万能材料试验机中交流伺服电机控制技术的研究

1　引　言

1·1　万能材料试验机的进展

    材料试验机是一种广泛应用的材料性能检测设备,近十年来随着先进控制技术、驱动元件以及计算机技术的发展而出现了老产品升级换代和新产品不断涌现的良好发展趋势。面对国外材料试验机的一些产业巨头如美国Instron公司、MTS公司、日本岛津公司加大在国内销售力度的紧迫情况,国内的材料试验机的生产厂家也加大了自主研发新产品的力度[1]。对中等、小型材料试验机应用伺服电机就是一种扩充试验机功能,提高试验机测量准确性能的有效方式。

1·2　采用伺服电机能扩充材料试验机的功能

    当前,材料性能测试的标准多样性,要求加载与控制模式灵活性而复杂,应用伺服电机是实现材料性能多测量模式的有效手段。

    伺服电机属于控制电机,由于交流伺服电机具有体积小、重量轻、大转矩输出、低惯量和良好的控制性能等优点,故被广泛用于自动控制系统和自动检测系统中作为执行元件[2]。

    将伺服电机用于万能材料试验机驱动,可以充分发挥伺服电机的在额定的转速内,能恒定力矩输出的比较“硬”的机械特性等优势[3],克服以往由于使用变频电机和步进电机时速度波动带来得测量不准确误差,以及与采集部分可以组成完善的动态测量试验机、或者成为可以在0·5Hz~50Hz左右范围的低频疲劳试验机等。这对材料试验机应用范围将是一个极大的提升。

2　系统硬件组成与实现

2·1　该测量控制系统总体介绍

    这个材料试验机产品是我们实验室和广东某公司合作研发成功的,整个材料试验机结构原理如图1所示。机械传动路线是由饲服电机-减速机-链轮-同步丝杆,最后带动工作平台上下位移组成,传感器由于机架的庞大体积而采用增强型编码器,与测量丝杆直接相连,采集的力信号和位移信号经过自行设计的I/O信号调理板后由多功能采集卡接收,接收的信号由测试软件处理,实时显示在PC机上。通过测试界面可以发出控制信号经过采集卡和I/O信号调理板对伺服电机进行控制,从而控制整个测量的起停以及调整工作台的初始位置。

2·2　加载模式以及伺服

    电机有关参数设置对于这台材料试验机的加载模式,最终用户要求具备定速度加载、定位移加载、保持力矩一段时间、循环加载以及前几种复合而成的加载模式等其他较为复杂的加载模式,这使得这台材料试验机具有丰富的测试功能。图2为循环加载模式时的时间-载荷(位移)图。

    针对这台万能材料试验机多种加载模式的需求分析,我们选用了松下MINAS A系列全数字式交流伺服驱动器DDA303A1A(其主要性能指标为:电源电压为三相200V,适配电机的额定功率为3kW,编码器类型为2500p/r)。伺服驱动器连接器CN I/F(50脚)信号作为外部控制信号输入/输出[5],连接器CN SIG(11脚)作为伺服电机编码器的连接线。