(guān)系決定。
3．2 轉(zhuǎn)速控制 無(wú)刷直流電機(jī)良好的調(diào)速性能是其應(yīng)用在近紅 外光譜儀中的主要原因。由于轉(zhuǎn)速大小由軟件控 制，以自控式運(yùn)行，因此克服了以往同步電機(jī)帶來(lái)的 頻率擾動(dòng)，獲得了穩(wěn)定的調(diào)制頻率，從而提高了儀器 的信噪比。無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制既可采用開(kāi)環(huán) 控制，也可采用閉環(huán)控制。與開(kāi)環(huán)系統(tǒng)相比，閉環(huán)系 統(tǒng)具有以下優(yōu)越性：閉環(huán)系統(tǒng)的機(jī)械性能大大提高； 當(dāng)要求的靜差率(額定負(fù)載時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速降落與理想 空載轉(zhuǎn)速之比)相同時(shí)，閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍 可以大大提高。 工作時(shí)，C8051根據(jù)設(shè)定的速度與霍爾信號(hào)變 化的速度加以對(duì)比來(lái)決定開(kāi)關(guān)導(dǎo)通以及導(dǎo)通時(shí)間長(zhǎng) 短，此部分由PWM來(lái)完成，通過(guò)調(diào)節(jié)PWM占空比 來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)速。C8051利用可編程計(jì)數(shù)器陣列PCA 來(lái)實(shí)現(xiàn)PWM功能。PCA由一個(gè)專用的l6位計(jì)數(shù) 器／定時(shí)器和3個(gè)l6位捕捉／比較模塊組成(PCA— OCP)。設(shè)計(jì)中采用l6位PWM方式，其占空比計(jì)算 方式如下： 占空比：6 — 55 36麗-P CAOCP．
3．3 PID調(diào)節(jié) 為了獲得穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速，電機(jī)采用閉環(huán) 控制，同時(shí)加入了PID調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)。PID 調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈活性大，但其易受干擾 和采樣周期的影響，所以須對(duì)PID算法 加以改進(jìn)以進(jìn)一步穩(wěn)定轉(zhuǎn)速。 傳統(tǒng)數(shù)字PID算法的公式為： M(k)= e(k)+KI_Σe( )+ [e(k)一 J u e(k一1)] 式中， ， ， 分別為調(diào)節(jié)器的比例、 積分和微分系數(shù)；e(k)，e(k一1)分別為 第k次和(k一1)次時(shí)的期望偏差值； U(k)為第k次時(shí)調(diào)節(jié)器的輸出 J。比 例環(huán)節(jié)的作用是對(duì)偏差瞬間做出反應(yīng)；積分環(huán)節(jié)的 作用是消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高無(wú)差度；微分環(huán)節(jié)的作用 是阻止偏差的變化，改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。但微分 環(huán)節(jié)對(duì)干擾非常敏感，為了克服干擾的影響，采用了 改進(jìn)的不完全微分PID算法。 不完全微分算法是在PID算法中加入一個(gè)一階 慣性環(huán)節(jié)，以克服完全微分的缺點(diǎn)。設(shè)計(jì)中采用將 慣性環(huán)節(jié)直接加在微分環(huán)節(jié)的方法，其傳遞函數(shù)表 達(dá)式為： l+ 1 + 式中，U(s)為PID調(diào)節(jié)器的輸出值；E(s)為系統(tǒng)給 定值與實(shí)際輸出值的偏差； ， 分別為積分常數(shù) 與微分常數(shù)； 為復(fù)頻率，其中，S=a+jw，a為任意 實(shí)數(shù)，w為信號(hào)頻率。

4 無(wú)刷直流電機(jī)的單片機(jī)控制 本設(shè)計(jì)采用的是SILABS公司的C8051 F330單 片機(jī)作為系統(tǒng)的微處理器來(lái)進(jìn)行電機(jī)控制及系統(tǒng)的 其他處理工作。C8051F330為高速、高性能、低功 耗、模數(shù)混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)(SOC)單片機(jī)，集成度高， 功能強(qiáng)大。它內(nèi)有8KB的FLASH存儲(chǔ)器和768B的 RAM；4個(gè)定時(shí)器、1路比較器；3通道PCA；17個(gè)通用 I／0口；工業(yè)級(jí)芯片，工作溫度為一40一+85℃_4 J。 設(shè)計(jì)中使用12V，30W的無(wú)刷直流電機(jī)，電機(jī)的位置 傳感器為霍爾式位置傳感器。采用全橋驅(qū)動(dòng)，閉環(huán) 控制。 C8051控制電路對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)的控制工作主 要包括電機(jī)的換相控制和轉(zhuǎn)速控制。電路原理圖如 圖4所示。C8051提供脈沖寬度調(diào)制(PWM)進(jìn)行 調(diào)速，同時(shí)采取PID控制來(lái)保證電機(jī)能夠運(yùn)轉(zhuǎn)順暢 且響應(yīng)良好。 G511) VCC GNI) 圖4 C8051與無(wú)刷直流電機(jī)連接電路圖 Fig．4 circuit of C8051 and brushless DC motor 其中，HAI從，HALLB，HALLC為霍爾位置傳感 器的輸出控制信號(hào)；MA，MB，MC為無(wú)刷直流電機(jī)的 三相繞組；C8051的P1口作為輸出口，控制上、下橋 臂的導(dǎo)通與關(guān)斷。

5 結(jié)果與分析 分別在應(yīng)用同步電機(jī)的近紅外光譜儀及應(yīng)用無(wú) 刷直流電機(jī)的近紅外光譜儀上采集同一玉米樣品的 光譜圖，重復(fù)采集lO次，計(jì)算其在6個(gè)波長(zhǎng)點(diǎn)處的 濃度值標(biāo)準(zhǔn)差，結(jié)果見(jiàn)表1。其中，SD1為應(yīng)用同步 電機(jī)的光譜儀采集濃度值的標(biāo)準(zhǔn)差，SD2為應(yīng)用無(wú) 刷直流電機(jī)的光譜儀采集濃度值的標(biāo)準(zhǔn)差�？梢钥� 出，使用無(wú)刷直流電機(jī)的光譜儀采得的光譜數(shù)據(jù)重 復(fù)性好、穩(wěn)定性好。 表1 儀器標(biāo)準(zhǔn)差對(duì)比 Tab．1 standard deviation of spectrometer with diflferent motor Corn Wavelengthl Wavelength2 Wavdengttd Wavelength4 Wavelength5 Wavelength6 SD1 O．0o1O9 O．0o215 O．0o0O2 O．002o6 O．O0019 O．O0022 SD2 O．O0012 5．7E 5 6．2E 5 O．O001 7．4E-05 O．O0012

6 結(jié)論 無(wú)刷直流電機(jī)具有調(diào)速性能好、易于控制等優(yōu) 點(diǎn)，有利于獲得穩(wěn)定的調(diào)制光頻率，得到高信噪比的 檢測(cè)信號(hào)，提高儀器的重復(fù)性與穩(wěn)定性。同時(shí)，使用 無(wú)刷直流電機(jī)完全克服了由電機(jī)溫度變化帶來(lái)的不 利影響，消除了電機(jī)問(wèn)題造成的儀器負(fù)擔(dān)。無(wú)刷直 流電機(jī)是伴隨著數(shù)控技術(shù)產(chǎn)生和發(fā)展起來(lái)的，此類 技術(shù)的應(yīng)用為近紅外光譜儀的優(yōu)化改進(jìn)提供了更大 的發(fā)展空間。