2018, Vol. 44引用本文 |
| 农机自动驾驶比例电磁阀精细控制的优化方法 |  [PDF全文] |
2. 浙江大学生物系统工程与食品科学学院, 杭州 310058;
3. 农业农村部光谱检测重点实验室, 杭州 310058
2. College of Biosystems Engineering and Food Science, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China;
3. Key Laboratory of Spectroscopy Sensing, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Hangzhou 310058, China
农机自动导航是实现中国农业精准作业的重要环节，科技的发展使生产效率有了显著的提高，但也对生产者的素质提出了更高的要求。更快的作业速度、更细的作业精度及更高的作业质量要求农机驾驶人员具备较高的操作水平，这也不可避免地增大了驾驶者的工作负荷，驾驶者最终可能会因疲劳驾驶或者驾驶技术较低而严重影响生产作业的质量。农机自动导航技术则能够很好地解决这一问题[1-2]，因此受到了众多学者的关注，并吸引其对该技术进行全面深入的研究。自动导航技术涉及计算机应用、电子电气、现代控制、液压电机等领域[3]，其中比例电磁阀的运用是自动导航技术的重要组成部分。
比例电磁阀是阀内比例电磁铁根据输入的电压、电流信号产生相应动作，使工作阀阀芯产生位移，阀口尺寸发生改变并以此完成与输入电压成比例的压力、流量输出的元件，主要用作控制的动力输出。在非道路机械中，比例电磁阀的运用非常普遍，特别是用在挖掘机、拖拉机动力换挡上。常用的控制方式为脉冲宽度调制（pulse width modulation, PWM）[4-6]，即在比例电磁阀线圈两端加一个可调的脉冲信号，通过调整脉冲宽度改变线圈电流，达到控制执行元件的目的。通常，这类控制方法是基于单PWM，但由于其线圈的纹波电流大，控制精度低[7-10]，会引起换挡时明显的速度变化而产生顿挫感，并对比例电磁阀具有较大冲击，导致其使用寿命降低等问题。
为克服现有技术存在的不足，使拖拉机在自动驾驶过程中操作精度更高、更稳定，本文设计了一种采用双PWM对比例电磁阀进行控制的技术，以期达到使线圈纹波电流减小，实现精确、快速、稳定控制的目的。
1 原理与方法 1.1 双PWM过程PWM是一种模拟控制方式，根据相应载荷的变化来调制晶体管基极或金属氧化物半导体（metal oxide semiconductor, MOS）管栅极的偏置，改变晶体管或MOS管的导通时间，从而实现对开关稳压电源输出的改变。这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定，是一种利用微处理器的数字信号对模拟电路进行控制的有效技术。
在PWM周期（T）中，则有
| $ {T_{{\rm{off}}}} = T - {T_{{\rm{on}}}}, $ | (1) |
| $ D = {T_{{\rm{on}}}}/T. $ | (2) |
式（1）~（2）中：Toff为低电平持续时间；Ton为高电平持续时间；D为占空比。
把一个PWM周期分为4个相同持续时间的子周期：a，b，c，d（2.5 ms×4=10 ms=T）。在每个子状态结束时，都有一个PWM的电平转换，子周期内也存在PWM，并遵循PWM的调制方法[11]。将Tx、Tx on、Tx off、Dx（x=a, b, c, d）定义如下：Tx为子周期，Tx on为子周期高电平持续时间，Tx off为子周期低电平持续时间，Dx为子周期占空比。根据上述分析，可列出以下等式：
| $ {T_a} = {T_b} = {T_c} = {T_d} = T/4, $ | (3) |
| $ {T_{a\;{\rm{on}}}} + {T_{b\;{\rm{on}}}} + {T_{c\;{\rm{on}}}} + {T_{d\;{\rm{on}}}} = {T_{{\rm{on}}}}, $ | (4) |
| $ {T_{a\;{\rm{off}}}} + {T_{b\;{\rm{off}}}} + {T_{c\;{\rm{off}}}} + {T_{d\;{\rm{off}}}} = {T_{{\rm{off}}}}, $ | (5) |
| $ {D_a} = {T_{a\;{\rm{on}}}}/{T_a}, $ | (6) |
| $ {D_b} = {T_{b\;{\rm{on}}}}/{T_b}, $ | (7) |
| $ {D_c} = {T_{c\;{\rm{on}}}}/{T_c}, $ | (8) |
| $ {D_d} = {T_{d\;{\rm{on}}}}/{T_d}, $ | (9) |
适当调整波形，等式如下：
| $ {T_{a\;{\rm{on}}}} = {T_{b\;{\rm{on}}}}\left( { = {T_y} + {T_z}} \right), $ | (10) |
| $ {T_{a\;{\rm{off}}}} = {T_{b\;{\rm{off}}}}, $ | (11) |
| $ {T_{c\;{\rm{on}}}} = {T_{d\;{\rm{on}}}}\left( { = {T_y} - {T_z}} \right), $ | (12) |
| $ {T_{c\;{\rm{off}}}} = {T_{d\;{\rm{off}}}}. $ | (13) |
其中：Ty为第一次PWM时间，Tz为第二次PWM时间（调整电流纹波）。当同时满足Ty+Tz＜T/4，且Ty≠Tz，Ty＞0，Tz＞0条件时，根据等式（2）、（4）、（10）、（12）、占空比D可表示为：
| $ D = {T_{{\rm{on}}}}/T = \left( {{T_y} + {T_z} + {T_y} + {T_z} + {T_y} - {T_z} + {T_y} - {T_z}} \right)/T = 4 \times {T_y}/T. $ | (14) |
其中：（4×Ty）表示在一个周期（T）内，PWM高电平持续的总时间，也控制着比例电磁阀的平均电流，因此“Tz”不影响最终的占空比D。
分析子周期a和c，因为a、b是相同的，所以适用于a的也同样适用于b；同理，也适用于子周期c和d：
| $ {D_a} = {T_{a\;{\rm{on}}}}/{T_a}, $ | (15) |
| $ {D_c} = {T_{c\;{\rm{on}}}}/{T_c}. $ | (16) |
结合公式(3)、(10)和(12)可知：
| $ {D_a} = \left( {{T_y} + {T_z}} \right)/\left( {T/4} \right), $ | (17) |
| $ {D_c} = \left( {{T_y} - {T_z}} \right)/\left( {T/4} \right). $ | (18) |
或者
| $ {D_a}\left( { = {D_b}} \right) = 4 \times \left( {{T_y} + {T_z}} \right)/T, $ | (19) |
| $ {D_c}\left( { = {D_d}} \right) = 4 \times \left( {{T_y} - {T_z}} \right)/T. $ | (20) |
将子周期a与子周期c作为各自的工作周期，把子周期a、c之间的平均电流差称为ΔI。ΔI越大，在1/T频率的电流纹波也越大；ΔI越小，电流纹波也越小。通过式（17）和（18），可得ΔI的计算方法为：
| $ \Delta I = {D_a} - {D_c} = \left( {4{T_y} + 4{T_z}} \right)/T - \left[ {\left( {4{T_y} - 4{T_z}} \right)/T} \right] = 8{T_z}/T. $ | (21) |
由此，我们提取Tz，得到Tz=ΔI · T/8。其中，比例电磁阀双PWM的控制波形示意图如图 1所示。
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| 图1 比例电磁阀双PWM调制的控制波形示意图 Fig. 1 Schematic diagram of control waveform for dual PWM modulation of proportional solenoid valve |
本研究采用STM32F103微控制器作为PWM信号输出源，其具备72 MHz的内核，80个快速I/O口，以及7个定时器和多达6路PWM输出，且支持串行线调试和JTAG这2种调试模式。通过STM32F103的一个I/O口输出控制信号，驱动电路中比例电磁阀阀芯运动。实验电路原理如图 2所示。
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| 图2 实验电路原理图 Fig. 2 Schematic diagram of experimental circuit |
常用的单PWM控制方式，即在比例电磁阀线圈两端加一个单PWM，通过调整脉冲宽度改变线圈电流进行控制，在这种方式中线圈产生的纹波电流大，控制精度低。而双PWM方法，则是把一个PWM周期分为4个相同持续时间的子周期，在每个子状态结束时，都有一个PWM的电平转换；同时，子周期内也存在PWM，并遵循PWM的调制方法。双PWM方法在一个周期内的高电平持续总时间与单PWM一致，但经过2次调制后会调整电流波纹。
电路中采用的电磁阀线圈额定电压为12 V，额定电流2.5 A，20 ℃时电阻2.3 Ω，其控制特性如图 3和图 4所示。电磁阀线圈控制特性与电压和电流基本呈线性关系。当控制电压和电流波动越大时，电磁阀的波动将相应增大，从而影响整体的控制精度。由于电磁线圈在零位附近有控制死区（即控制无效区域），本实验将采集分布在控制死区之外范围的数据进行研究。
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| 图3 电磁阀电压控制曲线 Fig. 3 Voltage control curve of solenoid valve |
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| 图4 电磁阀电流控制曲线 Fig. 4 Current control curve of solenoid valve |
本文分别测试了在PWM和双PWM控制方式下，占空比为20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%时比例电磁阀线圈的电流峰值数据（最大电压12 V），5组数据结果如表 1所示。此外，图 5A为PWM控制信号在占空比50%时测得的波形和电流图，图 5B为双PWM控制信号在占空比50%时测得的波形和电流图。从中可知，双PWM减小了比例电磁阀的电流纹波，减少了对比例电磁阀的冲击。这不仅能增加其寿命，降低产品零件的维护和更换成本，而且还能在非道路机械产品换挡时使控制电流波动的峰值与平均值差值降低近1/3，从而有效减缓换挡引起的速度突变，提高比例电磁阀的控制精度。
| 表1 PWM和双PWM控制方式下不同占空比比例电磁阀线圈的电流峰值数据 Table 1 Current peak values of different duty ratio proportional electromagnetic valve coils under PWM and dual PWM control modes |
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| A：PWM控制信号；B：双PWM控制信号。 A: PWM control signal; B: Dual PWM control signal. 图5 占空比50%时得到的波形和电流图 Fig. 5 Waveform and current diagram obtained at the duty ratio of 50% |
本文提出了一种采用双PWM技术的比例电磁阀的控制方法。研究表明，第二次PWM时间“Tz”不影响最终的PWM占空比，但只有在1/T频率的电流纹波中，“Tz”会影响PWM占空比，同时，在1/T频率的电流纹波不受Ty影响。因此，双PWM减小了比例电磁阀的电流纹波，减少了对比例电磁阀的冲击，这不仅能增加其寿命，降低产品零件的维护和更换成本，还能提高比例电磁阀的控制精准度。
本文实现了对PWM的二次调制，有效提升了比例电磁阀的控制精度。若对PWM进行三次调制或更多次调制，电磁比例阀的电流纹波应该会进一步减小，从而实现对比例电磁阀的更高精度控制。
| [1] |
何勇, 蒋浩, 方慧, 等. 车辆智能障碍物检测方法及其农业应用研究进展. 农业工程学报, 2018, 34(9): 21-32. HE Y, JIANG H, FANG H, et al. Research progress of intelligent obstacle detection methods of vehicles and their application on agriculture. Transactions of the CSAE, 2018, 34(9): 21-32. (in Chinese with English abstract) |
| [2] |
LIU Y F, NOGUCHI N, OKAMOTO H, et al. Development of a small-sized and low-cost attitude measurement unit for agricultural robot application. Journal of Agricultural Sciences, 2018, 24(1): 33-41. |
| [3] |
赵春江, 薛绪掌, 王秀, 等. 精准农业技术体系的研究进展与展望. 农业工程学报, 2003, 19(4): 7-12. ZHAO C J, XUE X Z, WANG X, et al. Research progress and prospect of precision agriculture technology system. Transactions of the CSAE, 2003, 19(4): 7-12. (in Chinese with English abstract) DOI:10.3321/j.issn:1002-6819.2003.04.002 |
| [4] |
康健, 尚沙沙, 焦文学, 等. 比例电磁阀变频率PWM驱动方法. 中国机械工程, 2015, 26(8): 1024-1028. KANG J, SHANG S S, JIAO W X, et al. Proportional variable frequency PWM driving method for electromagnetic valves. China Mechanical Engineering, 2015, 26(8): 1024-1028. (in Chinese with English abstract) DOI:10.3969/j.issn.1004-132X.2015.08.007 |
| [5] |
翟庆钟, 冯静安, 王卫兵, 等. 基于PWM技术的比例电磁阀的控制方法. 中国农机化学报, 2015, 36(1): 71-73, 77. ZHAI Q Z, FENG J A, WANG W B, et al. Control method of proportional electromagnetic valve based on PWM technology. Journal of Chinese Agricultural Mechanization, 2015, 36(1): 71-73, 77. (in Chinese with English abstract) |
| [6] |
胡松华. 8速双离合自动变速器液压控制系统多阀组交互影响研究. 合肥: 合肥工业大学, 2016. HU S H. Research for interaction between modules hydraulic control system of 8-speed dual-clutch transmission. Hefei: Hefei University of Technology, 2016. (in Chinese with English abstract) |
| [7] |
王晓罡, 陈文曲, 唐妹芳, 等. 比例电磁阀的特性分析与试验研究. 火箭推进, 2011(2): 52-59. WANG X G, CHEN W Q, TANG M F, et al. Characteristics analysis and experimental research of proportional solenoid valves. Rocket Propulsion, 2011(2): 52-59. (in Chinese with English abstract) DOI:10.3969/j.issn.1672-9374.2011.02.010 |
| [8] |
苏岭, 柳泉冰, 汪映, 等. 脉宽调制保持电磁阀驱动参数的研究. 西安交通大学学报, 2005, 39(7): 689-692. SU L, LIU Q B, WANG Y, et al. Study on driving parameters of pulse width modulation to maintain solenoid valve. Journal of Xi'an Jiaotong University, 2005, 39(7): 689-692. (in Chinese with English abstract) DOI:10.3321/j.issn:0253-987X.2005.07.008 |
| [9] |
李光彬, 张雪梅, 赵光. 基于PWM控制技术的电液比例阀特性的研究. 中国设备工程, 2007(6): 22-23. LI G B, ZHANG X M, ZHAO G. Research on the characteristics of electro-hydraulic proportional valve based on PWM control technology. China Equipment Engineering, 2007(6): 22-23. (in Chinese with English abstract) DOI:10.3969/j.issn.1671-0711.2007.06.008 |
| [10] |
邹维, 蒋凯, 叶树明. 稳流型高效PWM比例阀控制器的设计. 机床与液压, 2009, 37(5): 79-81. ZOU W, JIANG K, YE S M. Design of steady current and high efficiency PWM proportional valve controller. Machine Tool and Hydraulic, 2009, 37(5): 79-81. (in Chinese with English abstract) DOI:10.3969/j.issn.1001-3881.2009.05.026 |
| [11] |
于忠斌, 姜雪. 电液比例阀用控制器的研究设计. 山东科技大学学报(自然科学版), 2004, 23(2): 50-51. YU Z B, JIANG X. Research and design of controller for electro-hydraulic proportional valve. Journal of Shandong University of Science and Technology (Natural Science), 2004, 23(2): 50-51. (in Chinese with English abstract) DOI:10.3969/j.issn.1672-3767.2004.02.015 |