混凝土压力试验机专用数控阀

　　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2.0±0.2MPa, 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^[1]。

　　目前, 实现压力试验机自动控制的主要有调频控制、电液伺服控制和电液比例阀控制三种方式^[1],基于调频控制系统机械部分最大负荷约束、电液伺服系统的元件贵重和混凝土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。

　　1系统工作原理

　　图1是混凝土压力试验机的液压系统原理图。

　　图2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。

　　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^[2]。

　　本系统数控阀结构如图3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。在该阀中驭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。

　　3 数控阀控制器设计

　　数控阀控制器硬件结构框图如图4 所示, 主要由单片机模块、按键输入模快、反馈信号采集及处理模块、显示控制模块、步进电机控制模块等部分组成。单片机采用16位的AT89C52, 以满足系统对运算能力的要求^[3]。

　　传感器采用AK-1型应变式脉动压力传感器,量程为25MPa, 精度为0.2%FS, 数据采集卡采用AD570, 它是8位逐次逼近型A/D转换器, 转换速度为25μs,转换精度为±1/2LSB^[4]。控制的压力数据可以通过键盘输入, 在显示器中显示, 按键输入采用独立式键盘, LCD显示采用HD44780 模块, 显示规格为16位×1行。