对恒温培养振荡器的转速和温度实行精确控制的...（一）
对恒温培养振荡器的转速和温度实行精确控制的技术探讨
唐新南 沈水兴 严广号，上海智城分析仪器制造有限公司 上海~
恒温培养振荡器（以下简称：恒温摇床）是医学、生物学、分子学、制药、食品、环保等研究应用领域有着重要应用的样品前处理设备。鉴于作为样品的细菌、细胞等微量活性物质在生长过程中需要一个优良的生长环境，因此，对于恒温摇床所具有的温度、转速乃至CO2、光照度等等一系列参数的控制精度提出了较高的要求。
如何实现对恒温摇床各项指标的精确控制这是业内生产厂家普遍关心的问题。
一、关于影响运转的稳定性和转速精确控制的解决措施
1、运动机构
恒温摇床的振荡方式和转速影响着样品混合的均匀度和溶氧量（氧气、二氧化碳与微生物的融合程度），直接影响了生物反应的效率。目前，常见的恒温摇床的振荡方式为偏心旋转或直线往复运动两种。振荡幅度有单一固定型，分级可调节型和连续无级可调型三种。ZHICHENG公司生产的恒温摇床其偏心大多采用连续无级可调型，不同的转速配以不同的偏心距，便能获得十分满意的实验效果。恒温摇床的托盘结构和运动方式对恒温摇床运转的稳定性、噪声和设备寿命都有着较大的关系。ZHICHENG公司拥有多项此类的发明ZL，如多振幅无级可调技术，悬臂式往复驱动技术等，这些新技术的运用在保证设备平稳运行、降低噪声、无死角驱动和应对不平衡负载等方面均起到了积极的作用。
2、转速测量
转速的测量可以采用测速电机来完成，在数字仪表中转速的测量采用数字化直接测量技术，可以采用M法（测频率）、T 法（测周期）来实现。采用石英晶体作为测速基准，保证测速的准确性和长期一致性。
3、驱动电机的选择
恒温摇床所使用的驱动电机可以采用各种类型的直流电机、直流无刷电机，单相交流电机和三相交流电机等，不同的电机需配有不同形式的调速器。
转速调节可以采用各种类型直流的电机、直流无刷电机，单相交流电机和三相交流电机等，不同的电机需配有不同形式的调速器。实践证明，直流电机的力矩控制最为稳定，调速性能最为优良。直流电机是电感性负载，可采用直流电源用PWM方式进行斩波调压调速控制。也可对交流电源直接采用SCR对交流电源进行移相触发实现调压调速。调速控制器需加入稳定力矩需要的电流反馈、电压反馈和速度反馈。另外，还需要有升、降速控制电路以及过流保护电路。直流电机启动平稳、启动力矩大，调速性能好，但电刷会磨损需要定期维护，故不建议采用。单相交流电机结构简单、维护方便，也可用作恒温摇床的驱动电机。但由于恒温摇床需要驱动的是一种恒转矩负载，故不能采用电风扇调速方式的调压调速，解决方法是在交流电机端盖上安装一个小型测速电机，在电路中引入测速反馈可实现恒转矩负载下电机的稳定调速。三相交流电机的结构简单，配上变频调速器也可实现对电机的稳定调速。三相交流电机适合大型恒温摇床的应用。交流电机的额定转速一般在1000—2000（r/min）有的甚至更高，故需要通过减速机构来降速以满足恒温摇床所需要的转速要求。减速装置可通过齿轮箱、蜗轮蜗杆或皮带轮进行减速，再带动摆动转换装置实现直线型或椭圆型的振荡功能。
目前，一种新型的直流无刷电机直驱技术已经在ZHICHENG公司运用而生。直流无刷电机是近年来发展较快的一种驱动技术，其内部的永磁体作为固定电极降低了能耗损失，采用霍尔元件进行位置检测实现三组线圈的自动换向。配合电机调速器实现电机的启动、换向和连续调速运转。ZHICHENG公司采用自主设计、自主配套的多极低速大转矩直流无刷电机，可以实现电机与托盘直接连接的直接驱动，省略了复杂的减速机构，恒温摇床实现了静音运行，长期运行和长寿命使用的效果。这是当前较为先进的一种新型振荡调速方法。
4、转速的控制
恒温摇床电机的调速控制可以采用传统PID控制方法，也可以采用模糊控制方法。模糊控制是一种人工智能控制方法，不需要控制对象的精确数学模型，通过总结熟练操作人员的经验，应用if-then语句组合，把人工智能控制方法组合起来形成控制表格，再通过En和ΔEn输入量查表得到控制量，最后转换成输出值实现控制。通过合理表格设计和数据流技术可以得到稳定的控制效果，模糊控制技术特别适应一些难以用数学模型描述、非线性、大滞后等难以控制的对象，提高控制精度和稳定性。
考虑对实验样品的保护，恒温摇床微控制器应该具有超速报警装置和超速保护装置。当实测转速超过报警设定值时设备发出声光报警信号，当实测转速超过保护设定值时，振荡托盘停止振荡。超速保护装置应该选择独立的超速控制装置。该控制装置应该具有独立的转速检测功能和控制功能，当测量出托盘转速超过超速设定值时，会自动快速切断调速系统的电源，以保障样品和设备的安全。独立超速控制装置上的转速设定值，应与主控制器上的转速设定值保持同步以防止错误报警动作
恒温摇床的转速控制还需要引入缓启动功能，以防止因托盘快速启动所产生的强大离心力将托盘上的样品打翻或甩脱。缓启动开机时转速应该从零开始缓慢加速，逐渐加速到达转速设定值并进入恒速状态。另外，恒温摇床还需要设置自动门控模式，当使用者打开设备门时，托盘应该停止运转，关闭门后托盘应该重新以缓启动模式恢复运转，以保证托盘上的样品安全。
