微型无刷直流电机在CO2/H2O分析仪中的应用

    本文将结合无刷直流电机在 CO₂/H₂O 分析仪系统中的应用，介绍一种微型电机的驱动控制电路，并针对应用情况，讨论电机转速稳定性的调节方法。此电机系统的特点是体积小、负载小、功耗小、转速高，电路结构设计简单，控制方便。因此在 CO₂/H2O分析仪系统中应用直流无刷电机，大大简化了系统，使结构更加紧凑，并且无刷换向具有电磁辐射小、对微波信号干扰小、免维护等优点，使仪器更加适合野外工作。

    1　仪系统原理与结构

    CO₂/H₂O 分析仪是以 CO₂和 H₂O 对红外线吸收的原理为基础的一种光机电测量系统。其原理框图如图 1 所示：

    红外光经过斩波轮上的滤波片后，通过第一个透镜准直变成平行光束，光束通过一段开放的大气路径。根据比尔—朗伯定律^[3]，通过待测气体后的光信号的强度会减弱，而减弱的程度与待测气体的浓度有关。此时部分光能量会被气体吸收，剩余部分继续按照原方向传播，再经过第二个透镜聚焦到PbSe 探测器表面，光信号就变成微弱的电信号，根据探测信号强度的不同实现对 CO_²和 H₂O 浓度的测量^[4]。

    另外，斩波轮的圆周上刻有一系列均匀的细小刻痕和一条较大的刻痕，在斩波轮的下方安装一个光耦探测器。随着电机的转动，光耦探测器探测到变化的刻痕信号，即电机的转速信号，通过整形后用来控制电机的转速和稳定性。

    图 1（b）所示为斩波轮上装的 4 个窄带滤光片，它们相隔 90° 均匀分布，4 个滤光片的中心波长分别为 4.26μm、2.59μm、3.95μm、3.95μm，它 们 分别与 CO₂的吸收波长、H₂O 的吸收波长以及对任何气体都不吸收（参考）的波长相对应^[5]。斩波轮由直流无刷电机带动，以完成对气体浓度的连续、实时测量。

    2　无刷直流电机控制原理和结构

    无刷直流电动机控制器的原理框图如图 2，它由永磁式同步电机、位置传感器以及电子开关线路三部分组成。电子开关线路主要由位置传感器信号处理模块和功率逻辑开关模块两个部分组成。位置传感器所产生的信号经过一定逻辑处理后，有序地触发三相桥式功率管电路驱动电机定子绕组，实现电机的正确换相。功率逻辑开关模块是将电源的功率以一定逻辑关系分配给电机本体定子上各相绕组，以便使电机产生持续不断的转矩^[6]。

    同时，斩波轮下的光耦探测器探测到的刻痕信号经过比较器整形后，和预设的方波信号进行比较产生比较信号，根据比较信号的变化调节控制功率MOSFET 逻辑开关的电压信号，对微型电机的转速进行调节，从而实现闭环控制。