步進(jìn)電機(jī)在木材機(jī)械吸濕蠕變測定儀中的應(yīng)用

侯庭瑞　楊勇

摘 要 為了研究木材在溫、濕度變化條件下的機(jī)械吸濕蠕變特性及其影響因素，研制出可施加一定范圍內(nèi)的恒力的木材蠕變儀。該儀器采用精密稱重傳感器作為測力敏感元件，紅外激光位移傳感器作為蠕變變形測量元件，五相步進(jìn)電機(jī)作動力，并通過RS232串口線與電腦配合使用。通過對步進(jìn)電機(jī)的性能以及實驗要求的分析，選取合適的電機(jī)應(yīng)用在實驗中。該電機(jī)具有高精度，易控制的特點，實驗數(shù)據(jù)也可為相關(guān)實驗實現(xiàn)自動化控制奠定的良好的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞 步進(jìn)電機(jī)；蠕變；木材

中圖分類號：S781 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）08-0016-02

木材的木材機(jī)械吸濕蠕指的是木材在含水率變化狀態(tài)下所表現(xiàn)出的一種蠕變增大、甚至最終導(dǎo)致其發(fā)生破壞的特異現(xiàn)象。木材作為一種應(yīng)用廣泛的工程材料，對其蠕變特性進(jìn)行系統(tǒng)考察，對指導(dǎo)木材在工程中的合理利用、以及完善木材科學(xué)基礎(chǔ)研究具有重要的現(xiàn)實意義和理論價值。

以往木材機(jī)械吸濕蠕變研究中動態(tài)溫、濕度條件主要利用恒溫恒濕箱來實現(xiàn)，但施力方法尚未實現(xiàn)自動控制檢測，力的施加和卸載需要開關(guān)箱門進(jìn)行人工添加或減少砝碼進(jìn)行調(diào)節(jié)，這必然會影響箱內(nèi)設(shè)定的溫、濕度環(huán)境，進(jìn)而對木材機(jī)械吸濕蠕變的測量結(jié)果造成誤差。同時，應(yīng)用砝碼施加或卸載力只能設(shè)定間歇力的作用，而無法獲得連續(xù)力的設(shè)定效果。

基于上述問題，對機(jī)械吸濕蠕變的研究往往需要一種尺寸小、可容納于恒溫恒濕箱中，且能夠?qū)崿F(xiàn)自動施加、卸載木材受力的蠕變測定裝置來完成科學(xué)、準(zhǔn)確的測量工作。為了實現(xiàn)自動而精確地施加、卸載木材的作用力，高精度的控制電機(jī)的應(yīng)用至關(guān)重要。

1 木材機(jī)械吸濕蠕變實驗方法

根據(jù)木材和工程復(fù)合木材的持續(xù)負(fù)載和蠕變影響評定關(guān)于木材吸濕蠕變實驗方法的詳細(xì)描述[1]如下。

1）實驗樣本應(yīng)該能夠代表所評價的產(chǎn)品。將實驗樣本分成兩個具有幾乎相同的分布和變化范圍的獨立的組。一組進(jìn)行短期的抗彎實驗，另一組做長期的抗彎蠕變實驗。每組至少需要28個試樣。如果要做進(jìn)一步的研究，增加的試樣應(yīng)該從初始所選擇的樣本中抽樣。長期和短期的試樣應(yīng)該具有同樣的橫截面和長度尺寸。①采用簡支梁法，將試樣放在兩支點上，由兩個距離支點1/3跨距的集中力加載。載荷施加的方向應(yīng)該與設(shè)備一般使用時受力的方向一致；②對于擱柵，跨距應(yīng)不低于試樣厚度的17倍，推薦跨距為試樣厚度的18倍。實驗應(yīng)該保持側(cè)面的穩(wěn)定性，必要時需要對側(cè)面進(jìn)行約束；③對于木基結(jié)構(gòu)板材，試樣厚度為板材的厚度，寬度應(yīng)不低于300 mm，跨距應(yīng)該不低于試樣厚度的48倍。

2）短期試樣抗彎實驗完成后，立即在鄰近破壞處取

20 mm×20 mm×20 mm的含水率試樣，按GB/T 1931測量其含水率，對于長期試樣在長期實驗結(jié)束后也根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)測量含水率。長期試樣的平均含水率與短期試樣含水率的偏差不能高于土2%。在實驗前，將短期和長期試樣在實驗環(huán)境中調(diào)整至少30天，一般能夠保證含水率變化在±2%范圍內(nèi)。

3）抗彎蠕變實驗應(yīng)在平均溫度為20℃、相對濕度為50%的條件下或者在接近此條件的室溫條件下進(jìn)行。每天記錄實驗環(huán)境的溫度和相對濕度。實驗環(huán)境中每天的平均溫度與短期實驗室溫度的差異不應(yīng)大于5℃。任何時間，實驗環(huán)境溫度不得低于0℃。

注：如果在實驗中環(huán)境溫度低于規(guī)定的溫度下限，就應(yīng)至少延長不符合實驗溫度條件相同天數(shù)的試驗時間，以證明實驗數(shù)據(jù)的有效性。

在木材吸濕蠕變實驗中，所提及到的周期為90天。而一般采用的木材在實驗中受力為0-100 N，控制電機(jī)在溫度20℃和相對濕度50%的環(huán)境中只要做好相關(guān)的處理之后都能正常并且長期的運行。

根據(jù)木材機(jī)械吸濕蠕變實驗的實驗方法，已設(shè)計出木材蠕變儀的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

1：控制電機(jī)；2：稱重傳感器；3：載重支架；4：砝碼安裝部；5：施力圓柱；6：支撐件；7：激光位移傳感器；8：實驗?zāi)静?/p>

圖1 木材吸濕蠕變測定儀結(jié)構(gòu)示意圖

2 控制電機(jī)的類型

為了達(dá)到能夠完成位移精確變化的要求，選取控制電機(jī)中適合的電機(jī)進(jìn)行性能和綜合性的對比分析，給出最佳類型的電機(jī)作為蠕變儀的組成部件。首次選取的電機(jī)分別有自步進(jìn)電機(jī)、整角機(jī)、伺服電機(jī)三種。

1）步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)是一種變磁阻式，將電脈沖信號轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的角位移或者線位移運動的開環(huán)控制元件[2]。它的結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠，能將數(shù)字的電脈沖信號轉(zhuǎn)化為模擬的轉(zhuǎn)動軸運動。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器收到一個電脈沖信號，它就驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動固定的角度，信號可持續(xù)給入步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)可持續(xù)轉(zhuǎn)動，亦方向可逆[2]。

步進(jìn)電機(jī)具有以下特點：

①一般的步進(jìn)電機(jī)精度為步進(jìn)角的3%-5%，沒有累計誤差，具有良好的跟隨性[2，3]；②步進(jìn)電機(jī)與驅(qū)動電路組成的開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)非?？煽?，它可以與角度反饋環(huán)節(jié)組成高性能的閉環(huán)控制系統(tǒng)；③步進(jìn)電機(jī)動態(tài)響應(yīng)快，易于起停、正反轉(zhuǎn)以及變速[3]；④步進(jìn)電機(jī)只能通過脈沖電源供電才能運行，它不能直接使用交流電源盒直流電源，更加安全[3]；⑤步進(jìn)電機(jī)的力矩會隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動時，電機(jī)各相繞組的電感將形成一個反向電動勢；步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動頻率越高，反向電動勢越大。在它的作用下，電機(jī)隨頻率的增大而相電流減少，從而導(dǎo)致力矩的下降[2]；⑥步進(jìn)電機(jī)低速時可以正常運轉(zhuǎn)，但若高于一定速度就無法啟動[2]；⑦步進(jìn)電機(jī)存在震蕩和失步現(xiàn)象，必須對控制系統(tǒng)的機(jī)械負(fù)載采取相應(yīng)的措施[3]。

2）自整角機(jī)[4]。自整角機(jī)是一種將轉(zhuǎn)角變換成電壓信號，或?qū)㈦妷盒盘栕儞Q成轉(zhuǎn)角，通過兩個或兩個以上的組合使用，以實現(xiàn)角度的傳輸、變換和接收的元件。由包括自整角機(jī)在內(nèi)所組成的同步聯(lián)接系統(tǒng)，是以電的聯(lián)系。可以使角度變化通過傳動軸變化為位置的變化，無論距離遠(yuǎn)近均能實現(xiàn)傳輸、變換和指示。在此，由于精度要求較高，自整角機(jī)在蠕變儀中的高精度控制中必須要依賴于伺服電機(jī)以及其它元件的配合才能完成，便可直接采用伺服電機(jī)。endprint

3）伺服電機(jī)[5]。伺服電機(jī)是指伺服系統(tǒng)中控制機(jī)械元件運轉(zhuǎn)的發(fā)動機(jī)，是一種閉環(huán)控制的補(bǔ)助馬達(dá)間接變速裝置。其性質(zhì)與步進(jìn)電機(jī)非常相似但是卻存在很多不同之處。與步進(jìn)電機(jī)的比較：①控制精度更高；②低頻特性好，即使在低速時也不會出現(xiàn)振動現(xiàn)象；③矩頻特性不同，即在其額定轉(zhuǎn)速（一般為2000 r/min或3000 r/min）以內(nèi)，都能輸出額定轉(zhuǎn)矩，在額定轉(zhuǎn)速以上為恒功率輸出；④具有較強(qiáng)的速度過載和轉(zhuǎn)矩過載能力，最大轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的2～3倍；⑤交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)為閉環(huán)控制，驅(qū)動器可直接對電機(jī)編碼器反饋信號進(jìn)行采樣，內(nèi)部構(gòu)成位置環(huán)和速度環(huán)，控制性能更為可靠；

4）綜合分析。①機(jī)械吸濕蠕變實驗要求木材必須保持長時間受力穩(wěn)定狀態(tài)，步進(jìn)電機(jī)存在失步和過沖現(xiàn)象，但是可以通過控制步進(jìn)電機(jī)的升降速控制很好的解決問題；②步進(jìn)電機(jī)存在低頻現(xiàn)象，也就是上述的震動現(xiàn)象會影響木材受力穩(wěn)定狀態(tài)下紅外激光位移傳感器對木材形變量的測量。但是可以通過阻尼技術(shù)或者在驅(qū)動器上采用細(xì)分技術(shù)便克服低頻震動現(xiàn)象；③雖然伺服電機(jī)的加速時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于步進(jìn)電機(jī)，但是在長達(dá)90天的木材吸濕蠕變實驗中，兩者的時間差距以及步進(jìn)電機(jī)調(diào)整位置耗費的時間是非常短暫的，對實驗結(jié)果得影響可以忽略不計；④實驗中要求木材形變程度與步進(jìn)電機(jī)前進(jìn)或者后退的步距成正相關(guān)，其中銜接部位并無彈性介質(zhì)，且在木材在0-100 N受力范圍內(nèi)精度能夠達(dá)到0.1 N。步進(jìn)電機(jī)的精度完全能達(dá)到要求，而伺服電機(jī)卻是步進(jìn)電機(jī)的幾百倍精度。所以在精度上適合采用更為接近的步進(jìn)電機(jī)，以降低對控制電機(jī)的控制復(fù)雜程度；⑤步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)均為帶磁電機(jī)，為避免消磁溫度應(yīng)控制在110℃以下，濕度應(yīng)低于85%。在木材機(jī)械吸濕蠕變實驗中均能良好運行；⑥在價格上，伺服電機(jī)的價格遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于步進(jìn)電機(jī)，大大降低了實驗儀器的制作成本。

綜合上述比較和問題的分析和解決，在木材吸濕蠕變實驗中，更適合選用控制電機(jī)中較為簡單成本更低的步進(jìn)電機(jī)。

3 在木材機(jī)械吸濕蠕變儀中步進(jìn)電機(jī)的控制與實現(xiàn)

步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用在木材吸濕蠕變測定儀中必然涉及到對其控制程序的設(shè)計，且因為步進(jìn)電機(jī)啟動速度會影響其性能，以及木材的受力大小和形變的程度不是一元線性關(guān)系，對步進(jìn)電機(jī)的控制程序也不能單純的呈現(xiàn)固定的加速和減速關(guān)系。

步進(jìn)電機(jī)的加減速只需要控制它的驅(qū)動脈沖頻率，而改變頻率，則只需要改變脈沖的輸出時間，即改變相應(yīng)數(shù)組的調(diào)用時間[6]。在木材機(jī)械吸濕蠕變實驗中，木材的受力改變是從前一個力變化到后一個力的過程，為了提高實驗的精確度就必須保證步進(jìn)電機(jī)能夠在最短的時間內(nèi)到達(dá)預(yù)定的受力位置。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)的啟動頻率小于空載啟動頻率時，由于慣性步進(jìn)電機(jī)跟不上電信號的變化，便會存在失步、過沖現(xiàn)象以及產(chǎn)生較大的聲響[7]。因此，步進(jìn)電機(jī)在啟動時，必須存在從空載頻率以下升高的過程，停止時必須有減速過程。理想的升速曲線一般為指數(shù)曲線，步進(jìn)電機(jī)整個降速過程的頻率變化規(guī)律是整個加速過程頻率的逆過程。

在此步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)中，采用步進(jìn)脈沖調(diào)頻法和升降頻法結(jié)合的方法[8]，為了減少程序的復(fù)雜程度，設(shè)定前一個受力大小到下一個受力大小差值與速度的控制曲線為三角函數(shù)：

Y=（X/5）*Sin（（π/X）*x） x=[0，X] ①

式中，（X/5）為步進(jìn)電機(jī)運轉(zhuǎn)的最快速度的倍數(shù)，π/X為周期的變更系數(shù)，x為前一個受力大小到下一個受力大小的差值（N）。）

假如步進(jìn)電機(jī)前一個受力大小到下一個要求達(dá)到的受力大小為5 N，也就是在此木材機(jī)械吸濕蠕變實驗中最大差值，取定w為（π/5），則Y與X的函數(shù)關(guān)系為：

以下圖中曲線所對應(yīng)的四個不同受力變化的函數(shù)

Y1=（X/5）*Sin（（π/X）*x）） x=[0，5] X=5 ②

Y2=（X/5）*Sin（（π/X）*x） x=[0，4] X=4 ③

Y3=（X/5）*Sin（（π/X）*x）） x=[0，2.5] X=2.5 ④

Y4=（X/5）*Sin（（π/X）*x） x=[0，1] X=1 ⑤

圖2 木材受力變化與速度的關(guān)系圖

采用上述步進(jìn)電機(jī)速度控制方法，以及第三節(jié)所述的硬件系統(tǒng)。系統(tǒng)主要由信號放大與處理電路、帶10位A/D轉(zhuǎn)換的單片機(jī)STC12C5A60S2、5相步進(jìn)電機(jī)控制電路、雙孔平行梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)變式稱重傳感器測量電路、紅外激光位移傳感器測量電路和筆記本電腦組成。

A/D轉(zhuǎn)換實現(xiàn)模擬信號的數(shù)字化；單片機(jī)系統(tǒng)主要完成信號的采集、數(shù)據(jù)通信；步進(jìn)電機(jī)主要實現(xiàn)力的大小的轉(zhuǎn)變；筆記本電腦完成數(shù)據(jù)接收、存儲數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)處理、計算、顯示等功能。

系統(tǒng)控制以及各部件之間的關(guān)系圖如圖3。

①控制砝碼對木材試件的作用力；②改變力的大??；③控制調(diào)節(jié)；④傳輸數(shù)據(jù)；⑤作用力反饋

圖3 木材吸濕蠕變儀系統(tǒng)控制關(guān)系圖

本研究研制的木材機(jī)械吸濕蠕變儀經(jīng)過正式的實驗測試表明設(shè)備性能穩(wěn)定、能夠發(fā)揮良好的施加、卸載力的作用，這為今后的木材自動施卸、載力的自動化奠定了良好的理論和實踐基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1]木材和工程復(fù)合木材的持續(xù)負(fù)載和蠕變影響評定[S].2011.

[2]楊和平，周旋，童軍.步進(jìn)電機(jī)的特點及應(yīng)用[J].黑龍江科技信息，2007（30）：10.

[3]毛紀(jì)文.步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用[J].黑龍江冶金.2013，1（33）：56-58.

[4]朱春波，宋立偉.微特電機(jī)的選用第六講自整角機(jī)的選用[J].微電機(jī)，1998，31（1）：45-48.

[5]王軍鋒.伺服電機(jī)選型的原則和注意事項[J].裝備制造技術(shù)，2009（11）：129-133.

[6]巫傳專，王小雪.控制步進(jìn)電機(jī)及其應(yīng)用[M].北京電子工業(yè)出版社，2008.

[7]敬嵐，朱海軍.步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計及其應(yīng)用[J].核技術(shù)，2005，28（6）：479-482.

[8]王玉琳，王強(qiáng).步進(jìn)電機(jī)的速度調(diào)節(jié)方法[J].電機(jī)與控制應(yīng)用，2006，33（1）：53-64.

作者簡介

侯庭瑞（1992-），男，四川人，研究方向：電子科技。

楊勇（1993-），男，湖南人，本科，研究方向：電子科技。endprint

3）伺服電機(jī)[5]。伺服電機(jī)是指伺服系統(tǒng)中控制機(jī)械元件運轉(zhuǎn)的發(fā)動機(jī)，是一種閉環(huán)控制的補(bǔ)助馬達(dá)間接變速裝置。其性質(zhì)與步進(jìn)電機(jī)非常相似但是卻存在很多不同之處。與步進(jìn)電機(jī)的比較：①控制精度更高；②低頻特性好，即使在低速時也不會出現(xiàn)振動現(xiàn)象；③矩頻特性不同，即在其額定轉(zhuǎn)速（一般為2000 r/min或3000 r/min）以內(nèi)，都能輸出額定轉(zhuǎn)矩，在額定轉(zhuǎn)速以上為恒功率輸出；④具有較強(qiáng)的速度過載和轉(zhuǎn)矩過載能力，最大轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的2～3倍；⑤交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)為閉環(huán)控制，驅(qū)動器可直接對電機(jī)編碼器反饋信號進(jìn)行采樣，內(nèi)部構(gòu)成位置環(huán)和速度環(huán)，控制性能更為可靠；

4）綜合分析。①機(jī)械吸濕蠕變實驗要求木材必須保持長時間受力穩(wěn)定狀態(tài)，步進(jìn)電機(jī)存在失步和過沖現(xiàn)象，但是可以通過控制步進(jìn)電機(jī)的升降速控制很好的解決問題；②步進(jìn)電機(jī)存在低頻現(xiàn)象，也就是上述的震動現(xiàn)象會影響木材受力穩(wěn)定狀態(tài)下紅外激光位移傳感器對木材形變量的測量。但是可以通過阻尼技術(shù)或者在驅(qū)動器上采用細(xì)分技術(shù)便克服低頻震動現(xiàn)象；③雖然伺服電機(jī)的加速時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于步進(jìn)電機(jī)，但是在長達(dá)90天的木材吸濕蠕變實驗中，兩者的時間差距以及步進(jìn)電機(jī)調(diào)整位置耗費的時間是非常短暫的，對實驗結(jié)果得影響可以忽略不計；④實驗中要求木材形變程度與步進(jìn)電機(jī)前進(jìn)或者后退的步距成正相關(guān)，其中銜接部位并無彈性介質(zhì)，且在木材在0-100 N受力范圍內(nèi)精度能夠達(dá)到0.1 N。步進(jìn)電機(jī)的精度完全能達(dá)到要求，而伺服電機(jī)卻是步進(jìn)電機(jī)的幾百倍精度。所以在精度上適合采用更為接近的步進(jìn)電機(jī)，以降低對控制電機(jī)的控制復(fù)雜程度；⑤步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)均為帶磁電機(jī)，為避免消磁溫度應(yīng)控制在110℃以下，濕度應(yīng)低于85%。在木材機(jī)械吸濕蠕變實驗中均能良好運行；⑥在價格上，伺服電機(jī)的價格遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于步進(jìn)電機(jī)，大大降低了實驗儀器的制作成本。

綜合上述比較和問題的分析和解決，在木材吸濕蠕變實驗中，更適合選用控制電機(jī)中較為簡單成本更低的步進(jìn)電機(jī)。

3 在木材機(jī)械吸濕蠕變儀中步進(jìn)電機(jī)的控制與實現(xiàn)

步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用在木材吸濕蠕變測定儀中必然涉及到對其控制程序的設(shè)計，且因為步進(jìn)電機(jī)啟動速度會影響其性能，以及木材的受力大小和形變的程度不是一元線性關(guān)系，對步進(jìn)電機(jī)的控制程序也不能單純的呈現(xiàn)固定的加速和減速關(guān)系。

步進(jìn)電機(jī)的加減速只需要控制它的驅(qū)動脈沖頻率，而改變頻率，則只需要改變脈沖的輸出時間，即改變相應(yīng)數(shù)組的調(diào)用時間[6]。在木材機(jī)械吸濕蠕變實驗中，木材的受力改變是從前一個力變化到后一個力的過程，為了提高實驗的精確度就必須保證步進(jìn)電機(jī)能夠在最短的時間內(nèi)到達(dá)預(yù)定的受力位置。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)的啟動頻率小于空載啟動頻率時，由于慣性步進(jìn)電機(jī)跟不上電信號的變化，便會存在失步、過沖現(xiàn)象以及產(chǎn)生較大的聲響[7]。因此，步進(jìn)電機(jī)在啟動時，必須存在從空載頻率以下升高的過程，停止時必須有減速過程。理想的升速曲線一般為指數(shù)曲線，步進(jìn)電機(jī)整個降速過程的頻率變化規(guī)律是整個加速過程頻率的逆過程。

在此步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)中，采用步進(jìn)脈沖調(diào)頻法和升降頻法結(jié)合的方法[8]，為了減少程序的復(fù)雜程度，設(shè)定前一個受力大小到下一個受力大小差值與速度的控制曲線為三角函數(shù)：

Y=（X/5）*Sin（（π/X）*x） x=[0，X] ①

式中，（X/5）為步進(jìn)電機(jī)運轉(zhuǎn)的最快速度的倍數(shù)，π/X為周期的變更系數(shù)，x為前一個受力大小到下一個受力大小的差值（N）。）

假如步進(jìn)電機(jī)前一個受力大小到下一個要求達(dá)到的受力大小為5 N，也就是在此木材機(jī)械吸濕蠕變實驗中最大差值，取定w為（π/5），則Y與X的函數(shù)關(guān)系為：

以下圖中曲線所對應(yīng)的四個不同受力變化的函數(shù)

Y1=（X/5）*Sin（（π/X）*x）） x=[0，5] X=5 ②

Y2=（X/5）*Sin（（π/X）*x） x=[0，4] X=4 ③

Y3=（X/5）*Sin（（π/X）*x）） x=[0，2.5] X=2.5 ④

Y4=（X/5）*Sin（（π/X）*x） x=[0，1] X=1 ⑤

圖2 木材受力變化與速度的關(guān)系圖

采用上述步進(jìn)電機(jī)速度控制方法，以及第三節(jié)所述的硬件系統(tǒng)。系統(tǒng)主要由信號放大與處理電路、帶10位A/D轉(zhuǎn)換的單片機(jī)STC12C5A60S2、5相步進(jìn)電機(jī)控制電路、雙孔平行梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)變式稱重傳感器測量電路、紅外激光位移傳感器測量電路和筆記本電腦組成。

A/D轉(zhuǎn)換實現(xiàn)模擬信號的數(shù)字化；單片機(jī)系統(tǒng)主要完成信號的采集、數(shù)據(jù)通信；步進(jìn)電機(jī)主要實現(xiàn)力的大小的轉(zhuǎn)變；筆記本電腦完成數(shù)據(jù)接收、存儲數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)處理、計算、顯示等功能。

系統(tǒng)控制以及各部件之間的關(guān)系圖如圖3。

①控制砝碼對木材試件的作用力；②改變力的大小；③控制調(diào)節(jié)；④傳輸數(shù)據(jù)；⑤作用力反饋

圖3 木材吸濕蠕變儀系統(tǒng)控制關(guān)系圖

本研究研制的木材機(jī)械吸濕蠕變儀經(jīng)過正式的實驗測試表明設(shè)備性能穩(wěn)定、能夠發(fā)揮良好的施加、卸載力的作用，這為今后的木材自動施卸、載力的自動化奠定了良好的理論和實踐基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1]木材和工程復(fù)合木材的持續(xù)負(fù)載和蠕變影響評定[S].2011.

[2]楊和平，周旋，童軍.步進(jìn)電機(jī)的特點及應(yīng)用[J].黑龍江科技信息，2007（30）：10.

[3]毛紀(jì)文.步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用[J].黑龍江冶金.2013，1（33）：56-58.

[4]朱春波，宋立偉.微特電機(jī)的選用第六講自整角機(jī)的選用[J].微電機(jī)，1998，31（1）：45-48.

[5]王軍鋒.伺服電機(jī)選型的原則和注意事項[J].裝備制造技術(shù)，2009（11）：129-133.

[6]巫傳專，王小雪.控制步進(jìn)電機(jī)及其應(yīng)用[M].北京電子工業(yè)出版社，2008.

[7]敬嵐，朱海軍.步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計及其應(yīng)用[J].核技術(shù)，2005，28（6）：479-482.

[8]王玉琳，王強(qiáng).步進(jìn)電機(jī)的速度調(diào)節(jié)方法[J].電機(jī)與控制應(yīng)用，2006，33（1）：53-64.

作者簡介

侯庭瑞（1992-），男，四川人，研究方向：電子科技。

楊勇（1993-），男，湖南人，本科，研究方向：電子科技。endprint

3）伺服電機(jī)[5]。伺服電機(jī)是指伺服系統(tǒng)中控制機(jī)械元件運轉(zhuǎn)的發(fā)動機(jī)，是一種閉環(huán)控制的補(bǔ)助馬達(dá)間接變速裝置。其性質(zhì)與步進(jìn)電機(jī)非常相似但是卻存在很多不同之處。與步進(jìn)電機(jī)的比較：①控制精度更高；②低頻特性好，即使在低速時也不會出現(xiàn)振動現(xiàn)象；③矩頻特性不同，即在其額定轉(zhuǎn)速（一般為2000 r/min或3000 r/min）以內(nèi)，都能輸出額定轉(zhuǎn)矩，在額定轉(zhuǎn)速以上為恒功率輸出；④具有較強(qiáng)的速度過載和轉(zhuǎn)矩過載能力，最大轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的2～3倍；⑤交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)為閉環(huán)控制，驅(qū)動器可直接對電機(jī)編碼器反饋信號進(jìn)行采樣，內(nèi)部構(gòu)成位置環(huán)和速度環(huán)，控制性能更為可靠；

4）綜合分析。①機(jī)械吸濕蠕變實驗要求木材必須保持長時間受力穩(wěn)定狀態(tài)，步進(jìn)電機(jī)存在失步和過沖現(xiàn)象，但是可以通過控制步進(jìn)電機(jī)的升降速控制很好的解決問題；②步進(jìn)電機(jī)存在低頻現(xiàn)象，也就是上述的震動現(xiàn)象會影響木材受力穩(wěn)定狀態(tài)下紅外激光位移傳感器對木材形變量的測量。但是可以通過阻尼技術(shù)或者在驅(qū)動器上采用細(xì)分技術(shù)便克服低頻震動現(xiàn)象；③雖然伺服電機(jī)的加速時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于步進(jìn)電機(jī)，但是在長達(dá)90天的木材吸濕蠕變實驗中，兩者的時間差距以及步進(jìn)電機(jī)調(diào)整位置耗費的時間是非常短暫的，對實驗結(jié)果得影響可以忽略不計；④實驗中要求木材形變程度與步進(jìn)電機(jī)前進(jìn)或者后退的步距成正相關(guān)，其中銜接部位并無彈性介質(zhì)，且在木材在0-100 N受力范圍內(nèi)精度能夠達(dá)到0.1 N。步進(jìn)電機(jī)的精度完全能達(dá)到要求，而伺服電機(jī)卻是步進(jìn)電機(jī)的幾百倍精度。所以在精度上適合采用更為接近的步進(jìn)電機(jī)，以降低對控制電機(jī)的控制復(fù)雜程度；⑤步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)均為帶磁電機(jī)，為避免消磁溫度應(yīng)控制在110℃以下，濕度應(yīng)低于85%。在木材機(jī)械吸濕蠕變實驗中均能良好運行；⑥在價格上，伺服電機(jī)的價格遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于步進(jìn)電機(jī)，大大降低了實驗儀器的制作成本。

綜合上述比較和問題的分析和解決，在木材吸濕蠕變實驗中，更適合選用控制電機(jī)中較為簡單成本更低的步進(jìn)電機(jī)。

3 在木材機(jī)械吸濕蠕變儀中步進(jìn)電機(jī)的控制與實現(xiàn)

步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用在木材吸濕蠕變測定儀中必然涉及到對其控制程序的設(shè)計，且因為步進(jìn)電機(jī)啟動速度會影響其性能，以及木材的受力大小和形變的程度不是一元線性關(guān)系，對步進(jìn)電機(jī)的控制程序也不能單純的呈現(xiàn)固定的加速和減速關(guān)系。

步進(jìn)電機(jī)的加減速只需要控制它的驅(qū)動脈沖頻率，而改變頻率，則只需要改變脈沖的輸出時間，即改變相應(yīng)數(shù)組的調(diào)用時間[6]。在木材機(jī)械吸濕蠕變實驗中，木材的受力改變是從前一個力變化到后一個力的過程，為了提高實驗的精確度就必須保證步進(jìn)電機(jī)能夠在最短的時間內(nèi)到達(dá)預(yù)定的受力位置。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)的啟動頻率小于空載啟動頻率時，由于慣性步進(jìn)電機(jī)跟不上電信號的變化，便會存在失步、過沖現(xiàn)象以及產(chǎn)生較大的聲響[7]。因此，步進(jìn)電機(jī)在啟動時，必須存在從空載頻率以下升高的過程，停止時必須有減速過程。理想的升速曲線一般為指數(shù)曲線，步進(jìn)電機(jī)整個降速過程的頻率變化規(guī)律是整個加速過程頻率的逆過程。

在此步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)中，采用步進(jìn)脈沖調(diào)頻法和升降頻法結(jié)合的方法[8]，為了減少程序的復(fù)雜程度，設(shè)定前一個受力大小到下一個受力大小差值與速度的控制曲線為三角函數(shù)：

Y=（X/5）*Sin（（π/X）*x） x=[0，X] ①

式中，（X/5）為步進(jìn)電機(jī)運轉(zhuǎn)的最快速度的倍數(shù)，π/X為周期的變更系數(shù)，x為前一個受力大小到下一個受力大小的差值（N）。）

假如步進(jìn)電機(jī)前一個受力大小到下一個要求達(dá)到的受力大小為5 N，也就是在此木材機(jī)械吸濕蠕變實驗中最大差值，取定w為（π/5），則Y與X的函數(shù)關(guān)系為：

以下圖中曲線所對應(yīng)的四個不同受力變化的函數(shù)

Y1=（X/5）*Sin（（π/X）*x）） x=[0，5] X=5 ②

Y2=（X/5）*Sin（（π/X）*x） x=[0，4] X=4 ③

Y3=（X/5）*Sin（（π/X）*x）） x=[0，2.5] X=2.5 ④

Y4=（X/5）*Sin（（π/X）*x） x=[0，1] X=1 ⑤

圖2 木材受力變化與速度的關(guān)系圖

采用上述步進(jìn)電機(jī)速度控制方法，以及第三節(jié)所述的硬件系統(tǒng)。系統(tǒng)主要由信號放大與處理電路、帶10位A/D轉(zhuǎn)換的單片機(jī)STC12C5A60S2、5相步進(jìn)電機(jī)控制電路、雙孔平行梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)變式稱重傳感器測量電路、紅外激光位移傳感器測量電路和筆記本電腦組成。

A/D轉(zhuǎn)換實現(xiàn)模擬信號的數(shù)字化；單片機(jī)系統(tǒng)主要完成信號的采集、數(shù)據(jù)通信；步進(jìn)電機(jī)主要實現(xiàn)力的大小的轉(zhuǎn)變；筆記本電腦完成數(shù)據(jù)接收、存儲數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)處理、計算、顯示等功能。

系統(tǒng)控制以及各部件之間的關(guān)系圖如圖3。

①控制砝碼對木材試件的作用力；②改變力的大??；③控制調(diào)節(jié)；④傳輸數(shù)據(jù)；⑤作用力反饋

圖3 木材吸濕蠕變儀系統(tǒng)控制關(guān)系圖

本研究研制的木材機(jī)械吸濕蠕變儀經(jīng)過正式的實驗測試表明設(shè)備性能穩(wěn)定、能夠發(fā)揮良好的施加、卸載力的作用，這為今后的木材自動施卸、載力的自動化奠定了良好的理論和實踐基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1]木材和工程復(fù)合木材的持續(xù)負(fù)載和蠕變影響評定[S].2011.

[2]楊和平，周旋，童軍.步進(jìn)電機(jī)的特點及應(yīng)用[J].黑龍江科技信息，2007（30）：10.

[3]毛紀(jì)文.步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用[J].黑龍江冶金.2013，1（33）：56-58.

[4]朱春波，宋立偉.微特電機(jī)的選用第六講自整角機(jī)的選用[J].微電機(jī)，1998，31（1）：45-48.

[5]王軍鋒.伺服電機(jī)選型的原則和注意事項[J].裝備制造技術(shù)，2009（11）：129-133.

[6]巫傳專，王小雪.控制步進(jìn)電機(jī)及其應(yīng)用[M].北京電子工業(yè)出版社，2008.

[7]敬嵐，朱海軍.步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計及其應(yīng)用[J].核技術(shù)，2005，28（6）：479-482.

[8]王玉琳，王強(qiáng).步進(jìn)電機(jī)的速度調(diào)節(jié)方法[J].電機(jī)與控制應(yīng)用，2006，33（1）：53-64.

作者簡介

侯庭瑞（1992-），男，四川人，研究方向：電子科技。

楊勇（1993-），男，湖南人，本科，研究方向：電子科技。endprint