基于LabVIEW的电镜拉伸台控制系统设计

基于LabVIEW的电镜拉伸台控制系统设计

作者:王鹏 翟超

  本文针对在电镜中使用的拉伸台所设计的一套控制系统,包括硬件和软件两部分,其中硬件包括:电机驱动以及力、位移传感器信号的预处理和采集。本系统所用的拉伸台具有尺寸小、行程短、提供的载荷大以及运动精度要求高的特点。通过对力、位移传感器信号进行一定的预先处理,利用LabVIEW软件通过采集卡进行采集、处理之后实现初始信号的实时显示、保存;同时通过一定的反馈调节实现对拉伸台的控制。

1 拉伸台结构

拉伸台技术指标如表1所示,系统中的拉伸台是置于电子显微镜中,用于支撑、固定试件,并通过拉伸台的水平运动实现对试件的加载,从而使电子显微镜能够观察到材料的变化;该拉伸台具有尺寸小、行程短、提供的载荷大和运动精度要求高等特点。

表1 拉伸台技术指标

如图1所示,拉伸台由位移、力传感器夹具传动装置和电机等构成;其中包括传动装置和夹具在内的拉伸台主体采用不锈钢材料。

图1 拉伸台实物和框图

在传动装置中采用齿轮副实现变速功能,为保证运行过程中的精度,其中齿轮加工的精度较高。

为了节省空间,将夹具通过螺纹与丝杠连接,实现夹具的联动。同时,还设计了试件的夹具,用于固定试件和安装传感器,其中传感器固定在槽的四壁。通过夹具前端的回形槽和螺钉孔实现固定试件,通过沉孔固定夹具。

2 控制系统硬件介绍

在对试件进行加载的过程中,要求能够对试件受力的实时监测以及对拉伸、压缩速度的控制,所以需要采集力传感器和位移传感器的信号,同时控制电机的转速。


图2 系统结构


2.1 信号采集卡

本系统采用的是美国NI公司USB-6363数据采集卡,包含32路模拟输入通道、4路模拟输出,16位分辨率;48条数字I/O端口;用于采集力、位移传感器的信号同时输出电机驱动信号。

2.2 电机驱动模块以及信号处理模块

 

本系统所使用的电机是FAULHABER公司的2642CR系列直流电机,额定驱动电压是12V,其两端压差由驱动模块输出信号控制,驱动模块输入信号由USB-6363采集卡产生电机驱动采用的是双675运放差动放大电路,采用差动电路是为了能够有效屏蔽共模信号。电路图如图3所示,经标定,输出电压与输出电压呈现较为精确的线性关系,标定数据一次二次的拟合结果误差均小于0.5%。

图3 电机驱动电路框图

由于位移信号的范围与采集卡的采集端输入范围不匹配,对于位移信号,通过将其移位、放大的方式使其能够完整地利用采集卡的输入范围;另一方面为了能够监控整个拉伸台行程的传感器信号,同时更有效地处理拉伸台有效行程的传感器信号,设计了两路移位放大但具有不同放大倍数的电路来实现上述功能。由于力信号比较微弱,力传感器采用的是电桥电路,同时设计一个可调电阻,保证对试件加载前力信号输出为零。如图4所示。


图4 传感器信号处理电路

3 控制系统整体


考虑到人机交互界面的设计和控制系统本身硬件的需求,本系统的软件设计平台是LabVIEW,从功能上来说,本控制系统主要分为以下几个部分:

3.1 电机驱动程序

电机驱动程序的功能主要是控制USB-6363采集卡输出电机驱动电路的输入信号,从而控制直流电机和拉伸台的运动过程。

 

驱动过程:于前面板操作时控制实际直线运动速度,在程序内部通过位移传感器标定数据将其转化为直流电机两端电压,再通过电机驱动电路输入输出标定结果,将其转化为驱动电路的输入,最终控制采集卡输出。

3.2 信号采集和处理

整个控制系统最重要的就是对于位移、力信号的采集和处理。在LabVIEW中提供专业的数据采集和输出模块DAQmx,在本系统中,采用多通道同时采集的模式,采集力、位移传感器的信号,针对存在的噪声等干扰信号,采取平均法,取一定时间内的采样数据求取算术平均值,作为样本。

在采集过程中,可以通过程序实现对采集过程的控制:控制是否采集、采样周期的调整和采样结果显示图像的调整。

是否采集以及采样结果显示图像的调整,LabVIEW能够很简单地实现。

由于LabVIEW本身的局限性,如果直接调整采样周期,可能会导致程序运行的不畅,甚至会出现错误,因此采用间接调整的方法。调整程序如图6所示。


图6 采样周期

程序内部预设了采样频率1000Hz,采样数为20,即每秒钟采1000个点,每20个数据输出一次。如果外部设置采样周期为500ms,即原来的每秒50数据输出变为每秒2组数据输出,则用程序控制每25组数据输出1组即可。

 

在数据采集完成之后,则可以通过力、位移传感器的标定结果转化为原始数据,利用LabVIEW本身自带的PID和模糊逻辑工具包实现其速度控制和调节。

3.3 数据保存和导出

在实验完成之后,如果想要保存实验数据和显示的图像,可以通过“保存文件”功能分别保存为以txt和bmp为后缀的文件,在保存的文件中还会包含实验的一些基本设置,包括采样周期、试件的尺寸等;同时如果想打开之前保存的文件,也可以通过主程序来完成,保存的上述数据也会加载进来。

 

如果想要将多次实验的数据和图像整理为一个报表的话,也可以通过主程序的“生成报表”功能来实现,通过依次添加数据和图像文件来完成报表生成。

4 实验结果

 

图7和图8为实验结果,试验中采用的试件材料为42CrMo。


图7


图 8

5 结束语

 

针对提供的拉伸台以及配套的位移传感器和信号传感器,本文设计了电机驱动和传感器信号处理硬件模块;同时针对硬件设计了信号采集程序以及控制信号的输出程序,在此基础上构建了控制系统的整体程序。通过实验,系统完成控制和采集信号的功能并达到相应的精度要求。


附:本系统所采用的NI USB-6363采集卡价格在万元以上,采集卡上的丰富资源对于上述系统有些浪费。下面推荐一款国内经济实用型采集卡,可以替代NI USB-6363使用。这款采集卡提供丰富的功能函数接口,编程上也很简单。

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AI:16bit,200Ksps,4通道同步采集,多量程可选

AO: 12bit,2通道,10V量程

DIO:32通道,5V电平

附加功能:2通道PWM测量,2通道PWM输出


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