無刷直流電機(jī)在近紅外光譜儀中的應(yīng)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(jī)在近紅外光譜儀中的應(yīng)用洪喜1, 2, 續(xù)志軍1, 樸仁官1(1. 中科院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所, 吉林長春130033; 2. 中國科學(xué)院北京研究生院, 北京100039摘要:介紹了無刷直流電機(jī)的工作原理及其在自制近紅外光譜儀中的應(yīng)用應(yīng)用無刷直流電機(jī)的近紅外光譜儀重復(fù)性好、穩(wěn)定度高。更為穩(wěn)定可靠。并且在使用時(shí)無發(fā)熱現(xiàn)象, ,關(guān)鍵詞:近紅外光譜儀; 無刷直流電機(jī); 頻率; ;中圖分類號:

2、T H744. 1文獻(xiàn)標(biāo)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(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(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, 檢測信號

5、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)確性的主要因素之一2。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(jī)械設(shè)計(jì)不理想, 且影響預(yù)測精度。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(jī)在換向時(shí)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(jī)以克服溫度問題帶來的不利影響并利用無刷直流電機(jī)良好的調(diào)速

6、性能來獲得穩(wěn)定可靠的調(diào)制頻率。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)過斬光器在時(shí)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(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(xiàng)目:國家十五攻關(guān)項(xiàng)目(No . 2001BA5112B04 。作者簡介:洪喜(1980- , 女, 中國科學(xué)院長春光機(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。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(jī)帶動斬光器旋轉(zhuǎn), 電機(jī)的轉(zhuǎn)軸頻率f M 決定了斬光器調(diào)制光的頻率f。電動機(jī)轉(zhuǎn)動的不穩(wěn)定表現(xiàn)為其轉(zhuǎn)動頻率的變化fM, 這種變化將直接反映到調(diào)制波頻率的變化f, 因?yàn)閒 0=N f M , 則f 0= N f M 。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。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(shè)計(jì)而言, 首先, 溫度的變化會影響光源的穩(wěn)定性與強(qiáng)度, 從而直接影響儀器的信噪比。

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(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。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(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(shí)無升溫現(xiàn)象的無刷直流電機(jī)是一種理想的解決方案。 3無刷直流電機(jī)的工作原理無刷直流電機(jī)由電機(jī)本體、轉(zhuǎn)子位置傳感器和電子開關(guān)線路三

9、部分組成, 其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。工作時(shí), 直流電源通過開關(guān)電路向電機(jī)定子繞組供電, 位置傳感器隨時(shí)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(shí)現(xiàn)了電子換向。無刷直流電機(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;, 使定子磁場與轉(zhuǎn)子永90°左右的空間角, 產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩推動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)7。圖3無刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig . 3structure of brushless DC4無刷直流電機(jī)的單片機(jī)控制本設(shè)計(jì)采用的是SI L ABS 公司的C8051F330

10、單片機(jī)作為系統(tǒng)的微處理器來進(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)混合信號系統(tǒng)級(S OC 單片機(jī), 集成度高, 功能強(qiáng)大。它內(nèi)有8K B 的F LASH 存儲器和768B 的RA M; 4個定時(shí)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(shè)計(jì)中使用12V, 30W 的無刷直流電機(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, 閉環(huán)控制。C8051控制電路對無刷直流電機(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(P WM 進(jìn)行調(diào)速, 同時(shí)采取P

11、 I D 控制來保證電機(jī)能夠運(yùn)轉(zhuǎn)順暢且響應(yīng)良好。644激光與紅外第37卷 圖4C8051與無刷直流電機(jī)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(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)換通過軟件完成, 即根據(jù)HALLA , HALLB , HALLC 不斷地取控制字送至P1口來實(shí)現(xiàn)換相?？刂谱钟蒔1與MOSFET 的連接關(guān)系決定。3. 2轉(zhuǎn)速控制無刷直流電機(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)

12、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(jī)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(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變化的速度加以對比來決定開關(guān)導(dǎo)通以及導(dǎo)通時(shí)間長短, 此部分由P WM 來完成, 通過調(diào)節(jié)P WM 占空比來實(shí)現(xiàn)調(diào)速。C8051利用可編程計(jì)數(shù)器陣列PCA 來實(shí)現(xiàn)P WM 功能。PCA 由一個專用的

13、16位計(jì)數(shù)器/定時(shí)器和3個16位捕捉/比較模塊組成(PCA 2 OCP 。設(shè)計(jì)中采用16位P WM 方式, 其占空比計(jì)算方式如下:占空比= 65536-PCA0CPn655363. 3P I D 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P I D 調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)。P I D 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P I D 算法加以改進(jìn)以進(jìn)一步穩(wěn)定轉(zhuǎn)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(jìn)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(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:E (s =Kp1T I S+T D S1+TD/K D S 式中, U (s 為P I D 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; TI, T D 分別為積分常數(shù)與微分常數(shù); S 為復(fù)頻率, 其中, S =a +j w,

15、 a 為任意實(shí)數(shù), w 為信號頻率。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10次, 計(jì)算其在6個波長點(diǎn)處的濃度值標(biāo)準(zhǔn)差, 結(jié)果見表1。其中, S D1為應(yīng)用同步電機(jī)的光譜儀采集濃度值的標(biāo)準(zhǔn)差, S D2為應(yīng)用無刷直流電機(jī)的光譜儀采集濃度值的標(biāo)準(zhǔn)差?？梢钥闯? 使用無刷直流電機(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(jī)在近紅外光譜儀中的應(yīng)用 6結(jié)論無刷直流電機(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信號, 提高儀器的重復(fù)性與穩(wěn)定性。同時(shí), 使用無刷直流電機(jī)完全克服了由電機(jī)溫度變化帶來的不利影響, 消除了電機(jī)問題造成的儀器負(fù)擔(dān)。無刷直流電機(jī)是伴隨著數(shù)控技術(shù)產(chǎn)生和發(fā)展起來的, 此類技術(shù)的應(yīng)用為近紅外光譜儀的優(yōu)化改進(jìn)

17、提供了更大的發(fā)展空間。參考文獻(xiàn):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

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20、ron oluti on of s pectr ome 2Op ( :190-195. (in 7. 直流無刷電機(jī)原理及應(yīng)用J .光學(xué)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(fù)雜的紅外成像信號實(shí)時(shí)處理的要求, 具有高速、高精度、大容量及靈活性強(qiáng)等特點(diǎn) 。(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(qiáng)前(b 增強(qiáng)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(jié)語紅外成像技術(shù)的應(yīng)用將越來越廣, 相應(yīng)地對紅外視頻處理技術(shù)實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)大容量的處