耿彪，李歡，方慧，張勝榮*，許偉

（1.浙江聯(lián)輝智能科技有限公司，浙江嘉興314000；2.浙江大學(xué)生物系統(tǒng)工程與食品科學(xué)學(xué)院，杭州310058；3.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部光譜檢測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州310058）

農(nóng)機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航是實(shí)現(xiàn)中國(guó)農(nóng)業(yè)精準(zhǔn)作業(yè)的重要環(huán)節(jié)，科技的發(fā)展使生產(chǎn)效率有了顯著的提高，但也對(duì)生產(chǎn)者的素質(zhì)提出了更高的要求。更快的作業(yè)速度、更細(xì)的作業(yè)精度及更高的作業(yè)質(zhì)量要求農(nóng)機(jī)駕駛?cè)藛T具備較高的操作水平，這也不可避免地增大了駕駛者的工作負(fù)荷，駕駛者最終可能會(huì)因疲勞駕駛或者駕駛技術(shù)較低而嚴(yán)重影響生產(chǎn)作業(yè)的質(zhì)量。農(nóng)機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航技術(shù)則能夠很好地解決這一問(wèn)題[1-2]，因此受到了眾多學(xué)者的關(guān)注，并吸引其對(duì)該技術(shù)進(jìn)行全面深入的研究。自動(dòng)導(dǎo)航技術(shù)涉及計(jì)算機(jī)應(yīng)用、電子電氣、現(xiàn)代控制、液壓電機(jī)等領(lǐng)域[3]，其中比例電磁閥的運(yùn)用是自動(dòng)導(dǎo)航技術(shù)的重要組成部分。

比例電磁閥是閥內(nèi)比例電磁鐵根據(jù)輸入的電壓、電流信號(hào)產(chǎn)生相應(yīng)動(dòng)作，使工作閥閥芯產(chǎn)生位移，閥口尺寸發(fā)生改變并以此完成與輸入電壓成比例的壓力、流量輸出的元件，主要用作控制的動(dòng)力輸出。在非道路機(jī)械中，比例電磁閥的運(yùn)用非常普遍，特別是用在挖掘機(jī)、拖拉機(jī)動(dòng)力換擋上。常用的控制方式為脈沖寬度調(diào)制（pulse width modulation,PWM）[4-6]，即在比例電磁閥線圈兩端加一個(gè)可調(diào)的脈沖信號(hào)，通過(guò)調(diào)整脈沖寬度改變線圈電流，達(dá)到控制執(zhí)行元件的目的。通常，這類(lèi)控制方法是基于單PWM，但由于其線圈的紋波電流大，控制精度低[7-10]，會(huì)引起換擋時(shí)明顯的速度變化而產(chǎn)生頓挫感，并對(duì)比例電磁閥具有較大沖擊，導(dǎo)致其使用壽命降低等問(wèn)題。

為克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，使拖拉機(jī)在自動(dòng)駕駛過(guò)程中操作精度更高、更穩(wěn)定，本文設(shè)計(jì)了一種采用雙PWM對(duì)比例電磁閥進(jìn)行控制的技術(shù)，以期達(dá)到使線圈紋波電流減小，實(shí)現(xiàn)精確、快速、穩(wěn)定控制的目的。

1 原理與方法

1.1 雙PWM過(guò)程

PWM是一種模擬控制方式，根據(jù)相應(yīng)載荷的變化來(lái)調(diào)制晶體管基極或金屬氧化物半導(dǎo)體（metal oxide semiconductor,MOS）管柵極的偏置，改變晶體管或MOS管的導(dǎo)通時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源輸出的改變。這種方式能使電源的輸出電壓在工作條件變化時(shí)保持恒定，是一種利用微處理器的數(shù)字信號(hào)對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的有效技術(shù)。

在PWM周期（T）中，則有

式（1）～（2）中：Toff為低電平持續(xù)時(shí)間；Ton為高電平持續(xù)時(shí)間；D為占空比。

把一個(gè)PWM周期分為4個(gè)相同持續(xù)時(shí)間的子周期：a，b，c，d（2.5 ms×4＝10 ms＝T）。在每個(gè)子狀態(tài)結(jié)束時(shí)，都有一個(gè)PWM的電平轉(zhuǎn)換，子周期內(nèi)也存在PWM，并遵循PWM的調(diào)制方法[11]。將Tx、Txon、Txoff、Dx（x＝a,b,c,d）定義如下：Tx為子周期，Txon為子周期高電平持續(xù)時(shí)間，Txoff為子周期低電平持續(xù)時(shí)間，Dx為子周期占空比。根據(jù)上述分析，可列出以下等式：

適當(dāng)調(diào)整波形，等式如下：

其中：Ty為第一次PWM時(shí)間，Tz為第二次PWM時(shí)間（調(diào)整電流紋波）。當(dāng)同時(shí)滿足Ty+Tz＜T/4，且Ty≠Tz，Ty＞0，Tz＞0條件時(shí)，根據(jù)等式（2）、（4）、（10）、（12）、占空比D可表示為：

其中：（4×Ty）表示在一個(gè)周期（T）內(nèi)，PWM高電平持續(xù)的總時(shí)間，也控制著比例電磁閥的平均電流，因此“Tz”不影響最終的占空比D。

分析子周期a和c，因?yàn)閍、b是相同的，所以適用于a的也同樣適用于b；同理，也適用于子周期c和d：

結(jié)合公式(3)、(10)和(12)可知：

或者

將子周期a與子周期c作為各自的工作周期，把子周期a、c之間的平均電流差稱(chēng)為ΔI。ΔI越大，在1/T頻率的電流紋波也越大；ΔI越小，電流紋波也越小。通過(guò)式（17）和（18），可得ΔI的計(jì)算方法為：

由此，我們提取 Tz，得到Tz＝ΔI·T/8。其中，比例電磁閥雙PWM的控制波形示意圖如圖1所示。

圖1 比例電磁閥雙PWM調(diào)制的控制波形示意圖Fig.1 Schematic diagram of control waveform for dual PWM modulation of proportional solenoid valve

1.2 實(shí)驗(yàn)原理

本研究采用STM32F103微控制器作為PWM信號(hào)輸出源，其具備72 MHz的內(nèi)核，80個(gè)快速I(mǎi)/O口，以及7個(gè)定時(shí)器和多達(dá)6路PWM輸出，且支持串行線調(diào)試和JTAG這2種調(diào)試模式。通過(guò)STM32F103的一個(gè)I/O口輸出控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電路中比例電磁閥閥芯運(yùn)動(dòng)。實(shí)驗(yàn)電路原理如圖2所示。

常用的單PWM控制方式，即在比例電磁閥線圈兩端加一個(gè)單PWM，通過(guò)調(diào)整脈沖寬度改變線圈電流進(jìn)行控制，在這種方式中線圈產(chǎn)生的紋波電流大，控制精度低。而雙PWM方法，則是把一個(gè)PWM周期分為4個(gè)相同持續(xù)時(shí)間的子周期，在每個(gè)子狀態(tài)結(jié)束時(shí)，都有一個(gè)PWM的電平轉(zhuǎn)換；同時(shí)，子周期內(nèi)也存在PWM，并遵循PWM的調(diào)制方法。雙PWM方法在一個(gè)周期內(nèi)的高電平持續(xù)總時(shí)間與單PWM一致，但經(jīng)過(guò)2次調(diào)制后會(huì)調(diào)整電流波紋。

圖2 實(shí)驗(yàn)電路原理圖Fig.2 Schematic diagram of experimental circuit

電路中采用的電磁閥線圈額定電壓為12 V，額定電流2.5 A，20℃時(shí)電阻2.3Ω，其控制特性如圖3和圖4所示。電磁閥線圈控制特性與電壓和電流基本呈線性關(guān)系。當(dāng)控制電壓和電流波動(dòng)越大時(shí)，電磁閥的波動(dòng)將相應(yīng)增大，從而影響整體的控制精度。由于電磁線圈在零位附近有控制死區(qū)（即控制無(wú)效區(qū)域），本實(shí)驗(yàn)將采集分布在控制死區(qū)之外范圍的數(shù)據(jù)進(jìn)行研究。

圖3 電磁閥電壓控制曲線Fig.3 Voltage control curve of solenoid valve

圖4 電磁閥電流控制曲線Fig.4 Current control curveof solenoid valve

2 結(jié)果與分析

本文分別測(cè)試了在PWM和雙PWM控制方式下，占空比為20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%時(shí)比例電磁閥線圈的電流峰值數(shù)據(jù)（最大電壓12 V），5組數(shù)據(jù)結(jié)果如表1所示。此外，圖5A為PWM控制信號(hào)在占空比50%時(shí)測(cè)得的波形和電流圖，圖5B為雙PWM控制信號(hào)在占空比50%時(shí)測(cè)得的波形和電流圖。從中可知，雙PWM減小了比例電磁閥的電流紋波，減少了對(duì)比例電磁閥的沖擊。這不僅能增加其壽命，降低產(chǎn)品零件的維護(hù)和更換成本，而且還能在非道路機(jī)械產(chǎn)品換擋時(shí)使控制電流波動(dòng)的峰值與平均值差值降低近1/3，從而有效減緩換擋引起的速度突變，提高比例電磁閥的控制精度。

表1 PWM和雙PWM控制方式下不同占空比比例電磁閥線圈的電流峰值數(shù)據(jù)Table 1 Current peak values of different duty ratio proportional electromagnetic valve coils under PWM and dual PWM control modes

圖5 占空比50%時(shí)得到的波形和電流圖Fig.5 Waveform and current diagram obtained at theduty ratio of 50%

3 結(jié)論

本文提出了一種采用雙PWM技術(shù)的比例電磁閥的控制方法。研究表明，第二次PWM時(shí)間“Tz”不影響最終的PWM占空比，但只有在1/T頻率的電流紋波中，“Tz”會(huì)影響PWM占空比，同時(shí)，在1/T頻率的電流紋波不受Ty影響。因此，雙PWM減小了比例電磁閥的電流紋波，減少了對(duì)比例電磁閥的沖擊，這不僅能增加其壽命，降低產(chǎn)品零件的維護(hù)和更換成本，還能提高比例電磁閥的控制精準(zhǔn)度。

本文實(shí)現(xiàn)了對(duì)PWM的二次調(diào)制，有效提升了比例電磁閥的控制精度。若對(duì)PWM進(jìn)行三次調(diào)制或更多次調(diào)制，電磁比例閥的電流紋波應(yīng)該會(huì)進(jìn)一步減小，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)比例電磁閥的更高精度控制。