肖志睿,劉洪英,嚴(yán)斯能,莊泉潔
(1.華東師范大學(xué) 多維度信息處理上海市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200241;2.上海瀾澈生物科技有限公司,上海 200240)
染色是觀察細(xì)菌流程中重要的一步。未經(jīng)染色的細(xì)菌與周圍環(huán)境折光率相差很小,在顯微鏡下很難觀察和分辨。染色后細(xì)菌呈現(xiàn)一種顏色而背景環(huán)境呈現(xiàn)另一種顏色,因此細(xì)菌的形態(tài)、數(shù)量等非常容易觀察。而染色過程大多繁雜,以革蘭氏染色法為例,其步驟包括初染、媒染、脫色、復(fù)染四個(gè)步驟,手動(dòng)染色的方法效率低下。全自動(dòng)染色儀模擬手工染色步驟,在不同的時(shí)段噴灑不同試劑,在噴灑試劑時(shí),放有涂片的涂片盤在電機(jī)的帶動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)。為了均勻染色,需求電機(jī)在低轉(zhuǎn)速下需要保持穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速,而在甩干涂片上的試劑時(shí),需要電機(jī)達(dá)到較高轉(zhuǎn)速。
永磁同步電機(jī)有著極大的調(diào)速范圍,且還具有電磁轉(zhuǎn)矩紋波系數(shù)小、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、運(yùn)行平穩(wěn)等特點(diǎn)[1],十分適合在全自動(dòng)染色儀中使用。
永磁同步電機(jī)由定子、轉(zhuǎn)子和位置傳感器三部分組成。定子結(jié)構(gòu)與普通同步電機(jī)類似,由三相繞組和鐵心組成。轉(zhuǎn)子上安裝有永磁體,其安裝方式主要有表貼式、表面嵌入式、內(nèi)置式[2]等。三種結(jié)構(gòu)如圖 1所示。永磁同步電機(jī)需要利用位置傳感器來檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置,因此一般在電機(jī)內(nèi)部安裝霍爾傳感器或者光電編碼器。
圖1 永磁體在轉(zhuǎn)子上的安裝方式
在對(duì)交流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化時(shí),一般將坐標(biāo)系放在定子上的靜止坐標(biāo)系(3 s坐標(biāo)系),轉(zhuǎn)換至坐標(biāo)系固定在轉(zhuǎn)子上并隨轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)的兩相d-q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系(2 r坐標(biāo)系),轉(zhuǎn)換過程中以兩相α-β靜止坐標(biāo)系(2 s坐標(biāo)系)過渡。
1.2.1三相靜止坐標(biāo)系到兩相靜止坐標(biāo)系的變換
三相靜止坐標(biāo)系A(chǔ)、B、C三軸相距120度,相電流分別為ia、ib、ic。兩相靜止坐標(biāo)系α、β軸正交。假定三相繞組的每一項(xiàng)繞組匝數(shù)為N1,并且電流幅值相等,根據(jù)磁動(dòng)勢(shì)相等原則,等效至兩相繞組每一項(xiàng)繞組的匝數(shù)應(yīng)為3N1/2。令三相靜止坐標(biāo)系的A軸與兩相靜止坐標(biāo)系的α軸重合,令α,β軸上的電流分別為iα、iβ,如圖 2所示,可得α,β軸上的電流[3]:
(1)
該過程把互差120°的三相正弦電流變?yōu)榛ゲ?0°的兩相正弦電流,該變換也成為Clark變換。
1.2.2兩相靜止坐標(biāo)系到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換
令d軸方向?yàn)橛来朋w磁場(chǎng)方向,其與α軸夾角為θ,q軸與d軸正交,電流分別用id和iq表示[4],如圖3所示。可得:
(2)
圖3 兩相靜止坐標(biāo)系至旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系變換
由式(1)、式(2)可得,三相靜止坐標(biāo)系到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣為
(3)
矢量控制也稱為解耦控制或磁場(chǎng)定向控制(Field Oriented Control),直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)能夠?qū)Υ磐ê娃D(zhuǎn)矩進(jìn)行單獨(dú)控制,通過磁場(chǎng)電流控制磁通,通過電樞電流控制轉(zhuǎn)矩。而使用矢量控制,通過坐標(biāo)系變換的方法將三相等效為兩相電機(jī)[5-7]。
永磁同步電機(jī)在d-q坐標(biāo)系下的電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式為
(4)
式中,P為電機(jī)的極對(duì)數(shù),ψPM為轉(zhuǎn)子磁鏈,Ld、Lq為d-q坐標(biāo)下的交直軸電感。由于P、ψPM為常數(shù),產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩由轉(zhuǎn)子磁通與定子電流iq、id相互作用產(chǎn)生,假定磁通電流id=0,轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)矩電流iq成正比關(guān)系,這種控制稱為id=0控制策略。在給定轉(zhuǎn)矩的情況下,這種所需定子電流最小,電機(jī)效率高,且磁通電流為0,進(jìn)一步簡(jiǎn)化了永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型。
電流(轉(zhuǎn)矩)控制型驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的輸入為轉(zhuǎn)矩參考電流和磁通參考電流。控制系統(tǒng)內(nèi)部,電流采樣部分獲取電機(jī)三相的電流,位置傳感器得到轉(zhuǎn)子位置。經(jīng)過坐標(biāo)系變換后,得到此時(shí)d-q坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)矩電流和磁通電流。與參考電流共同輸入PID控制器,預(yù)測(cè)下一步應(yīng)該產(chǎn)生的空間電壓矢量d-q坐標(biāo)系分量,再經(jīng)過Park逆變換,產(chǎn)生的空間電壓矢量以空間矢量調(diào)制(SVPWM)的控制方法被執(zhí)行[8],實(shí)現(xiàn)電流(轉(zhuǎn)矩)閉環(huán)控制。
在負(fù)載相同的條件下,通過增加或減少電磁轉(zhuǎn)矩可以提高或降低電機(jī)的轉(zhuǎn)速,因此通過動(dòng)態(tài)控制電磁轉(zhuǎn)矩,使電機(jī)按照規(guī)定的速度運(yùn)轉(zhuǎn)。速度控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是以電流控制系統(tǒng)為核心,再添加外部速度反饋閉環(huán)來控制轉(zhuǎn)子的速度。由位置傳感器得到實(shí)際速度,與參考速度共同輸入PID控制器,控制器輸出作為轉(zhuǎn)矩參考電流。一般也將速度閉環(huán)稱為外環(huán),電流閉環(huán)稱為內(nèi)環(huán)[9]。如圖 4所示為速度控制型驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
圖4 速度控制型驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
在噴灑試劑時(shí),為了讓載玻片能夠均勻接觸試劑,要求電機(jī)轉(zhuǎn)速在20r/min。試劑噴灑結(jié)束,進(jìn)入離心甩干步驟。為了避免加速過快而導(dǎo)致載玻片損壞,要求電機(jī)在2秒鐘的時(shí)間加速至900r/min,保持該轉(zhuǎn)速一段時(shí)間。離心甩干步驟結(jié)束,要求電機(jī)轉(zhuǎn)速降至20r/min,進(jìn)行下一輪噴灑試劑流程。
本系統(tǒng)采用“電流環(huán)-速度環(huán)”雙閉環(huán)控制,且使用id=0的控制方法。通過改變參考速度的值來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。為了適合染色機(jī)這一應(yīng)用,在加速過程提出一種加速時(shí)間可控的階梯型加速方案;在制動(dòng)過程中使用短接制動(dòng)的方式,即讓電機(jī)三相繞組短接,當(dāng)制動(dòng)到合適的情況時(shí),再切換至矢量控制的方法。系統(tǒng)框圖如圖5所示。
圖5 染色機(jī)控制系統(tǒng)框圖
2.2.1加速過程
接收到目標(biāo)速度ωfinal后,判定器1首先將目標(biāo)速度與當(dāng)前速度ωr比較,若判定為加速過程,則將目標(biāo)速度與加速時(shí)間Ta輸入給階梯加速控制器,控制器自動(dòng)生成階梯型加速曲線并按照該曲線對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制。方法如圖 6所示。
圖6 階梯加速示意圖
使用滴答時(shí)鐘作為控制系統(tǒng)時(shí)基,在階梯加速曲線中,每隔N個(gè)滴答時(shí)鐘周期,就將參考速度增加Δω。如此將加速過程離散化,實(shí)現(xiàn)了加速時(shí)間可控的加速過程。滴答時(shí)鐘數(shù)計(jì)算公式如下:
(5)
式中,Ta為要求的加速時(shí)間,Δω為參考速度的階梯增量,ωfinal為加速過程最終轉(zhuǎn)速,ωnow為收到加速指令時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速,Δt為系統(tǒng)滴答時(shí)鐘的周期。計(jì)算出的N為滴答時(shí)鐘數(shù)。
2.2.2制動(dòng)過程
由于系統(tǒng)在一次完整染色過程中需要進(jìn)行多次染色-甩干操作,因此還需考慮電機(jī)的制動(dòng)方案。
在制動(dòng)過程中,電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài),制動(dòng)過程系統(tǒng)的能量由高變低,減小的能量主要有三個(gè)去向:返回電源,電機(jī)內(nèi)部電阻發(fā)熱、摩擦發(fā)熱[10]。且負(fù)載越大,減速過程需要耗散的能量越多。
控制系統(tǒng)軟件制動(dòng)有三種可行的方法,分別為能耗制動(dòng)、反接制動(dòng)、短接制動(dòng)[11]。
能耗制動(dòng)將H橋的驅(qū)動(dòng)信號(hào)切斷,電機(jī)將多余的能量通過內(nèi)部電阻發(fā)熱和摩擦發(fā)熱消耗,能耗制動(dòng)控制方式比較簡(jiǎn)單,對(duì)硬件電路產(chǎn)生的影響較小,但是其制動(dòng)時(shí)間最長(zhǎng)。
反接制動(dòng)是在電機(jī)的制動(dòng)階段通過控制H橋驅(qū)動(dòng)信號(hào),使其產(chǎn)生相反方向力矩,制動(dòng)效率最高,電機(jī)能夠迅速的停止。但是制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的大量能量會(huì)由H橋上管進(jìn)入電源母線電壓,使得母線電壓升高,可能會(huì)燒毀元器件或觸發(fā)直流電源的過壓保護(hù)。另外,若制動(dòng)過程控制不當(dāng),容易造成電機(jī)來回抖動(dòng),電機(jī)達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間變長(zhǎng)。
短接制動(dòng)是將H橋的上三路晶體管關(guān)閉,而將下三路晶體管打開,使得電機(jī)三相繞組短接。電機(jī)制動(dòng)時(shí),變化的轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)切割定子繞組,在定子繞組內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流,該感應(yīng)電流與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相互作用,產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。短接制動(dòng)方法制動(dòng)效率介于能耗制動(dòng)和反接制動(dòng)之間,且對(duì)硬件電路產(chǎn)生的影響較小,故在染色機(jī)這一應(yīng)用中選擇短接制動(dòng)方式。具體實(shí)現(xiàn)方式為如圖5所示:接收到目標(biāo)速度ωfinal后,若判定器1判定為制動(dòng)過程,進(jìn)入短接制動(dòng)狀態(tài)。進(jìn)入短接制動(dòng)狀態(tài)后,判定器2判斷短接制動(dòng)狀態(tài)是否結(jié)束,若是,則將ωfinal作為參考速度輸入速度環(huán),恢復(fù)矢量控制方法。若為否,則保持短接制動(dòng)狀態(tài)。
自主設(shè)計(jì)了適用于該應(yīng)用的電機(jī)驅(qū)動(dòng)板,驅(qū)動(dòng)板的結(jié)構(gòu)如圖7所示。
圖7 驅(qū)動(dòng)板結(jié)構(gòu)示意圖
電機(jī)控制芯片型號(hào)為意法半導(dǎo)體的stm32f401rbt6,內(nèi)部經(jīng)過矢量控制算法,產(chǎn)生6路PWM波輸入給半橋驅(qū)動(dòng)器,半橋驅(qū)動(dòng)器的輸出控制3路H橋晶體管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
電流采樣方面,使用三采樣電阻的電流采樣拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),每一路的采樣電壓經(jīng)過電壓放大電路后,輸入給電機(jī)控制芯片內(nèi)部的ADC模塊,以讀取流經(jīng)三相定子繞組的電流。其中,采樣電阻取25mΩ,電壓放大倍數(shù)為15倍。
位置傳感器信號(hào),例如霍爾傳感器、編碼器信號(hào),經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換電路,將5V的信號(hào)轉(zhuǎn)換為3.3V,再輸入電機(jī)控制芯片,以獲得電機(jī)轉(zhuǎn)速,旋轉(zhuǎn)角度等信息。
另外,控制芯片的串口部分特別引出,來與染色機(jī)主控芯片進(jìn)行通信,也可在調(diào)試時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)打印。
選用的電機(jī)額定電壓24V,額定電流3A,額定轉(zhuǎn)速3000r/min,極對(duì)數(shù)4對(duì)。
使用驅(qū)動(dòng)板進(jìn)行了加速過程、制動(dòng)過程、以及制動(dòng)母線電壓測(cè)試的實(shí)驗(yàn)。電流環(huán)頻率設(shè)定為20kHz,速度環(huán)頻率設(shè)定為500Hz。對(duì)于速度的測(cè)試,系統(tǒng)中每隔10ms讀取一次轉(zhuǎn)速,最后再通過串口一次性打印記錄的若干秒的速度信息。相關(guān)結(jié)果如下:
圖8為不同負(fù)載和不同加速時(shí)間從0r/min加速至900r/min的時(shí)間-速度曲線。
圖8 加速過程測(cè)試
其中,輕負(fù)載只在電機(jī)軸上安裝了載玻盤支撐架,重量約為0.2kg,而重負(fù)載還增加放置載玻片的載玻盤和12片載玻片的重量,重量約為1.2kg。
對(duì)比圖8(a)、圖8(b)可以看出,在輕負(fù)載條件下,設(shè)定1.5s和2s的加速時(shí)間,電機(jī)能夠在準(zhǔn)確的時(shí)間達(dá)到規(guī)定的轉(zhuǎn)速,且速度穩(wěn)定快,基本沒有速度過沖現(xiàn)象。圖8(c)曲線圖:重負(fù)載條件下,電機(jī)也可以在設(shè)定時(shí)間達(dá)到規(guī)定的轉(zhuǎn)速,但由于負(fù)載更重,高速旋轉(zhuǎn)時(shí)速度調(diào)節(jié)更加困難,出現(xiàn)3%左右的速度過沖,在PID控制器的調(diào)節(jié)下,轉(zhuǎn)速逐漸逼近900r/min的目標(biāo)轉(zhuǎn)速,在大約2.8s時(shí)速度達(dá)到穩(wěn)定。整體來說,提出的階梯型加速方案達(dá)到了加速時(shí)間可控的要求。
圖9為三種制動(dòng)方法的速度-時(shí)間曲線。首先設(shè)定在2s的時(shí)間由0r/min加速至900r/min,等待速度穩(wěn)定后,在時(shí)間t=5s時(shí)開始制動(dòng),制動(dòng)的目標(biāo)速度為20r/min。
圖9 制動(dòng)過程測(cè)試
圖9(a)為能耗制動(dòng),能耗制動(dòng)耗費(fèi)的時(shí)間最長(zhǎng),在10s時(shí),轉(zhuǎn)速在450r/min左右,電機(jī)完全停止需要20s的時(shí)間;圖9(b)為反接制動(dòng),反接制動(dòng)雖然速度下降的最快,在5.3s左右第一次達(dá)到20r/min。但此時(shí)無法保持20r/min的目標(biāo)速度運(yùn)行,而是速度繼續(xù)下降,產(chǎn)生了反轉(zhuǎn)現(xiàn)象,反向運(yùn)動(dòng)速度最高達(dá)到-130r/min。之后經(jīng)過多次來回抖動(dòng),在7.3s左右穩(wěn)定至目標(biāo)速度;圖9(c)為短接制動(dòng)方式,制動(dòng)效果遠(yuǎn)優(yōu)于能耗制動(dòng),在轉(zhuǎn)速較高時(shí),定子繞組內(nèi)感應(yīng)電流大,因此產(chǎn)生的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩也更大,制動(dòng)效果更為明顯。隨著轉(zhuǎn)速降低,產(chǎn)生的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩也降低,制動(dòng)效果隨著轉(zhuǎn)速的減小而下降。且在轉(zhuǎn)速接近目標(biāo)速度時(shí)恢復(fù)矢量控制,能夠很平穩(wěn)的過渡到目標(biāo)轉(zhuǎn)速,沒有出現(xiàn)反轉(zhuǎn)或者抖動(dòng)的現(xiàn)象,整個(gè)制動(dòng)過程持續(xù)2s。
圖10為三種制動(dòng)方法下,使用示波器測(cè)得的母線電壓,如圖10(a)、圖10(c)所示,以能耗制動(dòng)、短接制動(dòng)的方式對(duì)于母線電壓無影響,電壓穩(wěn)定在12V。圖10(b)采用反接制動(dòng)方法,在制動(dòng)時(shí)母線電壓明顯提升,最高達(dá)到18V左右。
圖10 制動(dòng)時(shí)母線電壓
綜合來看,采用短接制動(dòng)方式既能獲得較高的制動(dòng)效率,也對(duì)母線電壓和其他器件的影響較小,是作為染色機(jī)這一應(yīng)用最佳的制動(dòng)方式。
本文對(duì)永磁同步電機(jī)在染色機(jī)這一應(yīng)用中的起動(dòng)和制動(dòng)方法進(jìn)行了討論,提出了加速時(shí)間可控的階梯型加速方法,實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明該種方法是有效的。在制動(dòng)方法上,分析了三種制動(dòng)方法的優(yōu)缺點(diǎn),最終選擇短接制動(dòng),并在恰當(dāng)時(shí)間點(diǎn)恢復(fù)矢量控制的制動(dòng)方法。該方法較能耗制動(dòng)和反接制動(dòng)均有明顯的優(yōu)勢(shì)。