基于C8051F020微控制器的材料疲劳试验机

　　0　引言

　　C8051F020单片机是新一代混合信号系统级芯片(SOC)[1],采用与51系列单片机指令集完全兼容的高速CIP-51微处理器内核,运算速度最高可达25MIPS。C8051F020集成了12位的ADC和DAC、可编程计数器/定时器阵列(PCA)、UART、看门狗定时器、电源监视器、电压比较器及内部振荡器等外设,可以方便的地实现电压(电流)信号采集、PWM波形输出、与上位机串口通讯、系统程序跑飞复位、系统时钟设定等功能,非常适于对电机进行数据采集和闭环控制。

　　材料疲劳试验机一般具有载荷控制、位移控制和应变控制的多通道控制方式,其中以应变控制更为常见。复杂的控制方式切换使得利用电机作为作动元件制作材料疲劳试验机的方案不易实现。实际上,以光栅尺作为位移传感器,比较容易实现电机的位移闭环控制是比较容易的[2-3]。但对有刷或无刷直流电机实现力(力矩)闭环控制或应变控制就显得非常困难。一方面,直流电机的输出与负载有一定关系,是一种被动输出,输出力的大小与输入控制量无简单的对应关系;另一方面,直流电机的输出转矩不稳定。虽然通过增加相数、采用全桥驱动等方法可以减小转矩波动,但其输出精度很难达到材料试验机的要求。另外,直流电机的动态响应能力较差,在换向时由于惯性力的作用,使得输出力矩在短时间内出现跳变,不能满足疲劳试验机的技术要求。

　　目前以电机为作动器制作的电子万能试验机只能进行拉、压、弯、剪等单向试验,无法进行疲劳循环试验,就是因为电机的动态响应跟不上输入控制变量的变化。以上分析表明采用普通的直流电机无法制作合格的疲劳试验机,但如果采用音圈电机,则可以有效的解决这些问题。音圈电机是一种将电能直接转化成直线运动机械能而不需要任何中间机械传动的装置[4],其最大的特点是改变通电绕组电流的强弱和极性就可以改变输出力的大小和方向,输出力与通电绕组电流成线性关系。由于采用了“零传动”,音圈电机还具有输出平稳、响应频率高、速度快、精度高、推力大等特点,完全可以在材料疲劳试验机中应用。

　　1试验机的硬件组成

　　试验机的控制系统主要由PC机、C8051F020单片机、LM629伺服控制芯片、LMD18200功率驱动芯片、音圈电机、光电编码器、力传感器、应变片或涡电流位移传感器等,整个系统的硬件结构框图如图1所示。C8051F020单片机是控制系统的中枢,是实现位移闭环、力闭环和应变控制的核心器件。

　　对于位移闭环,由C8051F020设定PID控制参数和运动参数,通过数据传送I/O接口与LM629进行通讯。LM629可以直接接收光电编码器得到的位置信号,根据C8051F020发来的参数生成速度图,进行位置跟踪,通过PID控制和生成PWM信号输出实现对电机的位移闭环控制。对于力闭环控制,主要是通过C8051F020的12位AD接口将载荷传感器的电信号进行采集,利用自行编制的数字PID控制器控制可编程计数器阵列(PCA)产生PWM波形,经功率驱动放大后用于对音圈电机进行控制。应变控制的实现原理与力闭环相同,只是采用不同的传感器得到应变反馈信号。此外,通过UART串行接口,可以方便地实现C8051F020与PC机的通讯。这样,就可以利用PC机完成指令的输入,参数的设定,采集数据的实时显示、处理、存储,系统监护和安全保护等功能,而单片机主要用于完成闭环伺服控制。下面详细说明控制系统中的各功能模块。