UH25型開關(guān)電磁閥控制特性研究

蔣廷松

(湖南科技學(xué)院 電子工程系，湖南 永州 425199)

0 引 言

在線混藥式變量噴霧技術(shù)可根據(jù)作物病蟲害種類、程度、時(shí)期等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)噴霧自動(dòng)變量控制[1]。目前，變量噴霧主要采用預(yù)混藥方式，通過改變噴霧壓力[2,3]或脈寬調(diào)制（PWM）[4,5]改變閥的開閉時(shí)間比來(lái)控制施藥量；Ghate S R等采用注入式噴藥[6,7]，該方式雖然采用實(shí)時(shí)混藥式施藥，卻采用開環(huán)控制，不能根據(jù)作物對(duì)藥液濃度的需求進(jìn)行變量噴霧，缺乏實(shí)時(shí)混藥濃度信息。根據(jù)作物信息進(jìn)行在線混藥并實(shí)時(shí)改變藥液濃度的噴霧方法基本沒有得到采用，其原因之一是農(nóng)藥的流量過小，難以進(jìn)行檢測(cè)和控制。文獻(xiàn)[8-10]介紹采用機(jī)電流量閥來(lái)控制藥的流量實(shí)現(xiàn)變量噴霧，該閥能連續(xù)控制藥的流量，控制精度也能基本達(dá)到要求，但是，機(jī)電流量閥采用電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)閥軸旋轉(zhuǎn)來(lái)控制流量，其實(shí)時(shí)性和動(dòng)態(tài)性能不夠理想，低端控制穩(wěn)定性較差[10]。一些文獻(xiàn)對(duì)電控泵油嘴[11~13]進(jìn)行流量控制，但并不適合微流量控制。汽車電控噴嘴是一種頻率范圍較寬線性較好的電磁閥，主要用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)噴油，因其流量較小，可用于在線混藥式變量噴霧控制農(nóng)藥的流量。本文采用汽車電控噴嘴作為開關(guān)電磁閥來(lái)控制藥液流量，為此本文對(duì)其線性度、頻率特性、死區(qū)與飽和區(qū)（動(dòng)態(tài)范圍）、溫度影響進(jìn)行測(cè)試，以獲得最優(yōu)控制性能。

1 實(shí)驗(yàn)裝置與材料

1.1 試驗(yàn)所用的元件與設(shè)備

本文主要研究的對(duì)象是UH25型汽車電控噴嘴，如圖1所示。其它設(shè)備包括電子秤（型號(hào)：BL-2200H，規(guī)格：2200g/0.01g），恒溫水箱（自制），單片機(jī)控制板。測(cè)試用流質(zhì)為水，電子秤主要用于測(cè)量單位時(shí)間內(nèi)流出的水的質(zhì)量；水箱的功能是為電控噴嘴提供一個(gè)壓力恒定的水源；單片機(jī)控制板的作用是控制開關(guān)電磁閥驅(qū)動(dòng)信號(hào)的參數(shù)，其中包括設(shè)置脈寬占空比、脈沖頻率和測(cè)試時(shí)間。

圖1.開關(guān)電磁閥實(shí)物圖

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置與方法

實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示，由水箱、進(jìn)水管、電控噴嘴、燒杯和電子秤等組成，水箱懸掛在高處，為電控噴嘴提供一個(gè)恒壓水源，上游水面高出噴嘴 2.4m；電控噴嘴在單片機(jī)控制板的控制下工作，實(shí)現(xiàn)對(duì)液體的通斷控制，單片機(jī)板控制電控噴嘴的脈寬占空比、工作頻率和單次測(cè)試時(shí)間，當(dāng)改變脈沖占空比或頻率時(shí)，流過噴嘴的流量發(fā)生變化。脈寬占空比由0%-100%按1%步進(jìn)調(diào)節(jié)，脈沖頻率由1Hz-10Hz按1Hz步進(jìn)調(diào)節(jié)，10Hz-50Hz按5Hz步進(jìn)調(diào)節(jié)，單次測(cè)試時(shí)間設(shè)定在40s。

實(shí)際過程中，讓水箱上端進(jìn)水管以適當(dāng)?shù)乃髁魅耄冀K保持水箱溢水管有一定的水量溢出，以確保水箱液面的高度恒定。在每一次測(cè)試過程中，用單片機(jī)控制板選擇電控噴嘴的脈沖頻率和占空比，設(shè)置單次測(cè)試的時(shí)間，用一只燒杯收集在這一定時(shí)間內(nèi)由噴嘴流出的水量，用電子秤稱量每次燒杯收集水的質(zhì)量，用以計(jì)算當(dāng)次測(cè)試電控噴嘴的流量，改變脈寬占空比或脈沖頻率重復(fù)測(cè)試。

圖2.試驗(yàn)裝置示意圖

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

2.1 PWM控制特性試驗(yàn)

PWM控制特性測(cè)試是在固定頻率時(shí)，改變脈寬占空比，在恒定壓力時(shí)研究噴嘴流量與占空比的關(guān)系，然后改變頻率重復(fù)測(cè)試。測(cè)試頻率分別為2，4，6，8，10，15，20，25，30，35，40，45，50Hz等13個(gè)點(diǎn)。在某一確定頻率時(shí)，脈寬占空比（PWM）由5%至100%每次按5%步進(jìn)完成實(shí)驗(yàn)，每次測(cè)試40s。為了便于區(qū)分圖中數(shù)據(jù)點(diǎn)，僅對(duì)2Hz、10Hz、20Hz、30Hz、40Hz、50Hz六個(gè)頻率的數(shù)據(jù)進(jìn)行繪制，部分頻率的數(shù)據(jù)如表1和圖3所示。

表1.在不同頻率時(shí)噴嘴流量與占空比的關(guān)系

85 0.775 0.747 0.715 0.680 0.651 0.635 90 0.824 0.794 0.762 0.732 0.715 0.706 95 0.869 0.842 0.817 0.806 0.804 0.928 100 0.918 0.931 0.936 0.935 0.935 0.935

對(duì)前面所提到的2Hz-50Hz，13個(gè)頻率點(diǎn)所測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知，除死區(qū)和飽和區(qū)外，在恒定壓力下，流量與脈寬的占空比成線性關(guān)系，R2=1，且在相同占空比時(shí)，隨著頻率增加的流量下降，如圖3所示為。

圖3.流量與占空比的關(guān)系

2.2 頻率特性試驗(yàn)

電控噴嘴頻率特性測(cè)試是確定脈寬占空比（PWM）不變，改變脈沖頻率，測(cè)試壓力恒定時(shí)噴嘴流量與脈沖頻率的關(guān)系。脈寬占空比選擇30%、50%和80%三種進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，頻率由1Hz-50Hz改變，1-10Hz，10-50Hz分別以1Hz和5Hz步進(jìn)。

圖4.電控噴嘴的頻率特性

分析上圖可知，在壓力不變的條件下，當(dāng)脈寬占空比相同時(shí)，隨著頻率的增加噴嘴的流量成線性下降，不同占空比的斜率（K≈-0.0032）幾乎一致。

2.3 死區(qū)與飽和區(qū)測(cè)試

電控噴嘴和別的電磁閥一樣，受到工作頻率和脈沖寬度影響，當(dāng)脈沖頻率較高時(shí)，脈寬占空比過大或過小電磁閥都將無(wú)法動(dòng)作。在某一頻率下，脈寬占空比過小閥不能被打開，稱為死區(qū)，脈寬占空比過大閥不能被關(guān)閉，稱為飽和區(qū)。下面頻率在1Hz-10Hz，10-50Hz分別以1Hz和5Hz步進(jìn)，對(duì)電控噴嘴在死區(qū)最大占空比和飽和區(qū)最小占空比進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如表2所示。

表2.不同頻率時(shí)的死區(qū)與飽和區(qū)

由表2可知，在1Hz時(shí)，沒有死區(qū)和飽和區(qū)，占空比在0%-100%之間為線性區(qū)；50Hz時(shí)，占空比在0%-25%之間為死區(qū)，占空比大于94%為飽和區(qū)，占空比在25%-94%之間為線性區(qū)，隨著頻率增加，死區(qū)和飽和區(qū)變寬，線性區(qū)變窄。脈沖頻率在10Hz以下時(shí)，死區(qū)與飽和區(qū)較窄，線性區(qū)范圍較寬，但頻率較低，用于非實(shí)時(shí)性流量控制較佳；脈沖頻率20Hz以上時(shí)，死區(qū)范圍較寬，動(dòng)態(tài)范圍較窄，不便于控制。綜合考慮以上因素，在線混藥式變量噴霧選取10Hz-20Hz之間的脈沖頻率來(lái)控制電控噴嘴較為理想。

2.4 溫度特性測(cè)試

由于液體具有粘性，且液體粘性受溫度影響較大，在相同條件下，液體的溫度對(duì)流過電控噴嘴的流量有一定影響。在恒壓的條件下，選取脈沖頻率為10Hz，當(dāng)水溫為14℃和24℃時(shí)進(jìn)行測(cè)試，數(shù)據(jù)如表3所示。

表3.溫度特性測(cè)試數(shù)據(jù)表Table 3 Test on temperature characteristic

由表3可知，當(dāng)流質(zhì)的溫度增加時(shí)，相應(yīng)占空比的流量略有增加，但增加量甚小，當(dāng)溫度變化在 10℃左右時(shí)可以忽略溫度影響。

3 結(jié) 論

本文通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試對(duì)開關(guān)電磁閥的特性進(jìn)行試驗(yàn)研究，為在線混藥式藥液流量控制提供參考。

（1）在線性區(qū)和恒定壓力下，電控噴嘴的流量與脈寬占空比成線性關(guān)系，R2=1。

（2）在恒壓的條件下，當(dāng)脈寬占空比相同時(shí)，隨著脈沖頻率的增大電控噴嘴的流量線性下降，斜率K≈-0.0032，不同占空比的下降率幾乎一致。

（3）隨著頻率增加，電控噴嘴的死區(qū)與飽和區(qū)變寬，線性區(qū)和動(dòng)態(tài)范圍變窄。

（4）隨著溫度增加，相同占空比的流量略有增加，但變化量很小，溫度變化在10℃以內(nèi)可以忽略。

綜上所述，用開關(guān)電磁閥控制小流量液體可行，綜合考慮電控噴嘴的動(dòng)態(tài)范圍和變量噴霧混藥的實(shí)時(shí)性，選取10Hz-20Hz的脈沖控制藥液流量較好。

[1]史萬(wàn)平,王熙,王新忠,等.基于GPS和GIS的變量噴藥技術(shù)研究[J].農(nóng)機(jī)化研究, 2007, (2):19-21.

[2]史巖,祁力鈞,傅澤田等.壓力式變量噴霧系統(tǒng)建模與仿真[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2004,20(5):118-121.

[3]劉曙光.壓力式可變量噴霧技術(shù)的研究[J].農(nóng)機(jī)化研究,2006,(7):146-147.

[4]焦俊生,張偉.脈寬調(diào)制型變量噴霧控制 ECU 設(shè)計(jì)與分析[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2007,38(1):123-126.

[5]鄧巍,丁為民,何雄奎.PWM 間歇式變量噴霧的霧化特性[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2009,40(1):74-78.

[6]周鳳芳,徐幼林,周宏平.噴霧機(jī)混裝置的研究現(xiàn)狀和發(fā)展[J].中華衛(wèi)生殺蟲藥械,2005,11(5):378-380.

[7]Ghate S R,Perry C D.Ground speed control of pesticide application rates in a compressed air direct injection sprayer[J].Transactions of the ASAE,1994,37(1):33-38.

[8]劉志壯,徐漢虹,洪添勝,等.在線混藥式變量噴霧系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 2009, 40(12):93-96.

[9]劉志壯,洪添勝,李震,等.基于模糊控制的流量控制閥仿真[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2009,25(2):83-86.

[10]劉志壯,洪添勝,張文昭,等.機(jī)電式流量閥的模糊控制實(shí)現(xiàn)與測(cè)試[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2010,26(S.1): 22-26

[11]趙佳佳,劉忠長(zhǎng),牛志明,等.可變噴嘴渦輪增壓器電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].汽車工程,2005, 27(5): 525-528.

[12]姚美紅,陳燕.電控柴油機(jī)泵噴嘴技術(shù)[J].拖拉機(jī)與農(nóng)用運(yùn)輸車,2006,33(5):3-4.

[13]蔡遂生,張有.共軌蓄壓式電控泵噴嘴系統(tǒng)與 1150G單缸機(jī)的匹配研究[J].內(nèi)燃機(jī)工程,2003,24(5):28-32.