基于BOOST電路的電磁閥流量控制器設(shè)計與試驗

沈 躍 黃忠裕 劉 慧

(江蘇大學(xué)電氣信息工程學(xué)院， 鎮(zhèn)江 212013)

0 引言

隨著人們保護環(huán)境和節(jié)約資源意識的提高，精準施藥技術(shù)得到越來越多的推廣和應(yīng)用[1-3]。其中，脈沖寬度調(diào)制(Pulse width modulation，PWM)變量噴藥是精準噴霧過程中的一種重要控制方式，諸多學(xué)者對此進行了研究[4-7]。盡管PWM變量噴霧技術(shù)有良好的流量調(diào)節(jié)特性，但由于電磁閥的磁滯現(xiàn)象和閥芯機械慣性，造成了PWM對電磁閥進行控制時存在死區(qū)[8-9]。

為了提高電磁閥的動態(tài)響應(yīng)特性，蔣煥煜等[10]使用響應(yīng)面法對改進型脈沖寬度調(diào)制控制參數(shù)進行優(yōu)化，有效縮短了電磁閥響應(yīng)時間，但試驗電路使用傳統(tǒng)的單電壓驅(qū)動電路；LIU等[11]設(shè)計了一種多通道變量噴霧數(shù)字流量控制器，提高了電磁閥的使用壽命，噴霧流量控制精度高，但適用的線性范圍只能達到控制周期的10%～90%；劉浩等[12]設(shè)計了一種寬電壓輸出的驅(qū)動電路，通過多級自適應(yīng)電壓激勵驅(qū)動策略，減少了閥芯的開啟、關(guān)閉時間，但是需要額外的電源變換電路，降低了能量使用效率。

本文在前人的研究基礎(chǔ)上，利用電磁閥的電感特性[13]，設(shè)計基于BOOST電路的電磁閥流量控制器。采用雙電壓驅(qū)動的電磁閥，無需電源電壓轉(zhuǎn)換電路，能更精確寬范圍地控制多個獨立噴嘴的流量。

1 電磁閥特性和BOOST電路原理

1.1 電磁閥工作原理

變量噴霧使用的電磁閥為常閉狀態(tài)，為了使電磁閥正常打開，電磁線圈流過的電流需產(chǎn)生足夠強度的磁場，使電磁閥上的動鐵和定鐵吸合[14]。圖1是電磁閥常閉和打開結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 電磁閥結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 響應(yīng)時間的理論分析

由于常閉電磁閥閥芯在動作過程中受到電磁慣性和機械慣性[15-16]，造成了電磁閥的響應(yīng)延時。在電磁閥動作過程中，閥芯主要受到電磁力、液壓力、彈簧力、阻尼力的作用[17]。為了縮短電磁閥的開啟響應(yīng)時間，需要在閥芯動作時提供較大的電磁力。忽略電磁閥動作過程中電感的變化，可得電磁力方程為

(1)

式中Fm——電磁力，N

L——電磁線圈電感，H

i——電磁線圈流過的電流，A

N——線圈匝數(shù)

Ae——電磁作用面積，m2

μo——空氣磁導(dǎo)率，H/m

由式(1)可知，在電磁閥結(jié)構(gòu)參數(shù)不變的情況下，電磁力取決于電磁閥線圈電流。再由電感的伏安特性可知，提高電磁閥的輸入電壓可以增大電磁線圈的電流，從而縮短電磁閥的響應(yīng)時間。

1.3 BOOST電路工作原理

BOOST電路拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示，BOOST是一種開關(guān)直流升壓電路，它可以使輸出電壓比輸入電壓高[18-19]。BOOST電路采用恒頻控制方式，占空比可調(diào)。如圖2所示，MOSFET管Q導(dǎo)通時電感L充電，并開始儲能，二極管D防止電容對地放電；管Q關(guān)斷時，電感L存儲的能量通過二極管D給電容C充電，電容兩端電壓升高，且高于輸入電壓，升壓完畢。

圖2 BOOST電路拓撲結(jié)構(gòu)

本文利用電磁線圈的電感特性和閥體保持階段高頻的PWM信號對輸出電容進行升壓，并將存儲在電容中的高電位電壓用于電磁閥的打開階段，加速電磁閥導(dǎo)通。

2 控制器設(shè)計及參數(shù)確定

2.1 總體設(shè)計

為了降低電磁閥工作的死區(qū)，改進了噴嘴流量和占空比的線性區(qū)間，設(shè)計了一款多噴嘴輸出的電磁閥流量控制器，結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。流量控制器由1個單片機、2個基于I2C總線控制的PWM信號發(fā)生器和電磁閥驅(qū)動電路組成，輸入電壓為12V DC。流量控制器通過RS-485總線連接上位機，并基于Modbus通信協(xié)議接收上位機的控制指令。

圖3 電磁閥流量控制器結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 電磁閥驅(qū)動電路設(shè)計

圖4 電磁閥驅(qū)動電路原理圖

設(shè)計了基于BOOST電路的電磁閥驅(qū)動電路，如圖4所示。它由圖騰柱驅(qū)動電路、BOOST電路和高電位電磁閥驅(qū)動電路組成。R5、Q4和Q5組成的圖騰柱驅(qū)動電路，如圖4中綠色標號器件。二極管D1、電磁閥電磁線圈L1、保險絲F1、MOSFET管Q1、肖特基二極管D3、瞬態(tài)抑制二極管TVS和電解電容C1組成BOOST電路，如圖4中紅色標號器件。MOSFET管Q2、二極管D2、電磁閥電磁線圈L1、保險絲F1和MOSFET管Q1組成高電位電磁閥驅(qū)動電路。圖4中，PWM1端口輸入的信號控制MOSFET管Q1，PWM2端口輸入的信號控制MOSFET管Q2。

圖5 電磁閥流量控制器電路板

PWM信號發(fā)生器由2個PCA9685PW和外圍電路組成。在IAR for STM8開發(fā)平臺下，用C語言編寫單片機STM8S005K6T的程序。單片機通過I2C總線向PCA9685PW發(fā)送控制指令，使每片PCA9685PW輸出10路占空比可調(diào)的PWM信號，電路板如圖5所示。

2.3 參數(shù)選擇

本文使用的電磁閥為美國TeeJet公司生產(chǎn)的DS55295-12型電磁閥，該電磁閥參數(shù)如表1所示。

表1 DS55295-12型電磁閥參數(shù)

如圖4所示，在電容C1升壓過程中，為了防止電磁線圈L1產(chǎn)生的反電動勢超出電容C1的耐壓值和MOSFET管Q1的漏源電壓，在電容C1端并聯(lián)單向瞬態(tài)抑制二極管TVS，將電壓箝位到24V DC。經(jīng)測試，電磁閥在24V DC下導(dǎo)通5 ms，可有效打開。電容C1所需要的容值計算式為

QL=Ptc

(2)

(3)

式中QL——電磁閥吸收能量，J

P——電磁閥功率，W

tc——Q2和Q1導(dǎo)通時間，s

Qc——電容C1釋放的能量，J

C1——電容容值，F(xiàn)

Uh——高電位電壓，24 V

Ul——低電位電壓，12 V

根據(jù)能量守恒定律，可知QL等于Qc，代入數(shù)值得到C1為231.5 μF。為了減少電容電壓的衰減，取計算容值的2～3倍為電容C1容值，因此選擇耐壓值為35 V，電容值為680 μF的電解電容。

3 模糊控制策略

3.1 電磁閥驅(qū)動電路的工作模式

電磁閥依次工作在加速導(dǎo)通、維持導(dǎo)通和關(guān)閉模式。

加速導(dǎo)通模式：高電位電磁閥驅(qū)動電路工作，控制Q2和Q1導(dǎo)通，電容C1存儲的高電位的24V DC通過MOSFET管Q2和二極管D2流過電磁閥的電磁線圈L1，電磁閥打開，如圖6a所示。相比較于12V DC，24V DC驅(qū)動的電磁閥能更快地達到峰值電流，提高了開閥響應(yīng)速度。

維持導(dǎo)通模式：BOOST電路工作，Q2始終關(guān)閉，Q1工作在高頻通斷狀態(tài)。此時電磁閥電感線圈L1中維持的電流足夠保持電磁閥導(dǎo)通。在Q1導(dǎo)通時，輸入12V DC通過二極管D1流過電磁閥的電磁線圈L1，電磁閥線圈L1開始儲能，并維持電磁閥導(dǎo)通，如圖6b所示。Q1關(guān)閉時，由于電磁線圈L1的電感特性，電流不能突變，存儲在電磁線圈L1的能量通過二極管D3流向電容C1，電容C1電壓升高到瞬態(tài)抑制二極管TVS擊穿電位24V DC，如圖6c所示。如表1所示，電磁閥電磁線圈電感為9 mH，電磁線圈儲能較強，為了減少電磁閥在高頻狀態(tài)下對電路的干擾，設(shè)定BOOST電路在維持導(dǎo)通模式下的工作頻率為1 kHz。

關(guān)閉模式：BOOST電路、高電位電磁閥驅(qū)動電路都停止工作，Q2和Q1關(guān)閉，電磁線圈L1中的能量通過二極管D3和瞬態(tài)抑制二極管TVS迅速釋放到地端，電磁閥關(guān)閉，如圖6d所示。

圖6 電磁閥工作狀態(tài)

3.2 維持導(dǎo)通占空比的模糊控制

圖7 不同占空比下的電磁閥狀態(tài)

由于電磁閥的電磁特性，造成了電磁閥的回滯現(xiàn)象[20]。在電磁閥維持導(dǎo)通模式下，設(shè)置MOSFET管Q1的占空比為0～100%，每10%步進，測試不同占空比狀態(tài)下電磁閥的開關(guān)狀態(tài)，如圖7所示。測得電磁閥的關(guān)閉閾值為20%占空比，導(dǎo)通閾值為70%占空比。同時，為了保證BOOST電路能為電容C1充電，設(shè)定高頻模式下控制周期的20%為死區(qū)時間。最終，設(shè)定維持導(dǎo)通模式下的占空比在20%～80%區(qū)間內(nèi)。本文通過模糊控制算法設(shè)置維持打開占空比工作在合適的值，保證了儲能電容能為加速打開模式提供足夠的電能。

圖8 維持打開占空比模糊控制結(jié)構(gòu)圖

模糊控制是把精確的數(shù)值轉(zhuǎn)換為模糊集合中的元素，再經(jīng)過模糊推理得到模糊化的輸出變量，最后對輸出變量進行解模糊，輸出精確的控制量[21-22]。如圖8所示，模糊控制器的輸入為當(dāng)前周期與上一周期電磁閥導(dǎo)通占空比的差值以及當(dāng)前周期電磁閥導(dǎo)通占空比，經(jīng)過模糊推論，輸出維持導(dǎo)通占空比。

當(dāng)前周期電磁閥打開占空比kn，模糊語言值為{ZO(零)、PS(正小)、PM(正中)、PB(正大)}，變化范圍為[0,100]，論域為{0,30,60,90,100}；當(dāng)前周期與上一周期電磁閥導(dǎo)通占空比的差值e，模糊語言值為{NB(負大)、NS(負小)、ZO(零)、PS(正小)、PB(正大)}，變化范圍為[-30,30]，論域為{-30,-10,0,10,30}；輸出維持導(dǎo)通占空比km模糊語言值為{S(小)、M(中)、B(大)、VB(極大)}，變化范圍為[20,80]，論域為{20，40，60，80}，輸入輸出的隸屬函數(shù)為對稱三角形函數(shù)。根據(jù)試驗操作經(jīng)驗可知，當(dāng)前周期電磁閥導(dǎo)通占空比kn較小時，輸出維持導(dǎo)通占空比km應(yīng)設(shè)置較大值，為儲能電容提供足夠的電能；當(dāng)前周期與上一周期電磁閥導(dǎo)通占空比的差值e較大或者較小時，儲能電容中存儲的電量將受到影響。模糊推理規(guī)則采用IF-THEN語句，維持導(dǎo)通占空比設(shè)定值的推理規(guī)則如表2所示。運用Matlab軟件的FIS編輯器對模糊控制進行仿真得到模糊規(guī)則曲面，如圖9所示。

表2 模糊控制規(guī)則

圖9 輸入、輸出變量關(guān)系曲面

3.3 軟件設(shè)計

當(dāng)前，成熟的變量噴霧電磁閥驅(qū)動策略主要為單電壓普通PWM模式激勵。但這種驅(qū)動方式的電磁閥開啟響應(yīng)時間相較于雙電壓驅(qū)動方式較長。本文在電磁閥由關(guān)閉到打開階段，設(shè)置電磁閥工作在加速導(dǎo)通模式；電磁閥有效打開后設(shè)置電磁閥工作在維持導(dǎo)通模式，維持導(dǎo)通工作頻率為1 kHz，通過模糊控制算法選擇維持導(dǎo)通占空比km；在電磁閥由打開到關(guān)閉過程階段，設(shè)置電磁閥工作在關(guān)閉模式。電磁閥的控制周期為100 ms，有效打開時間為5 ms，電磁閥控制流程圖如圖10所示。圖11為傳統(tǒng)和改進PWM控制方法波形圖，占空比均為60%。圖11中1階段為加速導(dǎo)通模式，2階段為維持導(dǎo)通模式，3階段為關(guān)閉模式，其中2階段維持導(dǎo)通占空比為44%。

圖10 電磁閥控制流程圖

圖11 傳統(tǒng)和改進PWM控制方法波形圖

4 試驗平臺與方法

4.1 電磁閥流量采集試驗平臺

試驗平臺如圖12所示，主要包括人機控制部分、恒壓控制部分和變量噴霧部分。其中人機控制部分主要由計算機、USB轉(zhuǎn)串口和串口轉(zhuǎn)485模塊組成；恒壓控制部分主要由藥箱、隔膜泵(DP-70型，上海新西山實業(yè)實業(yè)有限公司)、壓力傳感器(WMB2012-HS型，燁立工控)和隔膜泵控制器組成；變量噴霧部分由電磁閥驅(qū)動器、電磁閥和噴頭(XR8001VS型，美國TeeJet公司)組成，噴頭適用壓力范圍為100～400 kPa。量杯用于收集電磁閥噴灑的藥液。噴頭噴霧角為80°，量杯杯口距離噴嘴1.5 cm，噴頭垂直于量杯，防止噴出的藥液落入量杯之外。

圖12 流量采集試驗平臺

4.2 流量獲取

在電磁閥噴霧過程中，需要對壓力進行閉環(huán)控制，保證采集流量數(shù)據(jù)的準確性。計算機將期望的壓力發(fā)送到隔膜泵控制器，隔膜泵控制器檢測壓力傳感器的壓力信號，通過PID控制算法，實現(xiàn)輸出壓力的恒定。設(shè)定噴霧時間為60 s，噴霧結(jié)束后讀取量杯中液體的體積，計算流量。

4.3 試驗設(shè)計

為了研究傳統(tǒng)方式[11]和本文方法的電磁閥流量和占空比之間的線性關(guān)系，測試XR8001型噴嘴在110、180、250、320、390 kPa壓力下的流量，試驗占空比依次為3%、4%、6%、8%、10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、92%、94%、96%、97%，占空比小于3%電磁閥不能打開，流量為0，大于97%電磁閥不能有效關(guān)閉，輸出流量停止變化。每組試驗重復(fù)5次，求取平均值和標準差，如表3所示。選取采集數(shù)據(jù)中每組最大流量數(shù)據(jù)和XR8001型噴嘴手冊中的連續(xù)噴霧流量數(shù)據(jù)對比，在100、150、200、250、300、400 kPa壓力下，對應(yīng)的手冊流量為0.23、0.28、0.32、0.36、0.39、0.45 L/min。不同壓力下手冊數(shù)據(jù)和試驗的最大流量數(shù)據(jù)相對誤差小于5%，說明采集的試驗數(shù)據(jù)可靠。

表3 傳統(tǒng)方式和本文方式采集的流量

4.4 結(jié)果與討論

傳統(tǒng)模式在前4種壓力試驗下，占空比3%～8%對應(yīng)采集的流量為0，在壓力390 kPa試驗下，占空比3%～6%對應(yīng)采集的流量為0，說明電磁閥并沒有打開，為了保證數(shù)據(jù)擬合的有效性，只對非零數(shù)據(jù)區(qū)間進行線性擬合；同理，改進模式也只對非零數(shù)據(jù)區(qū)間進行擬合，并計算決定系數(shù)和適用區(qū)間，處理結(jié)果如表4所示。擬合線性方程為

Q=aDc+b

(4)

式中Q——噴嘴流量，L/min

a、b——標定常數(shù)

Dc——PWM占空比，%

由表4可知，隨著壓力的增大，傳統(tǒng)方式和本文方式線性回歸方程的決定系數(shù)均有所增加。傳統(tǒng)方式噴霧壓力為110、180、250、320、390 kPa時，決定系數(shù)為0.994 6、0.995 8、0.996 2、0.996 3、0.996 7，同樣，改進方式?jīng)Q定系數(shù)為0.995 4、0.996 3、0.996 9、0.997 2、0.997 3。此外，同一噴霧壓力下，改進方式的決定系數(shù)比傳統(tǒng)方式的決定系數(shù)略高。改進模式占空比適用范圍得到了提高，在110、180、250、320、390 kPa壓力下，PWM線性區(qū)間分別從10%～92%、10%～92%、10%～92%、10%～92%、8%～92%提高至4%～92%、4%～94%、4%～94%、4%～94%、3%～94%。電磁閥流量和占空比適用區(qū)間的增加提高了農(nóng)藥利用率，尤其在占空比(0，10%)區(qū)間內(nèi)，改進方式藥液使用量分別是傳統(tǒng)方式的86.85%、92.09%、83.15%、85.57%、86.54%。在壓力250 kPa下根據(jù)擬合的線性回歸方程進行變量噴霧，為了確保靶標上有足夠的藥液沉積，傳統(tǒng)方法輸出流量對應(yīng)占空比低于10%的均設(shè)為10%，對應(yīng)占空比大于92%的均改為100%，而改進方法輸出流量對應(yīng)占空比低于4%的設(shè)為4%，對應(yīng)占空比大于94%的設(shè)為100%。因此，在壓力250 kPa下，傳統(tǒng)方式輸出流量對應(yīng)占空比在(0，10%)區(qū)間，輸出流量均為0.957 L/min，而改進方式輸出流量對應(yīng)占空比在(0，4%)區(qū)間輸出流量均為0.074 L/min，占空比在[4%，10%)區(qū)間對應(yīng)輸出流量線性區(qū)間為[0.074，0.092 6) L/min，對占空比在(0，10%)區(qū)間的流量進行面積分析，發(fā)現(xiàn)改進方式藥液使用量是傳統(tǒng)方式的83.15%。

表4 改進前后數(shù)據(jù)處理

5 結(jié)論

(1)設(shè)計了一款應(yīng)用于農(nóng)業(yè)變量噴霧領(lǐng)域的電磁閥流量控制器，利用電磁閥的電感特性，將BOOST電路和傳統(tǒng)的電磁閥驅(qū)動電路相結(jié)合，實現(xiàn)了電磁閥的雙電壓供電。使用改進型PWM控制方式，在電磁閥打開時接入高電壓，維持階段使用高頻PWM控制，并為儲能電容充電，通過瞬態(tài)抑制二極管迅速釋放電流，使電磁閥快速關(guān)閉。

(2)使用XR8001型噴頭，通過搭建的試驗平臺，測試了110、180、250、320、390 kPa壓力下改進前后的占空比和流量，并進行了線性擬合，結(jié)果表明，流量對應(yīng)占空比的線性區(qū)間分別從10%～92%、10%～92%、10%～92%、10%～92%、8%～92%提高到了4%～92%、4%～94%、4%～94%、4%～94%、3%～94%。更寬范圍的線性區(qū)間提高了藥液使用率，尤其是占空比在(0，10%)區(qū)間內(nèi)，改進方式藥液使用量是傳統(tǒng)方式的86.85%、92.09%、83.15%、85.57%、86.54%。