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某型冲击钻结构设计及优化,冲击钻,结构设计,优化
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本科毕业设计本科毕业设计(论文论文) 题目： 插装比例溢流阀设计 学学 院：院： 机机 械械 工工 程程 学学 院院 专专 业：业： 机械工程及自动化机械工程及自动化 班班 级：级： 2008 级级 08 班班 学学 号：号： 200802070827 学生姓名：学生姓名： 张张 强强 指导老师：指导老师： 都都 明明 宇宇 提交日期：提交日期： 2012 年年 5 月月 28 日日 浙江工业大学毕业设计（论文） I 插装比例溢流阀设计 学生姓名：张强 指导教师：都明宇 浙江工业大学机械工程学院 摘摘 要要 插装比例溢流阀具有过流能力大、溢流压力可比例调节等诸多优点，在工程机械等领域具有广泛应用。目前国内所使用的插装比例溢流阀主要依赖于进口，因此研制插装比例溢流阀对填补国内空白具有重要意义。 本文通过参照对比 Atos、Rexroth 等公司的同类产品，进行了 25 通径插装比例溢流阀的结构设计。并利用 AMESim 液压仿真软件对阀的一些性能进行仿真研究，改善了阀的一些参数。 结合当今高速发展的计算机控制技术，设计了基于 ARM7 内核的数字控制器。不仅方便了 PID 参数的修改，也为之后系统的扩展打下了基础。 关键词：关键词：插装比例溢流阀 AMESim ARM7 PID 浙江工业大学毕业设计（论文） II The Design of Cartridge Proportional Relief Valve Student:ZhangQiang Advisor:Du Mingyu College of Engineering Zhejiang University of Technology Abstract Cartridge proportional relief valve has many advantages, such as big flow capacity and proportionally controlled relief pressure. It has broad applications in areas, such as engineering machinery. The cartridge proportional relief vavle used at home is basically relyed on imports now. So the development of cartridge proportional relief valve to fill the domestic gap is of great significance. This paper conducts the structural design of 25 size cartridge proportional relief valve by the contrast of similar products produced by corporations, such as Atos and Rexroth. It also uses the hydraulic simulation software AMESim to study some performances of the valve by simulation research, and improves some parameters of the valve. Combined with the rapid development of computer control now, an ARM7- based digital controller is designed. It not only makes it easy to modify the PID parameters, but also lays the foundation for future expansion of the system. Key Words: Cartridge proportional relief valve AMESim ARM7 PID 浙江工业大学毕业设计（论文） III 目目 录录 摘 要.I Abstract .II 表 列.VI 图 列.VI 第一章 绪论.1 1.1 引言.1 1.2 课题的研究背景及意义.1 1.3 国内外研究现状.2 1.4 课题研究内容及目标.4 1.5 本章小结.4 第二章 插装比例溢流阀结构设计.5 2.1 引言.5 2.2 工作原理.5 2.2.1 阀的组成.5 2.2.2 阀的工作原理.5 2.3 阀的主要参数设计.6 2.3.1 主阀的设计.6 2.3.2 先导阀的设计.9 2.3.3 其他部件的设计.11 2.4 三维建模.12 2.5 本章小结.13 第三章 数学模型及仿真分析.14 3.1 引言.14 3.2 数学模型.14 3.2.1 主阀的数学模型.14 3.2.2 先导阀的数学模型.15 3.3 仿真模型.16 3.4 阀主要参数的仿真研究.17 浙江工业大学毕业设计（论文） IV 3.4.1 主阀芯行程.17 3.4.2 主阀弹簧.18 3.4.3 阻尼孔 3.20 3.4.4 阻尼孔 4.20 3.5 阀相关性能的仿真研究.21 3.5.1 比例调节特性.21 3.5.2 压力流量特性.22 3.6 本章小结.23 第四章 控制器硬件电路设计.24 4.1 引言.24 4.2 设计要求.24 4.3 各模块设计.24 4.3.1 电源模块.24 4.3.2 信号输入模块.26 4.3.3 驱动模块.27 4.3.4 数字模块.28 4.4 整体硬件电路.29 4.5 本章小结.29 第五章 控制器软件设计.30 5.1 引言.30 5.2 设计要求.30 5.3 PID 控制技术 .30 5.4 软件设计.31 5.4.1 LPC2138 初始化程序.31 5.4.2 A/D 采样程序.33 5.4.3 PID 运算程序 .34 5.4.4 LPC2138 正常工作指示灯程序.38 5.5 本章小结.38 第六章 总结与展望.39 浙江工业大学毕业设计（论文） V 6.1 总结.39 6.2 展望.39 参考文献.40 致 谢.41 附录 1 插装比例溢流阀控制器源代码.42 附录 2 插装比例溢流阀控制器 PCB 图.48 浙江工业大学毕业设计（论文） VI 表 列 1. 表 2.1 比例电磁铁相关技术参数 2. 表2.2 9546003012W型压力传感器技术参数 图 列 1. 图 1.1 Atos 的 LIMZO 型插装比例溢流阀 2. 图 1.2 Atos 的 AGAM 型插装比例溢流阀 3. 图 1.3 Bosch Rexroth 的 LC 型插装压力溢流阀 4. 图 1.4 Eaton Vickers 的 CVCS 型和 CVI 型插装压力溢流阀 5. 图 2.1 插装比例溢流阀液压原理图 6. 图 2.2 主阀阀座结构图 7. 图 2.3 主阀阀套结构图 8. 图 2.4 主阀阀芯结构图 9. 图 2.5 先导阀阀座结构图 10. 图2.6 先导阀阀芯结构图 11. 图2.7 25通径插装比例溢流阀三维模型 12. 图 3.1 25 通径插装比例溢流阀开环仿真模型 13. 图 3.2 25 通径插装比例溢流阀闭环仿真模型 14. 图 3.3 不同主阀芯行程对阀最小调节压力的影响 15. 图 3.4 不同弹簧刚度对 A 口溢流压力上升、下降时间的影响 16. 图 3.5 不同弹簧刚度对最小调节压力的影响 17. 图 3.6 不同弹簧预压缩力对 A 口溢流压力上升、下降时间的影响 18. 图 3.7 不同弹簧预压缩力对最小调节压力的影响 19. 图 3.8 不同阻尼孔 3 对 A 口溢流压力的影响 20. 图 3.9 不同阻尼孔 4 对 A 口溢流压力的影响 21. 图 3.10 开环模型的比例调节特性 22. 图 3.11 闭环模型的比例调节特性 23. 图 3.12 开环模型的压力流量特性 24. 图 3.13 闭环模型的压力流量特性 25. 图 4.1 15V 电源电路原理图 26. 图 4.2 5V 电源电路原理图 27. 图 4.3 2.5V 电源电路原理图 28. 图 4.4 3.3V 电源电路原理图 29. 图 4.5 指令信号输入模块电路原理图 30. 图 4.6 传感信号输入模块电路原理图 浙江工业大学毕业设计（论文） VII 31. 图 4.7 驱动模块电路原理图 32. 图 4.8 数字模块电路原理图 33. 图 4.9 控制器整体硬件电路原理图 34. 图 5.1 PID 控制原理图 35. 图 5.2 初始化程序流程图 36. 图 5.3 定时器 0 中断程序流程图 37. 图 5.4 PID 运算程序流程图 38. 图 5.5 LPC2138 正常工作指示灯程序流程图 浙江工业大学毕业设计（论文） 1 第一章第一章 绪论绪论 1.1 引言 插装比例溢流阀是比例控制技术和插装阀技术结合的产物，能连续地成比例地控制溢流压力，在各类液压系统（特别是大流量的液压系统）中具有广泛应用。 本章第 2 节介绍了课题的研究背景及意义，第 3 节介绍了与本课题相关的国内外研究现状，第 4节提出了本课题的研究内容及目标，第 5 节是对本章内容的总结。 1.2 课题的研究背景及意义 现代液压技术是在古老的水压传动技术的基础上发展和完善起来的。液压传动的基本原理Pascal原理是Pascal在17世纪发现的。第一个将这一原理用于手工业生产的是英国人Jeseph.Brama，他研制了世界上第一台水压机。19世纪后半叶，W.G.Armstrong研制了以水为介质的液压机械和元件，主要用于船舶锚机和起重机上。20世纪初叶，Janny研制成功以油液为介质的轴向柱塞机械(1905年)，Hele.Shaw和Hans. Thoma先后研制成功以油液为介质的径向柱塞机械（19101922)，标志着液压技术发展到油压技术阶段。第二次世界大战期间，尤其是20世纪6070年代，液压技术得到了快速发展并日臻完善，进入到了稳定成熟的发展时期1- 2。 当前，液压技术在实现高压、高速、大功率、高效率、低噪声、经久耐用、高度集成化、微型化、智能化等各项要求方面都取得了重大的进展，在完善比例控制、伺服控制、数字控制等技术上也有许多新成就。此外，在液压元件和液压系统的计算机辅助设计、计算机仿真和优化以及计算机控制等开发性研究方面，更日益显示出显著的成绩3。 溢流阀在整个液压系统中的主要作用是：维持被控系统压力恒定，实现稳压、调压或限压作用。对溢流阀的主要要求是：调压范围大、调压偏差小、压力振摆小、动作灵敏、过流能力大、噪声小。从工作原理上讲，溢流阀可分为直动式和先导式两大类：直动式溢流阀结构简单、灵敏度高，但受溢流流量的影响较大，不适于在高压、大流量下工作；先导式溢流阀的导阀部分结构尺寸一般都较小，调压弹簧不必很强，因此压力调整比较轻便，但是先导式溢流阀要导阀和主阀都动作后才能起控制作用，因此反应不如直动式溢流阀灵敏。传统溢流阀的溢流压力调整是通过人工调整调压手轮（或调节杆）来实现的，这在对压力控制要求比较高的液压系统中显然很难满足要求3。 比例控制和插装阀技术在 20 世纪的最后 20 年中得到了快速发展。 比例控制技术与插装阀技术相结合，形成二通和三通比例插装阀，这类插装阀结构简单，性能可靠，流动阻力小，通油能力大，易于实现集成。而且，比例控制和插装阀技术的控制性能不断提高，适应机电液一体化的发展潮流。流量位移力反馈闭环控制及级间速度动压反馈的应用，比例电磁铁、传感器、放大器等电液控制系统组件性能的不断提高，现代控制技术的不断发展，这些都将极大地提高比例插装阀的控制性能4。 本课题研究的 25 通径插装比例溢流阀从本质上来讲是一种先导比例溢流阀，是比例控制技术和插装阀技术的结合，能连续地成比例地控制压力，在大型锻压设备、大型核电、水电风电、大型工程及矿浙江工业大学毕业设计（论文） 2 山建设机械、大型装备和大规模铁路等场合起着重要的作用。通过本课题的研究，不仅可以充分理解先导比例溢流阀的工作原理，设计出合适的控制器；而且还可以填补国内在这一领域的研究空白，对后续的研究提供一定的参考价值，意义重大。 1.3 国内外研究现状 在电液比例控制阀产品和技术领域中，做的比较好的国外企业主要有德国的 Bosch Rexroth、美国的 MOOG、Oilgear、Parker、Eaton Vickers、意大利的 Atos 等。这些公司生产的电液比例控制阀可以说是各有千秋，但同类产品的基本原理都是大同小异的。 以 25 通径插装比例溢流阀为例，各大厂商的阀各有特色，但总体构架基本上类似，都采用了半桥控制。 区别主要体现在先导阀的形式和控制方式上： 先导阀的形式上， 大部分厂家的先导阀芯采用锥形，但也有少部分厂家的个别阀采用滑阀形式（例如 Atos 的 AGAM 型）；控制方式上，一些厂家的阀自带闭环控制放大器，而另外厂家的阀则不自带放大器。 图 1.1 是 Atos 的 LIMZO 型插装比例溢流阀示意图5，这是一个典型的 B 型半桥控制比例溢流阀，而且还自带了闭环控制放大器。 图 1.1 Atos 的 LIMZO 型插装比例溢流阀 图 1.2 是 Atos 的 AGAM 型插装比例溢流阀示意图5， 它的先导阀就采用了不同于一般的滑阀形式。当然，从原理上来讲，它也是一个 B 型半桥控制的比例溢流阀。 浙江工业大学毕业设计（论文） 3 图 1.2 Atos 的 AGAM 型插装比例溢流阀 图 1.3 是 Bosch Rexroth 的 LC 型插装压力溢流阀示意图6，它通过选用不同的先导级 4 可以构成手调压力溢流阀或者比例溢流阀。 图 1.3 Bosch Rexroth 的 LC 型插装压力溢流阀 浙江工业大学毕业设计（论文） 4 图 1.4 是 Eaton Vickers 的 CVCS 型和 CVI 型插装压力溢流阀示意图7，它与 Bosch Rexroth 的 LC型插装压力溢流阀一样，通过选用不同的先导级，可以构成手调压力溢流阀或者比例溢流阀。 图 1.4 Eaton Vickers 的 CVCS 型和 CVI 型插装压力溢流阀 国内的液压元件厂商目前还没有形成自己的插装比例溢流阀系列。 但国内的液压元件厂商如山东泰丰液压设备有限公司依托浙江大学，充分发挥产学研合作的优势，依靠自力更生，加快自主研发，在插装比例技术上已取得很大进步和发展，并已初步形成了几种相对独立的插装阀产品。 1.4 课题研究内容及目标 本课题的研究对象是 25 通径插装比例溢流阀，通过借鉴国外同类产品的相关技术参数并借助液压仿真软件 AMESim 进行阀的结构设计；并且设计了基于 ARM7 内核的数字控制器。 论文第二章对 25 通径插装比例溢流阀的原理进行了分析并设计了主要参数。在广泛调研基础上，结合 AMESim 仿真，合理设计了主阀和先导阀；此外，还合理选用了电磁铁、压力传感器、弹簧等。 论文第三章建立了插装比例溢流阀主阀和先导阀的数学模型，在此基础上合理建立了 25 通径插装比例溢流阀的仿真模型。通过仿真，不仅对阀的结构设计提出了一定的指导性意见，还可以对阀的一些性能（例如压力流量特性）进行评估。 论文第四章进行了基于 ARM7 内核数字控制器的硬件电路设计。 论文第五章进行了基于 ARM7 内核数字控制器的软件设计，此章结合了工程上广泛使用的 PID 控制技术。 1.5 本章小结 本章是整篇论文的绪论部分：首先介绍了课题的研究背景及意义；然后介绍了课题相关的国内外研究现状，主要介绍了国外一些厂家（如 Atos）的一些产品；最后介绍了本课题的研究内容及目标。 浙江工业大学毕业设计（论文） 5 第二章第二章 插装比例溢流阀结构设计插装比例溢流阀结构设计 2.1 引言 溢流阀根据结构不同，可分为直动溢流阀和先导溢流阀；按照控制方式区分，又可以分为手动溢流阀、电液比例溢流阀等。本文所提到的 25 通径插装比例溢流阀是一种典型的先导电液比例溢流阀。 本章第 2 节简单介绍了插装比例溢流阀的工作原理，第 3 节重点介绍了 25 通径插装比例溢流阀的主要参数设计，第 4 节进行了阀的三维建模，第 5 节是对本章内容的总结。 2.2 工作原理 2.2.1 阀的组成 本文所涉及到的 25 通径插装比例溢流阀的液压原理图如图 2.1 所示： 1 为直动式比例溢流阀， 2、 3、4 为固定液阻， 5 为 25 通径二通插装阀即主阀。其中直动式比例溢流阀 1 用作先导阀，A 口是主阀进油口，B 口是回油口（事实上它是与 T 口相连的）。 图 2.1 插装比例溢流阀液压原理图 2.2.2 阀的工作原理 图 2.1 所示的 25 通径插装比例溢流阀是一个典型的 B 型半桥控制的先导比例溢流阀（把固定液阻2 看做可变液阻的一部分） 。当直动式比例溢流阀 1 的溢流压力一定时，油液从 A 口进入阀，分成两股液流： 一股液流作用在主阀芯下部； 另一股液流经固定液阻 3 后分别作用在直动式比例溢流阀 1 和主阀芯上部。 浙江工业大学毕业设计（论文） 6 只要 A 油口的压力不足以使直动式比例溢流阀 1 溢流，主阀芯上下腔的压力就保持相等，从而使主阀保持关闭状态。这是因为主阀芯上下有效面积相等，而上面有一个弹簧向下施加一个力，使主阀关闭。当 A 油口的压力使得直动式比例溢流阀 1 溢流时，在阻尼孔 3 的作用下，主阀芯上下腔会产生压差，该压差达到一定值时足以打开主阀，A 油口与 B 油口相连，起到溢流的作用。 由以上的分析可知：主阀口 A 的溢流压力随着直动式比例溢流阀 1 的溢流压力的变化而变化，只要直动式比例溢流阀 1 的溢流压力成比例变化，主阀口 A 的溢流压力也差不多成比例变化。当然，主阀口 A 的溢流压力还会随着进入阀的流量的变化而变化。 2.3 阀的主要参数设计 由图 2.1 所示的液压原理图可知，阀的参数设计主要包括主阀的设计、先导阀的设计以及其他部件的设计。该阀需要满足以下要求： （1）溢流压力随着进入电磁铁电流大小的不同在 0315bar 之间可调节； （2）阀的最大流量可以达到 400L/min。 2.3.1 主阀的设计 1.阀套阀座设计 对于 25 通径的二通插装阀，由DIN ISO 7368：液压传动二通盖板式插装阀插装孔查得：阀套孔的规格是mm5845，阀座孔的规格是mm1434，进出孔的规格都是mm25。 由以上资料结合 Rexroth、Atos 等公司相关产品的技术参数5,6,7，阀套、阀座设计成如图 2.2 和图2.3 所示。 图 2.2 主阀阀套结构图 浙江工业大学毕业设计（论文） 7 图 2.3 主阀阀座结构图 2.阀芯设计 对于 25 通径的二通插装阀，阀芯的直径通常设计成 25mm，而阀芯长度的设计需要考虑到阀芯的行程问题（在这里又跟阀的最小调节压力有关）。按照最常用工况（200 L/min）对主阀的行程进行估算，根据阀口流量公式8： pACQd=2 (2.1) 式中： Q流量，3/ms; dC流量系数； A阀口通流面积，2m； 液体密度，3/kg m； p阀口前后的压差，Pa。 计算时，取流量系数dC=0.62，液体密度=8703/kg m8。此时，若设定阀的最小调节压力为 7bar（参照 Rexroth、Atos 等公司的同类产品5,6,7），可算得对应的过流面积 A 为2134mm，此时主阀的位移约为 6.6mm。当然，这只是理想的理论计算，实际阀芯行程的确定还要借助于 AMESim 液压仿真。 结合第三章 AMESim 液压仿真的知识可知：在流量为 200L/min 的情况下，如果阀芯的行程可以达到 6.6mm，该阀的最小调节压力可以限制在 7bar 左右，这是可以接受的（与 Rexroth、Atos 等公司的同类产品性能相仿5,6,7）。AMESim 仿真的结果与理论计算几乎一致，且仿真结果与理论的趋势也是一致的，例如随着阀芯行程的增加阀的最小调节压力降低。结合理论计算和液压仿真，最终确定阀芯的行程为 6.6mm，阀芯的结构图如图 2.4 所示。 浙江工业大学毕业设计（论文） 8 图 2.4 主阀阀芯结构图 3.弹簧设计 该弹簧的作用主要是在主阀芯关闭过程中， 对主阀芯产生向下的推力； 以及在初始情况下依靠弹簧的预压缩力压紧阀芯，使阀保持关闭状态。对于弹簧的设计，主要考虑到弹簧的刚度以及预压缩力。 弹簧的刚度不同，对 A 口溢流压力上升、下降时间和最小调节压力均有影响（详见第三章分析）。弹簧刚度越大，A 口溢流压力上升越快，但是最小调节压力也越大，弹簧的刚度对 A 口溢流压力的下降时间影响不大。综合考虑以上各方面因数，选取弹簧的刚度应为 3N/mm 左右。 同样的，弹簧预压缩力不同，对 A 口溢流压力上升、下降时间和最小调节压力均有影响（详见第三章分析）。弹簧预压缩力越大，A 口溢流压力上升越快，但是最小调节压力也越大，弹簧的预压缩力对 A 口溢流压力的下降时间影响不大。 综合考虑以上各方面因数， 选取弹簧的预压缩力应为 30N 左右。 根据以上条件结合阀的其他结构尺寸进行主阀弹簧的设计。已知条件如下：弹簧刚度约为 3N/mm，预压缩力约为 30N，弹簧外径mmD172，弹簧预压缩之后的长度为 45.4mm，弹簧的工作长度为6.6mm。 （1）根据弹簧工作条件，按第 I 类弹簧来考虑。初选弹簧钢丝直径mmd6 . 1=，旋绕比9=C，材料选为 65Mn；由文献 9 表 16- 3 查得MPaB1750=，由表 16- 2 查得MPaB5253 . 0=。 （2）确定弹簧钢丝直径及旋绕比9 曲度系数：162. 1615. 04414+CCCK （2.2） 钢丝直径：mmKCFd594. 16 . 1max （2.3） 由此：确定弹簧钢丝直径mmd6 . 1=，9=C。 （3）计算弹簧工作圈数9 浙江工业大学毕业设计（论文） 9 工作圈数：50. 788343=kDGdkCGdn （2.4） 由此：确定弹簧工作圈数为 7.5，此时弹簧刚度mmNk/3=。 （4）计算几何尺寸9 弹簧中径：mmCdD4 .14= （2.5） 弹簧外径：mmdDD162=+= （2.6） 弹簧内径：mmdDD8 .121= （2.7） 自由高度：mmkFHH4 .55010=+= （2.8） 查表 16- 5，取mmH550=。 有效圈数：5 . 7=n （2.9） 总圈数：91=n （2.10） 节 距：mmDp2 . 703. 4)5 . 028. 0(= （2.11） 考虑相关尺寸，取mmp8 . 5=。 轴向间距：mmdp2 . 4= （2.12） （5）验算稳定性9 长细比：82. 30=DHb （2.13） 由此：弹簧的稳定性满足要求。 2.3.2 先导阀的设计 1.比例电磁铁的选用 比例电磁铁10作为电液比例控制元件的电机械转换器件，其功能是将比例控制放大器输给的电流信号转换成位移或力。电液比例控制对比例电磁铁提出了一定的性能要求，主要如下： （1）水平位移力特性，即比例电磁铁在有效工作行程内，当线圈电流一定时，其输出力保持恒定； （2）稳态电流力特性具有良好的线性度，较小的死区及滞回； （3）阶跃响应快，频响高。 根据以上特性以及结合本阀的要求，选用了 ETO（艾通电磁）的 C475308704 型比例电磁铁，该电磁铁的相关技术参数如表 2.1 所示11。 浙江工业大学毕业设计（论文） 10 表 2.1 比例电磁铁相关技术参数 额定行程（mm） 2.8 全行程（mm） 5.76.4 额定输出力（N） 72 额定电压(V) 24 额定电流(A) 0.8 线圈额定电阻（） 20.3 2.阀座设计 先导阀座起到了先导阀芯支座的作用， 这其中最重要的参数就是先导阀座孔直径的设计。 孔直径取得太大则比例电磁铁需要更大的推力，尺寸也会加大；取得太小又会影响阀的稳定12,13。本文中取先导阀座孔的直径为 1.6mm。先导阀座的结构图如图 2.5 所示。 图 2.5 先导阀阀座结构图 3.阀芯设计 先导阀芯的设计最关键的就是半锥角的确定。适当减小先导阀半锥角，除了可以减小先导阀的液动力刚度、提高阀的稳定性外，还可以增大阀芯与阀座接触的支反力，提高密封性能，以免在外界液体压力发生变化时，由于密封性能不好引起缝隙流动，导致先导阀振动；但是先导阀半锥角也不能取得过小，因为锥角过小时，一方面会造成导阀过流面积太小从而影响通流性能，另一方面会引起支反力过大从而影响先导阀的使用寿命12,13。 本文中取先导阀芯半锥角=10，先导阀芯的结构图如图2.6所示。 图2.6 先导阀阀芯结构图 浙江工业大学毕业设计（论文） 11 4.弹簧设计 先导阀中有两个弹簧：其中一个弹簧起到一个支座的作用；另外一个弹簧起到一个传力的作用。它们的设计并没有过多的技术要求，这里不再赘述。 2.3.3 其他部件的设计 1.阻尼孔的选用 由图2.1液压原理图可知，在25通径插装比例溢流阀中总共需要3个阻尼孔。阻尼孔2主要起到稳定溢流压力的作用，它已经以通孔的形式出现在了阀座上，这里不再进行详细讨论。 阻尼孔3使主阀上下腔产生压差，是该阀正常工作的关键。理论上来说，不管阻尼孔3大或小，只要主阀上下腔产生的压差力足以克服弹簧力，就能使主阀打开。但是，这个孔越大，要产生同样的压差，就需要更大的流量， 而通过先导溢流阀的流量越大， 工作压力也就越高， 从而导致主阀的开启压力升高。因此，这个阻尼孔不能太大。 同样的，这个阻尼孔也不宜太小。因为阻尼孔小，只要少量的一些流量通过该阻尼孔，所产生的压差就足以打开主阀，而主阀上腔经过主阀芯和阀套之间的间隙到B口不可避免地存在泄漏。主阀的通径越大、间隙越大、压力越高、温度越高，则泄漏越大。这个泄漏的液流全部来自A口，经过阻尼孔3和4，在A口与上腔间产生压差。严重的时候就会导致先导溢流阀尚未打开，但泄漏引起的压差就把主阀打开了。因此，通常要保证通过阻尼孔产生的正常工作压差至少是最大泄漏所产生压差的35 倍14。 通过第三章的分析可知，阻尼孔3取1mm比较合适，故选取阻尼孔3的直径是1mm。 由图2.1液压原理图可知，当主阀芯处于静止时无液流通过阻尼孔4，此时阻尼孔4无作用。只有当阀芯运动时，才有液流通过阻尼孔4。阻尼孔4越小，油液进出主阀上腔越不易，因此阀芯波动越小，从而压力振荡越小；但如果太小，阀芯开启就会太慢，会造成大的压力超调14。因此，要根据具体工况，适当选择阻尼孔4的大小。 通过第三章的分析可知，阻尼孔4取1mm比较合适，故选取阻尼孔4的直径是1mm。 2.压力传感器的选用 A口的压力由压力传感器测得，压力传感器应具有电磁兼容性好、温度影响小、线性度好、迟滞小等特性。本文选用瑞士Huba公司的511系列OEM压力传感器，并将压力传感器定型为9546003012W，该型压力传感器相关技术参数如表2.2所示15。 表2.2 9546003012W型压力传感器技术参数 测压范围（bar） 0400 信号输出（mA） 420 温度影响（C） - 40125 精度 线性、滞环和重复性之和%3 . 0 动态响应 ms2 安装 无限制 浙江工业大学毕业设计（论文） 12 2.4 三维建模 由 25 通径插装比例溢流阀的主要参数可以设计出该阀的三维模型，在本课题中我们采用Pro/ENGINEER 软件（以下简称 PRO/E）进行阀的三维建模16。 Pro/E 软件是美国参数技术公司（PTC)旗下的 CAD/CAM/CAE 一体化的三维软件。Pro/E 软件以参数化著称，是参数化技术的最早应用者，在目前的三维造型软件领域中占有重要地位。Pro/E 是现今主流的 CAD/CAM/CAE 软件之一，特别是在国内产品设计领域占据重要位置。它的主要优点如下： （1）参数化设计。相对于产品而言，我们可以把它看成几何模型，而无论多么复杂的几何模型，都可以分解成有限数量的构成特征，而每一种构成特征，都可以用有限的参数完全约束，这就是参数化的基本概念。 （2）基于特征建模。Pro/E 是基于特征的实体模型化系统，工程设计人员采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如腔、壳、倒角及圆角，可以随意勾画草图，轻易改变模型。这一功能特性给工程设计者提供了在设计上从未有过的简易和灵活。 （3）单一数据库（全相关）。Pro/E 是建立在统一基层上的数据库上，不像一些传统的CAD/CAM 系统建立在多个数据库上。例如，一旦工程详图有改变，NC（数控）工具路径也会自动更新；组装工程图如有任何变动，也完全同样反应在整个三维模型上。这一优点，使得设计更优化，成品质量更高，产品能更好地推向市场，价格也更便宜。 使用 PRO/E 建立的 25 通径插装比例溢流阀的三维模型如图 2.7 所示。 图2.7 25通径插装比例溢流阀三维模型 浙江工业大学毕业设计（论文） 13 2.5 本章小结 本章重点介绍了25通径插装比例溢流阀的结构设计，是整篇论文的重要组成部分之一。第2节简单介绍了插装比例溢流阀的工作原理，指出了B型半桥控制先导比例溢流阀的工作原理。第3节详细介绍了25通径插装比例溢流阀的主要参数设计，设计过程中结合了理论计算、AMESim液压仿真以及相关文献资料，使阀的主要参数设计得相对合理。第4节介绍了阀的三维建模，利用参数化三维软件PRO/E建立了所设计阀的三维模型， 不仅对整个阀有了一个直观的了解， 而且可以纠正和改善阀的一些参数设计。 浙江工业大学毕业设计（论文） 14 第三章第三章 数学模型及仿真分析数学模型及仿真分析 3.1 引言 仿真技术是一门多学科的综合性技术，它以控制论、系统论、相似原理和信息技术为基础，以计算机和专用设备为工具，利用系统模型对实际的或设想的系统进行动态实验。例如，汽车或飞机的驾驶训练模拟器，就是应用仿真技术的成果。 针对本课题的仿真研究，选取了 AMESim 作为课题的仿真平台，在此平台上建立 25 通径插装比例溢流阀的仿真模型，研究其静态和动态性能。本章第 2 节介绍了 25 通径插装比例溢流阀数学模型的建立，这是为了便于在 AMESim 中利用 HCD 液压元件库建立仿真模型；第 3 节简单介绍了 25 通径插装比例溢流阀的仿真模型；第 4 节介绍了第二章中涉及到的一些阀的主要参数的仿真研究；第 5 节介绍了开环、闭环情况下的阀的相关性能的研究；第 6 节是对本章内容的一个小结。 3.2 数学模型 为了建立 25 通径插装比例溢流阀的 AMESim 仿真模型，需要建立阀的数学模型17,18。而数学模型又以先导阀数学模型和主阀数学模型为主，本文中也只介绍了先导阀和主阀的数学模型。 3.2.1 主阀的数学模型 主阀芯下腔的流量连续性方程（不考虑泄露）： dtdyAdtdPEVQQQvvv11121+= （4.1） 式中： vQ进入阀口的总流量， sm /3； 1vQ主阀阀口溢流量，sm /3； 2vQ流过阻尼孔 3 的流量，sm /3； 1V主阀芯下腔容积，3m； E油液体积弹性模量，Pa； 1P阀的进口压力，Pa； 1A主阀芯下端的有效作用面积，2m； y主阀口轴向开口量，m。 主阀阀芯受力平衡方程： 浙江工业大学毕业设计（论文） 15 111112212211)(yPkyykdtdyfdtydmAPAPe+= （4.2） 式中： 2P主阀上腔压力，Pa； 2A主阀芯上端的有效作用面积，2m； 1m主阀芯的质量，kg； 1f主阀阀芯的运动粘性阻尼系数； 1k主阀弹簧刚度，mN /； 1y主阀弹簧预压缩量，m； 1ek主阀阀口液动力刚度。 3.2.2 先导阀的数学模型 先导阀口腔的流量连续性方程（只考虑稳态）： dtdxAdtdPEVQQvv33332+= （4.3） 式中： 3vQ先导阀口溢流量，sm /3； 3V先导阀口腔容积，3m； 3P先导阀口的压力，Pa； 3A先导阀芯有效作用面积，2m； x先导阀口的轴向开口量，m。 先导阀芯受力平衡方程： 3212222233)(xPkxxkdtdxfdtxdmAPe+= （4.4） 式中： 2m先导阀芯的质量，kg； 浙江工业大学毕业设计（论文） 16 2f先导阀阀芯的运动粘性阻尼系数； 2k先导阀弹簧刚度，mN /； 1x先导阀弹簧预压缩量，m； 2ek先导阀阀口液动力刚度。 3.3 仿真模型 本课题中使用 AMESim 液压仿真软件进行 25 通径插装比例溢流阀的仿真研究， 仿真模型的建立也基于该平台。 AMESim 软件是法国 IMAGINE 公司自 1995 年开始推出的一种新型的高级建模和仿真软件，其全称为多学科领域复杂系统建模仿真解决方案（Advanced Modeling Environment for Simulation of engineering）。AMESim 提供了一个系统工程设计的完整平台：包涵 28 个应用模型库、5 个接口工具、1 个优化设计工具包以及 10 个实时仿真代码生成功能。使得用户可以在一个平台上建立复杂的多学科领域系统的模型， 并在此基础上进行仿真计算和深入的分析。 用户可以在 AMESim平台上研究任何元件或系统的稳态和动态性能，例如在燃油喷射中的应用。AMESim 使得用户从繁琐的数学建模中解放出来从而专注于其专业物理系统本身的设计；而且，面向工程应用的定位使得 AMESim 成为汽车、液压和航天航空工业研发部门的理想选择19。 根据液压原理图 2.1 以及本章第 2 节的介绍， 可以建立 25 通径插装比例溢流阀的仿真模型。考虑到不同性能分析的需要，分别建立了 25 通径插装比例溢流阀的开环仿真模型和闭环仿真模型，如图 3.1 和图 3.2 所示20。 图 3.1 25 通径插装比例溢流阀开环仿真模型 浙江工业大学毕业设计（论文） 17 图 3.2 25 通径插装比例溢流阀闭环仿真模型 3.4 阀主要参数的仿真研究 本节提到的阀主要参数的仿真研究主要包括以下四个部分： 不同的主阀芯行程对阀性能的影响， 不同的主阀弹簧对阀性能的影响，不同的阻尼孔 3 对阀性能的影响以及不同的阻尼孔 4 对阀性能的影响。 3.4.1 主阀芯行程 主阀芯行程主要影响阀的最小调节压力，通过分析可知：主阀芯行程越大，阀的最小调节压力越小。本文通过 AMESim 中的批运行对不同主阀芯行程下阀的性能进行了仿真研究。不同主阀芯行程对阀的最小调节压力的影响如图 3.3 所示。 1- 4mm 2- 5mm 3- 6mm 4- 7mm 5- 8mm 图 3.3 不同主阀芯行程对阀最小调节压力的影响 浙江工业大学毕业设计（论文） 18 由图 3.3 可知：阀的最小调节压力随着主阀芯行程的增大而减小；且当主阀芯行程大于 7mm 时，阀的最小调节压力几乎不再发生变化。经过进一步分析，可以确定当主阀芯行程为 6.6mm 时，阀的最小调节压力最小，约为 7bar。结合第三章的相关知识，确定主阀芯行程为 6.6mm。 3.4.2 主阀弹簧 主阀弹簧不同，对 A 口溢流压力上升、下降时间和最小调节压力均有影响。在这里，又主要是弹簧刚度和预压缩力这两个因数在起作用。 1.弹簧刚度 本文通过 AMESim 中的批运行对不同弹簧刚度下阀的性能进行了仿真研究。不同弹簧刚度对 A 口溢流压力上升、下降时间的影响如图 3.4 所示，不同弹簧刚度对最小调节压力的影响如图 3.5 所示。 1- 1mmN / 2- 3mmN / 3- 5mmN / 4- 7mmN / 5- 9mmN / 图 3.4 不同弹簧刚度对 A 口溢流压力上升、下降时间的影响 1- 1mmN / 2- 3mmN / 3- 5mmN / 4- 7mmN / 5- 9mmN / 图 3.5 不同弹簧刚度对最小调节压力的影响 浙江工业大学毕业设计（论文） 19 由图 3.4 和图 3.5 可知：主阀弹簧刚度越大，A 口溢流压力上升越快，但是最小调节压力也越大；主阀弹簧的刚度对 A 口溢流压力的下降时间影响不大。通过分析，主阀弹簧刚度选择mmN /3左右是比较合理的。 2.预压缩力 和研究弹簧刚度对阀性能的影响一样，本文通过 AMESim 中的批运行对不同弹簧预压缩力下的阀的性能进行了仿真研究。不同弹簧预压缩力对 A 口溢流压力上升、下降时间的影响如图 3.6 所示，不同弹簧预压缩力对最小调节压力的影响如图 3.7 所示。 1- 10N 2- 20N 3- 30N 4- 40N 5- 50N 图 3.6 不同弹簧预压缩力对 A 口溢流压力上升、下降时间的影响 1- 10N 2- 20N 3- 30N 4- 40N 5- 50N 图 3.7 不同弹簧预压缩力对最小调节压力的影响 由图 3.6 和图 3.7 可知：主阀弹簧预压缩力越大，A 口溢流压力上升越快，但是最小调节压力也越大；弹簧的预压缩力对 A 口溢流压力的下降时间影响不大。通过分析，主阀弹簧预压缩力选择N30左右是比较合理的。 浙江工业大学毕业设计（论文） 20 3.4.3 阻尼孔 3 由第二章的分析可知： 阻尼孔 3 主要用于使主阀上下腔产生压差， 是该阀正常工作的关键组成部分。本文通过 AMESim 中的批运行对不同阻尼孔 3 下的阀的性能进行了仿真研究。不同阻尼孔 3 对 A 口溢流压力的影响如图 3.8 所示。 1- 0.6mm 2- 0.8mm 3- 1.0mm 4- 1.2mm 5- 1.4mm 图 3.8 不同阻尼孔 3 对 A 口溢流压力的影响 由图 3.8 可知：阻尼孔 3 越大，A 口的溢流压力越高，因此阻尼孔 3 不能过分大；同样，阻尼孔 3也不能过分小，否则阀将不能正常工作。通过分析，阻尼孔 3 选择 1mm 是比较合理的。 3.4.4 阻尼孔 4 由第二章的分析可知：阻尼孔 4 主要使油液进出主阀上腔时有一个缓冲。本文通过 AMESim 中的批运行对不同阻尼孔 4 下的阀的性能进行了仿真研究。不同阻尼孔 4 对 A 口溢流压力的影响如图 3.9所示。 1- 0.6mm 2- 0.8mm 3- 1.0mm 4- 1.2mm 5- 1.4mm 图 3.9 不同阻尼孔 4 对 A 口溢流压力的影响 浙江工业大学毕业设计（论文） 21 由图 3.9 可知：阻尼孔 4 越小，会使油液进出主阀上腔越不易，A 口溢流压力上升越慢，阀芯波动越小；但是阻尼孔 4 不能过分小，否则会导致大的压力超调甚至是不稳定。通过分析，阻尼孔 4 选择1mm 是比较合理的。 3.5 阀相关性能的仿真研究 插装比例溢流阀最关键的两个性能是比例调节特性和压力流量特性。本文通过对比 25 通径插装比例溢流阀开环和闭环模型的这两种性能，对阀的结构设计进行一个评估。 3.5.1 比例调节特性 本文通过 AMESim 中的批运行对开环和闭环模型的比例调节特性进行了仿真研究：开环模型的仿真结果如图 3.10 所示，闭环模型的仿真结果如图 3.11 所示。 1- 10N 2- 20N 3- 30N 4- 40N 5- 45N 图 3.10 开环模型的比例调节特性 1- 2V 2- 4V 3- 6V 4- 8V 5- 10V 图 3.11 闭环模型的比例调节特性 浙江工业大学毕业设计（论文） 22 由图 3.10 和图 3.11 可知：本文所设计的 25 通径插装比例溢流阀的比例调节特性还是比较理想的；此外，阀的响应速度比较快，稳态误差也比较小。 3.5.2 压力流量特性 本文通过 AMESim 中的批运行对开环和闭环模型的压力流量特性进行了仿真研究：开环模型的仿真结果如图 3.12 所示，闭环模型的仿真结果如图 3.13 所示。 1- 50min/L 2- 100min/L 3- 150min/L 4- 200min/L 5- 250min/L 图 3.12 开环模型的压力流量特性 1- 50min/L 2- 100min/L 3- 150min/L 4- 200min/L 5- 250min/L 图 3.13 闭环模型的压力流量特性 由图 3.12 和图 3.13 可知：开环模型的 A 口溢流压力会随着流量的增大而增大，这属于正常现象；闭环模型的 A 口溢流压力随着流量的变化几乎没有变化，这说明本文所设计的 25 通径插装比例溢流阀的压力流量特性还是比较理想的。 浙江工业大学毕业设计（论文） 23 3.6 本章小结 本章重点介绍了基于 AMESim 的阀的仿真研究，是整篇论文的重要组成部分之一。第 2 节介绍了25 通径插装比例溢流阀的数学模型，主要是主阀和先导阀的数学模型，这有助于合理地建立 AMESim仿真模型。第 3 节介绍了 25 通径插装比例溢流阀的 AMESim 仿真模型，包括开环模型和闭环模型。第4 节基于 AMESim 仿真研究，详细分析了不同的主阀芯行程、主阀弹簧、阻尼孔 3 和阻尼孔 4 对阀性能的影响，并指出了合理的参数，对阀的结构设计提出了指导性意见。第 5 节基于 AMESim 仿真研究，详细分析了本文所设计的 25 通径插装比例溢流阀的比例调节特性和压力流量特性。 浙江工业大学毕业设计（论文） 24 第四章第四章 控制器硬件电路设计控制器硬件电路设计 4.1 引言 控制器的设计即对 25 通径插装比例溢流阀的比例控制放大器进行设计。比例控制放大器是一种用来对比例电磁铁提供特定性能电流，并对主阀阀芯位移进行闭环调节的电子装置。 控制器的设计包括硬件电路设计和软件设计两个部分，本章主要介绍硬件电路设计。本章第2 节简单介绍了硬件电路设计的要求，第 3 节详细介绍了控制器各个模块的设计，第 4 节介绍了控制器整个硬件电路，第 5 节是对本章内容的一个小结。 4.2 设计要求 控制器有模拟和数字之分，本控制器采用数模混合的设计：即信号处理、驱动级、保护等采用模拟电路；而对算法要求很高的 PID 运算采用数字电路，集合了计算机控制技术，不仅可以实现复杂的 PID 算法，而且便于修改 PID 参数，提高调试效率；此外，采用数模混合的设计，还能实时显示阀的压力。 控制器一般需要满足以下要求： （1）良好的稳态控制特性； （2）动态响应快，频带宽； （3）功率放大级的功耗小；（4）抗干扰能力强，有很好的稳定性和可靠性；（5）较强的控制功能。 针对本课题涉及到的 25 通径插装比例溢流阀控制器的设计，还提出了以下详细要求：（1）指令信号为 010V 电压输入；（2）反馈信号为 420mA 电流输入；（3）应提供一定的保护电路等。 4.3 各模块设计 根据设计要求， 25 通径插装比例溢流阀控制器的设计大致可以包括电源模块、 信号输入模块、驱动模块和数字模块四个部分。 4.3.1 电源模块 控制器电源模块的作用是： 从标准电源中获得和分离出控制器正常工作所需的各种直流稳定电源，并且在电网电压、环境温度以及负载电流在允许范围内变化时，保证输出直流电压的稳定性。同时，电源模块还需要具备电源电压极性反接、过流、短路时的自保护自恢复等保护功能，这样才能保证控制器的可靠工作。 在液压系统上，一般给控制器供电的都是 24V 开关电源，所以我们设计电源模块是基于 24V开关电源来设计的。控制器中既有模拟电路也有数字电路，模拟这块主要是给运放提供15V 电源以及给比例电磁铁和位移传感器提供电源，数字这块主要是给 LPC2138 芯片及串口复位等芯片供电。整个控制器中需要的电源如下：15V、5V、2.5V、3.3V，其中 3.3V 有数字和模拟之分。 1.15V 电源 15V 电源采用北京汇众电源有限公司的 HZD10C- 12S15 型开关电源， 该电源具有如下特点：浙江工业大学毕业设计（论文） 25 电源模块额定输出功率 10W，输出电压精度可达1%，具有输出过流保护、输出过压保护等功能。电路原理图如图 4.1 所示。 1N5822D111nFC1224V0V24VV1000uF/50VB2S14K35RV1+IN1- IN2+OUT3COM4- OUT510WDC- DC1100nFC13100uF/50VB1100nFC14100nFC15+15V- 15V100uF/50VB3IN4148D12IN4148D13AGND+- 15V电源电源 图 4.1 15V 电源电路原理图 2.5V 电源 5V 电源为过渡性电源，主要为从 24V 开关电源得到 2.5V 和 3.3V 电源。选用美国国家半导体公司生产的 1A 集成稳压电路 LM2575- 5.0，该电源内部集成了一个固定的振荡器，只须极少外围器件便可构成一种高效的稳压电路， 可大大减小散热片的体积， 而在大多数情况下不需散热片，内部有完善的保护电路，包括电流限制及热关断电路等。电路原理图如图 4.2 所示。 VIN1GND3ON/OFF5OUTPUT2FEEDBACK4LM2575- 5.0U1024VV470uF/50VB41N5819D14330uHL2+5V+5V电源电源 图 4.2 5V 电源电路原理图 3.2.5V 电源 LPC2138 的 AD/DA 需要参考电压基准，该基准影响 AD/DA 精度。这里选用德州仪器的REF5025A，该电压基准具有低噪声、极低温漂、高精度等特点，其中温漂系数为 8ppm，精度为0.1%。电路原理图如图 4.3 所示。 DNC1Vin2TEMP3GND4TEMP/NR5Vout6NC7DNC8REF5025U114.7uFC211uFC2210uFC23+5V+2.5V+2.5V电压基准电压基准 图 4.3 2.5V 电源电路原理图 浙江工业大学毕业设计（论文） 26 4.3.3V 电源 该电源为 LPC2138 供电，芯片中需要 3.3V 数字和模拟电源，所以需要在电路里分出数字和模拟 3.3V，两者通过电感接于一点。3.3V 芯片选用 Sipex 公司的 SPX1117M3- 3.3 芯片，该芯片经常使用在一些高效率小封装的低功耗系统中。电路原理图如图 4.4 所示21。 VIN3GND1VOUT2SPX1117M3- 3.3U9+5V0.1uFC170.1uFC180.1uFC190.1uFC2010uHL14.7uFC16V3.3AVDD3.3+3.3V电源电源L310uH 图 4.4 3.3V 电源电路原理图 4.3.2 信号输入模块 信号输入模块主要包括指令信号输入模块和传感信号输入模块两个部分。 1.指令信号输入模块 指令信号输入模块用于将 110V 指令信号进行差分输入，并将信号转换到 A/D 的量程范围内，电路原理图如图 4.5 所示。 18KR6100KR523184ATL072DU1A+15V- 15V20KR784567BTL072DU1B+15V- 15V1nFC2100KR4100KR1100KR2100KR31nFC11nFC3IN4148D1+15VIN4148D2- 15VSigU-SigU+- 100V02VBZX84C3V3DZ1240R8zhilingGND 图 4.5 指令信号输入模块电路原理图 2.传感信号输入模块 传感信号输入模块主要将压力传感器输出的 420mA 传感信号转化为电压信号， 并将该电压信号转换到 A/D 的量程范围内。此外，考虑到传感信号实时反应着主阀口的溢流压力大小，一旦阀工作出现异常（例如传感信号超出了 420mA 的量程范围），传感信号输入模块应该能够产生一个保护信号，用于电路产生一定的动作去保护阀。电路原理图如图 4.6 所示。 浙江工业大学毕业设计（论文） 27 84567BTL072DU3B+15V- 15V18KR191nFC7100KR1723184ATL072DU5A10KR18+15V- 15V10KR2223184ALM2904DU4A84567BLM2904DU4B- 15V- 15V+15V+15V10KR24+15V10KR255.1KR26510R27+5.68V+0.93VBAV70D75.1KR20+15V- 15V+15V- 15V+15V- 15VSensorI+15V- 15V1N4148D3+15V1N4148D4- 15V1N4148D51N4148D6250RJ110KR1310KR1210KR1110KR1010KR923184ATL072DU2A23184ATL072DU3A84567BTL072DU2B10KR1410KR1510KR1610nFC610nFC5- 1- 5VPWM_Protect20KR210.21V240R23BZX84C3V3DZ2fankui100nFC415VYellowDS1Lvdt1.5KR28 图 4.6 传感信号输入模块电路原理图 4.3.3 驱动模块 驱动模块也就是功率放大级，用于进行功率放大，给电磁铁提供控制电流。 功率放大级一般有模拟式和开关式之分。模拟式功率放大级技术成熟，结构简单，稳态控制性能较好，但它的功放管工作在线性区，在非额定电流工况下，功放管的功耗很大，降低了电功率的利用率，同时需要增加散热装置，不但增加成本，还不利于小型化集成化，也降低了在高温环境下的可靠性。开关式功率放大级用开关放大技术，使功放管始终工作在饱和区或截止区，使功放管的功耗大大降低10。开关式功率放大级有脉宽调制、脉频调制、脉幅调制、脉码调制等多种方式，以脉宽调制（PWM）最为常见。 本文采用的是脉宽调制式功率放大级，电路原理图如图 4.7 所示。 1KR42IRF530NQ1IN5822D1024VV0.1/3WRS1EM+EM- 15V+15VTWBC846Q210KR43IN4148D9PWM_Protect0V84567BTL072DU7BIN4148D8 图 4.7 驱动模块电路原理图 浙江工业大学毕业设计（论文） 28 4.3.4 数字模块 数字模块主要是 ARM7 芯片 LPC2138 的电路，该部分主要起 PID 运算以及实时显示压力的作用。 LPC2138 是基于 32 位的 ARM7TDMI- S 结构的微处理器， 并在此基础上扩展了一系列的通用外围器件，使系统的集成度提高以及成本降至很低，消除了增加附加配置的需要，LPC2138 微控制器的特点如下21：（1）小型 LQFP64 封装的 32 位 ARM7TDMI- S 微控制器；（2）32K 片内静态 RAM，512K 片内 FLASH；（3）片内 Boot 装载软件实现在系统/在应用中编程（ISP/IAP）；（4）2 个 8 路 10 位 A/D 转换器共包含 16 个模拟输入，每个通道的转换时间低至 2.44us；（5）1 个 10 位 D/A 转换器，可提供不同的模拟输出；（6）2 个 32 位定时器/计数器（带 4 路捕获和 4路比较通道）、PWM 单元（6 路输出）和看门狗；（7）多个串行接口，包括 2 个 UART，2 个高速 I2C 接口（400kbit/s），SPI 和 SSP； （8）向量中断控制器，可配置优先级和向量地址； （9）多达 47 个 5V 的通用 I/O 口；（10）9 个边沿或电平触发的外部中断引脚；（11）通过片内 PLL可实现最大为 60MHz 的 CPU 操作频率，PLL 的稳定时间为 100us；（12）片内晶振频率范围：1- 30MHz；（13）2 个低功耗模式：空闲和掉电。 数字模块的电路原理图如图 4.8 所示。 MR1RESET2RESET3VSS4SDA5SCL6WP7VCC8CAT1025JI- 30U13R1OUT12R1IN13T1OUT14T2IN10T2OUT7R2IN8C2-5T1IN11VCC16V-6V+2C1+1GND15R2OUT9C1-3C2+4SP3232EU12XTAL1XTAL21211.0592MHzY130PC3130PC32XTAL1XTAL2V3.3AVDD3.3VDD3.3VDD3.3+2.5VVSS25P0.3/SDA0/MAT0.0/EINT126P0.4/SCK0/CAP0.1/AD0.627P1.25/EXINT028P0.21/PWM5/AD1.6/Cap1.31P0.22/AD1.7/Cap0.0/MAT0.02RTXC13P1.19/TRACEPKT34RTXC25VDDA7VSS6P1.18/TRACEPKT28P0.25/AD0.4/Aout9P0.26/AD0.510P0.27/AD0.0/CAP0.1/MAT0.111P1.17/TRACEPKT112P0.28/AD0.1/CAP0.2/MAT0.213P0.29/AD0.2/CAP0.3/MAT0.314P0.30/AD0.3/EINT3/CAP0.015P1.16/TRACEPKT016P0.3117VSS18P0.0/TXD0/PWM119P1.31/TRST20P0.1/RXD0/PWM3/EINT021P0.2/SCL0/CAP0.022VDD23P1.26/RTCK24P0.5/MISO0/MAT0.1/AD0.729P0.6/MOSI0/CAP0.2/AD1.030P0.7/SSEL0/PWM2/EINT231P1.24/TRACECLK32P0.8/TXD1/PWM4/AD1.133P0.9/RXD1/PWM6/EINT334P0.10/RTS1/CAP1.0/AD1.235P1.23/PIPESTAT236P0.11/CTS1/CAP1.1/SCL137P0.12/DSR1/MAT1.0/AD1.338P0.13/DTR1/MAT1.1/AD1.439P1.22/PIPESTAT140P0.14/DCD1/EINT1/SDA141P1.21/PIPESTAT044P0.15/RI1/EINT2/AD1.545P0.16/EINT0/MAT0.2/CAP0.246P0.17/CAP1.2/SCK1/MAT1.247P1.20/TRACESYNC48VSS42VDD43VBAT49VSS50VDD51P1.30/TMS52P0.18/CAP1.3/MISO1/MAT1.353P0.19/MAT1.2/MOSI1/CAP1.254P0.20/MAT1.3/SSEL1/EINT355P1.29/TCK56RESET57P0.2358VSSA59P1.28/TDI60XTAL261XTAL162Vref63P1.27/TD064LPC2138U14VDD3.310KR52VDD3.3nRSTnRST10KR51VDD3.310KR50TxD0RxD0100nFC28100nFC29100nFC26100nFC27VDD3.3TxD0RxD01234Header2X2JP1DCD1VDD3.310KR54JumperJ2DCD1zhilingDAout470R53VDD3.3GreenDS4ARM正常运行指示灯（闪烁）BC846Q310KR55PWM_Protect5.1KR56VDD3.35.1KR57I_Protect0.1uFC330.1uFC340.1uFC350.1uFC360.1uFC250.1uFC30V3.3AVDD3.3VDD3.3VDD3.3RESETfankuiA3f9g10e1d2A8c4DP5b6a7DS5A3f9g10e1d2A8c4DP5b6a7DS6A3f9g10e1d2A8c4DP5b6a7DS7OE13LCHCLK12SDI14RST10SFTCLK11QA15QB1QC2QD3QE4QF5QG6QH7SDO9VDD16GND8U15MC74HC595ADOE13LCHCLK12SDI14RST10SFTCLK11QA15QB1QC2QD3QE4QF5QG6QH7SDO9VDD16GND8U16MC74HC595ADOE13LCHCLK12SDI14RST10SFTCLK11QA15QB1QC2QD3QE4QF5QG6QH7SDO9VDD16GND8U17MC74HC595ADVDD3.3VDD3.3VDD3.3MISOSCK0MOSISCK0SCK0SCK0SD0SD1MISOSD1SD0MOSICSCSCSVDD3.3VDD3.3VDD3.30.1uFC370.1uFC380.1uFC390.1uFC400.1uFC410.1uFC42VDD3.3VDD3.3VDD3.3I_ProtectCSR58R59R60R61R62R63R64R65R66R67R68R69R70R71R72R73R74R75R76R77R78R79R80R8110KR82VDD3.3IN4148D15 图 4.8 数字模块电路原理图 浙江工业大学毕业设计（论文） 29 4.4 整体硬件电路 通过第 3 节的介绍，控制器的硬件电路设计已经比较明了，但是还有一些设计（例如载波）没有在第 3 节进行介绍。本节给出整体硬件电路原理图，如图 4.9 所示。 18KR6100KR523184ATL072DU1A+15V- 15V20KR784567BTL072DU3B+15V- 15V18KR1984567BTL072DU1B1nFC7100KR17+15V- 15V1nFC2100KR4100KR1100KR2100KR31nFC123184ATL072DU5A10KR18+15V- 15V10KR221nFC323184ALM2904DU4A84567BLM2904DU4B- 15V- 15V+15V+15V10KR24+15V10KR255.1KR26510R27+5.68V+0.93VBAV70D7IN4148D1+15VIN4148D2- 15VSigU-SigU+5.1KR20- 100V02V+15V- 15V+15V- 15V+15V- 15VSensorI+15V- 15V1N4148D3+15V1N4148D4- 15V1N4148D51N4148D6250RJ110KR1310KR1210KR1110KR1010KR923184ATL072DU2A23184ATL072DU3A84567BTL072DU2B10KR1410KR1510KR1610nFC610nFC5- 1- 5VPWM_Protect20KR210.21V240R23BZX84C3V3DZ2fankuiBZX84C3V3DZ1240R8zhiling100nFC415V1KR42IRF530NQ1IN5822D1024VV0.1/3WRS1EM+EM-47KR41- 15V+15VTWBC846Q210KR43IN4148D9PWM_Protect0VJumperJ1+15V- 15V18KR3010nFC80- 10V100KR31+15V- 15V1nFC11100KR4023184ATL072DU6A- 55V20KR29DAout84567BTL072DU7B23184ATL072DU8A84567BTL072DU8B+15V- 15V51KR461KR4782KR48+15V- 15V1nFC2451KR49载波载波TWDZ6BZX84C4V3DZ7BZX84C4V3100KR35100KR361nFC1010KP1零位调节5.1KR375.1KR38+15V100KR39- 15V驱动级驱动级反馈信号反馈信号84567BTL072DU6B+15V- 15V51KR331nFC9100KR32100KR34010VBZX84C10VDZ3指令信号指令信号23184ATL072DU7AYellowDS1Lvdt1.5KR28DZ4BZX84C4V3DZ5BZX84C4V3- 15V84567BTL072DU5B1N5822D111nFC1224V0V24VV1000uF/50VB2S14K35RV1电源电源+IN1- IN2+OUT3COM4- OUT510WDC- DC1100nFC13100uF/50VB1100nFC14100nFC15+15V- 15V100uF/50VB310nFCU1+15V- 15V10nFCU2+15V- 15V10nFCU3+15V- 15V10nFCU410nFCU5+15V- 15V10nFCU6+15V- 15V10nFCU7+15V- 15V10nFCU8+15V- 15V+15VIN4148D12IN4148D13AGNDVIN1GN D3ON /OFF5OUTPUT2FEEDBACK4LM2575- 5.0U10DNC1Vin2TEMP3GND4TEMP/NR5Vout6NC7DNC8REF5025U11VIN3GN D1VOUT2SPX1117M3- 3.3U924VV470uF/50VB41N5819D14330uHL2+5V4.7uFC211uFC2210uFC23+5V+2.5V+5V1.5KR440.1uFC170.1uFC180.1uFC190.1uFC2010uHL1V3.3AVDD3.3+5V电源电源+- 15V电源电源+3.3V电源电源+2.5V电压基准电压基准L310uH- 15VMR1RESET2RESET3VSS4SDA5SCL6WP7VCC8CAT1025JI- 30U13R1OUT12R1IN13T1OUT14T2IN10T2OUT7R2IN8C2-5T1IN11VCC16V-6V+2C1+1GND15R2OUT9C1-3C2+4SP3232EU12X TA L1X TA L21211.0592MHzY130PC3130PC32X TA L1X TA L2V3.3AVD D3.3VDD3.3VD D3.3+2.5VV SS25P0.3/SDA 0/MA T0.0/EINT126P0.4/SCK0/CA P0.1/AD 0.627P1.25/EXINT028P0.21/PWM5/AD1.6/Cap1.31P0.22/AD1.7/Cap0.0/MAT0.02RTXC13P1.19/TRACEPKT34RTXC25VDDA7VSS6P1.18/TRACEPKT28P0.25/AD0.4/Aout9P0.26/AD0.510P0.27/AD0.0/CAP0.1/MAT0.111P1.17/TRACEPKT112P0.28/AD0.1/CAP0.2/MAT0.213P0.29/AD0.2/CAP0.3/MAT0.314P0.30/AD0.3/EINT3/CAP0.015P1.16/TRACEPKT016P0.3117V SS18P0.0/TXD 0/PWM119P1.31/TRST20P0.1/RXD 0/PWM3/EIN T021P0.2/SCL0/CA P0.022V DD23P1.26/RTCK24P0.5/M ISO 0/M AT0.1/A D0.729P0.6/M OSI0/CAP0.2/A D1.030P0.7/SSEL0/PWM 2/EIN T231P1.24/TRA CECLK32P0.8/TXD1/PWM4/AD1.133P0.9/RXD1/PWM6/EINT334P0.10/RTS1/CAP1.0/AD1.235P1.23/PIPESTAT236P0.11/CTS1/CAP1.1/SCL137P0.12/DSR1/MAT1.0/AD1.338P0.13/DTR1/MAT1.1/AD1.439P1.22/PIPESTAT140P0.14/DCD1/EINT1/SDA141P1.21/PIPESTAT044P0.15/RI1/EINT2/AD1.545P0.16/EINT0/MAT0.2/CAP0.246P0.17/CAP1.2/SCK1/MAT1.247P1.20/TRACESYNC48VSS42VDD43VBAT49V SS50VD D51P1.30/TM S52P0.18/CAP1.3/M ISO 1/M AT1.353P0.19/M AT1.2/MO SI1/CAP1.254P0.20/MA T1.3/SSEL1/EIN T355P1.29/TCK56RESET57P0.2358VSSA59P1.28/TDI60XTA L261XTA L162V ref63P1.27/TD064LPC2138U14VDD3.310KR52VDD3.3nRSTnRST10KR51VDD3.310KR50TxD0RxD0100nFC28100nFC29100nFC26100nFC27VDD3.3TxD0RxD01234Header2X2JP1DCD1VDD3.310KR54JumperJ2DCD1zhilingDAout470R53VDD3.3GreenDS4ARM正常运行指示灯（闪烁）BC846Q310KR55PWM_Protect5.1KR56VDD3.35.1KR57I_Protect0.1uFC330.1uFC340.1uFC350.1uFC360.1uFC250.1uFC30V3.3AVDD3.3VDD3.3VDD3.3+15V470R45+5VGreenDS2GreenDS3RESET数字电路数字电路a21a42a63a84a105a126a147a168a189a2010a2211a2412a2613a2814a3015a3216c217c418c619c820c1021c1222c1423c1624c1825c2026c2227c2428c2629c2830c3031c3232DIN41612_D32J324V24V0V0V24VVSensorIEM+EM-SigU-端子端子SigU-SigU+AGNDAGND24VVSensorISigU+EM+EM-AGNDAGND压力传感器供电供电0V供电24V信号地+15V+15V- 15V- 15V+5V+5V+2.5V+2.5VV3.3AV3.3Afankui+5VV3.3A+5VDAout+2.5Vzhiling+2.5VfankuiAGNDAGNDPWM_ProtectV3.3A12345678JBHeader 4X212345678JSHeader 4X2DAoutfankuizhilingPWM_Protect+15V4.7uFC16A3f9g10e1d2A8c4DP5b6a7DS5A3f9g10e1d2A8c4DP5b6a7DS6A3f9g10e1d2A8c4DP5b6a7DS7OE13LCHCLK12SDI14RST10SFTCLK11QA15QB1QC2QD3QE4QF5QG6QH7SDO9VDD16GND8U15MC74HC595ADOE13LCHCLK12SDI14RST10SFTCLK11QA15QB1QC2QD3QE4QF5QG6QH7SDO9VDD16GND8U16MC74HC595ADOE13LCHCLK12SDI14RST10SFTCLK11QA15QB1QC2QD3QE4QF5QG6QH7SDO9VDD16GND8U17MC74HC595ADVDD3.3VDD3.3VDD3.3MISOSCK 0MOSISCK0SCK0SCK0SD0SD1MISOSD1SD0MOSICSCSCSVDD3.3VDD3.3VDD3.30.1uFC370.1uFC380.1uFC390.1uFC400.1uFC410.1uFC42VDD3.3VDD3.3VDD3.3I_ProtectCSR58R59R60R61R62R63R64R65R66R67R68R69R70R71R72R73R74R75R76R77R78R79R80R8110KR82VDD3.3IN4148D8IN4148D15 图 4.9 控制器整体硬件电路原理图 4.5 本章小结 本章主要介绍了 25 通径插装比例溢流阀控制器的硬件电路设计。第 2 节简单介绍了控制器的设计要求，对控制器的设计提出了几点指标。第 3 节详细介绍了硬件电路各个模块的设计，包括电源模块、信号输入模块、驱动模块和数字模块。其中，电源模块详细介绍了15V 电源、5V电源、2.5V 电源和 3.3V 电源的设计；信号输入模块详细介绍了指令信号输入模块和传感信号输入模块的设计。第 4 节在第 3 节的基础上给出了控制器整体硬件电路的原理图。 浙江工业大学毕业设计（论文） 30 第五章第五章 控制器软件设计控制器软件设计 5.1 引言 控制器的设计包括硬件电路设计和软件设计两个部分， 第四章已经介绍了硬件电路的设计， 本章将介绍软件设计。 本章第 2 节简单介绍了软件设计的要求，第 3 节介绍了 PID 控制技术，第 4 节详细介绍了控制器的软件设计，第 5 节是对本章内容的一个小结。 5.2 设计要求 控制器的软件设计主要是对 ARM7 芯片 LPC2138 的程序设计，考虑到实际应用的需要，程序设计中应包括以下几个部分：（1）LPC2138 的初始化程序；（2）A/D 采样程序；（3）PID 运算程序；（4）LPC2138 正常工作指示灯程序。 此外，程序设计还应满足以下要求：（1）PID 运算的实时性要好；（2）程序的可扩展性要强，便于以后增强其他程序；（3）程序要可靠，运行过程中绝对不能出现跑飞的现象。 5.3 PID 控制技术 尽管在过去四十年当中，一大批先进的控制方法得到了大力发展，PID 控制方法到目前为止仍在工业领域得到广泛应用。 它的流行主要是因为它适用于很多不同的控制系统， 并且都能够获得比较满意的控制效果。 PID（Proportional Integral Differential）控制是比例、积分、微分控制的简称，其基本原理是根据系统的被调量实测值与设定值之间的偏差，利用偏差的比例、积分、微分三个环节的不同组合计算出对广义被控对象的控制量。PID 控制的原理图如图 5.1 所示22,23,24。 图 5.1 PID 控制原理图 PID 控制可用下式来表示： )()(1)()(0+=tDIPdttdeTdtteTteKtu （5.1） 浙江工业大学毕业设计（论文） 31 其中：PK为比例系数，IT为积分时间常数，DT为微分时间常数。PK越大，比例作用越明显，系统响应越快，并且可以减小稳态误差，但可能使系统超调量增大；IT越大，积分速度越慢，积分作用越弱，积分环节主要用于消除系统稳态误差，提高系统的无差度；DT越大，微分作用越强，微分环节主要用于反映偏差信号的变化速率，能够提前制动，减小调节时间，但是微分环节对干扰信号敏感，抗干扰能力差。 式5.1的PID控制算法主要是针对模拟系统的，在计算机系统中，计算机采集的数据是离散化的，不是连续的。因此，用于模拟系统的连续PID控制算法不能直接使用，需要采用离散化方法。在计算机PID控制中，使用的是数字PID控制器。 按模拟PID控制算法，以一系列的采样时刻点kT代表连续时间t，以矩形法数值积分近似代替积分，以一阶后向差分近似代替微分，即25,26： kTt （5.2） =tkjjeTdtte00)()( （5.3） Tkekedttde) 1()()( （5.4） 由以上三式，可得位置式离散PID公式为： )1()()()()(0+=kekeKjeKkeKkukjDIP （5.5） 式中：PK为比例系数；IK为积分系数，且IpITTKK =； DK为微分系数，且TTKKDPD=； T为采样周期；k为采样序号，k=1,2,3；)(ke和) 1( ke分别是第k和第1k次的偏差信号。 5.4 软件设计 软件设计主要是 LPC2138 的程序设计，为了满足实际应用的需要，程序设计中主要包括以下几个部分：（1）LPC2138 的初始化程序；（2）A/D 采样程序；（3）PID 运算程序；（4）LPC2138 正常工作指示灯程序。现一一进行介绍。 5.4.1 LPC2138 初始化程序 初始化程序放在主程序一开始，其任务主要是完成LPC2138的相关初始设置，例如A/D、D/A管脚初始化等。初始化程序的程序流程图如图5.2所示。 浙江工业大学毕业设计（论文） 32 图 5.2 初始化程序流程图 初始化程序如下： void BoardInit(void) /*AD、DA 管脚初始化*/ PINSEL1 = (PINSEL1&(0x0328) | (0x0128); / P0.30 连接到 AD0.3 PINSEL1 = (PINSEL1&(0x0324) | (0x0124); / P0.28 连接到 AD0.1 PINSEL1 = (PINSEL1&(0x0318) | (0x0218); / P0.25 连接到 Aout AD0CR= (Fpclk/1000000- 1)8) | (016) | (017) | (121) | (022) | (124) | (027); /*SPI0 初始化*/ PINSEL0 = (PINSEL0 & (0xFF8) | (0x558); SPI_SPCCR = 0x52; SPI_SPCR = (03) | (04) | (15) | (06) | (07); /*GPIO 初始化*/ PINSEL0 = PINSEL0 & (0x3F16); /设置 P0.8、P0.9、P0.10 为 GPIO 浙江工业大学毕业设计（论文） 33 IO0DIR = 0x00000500; /设置 P0.9 为输入，P0.8、P0.10 输出 IO0SET = LED; IO0SET = CS; /*VIC 初始化*/ VICIntSelect = 0x00000000; VICVectCntl0 = 0x20|0x04; VICVectAddr0 = (uint32)IRQ_TIMER0; VICIntEnable = 10x04; /*定时器 0 初始化*/ T0IR = 0xFFFFFFFF; T0TC = 0x00; T0PR = 0x00; T0MCR = 0x03; /定时器 0 匹配后复位 T0TC，并产生中断标志 T0MR0 = Fpclk/1000; /定时 1 毫秒 T0TCR = 0x01; 5.4.2 A/D 采样程序 为了保证 A/D 采样的实时性，本文通过定时器 0 的中断来进行 A/D 采样。定时器 0 中断程序的程序流程图如图 5.3 所示。 图 5.3 定时器 0 中断程序流程图 浙江工业大学毕业设计（论文） 34 定时器 0 中断程序如下： void _irq IRQ_TIMER0(void) uint32 a; T0IR=0x01; a=AD0DR; AD0CR =(AD0CR & 0xffffff00 | (11) | (1 6) & 0x3ff; a=a*2500; a=a/1024; zhilings2=a; AD0CR =(AD0CR & 0xffffff00 | (13) | (1 6) & 0x3ff; a=a*2500; a=a/1024; fankuis2=a; s1+; s2+; VICVectAddr=0; 5.4.3 PID 运算程序 考虑到植入操作系统的复杂性， 本文中的程序设计并不是基于操作系统的， 而是将程序设计成普通的前后台系统。由于单次 A/D 采样可能存在偏差，所以程序里面要加入滤波处理，本文中采取的滤波方案是取十次 A/D 采样值进行平均值滤波。整个 PID 运算程序放在主程序的无限循环中，在 PID 运算程序中还包括了压力显示和周期性喂狗，PID 运算程序的程序流程图如图 5.4 所示。 浙江工业大学毕业设计（论文） 35 图 5.4 PID 运算程序流程图 PID 运算程序如下： if(s2 = 10) s2 = 0; for(i=0;i10;i+) /求指令采样平均值 zhiling_m+ = zhilingi; zhiling_m = zhiling_m/10; for(i=0;i= 10) perr = 10; else if(perr = 10) /抗积分饱和 if(err = 0) t = 0; else t = 1; else if(DAOutprev = 0) t = 1; else t = 0; else t = 1; ierr+ = t*ki*err; if(ierr = 10) ierr = 10; else if(ierr = 10) DAOut = 10; else if(DAOut = 0) DAOut = 0; DAOutprev = DAOut; DAOut = (DAOut*1000)/5; DACR = (uint32)(DAOut*1024/2500)6; /进行 D/A 输出 Pressure = (uint16)(fankui_m*40); /压力显示 baiwei = (uint8)(Pressure/100); /百位显示 IO0CLR = CS; SPI_SPDR = SPI_TABbaiwei; while(SPI_SPSR & 0x80) = 0); qingling = SPI_SPDR; shiwei = (uint8)(Pressure%100)/10); /十位显示 SPI_SPDR = SPI_TABshiwei; while(SPI_SPSR & 0x80) = 0); qingling = SPI_SPDR; gewei = (uint8)(Pressure%100)%10); /个位显示 SPI_SPDR = SPI_TABgewei; while(SPI_SPSR & 0x80) = 0); IO0SET = CS; qingling = SPI_SPDR; IRQDisable(); WDFEED = 0xAA; / 周期性喂狗，周期为 PID 周期 WDFEED = 0x55; IRQEnable(); 浙江工业大学毕业设计（论文） 38 5.4.4 LPC2138 正常工作指示灯程序 LPC2138 正常工作指示灯程序用于使指示灯周期性闪烁，可以更直观地知道程序有没有出现故障，比如说跑飞。LPC2138 正常工作指示灯程序的程序流程图如图 5.5 所示。 开始定时到了吗？指示灯亮着吗？让指示灯灭让指示灯亮结束清零定时 图 5.5 LPC2138 正常工作指示灯程序流程图 LPC2138 正常工作指示灯程序如下： if(s1=500) s1=0; if(IO0PIN&LED)=0) /ARM 正常运行指示灯 IO0SET=LED; else IO0CLR=LED; 5.5 本章小结 本章主要介绍了 25 通径插装比例溢流阀控制器的软件设计，这一章的内容与第四章内容合在一起完成了整个控制器的介绍。 第 2 节简单介绍了控制器软件设计的要求， 在满足功能应用的前提下还另外提出了一些要求（例如可靠性） 。第 3 节介绍了工业控制领域频繁用到的 PID 控制技术，包括模拟 PID和数字 PID。第 4 节详细介绍了控制器的软件设计，包括 LPC2138 初始化程序、A/D 采样程序、PID 运算程序和 LPC2138 正常工作指示灯程序，不仅介绍了程序流程图，还提供了详细的源代码。 浙江工业大学毕业设计（论文） 39 第六章第六章 总结与展望总结与展望 6.1 总结 本文针对 25 通径插装比例溢流阀展开研究，总的来说包括以下三个方面： （1）25 通径插装比例溢流阀的结构设计； （2）25 通径插装比例溢流阀的 AMESim 仿真研究； （3）25 通径插装比例溢流阀的控制器设计。详细的研究工作和成果如下： （1）查阅了国内外同类产品的研究现状，并进行了一定的比较，提出该阀研究的实际意义； （2）在搞清楚 25 通径插装比例溢流阀工作原理的基础上，参照国内外同类产品的技术参数，对阀的一些关键尺寸进行了设计，这过程中还利用了 AMESim 仿真对一些参数进行了优化； （3）利用参数化三维软件 PRO/E 建立了所设计 25 通径插装比例溢流阀的三维模型，使阀的结构设计更为直观； （4）参照相关资料，建立了 25 通径插装比例溢流阀的数学模型，主要是主阀芯和先导阀芯的数学模型； （5）在所建立数学模型的基础上，建立了 25 通径插装比例溢流阀的 AMESim 仿真模型，包括开环仿真模型和闭环仿真模型，并利用仿真模型进行了相关的仿真研究； （6）结合高速发展的计算机控制技术，设计了基于 ARM7 芯片 LPC2138 的控制器，主要包括硬件电路的设计和软件设计两大部分。 6.2 展望 本文针对 25 通径插装比例溢流阀展开了一系列的研究，并取得了一定成果。但是，本文的研究主要还是局限于理论研究，缺乏实践的检验，故可以从以下几方面进行深入研究： （1）对于所设计的 25 通径插装比例溢流阀，如有可能，考虑与相关企业合作，将阀开发出来； （2）对于所设计的控制器，可以绘制 PCB 板，并将实物制作出来； （3）LPC2138 的程序设计可以加入操作系统（如 C/OS- II），并在该操作系统的基础上进行程序开发，程序开发可以考虑加入与上位机通讯的部分； （4）在完成以上 3 步的前提下可以进行实验研究，检验所设计的阀和控制器是否满足相关性能要求（例如稳态性能、动态性能），并根据实验结果提出进一步的改善方案，直至所设计的阀和控制器能够满足相关性能要求。 浙江工业大学毕业设计（论文） 40 参考文献 1 许贤良，丁雪峰，朱玉川. 液压技术回顾与展望J. 煤矿机械，2002（6）. 2 Scheffels. 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