新型抗折试验机控制系统的设计

　　0　引言

　　材料试验机主要用来测试材料的各种力学性能。目前,材料试验机按照系统动力源选用的不同,主要分为两类,即液压式材料试验机和电子式材料试验机[1]。液压式材料试验机多应用于大负载范围;电子式材料试验机一般采用的是控制伺服电机的运转,经减速器减速后驱动螺杆转动,相应的螺母使横梁移动,从而对装在底座上的试件施加用力。这种材料试验机调速范围广,精度高,但由于伺服电机容量的限制,一般的电子式材料试验机多在较小负载下工作[2]。电子式材料试验机是量大面广的测试设备,广泛应用于矿业、冶金、钢铁、建材、化工、微电子等行业。研制电子式材料试验机投资少,见效大,作为具有高性能的机电一体化的材料性能测试装置系统,这是一项很有实际意义的工作。笔者针对现场的情况,设计开发一套以单片机为控制核心的控制器,独立实现抗折试验机控制系统的全部功能。该新型抗折试验机为电子式材料试验机中的一类,主要用于微电子行业材料试验,其试验性能较高,同时试验控制器预留与计算机的通信接口,可为抗折试验机控制系统的功能做进一步研制开发。

　　1　试验控制系统结构

　　新型抗折试验机的控制系统负责控制材料抗折试验的全过程。新型抗折试验机的控制系统由试验控制器、伺服驱动器及交流伺服电机、压力传感器、限位开关等部分组成。系统以试验控制器为核心,协调整个试验的工作过程。其控制系统结构框图如图1所示。

　　试验控制系统的工作原理如下:在抗折试验过程中,压力信号由压力传感器转换成电压信号,通过信号放大电路将电压信号进行线性放大,送入A/D转换器变换为数字信号。微处理器通过SPI总线控制模拟数字转换器进行试验压力数据采集。在完成数据的处理后,将数据存储在容量为大容量的FLASH存储器中,处理后的数据分别以字符形式和曲线形式在液晶显示屏上动态刷新显示。同时微处理器进行改进的PID控制算法运算,输出电机控制的数字量,该数字量通过数字模拟转换器及驱动电路,将控制信号转换为电机转速控制信号的模拟量,控制电机的驱动器工作,继而控制电机以设定的转速运转。

　　2　系统硬件设计

　　2·1　抗折试验机控制器

　　抗折试验机的控制系统是在硬件的支持下执行软件来进行工作的,其控制功能在相当大的程度上决定于系统控制部分的硬件结构。抗折试验机控制器采用双机结构,以单总线方式进行协同工作,分工完成试验各项功能。其中主微处理器采用实时处理的方式负责试验的主要任务,它能够控制系统总线,占有系统资源;而从微处理器主要负责试验中的键盘控制命令解释、位置信息报告及伺服电机动作命令的执行等工作。这种双微处理器结构使得控制器的反应速度有了很大提高,以适应于抗折机要求的较高精度压力伺服控制的要求[3]。组成框图如图2所示。主处理器通过串行总线(SPI)与模数转换器CS5532、日历时钟相连,同时还负责FLASH存储器、液晶显示器、从微处理器、通信转换模块和故障监控模块等的控制。