（机械电子工程专业论文）基于arm的旋转弯曲疲劳试验机测控系统的研究.pdf

浙江工业大学硕士学位论文 基于a r m 的旋转弯曲疲劳试验机测控系统的研究 摘要 旋转弯曲疲劳试验机是测定材料机械性能的基本设备之一，应用范围广泛。随着试验 机技术和微电子技术的快速发展，旧有的试验机测控系统已逐渐不能适应广大用户的测试 需求，迫切要求新一代试验机测控系统向数字化、智能化、集成化方面迈进。 本课题研究的主要任务是在分析和总结国内外同类试验机测控系统技术现状的基础 上，吸收先进的微电子技术和试验机控制技术，开发一套新型的基于a r m 微处理器的旋 转弯曲疲劳试验机测控系统。论文围绕这个任务，主要进行了如下几个方面的研究工作： 1 分析旋转弯曲疲劳试验机的系统工作原理与测量参数，制定试验机测控系统的总 体设计方案，并对测控系统中a r m 主控制器要实现的功能进行具体分析。 2 依照总体方案，设计出以3 2 位a r m 微处理器l p c 2 2 1 0 为核心的主控制器，对系 统测量模块、驱动模块及外围电路进行了电路设计；分析系统交流驱动单元的工作原理， 并对a r m 实现系统交流电机的调速控制作出具体阐述。 3 针对系统交流电机的调速控制，在建立交流系统数学模型的基础上，采用一种基 于现代控制理论的矢量控制算法并附以p i d 控制策略来实现无级精度调速。 4 移植实时嵌入式操作系统c o s i i 至l p c 2 2 1 0 ，编写启动代码和主任务程序， 对各任务模块设计用户应用程序，并对上位机的软件系统设计进行结构规划。 5 对基于a r m 的旋转弯曲疲劳试验机测控系统进行软硬件调试，并完成部分试验。 关键词：旋转弯曲疲劳试验机，l p c 2 2 1 0 ，a r m ，z u c o s i i ，矢量控制 浙江工业大学硕士学位论文 t h er e s e a r c ho nm 匝a s u r e t e n ta n d c o n t r o ls y s t e mo fr o t a t i n gb e n d i n g f a t i g u et e s t i n g 地c h i n eb a s e do na r m a b s t r a c t r o t a t i n gb e n d i n gf a t i g u e t e s t i n gm a c h i n ei so n eo ft h eb a s i ci n s t r u m e n t s ，w h i c ha r eu s e dt o t e s tm a t e r i a lm e c h a n i c a lp e r f o r m a n c e s ，a n di th a sw i d e s p r e a da p p l i e dr a n g e s w i t ht h er a p i d d e v e l o p m e n to ft h et e s t i n gm a c h i n et e c h n o l o g y a n dm i c r o - e l e c t r o n i c t e c h n o l o g y , t h o s e m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e m so ft r a d i t i o n a lt e s t i n gm a c h i n e sc a n tm e e tt e s t i n gd e m a n d so f u s e rg r a d u a l l y , s oi ti su r g e n tt h a tt h en e w g e n e r a t i o no fm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e mf o r t h e t e s t i n gm a c h i n eg o e sf o r w a r do nt h ew a yo fd i g i t i z a t i o n , i n t e l l i g e n t i z i n ga n di n t e g r a t i o n a c c o r d i n g t oc o m p r e h e n s i v ea n a l y s i so fs i r n i l a rt e c h n o l o g yn o wh o m ea n da b r o a d ，t h em a i n t a s ko ft h er e s e a r c hs u b j e c ti st od e v e l o pas e to fn e wt y p em e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e mf o r t h er o t a t i n gb e n d i n gf a t i g u et e s t i n gm a c h i n eb a s e do na r m m i c r o p r o c e s s o ra f t e ra b s o r b i n g a d v a n c e dm i c r o e l e c t r o n i ct e c h n i q u ea n dc o n t r o lt e c h n o l o g yo ft e s t i n gm a c h i n e t h er e s e a r c h w o r ko ft h ed i s s e r t a t i o ni n c l u d em a i n l ya sf o l l o w s ： 1 t h es u b j e c ta n a l y z e dt h eo p e r a t i n gp r i n c i p l ea n dm e a s u r i n gp a r a m e t e r so ft h er o t a t i n g b e n d i n gf a t i g u et e s t i n gm a c h i n e ，p l a n n e dt h eg e n e r a ld e s i g ns c h e m eo ft h em e a s u r e m e n ta n d c o n t r o ls y s t e mf o rt h et e s t i n gm a c h i n e ，a n da n a l y z e di nd e t a i lf u n c t i o n st ob er e a l i z e do ft h em a i n c o n t r o l l e ro f a r m 2 t h i sp a r tm a i n l yd e s i g n e dt h em a i nc o n t r o l l e rb a s e do n3 2 - b i ta r m m i c r o p r o c e s s o r ( l p c 2 2 10 ) ；r e a l i z e dt h ec i r c u i td e s i g no fm e a s u r e m e n tm o d u l e 、d r i v e rm o d u l ea n dt h ep e r i p h e r y m o d u l e s ；a n a l y z e dt h eo p e r a t i n gp r i n c i p l eo fa cd r i v e ru n i ta n dr e p r e s e n t e dt h ep r i n c i p l eo f a r m c o n t r o l l i n ga d j u s t a b l e - s p e e da c m o t o r 3 a i m i n ga tt h ec o n t r o lp r i n c i p l eo fa cm o t o rf o rt h es y s t e m ，t h es u b j e c ts e tu pt h e m a t h e m a t i cm o d e lo ft h ea cs y s t e m ，a n da d o p t e dt h ef i e l do r i e n t e dc o n t r o l ( f o c ) a r i t h m e t i c w i t ht h ep i d s t r a t e g yb a s e do nm o d e mc o n t r o lt h e o r yt or e a l i z et h es t e p l e s ss p e e dr e g u l a t i o n 浙江工业大学硕士学位论文 4 a f t e rd i s c u s s i n gt h em e t h o do ft r a n s p l a n t i n gr e a l t i m ee m b e d d e ds y s t e m 2 c o s - i i i n t ol p c 2 210a n dw r i t i n gt h es t a r tc o d ea n dm a i nc o d e ，t h es u b j e c ti sd e s i g n e du s e ra p p l i c a t i o n p r o c e d u r e sf o rt a s km o d u l e ，a n dp l a n n e dt h es o f t w a r es l z u c t u r a ld e s i g no fs u p e r i o rm a c h i n e 5 f i n a l l y , t h es u b j e c tf u l f i l l e dt h ed e b u g g i n gw o r ko fh a r d w a r ea n ds o f t w a r ef o rt h e m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e m k e yw o r d s ：r o t a t i n gb e n d i n gf a t i g u et e s t i n gm a c h i n e ，1 p c 2 2 1 0 ，a r m ，1 t c o s - i i ，f i e l d o r i e n t e dc o n t r o l ( f o c ) 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或其它教育机构的 学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 作者签名：圣永写 日期：为0 7 年箩月沙日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密瞰 ( 请在以上相应方框内打“、”) 作者签名： 导师签名： 口 日期：刀p7 年占月2 岁日 日期：归7 年s 月巧日 鸟节 甜妥 浙江工业大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1引言 试验机是一种用于研究与检测材料、零部件、各类产品的力学性能与可靠性的测试仪 器。它可广泛用于科学研究、能源交通、机械电子等各领域，是科研、生产部门必备的基 本设备。试验机在材料试验、新型材料开发、产品设计、产品质量监督以及质量控制等方 面都发挥着重要的作用【1 】【2 】。 材料试验机是检测材料及其制品在各种环境和模拟状态下的机械性能、工艺性能、结 构抗振强度以及材料与构件内外表面缺陷的重要科学测试仪器与设备。材料试验机作为一 种精密测试设备，对于材料科学的快速发展、工业产品和工程结构的合理设计、有效地使 用材料、改进工艺、减小产品的体积和重量、提高产品质量，以及保证安全可靠和提高使 用寿命等，都具有极其重要的作用【3 】【4 】。它广泛应用于交通运输、冶金建筑、汽车、宇航 与造船以及国防科技、高等院校等国民经济的各个领域和部门。 第一台材料试验机诞生在1 8 世纪的法国，经过几个世纪的发展，特别是进入上个世纪 7 0 年代，随着电子与信息技术的发展，试验机的面貌发生了翻天覆地的变化。目前国际上 普遍认可的英国i n s t r o n 公司和日本岛滓公司的产品体现着试验机行业的先进技术水平。 材料试验机品种繁多，依据测试应用领域或试验机工作原理的不同可以将其细分为多 种类型。而具有代表性的有如下几种：一、万能试验机，用于拉伸、压缩、弯曲、剪切等 试验，使用比较普遍；二、大型试验机，对大型试件实物或接近实物的模型按使用状态进 行模拟试验；三、电液伺服试验机，用于精确地测试材料试验性能和模拟使用状态测试构 件地强度特性；四、高频疲劳试验机，用于疲劳试验；五、蠕变及持久强度试验机，主要 用于测定材料的长时高温机械性能；六、硬度计，用于测定材料和零部件的硬度值；七、 冲击试验机，用于测定材料的冲击性能。 1 2 疲劳试验机控制系统的发展背景及技术现状 1 2 1 疲劳试验机控制系统的发展背景 自从人们发现了利用试验这一手段来研究和探索材料的特性以来，各种用于试验的设 备和系统不断产生，其性能不断完善，试验手段不断拓展。工业生产中各种材料、零部件、 - 1 浙江工业大学硕士学位论文 构件以至整机或整个建筑物等都需要经过试验才能确定它们的力学性能。在了解了这些性 能以后才能使设计合理、使用可靠，经过试验才能确定产品性能的优劣。困此，试验机在 国民经济中占有相当重要的地位，它的发展水平在某种程度上反映了一个国家工业发展的 水平。 旋转弯衄疲劳试验机( 如图卜1 ) 是测定材料机械性能的基本设备之一，主要用于做金 属的弯曲机械性能试验，可完成对材料的强度的检测。近年来国外生产的弯曲疲劳试验机， 由于应用了一些新技术，使试验机的性能有了很大的提高，应用范围更加广泛。 司 糊熏鹬 罔1 - l 旋转弯曲疲劳试验机实物图 随着生产力水平的提高和科学技术的飞速发展，人们对各种新材料的强度试验提出了 更高的要求，我们关心的不单是试件在恒定速率及恒定载荷下的强度，而且还关心它们在 某种规律下被加载时的表现。要完成特定规律下的加载控制，靠传统的控制方法实现起来 是比较复杂的，尤其是对于某些复杂的加载以及高耪度的调速过程来说，传统的控制系统 是难于实现的。让人感到庆幸的是，人类文明已经进入计算机时代，计算机的应用己走入 科研和生产的各个领域，并在这些领域为我们开辟了许多新的发展空问。和其它许多科研 领域一样，材料的强度实验也进入了计算机时代。计算机参与控制的弯曲疲劳强度试验系 统是一种软硬件结合的控制系统，相对于传统的控制系统而言其优势是不言而喻的。首 先，它可以完成较为复杂的控制过程；其次，它的造价较低。随着计算机产业的飞速发展， 硬件产品的成本逐年下降，现在，我们只要花费较小的代价就能构建功能较为全面，能完 成较为复杂试验过程的控制系统。另外，值得一提的是，计算机参与构成的实验控制系统 具有试验结果的存储和分析功能，使得此类系统能为研究人员提供及时准确的试验数据和 结果分析，从而大大缩短试验周期，提高试验效率。由此看来开发操作简便，功能强大 浙江工业大学硕士学位论文 的试验控制系统是有其实际意义的。 1 2 2 疲劳试验机控制系统的国内外技术现状 在六七十年代，多数试验机是采用传统的机电控制手段实现对试验过程的控制，对此 类设备中普遍存在操作过程烦琐、试验精度不高、试验数据的保存不便和处理不及时等问 题，上述问题的存在，在一定程度上限制了试验机的使用和发展l 。八十年代中后期，随 着计算机技术的普及，国外的一些厂家己经将计算机控制技术引入疲劳试验领域，试验机 产业就其规模、品种、先进程度、销售量而言以美国，德国、日本等国为领先水平。目前， 弯曲疲劳试验机主要由单相或三相电机驱动的，由于国外在其电机驱动算法上的改进，除 了传统的u f 、矢量控制等算法，又开发出了非线性反馈解耦控制、前馈解耦控制、滑模 变结构控制、模糊控制、转差频率控制等等系列控制算法，这些新型算法使试验机在性 能与操作上有了很大的提高。国外的疲劳试验机经过四十多年的发展，先后推出了四代产 品：第一代为电子管与晶体管时代，第二代为集成电路模拟时代，第三代为数字时代，第 四代为计算机时代 6 】。比较知名厂家有：美国m t s 公司、奥尔森公n ( o l s e n ) 和总部设 在美国的英斯特朗0 n s t r o n ) 公司；德国m f l 公司、申克( s c h e t j c k ) 公司、沃尔伯特 ( w o l p e r t ) 公司和茨维克( z w l c k ) 公司；日本的岛津公司、东京衡机公司、东洋精机公 司以及松泽等等。图1 - 2 为m t s 公司运用电液伺服技术，选择t e s t s t a r l 数字式控制器， 配合m p t 动态淘l 试软件，制造出可做拉扭复合试验的电液伺服万能材料试验机m t s 8 1 0 ， 可以对金属，非金属多种材料进行力学测试。图】3 为岛津公司采用载荷传感器，使用高 剐性框架和1 2 5 m s e c 的超高速采样功能，数据处理和控制盘使用操作简便的用户界面和 软件t r a p e z i u m 而研发的a g i s 型系列拉伸试验机。 州i - 2l u j ! ! 伺服万能试验机 盛，。i越 土j；癣 一函 浙江工业大学硕士学位论文 孵 图1 0 拉伸试验机 我国对试验机领域新仪器和新设备的研制起步较晚，直到七十年代，长春试验机厂研 制出5 0 吨动静万能试验机，长春试验机厂以及济南、天水红山试验机厂研制出电液伺服 试验机，才把我国动态试验机研究水平提高了一大步。近年来国内试验机行业正加快步伐， 广泛采用计算机控制、电液伺服、高精度测力和测变形技术，研制出各种金属和非金属的 疲劳试验仪器和工况动态力学试验设备，填补了国内空白，部分设备还达到了国际先进水 平，同时，也使我国的试验领域得到了进一步扩展。但是与国际先进水平相比，我国的试 验机水平还相差较远，弯曲疲劳试验机在其控制上主要还是传统的u f 与矢量控制，因 为相关领域如电液伺服阀、伺服液压缸、电子技术、计算机技术等相对比较薄弱，在一定 程度上影响了试验机行业的发展，部分关键零部件及技术仍需进口。因此，赶超世界先进 水平，实现全部产品和零件国产化，仍是我国试验机行业今后的奋斗目标。图1 - 4 为长春 试验机厂采用德国d o l i 公司e d c l 2 0 型或e d c 6 0 型数字控制器作为测控系统，计算机 测控系统采用w i n d o w s 平台下的能满足现代化工程力学材料试验的中文软件包，全部键 盘操作。而开发的电子万能试验机 斟1 4 电f 万能试验机 百燧 浙江工业大学硕士学位论文 随着试验机技术的发展，国内外旋转弯曲疲劳试验机，近年来已发展了三种不同的控 制方式川： 第一种是多采用8 位m c s 一5 1 系列单片机组成测量、控制单元，通过计算机与其通讯 实现模拟控制的旋转弯曲疲劳试验机。上述控制方式虽然实现了等速、等应力、等应变控 制，但在试验过程中各种控制方式及速率无法相互平滑切换，因此不能满足新修订的试验 法要求。 第二种是以3 8 6 计算机为内核的测量控制电箱( 德国d o l i 电箱) ，各生产厂家另配 计算机及试验软件与其通讯的旋转弯曲疲劳试验机。该产品只能实现程序控制，对实验员 素质要求较高，试验效率及成功率较低，维修也很困难。 第三种是采用数字式脉宽调制技术，全数字闭环多功能控制的旋转弯曲疲劳试验机。 目前国内已有部分厂家生产的试验机就是采用这种控制方式，其测量控制系统既可实现程 序控制又可实现随机控制试验。在试验过程中，各种控制速率及控制方式均可互相平滑切 换。 1 3 课题的背景和研究意义 1 3 1 课题背景 旋转弯曲疲劳试验机主要用于对黑色金属及其合金材料在室温条件下进行旋转弯曲 疲劳试验，利用升降法以及成组法等方法来测定金属圆形横截面试样在旋转状态下承受弯 曲力矩时的疲劳性能。本课题建立在硬件设备旋转弯曲疲劳试验机工作原理的基础上，核 心内容是通过对电机的驱动来实现对试验转速的无级调节，以触摸屏技术以及与p c 机的 通讯来实现对疲劳试验机的自动化控制，使得触摸屏与p c 机能分别单独控制试验机，改 进原机性能，改善操作条件，提高了试验精度和疲劳试验机的自动化程度。 1 3 2 研究意义 疲劳试验机属于技术密集型的测试装置，目前它己经涉及到机械、液压、电子、材料、 测量、自动控制等许多技术领域；并且还综合了近代闭环伺服、数字显示、机电一体化以 及电子计算机等高新技术，被广泛应用于新材料开发，结构设计和机械、船舶、航空、航 天、人体力学性能研究等方面。国内外许多大型试验机一般采用微电子伺服技术，通过改 变机器的运行参数就能自动完成所需进行的试验，并将试验结果和试验数据自动采集、处 理、显示记录和打印，极大程度地减轻了技术人员的劳动和提高了试验效率。 浙江工业大学硕士学位论文 目前，广泛使用的旋转弯曲疲劳试验机有许多不足，首先，它需要试验人员按照一定 的手动程序对电机进行调速，这样的有级调速一方面不能够保证电机调速的连续性，导致 在许多速率下对材料强度性能缺乏认识；另一方面无疑需要操作人员要经常的检测以及适 时的手动调节转速，浪费人力的同时，增加了操作的繁重性，给疲劳试验带来很大的不便； 再者比如手动加载卸载的问题，对于p q l 6 型疲劳机，其加载过程是：先起动电动机， 待运转正常后，转动手轮加载至杠杆水平止，然后打开计数器开关，在试件尚未断裂而需 停车时，需先卸载，后停车。如果违背这一操作过程，即在有载的情况下启动电机或未卸 载就停车，将会产生共振，从而造成试件的报废甚至试验机损坏。这种事故是容易发生的， 尤其在供电不正常的地区常常是不可避免的。因为突然停电时，试验人员来不及在电机转 速降至共振转速之前把载荷卸掉。因此旋转弯曲疲劳试验机随着科技进步和被试验对象的 需要，正向着全微机化、智能化、节能化的方向发展，以期进一步提高试验机的效率，提 高试验机的精度和降低损失和能耗。 1 4 本课题的研究任务 针对旋转弯曲疲劳试验机测控系统的功能要求，课题的主要研究任务是利用集成微电 子技术、嵌入式技术、计算机技术等高新技术，设计出基于a r m 微处理器的旋转弯曲疲 劳试验机测控系统。 围绕既定研究任务，本课题的研究内容主要为以下几个方面： ( 1 ) 分析旋转弯曲疲劳试验机的系统原理与测量参数，制定试验机测控系统的总体 设计方案。 ( 2 ) 根据旋转弯曲疲劳试验机要求转速精度高以及平滑无极调速的工作特点，制订 出采用以变频调速为原理的矢量控制算法，更附以p i d 控制策略，实现转速、电流双闭 环的试验机调速系统。 ( 3 ) 依照总体方案，首先设计出以a r m 微处理器为核心的系统主控制器，具体包括 硬件平台的搭建、存储器模块的扩展、通用接口和人机交互接口等模块的硬件设计；接着 对三相异步电动机驱动模块进行电路设计；最后利用光电编码器以及霍尔电流传感器对转 速与电流检测电路进行设计。 ( 4 ) 将实时操作系统g c o s i i 移植到a l 蝴芯片，在此基础上进行任务模块划分和设 计，给出相应任务的执行流程，并对上位机的软件系统设计进行结构规划。 ( 5 ) 对基于a r m 的旋转弯曲疲劳试验机测控系统进行软硬件调试，并完成部分试验。 浙江工业大学硕士学位论文 第2 章旋转弯曲疲劳试验机的机构分析及 总体控制方案设计 2 1 引言 试验机控制系统的设计及其性能的好坏，在很大程度上取决于设计之初拟订的总体方 案。本课题当中，旋转弯曲疲劳试验机测控系统主要是由三相异步电机驱动机构、基于 a r m 的试验机控制器( 下位机) 、计算机系统( 上位机) 、人机交互模块、测量单元等组 成。本章在对旋转弯曲疲劳试验机机构进行理论分析的基础上，提出了其测控系统总体方 案的设计，并对其各功能模块做了简要的规划。 2 2 旋转弯曲疲劳试验机的机构分析 2 2 1 实验原理 金属材料在交变应力长期作用下发生局部累计损伤，经一定循环次数突然发生断裂的 现象称作疲劳破坏。疲劳破坏是一个裂纹形成、扩展、直至最终断裂的过程。在工作应力 超过疲劳极限仃，时，由于循环应力的反复交变，构件上应力最大或材料最薄弱的地方首先 形成微裂纹。随着循环次数的增加，裂纹按一定速率逐渐扩展，当裂纹面上的应力达到材 料的断裂强度时，就突然发生断裂。断裂时，宏观上没有明显的塑性变形，因此表现为脆 断。疲劳断口明显地分成光滑区( 裂纹扩展区) 和粗糙区( 最后断裂区) 。 金属材料的抗疲劳性能常用s - n 曲线( 即应力寿命曲线) 来描述。s - n 曲线常以最大 应力戤或应力幅仃为纵坐标；断裂前的循环次数n ( 疲劳寿命) 为横坐标。在s - n 曲线的 高应力区，应力仃与疲劳寿命n 有对应关系，应力仃愈大、疲劳寿命n 愈低常称为有限寿 命。 对于一般碳钢，在应力下降到一定程度时，如果经受1 0 7 次循环仍不破坏，试验证明循 环继续下去试样也不发生破坏，s - n 曲线表现出明显的水平部分，相应的最大应力戤称 作材料的疲劳极限记做盯，。而某些合金钢和有色金属它们在经受1 0 7 次循环后仍会发生破 坏，s - n 曲线上没有明显的水平部分，它们的疲劳极限o r , 可采用规定循环次数m 的办法来 1 浙江工业大学硕士学位论文 确定，n o 一般规定为1 0 7 或1 0 8 次。 应力比，= 。= - 1 时称作对称循环，对于同种材料，对称循环的疲劳极限以，最 低，作为疲劳强度设计的依据最保险，所以s - n 曲线常在纯弯曲对称循环条件下测定。 疲劳试样的形式和尺寸取决于试验机的类型和实际工作的需要。由于疲劳强度对试样 表面的缺陷十分敏感，所以试样加工应非常严格地按有关标准进行。试验时，试样随夹头 一起高速旋转，由于载荷方向始终保持不变，试样上各点的应力大小和方向由o 一吒戤一o 一一o 反复变化，表面的最大应力为( 如图2 - 1 ) ： 吒雏= 丽e o = 面1 6 p o ( 2 - 1 ) 其中，如代表试样的直径。 6 a = o m a x 似八一 图2 1 对称应力循环 2 2 2 实验分析 本实验用类似于国产1 2 型疲劳试验机的实验装置进行。国产】2 型疲劳试验机是一种简 单支梁式纯弯曲疲劳试验机，原理如图2 2 所示。试件( 1 ) 装在滚筒( 2 ) ( 3 ) 内的弹簧夹头中， 砝码( 4 ) 通过吊杆作用于试件上，使试件处于纯弯曲受力状态。电机( 5 ) 通过十字轴( 6 ) 使试 件转动。实验的循环次数，通过计数器( 7 ) 记录下来。试件断裂或达到预定的次数后，由控 制系统控制其自动停车。 疲劳极限o - ，在s n 曲线的低应力区，用升降法测定。试样数量通常需1 3 根以上。在0 一定的条件下，试验一般在3 一- 5 级应力水平下进行，应力增量一般为预计疲劳极限的3 5 。第一根试样的应力水平略高于预计的疲劳极限。根据上根试样的试验结果( 断与 r 浙江工业大学硕士学位论文 不断) ，决定下一根试样的应力( 降低还是升高) ，直至完成全部试验。当n 第一次出现 一对断与不断的相反结果时，那么它们以前的试验数据如果处在后面试验数据的波动范围 之外，则予以舍弃；如处在上述波动范围之内，则作为有效数据加以利用。 2 1367 5 图2 2 疲劳试验机 实际上，许多试样的试验结果落在一个带内。因此疲劳极限是一组试样的统计平均值。 疲劳极限按下式计算： o l 专善一q mdap(2-2) 式中：肌一有效试验的总次数( 破坏或通过的数据均统计在内) ； 刀一试验应力水平级数； 正一第f 级应力水平； 1 ，一第f 级应力水平下的试验次数( f - l 、2 、刀) 。 测定s - n 曲线时，通常至少取4 - - 5 级应力水平。用升降法测得的条件疲劳极限作为s - n 曲线的低应力水平点。其他3 - - - 4 级较高应力水平下的试验，用成组试验法，每组试样数量 的分配，取决于试验数据的分散度和所要求的置信度，并一般随应力水平的降低而逐渐增 加，通常一组需五根左右试样。 2 2 3 控制关键 由上面的工作原理我们得知，弯曲疲劳试验机试验的关键是要保证其在不同的转速及 9 浙江工业大学硕士学位论文 不同载荷下对试样进行试验，测试其疲劳性能，由于加载是通过砝码进行手动加载，无需 控制系统的参入，因此对转速的高精度无级调节，成为控制系统的核心部分。此外，控制 系统在识别试样达到预定的试验次数后，要控制电机停转，处理测量单元反馈的速度、电 流、旋转次数等信号，通过l c d 实时显示试验数据以及分别通过p c 机和人机交互界面来 控制试验机等功能。 2 3 旋转弯曲疲劳试验机测控系统的总体方案设计 目前，国外试验机测控系统的技术改造和设计方案主要有两种 8 1 【1 3 1 ：一种是以采用单 片机为核心的技术方案，另一种是以通用p c 机为核心的技术方案。 第一种方案即是采用现代嵌入式单片机结构，综合集成微电子技术，使之外形紧凑但 是具有完整的计算机功能，甚至有的还具有丰富的远程监控功能，使用方便、功能齐全。 第二种方案即是利用通用p c 的系列总线技术( 如使用比较广泛的i s a 总线、p c i 总线 等) ，设计基于试验机系统的专用数据采集卡且安装于p c 微机的主机插槽中。它实际上是 采用基于i s a 总线或p c i 总线等的试验机数据采集卡和虚拟控制器软件，利用现代个人计算 机和w i n d o w s 系统，实现微机自动控制。这种p c 系统适合那些需要全自动微机控制试验过 程或者强大数据处理能力的用户。 本测控系统的设计主要是采取第一种方案，即以3 2 位嵌入式微处理器a r m 为核心，充 分利用a r m 芯片内部所集成的丰富资源，将试验机测控系统设计成简单、便携的测量与控 制仪器。和个人计算机相比，嵌入式微处理器a r m 具有体积小、重量轻、成本低、可靠性 高的优点：而相对于以往的8 位单片机，3 2 位嵌入式微处理器a r m 不仅具有更为丰富的片 上外设资源，而且有更强的实时性，一般用于一些对实时性要求很高的场合，适合于信号 处理和控制，应用范围涉及汽车工业、医疗设备、消费电子、工业自动化及仪器仪表等产 业。对于旋转弯曲疲劳试验机测控系统的技术改造，应用嵌入式微处理器a r m 完全也可满 足性能要求。 根据旋转弯曲疲劳试验机的性能要求，其测控系统主要由基于a r m 的主控制器、人机 交互模块、与r s 2 3 2 通讯接口、三相异步电机驱动模块、测量模块、上位机软件系统及配 套的测控软件等组成。 综合上面的分析，旋转弯曲疲劳试验机的系统总体结构框图如图2 3 所示： 浙江工业大学硕士学位论文 i； ! 测量模块 ! 。 图2 3 系统总体结构框图 系统组成部分的具体方案设计如下： 1 a r m 主控制器：是采用3 2 位a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e ) 结构微处理器 l p c 2 2 1 0 ，外围扩展存储器模块，液晶显示器( l c d ) 和触摸屏作为人机交互接口设备。 主控制器主要负责接受系统测量信号并进行处理、显示，同时系统控制算法由a r m 芯片 软件编程实现，通过过程软件适时向异步电机驱动单元发出控制命令，实现转速的精度调 节。 2 三相异步电机驱动单元：这是试验机测控系统的核心部分，由交流异步电机驱动 模块和专用的电源组成，其主要功能是将a r m 微处理器里面按照一定算法所生成的命令 “翻译”成相应的控制命令驱动异步电机以设定的速度旋转，并在过程中把光电编码器测 出的位置信号以及霍尔传感器所测得的电流信号反馈回控制器，计算出实际转速，通过参 数的调整不断优化，以达到向设定的速度精确靠拢的目的。 3 测量模块：系统的测量主要包括速度、旋转次数、驱动过程中电流与电压的测量。 其中速度与电流构成的双闭环矢量调速控制系统保证了电机的高精度调速要求，电压与电 流的测量还起到过压与过流保护的作用，此外旋转次数信号的反馈保证了试验机在达到预 定次数后的自动停机。 4 人机交互模块：人机交互模块i 由l c d 和触摸屏共同组成，l c d 主要是实时显示相 关数据的功能，触摸屏则是为了方便实验者可以分别通过p c 机和触摸屏来控制试验机的 整个试验过程而设计的。 5 与上位p c 机的通信：以r s 2 3 2 接口连接a r m 主控制器( 下位机) 和p c 机，转速与 浙江工业大学硕士学位论文 试验次数等参数需要修改时，由上位机发送给a r m 控制器；一次试验结束后，下位机将 相关参数发送给上位机，进行后台处理分析。 2 4 系统主要技术参数 试验速度范围： 9 0 0 - l0 0 0 0 r m ，无级调速 转速误差： 3 - - 1 0 r m 载荷： 1 0 0 1 0 0 0 ( n ) 载荷产生的弯矩：6 - 6 0 ( n 术m ) 弯矩相对误差： 1 杠杆比： l ：1 4 4 试样直径： 9 5 m m 直径偏差： 0 0 5 m m 主轴径向跳动： o 0 2 m m 加荷部位跳动： 0 0 6 m m 整机电源： a c 2 2 0 v5 0 h z2 k w 工作环境：室温5 - - - , 4 0 。c ，湿度2 0 - 8 0 2 5 本章小结 本章首先阐述了旋转弯曲疲劳试验机的工作原理，然后对其机构的控制关键及控制要 求进行分析，在此基础上参考国外旋转弯曲疲劳试验机测控系统的设计方案，给出了系统 总体结构框图，并简要介绍了组成单元的实施方案。最后依照设计思路和规范确定了主要 技术参数。 浙江工业大学硕士学位论文 第3 章系统控制算法及策略 3 1 引言 针对旋转弯曲疲劳试验机系统的三相异步电机的控制，本章主要从理论上探讨其控制 算法及策略，以三相异步电机为控制对象，建立系统数学模型，采用一种基于现代控制理 论的s v p w m 矢量变换的控制算法，附以p i d 控制策略，实现电机转速精度上的优化。 3 2 整体策略 在旋转弯曲疲劳试验机的试验过程中，由于试验机的机械特性、电机驱动单元模拟器 件参数等变化的影响，系统参数容易变化，即存在着一些时变参数和非线性因素。因此， 本试验选用对交流电机转速具有解耦效应的矢量变换控制算法以及经典控制理论中的校 正方法p l d 调节来实现转速的精度控制，使得系统的快速响应性能和稳定性能都得到了最 大程度上的改善。但是为了保证试验的性能指标不受系统参数变化的影响，在做材料试验 过程中，试验人员要不停地调节控制器的p i d 参数，不断优化其性能，在时间与人力上有 一定成本。 在本课题中，旋转弯曲疲劳试验机的控制系统是采用交流三相异步电机作为“动力 源 。首先通过光电编码器和霍尔传感器的测量信号反馈给主控制器，主控制器根据反馈 的脉冲及电流信号控制电机的转速来保证其试验速率的恒定以及调速性能的平滑。实际上 在旋转弯曲疲劳试验机加载后，异步电动机的负载力矩往往就是要求连续平缓变化的，即 等速率加载。 试验机系统的交流p w m 驱动单元主要包括一个转速调节环节和一个电流调节环节，其 控制结构如图3 1 所示。其中内环即电流环，外环为速度环，在电机的闭环调速控制系统中， 通常使用的速度调节器和电流调节器都是采用p i 调节器( 比例积分调节器) 。 图3 1交流驱动单元控制结构图 1 3 浙江工业大学硕士学位论文 3 3 异步电机矢量控制的原理及其坐标变换 根据电机学原理可得，交流异步电机转速是由供电电源频率、电机的极对数、以及转 差率所决定的，从而转速厕以表示为【1 4 】【1 5 】： ，z ：盟( 1 一s ) ( 3 1 )，z = 土i l s ll j lj p 式中：正电机定子供电电源频率；p 为电机磁极对数；s 为转差率； 由( 3 - 1 ) 式可知，影响电机转速的因素主要有：电机的磁极对数p 、转差率s 和供电 电源的频率z 。在这三个因素中，通过改变电源供电频率六来实现交流异步电机的调速方 法效果最为直接有效，这也就是我们所称的变频调速。这种调速方法，可以获得很大的调 速范围，很好的调速平滑性和相对稳定性。 由电机学原理可以得出直流电机转矩与电枢电流的关系为： z = c ；册l ( 3 - 2 ) 式中：q 为直流电机的转矩系数，磁通。和电枢电流l 之间互成9 0 。正交关系，在 电路上可以进行独立的控制，且互不影响。可以保持磁通。不变，通过调节电枢电流l 就 可以实现对电磁转矩巧的控制，由此可知直流电机调速的电枢和励磁是相互独立的两个参 量，不是耦合的，这样能够对电枢电流和励磁电流做到精确控制【16 】【1 7 1 。而三相异步电机转 矩与转子电流的关系为： l = g 。c o s c p ( 3 - 3 ) 式中g 是异步电机的转矩系数，气隙有效磁通。与转矩电流之间，是既不成直角 关系又不相互独立的两个变量，转矩电流不仅与。有关，且还与转差率j ( 或者转速门) 有关，由此可知交流异步电机的电枢和励磁是耦合的，这就直接导致交流异步电机转矩难 以进行实时控制。 为了让交流异步电机获得与直流电机相似的控制性能，交流电机的矢量控制理论提出 了坐标变换的思想，即要把交流电机的定子电流，。分解成两个相互垂直且独立的分量：一 个是励磁电流分量，n ，另一个是转矩电流分量，丁，并把这两个分量k 和岛作为基本的 控制信号。其坐标变换就是先将三相交流坐标系上的电流信号通过坐标变换转换到两相平 面直角坐标系中，然后再转换到两相垂直的旋转坐标系中，以此来达到解耦的目的。这样， 浙江工业大学硕士学位论文 通过调节k 和l ，这两个相互独立且相互垂直的等效直流信号，就可以达到控制交流电机 运行过程中的三相交流信号，从而控制交流电机的调速。在进行控制时，完全可以和直流 电机的控制样，让励磁电流匕不变，只控制转矩电流，并可以得到和直流电机相类 似的控制效果【1 8 】。 以上只是对矢量控制理论的粗略介绍，要将其运用于交流电机控制系统中还需要进行 严密的推导计算，找到适合软件实现的控制算法。 3 3 1 矢量控制变频调速的基本思想 根据直流电机的原理可知，直流电机由于电刷和换向器的作用，使得磁极面下的电枢 电流l 方向保持固定不变，而励磁电流l 决定了磁通。方向，电枢电流l 与磁通西。正 交，若不考虑电枢反应的影响，可以看到厶与j ，是两个相互独立的变量。根据左手法则判 断，直流电机将产生如图3 2 ( a ) 所示的电磁转矩乙，且电机以角速度q 旋转。就直流电机 而言，磁通q 。由励磁电流0 产生，若忽略磁路非线性的影响，脚与0 成正比，而与l 无 关，当励磁电流j ，不变时，磁通中。也不变，由( 3 2 ) 式直流电机的转矩方程可以得到， 控制电枢电流厶就可以控制直流电机的电磁转矩z 。在直流调速系统中( 弱磁升速除外) ， 一般主磁通。可以事先建立起来，而不参与系统的动态调节。由直流电机的运动方程式： 巧一瓦= j 去 ( 3 枷 式中：互包括电机空载转矩在内的负载转矩； 一直流电机的电磁转矩； ，一电力拖动系统运动部分折算到电机轴上的转动惯量； ，z 一电机的转速。 当负载转矩瓦发生变化时，只要调节电枢电流，口即可调节电磁转矩，从而可以获得 满意的直流申机调速的动态特性。 浙江工业大学硕士学位论文 o o ( a ) 直流电机( b ) 交流电机 图3 2 电磁转矩等效原理图 对交流异步电机而言，电流、电压、磁通电磁转矩各量之间是相互关联的，属于强耦 合的状态；变频调速系统中有电压、频率两个独立的输入变量，且电压是三相的，因此系 统为多变量系统；又因为异步电机中，转矩正比于主磁通与电流，而且这两个物理量又是 同时变化的，决定了异步电机数学模型中有两个变量的乘积项，因此系统又为非线性系统。 由交流异步电机的转矩方程可知，气隙磁通、转子电流与转子功率因数都影响着电机的有 效转矩，同时，这些参量又都与转速有直接的联系。这无疑使得这个强耦合、多变量、非 线性的调速系统变得更加复杂，难于实时控制。 自从f b l a s c h k e 提出交流电机的矢量控制理论，对于交流电机来说，也就是把直流电机 的变频调速控制理论应用到交流调速控制系统中，于是需要对交流电机建立正确合理的数 学模型。交流电机矢量控制的基本思想就是坐标变换，通过坐标变换，将交流电机定子的 三相交流信号变换成励磁电流。和转矩电流0 这两个等效直流信号，如图3 2 ( b ) 所示， 在调速过程中保持励磁电流妇不变，即气隙有效磁通西。不变，此时与直流电机调速原理 相似，只通过控制转矩电流f 就可以控制电磁转矩1 6 1 。 根据三相异步电机结构原理可知，定子三相绕组在空间上相互相差1 2 0 。，且输入的 三相平衡交流电流在相位上也是相差1 2 0 。，当对三相绕组通以三相平衡交流电后，在空 间上合成随着时间而旋转的旋转磁场，其同步角速度为国。，参见图3 3 ( a ) 所示；事实上， 产生旋转磁场不定非要三相绕组，取空间上互相垂直的两相绕组，同时在绕组中通以空 间上互差9 0 。的两相平衡交流电流时，也能建立一个旋转磁场，参见图3 3