無(wú)刷直流電機在近紅外光譜儀中的應用
摘 要：介紹了無(wú)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。實(shí)驗結果表明 應用無(wú)刷直流電機的近紅外光譜儀重復性好、穩定度高。無(wú)刷直流電機調速性能好，調制頻率 更為穩定可靠。并且在使用時(shí)無(wú)發(fā)熱現象，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)調制 光頻率。工作時(shí)，由電機控制斬光器將連續光源發(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(jìn)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(shí)發(fā)現有以下問(wèn)題：首先，電機的 發(fā)熱現象顯著(zhù)，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l2]�，F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，其轉速的穩定性取決于電網(wǎng)頻率的穩 定性，帶來(lái)無(wú)法克服的頻率波動(dòng)。而頻率的穩定性 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(shí)易產(chǎn)生電火花、噪音大，導致采 樣信號不穩定�；�于上述原因，提出應用無(wú)刷直流 電機以克服溫度問(wèn)題帶來(lái)的不利影響并利用無(wú)刷直 流電機良好的調速性能來(lái)獲得穩定可靠的調制 頻率測厚儀| 測速儀| 轉速表| 壓力表| 壓力計| 真空表| 硬度計| 探傷儀| 電子稱(chēng)| 熱像儀| 頻閃儀| 測高儀| 測距儀| 金屬探測器。

2 系統設計構想 2．1 系統組成 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(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)。斬光器以一定的 頻率旋轉，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 檢測器檢測光信號，轉動(dòng)濾光片架，使光從不同波長(cháng) 基金項目：國家十五攻關(guān)項目(No．2001BA5112BIM)。 作者簡(jiǎn)介：洪喜(1980一)，女，中國科學(xué)院長(cháng)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(guò)，即可得到各個(gè)不同波長(cháng)的信號 J。 由電機帶動(dòng)斬光器旋轉，電機的轉軸頻率 決 定了斬光器調制光的頻率． 。電動(dòng)機轉動(dòng)的不穩定 表現為其轉動(dòng)頻率的變化 ，這種變化將直接反 映到調制波頻率的變化afo，因為fo=NfM，則afo= 。因此，為了獲得穩定、可靠的調制頻率，要求 電機的轉速穩定，調速性能好。 、sourc~／1I u 。 ，r — brushless zachine 圖1 近紅外光譜儀結構簡(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。就儀器設計而 言，首先，溫度的變化會(huì )影響光源的穩定性與強度， 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(xiàn)。 、 ‘＼ 一 ’ �！� 、 ＼ 、 一lU U lU ZU 3U 4U bU 6U 70 temperature／~C 圖2 溫度敏感特性曲線(xiàn) Fig．2 photo sensitivity temperature characteristic 由圖2可見(jiàn)溫度的變化對PbS的靈敏度影響極 大，會(huì )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。采用轉速穩定且工作時(shí)無(wú)升溫 現象的無(wú)刷直流電機是一種理想的解決方案。

3 無(wú)刷直流電機的工作原理 無(wú)刷直流電機由電機本體、轉子位置傳感器和 電子開(kāi)關(guān)線(xiàn)路三部分組成，其結構示意圖如圖3所 示。工作時(shí)，直流電源通過(guò)開(kāi)關(guān)電路向電機定子繞 組供電，位置傳感器隨時(shí)檢測到轉子所處的位置，并 根據轉子的位置信號控制開(kāi)關(guān)管的導通和截止，從 而自動(dòng)控制了哪些繞組通電，哪些繞組斷電，實(shí)現了 電子換向。無(wú)刷直流電機的轉子是由永磁材料制成 的，具有一定磁極對數的永磁體；定子上有電樞，這 一點(diǎn)與永磁有刷直流電機正相反；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 器的信號控制。無(wú)刷直流電機在運行過(guò)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(chǎng)隨著(zhù)轉子的位置不斷變化，使定子磁場(chǎng)與轉子永 磁磁場(chǎng)始終保持9O。左右的空間角，產(chǎn)生轉矩推動(dòng) 轉子旋轉 。 圖3 無(wú)刷直流電機結構不恿圖 Fig．3 structure of brushless DC
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(guò)軟件完成，即根據HALLA，HALLB， HALLC不斷地取控制字送至Pl口來(lái)實(shí)現換相�？� 制字由Pl與MOSFET的連接關(guān)系決定。
3．2 轉速控制 無(wú)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(lái)的 頻率擾動(dòng)，獲得了穩定的調制頻率，從而提高了儀器 的信噪比。無(wú)刷直流電機轉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)系統相比，閉環(huán)系 統具有以下優(yōu)越性：閉環(huán)系統的機械性能大大提高； 當要求的靜差率(額定負載時(shí)電機轉速降落與理想 空載轉速之比)相同時(shí)，閉環(huán)調速系統的調速范圍 可以大大提高。 工作時(shí)，C8051根據設定的速度與霍爾信號變 化的速度加以對比來(lái)決定開(kāi)關(guān)導通以及導通時(shí)間長(cháng) 短，此部分由PWM來(lái)完成，通過(guò)調節PWM占空比 來(lái)實(shí)現調速。C8051利用可編程計數器陣列PCA 來(lái)實(shí)現PWM功能。PCA由一個(gè)專(zhuān)用的l6位計數 器／定時(shí)器和3個(gè)l6位捕捉／比較模塊組成(PCA— OCP)。設計中采用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調節 為了獲得穩態(tài)轉速，電機采用閉環(huán) 控制，同時(shí)加入了PID調節環(huán)節。PID 調節結構簡(jiǎn)單、靈活性大，但其易受干擾 和采樣周期的影響，所以須對PID算法 加以改進(jìn)以進(jìn)一步穩定轉速。 傳統數字PID算法的公式為： M(k)= e(k)+KI_Σe( )+ [e(k)一 J u e(k一1)] 式中， ， ， 分別為調節器的比例、 積分和微分系數；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)調節器的輸出 J。比 例環(huán)節的作用是對偏差瞬間做出反應；積分環(huán)節的 作用是消除穩態(tài)誤差，提高無(wú)差度；微分環(huán)節的作用 是阻止偏差的變化，改善系統的動(dòng)態(tài)性能。但微分 環(huán)節對干擾非常敏感，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，以克服完全微分的缺點(diǎn)。設計中采用將 慣性環(huán)節直接加在微分環(huán)節的方法，其傳遞函數表 達式為： l+ 1 + 式中，U(s)為PID調節器的輸出值；E(s)為系統給 定值與實(shí)際輸出值的偏差； ， 分別為積分常數 與微分常數； 為復頻率，其中，S=a+jw，a為任意 實(shí)數，w為信號頻率。

4 無(wú)刷直流電機的單片機控制 本設計采用的是SILABS公司的C8051 F330單 片機作為系統的微處理器來(lái)進(jìn)行電機控制及系統的 其他處理工作。C8051F330為高速、高性能、低功 耗、模數混合信號系統級(SOC)單片機，集成度高， 功能強大。它內有8KB的FLASH存儲器和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)級芯片，工作溫度為一40一+85℃_4 J。 設計中使用12V，30W的無(wú)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(dòng)，閉環(huán) 控制。 C8051控制電路對無(wú)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(PWM)進(jìn)行 調速，同時(shí)采取PID控制來(lái)保證電機能夠運轉順暢 且響應良好。 G511) VCC GNI) 圖4 C8051與無(wú)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(wú)刷直流電機的 三相繞組；C8051的P1口作為輸出口，控制上、下橋 臂的導通與關(guān)斷。

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(wú) 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lO次，計算其在6個(gè)波長(cháng)點(diǎn)處的 濃度值標準差，結果見(jiàn)表1。其中，SD1為應用同步 電機的光譜儀采集濃度值的標準差，SD2為應用無(wú) 刷直流電機的光譜儀采集濃度值的標準差�？梢钥� 出，使用無(wú)刷直流電機的光譜儀采得的光譜數據重 復性好、穩定性好。 表1 儀器標準差對比 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 結論 無(wú)刷直流電機具有調速性能好、易于控制等優(yōu) 點(diǎn)，有利于獲得穩定的調制光頻率，得到高信噪比的 檢測信號，提高儀器的重復性與穩定性。同時(shí)，使用 無(wú)刷直流電機完全克服了由電機溫度變化帶來(lái)的不 利影響，消除了電機問(wèn)題造成的儀器負擔。無(wú)刷直 流電機是伴隨著(zhù)數控技術(shù)產(chǎn)生和發(fā)展起來(lái)的，此類(lèi) 技術(shù)的應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。