无刷直流电机在近红外光谱仪中的应用

1、第37卷第5期激光与红外Vol . 37, No . 52007年5月LASER &I N FRARE D May, 2007文章编号:100125078(2007 0520445204无刷直流电机在近红外光谱仪中的应用洪喜1, 2, 续志军1, 朴仁官1(1. 中科院长春光学精密机械与物理研究所, 吉林长春130033; 2. 中国科学院北京研究生院, 北京100039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应用无刷直流电机的近红外光谱仪重复性好、稳定度高。更为稳定可靠。并且在使用时无发热现象, ,关键词:近红外光谱仪; 无刷直流电机; 频率; ;中图分类号:

2、T H744. 1文献标识码: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

5、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一2。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

6、性能来获得稳定可靠的调制频率。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N 束(N 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 . 2001BA5112B04 。作者简介:洪喜(1980- , 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。E 2 mail:hongxi0221sina . com收稿日期:2

7、006209213; 修订日期:2006210218 的滤光片透过, 即可得到各个不同波长的信号3。由电机带动斩光器旋转, 电机的转轴频率f M 决定了斩光器调制光的频率f。电动机转动的不稳定表现为其转动频率的变化fM, 这种变化将直接反映到调制波频率的变化f, 因为f 0=N f M , 则f 0= N f M 。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。图N I analyzer2. 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4-5。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。

8、其次, 近红外分析仪的检测器对温度变化特别敏感6, 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。te mperature /图2温度敏感特性曲线Fig . 2phot o sensitivity te mperature 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

9、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;, 使定子磁场与转子永90°左右的空间角, 产生转矩推动转子旋转7。图3无刷直流电机结构示意图Fig . 3structure of brushless DC4无刷直流电机的单片机控制本设计采用的是SI L ABS 公司的C8051F330

10、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(S OC 单片机, 集成度高, 功能强大。它内有8K B 的F LASH 存储器和768B 的RA M; 4个定时器、1路比较器; 3通道PC A; 17个通用I/O口; 工业级芯片, 工作温度为-40+854。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(P WM 进行调速, 同时采取P

11、 I D 控制来保证电机能够运转顺畅且响应良好。644激光与红外第37卷 图4C8051与无刷直流电机连接电路图Fig . 4circuit of C8051and brushless DC mot or其中, HALLA , HALLB , HALLC器的输出控制信号;MA,MB三相绕组; 下桥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P1口来实现换相。控制字由P1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

12、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P WM 来完成, 通过调节P WM 占空比来实现调速。C8051利用可编程计数器阵列PCA 来实现P WM 功能。PCA 由一个专用的

13、16位计数器/定时器和3个16位捕捉/比较模块组成(PCA 2 OCP 。设计中采用16位P WM 方式, 其占空比计算方式如下:占空比= 65536-PCA0CPn655363. 3P I D 调节为了获得稳态转速, 电机采用闭环控制, 同时加入了P I D 调节环节。P I D 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P I D 算法加以改进以进一步稳定转速。传统数字P I D 算法的公式为: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 分别为次和(k ;

14、u ( 8。比; 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P I D 算法。不完全微分算法是在P I D 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:E (s =Kp1T I S+T D S1+TD/K D S 式中, U (s 为P I D 调节器的输出值; E (s 为系统给定值与实际输出值的偏差; TI, T D 分别为积分常数与微分常数; S 为复频率, 其中, S =a +j w,

15、 a 为任意实数, w 为信号频率。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10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, S D1为应用同步电机的光谱仪采集浓度值的标准差, S D2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 . 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激光与红外No . 52007洪喜续志军朴仁官无刷直流电机在近红外光谱仪中的应用 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

17、提供了更大的发展空间。参考文献: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. 直流无刷电机原理及应用J .光学精密工程,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页容量处理信号的功能, 能满足较复杂的红外成像信号实时处理的要求, 具有高速、高精度、大容量及灵活性强等特点 。(a 成像图(b 三维图图2处理前的均匀背景成像图Fig . 2infrared i m age of unif or m ity backgr ound bef ore p r ocessing(a 增强前(b 增强后图3处理后的均匀背景成像图Fig . 3infrared i m age of unifor m ity backgr ound after p r ocessing4结语红外成像技术的应用将越来越广, 相应地对红外视频处理技术实时性的要求将越来越高。本文提出的基于DSP +PPG A 的信号处理系统, 具有实时大容量的处