無刷直流電機在近紅外光譜儀中的應用

1、第37卷第5期激光與紅外Vol . 37, No . 52007年5月LASER &I N FRARE D May, 2007文章編號:100125078(2007 0520445204無刷直流電機在近紅外光譜儀中的應用洪喜1, 2, 續(xù)志軍1, 樸仁官1(1. 中科院長春光學精密機械與物理研究所, 吉林長春130033; 2. 中國科學院北京研究生院, 北京100039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用應用無刷直流電機的近紅外光譜儀重復性好、穩(wěn)定度高。更為穩(wěn)定可靠。并且在使用時無發(fā)熱現(xiàn)象, ,關鍵詞:近紅外光譜儀; 無刷直流電機; 頻率; ;中圖分類號:

2、T H744. 1文獻標識碼:M otor i n the NI R Spectro meterHONG Xi 1, 2, XU Zhi 2jun 1, P I A O Ren 2guan 1(1. Changchun I nstitute of Op tics, Fine Mechanics and Physics, Chinese Acade my of Sciences, Changchun 130033, China; 2. Postgraduate I nstitute of Chinese Acade my of Sciences, Beijing 100039, China Ab

3、stract:The working p rinci p les of brushless DC mot or and the method of app licati on were given . The experi m entaldata show that the high p recisi on and good repeatability can be achieved . B rushless DC mot or does better in mechan 2ics, resulting in better frequency modulati on . A t the sa

4、me ti m e, the size and the weight of the instru ment reducedwithout the heating phenomenon of the mot or .Key words:N I R s pectr ometer; brushless DC mot or; frequency; temperature; modulate1引言濾光片型近紅外光譜儀需要采用斬光器來調制光頻率。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。若調制有誤差, 則其調制波偏離理論波形, 檢測信號

5、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果準確性的主要因素之一2?，F(xiàn)有的解決方案是應用大量的散熱片, 結果造成儀器體積大, 機械設計不理想, 且影響預測精度。其次, 由于同步電機不能調速, 其轉速的穩(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, 導致采 樣信號不穩(wěn)定?；谏鲜鲈? 提出應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速

6、性能來獲得穩(wěn)定可靠的調制頻率。2系統(tǒng)設計構想2. 1系統(tǒng)組成濾光片型近紅外光譜儀結構框圖如圖1所示, 光源采用鹵鎢燈。光經(jīng)過斬光器在時間上分為N 束(N 為斬光器的遮光板個數(shù) 。斬光器以一定的頻率旋轉, 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, 轉動濾光片架, 使光從不同波長基金項目:國家十五攻關項目(No . 2001BA5112B04 。作者簡介:洪喜(1980- , 女, 中國科學院長春光機所碩士研究生, 主要從事光電傳感技術及近紅外光譜分析技術的研究。E 2 mail:hongxi0221sina . com收稿日期:2

7、006209213; 修訂日期:2006210218 的濾光片透過, 即可得到各個不同波長的信號3。由電機帶動斬光器旋轉, 電機的轉軸頻率f M 決定了斬光器調制光的頻率f。電動機轉動的不穩(wěn)定表現(xiàn)為其轉動頻率的變化fM, 這種變化將直接反映到調制波頻率的變化f, 因為f 0=N f M , 則f 0= N f M 。因此, 為了獲得穩(wěn)定、可靠的調制頻率, 要求電機的轉速穩(wěn)定, 調速性能好。圖N I analyzer2. 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4-5。就儀器設計而言, 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。

8、其次, 近紅外分析儀的檢測器對溫度變化特別敏感6, 這也是溫度影響近紅外分析結果的主要原因之一。圖2是硫化鉛(PbS 型檢測器的溫度敏感特性曲線。te mperature /圖2溫度敏感特性曲線Fig . 2phot o sensitivity te mperature characteristic由圖2可見溫度的變化對PbS 的靈敏度影響極大, 會嚴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, 從而提高分析結果的準確性。采用轉速穩(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、轉子位置傳感器和電子開關線路三

9、部分組成, 其結構示意圖如圖3所示。工作時, 直流電源通過開關電路向電機定子繞組供電, 位置傳感器隨時檢測到轉子所處的位置, 并根據(jù)轉子的位置信號控制開關管的導通和截止, 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;, 使定子磁場與轉子永90°左右的空間角, 產(chǎn)生轉矩推動轉子旋轉7。圖3無刷直流電機結構示意圖Fig . 3structure of brushless DC4無刷直流電機的單片機控制本設計采用的是SI L ABS 公司的C8051F330

10、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(S OC 單片機, 集成度高, 功能強大。它內有8K B 的F LASH 存儲器和768B 的RA M; 4個定時器、1路比較器; 3通道PC A; 17個通用I/O口; 工業(yè)級芯片, 工作溫度為-40+854。設計中使用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速控制。電路原理圖如圖4所示。C8051提供脈沖寬度調制(P WM 進行調速, 同時采取P

11、 I D 控制來保證電機能夠運轉順暢且響應良好。644激光與紅外第37卷 圖4C8051與無刷直流電機連接電路圖Fig . 4circuit of C8051and brushless DC mot or其中, HALLA , HALLB , HALLC器的輸出控制信號;MA,MB三相繞組; 下橋3. 1換相控制設計采用三相全橋聯(lián)結, 有6種導通狀態(tài), 導通狀態(tài)的轉換通過軟件完成, 即根據(jù)HALLA , HALLB , HALLC 不斷地取控制字送至P1口來實現(xiàn)換相。控制字由P1與MOSFET 的連接關系決定。3. 2轉速控制無刷直流電機良好的調速性能是其應用在近紅外光譜儀中的主要原因。由于轉

12、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)定的調制頻率, 從而提高了儀器的信噪比。無刷直流電機轉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; 當要求的靜差率(額定負載時電機轉速降落與理想空載轉速之比 相同時, 閉環(huán)調速系統(tǒng)的調速范圍可以大大提高。工作時, C8051根據(jù)設定的速度與霍爾信號變化的速度加以對比來決定開關導通以及導通時間長短, 此部分由P WM 來完成, 通過調節(jié)P WM 占空比來實現(xiàn)調速。C8051利用可編程計數(shù)器陣列PCA 來實現(xiàn)P WM 功能。PCA 由一個專用的

13、16位計數(shù)器/定時器和3個16位捕捉/比較模塊組成(PCA 2 OCP 。設計中采用16位P WM 方式, 其占空比計算方式如下:占空比= 65536-PCA0CPn655363. 3P I D 調節(jié)為了獲得穩(wěn)態(tài)轉速, 電機采用閉環(huán)控制, 同時加入了P I D 調節(jié)環(huán)節(jié)。P I D 調節(jié)結構簡單、靈活性大, 但其易受干擾和采樣周期的影響, 所以須對P I D 算法加以改進以進一步穩(wěn)定轉速。傳統(tǒng)數(shù)字P I D 算法的公式為:u (k =K p e (k +K I kj =0e (j +K D e (k -e (k -1 式中, Kp, K I , K D 、; , k -1 分別為次和(k ;

14、u ( 8。比; 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P I D 算法。不完全微分算法是在P I D 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:E (s =Kp1T I S+T D S1+TD/K D S 式中, U (s 為P I D 調節(jié)器的輸出值; E (s 為系統(tǒng)給定值與實際輸出值的偏差; TI, T D 分別為積分常數(shù)與微分常數(shù); S 為復頻率, 其中, S =a +j w,

15、 a 為任意實數(shù), w 為信號頻率。5結果與分析分別在應用同步電機的近紅外光譜儀及應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, 重復采集10次, 計算其在6個波長點處的濃度值標準差, 結果見表1。其中, S D1為應用同步電機的光譜儀采集濃度值的標準差, S D2為應用無刷直流電機的光譜儀采集濃度值的標準差?？梢钥闯? 使用無刷直流電機的光譜儀采得的光譜數(shù)據(jù)重復性好、穩(wěn)定性好。表1儀器標準差對比Tab . 1standard deviati on of s pectr ometer with different mot orCorn W avelength6 S D10. 001

16、090. 002150. 000020. 002060. 000190. 00022 S D20. 000125. 7E 2056. 2E 2050. 00017. 4E 2050. 00012 744激光與紅外No . 52007洪喜續(xù)志軍樸仁官無刷直流電機在近紅外光譜儀中的應用 6結論無刷直流電機具有調速性能好、易于控制等優(yōu)點, 有利于獲得穩(wěn)定的調制光頻率, 得到高信噪比的檢測信號, 提高儀器的重復性與穩(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。無刷直流電機是伴隨著數(shù)控技術產(chǎn)生和發(fā)展起來的, 此類技術的應用為近紅外光譜儀的優(yōu)化改進

17、提供了更大的發(fā)展空間。參考文獻:1W ang Zhi 2hong, L in Jun, W ang Yi 2ding, et al . The Er 2r or analysis on modulat or of N I R s pectr ophot omete J .Chinese Journal of Scientific I nstru ment, 25(:516-519. (in Chinese 2Zhang Jun, .te of analysiswith near s J .Spectr oscopy andSpectral Analysis, 2005, 25(6 :890-8

18、93. (in Chinese 3Yan Yanlu, Zhao Longlian, Han Donghai, et al .Thefoundati on and app licati on of N I R analysisM.Beijing:China light industry p ress, 2005:89. (in Chinese 4L i Yong, W ei Yi m in, W ang Feng . Affecting fact ors onthe accuracy of near 2infrared s pectr oscopy analysis J .Acta Agric

19、ulture Nucleatae Sinica, 2005, 19(3 :236-240. (in Chinese 5Fl orian W ulfert, W in Th Kok, Age K S m ile . I nfluence oftemperature on vibrati onal and consequences f or the p re 2dictive ability of multivariate models J .Anal . Che m. , 1998, 70:1761-1767.6Hu W ei m in, et al . I of phot o detect o

20、ron oluti on of s pectr ome 2Op ( :190-195. (in 7. 直流無刷電機原理及應用J .光學精密工程,2005, 13(1 :53-58.8L i Feng man . The research of contr olling arith metic for fig 2ure P I D J .Journal of L iaoN ing University, 2005, 32(4 :367-370. (in Chinese (上接第441頁容量處理信號的功能, 能滿足較復雜的紅外成像信號實時處理的要求, 具有高速、高精度、大容量及靈活性強等特點 。(a 成像圖(b 三維圖圖2處理前的均勻背景成像圖Fig . 2infrared i m age of unif or m ity backgr ound bef ore p r ocessing(a 增強前(b 增強后圖3處理后的均勻背景成像圖Fig . 3infrared i m age of unifor m ity backgr ound after p r ocessing4結語紅外成像技術的應用將越來越廣, 相應地對紅外視頻處理技術實時性的要求將越來越高。本文提出的基于DSP +PPG A 的信號處理系統(tǒng), 具有實時大容量的處