这篇文章写于2011年8月22日，是我对混凝土泵车臂架多路阀PWM控制进行深入研究后得出的结果。这篇文章非常的有价值。目前为止，国内混凝土泵车的臂架多路阀都还是采用最为原始的PWM控制方式（40~50HZ的脉宽调制波），这样控制的结果是，比例阀阀芯振动非常大，滞缓。

        我的这篇文章，引入了一种新的SPWM波形控制技术，有效缓解了电磁阀的大幅抖动问题。实际上，这种控制早已经在国外的泵车上普遍使用。

        这种新的SPWM控制技术是一种采用高频载波加基波的SPWM控制技术，通过调节基波频率、载波频率、基波振幅、基波偏移量可以：

        1、调节电磁阀震颤频率；

        2. 调节等效电流大小；

        3、控制电流脉动幅度；

        4、减少电流谐波分量；

        5、优化比例阀控制，提高阀芯动作灵敏度，稳定阀芯流量，改善臂架、油泵控制效果。

 

        希望能够对广大混凝土泵车厂商、维修人员有所帮助。本博文后续，还会贴出实验数据、实验图片、实验效果。

       这是第三篇。

       第一篇参考：http://blog.sina.com.cn/s/blog_402c071e0102v424.html

       第二篇参考：http://blog.sina.com.cn/s/blog_402c071e0102v425.html

 

3.2 仿真分析与比较

根据第2节比例阀驱动技术分析的描述，本小节特针对4种不同的控制电压波形，做了详细的仿真分析与对比研究，这四种波形分别是：

1）标准PWM信号；

2）方波信号叠加PWM载波；

3）正弦波信号；

4）SPWM信号(50Hz正弦波调制信号+3kHz三角波载波得到的PWM)；

具体描述为：

1、标准PWM

PWM频率50Hz，为比例阀颤振频率。

PWM占空比决定了等效电流大小。x%占空比等效电流则为x%。在不改变比例阀电感、电阻等固有特性的情况下，标准PWM输出的电流脉动是不可调节的。

2）方波+载波

方波频率为50Hz，为比例阀颤振频率。

方波在低电位时，叠加载波PWM1，方波在高电位时，叠加载波PWM2。通过调节载波PWM1、PWM2占空比来调节直流等效电流和电流脉动。如图15例，PWM1占比20%，PWM占比80%，频率为3KHz，可以近似认为：

——直流等效电流为(20%+80%)/2 = 50%；

——电流脉动为（80%-20%） = 60%；

 

http://s2/mw690/001aRpVkgy6NKJAbgoF81&690

图15 方波 + 载波

3）正弦波

正弦波频率为50Hz，为比例阀颤振频率。

通过调节正弦波振幅和直流偏移量来得到等效直流电流和脉动，见图16。正弦波振幅决定了等效直流电流的脉动，偏移量决定了等效直流电流值。

 

http://s5/mw690/001aRpVkgy6NKJAdiN664&690

图16 正弦波形

4）SPWM信号(50Hz正弦波雕制信号+3kHz三角波载波)

正弦波频率为50Hz，为比例阀颤振频率。

通过调节正弦波振幅和直流偏移量来得到等效直流电流和脉动。SPWM是采用PWM信号来等效实现正弦波信号的一个方法，正弦波振幅决定了等效直流电流的脉动，偏移量决定了等效直流电流值。

以下分3种情景，对上述4种不同的驱动信号进行对比研究。

3.2.1 情景1（50%等效直流输出）

 

http://s1/mw690/001aRpVkgy6NKJAf4U8d0&690

图17 电流信号分析

 

http://s3/mw690/001aRpVkgy6NKJAh2ue72&690

图18 电流信号分析

图17给出4种不同电压波形下相同等效直流电流（50%电流）波形的仿真曲线。

图18下方为正弦波和SPWM驱动电压波形，上方为对应的电流波形。

表1为4种波形实现50%直流电流输出时的具体参数。

 

颜色	基波		载波		关键参数
黄色	PWM	频率50Hz 占比50%	/	/	PWM占空比
红色	方波	频率50Hz 占比50%	PWM波(3KHz)	PWM1占比:20% PWM2占比:80%	1、载波PWM1占空比 2、载波PWM2占空比
紫色	正弦波	频率50Hz 幅值12V 偏移12V	/	/	1、幅值 2、偏移
蓝色	正弦波	频率Hz 幅值12V 偏移12V	三角波(3KHz)		1、基波幅值 2、基波偏移

结论：

从图17中，很明显可以看到标准PWM信号输出电流脉动要大很多。SPWM电流波形变化要柔和很多。

3.2.2 情景2（调节电流脉动）

情景2给出了调节电流脉动的情景（30%电流脉动），如图19所示。

 http://s3/mw690/001aRpVkgy6NKKh0wOm02&690

图19 电流脉动波形

表2为4种波形实现30%电流脉动输出时的具体参数。

 

 

结论：

从图19可以看出，相比标准PWM波形，采用高频载波+基波的形式电流脉动波形明显变小很多。对于SPWM波，通过改变正弦波振幅，可以有效调节SPWM电流脉动幅度。而对于标准PWM波无法调节电流脉动幅度。

3.2.3 情景3（调节等效电流）

情景3给出了等效电流为80%的情景。

 http://s8/mw690/001aRpVkgy6NKKaVSir67&690

图20 电流脉动波形

表3为4种波形实现80%等效直流电流输出时的具体参数。

颜色	基波		载波		关键参数
黄色	PWM	频率50Hz 占比80%	/	/	PWM占空比
红色	方波	频率50Hz 占比50%	PWM波(3KHz)	PWM1占比:60% PWM2占比:100%	1、载波PWM1占空比 2、载波PWM2占空比
紫色	正弦波	频率50Hz 幅值4.8V 偏移19.2V	/	/	1、幅值 2、偏移
蓝色	正弦波	频率Hz 幅值4.8V 偏移19.2V	三角波(3KHz)		1、基波幅值 2、基波偏移

结论：

从图20可以看出，通过改变正弦波偏移量，可以有效调节SPWM直流等效电流大小。

3.3 结论

单纯PWM波产生的电压、电流脉动明显大于高频载波+基波波形所产生的脉动，导致阀芯颤振非常严重。据泵送液压所液压工程师衡保利说，三一泵车臂架动作时，臂架多路阀可以见到明显的高频抖动、而标杆泵车见不到有任何抖动。

采用高频载波加基波的SPWM控制技术，通过调节基波频率、载波频率、基波振幅、基波偏移量可以：

1、调节电磁阀震颤频率；

2. 调节等效电流大小；

3、控制电流脉动幅度；

4、减少电流谐波分量；

5、优化比例阀控制，提高阀芯动作灵敏度，稳定阀芯流量，改善臂架、油泵控制效果。

4 后续工作与建议

当前国内主要工程机械厂商在比例阀驱动控制技术方面与国外厂商相比，存在一定差距，在一定程度上影响了主机的控制性能以及比例阀、比例泵的使用寿命。为提升公司控制技术水平，使公司产品的性能有一个质的飞跃，建议对SPWM技术在比例阀驱动控制上的应用进行更加深入的试验研究，并使该技术嵌入到三一运动控制器(SYMC、SYIO)产品中去，形成更具核心竞争优势的三一工程机械控制产品。

为此，电气所建议分以下几个阶段进行比例阀驱动技术的试验和应用：

第1阶段：首先在SYIO上用软件实现SPWM功能，并在泵车上进行试验测试，得出测试报告。

第2阶段：将算法内化，形成SYMC、SYIO独有的比例阀SPWM驱动底层功能库，提供给广大应用开发者使用。这是EPEC、西门子PLC等控制器所无法提供的。

第3阶段：在SPWM驱动技术基础上，对泵车泵送系统减振技术、臂架平顺控制技术进行研究。

第4阶段：向各主机事业部介绍推广SPWM驱动技术。

 

本文完。

本文共3篇。

关于电磁比例阀驱动的实验分析和数据，请关注下一篇博文。