UH25型開關電磁閥控制特性研究

蔣廷松

(湖南科技學院 電子工程系，湖南 永州 425199)

0 引 言

在線混藥式變量噴霧技術可根據作物病蟲害種類、程度、時期等參數，實現噴霧自動變量控制[1]。目前，變量噴霧主要采用預混藥方式，通過改變噴霧壓力[2,3]或脈寬調制（PWM）[4,5]改變閥的開閉時間比來控制施藥量；Ghate S R等采用注入式噴藥[6,7]，該方式雖然采用實時混藥式施藥，卻采用開環控制，不能根據作物對藥液濃度的需求進行變量噴霧，缺乏實時混藥濃度信息。根據作物信息進行在線混藥并實時改變藥液濃度的噴霧方法基本沒有得到采用，其原因之一是農藥的流量過小，難以進行檢測和控制。文獻[8-10]介紹采用機電流量閥來控制藥的流量實現變量噴霧，該閥能連續控制藥的流量，控制精度也能基本達到要求，但是，機電流量閥采用電動機帶動閥軸旋轉來控制流量，其實時性和動態性能不夠理想，低端控制穩定性較差[10]。一些文獻對電控泵油嘴[11~13]進行流量控制，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，主要用于汽車發動機噴油，因其流量較小，可用于在線混藥式變量噴霧控制農藥的流量。本文采用汽車電控噴嘴作為開關電磁閥來控制藥液流量，為此本文對其線性度、頻率特性、死區與飽和區（動態范圍）、溫度影響進行測試，以獲得最優控制性能。

1 實驗裝置與材料

1.1 試驗所用的元件與設備

本文主要研究的對象是UH25型汽車電控噴嘴，如圖1所示。其它設備包括電子秤（型號：BL-2200H，規格：2200g/0.01g），恒溫水箱（自制），單片機控制板。測試用流質為水，電子秤主要用于測量單位時間內流出的水的質量；水箱的功能是為電控噴嘴提供一個壓力恒定的水源；單片機控制板的作用是控制開關電磁閥驅動信號的參數，其中包括設置脈寬占空比、脈沖頻率和測試時間。

圖1.開關電磁閥實物圖

1.2 實驗裝置與方法

實驗裝置如圖2所示，由水箱、進水管、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恒壓水源，上游水面高出噴嘴 2.4m；電控噴嘴在單片機控制板的控制下工作，實現對液體的通斷控制，單片機板控制電控噴嘴的脈寬占空比、工作頻率和單次測試時間，當改變脈沖占空比或頻率時，流過噴嘴的流量發生變化。脈寬占空比由0%-100%按1%步進調節，脈沖頻率由1Hz-10Hz按1Hz步進調節，10Hz-50Hz按5Hz步進調節，單次測試時間設定在40s。

實際過程中，讓水箱上端進水管以適當的水流流入，始終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。在每一次測試過程中，用單片機控制板選擇電控噴嘴的脈沖頻率和占空比，設置單次測試的時間，用一只燒杯收集在這一定時間內由噴嘴流出的水量，用電子秤稱量每次燒杯收集水的質量，用以計算當次測試電控噴嘴的流量，改變脈寬占空比或脈沖頻率重復測試。

圖2.試驗裝置示意圖

2 實驗測試

2.1 PWM控制特性試驗

PWM控制特性測試是在固定頻率時，改變脈寬占空比，在恒定壓力時研究噴嘴流量與占空比的關系，然后改變頻率重復測試。測試頻率分別為2，4，6，8，10，15，20，25，30，35，40，45，50Hz等13個點。在某一確定頻率時，脈寬占空比（PWM）由5%至100%每次按5%步進完成實驗，每次測試40s。為了便于區分圖中數據點，僅對2Hz、10Hz、20Hz、30Hz、40Hz、50Hz六個頻率的數據進行繪制，部分頻率的數據如表1和圖3所示。

表1.在不同頻率時噴嘴流量與占空比的關系

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

對前面所提到的2Hz-50Hz，13個頻率點所測得的數據進行分析可知，除死區和飽和區外，在恒定壓力下，流量與脈寬的占空比成線性關系，R2=1，且在相同占空比時，隨著頻率增加的流量下降，如圖3所示為。

圖3.流量與占空比的關系

2.2 頻率特性試驗

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

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，當脈寬占空比相同時，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 死區與飽和區測試

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，當脈沖頻率較高時，脈寬占空比過大或過小電磁閥都將無法動作。在某一頻率下，脈寬占空比過小閥不能被打開，稱為死區，脈寬占空比過大閥不能被關閉，稱為飽和區。下面頻率在1Hz-10Hz，10-50Hz分別以1Hz和5Hz步進，對電控噴嘴在死區最大占空比和飽和區最小占空比進行測試，結果如表2所示。

表2.不同頻率時的死區與飽和區

由表2可知，在1Hz時，沒有死區和飽和區，占空比在0%-100%之間為線性區；50Hz時，占空比在0%-25%之間為死區，占空比大于94%為飽和區，占空比在25%-94%之間為線性區，隨著頻率增加，死區和飽和區變寬，線性區變窄。脈沖頻率在10Hz以下時，死區與飽和區較窄，線性區范圍較寬，但頻率較低，用于非實時性流量控制較佳；脈沖頻率20Hz以上時，死區范圍較寬，動態范圍較窄，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之間的脈沖頻率來控制電控噴嘴較為理想。

2.4 溫度特性測試

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，當水溫為14℃和24℃時進行測試，數據如表3所示。

表3.溫度特性測試數據表Table 3 Test on temperature characteristic

由表3可知，當流質的溫度增加時，相應占空比的流量略有增加，但增加量甚小，當溫度變化在 10℃左右時可以忽略溫度影響。

3 結 論

本文通過實驗測試對開關電磁閥的特性進行試驗研究，為在線混藥式藥液流量控制提供參考。

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

（2）在恒壓的條件下，當脈寬占空比相同時，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，電控噴嘴的死區與飽和區變寬，線性區和動態范圍變窄。

（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℃以內可以忽略。

綜上所述，用開關電磁閥控制小流量液體可行，綜合考慮電控噴嘴的動態范圍和變量噴霧混藥的實時性，選取10Hz-20Hz的脈沖控制藥液流量較好。

[1]史萬平,王熙,王新忠,等.基于GPS和GIS的變量噴藥技術研究[J].農機化研究, 2007, (2):19-21.

[2]史巖,祁力鈞,傅澤田等.壓力式變量噴霧系統建模與仿真[J].農業工程學報,2004,20(5):118-121.

[3]劉曙光.壓力式可變量噴霧技術的研究[J].農機化研究,2006,(7):146-147.

[4]焦俊生,張偉.脈寬調制型變量噴霧控制 ECU 設計與分析[J].農業機械學報,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].農業機械學報,2009,40(1):74-78.

[6]周鳳芳,徐幼林,周宏平.噴霧機混裝置的研究現狀和發展[J].中華衛生殺蟲藥械,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設計與試驗[J].農業機械學報, 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].農業工程學報,2009,25(2):83-86.

[10]劉志壯,洪添勝,張文昭,等.機電式流量閥的模糊控制實現與測試[J].農業工程學報,2010,26(S.1): 22-26

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

[12]姚美紅,陳燕.電控柴油機泵噴嘴技術[J].拖拉機與農用運輸車,2006,33(5):3-4.

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