阅读说明：本技术 一种电磁开关高频吸持噪声自适应抑制方法 (Self-adaptive suppression method for high-frequency holding noise of electromagnetic switch ) 是由 汤龙飞 庄剑雄 于 2019-12-05 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种电磁开关高频吸持噪声自适应抑制方法,控制策略：开关管操作频率为18kHz及以上,电磁开关在稳定吸持状态下进行励磁状态与续流状态之间切换控制,分断过程通过前期吸持阶段电容所储能量给线圈加负压,快速退磁；控制算法：通过继电反馈自整定技术对PID控制参数进行在线自整定,通过电流监测环切换机制对采样线圈电流与设定保持参考电流的误差进行在线监测,当误差超出所设阈值范围电流监测环升级成电流闭环,待误差降至阈值范围内电流闭环退化为电流监测环,自动计算当前工况下的输出占空比平均值并固定该平均值为最佳占空比输出给PWM发生器,重复上述自适应切换控制过程。本发明实现电磁开关在宽电压范围内节能、无声运行的控制效果。(The invention relates to a self-adaptive suppression method for high-frequency holding noise of an electromagnetic switch, which comprises the following control strategies: the operating frequency of the switching tube is 18kHz and above, the electromagnetic switch is switched and controlled between an excitation state and a follow current state under a stable holding state, and the breaking process applies negative pressure to the coil through the energy stored in the capacitor in the earlier holding stage and demagnetizes rapidly; and (3) a control algorithm: the method comprises the steps of carrying out online self-setting on PID control parameters through a relay feedback self-setting technology, carrying out online monitoring on errors between sampling coil current and set and maintained reference current through a current monitoring ring switching mechanism, upgrading the current monitoring ring into a current closed ring when the errors exceed a set threshold range, degrading the current closed ring into the current monitoring ring when the errors fall into the threshold range, automatically calculating an average value of output duty ratios under the current working condition, fixing the average value as an optimal duty ratio, outputting the optimal duty ratio to a PWM generator, and repeating the self-adaptive switching control process. The invention realizes the control effect of the energy-saving and silent operation of the electromagnetic switch in a wide voltage range.)

一种电磁开关高频吸持噪声自适应抑制方法

技术领域

本发明涉及电磁开关控制领域，特别是一种电磁开关高频吸持噪声自适应抑制方法。

背景技术

电磁开关是一种利用线圈通电产生电磁力来控制负载的电器，被广泛应用于各种工业自动控制系统及民用电器中。传统交流电磁开关噪声产生的原因有两个：一是硅钢片铁磁材料在交变磁场作用下，产生磁致伸缩引起的振动；二是当衔铁所受交流电磁吸力小于闭合位置反力时，引起衔铁的周期性振动。交流电磁开关通常采用在电磁机构上加装分磁环的方法使分磁环内外合成电磁吸力大于弹簧反力来减小动静铁心间振动，进而降低噪声。但交流电磁开关仍存在工作电压范围窄，分磁环易断裂，保持功耗大，难以优化控制等诸多不足。为实现良好控制效果，目前普遍采用电磁开关直流化控制，其中，脉宽调制控制技术因控制原理成熟、驱动拓扑灵活等优势成为电磁开关的主要控制方式之一。

基于反馈的电磁开关脉宽调制控制主要有以下几种方案：一是以线圈电流作为反馈量，通过动态调节PWM占空比来控制线圈激磁电压，达到调节线圈电流的目的。二是以线圈电压平均值作为反馈量，同样调节PWM占空比来调节线圈激磁电压，进而对激磁电压有效值进行闭环控制。三是以电流环作为内环，采用位移估算技术实时估算电磁开关动铁心位移，用位移作为外环反馈量实现位移闭环控制。对比以上几种控制方案，以线圈电流作为反馈量进行闭环调节的控制方式，直接影响电磁吸力，能够快速直接的调节电磁系统的激磁状态，便于优化控制。但电流闭环PWM控制方式下的电磁开关受高频激磁电压影响，在吸持过程中会产生一种新的噪声问题。相较于传统以工频交流方式激磁的电磁开关而言，以高频方波激磁的电磁开关在稳定吸持过程中，由于电磁机构的强感性作用，在高频方波电压的上升及下降边沿处，受线圈分布电容的影响，会产生线圈电流尖峰，再加上PWM控制下线圈电流固有的纹波，这些都会导致电磁机构发出更刺耳的高频噪声。同时，高频线圈电压幅值、吸持电流大小以及开关管操作频率也影响着高频吸持噪声的频谱分布。因此，有效控制电磁开关在高频激磁控制及宽电压范围运行下的吸持噪声十分有必要。

发明内容

有鉴于此，本发明针对电磁开关在高频方波激磁控制及宽电压范围内运行引起的高频吸持噪声问题，提供一种电磁开关高频吸持噪声自适应抑制方法，实现电磁开关吸持过程节能、无声运行。

本发明采用以下方案实现：一种电磁开关高频吸持噪声自适应抑制方法，包括以下步骤：

步骤S1：提供一线圈驱动电路，操作所述高频激磁控制方式驱动电路中的电磁开关的线圈，用以使其在稳定吸持状态下进行励磁状态与续流状态之间切换控制，分断过程通过吸持阶段电容所储能量给线圈加负压，快速退磁；

步骤S2：通过继电反馈自整定技术对PID的控制参数K_p、T_i、T_d进行在线自整定，通过电流监测环切换机制进而计算输出占空比并固定，用以使产生高频吸持噪声频段移出人耳可听噪声频段范围。

进一步地，线圈驱动电路包括整流电路、电容C、第一开关管S₁、第二开关管S₄、第一快恢复二极管D₂、第二快恢复二极管D₃、线圈等效电阻R_coil和线圈等效电感L_coil；所述线圈等效电阻R_coil和线圈等效电感L_coil串联组成线圈；所述整流电路的输入端与外接交直流输入控制电源，所述交直流输入控制电源，经所述整流电路和所述电容C整流滤波后得到直流电，通过第一开关管S₁、第二开关管S₄将激磁电压施加在线圈R_coil与L_coil串联两端。

进一步地，所述步骤S1的具体内容为：设置所述第一开关管S₁和第二开关管S₄操作频率大于等于18kHz；当第一开关管S₁和第二开关管S₄同时导通时，线圈驱动电路处于励磁状态，线圈电压为左正右负；当第一开关管S₁截止，第二开关管S₄导通时，线圈驱动电路处于续流状态，忽略管压降，线圈两端电压为零；电磁开关在吸合至吸持阶段，第二开关管S₄始终给予高电平导通，对第一开关管S₁进行调制，使线圈驱动电路处于励磁状态与续流状态之间切换控制，用以得到需要的线圈起动电流及保持电流；在分断阶段，第一开关管S₁和第二开关管S₄同时截止，切换至退磁状态，由于线圈两端电压为负压，线圈电流迅速下降为零，降低电磁吸力，实现电磁开关快速退磁分闸。

进一步地，所述步骤S2的具体包括以下步骤：

步骤S21：利用电流传感器检测线圈电流，与设定的保持参考电流进行对比产生误差值，利用电流监测环切换机制对实时采样线圈电流i_coil与设定保持参考电流i_ref的误差e(t)进行在线监测；电流监测环如下式所描述：

步骤S22：判断误差e(t)是否超过设定的阈值ε范围，若误差e(t)超出所设阈值ε范围则电流监测环升级成电流闭环，通过继电反馈自整定PID控制器，进行PID控制参数在线自整定，迅速调节线圈电流至保持参考电流值；待误差e(t)降至阈值ε范围内后，电流闭环退化为电流监测环，电流监测环内部自动计算当前工况下的输出占空比平均值

并固定占空比平均值

为最佳占空比输出给PWM发生器，用以使产生高频吸持噪声频段移出人耳可听噪声频段范围；

其中D表示输出占空比，N表示循环次数。

进一步地，所述进行PID控制参数在线自整定的具体内容为：自整定过程分为两个阶段，第一阶段为继电反馈自整定调节过程，第二阶段为PID控制过程；

当自整定PID控制系统处于等幅振荡时，继电输出特性为当误差e(t)>0时，输出继电幅值d；当e(t)<0时，输出继电幅值-d，继电特性的输出数学表达式为：

式中：d为输出继电幅值，e(t)为参考电流值与实际电流值的误差，即e(t)＝i_ref-i_coil；

t₀-t₁时段即信号输入初始阶段，信号输入，当自整定PID控制系统受扰使|e(t)|≠0，从而使输出i_coil偏离原平衡状态，随后由于|e(t)|的减小，继电特性的等效增益随之增大，i_coil呈现在i_ref附近的高频小幅振荡；

t₁-t₂时段即稳态阶段，自整定PID控制系统进入稳态处于周期性等幅振荡时，非线性环节输入信号e(t)为一个正弦信号,即e(t)＝Asin(ωt)，此时测取自整定PID控制系统等幅振荡周期振荡幅值a并计算临界周期T_u，非线性环节继电输出信号u(t)为周期方波信号，用傅里叶级数表达式为：

式中，A₀为直流分量；A_n、B_n分别为基波及各次谐波分量幅值，以下式描述：

非线性的继电描述函数定义为正弦输入信号作用下，非线性环节的稳态输出中一次谐波分量和输入信号的复数比为非线性环节的描述函数，用N(A)表示：

由于大多数惯性系统可充当低通滤波器，故忽略高次谐波得继电输出傅里叶表达式为:

式中：

故得简化的继电特性描述函数为：

将测取得到的等幅振荡周期振荡幅值a带入简化的继电特性描述函数中得：

根据控制理论，闭环系统产生极限环振荡的条件为：

1+N(A)G(jω)＝0

argG(jω)＝-π

其中，ω＝2π/T，G(jω)为被控对象；

将简化的继电特性描述函数代入到闭环系统产生极限环条件得频率响应在振荡频率点处估计值：

式中，ω_u＝2π/T_u

由于G(jω_u)的虚部为零，所以该频率为测量过程最终频率ω_u，考虑到量测噪声水平，增设了过程变量噪声干扰n，得到最终临界增益：

利用PID整定表将所得最终临界增益K_u和最终临界周期T_u代入PID整定表整定控制参数，得到PID控制参数K_p、T_i、T_d值；

t₂之后即自整定完成阶段，基于继电反馈的PID控制参数自整定完成，将整定好的控制参数输入给标准PID控制器进行PID控制过程，通过标准PID算法决定PWM信号的输出占空比D，用以实现宽电压输入下PID控制参数在线自整定的线圈电流闭环控制。

进一步地，所述对第一开关管S₁进行调制，使线圈驱动电路处于励磁状态与续流状态之间切换控制的具体内容为：第二开关管S₄始终给予高电平导通，对第一开关管S₁以所设操作频率进行调制，S₁导通时，线圈驱动电路处于励磁状态，线圈电压为左正右负；S₁截止时，线圈驱动电路处于续流状态，忽略管压降，线圈两端电压为零，使线圈驱动电路处于励磁状态与续流状态之间切换控制。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)传统PID控制器的控制参数需要手动设定，需要工程人员有一定的经验且整定的控制参数不是最优，本发明继电反馈自整定PID控制器自动整定控制参数，不需要工程人员有参数整定经验。

(2)传统PID控制器将事先整定离线控制参数设定后不再改变，无法适应电磁开关时变运行状态，本发明继电反馈自整定PID控制器能根据不同运行状态在线自整定控制参数以适应电磁开关时变运行状态。

(3)电磁开关在高频方波激磁控制及宽电压范围内运行存在高频吸持噪声问题，本发明通过控制策略及算法将产生可听噪声频段移出人耳可听声音频段范围，有效抑制高频吸持噪声甚至无声运行。

附图说明

图1为本发明实施例的电磁开关自适应切换控制方法原理图。

图2为本发明实施例的信号输入对应的继电输出图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

本实施例提供一种电磁开关高频吸持噪声自适应抑制方法，包括以下步骤：

步骤S1：提供一线圈驱动电路，操作所述高频激磁控制方式驱动电路中的电磁开关的线圈，用以使其在稳定吸持状态下进行励磁状态与续流状态之间切换控制，分断过程通过前期吸持阶段电容所储能量给线圈加负压，快速退磁；

步骤S2：通过继电反馈自整定技术对PID的控制参数K_p、Ti、T_d(比例系数、积分时间常数、微分时间常数)进行在线自整定，开关管操作频率设定在18kHz及以上,通过电流监测环切换机制进而计算输出占空比并固定，用以使产生高频吸持噪声频段移出人耳可听噪声频段范围。具体操作为：

通过继电反馈自整定技术对PID的控制参数进行在线自整定，通过电流监测环切换机制对实时采样线圈电流与设定保持参考电流的误差进行在线监测，当误差超出所设阈值范围时，电流监测环升级成电流闭环，通过自整定PID控制器迅速调节线圈电流至电流参考值，待误差降至阈值范围内后，电流闭环退化为电流监测环，此时自动计算当前工况下的输出占空比平均值并固定该平均值为最佳占空比输出给PWM发生器，用以使产生高频吸持噪声频段移出人耳可听噪声频段范围。

如图1所示，在本实施例中，线圈驱动电路包括整流电路、电容C、第一开关管S₁、第二开关管S₄、第一快恢复二极管D₂、第二快恢复二极管D₃、线圈等效电阻R_coil和线圈等效电感L_coil；所述线圈等效电阻R_coil和线圈等效电感L_coil串联组成线圈；所述整流电路的输入端与外接交直流输入控制电源，所述交直流输入控制电源，经所述整流电路和所述电容C整流滤波后得到直流电，通过第一开关管S₁、第二开关管S₄将激磁电压施加在线圈R_coil与L_coil串联两端。其中C为电容，U_C为电容电压，d为设定的继电幅值，线圈由等效电阻与等效电感串联组成，R_coil为线圈等效电阻，L_coil为线圈等效电感，S₁、S₄为开关管，D₂、D₃为快恢复二极管，i_coil为实时采样电流值，i_ref为参考电流值，a为系统产生稳定等幅振荡的幅值，T_u为临界周期，K_u为临界增益，D为输出占空比，输出占空比平均值，K_p为比例系数，T_i为积分时间常数，T_d为微分时间常数，n为干扰信号，N(a)为继电描述函数，u(t)为继电实验输出方波信号，e(t)为实时采样电流值与参考电流值的偏差。

在本实施例中，所述步骤S1的具体内容为：在控制策略上，电磁机构采用高频激磁控制方式驱动电路，交直流输入控制电源，经整流滤波后得到较为平直的直流电，通过调制开关管将激磁电压施加在线圈R_coil与L_coil串联两端。设置所述第一开关管S₁和第二开关管S₄操作频率大于等于18kHz；当第一开关管S₁和第二开关管S₄同时导通时，线圈驱动电路处于励磁状态，线圈电压为左正右负；当第一开关管S₁截止，第二开关管S₄导通时，线圈驱动电路处于续流状态，忽略管压降，线圈两端电压为零；当开关管S₁、S₄同时截止时，由于线圈的阻感特性，线圈电流不能立刻下降为零，电容电压U_C加在线圈两端，此时线圈两端电压为右正左负，快速吸收电磁机构磁能，使线圈电流快速下降，线圈驱动拓扑处于退磁状态。本实施例中为了降低线圈电流纹波及线圈绕组微振动，电磁开关在吸合至吸持阶段，第二开关管S₄始终给予高电平导通，对第一开关管S₁进行调制，使线圈驱动电路处于励磁状态与续流状态之间切换控制，用以得到需要的线圈起动电流及保持电流；在分断阶段，由于线圈磁能大小跟吸持电流有直接关系，吸持电流越大，线圈磁能越大，分断时间延长，故在分断阶段，第一开关管S₁和第二开关管S₄同时截止，切换至退磁状态，由于线圈两端电压为负压，线圈电流迅速下降为零，降低电磁吸力，实现电磁开关快速退磁分闸。

在本实施例中，所述步骤S2的具体包括以下步骤：

步骤S21：利用电流传感器检测线圈电流，与设定保持参考电流进行对比产生误差值，利用电流监测环切换机制对实时采样线圈电流i_coil与设定保持参考电流i_ref的误差e(t)进行在线监测；电流监测环如下式所描述：

步骤S22：判断误差e(t)是否超过设定的阈值ε范围(阈值ε为0.02～0.04)，若误差e(t)超出所设阈值ε范围则电流监测环升级成电流闭环，通过继电反馈自整定PID控制器，进行PID控制参数在线自整定，迅速调节线圈电流至保持参考电流值；待误差e(t)降至阈值ε范围内后，电流闭环退化为电流监测环，电流监测环内部自动计算当前工况下的输出占空比平均值

并固定占空比平均值

为最佳占空比输出给PWM发生器，用以使产生高频吸持噪声频段移出人耳可听噪声频段范围；

其中D表示输出占空比，N表示循环次数。

在本实施例中，在控制算法上，电磁开关稳定吸持工况下，线圈驱动电路处于励磁状态与续流状态之间切换控制，电流传感器检测线圈电流，与保持参考电流进行对比产生误差值，该误差值送入继电反馈自整定PID控制器中，进行PID控制参数在线自整定，自整定过程分为两个阶段，第一阶段为继电反馈自整定调节过程，第二阶段为PID控制过程。

如图2当自整定PID控制系统处于等幅振荡时，继电输出特性为当误差e(t)>0时，输出继电幅值d；当e(t)<0时，输出继电幅值-d，继电特性的输出数学表达式为：

式中：d为输出继电幅值，e(t)为参考电流值与实际电流值的误差，即e(t)＝i_ref-i_coil；

t₀-t₁时段即信号输入初始阶段，信号输入，由继电特性的等效增益可知，当自整定PID控制系统受扰使|e(t)|≠0，从而使输出i_co_il偏离原平衡状态，随后由于|e(t)|的减小，继电特性的等效增益随之增大，在力图使输出回到原平衡状态的过程中，因为实际系统中的继电特性具有一定的开关速度，因而i_coil呈现在i_ref附近的高频小幅振荡；

t₁-t₂时段即稳态阶段，自整定PID控制系统进入稳态处于周期性等幅振荡时，非线性环节输入信号e(t)为一个正弦信号,即e(t)＝Asin(ωt)，此时测取自整定PID控制系统等幅振荡周期振荡幅值a并计算临界周期T_u，非线性环节继电输出信号u(t)为周期方波信号，用傅里叶级数表达式为：

式中，A₀为直流分量；A_n、B_n分别为基波及各次谐波分量幅值，以下式描述：

继电特性常常使系统产生振荡现象，故这里采用描述函数法对该非线性系统进行分析。非线性的继电描述函数定义为正弦输入信号作用下，非线性环节的稳态输出中一次谐波分量和输入信号的复数比为非线性环节的描述函数，用N(A)表示：

由于大多数惯性系统可充当低通滤波器，故忽略高次谐波得继电输出傅里叶表达式为:

式中：

故得简化的继电特性描述函数为：

将测取得到的等幅振荡周期振荡幅值a带入简化的继电特性描述函数中得：

根据控制理论，闭环系统产生极限环振荡的条件为：

1+N(A)G(jω)＝0

argG(jω)＝-π

其中，ω＝2π/T，G(jω)为被控对象；

将简化的继电特性描述函数代入到闭环系统产生极限环条件得频率响应在振荡频率点处估计值：

式中，ω_u＝2π/T_u

由于G(jω_u)的虚部为零，所以该频率为测量过程最终频率ω_u，考虑到量测噪声水平，增设了过程变量噪声干扰n，得到最终临界增益：

利用表1 PID整定表将所得最终临界增益K_u和最终临界周期T_u代入PID整定表整定控制参数，得到PID控制参数K_p、T_i、T_d值；

表1 PID整定表

t₂之后即自整定完成阶段，基于继电反馈的PID控制参数自整定完成，将整定好的控制参数输入给标准PID控制器进行PID控制过程，通过标准PID算法决定PWM信号的输出占空比D，用以实现宽电压输入下PID控制参数在线自整定的线圈电流闭环控制。

在本实施例中，所述对第一开关管S₁进行调制，使线圈驱动电路处于励磁状态与续流状态之间切换控制的具体内容为：第二开关管S₄始终给予高电平导通，对第一开关管S₁以所设操作频率进行调制，S₁导通时，线圈驱动电路处于励磁状态，线圈电压为左正右负；S₁截止时，线圈驱动电路处于续流状态，忽略管压降，线圈两端电压为零，使线圈驱动电路处于励磁状态与续流状态之间切换控制。

电流监测环如下式所描述：

电流监测环切换机制表述为线圈实时采样电流与保持参考电流之间的误差进行在线监测，当线圈电流误差绝对值超出所设阈值ε时，电流监测环升级为电流闭环，进行控制参数在线自整定的PID控制，快速调节线圈电流至参考电流值；待所调线圈电流误差绝对值在所设阈值范围内后，电流闭环退至电流监测环，自动计算当前工况下占空比平均值

并固定该平均值为最佳占空比输出给PWM发生器，结合此前所提控制策略，此时原可听高频吸持噪声频段移出了人耳可听噪声频段范围，从而对外表现出无声运行效果。

较佳的，本实施例针对宽电压输入电流闭环控制下电磁开关高频吸持噪声问题，控制策略上，开关管操作频率设为18kHz及以上，电磁开关在稳定吸持状态下进行励磁状态与续流状态之间切换控制，分断过程通过前期吸持阶段电容所储能量给线圈加负压，快速退磁；控制算法上，通过继电反馈自整定技术对PID的控制参数进行在线自整定，通过设计电流监测环切换机制对实时采样线圈电流与设定保持参考电流的误差进行在线监测，当误差超出所设阈值范围时，电流监测环升级成电流闭环，通过自整定PID控制器迅速调节线圈电流至电流参考值，待误差降至阈值范围内后，电流闭环退化为电流监测环，此时自动计算当前工况下的输出占空比平均值并固定该平均值为最佳占空比输出给PWM发生器，使产生高频吸持噪声频段移出人耳可听噪声频段范围，重复上述自适应切换控制过程。最终实现电磁开关在宽电压范围内节能、无声运行的控制效果。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。