Design and experiment of staggered-phase driven PWM variable spray system
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摘要:
针对脉宽调制（pulse width modulation, PWM）变量喷雾系统电磁阀同步启闭造成管路压力波动严重的问题，该研究提出一种基于错相位驱动的压力波动抑制方法，基于C37控制器开发了支持不同相位差驱动的PWM变量控制系统，设计并搭建试验平台，开展PWM变量喷雾系统压力波动特性试验、雾化特性试验及雾滴沉积试验。压力波动试验结果表明，错相位驱动方式有效降低了系统压力波动峰峰值和变异系数，且随着占空比的增加，压力波动降低趋势逐渐缩小。当占空比为20%和70%时，错相位120°的压力波动变异系数（CV）比同相位驱动分别减小66.61%和19.48%。占空比对变异系数影响最小的相位差区间是60°～90°驱动，相位差120°时，不同占空比下系统压力波动CV值均最小；对比试验结果表明，错相位驱动的系统雾滴粒径统计项均略低于同相位驱动，错相位驱动系统的雾滴相对跨度（RS）低于同相位驱动，占空比50%时，RS下降最多，为5.56%；雾滴沉积对比试验结果表明，错相位驱动PWM喷雾系统的雾滴覆盖率变异系数相比同相位驱动方式减小了31.75%，错相位驱动方式可有效改善PWM变量喷药系统低频控制条件下药液沉积均匀性。研究结果可为PWM变量喷雾技术研发与应用提供依据，为精准变量施药装置的进一步优化提供技术支撑。
Abstract:In response to the pronounced pressure fluctuations in pipelines of pulse width modulation (PWM) variable-rate spraying systems, which stem from the synchronous actuation of solenoid valves, this study introduces a staggered-phase driving approach aimed at mitigating such fluctuations. Leveraging a C37 controller, a PWM variable-rate control system was developed, enabling operation with varying phase differences. Subsequently, a dedicated experimental platform was designed and constructed to comprehensively investigate the pressure fluctuation characteristics, atomization performance, and droplet deposition behavior of the PWM variable-rate spraying system.Pressure fluctuation test results demonstrate that the staggered-phase driving mode effectively reduces the peak-to-peak value and coefficient of variation (CV) of system pressure fluctuations. Moreover, with the increase of duty cycle, the decreasing trend of pressure fluctuations gradually diminishes. Notably, as the duty cycle increases, the rate of decrease in pressure fluctuations gradually diminishes. Specifically, at duty cycles of 20% and 70%, the CV of pressure fluctuations under a 120° phase difference exhibits reductions of 66.61% and 19.48%, respectively, when compared to the same-phase driving condition. The phase difference range between 60° and 90° demonstrates the least sensitivity to changes in the duty cycle, while a 120° phase difference consistently yields the lowest CV values across different duty cycles.Comparative analysis further indicates that the statistical parameters of droplet size in the staggered-phase driven system are marginally lower than those of the same-phase driven system. Additionally, the relative span (RS) of droplets in the staggered-phase system is consistently smaller, with the most significant reduction of 5.56% observed at a 50% duty cycle. Droplet deposition experiments highlight that the CV of droplet coverage in the staggered-phase driven PWM spraying system is decreased by 31.75% relative to the in-phase driven system. This improvement underscores the efficacy of the staggered-phase driving approach in enhancing the uniformity of liquid medicine deposition under low-frequency control conditions.Collectively, these findings not only provide a theoretical foundation for the development and application of PWM variable-rate spraying technology but also offer practical guidance for the optimization of precision variable-rate pesticide application equipment.
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Keywords:
- PWM /
- variable spray /
- pressure fluctuation /
- atomization characteristics /
- droplet size /
- droplet deposition
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0. 引 言
变量施药技术是根据处方信息或实时获取作物长势、病害发生情况，并基于机组前进速度实时调整施药量，实现按需喷药的技术手段，可最大限度地提高杀虫剂或除草剂的利用效率，减少过度施药对环境造成的污染，降低农产品药液残留[1-3]。变量施药主要有压力调节[4]、浓度调节[5]和PWM（pulse width modulation, PWM）间歇喷雾流量调节控制[6-9]三种方式，其中，基于PWM的喷雾流量调节系统具有响应速度快、调节流量范围大、雾化质量好等优势，且使用常规喷头即可获得良好的喷雾性能[10-13]，
PWM变量喷雾技术是目前应用最为广泛的变量喷药技术之一，多年来国内[14-16]及国外[17-19]学者开展了诸多研究。GILES等[20]开发了 PWM变量喷头，利用 PWM 信号的快速通断调节喷头结构内部的移动插销的启闭时间，控制喷雾流量，并在车载喷雾机上成功使用。SALCEDO等[21]研究发现，与传统恒速喷药机相比，激光-PWM控制喷雾系统减少了 90.3%的总空气漂移量和 85.0%的总地面沉积损失，大大提高了农药利用率。邓巍等[22]对PWM变量喷雾系统调流过程中的雾化特性进行了大量研究，发现随着占空比变小，雾量分布向中央集中的趋势很小，雾滴粒径稍增大，喷雾角、雾滴粒径随流量的变化率很小，雾滴速度基本无变化，流量对喷雾特性的影响也较小。
相比压力调节方式，PWM流量控制对雾滴粒径和速度的影响相对较小[23-25]。但由于系统电磁阀开、关延迟和喷嘴的频繁开、关动作，仍然存在系统压力波动、喷雾覆盖精度和均匀性不佳的问题[26]。HAN等[27]对一套商购PWM变量喷施系统的压力、流量波动进行了测试分析，发现系统压力波动引起喷头在一个周期内流量上下浮动0.5%～2.2%，而不同位置各喷头间的喷雾流量在一个周期内的变异高达−15%～+12%。BUTTS等[28]研究了喷头类型、占空比对喷雾均匀性的影响，发现文丘里喷头不适用 PWM 系统，电磁阀脉冲调控会造成喷头压力损失，40% 或以上的 PWM 占空比对喷雾均匀性的影响较小，喷雾压力越大喷雾越均匀。蒋焕煜等[29]发现：随着PWM 频率和占空比越大，雾滴沉积分布变异系数越小，雾滴覆盖越均匀。
综上所述，增大PWM控制频率、占空比及喷雾压力可以有效提高雾滴均匀性，但提高频率会缩短电磁阀的使用寿命，影响流量调节倍数，加剧系统压力波动；增大喷雾压力，雾滴粒径会急剧变小，影响药液在作物上的粘附性，增加漂移风险；PWM占空比由喷头所需流量决定，不能任意调整。随着精准农业的发展需求，植保作业向精量对靶喷雾方向发展，但目前大田粮食作物等低附加值作物的植保作业由于成本及靶标对象探测限制仍无法实现精准对靶作业，且变量喷雾作业精度也较低。喷杆喷雾机一般配有20～30个喷头甚至更多，喷幅可达十余米，在PWM控制的变量施药作业过程中，众多电磁阀同时启闭，加剧了喷杆内压力波动，影响施药精准性。为寻求一种低频且能减小喷雾压力波动、提高雾化及沉积均匀性的控制方法，本文针对常规同相位PWM控制喷雾系统电磁阀同时启闭造成的湍流、压力冲击、雾滴粒径变异等问题，提出一种基于错相位驱动方式的低频PWM变量喷雾控制方法，搭建不同相位差驱动的PWM变量喷雾系统，开展喷雾压力波动特性、雾化特性及沉积性能研究，以期为农业植保作业PWM变量施药系统开发与应用提供依据，提高农药有效利用率，为精准变量施药技术及装置的优化提供支撑。
1. PWM变量喷雾试验台设计
喷药机主要依靠拖拉机动力输出轴带动隔膜泵转动，吸排药箱内的药液输送到喷杆后通过喷头雾化完成喷雾作业，动力输出轴转速调节主要依靠调控油门大小实现，故隔膜泵转速的量化控制困难。为了探究PWM变量喷雾系统压力波动特性与雾化及沉积特性，本文设计了支持喷雾压力、流量无级调控的PWM变量喷雾控制系统与试验台，如图1所示。PWM变量喷雾系统主要由喷雾压力控制模块、PWM变量喷雾模块、数据采集模块及上位机等组成。喷雾压力控制模块主要通过变频电机调频改变同轴连接隔膜泵的转速，实现药液输出量以及喷雾压力的调节，系统设置回流管路，通过改变回流比例阀开度调整回流量；PWM变量喷雾模块主要通过ECU（Electronic Control Unit）控制器实现PWM信号输出控制，改变PWM控制频率及占空比等参数实现喷头流量调节；数据采集模块主要应用高频数据采集卡采集喷杆处压力传感器及流量传感器的电流信号和脉冲信号，并通过RS485 与上位机通讯，实现喷雾压力和流量数据的实时采集与存储。
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图 1 PWM变量喷雾控制系统组成Figure 1. Composition of PWM (pulse width modulation) variable spray control system如图2所示，PWM变量喷雾系统试验平台主要由药箱、变频电机、隔膜泵、安全阀、回流比例阀、过滤器、流量传感器、分段控制阀组、流量传感器、喷杆、喷头、电磁阀以及控制箱等组成，控制箱内包含变频器及主控制器。变频电机同轴连接隔膜泵，通过变频器调频改变隔膜泵的输入转速，进而实现隔膜泵的输入流量无级调节，药液通过隔膜泵进入喷药系统主管路，回流比例球阀实现一部分药液回流至药箱，另一部分药液通过分段控制阀组径喷杆喷头实现有效喷雾，分段控制阀组主要由分配器、开关阀等组成，可将总药液均匀分配给5个支路喷杆，各支路喷杆独立控制，每个支路喷杆等距（50 cm）设置6个喷头，通过电磁阀的频率占空比间歇控制喷头流量大小实现变量喷雾。管路中安装的安全阀可设置系统压力上限，超过安全压力立即打开回流管路卸荷，以确保系统安全作业。试验台所用阀件型号及参数如表1所示。
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图 2 试验台结构图1.控制箱 2.压力传感器 3.分段控制阀组 4.流量传感器 5过滤器 6.回流比例阀 7.安全阀 8.压力传感器 9.电磁阀 10.喷头 11.隔膜泵 12.电机Figure 2. Diagram of test bench structure1. Control box 2. Pressure sensor 3. Segmented control valve group 4. Flow sensor 5. Filter 6. Return proportional valve 7. Safety valve 8. Pressure sensor 9. Solenoid valve 10. Nozzle 11. Diaphragm pump 12. Motor表 1 试验阀件型号与参数Table 1. Model and parameters of valve parts of experimental system名称Name 型号Model 参数Parameter 变频器Frequency converter V8 功率：2.2 kW 变频电机Variable frequency motor YVP-90 L-6 功率：2.2 kW 隔膜泵Diaphragm pump MB396/3.0 流量：70～90 L·min−1 回流比例阀
Return proportional valveQ911F-16P 电压：12 V；
智能调节型电磁阀
Solenoid valveDS115880-12 电压：12 V，额定电流：0.9 A；
工作压力：≤0.7 MPa喷嘴Nozzle TP8002 压力：0.2～0.4 MPa 压力传感器Pressure sensor AS-131 量程：0～4MPa；精度：0.5% 流量传感器Flow sensor SK-DN25-Hz 量程：2～60 L·min−1；
精度：1%数据采集卡Data acquisition card USB7660AS/2 采样频率；＞1 kHz 控制器 Controller C37 通讯：CAN；编程环境：CodeSys v2.3 2. 基于错相位驱动的PWM变量喷雾控制系统设计
2.1 错相位驱动控制原理
PWM变量喷雾主要通过PWM电信号控制电磁阀开启和关闭的时间占比和周期改变喷头流量大小，可实现喷头流量快速调节。传统同相位控制条件下（所有电磁阀同一时刻启闭）系统压力冲击严重，药液沉积均匀性及喷雾效果差[30-32]。为此本文提出一种错相位驱动控制方法，即对每路电磁阀的PWM控制信号触发时刻设置一定的相位差，以避免多个电磁阀同时启闭时产生的液压冲击叠加，减少上游喷杆压力的剧烈波动，提高喷雾精准性，具体原理如下：
设电磁阀的一个完整开闭周期为T（360°），错相位驱动旨在错开不同电磁阀控制信号的触发时刻，并不改变PWM信号的频率及占空比，因此不影响喷头流量的控制。如图3所示，设PWM控制频率为5 Hz、占空比DC（duty cycle）为30%时，3路PWM控制信号依次错开1/6和1/3个控制周期。错相位驱动可避免所有电磁阀同时动作，分散液压冲击波的叠加效应，从而有效抑制管路中的液压波动。为研究错相位驱动控制方法在较低控制频率下的喷雾压力稳定效果，探索低频稳压控制新方法，延长电磁阀使用寿命，变量喷雾低频控制频率范围为3 ～7 Hz[11,17,22]，故设定本文后续试验中PWM控制频率为5 Hz。
2.2 系统设计与实现
本试验系统中单喷杆等距设置6个喷头，为了实现6路PWM信号错相位驱动，将6个喷头分成3组，如图4所示，其中1号和4号喷头为一组，2号和5号喷头为一组，3号和6号喷头为一组。由C37控制器发出3路频率和占空比一致的PWM控制信号，分别控制3组喷头动作，同组喷头动作一致，每组喷头控制信号的相位差相同。
C37控制器具备开关量输出端口，可输出高低电平，利用CoDeSys V2.3软件内的TON（timer on-delay，通电延时定时器）功能块，实现多路PWM信号的错相位高低电平输出。TON功能块主要实现开启延迟，包含4个变量：声明输入参数IN（数据类型：BOOL）和PT（数据类型：TIME），分别表示触发信号和预设时间值；输出参数QN（数据类型：BOOL）和ET（数据类型：TIME），分别表示定时完成状态和已计时时间值。基于定时器中断的PWM信号生成工作流程如图5所示，在系统初始化阶段配置定时器周期寄存器PT以确定PWM周期T长度，定时器计数器ET基于1 ms时间基准进行递增计数。当ET计数值达到PT设定阈值时，触发定时器溢出中断并执行中断服务程序，此时系统将ET复位清零并生成周期同步信号，同时为多通道重新加载相位参数，进入下一控制周期。在单周期运行过程中，定义动态参数对(N1, N2)，当ET∈[N1, N2]时，QN端口输出高电平（占空比DC=(N2−N1)/PT），其余时段保持低电平。针对多路信号相位控制需求，系统采用单定时器多通道架构，通过为3路信号分别配置独立的(N1, N2)参数组实现相位偏移，同时借助定时器同步重新加载机制确保各通道周期严格同步。
3. 试验台性能测试
3.1 单喷头流量测试
PWM变量喷雾系统主要通过改变控制信号的占空比实现喷头流量快速调节，喷头流量与占空比成线性关系[9]，但电磁阀开关存在响应时间，故实际开启和关闭时间占比与设定占空比存在一定差距[27]。本文采用称量法测量TeeJet电磁阀PWM变量喷雾的流量特性曲线。电磁阀频率设置为5Hz，喷雾压力为0.2MPa，测试电磁阀占空比10%～100%范围内单喷头喷雾流量。试验时，用
1000 mL量杯接住喷头喷出的清水，用秒表记录喷雾时间（约60s），电子秤（精度0.1 g）称量量杯液体质量，通过计算得出喷头流量（L/min），每次试验重复3次取平均值，得到PWM控制电磁阀在不同占空比下的单喷嘴流量与占空比的关系如图6所示，可知喷头流量随PWM占空比增加而增加，在占空比10%～80%区间，喷头流量与占空比成较好的线性关系。占空比大于80%后单喷头流量几乎不再增加，说明电磁响应时间不足以完成关闭动作。因此在初始工作压力0.2MPa、PWM控制频率5Hz情况下该电磁阀的有效调节占空比控制区间为10%～80%，在此区间内流量与占空比关系如公式(1)所示，R2=0.9801 ，拟合度高。$$ {\mathrm{y}}=0.0059\;{\mathrm{x}}+ 0.216\;5\quad {\mathrm{R}}^2 = 0.980\;1 $$ 3.2 基于同相位驱动的喷雾系统压力测试
为了探究PWM控制方式对喷雾系统压力波动的影响，首先开展传统同相位驱动方式下喷雾系统压力波动测试。调节回流比例阀开度，设置回流比例为40%，回流支路保证PWM间歇喷雾安全作业[33]。通过变频器调节喷雾系统的输入流量，读取主管路压力传感器示数，设置初始工作压力为0.2 MPa（占空比为100%时喷雾压力）。上位机通过CAN通讯向C37控制器发送PWM控制信号，设置电磁阀频率5 Hz，据参考文献[34]和喷头流量与占空比关系试验结果，占空比设置为20%、30%、40%、50%、60%、70%。数据采集卡采集频率500 Hz，采集时间4 s，采集喷杆中间位置压力传感器信号值，压力采样点位置如图7所示，将每10个原始试验数据为一组进行中值滤波，数据处理结果如图8所示。
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图 7 喷杆内压力采样点位置示意图1. No.1喷头 2.喷杆 3.数据采集卡 4.计算机 5.电磁阀 6.C37控制器 7.电磁阀Figure 7. Diagram of pressure sampling point position in nozzle1. No.1 nozzle 2. Boom 3. Data acquisition card 4. Computer 5. Solenoid valve 6. C37 controller 7. Solenoid valve![]()
图 8 同相位驱动方式下不同占空比的喷杆内压力波动情况Figure 8. Pressure fluctuations in boom with different duty cycles under same phase driving mode根据文献[35]，压力波动评价指标选用喷杆实时压力标准差${\delta _P}$和压力波动峰峰值\$Pp-p ：
$$ {\delta _P} = \sqrt {\frac{{\sum\limits_{i = 1}^N {{{({P_i} - {P_{mean}})}^2}} }}{N}} $$ (2) 式中Pi 为喷杆压力采样数据，MPa；Pmean为压力平均值，MPa；N 为采样点。
$$ P_{p-p}=P\mathit{_{{max}}}-P_{{{min}}} $$ (3) 式中Pmax 为压力最大值，MPa；Pmin为压力最小值，MPa。
由图8可知，喷杆内压力与PWM信号占空比成反比，当占空比减小时，管路中的压力会明显上升。随着占空比的增大，压力波动幅度逐渐减小，占空比为20%时压力峰峰值最大，为0.162 MPa，70%占空比时最小，为0.043 MPa，20%占空比的压力峰峰值是70%占空比的3.76倍，标准差是70%占空比的5.11倍。由此可知，PWM变量喷雾在调节占空比调流量过程中，喷杆压力波动较大，且占空比越小，压力波动幅度越大，影响精准施药。
3.3 基于错相位驱动的PWM变量喷雾系统压力测试
3.3.1 试验设计
为了验证错相位驱动的PWM变量喷雾系统不同相位差对喷雾系统压力波动的影响，设计如下试验：试验液体选择自来水，喷嘴选取TP8002标准扇形喷嘴，回流比例与占空比同3.2节；相位差设置为30°、60°、90°、120°、150°；初始工作压力设置为0.2 MPa，PWM控制频率设为5 Hz，采用USB7660AS/2数据采集卡实时采集喷杆中间位置的压力传感器数据，数据采样点位置同图7，采样频率为500 Hz，采样时间为4 s，每组试验重复3次。
3.3.2 试验结果与分析
压力实时数据经过中值滤波处理，如图9所示为不同相位差PWM驱动下50%占空比条件下喷杆内压力的变化情况。可以看出，喷杆压力呈周期性波动，与同相位驱动（相位差为0°）相比，错相位驱动（相位差为30°、60°、90°、120°、150°）的系统压力波动幅度明显减小，变化趋势是先减小后增大，在相位差为120°时，系统压力波动幅度最小，系统压力最稳定。
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图 9 50%占空比条件下不同相位差驱动的PWM变量喷雾系统压力数据Figure 9. Pressure data of PWM variable spray system driven by different phase difference under 50% duty cycle整理不同相位差、不同占空比下所有试验数据，求得系统平均压力和压力波动峰峰值，如图10所示。由图10a可以看出，错相位驱动对压力平均值影响较小，压力平均值主要受占空比影响，占空比越小管路压力平均值越高。图10b可以看出，在不同占空比下，相位差120°时的压力峰峰值最小。随着占空比的增加，同相位和错相位驱动下的压力峰峰值差距逐渐缩小。当占空比为20%时，错相位120°驱动的压力峰峰值比同相位驱动的减小76.79%；当占空比为70%时，错相位120°驱动的压力峰峰值比同相位驱动的减小45.03%。由此可见，在相同初始工作压力及控制频率下，错相位控制可以明显减小压力波动。
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图 10 不同占空比及相位差下管路平均压力平均及压力波动峰峰值Figure 10. Average pipeline pressure and peak-to-peak pressure fluctuation under different duty cycle and phase difference为了探究不同相位差和占空比下系统压力波动程度，根据式（4）计算系统压力波动变异系数CV。
$$ CV = {\delta _P}/{P_{{{mean}}}} \times 100\text{%} $$ (4) 图11为PWM变量喷雾系统不同占空比、不同相位差条件下的压力波动变异系数曲线。变异系数越小说明压力越稳定，雾滴越均匀，喷雾系统作业效果越好。由图11可以看出，相比同相位驱动，错相位驱动的喷杆压力波动变异系数减小，且随相位差的增加变异系数整体呈下降趋势。在不同占空比条件下，相位差为120°时压力变异系数均最小，压力最稳定。占空比分别为20%、30%、40%、50%、60%、70%时，120°错相位与同相位驱动相比，变异系数分别减小66.61%、58.88%、56.46%、40.85%、31.79%、19.48%，压力波动抑制效果最为明显；占空比为20%、30%时变异系数变化最为明显，原因是占空比较低时错相位驱动可以使3路PWM信号完全错开，没有重叠时段，在一个周期内保证同一时刻有且只有一组电磁阀开启，故压力稳定效果较好。随着占空比增加，3路信号无法实现完全错开，虽然与同相位驱动相比压力变异系数减小但是降幅也变小。占空比对变异系数影响较小的相位差为60°～90°，说明在此区间内占空比变化对系统压力波动影响较小，适合频繁改变占空比调节流量。因此，当PWM喷雾频率为5 Hz，喷头电磁阀分为3组控制时，建议选取120°相位差驱动以保持管路压力稳定，保证雾化效果。
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图 11 不同占空比及相位条件下的管路压力波动变异系数Figure 11. Coefficient of variation of pipeline pressure fluctuation under different duty cycle and phase conditions4. 基于错相位驱动的PWM变量喷雾系统雾化试验
4.1 试验设计
为了验证错相位驱动对PWM变量喷雾系统雾化特性的影响，依据《JBT 9782-2014 植保机械通用试验方法》[36]要求，在实验室开展雾化试验。依据文献[37]，雾化试验采用清水为介质，环境温度和相对湿度分别为22.4 ℃和40%。应用所设计的变量喷雾系统搭建雾化试验台，如图12所示。选取喷杆上任意一个喷嘴放置于激光发射装置与镜头连线的中间位置，距离激光束的垂直距离为0.5 m，旋转喷头使喷雾面垂直于激光束，以确保镜头以最佳视野采集雾滴粒径。雾滴粒径测量仪型号为VisiSize P15（英国Oxford Lasers Ltd），激光强度设定为100%，来自发射器的激光束照射通过聚焦区域的液滴，相机以15帧/s的速度拍摄液滴图像，收集到
10000 个有效聚焦液滴后自动停止，每组试验重复3次。![]()
图 12 雾化特性测量试验台1.压力表 2.开关阀 3.分流器 4.微量调节阀 5.控制箱 6.电磁阀7.上位机 8.变频电机 9.隔膜泵 10压力传感器 11喷头 12雾滴粒径测量仪Figure 12. Atomization characteristic measurement test bench1. Pressure gauge 2. On-off valve 3. Diverter 4. Micro regulating valve 5. Control box 6. Solenoid valve 7. Computer 8. Variable frequency motor 9. Diaphragm pump 10. Pressure sensor 11. Nozzle 12.Spray droplet size measuring instrument试验测试变量为2种电磁阀控制方式（同相位和错相位相位差120°）和6种占空比的组合（20%，30%，40%，50%，60%，70%），试验条件同3.3.1节，初始工作压力为0.2 MPa，电磁阀控制频率为5 Hz。
试验选择DV0.1、DV0.5、DV0.9以及RS为主要评价指标，其中DV0.1、DV0.5、DV0.9分别表示取样雾滴的体积按雾滴从小到大的顺序积累，当累积值分别等于取样雾滴总体积的10%、50%、90%时所对应的雾滴直径，其中DV0.5又称为体积中值直径。RS（relative span of the droplet spectrum）为雾滴粒径分布跨度，无量纲参数，表征液滴粒径尺寸分布的均匀性，RS值越小，表示液滴尺寸分布越窄，即均匀性越好，RS的计算式为
$$ RS = \frac{{{D_{V0.9}} - {D_{V0.1}}}}{{{D_{V0.5}}}} $$ (5) 4.2 试验结果与分析
对激光粒子分析仪采集到的所有雾滴粒子直径数据进行统计分析，将粒径按从小到大进行排序和分区统计，计算出每个雾滴粒径统计区间内所有雾滴粒子的体积和占雾滴群总体积的百分比和累计体积占比（大于或小于某一特定粒径的所有雾滴粒子的总体积占雾滴群总体积的百分比）。如图13 所示，横坐标为雾滴粒径（μm），分箱数量上限为140个，基于雾滴粒径跨度和分箱数划分对数刻度，柱状图高度表示雾滴粒径区间内雾滴体积之和占雾滴群总体积百分比（%），折线表示特定粒径雾滴累计体积占雾滴群总体积百分比（%）。由13图可知，占空比对PWM变量喷雾系统的雾滴粒径影响较小，不同占空比同相位与错相位驱动方式下雾滴粒径累积体积曲线趋势基本一致，占空比为50%时，同相位与错相位驱动的雾滴累计体积占比差异相对较大。
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图 13 不同占空比及不同驱动方式下的雾滴体积分布Figure 13. Droplet volume distribution under different duty cycles and driving modes图14为同相位与错相位驱动不同占空比的雾滴体积直径变化折线图，由图14可知，在初始工作压力0.2 MPa下，占空比对雾滴粒径大小没有明显影响。随着占空比的增加，DV0.1、DV0.5和DV0.9均呈上升趋势。同相位和错相位驱动在相同压力和占空比下运行的相同喷嘴雾滴尺寸分布相似，错相位雾滴粒径统计项均略低于同相位。同相位PWM变量喷雾系统DV0.1、DV0.5和DV0.9在20%至70%占空比之间的标准差分别为4.334、7.523和7.855，错相位驱动方式下，DV0.1、DV0.5和DV0.9的标准差分别为4.270、5.852和5.990。表明错相位驱动可以有效减少占空比变化对雾滴粒径分布的影响。
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图 14 不同驱动方式下占空比对雾滴粒径的影响注：DV0.1，DV0.5，DV0.9分别表示小于该直径的所有液滴容积分别占液滴总体积的10%、50%和90%。Figure 14. Influence of duty cycles on droplet size under different driving modesNote：DV0.1, DV0.5, and DV0.9 denote the droplet diameters below which the cumulative volume of droplets accounts for 10%, 50%, and 90% of the total droplet volume, respectively.如图15为不同占空比下同相位错相位驱动的雾滴粒径分布跨度RS变化情况，由图15可以看出，RS总体上随着占空比的增加而降低，同相位和错相位驱动方式下，20%占空比时的RS分别为70%占空比时的1.20和1.16倍。
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图 15 不同驱动方式下的雾滴粒径相对跨度Figure 15. Relative span of droplet sizes under different driving modes但错相位驱动在占空比为40%时的RS略有升高，分析原因可能是在该条件下电磁阀与泵的动作频率发生了谐振，使得压力波动较大。大多数条件下，错相位驱动的RS均低于同相位驱动，特别是在占空比50%时，RS下降最多，为5.56%。这表明错相位驱动可以使雾滴粒径更均匀，雾化效果更好。
5. 基于错相位驱动的PWM变量喷雾系统沉积试验
5.1 试验设计
为了对比错相位驱动方式与常规同相位驱动方式的喷雾系统药液沉积均匀性，在实验室开展沉积试验，试验采用清水为介质，环境温度和相对湿度分别为23.6 ℃和36.2%。试验台布置如图16所示。为了验证作业方向的雾滴沉积均匀性，选用电控调速水平轨道车采集雾滴数据，轨道车行驶速度设置为1 m/s，喷头距离轨道车平面高度为50 cm，在喷头正下方布置一条水敏纸采集带，由2条宽3.5 cm，长40 cm水敏纸（重庆六六山下植保科技有限公司）连接而成，左右两侧12.5 cm距离处分别布置2条相同采集带。
试验分成2组进行，试验压力均为0.3 MPa，设置电磁阀控制频率为5 Hz，占空比50%，错相位相位差为120°。根据运行速度和PWM控制频率计算出电磁阀每个开闭周期轨道运行距离为20 cm，每个控制周期设置6个采集单元，每列采样距离为80 cm，共24个采集单元，采集3列作业方向雾滴沉积数据，将每列的同一行数据进行叠加取平均值，求得喷杆前进方向的雾滴沉积覆盖率，并计算24个采样单元雾滴覆盖率的变异系数。
5.2 试验结果与分析
采用重庆六六山下植保科技有限公司的雾滴分析软件分析得出每个采样单元雾滴沉积覆盖率数据，绘制如图17所示曲线，可以看出，低频控制条件下，同相位驱动的喷雾系统雾滴覆盖率呈现较大波动，错相位驱动系统的覆盖率波动减小。相比同相位驱动，错相位驱动PWM变量喷雾系统沉积覆盖率略小，这是因为错相位驱动方式系统的平均压力偏小，喷头流量偏小，雾滴覆盖率即偏小。计算同相位和错相位驱动方式系统雾滴覆盖率变异系数分别为28.47%和19.43%，错相位驱动系统雾滴覆盖率变异系数下降了31.75%，说明错相位驱动喷雾系统雾滴沉积更均匀。
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图 17 不同驱动方式下雾滴沉积覆盖率Figure 17. Droplet deposition coverage under different driving modes6. 结 论
1）设计了PWM变量喷雾系统试验平台，通过试验得出，在初始工作压力0.2 MPa，PWM控制频率5 Hz情况下，电磁阀有效调节流量占空比控制区间为10%～80%；同相位驱动的喷雾系统压力波动测试结果表明，喷杆内实时压力的平均值、压力波动峰峰值以及标准差均与占空比呈现反比例关系，20%占空比的压力波动峰峰值和标准差分别是70%占空比的3.76倍和5.11倍。
2）基于C37控制器开发了一种错相位驱动PWM变量喷雾系统，可实现30°、60°、90°、120°、150°相位差的驱动；压力波动特性试验结果表明，错相位驱动方式相比同相位驱动系统的平均压力变化不大，但压力波动峰峰值和变异系数变化较大。错相位驱动可有效降低系统压力波动峰峰值和变异系数，且随着占空比的增加，这种影响逐渐缩小。当占空比为20%和70%时，错相位120°驱动的压力波动峰峰值比同相位驱动分别减小76.79%和45.03%，压力波动变异系数分别减小66.61%和19.48%。占空比对变异系数影响最小的错相位相位差区间是60°～90°，相位差120°时，不同占空比下系统压力波动变异系数均最小。由此可见，对于占空比频繁改变的变量喷雾系统相位差区间建议选择60°～90°，对于变量喷雾压力稳定性要求较高的作业场景相位差建议选择120°。
3）基于错相位驱动的PWM变量喷雾系统雾化试验结果表明，占空比对雾滴直径影响较小。占空比增大，雾滴直径DV0.1、DV0.5和DV0.9均略微增大，雾滴粒径分布跨度RS值逐渐减小。错相位驱动系统的雾滴粒径统计项均略低于同相位驱动。错相位驱动系统的RS基本低于同相位驱动，特别是在占空比50%时，RS下降最多，为5.56%。占空比40%时，RS略微增大，考虑为系统共振影响。整体趋势表明错相位驱动可以使喷雾雾滴粒径更均匀，雾化效果更好。
4）PWM变量喷雾系统沉积对比试验结果表明，错相位驱动系统的雾滴覆盖率较同相位驱动略低，但雾滴覆盖率变异系数比同相位驱动减少了31.75%，可见错相位驱动可减少PWM变量喷药系统低频控制造成的非均匀性地面沉积。
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图 1 PWM变量喷雾控制系统组成
Figure 1. Composition of PWM (pulse width modulation) variable spray control system
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图 2 试验台结构图
1.控制箱 2.压力传感器 3.分段控制阀组 4.流量传感器 5过滤器 6.回流比例阀 7.安全阀 8.压力传感器 9.电磁阀 10.喷头 11.隔膜泵 12.电机
Figure 2. Diagram of test bench structure
1. Control box 2. Pressure sensor 3. Segmented control valve group 4. Flow sensor 5. Filter 6. Return proportional valve 7. Safety valve 8. Pressure sensor 9. Solenoid valve 10. Nozzle 11. Diaphragm pump 12. Motor
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图 7 喷杆内压力采样点位置示意图
1. No.1喷头 2.喷杆 3.数据采集卡 4.计算机 5.电磁阀 6.C37控制器 7.电磁阀
Figure 7. Diagram of pressure sampling point position in nozzle
1. No.1 nozzle 2. Boom 3. Data acquisition card 4. Computer 5. Solenoid valve 6. C37 controller 7. Solenoid valve
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图 8 同相位驱动方式下不同占空比的喷杆内压力波动情况
Figure 8. Pressure fluctuations in boom with different duty cycles under same phase driving mode
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图 9 50%占空比条件下不同相位差驱动的PWM变量喷雾系统压力数据
Figure 9. Pressure data of PWM variable spray system driven by different phase difference under 50% duty cycle
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图 10 不同占空比及相位差下管路平均压力平均及压力波动峰峰值
Figure 10. Average pipeline pressure and peak-to-peak pressure fluctuation under different duty cycle and phase difference
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图 11 不同占空比及相位条件下的管路压力波动变异系数
Figure 11. Coefficient of variation of pipeline pressure fluctuation under different duty cycle and phase conditions
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图 12 雾化特性测量试验台
1.压力表 2.开关阀 3.分流器 4.微量调节阀 5.控制箱 6.电磁阀7.上位机 8.变频电机 9.隔膜泵 10压力传感器 11喷头 12雾滴粒径测量仪
Figure 12. Atomization characteristic measurement test bench
1. Pressure gauge 2. On-off valve 3. Diverter 4. Micro regulating valve 5. Control box 6. Solenoid valve 7. Computer 8. Variable frequency motor 9. Diaphragm pump 10. Pressure sensor 11. Nozzle 12.Spray droplet size measuring instrument
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图 13 不同占空比及不同驱动方式下的雾滴体积分布
Figure 13. Droplet volume distribution under different duty cycles and driving modes
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图 14 不同驱动方式下占空比对雾滴粒径的影响
注：DV0.1，DV0.5，DV0.9分别表示小于该直径的所有液滴容积分别占液滴总体积的10%、50%和90%。
Figure 14. Influence of duty cycles on droplet size under different driving modes
Note：DV0.1, DV0.5, and DV0.9 denote the droplet diameters below which the cumulative volume of droplets accounts for 10%, 50%, and 90% of the total droplet volume, respectively.
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图 15 不同驱动方式下的雾滴粒径相对跨度
Figure 15. Relative span of droplet sizes under different driving modes
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图 17 不同驱动方式下雾滴沉积覆盖率
Figure 17. Droplet deposition coverage under different driving modes
表 1 试验阀件型号与参数
Table 1 Model and parameters of valve parts of experimental system
名称Name 型号Model 参数Parameter 变频器Frequency converter V8 功率：2.2 kW 变频电机Variable frequency motor YVP-90 L-6 功率：2.2 kW 隔膜泵Diaphragm pump MB396/3.0 流量：70～90 L·min−1 回流比例阀
Return proportional valveQ911F-16P 电压：12 V；
智能调节型电磁阀
Solenoid valveDS115880-12 电压：12 V，额定电流：0.9 A；
工作压力：≤0.7 MPa喷嘴Nozzle TP8002 压力：0.2～0.4 MPa 压力传感器Pressure sensor AS-131 量程：0～4MPa；精度：0.5% 流量传感器Flow sensor SK-DN25-Hz 量程：2～60 L·min−1；
精度：1%数据采集卡Data acquisition card USB7660AS/2 采样频率；＞1 kHz 控制器 Controller C37 通讯：CAN；编程环境：CodeSys v2.3 
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