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(dòng)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(shí)驗(yàn)要求的分析，選取合適的電機(jī)應(yīng)用在實(shí)驗(yàn)中。該電機(jī)具有高精度，易控制的特點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也可為相關(guān)實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(shí)意義和理論價(jià)值。

以往木材機(jī)械吸濕蠕變研究中動(dòng)態(tài)溫、濕度條件主要利用恒溫恒濕箱來實(shí)現(xiàn)，但施力方法尚未實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(huì)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(shí)，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(dòng)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)方法的詳細(xì)描述[1]如下。

1）實(shí)驗(yàn)樣本應(yīng)該能夠代表所評價(jià)的產(chǎn)品。將實(shí)驗(yàn)樣本分成兩個(gè)具有幾乎相同的分布和變化范圍的獨(dú)立的組。一組進(jìn)行短期的抗彎實(shí)驗(yàn)，另一組做長期的抗彎蠕變實(shí)驗(yàn)。每組至少需要28個(gè)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(diǎn)上，由兩個(gè)距離支點(diǎn)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(shí)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(shí)驗(yàn)應(yīng)該保持側(cè)面的穩(wěn)定性，必要時(shí)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)前，將短期和長期試樣在實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)環(huán)境的溫度和相對濕度。實(shí)驗(yàn)環(huán)境中每天的平均溫度與短期實(shí)驗(yàn)室溫度的差異不應(yīng)大于5℃。任何時(shí)間，實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度不得低于0℃。

注：如果在實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)溫度條件相同天數(shù)的試驗(yàn)時(shí)間，以證明實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的有效性。

在木材吸濕蠕變實(shí)驗(yàn)中，所提及到的周期為90天。而一般采用的木材在實(shí)驗(yàn)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(yùn)行。

根據(jù)木材機(jī)械吸濕蠕變實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)方法，已設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)?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(yùn)動(dòng)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(dòng)軸運(yùn)動(dòng)。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器收到一個(gè)電脈沖信號，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)，亦方向可逆[2]。

步進(jìn)電機(jī)具有以下特點(diǎn)：

①一般的步進(jìn)電機(jī)精度為步進(jìn)角的3%-5%，沒有累計(jì)誤差，具有良好的跟隨性[2，3]；②步進(jìn)電機(jī)與驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(yùn)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(huì)隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)各相繞組的電感將形成一個(gè)反向電動(dòng)勢；步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)頻率越高，反向電動(dòng)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(shí)可以正常運(yùn)轉(zhuǎn)，但若高于一定速度就無法啟動(dòng)[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(gè)或兩個(gè)以上的組合使用，以實(shí)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?？梢允菇嵌茸兓ㄟ^傳動(dòng)軸變化為位置的變化，無論距離遠(yuǎn)近均能實(shí)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(yùn)轉(zhuǎn)的發(fā)動(dòng)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(shí)也不會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)為閉環(huán)控制，驅(qū)動(dòng)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(shí)驗(yàn)要求木材必須保持長時(shí)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(dòng)現(xiàn)象會(huì)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(dòng)器上采用細(xì)分技術(shù)便克服低頻震動(dòng)現(xiàn)象；③雖然伺服電機(jī)的加速時(shí)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(shí)驗(yàn)中，兩者的時(shí)間差距以及步進(jìn)電機(jī)調(diào)整位置耗費(fèi)的時(shí)間是非常短暫的，對實(shí)驗(yàn)結(jié)果得影響可以忽略不計(jì)；④實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)中均能良好運(yùn)行；⑥在價(jià)格上，伺服電機(jī)的價(jià)格遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于步進(jìn)電機(jī)，大大降低了實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)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(jì)，且因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)啟動(dòng)速度會(huì)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(dòng)脈沖頻率，而改變頻率，則只需要改變脈沖的輸出時(shí)間，即改變相應(yīng)數(shù)組的調(diào)用時(shí)間[6]。在木材機(jī)械吸濕蠕變實(shí)驗(yàn)中，木材的受力改變是從前一個(gè)力變化到后一個(gè)力的過程，為了提高實(shí)驗(yàn)的精確度就必須保證步進(jìn)電機(jī)能夠在最短的時(shí)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(dòng)頻率小于空載啟動(dòng)頻率時(shí)，由于慣性步進(jìn)電機(jī)跟不上電信號的變化，便會(huì)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(dòng)時(shí)，必須存在從空載頻率以下升高的過程，停止時(shí)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(gè)降速過程的頻率變化規(guī)律是整個(gè)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(gè)受力大小到下一個(gè)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(yùn)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(gè)受力大小到下一個(gè)受力大小的差值（N）。）

假如步進(jìn)電機(jī)前一個(gè)受力大小到下一個(gè)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(shí)驗(yàn)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(gè)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(shí)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(shí)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(chǔ)數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)處理、計(jì)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(shí)驗(yàn)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(dòng)施卸、載力的自動(dòng)化奠定了良好的理論和實(shí)踐基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

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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(yùn)轉(zhuǎn)的發(fā)動(dòng)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(shí)也不會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)為閉環(huán)控制，驅(qū)動(dòng)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(shí)驗(yàn)要求木材必須保持長時(shí)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(dòng)現(xiàn)象會(huì)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(dòng)器上采用細(xì)分技術(shù)便克服低頻震動(dòng)現(xiàn)象；③雖然伺服電機(jī)的加速時(shí)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(shí)驗(yàn)中，兩者的時(shí)間差距以及步進(jìn)電機(jī)調(diào)整位置耗費(fèi)的時(shí)間是非常短暫的，對實(shí)驗(yàn)結(jié)果得影響可以忽略不計(jì)；④實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)中均能良好運(yùn)行；⑥在價(jià)格上，伺服電機(jī)的價(jià)格遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于步進(jìn)電機(jī)，大大降低了實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)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(jì)，且因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)啟動(dòng)速度會(huì)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(dòng)脈沖頻率，而改變頻率，則只需要改變脈沖的輸出時(shí)間，即改變相應(yīng)數(shù)組的調(diào)用時(shí)間[6]。在木材機(jī)械吸濕蠕變實(shí)驗(yàn)中，木材的受力改變是從前一個(gè)力變化到后一個(gè)力的過程，為了提高實(shí)驗(yàn)的精確度就必須保證步進(jìn)電機(jī)能夠在最短的時(shí)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(dòng)頻率小于空載啟動(dòng)頻率時(shí)，由于慣性步進(jìn)電機(jī)跟不上電信號的變化，便會(huì)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(dòng)時(shí)，必須存在從空載頻率以下升高的過程，停止時(shí)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(gè)降速過程的頻率變化規(guī)律是整個(gè)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(gè)受力大小到下一個(gè)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(yùn)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(gè)受力大小到下一個(gè)受力大小的差值（N）。）

假如步進(jìn)電機(jī)前一個(gè)受力大小到下一個(gè)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(shí)驗(yàn)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(gè)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(shí)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(shí)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(chǔ)數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)處理、計(jì)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?。虎劭刂普{(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(shí)驗(yàn)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(dòng)施卸、載力的自動(dòng)化奠定了良好的理論和實(shí)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(diǎn)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(xiàng)[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(jì)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(yùn)轉(zhuǎn)的發(fā)動(dòng)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(shí)也不會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)為閉環(huán)控制，驅(qū)動(dòng)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(shí)驗(yàn)要求木材必須保持長時(shí)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(dòng)現(xiàn)象會(huì)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(dòng)器上采用細(xì)分技術(shù)便克服低頻震動(dòng)現(xiàn)象；③雖然伺服電機(jī)的加速時(shí)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(shí)驗(yàn)中，兩者的時(shí)間差距以及步進(jìn)電機(jī)調(diào)整位置耗費(fèi)的時(shí)間是非常短暫的，對實(shí)驗(yàn)結(jié)果得影響可以忽略不計(jì)；④實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)中均能良好運(yùn)行；⑥在價(jià)格上，伺服電機(jī)的價(jià)格遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于步進(jìn)電機(jī)，大大降低了實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)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(jì)，且因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)啟動(dòng)速度會(huì)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(dòng)脈沖頻率，而改變頻率，則只需要改變脈沖的輸出時(shí)間，即改變相應(yīng)數(shù)組的調(diào)用時(shí)間[6]。在木材機(jī)械吸濕蠕變實(shí)驗(yàn)中，木材的受力改變是從前一個(gè)力變化到后一個(gè)力的過程，為了提高實(shí)驗(yàn)的精確度就必須保證步進(jìn)電機(jī)能夠在最短的時(shí)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(dòng)頻率小于空載啟動(dòng)頻率時(shí)，由于慣性步進(jìn)電機(jī)跟不上電信號的變化，便會(huì)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(dòng)時(shí)，必須存在從空載頻率以下升高的過程，停止時(shí)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(gè)降速過程的頻率變化規(guī)律是整個(gè)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(gè)受力大小到下一個(gè)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(yùn)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(gè)受力大小到下一個(gè)受力大小的差值（N）。）

假如步進(jìn)電機(jī)前一個(gè)受力大小到下一個(gè)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(shí)驗(yàn)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(gè)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(shí)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(shí)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(chǔ)數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)處理、計(jì)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(shí)驗(yàn)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(dòng)施卸、載力的自動(dòng)化奠定了良好的理論和實(shí)踐基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

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[5]王軍鋒.伺服電機(jī)選型的原則和注意事項(xiàng)[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(jì)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