2011年11月17日，我们对泵车多路阀的SPWM驱动特性进行了大量的实验，基本达到了我们的预期。相比原始的PWM控制方法，性能要好很多。看着都舒服不少。

      这里是我们整个实验的结论：

      SPWM可以有效抑制脉动，满足不同比例阀控制要求。

      传统PWM存在电流脉动过大问题，导致多路阀颤振幅度较大，多路阀手柄存在打手问题，长期以往会导致密封圈漏油，限位螺钉松动，严重影响多路阀控制性能和使用寿命。通过简单提升PWM频率的方式，可以减小颤振，但是又会带来阀芯卡死，磁滞加大，控制不精准等问题。

      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：

      l 调节电磁阀颤振频率；

      l 调节等效电流大小；

      l 控制电流颤振幅度；

      l 减少电流谐波分量；

      l 减少比例阀芯的震颤；

      l 轻松满足不同比例阀颤振频率和幅度的要求。

      试验结果表明SPWM能够通过调节电流脉动改变手柄颤振的幅度，有效抑制手柄震颤。

 

一、目的

        采用PWM和SPWM驱动电磁比例阀，对比二者的实际控制效果，在泵车臂架控制上进行实际验证。

二、实施内容

       1.       通过对SYIO编程，使用软件直接产生SPWM，通过调节基波频率、载波频率、直流偏移量、调制比4个参数产生需要的驱动信号。

       2.       分别采用PWM和SPWM信号驱动电磁比例阀，改变SPWM各个参数，采集各自的电压和电流信号，进行比照分析。

       3.       不同驱动信号下的温升实验。

       4.       采用SPWM信号驱动臂架多路阀，与PWM驱动控制效果进行对比。

三、实验方法

1.  SPWM脉宽计算

•        标准单相SPWM

http://s10/mw690/001aRpVkgy6NRl9LrZL99&690

图1  SPWM信号

       标准的SPWM信号产生的方法如图1。从图中可知，正弦波与三角波的X轴重合。

       对于标准的SPWM，设三角波载波信号频率为 f_c，幅度为U_cm，正弦波调制信号频率为f_s，幅度为U_sm，则载波比为

http://s2/mw690/001aRpVkgy6NRlV2x4521&690

       调制比为

http://s12/mw690/001aRpVkgy6NRm3c40H0b&690

       当m≤1时，为线性调制，当m＞1时，为过调制。过调制时，可以提高直流电压利用率，但输出的SPWM波中，包含较大的谐波分量，尤其是低频谐波分量。

        产生SPWM有直接面积等效法、自然采样法、对称规则采样法、不对称规则采样法等方法，考虑到计算量和复杂程度，采用对称规则采样法来计算SPWM的脉宽。

图2为采用对称规则采样法产生SPWM的示意图。T_c为载波周期，t_s为SPWM脉冲宽度。由图2可知，

http://s5/mw690/001aRpVkgy6NRlfkNJG44&690

 

 

       若SPWM的高电平为U_d，则SPWM电压有效值最大为0.707U_d。设U_d = 24V，则SPWM电压有效值为24V×0.707≈17V。PSL41F/330-3-32L臂架多路阀的线圈电阻为27.2Ω，则SPWM产生的最大电流有效值17÷27.2 = 625mA(忽略感抗)，PSL41F/330-3-32L臂架多路阀的控制电流线性区约为320～540mA，因而SPWM调制在线性区能满足驱动要求。

       要输出更大的电流，可以通过增大m，使SPWM处于过调制状态，以提高直流电压利用率。但采用过调制，输出电压的谐波含量也相应增加，尤其是低次谐波含量。也可以采用下述修正的SPWM方法提高输出电流。

•        修正的SPWM

       为适应比例阀颤振幅度的要求(不同阀要求不同)，提高输出电流，需要对SPWM信号的产生方法进行修正。方法是在标准的SPWM信号上叠加直流信号，即将正弦信号加一直流电平，使得正弦信号上移或下移，如图3，蓝色的正弦信号上移或下移c后得到了红色的叠加了直流电压的SPWM信号。

http://s1/mw690/001aRpVkgy6NRlrc1Tad0&690

图3 修正的SPWM信号

       仿照标准SPWM的脉宽计算方法，由图4可得修正的SPWM脉宽为

http://s9/mw690/001aRpVkgy6NRlvDrgk38&690

        上文公式，无法显示，见PDF档。

四、实验结果分析

1.  SPWM与PWM驱动比例电磁阀的比较

        控制驱动板：SYIO

        驱动对象：PSL41F/330-3-32L比例阀线圈

        实验仪器：  DSO-X2024A示波器

                           1146A电流探头

                           黄色为电压信号，蓝色为电流信号

        实验1：改变PWM频率，研究其各自的电流波形。

        实验结果：见表1。

表1  PWM驱动比例阀实验参数和波形

http://s6/mw690/001aRpVkgy6NRo90YcJ55&690

http://s2/mw690/001aRpVkgy6NRocFHxff1&690

       实验2：改变SPWM信号载波频率、直流偏移量和调制比，研究各种情况下比例阀的电压电流波形。

       实验结果：见表2。

表2  SPWM驱动比例阀实验参数和波形

http://s14/mw690/001aRpVkgy6NRo5qz7v9d&690

http://s11/mw690/001aRpVkgy6NRo5sQQiaa&690

http://s12/mw690/001aRpVkgy6NRo5uYvVcb&690

结果分析：

1. 当采用PWM驱动比例阀时，频率不同时，其电流的峰峰值不同，频率越高，峰峰值越小，即电流脉动越小。通过提升PWM频率，可以减小颤振，但是不能很好地满足比例阀驱动的条件，带来阀芯容易卡死的问题，而采用低频信号驱动，则会带来颤振加大、缩短比例阀使用寿命等问题。

2. 采用SPWM驱动方式时：

l 当采用较高的载波频率时，其电流波形比较平滑，叠加在基波电流上的载波电流的脉动较小；

l 改变基波频率，可以改变颤振频率；改变直流偏移量c，可以调节直流电流幅度；改变调制比m，可以调节电流颤振幅度。从而能够根据不同比例阀的控制要求，选择合适的颤振频率、颤振电流幅度。

l 当c和m取为极限值(即 或 )时，由于电压最大或最小处的SPWM脉冲宽度过小，超过了驱动芯片的开关频率，使得驱动芯片全导通或全截止，因而电流波形产生了畸变。实际使用时，避免c和m取极限值，即可避免电流波形的畸变。

3. 采用PWM时，电流波形为锯齿波，脉动较大；采用SPWM时，电流信号基本为正弦波，脉动较小。

 

2. 温升实验

控制驱动板：SYIO

驱动对象：PSL41F/330-3-32L比例阀线圈

测温仪器：FLUKE 116C万用表

实验内容：不同驱动信号下驱动芯片的温升

实验结果：见表3

表3 不同驱动信号驱动芯片温升实验结果

驱动信号	基波频率(Hz)	载波频率(kHz)	输出电流(mA)	环境温度(℃)	驱动芯片温度(℃)	驱动芯片温升(℃)
PWM	50	/	550	26.3	39.8	13.5
SPWM		1.05		26.3	40.5	14.2
		3.05		26.3	41.6	15.3

结果分析：表3为驱动芯片暴露于无风的空气中，采用不同驱动信号驱动1路电磁阀，达到散热平衡时(驱动半小时后)驱动芯片的温升结果。结果表明，当开关频率较高时，其温升也较高。因此必须选择适当的开关频率，既减少电流脉动，又不至于温升太高。

 

3.多路比例阀控制效果试验

控制驱动板：SYIO

实验平台：研究总院液压试验台

实验内容：不同驱动信号驱动多路比例阀时的滞环

实验结果：见表4

表4不同驱动信号驱动多路比例阀时的滞环

驱动信号
PWM 50Hz	电流上升时流量	5.0	6.5	9.8	13.7	—
	电流下降时流量	5.0	6.6	10.1	14.2	—
	滞环 (%)	0	1.53%	3.06%	3.65%	—
SPWM fs=50Hz，fc= 3.05kHz m=0.8	电流上升时流量	4.7	7.1	9.3	11.4	—
	电流下降时流量	5.2	7.3	9.1	11.8	—
	滞环 (%)	10.64%	2.81%	2.2%	3.5%	—
SPWM fs=50Hz，fc= 3.05kHz m=1	电流上升时流量	4.0	5.4	6.8	8.7	10.5
	电流下降时流量	4.2	5.7	7.2	9.1	11.0
	滞环 (%)	8%	5.5%	5.88%	4.6%	4.7%

结果分析：

1. PWM驱动时，滞环比较小，且流量越小，滞环也越小。

2. SPWM驱动时，当控制流量越大，其滞环越小，控制流量越小，滞环越大。

3. SPWM驱动时，不同的电流振幅滞环不同，当采用合适的振幅时，其滞环在大流量时与PWM基本相当，但小流量时，滞环较大。

说明：由于泵送研究院流量计送检，本实验做得比较匆忙，方案设计也不够完善和细致。将重新设计实验方案，补充做一次试验。

 

五、实验结论

 

通过以上实验，可以得出如下结论：

1. SPWM可以有效抑制脉动，满足不同比例阀控制要求。

传统PWM存在电流脉动过大问题，导致多路阀颤振幅度较大，多路阀手柄存在打手问题，长期以往会导致密封圈漏油，限位螺钉松动，严重影响多路阀控制性能和使用寿命。通过简单提升PWM频率的方式，可以减小颤振，但是又会带来阀芯卡死，磁滞加大，控制不精准等问题。

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：

l 调节电磁阀颤振频率；

l 调节等效电流大小；

l 控制电流颤振幅度；

l 减少电流谐波分量；

l 减少比例阀芯的震颤；

l 轻松满足不同比例阀颤振频率和幅度的要求。

试验结果表明SPWM能够通过调节电流脉动改变手柄颤振的幅度，有效抑制手柄震颤。

2. SPWM驱动时滞环相对PWM稍大。

就滞环问题请教了HAWE公司的技术工程师，以下是他们的答复：

(1) HAWE国内工程师的答复：

滞环有时会大于5%,7%都可能。带手柄的会大。其实带手柄的迟滞也大些。所以在精度和频响要求高的运动控制中要尽量不带，但是如果有应急要求只能带。德国工程师说CAN阀带阀芯位置传感器可以消除滞环， 可以保证1%以内。频响也快。 是准伺服阀---电流环+位置环。

(2) HAWE德国工程师的答复：

       About the 5% I am not really surprised. This is what we also know approximately from experience, especially with handlevers, in some cases even more. A possible solution would be to reduce the frequency down to e.g. 40Hz if this is possible from software side. As several components sum up to the final value of the hysteresis and technologically it is extremely hard to reduce it further we are pushing for the high end applications especially the can technology which uses internal spool position control.

        5%的滞环是正常的。特别是带手柄的比例阀滞环会大些。德国工程师给的建议是将50Hz频率改为40Hz可能会有所改善。

       下一步将设计实验进行验证，寻找合适的颤振频率和振幅。

 

完整文档可以从这里得到：http://yunpan.cn/cA2UambSKbsxV  提取码 f73d。注意要输入提取码。