無刷直流電機在近紅外光譜儀中的應(yīng)用
摘 要：介紹了無刷直流電機的工作原理及其在自制近紅外光譜儀中的應(yīng)用。實驗結(jié)果表明 應(yīng)用無刷直流電機的近紅外光譜儀重復(fù)性好、穩(wěn)定度高。無刷直流電機調(diào)速性能好，調(diào)制頻率 更為穩(wěn)定可靠。并且在使用時無發(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調(diào)制 光頻率。工作時，由電機控制斬光器將連續(xù)光源發(fā) 出的光信號調(diào)制成固定頻率的交變信號，以便于放 大和抑制噪聲及進行濾波處理。若調(diào)制有誤差，則 其調(diào)制波偏離理論波形，檢測信號的信噪比降低。 因此電機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)用同步電機時發(fā)現(xiàn)有以下問題：首先，電機的 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]。現(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 械設(shè)計不理想，且影響預(yù)測精度。其次，由于同步電 機不能調(diào)速，其轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性取決于電網(wǎng)頻率的穩(wěn) 定性，帶來無法克服的頻率波動。而頻率的穩(wěn)定性 對提高近紅外光譜儀的信噪比起關(guān)鍵性作用。而有 刷直流電機在換向時易產(chǎn)生電火花、噪音大，導(dǎo)致采 樣信號不穩(wěn)定。基于上述原因，提出應(yīng)用無刷直流 電機以克服溫度問題帶來的不利影響并利用無刷直 流電機良好的調(diào)速性能來獲得穩(wěn)定可靠的調(diào)制 頻率測厚儀| 測速儀| 轉(zhuǎn)速表| 壓力表| 壓力計| 真空表| 硬度計| 探傷儀| 電子稱| 熱像儀| 頻閃儀| 測高儀| 測距儀| 金屬探測器。

2 系統(tǒng)設(shè)計構(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)過斬光器在時間上分為Ⅳ 束(Ⅳ為斬光器的遮光板個數(shù))。斬光器以一定的 頻率旋轉(zhuǎn)，光交替透過或被吸收，透過部分經(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 檢測器檢測光信號，轉(zhuǎn)動濾光片架，使光從不同波長 基金項目：國家十五攻關(guān)項目(No．2001BA5112BIM)。 作者簡介：洪喜(1980一)，女，中國科學(xué)院長春光機所碩士研 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，即可得到各個不同波長的信號 J。 由電機帶動斬光器旋轉(zhuǎn)，電機的轉(zhuǎn)軸頻率 決 定了斬光器調(diào)制光的頻率． 。電動機轉(zhuǎn)動的不穩(wěn)定 表現(xiàn)為其轉(zhuǎn)動頻率的變化 ，這種變化將直接反 映到調(diào)制波頻率的變化afo，因為fo=NfM，則afo= 。因此，為了獲得穩(wěn)定、可靠的調(diào)制頻率，要求 電機的轉(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 的變化都會改變光譜的形狀 J。就儀器設(shè)計而 言，首先，溫度的變化會影響光源的穩(wěn)定性與強度， 從而直接影響儀器的信噪比。其次，近紅外分析儀 的檢測器對溫度變化特別敏感 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可見溫度的變化對PbS的靈敏度影響極 大，會嚴(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檢測器的影響，從而提高 分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。采用轉(zhuǎn)速穩(wěn)定且工作時無升溫 現(xiàn)象的無刷直流電機是一種理想的解決方案。

3 無刷直流電機的工作原理 無刷直流電機由電機本體、轉(zhuǎn)子位置傳感器和 電子開關(guān)線路三部分組成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所 示。工作時，直流電源通過開關(guān)電路向電機定子繞 組供電，位置傳感器隨時檢測到轉(zhuǎn)子所處的位置，并 根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置信號控制開關(guān)管的導(dǎo)通和截止，從 而自動控制了哪些繞組通電，哪些繞組斷電，實現(xiàn)了 電子換向。無刷直流電機的轉(zhuǎn)子是由永磁材料制成 的，具有一定磁極對數(shù)的永磁體；定子上有電樞，這 一點與永磁有刷直流電機正相反；各相繞組分別與 電子開關(guān)電路相連，開關(guān)電路的開關(guān)管受位置傳感 器的信號控制。無刷直流電機在運行過程中定子電 樞的各相繞組不斷地換相通電，這樣才能使定子磁 場隨著轉(zhuǎn)子的位置不斷變化，使定子磁場與轉(zhuǎn)子永 磁磁場始終保持9O。左右的空間角，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩推動 轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn) 。 圖3 無刷直流電機結(jié)構(gòu)不恿圖 Fig．3 structure of brushless DC
3．1 換相控制 設(shè)計采用三相全橋聯(lián)結(jié)，有6種導(dǎo)通狀態(tài)，導(dǎo)通 狀態(tài)的轉(zhuǎn)換通過軟件完成，即根據(jù)HALLA，HALLB， HALLC不斷地取控制字送至Pl口來實現(xiàn)換相。控 制字由Pl與MOSFET的連接關(guān)系決定。
3．2 轉(zhuǎn)速控制 無刷直流電機良好的調(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，以自控式運行，因此克服了以往同步電機帶來的 頻率擾動，獲得了穩(wěn)定的調(diào)制頻率，從而提高了儀器 的信噪比。無刷直流電機轉(zhuǎn)速的控制既可采用開環(huán) 控制，也可采用閉環(huán)控制。與開環(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)的機械性能大大提高； 當(dāng)要求的靜差率(額定負載時電機轉(zhuǎn)速降落與理想 空載轉(zhuǎn)速之比)相同時，閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍 可以大大提高。 工作時，C8051根據(jù)設(shè)定的速度與霍爾信號變 化的速度加以對比來決定開關(guān)導(dǎo)通以及導(dǎo)通時間長 短，此部分由PWM來完成，通過調(diào)節(jié)PWM占空比 來實現(xiàn)調(diào)速。C8051利用可編程計數(shù)器陣列PCA 來實現(xiàn)PWM功能。PCA由一個專用的l6位計數(shù) 器／定時器和3個l6位捕捉／比較模塊組成(PCA— OCP)。設(shè)計中采用l6位PWM方式，其占空比計算 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，電機采用閉環(huán) 控制，同時加入了PID調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)。PID 調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)簡單、靈活性大，但其易受干擾 和采樣周期的影響，所以須對PID算法 加以改進以進一步穩(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)次時的期望偏差值； U(k)為第k次時調(diào)節(jié)器的輸出 J。比 例環(huán)節(jié)的作用是對偏差瞬間做出反應(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)的動態(tài)性能。但微分 環(huán)節(jié)對干擾非常敏感，為了克服干擾的影響，采用了 改進的不完全微分PID算法。 不完全微分算法是在PID算法中加入一個一階 慣性環(huán)節(jié)，以克服完全微分的缺點。設(shè)計中采用將 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 實數(shù)，w為信號頻率。

4 無刷直流電機的單片機控制 本設(shè)計采用的是SILABS公司的C8051 F330單 片機作為系統(tǒng)的微處理器來進行電機控制及系統(tǒng)的 其他處理工作。C8051F330為高速、高性能、低功 耗、模數(shù)混合信號系統(tǒng)級(SOC)單片機，集成度高， 功能強大。它內(nèi)有8KB的FLASH存儲器和768B的 RAM；4個定時器、1路比較器；3通道PCA；17個通用 I／0口；工業(yè)級芯片，工作溫度為一40一+85℃_4 J。 設(shè)計中使用12V，30W的無刷直流電機，電機的位置 傳感器為霍爾式位置傳感器。采用全橋驅(qū)動，閉環(huán) 控制。 C8051控制電路對無刷直流電機的控制工作主 要包括電機的換相控制和轉(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)進行 調(diào)速，同時采取PID控制來保證電機能夠運轉(zhuǎn)順暢 且響應(yīng)良好。 G511) VCC GNI) 圖4 C8051與無刷直流電機連接電路圖 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；MA，MB，MC為無刷直流電機的 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)用同步電機的近紅外光譜儀及應(yīng)用無 刷直流電機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，計算其在6個波長點處的 濃度值標(biāo)準(zhǔn)差，結(jié)果見表1。其中，SD1為應(yīng)用同步 電機的光譜儀采集濃度值的標(biāo)準(zhǔn)差，SD2為應(yīng)用無 刷直流電機的光譜儀采集濃度值的標(biāo)準(zhǔn)差。可以看 出，使用無刷直流電機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 無刷直流電機具有調(diào)速性能好、易于控制等優(yōu) 點，有利于獲得穩(wěn)定的調(diào)制光頻率，得到高信噪比的 檢測信號，提高儀器的重復(fù)性與穩(wěn)定性。同時，使用 無刷直流電機完全克服了由電機溫度變化帶來的不 利影響，消除了電機問題造成的儀器負擔(dān)。無刷直 流電機是伴隨著數(shù)控技術(shù)產(chǎn)生和發(fā)展起來的，此類 技術(shù)的應(yīng)用為近紅外光譜儀的優(yōu)化改進提供了更大 的發(fā)展空間。