淺析脈沖寬度調制在繼電器上的應用

周積茂

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

淺析脈沖寬度調制在繼電器上的應用

周積茂

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

脈沖寬度調制（PWM）控制式驅動器可通過改變直流電壓的占空比來調節有效電壓控制執行器，本文主要闡述了在繼電器線圈驅動器中采用PWM策略時的重要注意事項。

繼電器；脈沖寬度調制；電感；線圈抑制；占空比

CLC NO.: U463.6 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)03--

前言

有效節能是汽車工業的主要目標之一。通過脈沖寬度調制(PWM)來控制執行器是改善能源效率所采用的普遍方式。PWM控制的應用越來越廣，例如用于加熱器鼓風機、車燈、EPAS。一旦汽車采用PWM控制器，便可將其用于多種用途。

單穩態繼電器線圈散熱是繼電器箱、配電模塊及開關模塊中產生高溫的原因。這樣不僅限制了繼電器性能，還影響到整套組件的性能。使用磁保持繼電器可消除這些熱源，或者使用高電阻線圈及／或PWM控制式驅動器電路，至少可減少這些熱源。本文主要闡述了在繼電器線圈驅動器中采用PWM策略時的重要注意事項。

1、PWM控制策略注意事項

1.1 繼電器狀態

繼電器線圈功耗的最佳調節方法是采用直流驅動器，因為繼電器的主要電氣參數（吸合、穿入及保持電流）在一定程度上不受溫度影響。但繼電器線圈通常受電壓驅動。因此，這些特征能夠轉變成依賴于溫度的電壓，以便吸合、穿入及保持。原因在于，線圈線材（即銅）的電阻取決于溫度。

一旦穿入繼電器，則在線圈電流降至保持電流以下之前，繼電器狀態不變（電樞將其保持在鐵芯位置上）。在抗沖擊及抗振方面，還需要額外的過流，其取決于繼電器類型、其它繼電器參數及抗沖擊、抗振要求。

PWM控制式驅動器通常能夠以一定的頻率來改變直流電壓的占空比，從而調節有效電壓。繼電器線圈等感應系統能夠在存在并聯組件的情況下響應于電流降低的負沿。

有效電流周圍的紋波取決于線圈電感、線圈抑制、PWM頻率、電壓等級以及占空比。

建議啟動時始終采用100%的PWM占空比，直到繼電器穿入并穩定。必需時間取決于過壓、繼電器類型等，但500ms應足夠了。否則，繼電器電流若要穩定成與有效電流相當的水平，則需要一定時間。

為保證采用PWM技術后繼電器依然具有良好的性能，必需確保，無論何時，線圈電流不會影響保持電流水平以及抗沖擊和抗振所需的過流水平。否則，電樞和觸點可能打開。然后，繼電器必須再次吸合并穿入，直至穩定。若反復打開閉合，電樞可能發出嗡嗡的噪聲。若不經意打開閉合，負載狀態下的電樞和觸點可能導致觸點焊接在一起。

1.2 電感

電感繼電器線圈電感一般較高，這樣電流紋波相對較小。但這些值不是恒定不變的，同一個系列或類型的繼電器中，電感值差異可能非常大。繼電器線圈電感尤其取決于許多在標準繼電器生產過程中并不注重的參數。此外，其受線圈電流（飽和）及繼電器狀態（電樞打開或閉合）的影響較大。

1.3 線圈抑制

直流線圈驅動器中．需要進行線圈抑制，從而保護繼電器驅動器不受線圈斷開峰電壓（較高）的影響。為此可選用多種選件（見圖2）：對于PWM而言，線圈驅動器抑制尤為重要，因為線圈根據PWM頻率斷開，即每秒斷開次數可達數千次。此外，線圈抑制能否降低紋波線圈電流，由于線圈電流降低的速度更慢，因此，從這方面看，抑制能力越強越好，即最好使用并聯二極管（圖2中上方的圓圈）。另一方面，這種情況對繼電器開關能力會造成極不利的影響。對于單驅動器而言，最好的方式可能是采用防并聯低壓(3-9VDC)的齊納二極管（圖2中下方的圓圈）。與驅動器并聯的齊納二極管能夠在因供電電壓變化而導致的斷電過程中使整個繼電器線圈的電壓鉗位不斷變化。

1.4 頻率

如圖3所示頻率越高，紋波電流越低。因此有效線圈可較低而其它所有參數則保持恒定不變。我們建議PWM頻率至少為20kHz。

PWM 12VDC，558Hz，10kHz，20kHz67%，Tamb.23℃，Tcoil：50℃

1.5 占空比

有效線圈電壓是PWM占空比與供電電壓的產物。但是，由于系統負載（例如曲柄轉動）以及交流發電機和電池的狀態在發生變化，因此供電電壓也會變化。因此，應根據供電電壓來調節PWM占空比。嚴格的調控有利于保證效率。但供電側的微小變化都會導致PWM占空比連續調節。此外調節響應時間應小于1ms，以便確保有效線圈電壓符合電壓限值規定。

圖4和圖5顯示的是8VDC有效線圈電壓所需的PWM方案，其中采用的是根據2VDC級供電電壓調節占空比。

1.6 噪聲

在整個繼電器線圈上施加PWW電壓后，會導致繼電器磁控系統（鐵芯／線架／電樞）的磁鐵產生磁致伸縮。若繼電器自由地懸掛，則可聽到輕微的噪聲。但是，在將繼電器焊接到剛性導線架上后，噪聲可能更大。這取決于導線架（懸掛件、尺寸等）和車內的聲音傳播及阻尼情況。選擇20kHz PWM的話，可避免人體受到噪聲干擾，但可能影響到動物。

1.7 EMC（電磁兼容性）

由于電壓及電流邊沿坡度大，因此可能存在EMC問題。故須對整套組件進行電磁兼容性試驗。

2、結束語

通過脈沖寬度調制(PWM)來控制繼電器，減少開關損耗和提高系統動態性能,可形成一種新的脈沖寬度調制整流器的控制策略。PWM控制技術以其控制簡單，靈活和動態響應好的優點而成為電力電子技術最廣泛應用的控制方式，也是人們研究的熱點。PWM控制的應用越來越廣，汽車采用PWM控制器，便可將其用于多種用途。

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Application Of Pulse Width Modulation On The Relay

Zhou Jimao
（Anhui Jianghuai Automobile Co., Ltd., Anhui Hefei 230601）

Pulse width modulation (PWM) control type drive can be adjusted effective voltage control actuators DC voltage by changing the duty cycle, this paper describes the important considerations in the relay coil using PWM strategy when the drive.

Relays；Pulse width modulation；Inductors；Coils inhibition；Duty cycle

U463.6

A

1671-7988(2015)03--

周積茂，助理工程師，就職于安徽江淮汽車股份有限公司，從事汽車電氣系統研究和電器部件開發、設計工作。