JP4123099B2

JP4123099B2 - 材料試験機

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Publication number: JP4123099B2
Application number: JP2003281516A
Authority: JP
Inventors: 省吾郎岩切
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2003-07-29
Filing date: 2003-07-29
Publication date: 2008-07-23
Anticipated expiration: 2023-07-29
Also published as: JP2005049218A

Description

本発明は、電磁力式アクチュエータを使用した材料試験機に関し、さらに詳細には電磁力式アクチュエータをＰＩＤフィードバック制御する材料試験機に関する。

試験片に任意波形の荷重（試験力）を負荷して疲労強度試験を行う材料試験機では、負荷用アクチュエータとして電気油圧式アクチュエータが一般的に用いられているが、荷重（試験力）の制御精度をより高めるため、近年、電磁力式アクチュエータを使用した材料試験機も普及している。

この電磁力式アクチュエータは、コアと永久磁石とヨークで磁気回路を形成し、コアに対して可動なボビンにコイルを巻き回し、コイルに駆動電流を供給することにより、ボビンに荷重（試験力）を発生するようにしたものである。

電磁力式アクチュエータを材料試験機に使用する場合の制御には、通常、電気油圧式アクチュエータの場合と同様に、ＰＩＤフィードバック制御が用いられている。

ＰＩＤフィードバック制御は、目標信号に対して応答信号（変位信号や荷重信号）をフィードバックして目標信号と応答信号との偏差（制御偏差）がゼロとなるように制御するフィードバック制御方法のひとつであり、偏差に対する比例成分（Ｐ）、積分成分（Ｉ）、微分成分（Ｄ）をそれぞれ適当な比率で組み合わせてフィードバックのゲインを決定し、偏差にフィードバックゲインを乗じた信号を制御信号としてフィードバックすることにより最適な制御を行うようにしている。（例えば特許文献１参照）。

材料試験機のアクチュエータの制御で用いられるＰＩＤフィードバック制御では、オーバーシュート現象によって試験片を破壊しないようにするため、ＰＩＤの比率を設定して、オーバーシュートが生じないようにしている。

図２は、ＰＩＤフィードバック制御を行う電磁力式アクチュエータを用いた従来の材料試験機の制御系の概略構成を説明するブロック図である。

この材料試験機は、試験片に荷重（試験力）を与える電磁力式アクチュエータ６１、試験片に加わる荷重を検出する荷重センサ６２、試験片の変位を検出する変位センサを有する試験機本体部６０と、試験片に与える荷重の目標信号を発生する目標信号発生部７０と、試験機本体部６０の電磁力式アクチュエータ６１の駆動信号を生成して出力するフィードバック制御部８０とから構成される。

フィードバック制御部８０は、目標信号発生部７０からの目標信号と荷重センサ６２または変位センサ６３のいずれかからの検出信号との偏差（制御偏差）とを求める加算点８１、偏差に基づいてＰＩＤ制御信号を生成し出力するＰＩＤ制御信号出力部８２、ＰＩＤ制御信号を増幅して電磁力式アクチュエータ６１に印加して電磁力式アクチュエータ６１を駆動するパワーアンプ８３とから構成される。

ＰＩＤ制御信号出力部８２は、加算点８１での偏差がゼロに近づくようにＰＩＤ制御信号を出力し、ＰＩＤ制御信号を受けたパワーアンプ８３からコイル電流が供給されることで電磁力式アクチュエータ６１を駆動する。
特開２０００−１８０３２８号公報

電磁力式アクチュエータでは、無負荷静止状態でアクチュエータの位置制御を行う場合にはコイルに流す電流はほとんど必要ない（アクチュエータの自重を支える電流のみでよい）ため、上述したような従来からなされている通常のＰＩＤフィードバック制御を行うだけで電気油圧式アクチュエータと同様の制御を行うことができる。

しかしながら、実際に試験片を取り付けてこれに負荷を与えているときは、たとえ静止状態であっても試験片に負荷荷重を与え続けるためのコイル電流を供給し続けることが必要となる。

ところが、通常のＰＩＤフィードバック制御は上述したように目標信号と応答信号との偏差がゼロに近づくように制御信号を出力するものであり、仮に偏差がゼロになると制御信号もゼロとなり、電磁力式アクチュエータのコイルへの駆動電流もゼロ、すなわち荷重（試験力）がゼロになってしまい、負荷荷重が与えられないことになる。

この矛盾を解決するため、電磁力式アクチュエータでＰＩＤフィードバック制御による制御を行う場合は、積分成分（Ｉ）を与えるようにしている。すなわち、比例成分（Ｐ）、積分成分（Ｉ）、微分成分（Ｄ）のうちで、比例成分（Ｐ）や微分成分（Ｄ）は偏差に急激な変化があるときの瞬時の補正に大きな影響を及ぼすが、積分成分（Ｉ）は、逆に定常的な偏差に対するなだらかな補正に影響を及ぼす性質がある。そのため、積分成分（Ｉ）のゲイン（時定数）を増やして除々に偏差をゼロにしていくようにしている。つまり、ゆっくりとした積分成分（Ｉ）の補正と、急峻な比例成分（Ｐ）および微分成分（Ｄ）の補正とのバランスにより、フィードバックゲインがゼロにならないようにしてアクチュエータの位置保持を行ったり、アクチュエータを低速度で駆動して試験を行ったりしている。

しかしながら、目標信号の周波数が高くなると、すなわち試験速度が速くなると、積分成分（Ｉ）によるゆっくりとした補正が追従できなくなるため、波形応答が悪くなってしまい、ＰＩＤフィードバック制御では目標値へ到達できなくなる場合が生じる。

目標値に到達させるために、むりに比例成分（Ｐ）、微分成分（Ｄ）のゲインを積分成分（Ｉ）のゲインに対して増大すればオーバーシュートやハンチングなどの問題が生じ誤って試験片を破損するおそれもある。

そこで、本発明は、電磁力式アクチュエータによる材料試験において、従来のＰＩＤフィードバック制御を改良することにより、試験速度がより速くなっても波形応答性が良好であるフィードバック制御を行うようにした材料試験機を提供することを目的とする。

上記課題を解決するためになされた本発明の材料試験機は、試験片に荷重を与える電磁力式アクチュエータと、電磁力式アクチュエータの制御目標となる目標信号を与える目標信号発生部と、試験片に加わる荷重を検出して荷重信号を出力する荷重センサと、目標信号と荷重信号との偏差に基づいてＰＩＤ制御信号を出力するＰＩＤ制御信号出力部と、荷重信号に基づいて加算信号に一定の比率Ｋ（０＜Ｋ＜１）を乗じたＰＩＤ制御信号に加算するように出力する加算信号出力部とを備え、ＰＩＤ制御信号と加算信号との和信号に基づいて電磁力式アクチュエータを駆動するようにしている。

この材料試験機によれば、試験目的に応じて目標信号発生部から矩形波、サイン波、三角波などの所望の波形、振幅、周波数の目標信号が出力され、荷重センサからは試験片に加わる荷重を検出して荷重信号が出力される。そして、ＰＩＤ制御信号出力部は、目標信号と荷重信号との偏差に基づいてＰＩＤ制御信号を出力する。一方、加算信号出力部は、荷重信号に基づいて加算信号を出力する。この加算信号は荷重信号を小さくした信号であり、例えば荷重信号に一定の比率Ｋ（０＜Ｋ＜１）を乗じた信号が用いられる。

そして、ＰＩＤ制御信号に加算信号を加えた和信号に基づいて電磁力式アクチュエータを駆動するようにする。すなわち、ＰＩＤ制御信号とは別に荷重信号の一部をハンチングしない程度にして正帰還させることで、ＰＩＤ制御信号のみで補償していた偏差の一部を加算信号で補償する。

したがって、ＰＩＤ制御信号で補償しなければならない偏差が小さくなり、応答波形の立ち上がりが改善され、積分（Ｉ）成分による補正の負担が軽減されるので応答波形の追従性を改善することができる。

また、上記材料試験機において、変位センサと、変位信号と荷重信号とのいずれかを選択するスイッチとをさらに設け、目標信号とスイッチにより選択された荷重信号または変位信号のいずれかとの偏差に基づいてＰＩＤ制御信号を出力し、このＰＩＤ制御信号に加算信号を加えて和信号としてもよい。

これによれば、スイッチ選択により、荷重信号による荷重フィードバック制御だけではなく、変位信号による変位フィードバック制御において負荷荷重が加わった場合にも同様の制御を行うことができる。

本発明の材料試験機によれば、加算信号出力部からの加算信号をＰＩＤ制御信号に加えることにより、試験速度が速い材料試験の場合でも制御の追従性がよくなり、応答波形が良好な材料試験を行うことが可能となる。

また、実際の負荷（試験力）をフィードバックさせることにより応答波形を改善しているため、負荷がない場合、試験中に試験片が破断して負荷がゼロになった場合にも暴走現象等が発生しにくくなり、制御に悪影響を与えることがない。

以下、本発明の材料試験機について図面を用いて説明する。

図１は本発明の一実施形態である電磁力式アクチュエータを用いた材料試験機の構成を示す図である。この材料試験機は、試験片に負荷を与える試験機本体部１０と、その制御を行う制御系とからなる。制御系には、試験片に与える負荷の目標信号を発生する目標信号発生部３０と、試験機本体部１０の電磁力式アクチュエータ１２の駆動信号を生成するフィードバック制御部５０とが含まれる。

試験機本体部１０は、フレーム１１により支持される電磁力式アクチュエータ１２を有する。電磁力アクチュエータ１２は、ピストンロッド１３を鉛直方向に駆動できるようにしてある。すなわち電磁力式アクチュエータ１２内には、図示しない円筒状のボビン、ボビンに巻かれたコイル、コイル位置に磁場（Ｂ）を形成する磁気回路が形成されており、ボビンはボビンの中心軸に沿ってかつ鉛直方向に向けてピストンロッド１３を固定している。

このコイルに駆動電流（Ａ）を流すことによりボビンに推力（Ｆ）が発生し、ボビンに固定されたピストンロッド１３に上下方向の推力が伝達される。

コイルの長さをＬとすると、推力Ｆは、次式で表される。

Ｆ＝Ａ・Ｂ・Ｌ
すなわち、コイル電流（Ａ）に比例した推力（Ｆ）がピストンロッド１３に伝達される。

また、フレーム１１には、変位センサ１４が取り付けてあり、変位センサ１４はピストンロッド１３の変位（ロッド上端の変位）を検出してフィードバック制御部５０に出力する。

ピストンロッド１３の下方には試験治具１５上に載置された試験片ＴＰがあり、ピストンロッド１３が下降していくと試験片ＴＰに当接するようになっている。ピストンロッド１３と試験片ＴＰとが当接した状態では、ピストンロッド１３の変位と試験片ＴＰの変位とが一致するので、当接状態の変位センサ１４の出力信号は試験片ＴＰの変位を表すことになる。なお、試験片の形状はさまざまであり、試験治具１５も試験片の形状に応じてさまざまな形状、構造のものが利用できることはいうまでもない。

ピストンロッド１３の下端近傍には荷重センサ１６（例えばロードセル）が設けられ、荷重センサ１６は負荷荷重を検出してフィードバック制御部５０に出力する。

目標信号発生部３０は、目標設定を行うための図示しない公知の設定部と信号形成回路とを有し、材料試験の目的に応じて波形、振幅、周波数、変位、荷重の平均値などの必要な情報を設定することにより、設定情報に応じた目標信号が出力できるようにしてある。

フィードバック制御部５０は、荷重センサ１６で検出された荷重信号を増幅して出力する荷重アンプ５１、変位センサ１４で検出された変位信号を増幅して出力する変位アンプ５２、荷重アンプ５１からの荷重信号と変位アンプ５２からの荷重信号のいずれかを選択的に取り出すためのスイッチ５３、目標信号発生部３０から供給される目標信号と、荷重信号または変位信号との偏差（制御偏差）を算出する加算点５１、算出された偏差に基づいてＰ、Ｉ、Ｄそれぞれのゲインを算出し、あらかじめ設定した所定の比率で組み合わせることによりフィードバックゲインを算出してＰＩＤ制御信号を出力するＰＩＤ制御信号出力部５５、荷重アンプ５１からの荷重信号に対して係数Ｋ（０＜Ｋ＜１）をゲインとして乗じた加算信号を出力する加算信号出力部５８、ＰＩＤ制御信号に加算信号を正帰還してＰＩＤ制御信号と加算信号との和信号を算出する第２加算点５６、第２加算点５６で算出された和信号を増幅して電磁力式アクチュエータ１２のコイル電流を出力するパワーアンプ５７とからなる。

次に、フィードバック制御部５０による制御動作について説明する。荷重フィードバック制御を行うか変位フィードバック制御を行うかが選択されると、制御系によりスイッチ５３が手動又は自動で切り替えられ、荷重アンプ５１からの荷重信号、変位アンプ５２からの変位信号のいずれかが加算点５４に送られる。

加算点５４では、目標信号発生部３０からの目標信号に対して荷重信号あるいは変位信号を負帰還することにより偏差（制御偏差）を算出する。

ＰＩＤ制御信号出力部５５は、あらかじめＰ、Ｉ、Ｄ成分ごとにゲイン係数が設定してあり、これらの各係数と加算点５４で算出された偏差との演算によりフィードバックゲインを算出してＰＩＤ制御信号として第２加算点５６に出力する。
する。

加算信号出力部５８は、あらかじめ設定された係数Ｋを荷重信号に乗じた加算信号を算出し、これを第２加算点５６に出力する。Ｋの値を１以下の適当な値に設定することにより、加算信号は荷重信号を減衰させた信号として正帰還することになる。なお、Ｋの値を１以上にして第２加算点５６に正帰還すると電磁力式アクチュエータへのフィードバック制御信号は目標値に収束することができずにハンチングしてしまうので１未満に設定してある。このＫの値は、０．１〜０．９程度であるのが好ましい。

なお、本実施形態での加算信号には、荷重信号に係数Ｋを乗じた値を用いているがこれに限られず、荷重信号に基づいて加算信号を算出する際に、波形や目標信号の周波数などの影響も加味して加算信号を算出するようにしてもよい。

第２加算点５６では、ＰＩＤ制御信号に加算信号を正帰還させて和信号を算出し、これをパワーアンプ５７に送る。パワーアンプ５７は和信号を増幅して電磁力式アクチュエータのコイル電流として出力する。

このようにして、電磁力式アクチュエータにかかる負荷荷重を減衰させた加算信号をフィードバック制御のループに加算することにより、電磁力式アクチュエータの負荷荷重に応じた制御出力信号の補償を働かせる。これによりＰＩＤ制御信号による補正の軽減、特に積分（Ｉ）成分の応答の負担を軽減させ、波形応答を改善するようにする。

次に、実際の材料試験機により各種条件で試験片を計測したときの波形データに基づいて、荷重およびコイル電流の応答特性について説明する。

図３、図４は、目標信号として方形波を与えたときの応答波形とコイルの電流信号を示す図であり、図３は負荷荷重がかかっているときの荷重フィードバック制御（試験力制御）を、図４は無負荷での変位フィードバック制御を示す図である。

荷重フィードバック制御の場合は、応答波形と電流信号波形とが同じような波形形状をしている。これは、電磁力式アクチュエータでは、荷重（試験力）とコイル電流とが比例関係にあり、荷重を持続する限りコイル電流も持続する必要があることに起因している。

一方、無負荷での変位フィードバック制御は、応答波形を微分した波形が電流信号波形となっている。無負荷では電磁力式アクチュエータにかかる荷重（試験力）がゼロであり、コイル電流もゼロとなる。ただ、方形波の立ち上がり、立下りに対応して電磁力式アクチュエータの位置が変位するので、その変位の際に必要なコイル電流がパルス的に流れている。

通常の（電気油圧式アクチュエータで用いられる）ＰＩＤフィードバック制御の場合、電流（制御）信号が図４の無負荷状態のときの波形形状の応答になることが前提となっているため、電流（制御）信号が図３の荷重がかかっているときのような電流（制御）信号の応答になる場合には、応答特性が悪くなってしまう。

すなわち、図３に見られるような方形波を与えた場合に、荷重（試験力）はある程度の値までは急峻に立ち上がり、そこから目標値まではなだらかに収束するような波形になっている。ここで、最初の急峻な立ち上がりはＰＩＤフィードバック制御のうち、比例成分（Ｐ）と微分成分（Ｄ）による急峻な補正が働いた変化であり、なだらかに収束する波形部分は、積分成分（Ｉ）によるゆるやかな補正が働いた変化である。

次に、材料試験の試験速度や本発明の加算信号による応答波形への影響について、実際の測定データを用いて説明する。

図５、図６、図７は、１Ｈｚの矩形波の目標信号を与えたときの荷重フィードバック制御による応答波形と加算信号出力部の係数Ｋとの関係を示す図であり、図５はＫ＝０（加算信号がゼロ）、図６はＫ＝０．２５、図７はＫ＝０．５とした場合の応答波形を示している。

ここで、矩形波の目標信号の周波数は試験速度に相当し、周波数が高くなるほど試験速度が速くなることを意味する。

また、係数Ｋを大きくするほど、ＰＩＤ制御信号に対する加算信号の影響を大きくしたフィードバック制御を行うことになる。

図５、図６、図７の試験力（荷重）波形を比較すれば、係数Ｋが増すにつれて立ち上がり時の急峻さが増すとともに、その後の目標値に収束していくなだらかな部分が小さくなっている。特にＫ＝０．５（図７参照）では、ほぼ方形波になるまで改善されている。

立ち上がりの急峻さが増したのは、ＰＩＤ制御の比例成分（Ｐ）と微分成分（Ｄ）による補償に加えて加算信号を正帰還したことによる補償が追加されたことによるものであり、これによりその後のＰＩＤ制御の積分成分（Ｉ）による補償の負担が軽減したため、応答波形の追随性が改善され、波形改善の効果が得られたものである。

また、図８、図９は、１０Ｈｚの矩形波の目標信号を与えたときの荷重フィードバック制御による応答波形であり、図８はＫ＝０（加算信号がゼロ）、図９はＫ＝０．５とした場合の応答波形である。なお、周波数以外の条件は図５と同じである。

図８の場合は加算信号がゼロであって、ＰＩＤ制御信号のみで荷重フィードバック制御を行ったときの応答波形であるが、積分成分（Ｉ）によるゆるやかな応答が目標信号の周波数変化に追従できておらず、応答波形は目標値に到達できていない。

これに対して、図９では加算信号を正帰還したことによる波形の改善がなされており、波形自体はやや歪んでいるものの目標値に到達できている。これも、加算信号の追加により、ＰＩＤ制御の積分成分（Ｉ）の負担が軽減し、応答波形の追随性が改善されたものである。

上記図５から図９の波形データは、荷重フィードバック制御において加算信号を加えた影響を比較したデータであるが、変位フィードバック制御においても同様の加算信号による波形改善を効果を得ることができる。

すなわち変位フィードバック制御の場合は、目標信号と変位センサからの変位信号との偏差に基づいてＰＩＤ制御信号を算出する一方で、荷重センサからの荷重信号に基づいて加算信号を算出するようにして、ＰＩＤ制御信号と加算信号との和信号を求めるようにする。これにより、変位フィードバック制御においても電磁力式アクチュエータの負荷荷重に応じた制御出力信号の補償を働かせて、ＰＩＤ制御信号による補正の軽減、特に積分（Ｉ）成分の応答の負担を軽減させることができる。

なお、上記実施形態の材料試験機では、荷重フィードバック制御と変位フィードバック制御とをフィードバック制御部のスイッチの切替えにより選択できるようにしているが、荷重フィードバック制御しか行わない場合には、変位センサやスイッチを設ける必要がない。この場合は、試験片に加わる荷重を検出して荷重信号を出力する荷重センサと、目標信号と荷重信号との偏差に基づいてＰＩＤ制御信号を出力するＰＩＤ制御信号出力部と、荷重信号に基づいて加算信号を算出してＰＩＤ制御信号に加算するように出力する加算信号出力部とを備えるようにすればよい。

本発明によれば、電磁力式アクチュエータを用いた材料試験機において、荷重がかかっているときの波形応答を改善することができるので、試験速度が速い材料試験測定に適用でき、また、測定可能な最高試験速度をより高くした材料試験機を提供することができる。

本発明の一実施形態である材料試験機の構成を示す図。従来からの材料試験機のＰＩＤフィードバック制御を説明する図。矩形波（１Ｈｚ）の目標信号を与えたときの応答波形とコイル電流との関係を示す図（荷重フィードバック制御）。矩形波（１Ｈｚ）の目標信号を与えたときの応答波形とコイル電流との関係を示す図（無負荷の変位フィードバック制御）。矩形波（１Ｈｚ）の目標信号を与えたときの応答波形を示す図（加算信号出力部の係数Ｋ＝０）。矩形波（１Ｈｚ）の目標信号を与えたときの応答波形を示す図（加算信号出力部の係数Ｋ＝０．２５）。矩形波（１Ｈｚ）の目標信号を与えたときの応答波形を示す図（加算信号出力部の係数Ｋ＝０．５）。矩形波（１０Ｈｚ）の目標信号を与えたときの応答波形を示す図（加算信号出力部の係数Ｋ＝０）。矩形波（１０Ｈｚ）の目標信号を与えたときの応答波形を示す図（加算信号出力部の係数Ｋ＝０．５）。

符号の説明

１０試験機本体部
１２電磁力式アクチュエータ
１３ピストンロッド
１４変位センサ
１６荷重センサ
３０目標信号発生部
５０フィードバック制御部
５３スイッチ
５４加算点
５５ＰＩＤ制御信号出力部
５６第２加算点
５７パワーアンプ
５８加算信号出力部

Claims

試験片に荷重を与える電磁力式アクチュエータと、
電磁力式アクチュエータの制御目標となる目標信号を与える目標信号発生部と、
試験片に加わる荷重を検出して荷重信号を出力する荷重センサと、
目標信号と荷重信号との偏差に基づいてＰＩＤ制御信号を出力するＰＩＤ制御信号出力部と、
荷重信号に一定の比率Ｋ（０＜Ｋ＜１）を乗じた加算信号をＰＩＤ制御信号に加算するように出力する加算信号出力部とを備え、
ＰＩＤ制御信号と加算信号との和信号に基づいて電磁力式アクチュエータを駆動することを特徴とする材料試験機。
試験片に荷重を与える電磁力式アクチュエータと、
電磁力式アクチュエータの制御目標となる目標信号を与える目標信号発生部と、
試験片の変位を検出して変位信号を出力する変位センサと、
試験片に加わる荷重を検出して荷重信号を出力する荷重センサと、
変位信号と荷重信号とのいずれかを選択するスイッチと、
スイッチにより選択された荷重信号または変位信号のいずれかと目標信号との偏差に基づいてＰＩＤ制御信号を出力するＰＩＤ制御信号出力部と、
荷重信号に一定の比率Ｋ（０＜Ｋ＜１）を乗じた加算信号をＰＩＤ制御信号に加算するように出力する加算信号出力部とを備え、
ＰＩＤ制御信号と加算信号との和信号に基づいて電磁力アクチュエータを駆動することを特徴とする材料試験機。