浅谈农机自动驾驶比例电磁阀精细控制的优化方法

摘要：目前使用的单PWM对比例电磁阀进行控制的方法存在着控制精度不高，且电流波纹较大等问题，在很大程度上影响了农机的使用质量。因此，本文主要提出了使用双PWM控制比例电磁阀的方法，结果表明：使用双PWM控制比例电磁阀能够提高其控制的精确度，并有效将比例电磁阀中的电流波纹减小，从而避免了电流波纹对比例电磁阀造成的冲击，也让电磁阀的寿命增加，带动了相关产业的进一步发展。

关键词：农机自动驾驶;比例电磁阀;精细控制;方法

中图分类号：S220

文献标识码：A

随着我国社会经济的发展，科学技术的不断进步，中国农业在发展的过程中，实现其精准作业的重要环节，也就是农机的自动导航，该类科技的发展提高了农业生产的效率，同时也对相关的生产者的综合素质有了更高的要求，不断加快和提高作业速度、作业精度以及作业质量要求农机的驾驶人员的操作水平更加精细。因此，不断增大了驾驶者的工作负荷，相关的农机驾驶者可能会因为疲劳驾驶，从而对生产作业的质量造成了严重的影响。而目前农机自动导航技术能够有效解决这一类问题，所以受到了我国很多学者的重视，并开展了更加深入的研究，自动导航技术包括应用计算机现代控制、电子电器等各个方面的领域，而运用比例电磁阀是自动导航技术重要的部分。

1比例电磁阀的概述

比例电磁阀的工作原理主要是比例电磁阀中的电磁铁根据工作人员输入的电压信号和电流信号进行相应的动作，从而移动工作阀的阀芯改变阀口尺寸，让其能够与输出的电压形成比例，主要是对动力输出进行控制，在目前我国非道路机械当中比例电磁阀得到了非常广泛的运用，其中特别是在挖掘机和拖拉机动力换挡上引用。目前比较常见的控制比例电磁阀的方法是脉冲宽度调制控制方法，也就是PWM控制技术，通过在比例电磁阀的两端增加一个可以调控的脉冲信号，将脉冲的宽度进行调整，从而把线圈的电流改变，让控制执行元件的目的达到。在一般情况下这种控制方法一般采用单PWM进行控制，因为在这种控制方法中比例电磁阀线圈会产生较大的波纹电流，所以其控制的精度较低，在换挡的过程中会出现比较明显的速度变化，从而导致机械在运行的过程中产生顿挫感，会使比例电磁阀受到巨大的冲击，最终导致比例电磁阀的使用寿命不长。为了有效解决单PWM技术存在的缺陷，提高农机在自动驾驶过程中的操作精度，本文主要设计了一个双PWM控制比例电磁阀的技术，希望能够减小线圈的波纹电流，让比例变电磁阀得到更加精确的控制，从而在使用的过程中更加快速和稳定。

2相关的原理及其方法

2.1使用双PWM技术的过程

PWM属于一种模拟控制的方法，通过改变相应的荷载，对晶体管基极或者金属氧化物半导体管栅极的偏置进行调制，从而将晶体管或者金属氧化物半导体管的导通时间改变，让电压的输出更加稳定，这种模拟控制的方法能够让电源在输出电压时的工作条件保持恒定的现象，是一种使用微处理的数字信号控制模拟电路的一种有效的方法技术。

在周期PWM（T）中低电平持续的时间表示位Toff，高电平持续的时间则为Ton，占空比为D，所以可以得出以下公式：

Toff= T-Ton， （l）

D=Ton/T. （2）

4个持续相同时间的资周期组成一个完整的PWM周期，当每个子周期的子状态结束时，都会出现PWM的电平转换工序，并且子周期也会遵循PWM的相关调制方法，将四个子周期按照a、b、c、d进行定义，可以列出以下几个公式：

Ta=Tb=Tc=Td=T/4， （3）

Taon+Tbon+Tcon+Tdon=Ton， （4）

Taoff+Tboff+Tcoff+Tdoff=Toff， （5）

Da=Taon/Ta， （6）

Db=Tbon/Tb， （7）

Dc=Tcon/Tc， （8）

Dd=Tdon/Td， （9）

其中子周期表是Tx，子周期的高电平持续时间为Txon，子周期低电平持续的时间为Txoff，子周期的占空比为Dx。

适当将波形进行调整，可以得出以下几个公式。

Taon=Tbon（=Ty+Tz）， （10）

Taoff=Tboff， （11）

Tcon=Tdon（=Ty-Tz）， （12）

Tcoff=Tdoff. （13）

其中，Ty表示第一次PWM的时间，Tz表示是第二次PWM的时间，也就是电流波纹调整后的时间，如果能够同时满足Ty+Tz小于T/4，且Ty≠Tz，以及Ty、Tz都大于0，根据以上（2）（4）（10）（12）四个公式可以将占空比D表示为：

D=Ton/T=（Ty+Tz+Ty+Tz+Ty-Tz+Ty-Tz） /T=4×Ty/T

此公式當中，（4×Ty）表示在一个T周期内PWM的高电平持续的总的时间，对比例电磁阀的平均电流进行着严格的控制，并且该式中的Tz不会对最终的占空比D造成影响。

2.2分析实验的相关原理

在本文的研究当中，PWM的信号输出源采用的是STM32F103的微控制器，该微控制器内的内核有72MHZ，快速的I/O口有80个，定时器有7个以及PWM的输出有6个，这种微调控器还能够支持进行串行线调试，以及JTAG两种调试的模式，在微控制器的一个输出口输出控制的信号，让比例电磁阀的阀芯开始运动，整个实验的电路图如图1所示。

比较常用的单PWM控制方法就是在比例电磁阀的两端加入一个单PWM，通过对脉冲宽度进行调整，从而改变线圈的电流，但是这种控制比例电磁阀的方法，电磁阀线圈会产生较大的波纹电流，所以控制的精度较低，而双PWM的控制方法则是将一个PWM的周期分成4个时间持续相同的周期，当子状态结束的时候利用一个PWM的电平转换进行转换工作，同时在4个字周期内PWM也会进行继续控制，并且该子周期都会遵循PWM的调制方法。经过相关的研究表明，单PWM的控制方法与双PWM控制的方法一个周期内的高电平持续总时间相同，但是其在经过两次的调制之后，就会对电流的波纹进行有效的调整，在电路实验电路中，采用的电磁阀线圈的电压为12V，其电流为2.5A，电阻为2.3Ω，温度为20℃，相关的控制特性如图2、图3所示。

由图2、图3可以看出，电磁阀线圈控制的特性与电流、电压呈现线性发展的关系，当电流和电压被控制在控制的过程中其波动的幅度越大，则电磁阀的波动也会增大，对整体的控制精度造成了严重的影响。

3结束语

随着社会经济的不断发展，科学技术的不断进步，农机的自动化驾驶在很大程度上提高了农业生产的效益。因此，比例电磁阀的控制更加精细是目前比例电磁阀研究的重要内容。目前市场上对比例电磁阀所采用的控制方法是单PWM控制，存在一定的缺陷，而通过采用双PWM技术的控制方法能够有效提升比例电磁阀的控制精度。本文通过研究可以知道二次调制PWM让比例电磁阀的控制精度有效提升，如果对其进行三次或者多次调整，则可能会进一步减少比例电磁阀产生的电流波纹，不断提高比例电磁阀的控制精度，让农机的使用寿命增长。

参考文献：

[1]耿彪，李欢，方慧，等.农机自动驾驶比例电磁阀精细控制的优化方法[J].浙江大学学报（农业与生命科学版），2018，44（4）：440-444.

作者简介：刘荣国（1983-），男，山东省莱芜市，本科，工程师，研究方向：农业机械化及其自动化。