對恒溫培養振蕩器的轉速和溫度實行精確控制的技術探討
唐新南 沈水興 嚴廣號，上海智城分析儀器制造有限公司 上海~
恒溫培養振蕩器（以下簡稱：恒溫搖床）是醫學、生物學、分子學、制藥、食品、環保等研究應用領域有著重要應用的樣品前處理設備。鑒于作為樣品的細菌、細胞等微量活性物質在生長過程中需要一個優良的生長環境，因此，對于恒溫搖床所具有的溫度、轉速乃至CO2、光照度等等一系列參數的控制精度提出了較高的要求。
如何實現對恒溫搖床各項指標的精確控制這是業內生產廠家普遍關心的問題。
一、關于影響運轉的穩定性和轉速精確控制的解決措施
1、運動機構
恒溫搖床的振蕩方式和轉速影響著樣品混合的均勻度和溶氧量（氧氣、二氧化碳與微生物的融合程度），直接影響了生物反應的效率。目前，常見的恒溫搖床的振蕩方式為偏心旋轉或直線往復運動兩種。振蕩幅度有單一固定型，分級可調節型和連續無級可調型三種。ZHICHENG公司生產的恒溫搖床其偏心大多采用連續無級可調型，不同的轉速配以不同的偏心距，便能獲得十分滿意的實驗效果。恒溫搖床的托盤結構和運動方式對恒溫搖床運轉的穩定性、噪聲和設備壽命都有著較大的關系。ZHICHENG公司擁有多項此類的發明ZL，如多振幅無級可調技術，懸臂式往復驅動技術等，這些新技術的運用在保證設備平穩運行、降低噪聲、無死角驅動和應對不平衡負載等方面均起到了積極的作用。
2、轉速測量
轉速的測量可以采用測速電機來完成，在數字儀表中轉速的測量采用數字化直接測量技術，可以采用M法（測頻率）、T 法（測周期）來實現。采用石英晶體作為測速基準，保證測速的準確性和長期一致性。
3、驅動電機的選擇
恒溫搖床所使用的驅動電機可以采用各種類型的直流電機、直流無刷電機，單相交流電機和三相交流電機等，不同的電機需配有不同形式的調速器。
轉速調節可以采用各種類型直流的電機、直流無刷電機，單相交流電機和三相交流電機等，不同的電機需配有不同形式的調速器。實踐證明，直流電機的力矩控制最為穩定，調速性能最為優良。直流電機是電感性負載，可采用直流電源用PWM方式進行斬波調壓調速控制。也可對交流電源直接采用SCR對交流電源進行移相觸發實現調壓調速。調速控制器需加入穩定力矩需要的電流反饋、電壓反饋和速度反饋。另外，還需要有升、降速控制電路以及過流保護電路。直流電機啟動平穩、啟動力矩大，調速性能好，但電刷會磨損需要定期維護，故不建議采用。單相交流電機結構簡單、維護方便，也可用作恒溫搖床的驅動電機。但由于恒溫搖床需要驅動的是一種恒轉矩負載，故不能采用電風扇調速方式的調壓調速，解決方法是在交流電機端蓋上安裝一個小型測速電機，在電路中引入測速反饋可實現恒轉矩負載下電機的穩定調速。三相交流電機的結構簡單，配上變頻調速器也可實現對電機的穩定調速。三相交流電機適合大型恒溫搖床的應用。交流電機的額定轉速一般在1000—2000（r/min）有的甚至更高，故需要通過減速機構來降速以滿足恒溫搖床所需要的轉速要求。減速裝置可通過齒輪箱、蝸輪蝸桿或皮帶輪進行減速，再帶動擺動轉換裝置實現直線型或橢圓型的振蕩功能。
目前，一種新型的直流無刷電機直驅技術已經在ZHICHENG公司運用而生。直流無刷電機是近年來發展較快的一種驅動技術，其內部的永磁體作為固定電極降低了能耗損失，采用霍爾元件進行位置檢測實現三組線圈的自動換向。配合電機調速器實現電機的啟動、換向和連續調速運轉。ZHICHENG公司采用自主設計、自主配套的多極低速大轉矩直流無刷電機，可以實現電機與托盤直接連接的直接驅動，省略了復雜的減速機構，恒溫搖床實現了靜音運行，長期運行和長壽命使用的效果。這是當前較為先進的一種新型振蕩調速方法。
4、轉速的控制
恒溫搖床電機的調速控制可以采用傳統PID控制方法，也可以采用模糊控制方法。模糊控制是一種人工智能控制方法，不需要控制對象的精確數學模型，通過總結熟練操作人員的經驗，應用if-then語句組合，把人工智能控制方法組合起來形成控制表格，再通過En和ΔEn輸入量查表得到控制量，最后轉換成輸出值實現控制。通過合理表格設計和數據流技術可以得到穩定的控制效果，模糊控制技術特別適應一些難以用數學模型描述、非線性、大滯后等難以控制的對象，提高控制精度和穩定性。
考慮對實驗樣品的保護，恒溫搖床微控制器應該具有超速報警裝置和超速保護裝置。當實測轉速超過報警設定值時設備發出聲光報警信號，當實測轉速超過保護設定值時，振蕩托盤停止振蕩。超速保護裝置應該選擇獨立的超速控制裝置。該控制裝置應該具有獨立的轉速檢測功能和控制功能，當測量出托盤轉速超過超速設定值時，會自動快速切斷調速系統的電源，以保障樣品和設備的安全。獨立超速控制裝置上的轉速設定值，應與主控制器上的轉速設定值保持同步以防止錯誤報警動作
恒溫搖床的轉速控制還需要引入緩啟動功能，以防止因托盤快速啟動所產生的強大離心力將托盤上的樣品打翻或甩脫。緩啟動開機時轉速應該從零開始緩慢加速，逐漸加速到達轉速設定值并進入恒速狀態。另外，恒溫搖床還需要設置自動門控模式，當使用者打開設備門時，托盤應該停止運轉，關閉門后托盤應該重新以緩啟動模式恢復運轉，以保證托盤上的樣品安全。