无刷直流电机在近红外光谱仪中的应用

无刷直流电机在近红外光谱仪中的应用
摘 要：介绍了无刷直流电机的工作原理及其在自制近红外光谱仪中的应用。实验结果表明 应用无刷直流电机的近红外光谱仪重复性好、稳定度高。无刷直流电机调速性能好，调制频率 更为稳定可靠。并且在使用时无发热现象，不必采用散热片，减少了仪器的体积和质量。

1 引 言 滤光片型近红外光谱仪需要采用斩光器来调制 光频率。工作时，由电机控制斩光器将连续光源发 出的光信号调制成固定频率的交变信号，以便于放 大和抑制噪声及进行滤波处理。若调制有误差，则 其调制波偏离理论波形，检测信号的信噪比降低。 因此电机的工作性能成为决定近红外仪器信噪比的 重要因素之一。 应用同步电机时发现有以下问题：首先，电机的 发热现象显著，温度极高，而温度是影响近红外光谱 分析结果准确性的主要因素之一l2]。现有的解决 方案是应用大量的散热片，结果造成仪器体积大，机 械设计不理想，且影响预测精度。其次，由于同步电 机不能调速，其转速的稳定性取决于电网频率的稳 定性，带来无法克服的频率波动。而频率的稳定性 对提高近红外光谱仪的信噪比起关键性作用。而有 刷直流电机在换向时易产生电火花、噪音大，导致采 样信号不稳定。基于上述原因，提出应用无刷直流 电机以克服温度问题带来的不利影响并利用无刷直 流电机良好的调速性能来获得稳定可靠的调制 频率测厚仪| 测速仪| 转速表| 压力表| 压力计| 真空表| 硬度计| 探伤仪| 电子称| 热像仪| 频闪仪| 测高仪| 测距仪| 金属探测器。

2 系统设计构想 2．1 系统组成 滤光片型近红外光谱仪结构框图如图1所示， 光源采用卤钨灯。光经过斩光器在时间上分为Ⅳ 束(Ⅳ为斩光器的遮光板个数)。斩光器以一定的 频率旋转，光交替透过或被吸收，透过部分经滤光片 后成为单色光，照到样品上，用与样品成一定角度的 检测器检测光信号，转动滤光片架，使光从不同波长 基金项目：国家十五攻关项目(No．2001BA5112BIM)。 作者简介：洪喜(1980一)，女，中国科学院长春光机所硕士研 究生，主要从事光电传感技术及近红外光谱分析技术的研究。 的滤光片透过，即可得到各个不同波长的信号 J。 由电机带动斩光器旋转，电机的转轴频率 决 定了斩光器调制光的频率． 。电动机转动的不稳定 表现为其转动频率的变化 ，这种变化将直接反 映到调制波频率的变化afo，因为fo=NfM，则afo= 。因此，为了获得稳定、可靠的调制频率，要求 电机的转速稳定，调速性能好。 、sourc~／1I u 。 ，r — brushless zachine 图1 近红外光谱仪结构简图 Fig．1 structure of NIR anal~，zer 2．2温度的影响 近红外光谱是分子的能量光谱，因此任何温度 的变化都会改变光谱的形状 J。就仪器设计而 言，首先，温度的变化会影响光源的稳定性与强度， 从而直接影响仪器的信噪比。其次，近红外分析仪 的检测器对温度变化特别敏感 J，这也是温度影响 近红外分析结果的主要原因之一。图2是硫化铅 (PbS)型检测器的温度敏感特性曲线。 、 ‘＼ 一 ’ 。● 、 ＼ 、 一lU U lU ZU 3U 4U bU 6U 70 temperature／~C 图2 温度敏感特性曲线 Fig．2 photo sensitivity temperature characteristic 由图2可见温度的变化对PbS的灵敏度影响极 大，会严重影响仪器的信噪比。因此必须减少仪器 本身的温度变化以减少对检测器的影响，从而提高 分析结果的准确性。采用转速稳定且工作时无升温 现象的无刷直流电机是一种理想的解决方案。

3 无刷直流电机的工作原理 无刷直流电机由电机本体、转子位置传感器和 电子开关线路三部分组成，其结构示意图如图3所 示。工作时，直流电源通过开关电路向电机定子绕 组供电，位置传感器随时检测到转子所处的位置，并 根据转子的位置信号控制开关管的导通和截止，从 而自动控制了哪些绕组通电，哪些绕组断电，实现了 电子换向。无刷直流电机的转子是由永磁材料制成 的，具有一定磁极对数的永磁体；定子上有电枢，这 一点与永磁有刷直流电机正相反；各相绕组分别与 电子开关电路相连，开关电路的开关管受位置传感 器的信号控制。无刷直流电机在运行过程中定子电 枢的各相绕组不断地换相通电，这样才能使定子磁 场随着转子的位置不断变化，使定子磁场与转子永 磁磁场始终保持9O。左右的空间角，产生转矩推动 转子旋转 。 图3 无刷直流电机结构不恿图 Fig．3 structure of brushless DC
3．1 换相控制 设计采用三相全桥联结，有6种导通状态，导通 状态的转换通过软件完成，即根据HALLA，HALLB， HALLC不断地取控制字送至Pl口来实现换相。控 制字由Pl与MOSFET的连接关系决定。
3．2 转速控制 无刷直流电机良好的调速性能是其应用在近红 外光谱仪中的主要原因。由于转速大小由软件控 制，以自控式运行，因此克服了以往同步电机带来的 频率扰动，获得了稳定的调制频率，从而提高了仪器 的信噪比。无刷直流电机转速的控制既可采用开环 控制，也可采用闭环控制。与开环系统相比，闭环系 统具有以下优越性：闭环系统的机械性能大大提高； 当要求的静差率(额定负载时电机转速降落与理想 空载转速之比)相同时，闭环调速系统的调速范围 可以大大提高。 工作时，C8051根据设定的速度与霍尔信号变 化的速度加以对比来决定开关导通以及导通时间长 短，此部分由PWM来完成，通过调节PWM占空比 来实现调速。C8051利用可编程计数器阵列PCA 来实现PWM功能。PCA由一个专用的l6位计数 器／定时器和3个l6位捕捉／比较模块组成(PCA— OCP)。设计中采用l6位PWM方式，其占空比计算 方式如下： 占空比：6 — 55 36丽-P CAOCP．
3．3 PID调节 为了获得稳态转速，电机采用闭环 控制，同时加入了PID调节环节。PID 调节结构简单、灵活性大，但其易受干扰 和采样周期的影响，所以须对PID算法 加以改进以进一步稳定转速。 传统数字PID算法的公式为： M(k)= e(k)+KI_Σe( )+ [e(k)一 J u e(k一1)] 式中， ， ， 分别为调节器的比例、 积分和微分系数；e(k)，e(k一1)分别为 第k次和(k一1)次时的期望偏差值； U(k)为第k次时调节器的输出 J。比 例环节的作用是对偏差瞬间做出反应；积分环节的 作用是消除稳态误差，提高无差度；微分环节的作用 是阻止偏差的变化，改善系统的动态性能。但微分 环节对干扰非常敏感，为了克服干扰的影响，采用了 改进的不完全微分PID算法。 不完全微分算法是在PID算法中加入一个一阶 惯性环节，以克服完全微分的缺点。设计中采用将 惯性环节直接加在微分环节的方法，其传递函数表 达式为： l+ 1 + 式中，U(s)为PID调节器的输出值；E(s)为系统给 定值与实际输出值的偏差； ， 分别为积分常数 与微分常数； 为复频率，其中，S=a+jw，a为任意 实数，w为信号频率。

4 无刷直流电机的单片机控制 本设计采用的是SILABS公司的C8051 F330单 片机作为系统的微处理器来进行电机控制及系统的 其他处理工作。C8051F330为高速、高性能、低功 耗、模数混合信号系统级(SOC)单片机，集成度高， 功能强大。它内有8KB的FLASH存储器和768B的 RAM；4个定时器、1路比较器；3通道PCA；17个通用 I／0口；工业级芯片，工作温度为一40一+85℃_4 J。 设计中使用12V，30W的无刷直流电机，电机的位置 传感器为霍尔式位置传感器。采用全桥驱动，闭环 控制。 C8051控制电路对无刷直流电机的控制工作主 要包括电机的换相控制和转速控制。电路原理图如 图4所示。C8051提供脉冲宽度调制(PWM)进行 调速，同时采取PID控制来保证电机能够运转顺畅 且响应良好。 G511) VCC GNI) 图4 C8051与无刷直流电机连接电路图 Fig．4 circuit of C8051 and brushless DC motor 其中，HAI从，HALLB，HALLC为霍尔位置传感 器的输出控制信号；MA，MB，MC为无刷直流电机的 三相绕组；C8051的P1口作为输出口，控制上、下桥 臂的导通与关断。

5 结果与分析 分别在应用同步电机的近红外光谱仪及应用无 刷直流电机的近红外光谱仪上采集同一玉米样品的 光谱图，重复采集lO次，计算其在6个波长点处的 浓度值标准差，结果见表1。其中，SD1为应用同步 电机的光谱仪采集浓度值的标准差，SD2为应用无 刷直流电机的光谱仪采集浓度值的标准差。可以看 出，使用无刷直流电机的光谱仪采得的光谱数据重 复性好、稳定性好。 表1 仪器标准差对比 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 结论 无刷直流电机具有调速性能好、易于控制等优 点，有利于获得稳定的调制光频率，得到高信噪比的 检测信号，提高仪器的重复性与稳定性。同时，使用 无刷直流电机完全克服了由电机温度变化带来的不 利影响，消除了电机问题造成的仪器负担。无刷直 流电机是伴随着数控技术产生和发展起来的，此类 技术的应用为近红外光谱仪的优化改进提供了更大 的发展空间。