基于单片机的混凝土压力试验机用数控阀设计

　　引言

　　混凝土压力试验机是混凝土建材力学性能检测的重要仪器，其加载速度对试体的表观强度影响颇大，我国 GB177-85 规定每秒应力加载速度为为 2.0±0.2 MPa，通过性能优越的控制元件和高效的控制算法保证加载速度在设定值附近的浮动范围尽量少，是混凝土压力试验机自动化改造面临解决的问题之一。

　　目前，实现压力试验机自动控制的主要有调频控制、电液伺服阀系统控制和电液比例阀控制 3 种方式，基于调频控制的控制系统机械部分最大负荷约束、电液伺服阀系统元件贵重和混凝土破坏性压力试验现场环境复杂的综合考虑，我们在混凝土压力试验机的改造中选择步进式电液比例阀控制，利用数字执行元件步进电机和旋转- 直线运动转换机构驱动阀芯实现直接数字控制。本控制方法采用数控阀，省去了复杂的 D/A 转换电路，具有重复精度高和无滞环的优点，还可以通过步进电机细分的方法提高阀的响应速度。而采用单片机代替电子计算机作为数控阀的控制器，可以简化混凝土压力试验机的液压系统，降低开发成本，缩短开发周期，简化使用方法。

　　1系统工作原理

　　图 1a 是混凝土压力试验机的液压系统原理图，试验机的液压油源向主机供油，液压泵从油箱吸入压力油，经过滤后进入数控阀，数控阀根据控制系统的输入信号控制进入液压缸的油的流向和流量, 进而控制加载速度。

　　图 1b 是控制系统框图，系统采用单片机控制，主要由单片机、步进电机模块、机械转换装置、组合阀、液压缸、压力反馈信号传感器等组成。单片机发出要控制的脉冲数，通过步进电机驱动器细分后给步进电机以脉冲信号，机械转换装置将角度信号转换为直线运动信号，液压阀根据位移量控制流入液压缸的液流流量，使其按要求的方向和速度运动,最终使加载速度保持在一定范围内。传感器检测到液压缸的压力信号后，经放大和 A/D 转换后送到单片机，CPU 将其与理想的控制压力进行比较后，利用差值进行控制算法，得出的新控制信号驱动步进电机，实现压力反馈控制。

　　2数控阀结构

　　由于计算机技术的发展，完全可以用足够精度的采样速度来分析和反馈压力变化信号。因此，系统加载速度的控制及控制精度主要取决于数控阀的工作性能。

　　本系统数控阀结构如图 2a 所示，阀芯台肩上的阻尼槽和阀套上的感受通道控制阀左腔的压力，而负载压力(出口压力) 通过反馈通道被引入阀的右腔。负载压力与阀左腔的压力成一固定的比例关系，在不考虑摩擦力的情况下，阀芯的轴向受力平衡，处于静止。若由于负载流量变化而引起阀右腔的压力变化而导致阀的轴向受力失去平衡，其结果阀芯线性移动，改变阀口的开度，直至负载压力恢复为和阀左腔成比例的压力值。在该阀中驱动阀芯移动的步进电动机采用特殊的算法进行控制，获得连续的输出角位移，以使阀的响应速度和控制精度同时得到保证。