本发明提供一种电磁开关高频保持噪声的自校正控制装置及方法，该装置的交直流输入电源经整流滤波电路后变为较平稳的直流电压，并施加到电磁机构驱动电路的IN+及IN‑节点；斩波控制电路驱动电源从OUT+及OUT‑节点输出，并施加到开关的电磁机构；嵌入式控制系统根据电压传感器、电流传感器、声音传感器、振动传感器的反馈信号产生PWM信号，经隔离驱动电路后对电磁机构驱动电路进行电流闭环控制。本发明检测电磁开关可靠保持时的声音及振动信号，根据声音及振动信号的大小校正电磁开关激磁频率及电流闭环PID控制参数，寻找能够使电磁开关的噪声及振动降到最低的最高激磁频率，在降低运行噪声的同时达到最好的节能控制效果。
1.一种电磁开关高频保持噪声的自校正控制装置，其特征在于：包括整流滤波电路、电磁机构驱动电路、电磁机构、隔离驱动电路、电压传感器、电流传感器、声音传感器、振动传感器及嵌入式系统；
交直流输入电源经整流滤波电路后变为较平稳的直流电压，并施加到电磁机构驱动电路的IN+及IN-节点；
所述电磁机构驱动电路包括一斩波控制电路；斩波控制电路驱动电源从OUT+及OUT-节点输出，并施加到开关的电磁机构；
所述电压传感器检测整流滤波后的直流电压；所述电流传感器检测电磁机构线圈电流；所述声音传感器用于检测电磁机构发出的音频噪声；所述振动传感器用于检测电磁机构产生的机械振动；
嵌入式控制系统根据电压传感器、电流传感器、声音传感器、振动传感器的反馈信号产生PWM信号，经隔离驱动电路后对电磁机构驱动电路进行电流闭环控制；
所述斩波控制电路包括电力电子开关S1、S4、快恢复二极管D2、D3；电力电子开关S1集电极分别接IN+节点、快恢复二极管D2阴极；电力电子开关S1基极接嵌入式控制系统输出；电力阳极分别接电力电子开关S1发射极分别接快恢复二极管D3阴极、驱动电源的OUT+节点；
快恢复二极管D3阳极分别接电力电子开关S4发射极、电磁机构驱动电路的IN-；电力电子开关S4集电极分别接快恢复二极管D2阳极、驱动电源的OUT-节点；电力电子开关S4基极接接嵌入式控制系统输出；
所述嵌入式控制系统包括PWM控制器及分别与其相连接的PID控制器、开关频率扫描模块、拓扑控制模块；
采用上述自校正控制装置实现自校正控制方法，包括以下步骤：当电磁开关可靠保持时，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PID控制器中，用来决定PWM信号的占空比，对线圈电流进行闭环控制；
拓扑控制模块使电磁机构在可靠保持时工作于两态拓扑结构：使电力电子开关S4驱动始终为高电平，置电力电子开关S4为常开，电力电子开关S1驱动信号根据电流闭环的控制规律得到，当电力电子开关S1导通时，整流滤波后的正向电压施加在线圈两端，线圈电流快速上升，当电力电子开关S1关闭时，线圈电流通过S4、D3续流，S4、D3的负向管压降施加在线圈两端，线圈电流缓慢下降，以此来维持动态恒定；当驱动电路在保持过程中工作于两态拓扑低线圈电流的开关尖峰，如式(1)所示：式中：ipeak为开关尖峰电流，Cdist为线圈分布电容，ucoil为线圈电压；
当电力电子开关S1导通时ucoil幅值较大，导致电压变化率较大，线圈电流尖峰较为明显，当电力电子开关S1关闭时ucoil为续流电压，幅值较小，导致电压变化率变小，线圈电流尖峰较小，进而降低音频噪声；
开关频率扫描模块使PWM控制器的频率在一定范围内从低到高循环变化，每步进一个频率，PID控制系统根据反馈的电磁开关声音及振动信号的大小来调节PID控制器的设置参数，降低线圈电流纹波；依次扫描，寻找到使电磁机构噪声最低的最高开关频率；
通过改变交直流输入电压的幅值，在不同的电压下执行频率扫描及PID参数整定过程，以得到不同输入电压下，无声运行的最优控制参数；经过校正后，将当前的无声运行控制参数存储到嵌入式控制系统中，之后去掉声音及振动传感器，根据输入电压的幅值选择校正后的控制参数来进行电磁开关的无声保持。
一种电磁开关高频保持噪声自校正控制装置及方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种电磁开关高频保持噪声的自校正控制方法，来进行电磁开关高频激磁下的无声保持。
背景技术
[0002] 电磁开关广泛应用于各种工业控制系统及民用电器中，其性能指标直接影响着系统或电器的稳定性和可靠性。传统的交流电磁开关激磁电压在时域上是正弦周期函数，导致其电磁机构的磁通及电磁吸力也按正弦规律周期性变化，当电磁机构动铁心吸力小于弹簧反力时，铁心就会产生振动，发出噪声。交流电磁机构通常采用加装分磁环的措施来降低吸力脉动，使分磁环内外的合成吸力始终大于弹簧反力，减少动静铁心之间的振动，降低噪声。但交流电磁机构存在诸多缺陷，如：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。
[0003] 近年来电磁开关的闭环控制技术发展迅速，主要有如下几种控制方案，1、线圈电流闭环控制技术：线圈激磁电压采用PWM控制，以线圈电流为反馈，进行闭环控制，直接调节线圈高频方波电压的导通周期数及占空比，从而得到所需的线圈电流。2、无位置传感器的位移闭环控制：在电流闭环控制的基础上，进一步采用位移估算技术来实时估算接触器动铁心位移，构建无位置传感器的位移闭环控制，其线圈激励电压同样为高频方波。3、线圈电压闭环控制技术：采用线圈电压平均值作为反馈，以PWM方式来调节激磁电压占空比，电磁开关的激磁电压同样为高频方波。智能控制下的电磁开关克服了传统电磁开关的性能缺陷，提高了开关性能。
[0004] 通过以上智能控制方案可以看出：随着电磁开关智能控制技术的发展，其激磁方式由传统的工频交流向高频方波转变，在电磁开关稳定保持过程中，由于电磁机构的强感性作用，在高频方波电压激励下可以得到动态恒定的线圈电流。受线圈分布电容的影响，在方波电压的上升及下降边沿处会产生线圈电流尖峰；另外高频工作模式下，线圈电流的动态恒定原理会产生固有的电流纹波，这些都可能导致电磁机构的高频噪声，相较于工频噪声，这些高频噪声的频率更高更为刺耳，需要采取一定的控制方法进行抑制。
发明内容
[0005] 本发明针对电磁开关高频激磁保持时产生的音频噪声问题，提出了一种抑制噪声的自校正控制方法。
[0006] 为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种电磁开关高频保持噪声的自校正控制装置，其包括整流滤波电路、电磁机构驱动电路、电磁机构、隔离驱动电路、电压传感器、电流传感器、声音传感器、振动传感器及嵌入式系统；所述交直流输入电源经整流滤波电路后变为较平稳的直流电压，并施加到电磁机构驱动电路的IN+及IN-节点；所述电磁机构驱动电路包括一斩波控制电路；斩波控制电路驱动电源从OUT+及OUT-节点输出，并施加到开关的电磁机构；
[0007] 所述电压传感器检测整流滤波后的直流电压；所述电流传感器检测电磁机构线圈电流；所述声音传感器用于检测电磁机构发出的音频噪声；所述振动传感器用于检测电磁机构产生的机械振动；嵌入式控制系统根据电压传感器、电流传感器、声音传感器、振动传感器的反馈信号产生PWM信号，经隔离驱动电路后对电磁机构驱动电路进行电流闭环控制。
[0008] 在本发明一实施例中，所述斩波控制电路包括电力电子开关S1、S4、快恢复二极管D2、D3；电力电子开关S1集电极分别接IN+节点、快恢复二极管D2阴极；电力电子开关S1基极接嵌入式控制系统输出；电力阳极分别接电力电子开关S1发射极分别接快恢复二极管D3阴极、驱动电源的OUT+节点；快恢复二极管D3阳极分别接电力电子开关S4发射极、电磁机构驱动电路的IN-；电力电子开关S4集电极分别接快恢复二极管D2阳极、驱动电源的OUT-节点；电力电子开关S4基极接接嵌入式控制系统输出。
[0009] 在本发明一实施例中，所述嵌入式控制系统包括PWM控制器及分别与其相连接的PID控制器、开关频率扫描模块、拓扑控制模块。
[0010] 本发明还提供一种电磁开关高频保持噪声的自校正控制方法，其包括以下步骤：当电磁开关可靠保持时，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PID控制器中，用来决定PWM信号的占空比，对线圈电流进行闭环控制；拓扑控制模块使电磁机构在可靠保持时工作于两态拓扑结构：使电力电子开关S4驱动始终为高电平，置电力电子开关S4为常开，电力电子开关S1驱动信号根据电流闭环的控制规律得到，当电力电子开关S1导通时，整流滤波后的正向电压施加在线圈两端，线圈电流快速上升，当电力电子开关S1关闭时，线圈电流通过S4、D3续流，S4、D3的负向管压降施加在线圈两端，线圈电流缓慢下降，以此来维持动态恒定；驱动电路在保持过程中工作于两态拓扑可大幅降低线圈电流的开关尖峰，如式（1）所示：
[0011] （1）
[0012] 式中：ipeak为开关尖峰电流，Cdist为线圈分布电容，ucoil为线圈电压；
[0013] 当电力电子开关S1导通时ucoil幅值较大，导致电压变化率较大，线圈电流尖峰较为明显，当电力电子开关S1关闭时ucoil为续流电压，幅值较小，导致电压变化率变小，线圈电流尖峰较小，进而降低音频噪声。
[0014] 在本发明一实施例中，开关频率扫描模块使PWM控制器的频率在一定范围内从低到高循环变化，每步进一个频率，PID控制系统根据反馈的电磁开关声音及振动信号的大小来调节PID控制器的设置参数，降低线圈电流纹波；依次扫描，寻找到使电磁机构噪声最低的最高开关频率。
[0015] 在本发明一实施例中，通过改变交直流输入电压的幅值，在不同的电压下执行频率扫描及PID参数整定过程，以得到不同输入电压下，无声运行的最优控制参数；经过校正后，将当前的无声运行控制参数存储到嵌入式控制系统中，之后去掉声音及振动传感器，根据输入电压的幅值选择校正后的控制参数来进行电磁开关的无声保持。
[0016] 与现有技术，本发明通过声音传感器、振动传感器来检测电磁开关可靠保持时的声音及振动信号，根据声音及振动信号的大小校正电磁开关激磁频率及电流闭环PID控制参数，寻找能够使电磁开关的噪声及振动降到最低的最高激磁频率，在降低运行噪声的同时达到最好的节能控制效果。
附图说明
[0017] 图1为本发明的控制原理系统示意图。
具体实施方式
[0018] 下面结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一说明。
[0019] 在本发明一实施例中，所述斩波控制电路包括电力电子开关S1、S4、快恢复二极管D2、D3；电力电子开关S1集电极分别接IN+节点、快恢复二极管D2阴极；电力电子开关S1基极接嵌入式控制系统输出；电力阳极分别接电力电子开关S1发射极分别接快恢复二极管D3阴极、驱动电源的OUT+节点；快恢复二极管D3阳极分别接电力电子开关S4发射极、电磁机构驱动电路的IN-；电力电子开关S4集电极分别接快恢复二极管D2阳极、驱动电源的OUT-节点；电力电子开关S4基极接接嵌入式控制系统输出。
[0020] 在本发明一实施例中，所述嵌入式控制系统包括PWM控制器及分别与其相连接的PID控制器、开关频率扫描模块、拓扑控制模块。
[0021] 电磁开关保持噪声自校正原理如图1所示：交直流输入电源经整流滤波后变为较平稳的直流电压，施加到电磁机构驱动电路中的IN+及IN-节点；电磁机构驱动电路中S1、S4为电力电子开关；D2、D3为快恢复二极管，共同组成斩波控制电路，驱动电源从OUT+及OUT-节点输出，并施加到开关的电磁机构；电压传感器用于检测整流滤波后的直流电压，电流传感器用于检测电磁机构线圈电流，声音传感器用于检测电磁机构发出的音频噪声，振动传感器用于检测电磁机构产生的机械振动；嵌入式控制系统根据各种传感器的反馈信号产生PWM信号，经隔离驱动后作用于电磁机构驱动电路，完成电磁机构线圈电流闭环控制。
[0022] 本发明还提供一种电磁开关高频保持噪声的自校正控制方法，其包括以下步骤：当电磁开关可靠保持时，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PID控制器中，用来决定PWM信号的占空比，对线圈电流进行闭环控制；拓扑控制模块使电磁机构在可靠保持时工作于两态拓扑结构：使电力电子开关S4驱动始终为高电平，置电力电子开关S4为常开，电力电子开关S1驱动信号根据电流闭环的控制规律得到，当电力电子开关S1导通时，整流滤波后的正向电压施加在线圈两端，线圈电流快速上升，当电力电子开关S1关闭时，线圈电流通过S4、D3续流，S4、D3的负向管压降（3V左右）施加在线圈两端，线圈电流缓慢下降，以此来维持动态恒定；驱动电路在保持过程中工作于两态拓扑可大幅降低线圈电流的开关尖峰，如式（1）所示：
[0023] （1）
[0024] 式中：ipeak为开关尖峰电流，Cdist为线圈分布电容，ucoil为线圈电压；
[0025] 当电力电子开关S1导通时ucoil幅值较大，导致电压变化率较大，线圈电流尖峰较为明显，当电力电子开关S1关闭时ucoil为续流电压，幅值较小，导致电压变化率变小，线圈电流尖峰较小，进而降低音频噪声。
[0026] 在本发明一实施例中，开关频率扫描模块使PWM控制器的频率在一定范围内从低到高循环变化，每步进一个频率，PID控制系统根据反馈的电磁开关声音及振动信号的大小来调节PID控制器的设置参数，降低线圈电流纹波；依次扫描，寻找到使电磁机构噪声最低的最高开关频率，在节能运行与无声运行之间取得平衡。
[0027] 在本发明一实施例中，通过改变交直流输入电压的幅值，在几组典型电压下执行上述的频率扫描及PID参数整定过程，以得到不同输入电压下，无声运行的最优控制参数；经过校正后，将当前的无声运行控制参数存储到嵌入式控制系统中，之后去掉声音及振动传感器，根据输入电压的幅值选择校正后的控制参数来进行电磁开关的无声保持。
[0028] 以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。
