電磁開關(guān)高頻吸持噪聲抑制策略

湯龍飛 莊劍雄 孫懷懿 許志紅

電磁開關(guān)高頻吸持噪聲抑制策略

湯龍飛1,2莊劍雄1孫懷懿1許志紅1,2

（1. 福州大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院 福州 350108 2. 福建省新能源發(fā)電與電能變換重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 福州 350108）

該文針對電磁開關(guān)在PWM閉環(huán)控制下引起的高頻吸持噪聲問題展開研究，提出一種電磁開關(guān)高頻吸持噪聲抑制的自適應(yīng)控制策略。首先，分析電磁開關(guān)PWM閉環(huán)控制高頻吸持噪聲產(chǎn)生的幾個影響因素，據(jù)此提出需要綜合采取三項(xiàng)措施來抑制這一高頻噪聲；然后，結(jié)合電磁開關(guān)實(shí)際運(yùn)行特點(diǎn)，設(shè)計(jì)基于模糊控制的電磁開關(guān)高頻吸持噪聲自適應(yīng)抑制策略，通過模糊控制邏輯整合on/off控制、自整定PID控制以及偽開環(huán)控制各自的優(yōu)點(diǎn)，來實(shí)施噪聲抑制措施；最后，構(gòu)建電磁開關(guān)聯(lián)合仿真模型，開發(fā)基于CompactRIO的電磁開關(guān)快速控制原型驗(yàn)證系統(tǒng)，對電磁開關(guān)噪聲與振動信號進(jìn)行頻域分析，對控制策略進(jìn)行驗(yàn)證，仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明所提控制策略能夠有效抑制電磁開關(guān)的高頻吸持噪聲。

PWM閉環(huán)控制 高頻吸持噪聲 模糊控制 自整定PID 電磁開關(guān)

0 引言

智能電網(wǎng)與能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展為電器工業(yè)帶來了新的機(jī)遇與挑戰(zhàn)[1-2]。傳統(tǒng)交流電磁開關(guān)尤其是大容量的在吸持階段存在工作電壓范圍窄、抗電壓跌落能力差、功耗高、噪聲大、溫升嚴(yán)重等一系列問題[3]。為克服上述缺陷，其智能控制方式大多采用脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation, PWM）勵磁，利用電磁線圈的強(qiáng)感性，得到靈活可控的線圈電流[4]，包括PWM電壓閉環(huán)控制[5-6]、PWM電流閉環(huán)控制[7]、無位置傳感器位移分段PWM控制[8-10]、斜率閉環(huán)PWM控制[11]等。總結(jié)上述控制方案：線圈均采用高頻方波電壓進(jìn)行激勵，通過選擇線圈電壓、線圈電流、動鐵心位移、線圈電流斜率等作為反饋控制變量，來調(diào)節(jié)方波勵磁電壓占空比，從而靈活控制電磁開關(guān)的勵磁狀態(tài)，提高開關(guān)性能。但閉環(huán)高頻方波勵磁方式的引入使得電磁開關(guān)在運(yùn)行過程中帶來了新的噪聲問題，相較于傳統(tǒng)噪聲，該噪聲頻率更高、更加尖銳。同時(shí)，隨著電磁開關(guān)容量的提高，其電磁機(jī)構(gòu)的驅(qū)動功率也逐漸增大，保持過程產(chǎn)生的噪聲則越加嚴(yán)重[12-13]，帶來高頻噪聲污染，限制了電磁開關(guān)在靜音環(huán)境的應(yīng)用場合。因此，研究電磁開關(guān)在方波閉環(huán)勵磁下，如何抑制其高頻吸持噪聲具有重要意義。

目前，在電氣工程領(lǐng)域，國內(nèi)外學(xué)者對電力變壓器、電容器以及電機(jī)等設(shè)備的振動與噪聲做了大量研究。文獻(xiàn)[14]采用有限元方法分析了變壓器不同繞組預(yù)緊力情況下的振動特征和變化趨勢。文獻(xiàn)[15-17]研究了電容器振動與噪聲特性，在理論分析電容器噪聲產(chǎn)生機(jī)理的基礎(chǔ)上，搭建電容器振動與噪聲測量系統(tǒng)，探究噪聲輻射傳播模式，提出噪聲抑制方案等一系列研究。文獻(xiàn)[18]采用隨機(jī)開關(guān)頻率脈寬調(diào)制策略，使電流頻譜特性趨于均勻，從而削弱電機(jī)的電磁振動和噪聲。關(guān)于電磁開關(guān)振動與噪聲方面的研究，文獻(xiàn)[19]開發(fā)基于振速法的交流接觸器噪聲測量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)背景噪聲環(huán)境下交流接觸器的噪聲測量。文獻(xiàn)[20]從接觸器運(yùn)行時(shí)的振動位移與聲級兩方面對其狀態(tài)進(jìn)行在線監(jiān)測，但上述文獻(xiàn)均是從噪聲測量角度對工頻激勵下的交流接觸器進(jìn)行研究，而對電磁開關(guān)在高頻方波閉環(huán)勵磁下產(chǎn)生的吸持噪聲進(jìn)行測量并采取抑制措施的研究鮮見報(bào)道。

針對這一問題，首先，分析接觸器這一典型電磁開關(guān)PWM閉環(huán)過程高頻吸持噪聲產(chǎn)生的幾個影響因素，進(jìn)而提出要抑制這一噪聲需要綜合采取的三項(xiàng)措施。然后，為了有效實(shí)施這三項(xiàng)措施，提出基于模糊控制的電磁開關(guān)高頻吸持噪聲自適應(yīng)抑制策略——根據(jù)線圈電流誤差值及其誤差變化率，通過模糊推理，合理選擇不同的PWM控制方式，充分結(jié)合各控制方式的優(yōu)點(diǎn)，來兼顧線圈電流的快速動態(tài)閉環(huán)調(diào)節(jié)及高頻噪聲的有效抑制。最后，構(gòu)建整個控制方案的聯(lián)合仿真模型及快速控制原型驗(yàn)證系統(tǒng)，采用仿真及實(shí)驗(yàn)的方法驗(yàn)證所提控制方案的有效性。

1 電磁開關(guān)閉環(huán)噪聲機(jī)理

1.1 電磁機(jī)構(gòu)驅(qū)動拓?fù)湓O(shè)計(jì)

如圖1a所示為電磁開關(guān)線圈驅(qū)動電路拓?fù)洌?交/直流輸入電源經(jīng)整流橋UR整流和電容濾波后得到較為平直的直流；開關(guān)管S1和S2、快恢復(fù)二極管VD1和VD2組成PWM控制電路；coil與coil分別為電磁開關(guān)線圈等效電阻和等效電感。當(dāng)開關(guān)管S1與S2同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，線圈驅(qū)動拓?fù)涮幱趧畲艩顟B(tài)，此時(shí)線圈電壓為左正右負(fù)，線圈電流流通路徑如圖1b所示；當(dāng)開關(guān)管S1截止、S2導(dǎo)通時(shí)，線圈驅(qū)動拓?fù)涮幱诶m(xù)流狀態(tài)，忽略導(dǎo)通管壓降，此時(shí)線圈兩端電壓為零，線圈電流流通路徑如圖1c所示；當(dāng)開關(guān)管S1與S2同時(shí)截止時(shí)，由于線圈的阻感特性，線圈電流需保持連續(xù)，電容電壓U加在線圈兩端，此時(shí)線圈兩端電壓為右正左負(fù)，電磁機(jī)構(gòu)電磁能快速轉(zhuǎn)化為電容電場能，迫使線圈電流快速下降，線圈驅(qū)動拓?fù)涮幱谕舜艩顟B(tài)，線圈電流流通路徑如圖1d所示。該驅(qū)動電路可以控制線圈高頻勵磁電壓的占空比及極性，為電磁開關(guān)勵磁狀態(tài)的靈活控制提供硬件基礎(chǔ)。

圖1 線圈驅(qū)動拓?fù)?/p>

1.2 線圈電流閉環(huán)控制方式分析

傳統(tǒng)on/off方式的PWM控制根據(jù)線圈電流參考值與實(shí)際值的誤差，將線圈電壓占空比設(shè)為100%或0%，可以獲得最快的線圈電流動態(tài)響應(yīng)，使線圈電流快速跟蹤參考值，但同時(shí)占空比的劇烈變化也會造成線圈電流較大的紋波及保持噪聲[21-22]。滯環(huán)控制將開關(guān)函數(shù)計(jì)算的輸出連接至滯環(huán)比較器以產(chǎn)生控制脈沖，該方式簡單易實(shí)現(xiàn)，且響應(yīng)速度快、魯棒性強(qiáng)[23]，但存在開關(guān)頻率不固定的缺陷，除了會導(dǎo)致線圈電流較大的紋波及保持噪聲外，還會使噪聲頻譜的分布難以確定。基于PID算法的PWM控制，可以通過設(shè)置合適的參數(shù)來平衡線圈電流的動態(tài)及穩(wěn)態(tài)性能，當(dāng)線圈電流穩(wěn)定在參考值時(shí)，其輸出占空比動態(tài)變化較小，電流紋波較小，更重要的是保持噪聲的頻譜分布也相對穩(wěn)定，便于對噪聲進(jìn)行抑制。但常規(guī)PID控制參數(shù)的整定高度依賴工程技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)，整定過程耗時(shí)費(fèi)力。

1.3 高頻閉環(huán)噪聲產(chǎn)生機(jī)理分析

本小節(jié)從理論與實(shí)驗(yàn)角度分析了電磁開關(guān)高頻閉環(huán)噪聲產(chǎn)生機(jī)理，進(jìn)而設(shè)計(jì)相應(yīng)的抑制措施。

如圖2所示為常用的雙E形直動式電磁機(jī)構(gòu)，電磁開關(guān)在穩(wěn)定吸持階段其鐵心間氣隙很小，磁極間磁場分布往往較為均勻，可用麥克斯韋公式計(jì)算穩(wěn)定吸持階段的電磁吸力為

由式（1）可知，在穩(wěn)定吸持階段，電磁吸力與磁感應(yīng)強(qiáng)度的二次方呈正相關(guān)，故磁感應(yīng)強(qiáng)度變化大小及頻率將影響電磁力的變化。

采用電流閉環(huán)控制時(shí)可看作是恒磁動勢系統(tǒng)，由安培環(huán)路定律可知

由式（2）～式（4）可知，電磁開關(guān)鐵心的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小及頻率受線圈匝數(shù)、線圈電流大小及頻率的影響。

如圖3所示為電磁開關(guān)在不同PWM輸出頻率開環(huán)控制的吸持噪聲頻譜圖。軸為噪聲頻譜，軸為PWM輸出頻率，軸為噪聲的A計(jì)權(quán)聲壓級。對電磁開關(guān)在不同PWM輸出頻率開環(huán)控制的吸持噪聲進(jìn)行測量，通過A計(jì)權(quán)濾波與傅里葉分析得到噪聲頻譜圖，實(shí)驗(yàn)過程吸持電流控制在(0.6±0.02)A。由圖3可知，電磁開關(guān)在開環(huán)控制下，其保持噪聲頻譜峰值隨PWM信號頻率的提高向高頻轉(zhuǎn)移，根據(jù)聲學(xué)相關(guān)理論可知，最終噪聲將移出人耳可聽范圍。雖然提高開關(guān)頻率以及開環(huán)控制方式能有效移除可聽噪聲，但不能滿足現(xiàn)階段對電磁開關(guān)的閉環(huán)控制要求。

圖3 PWM開環(huán)控制噪聲頻譜圖

電磁開關(guān)在實(shí)際電流閉環(huán)作用下，線圈激勵電壓占空比會根據(jù)誤差電流實(shí)時(shí)調(diào)整，這一變化勢必引起激勵電壓頻譜的動態(tài)變化。如圖4a～圖4d所示分別為PWM頻率10kHz、15kHz、18kHz、23kHz，占空比分別為50%、20%、5%下線圈方波勵磁電壓的傅里葉分析，對比可知：同一PWM頻率下，改變占空比會使勵磁電壓頻譜分布發(fā)生變化；相同占空比下，改變PWM激勵頻率，其頻譜分布會發(fā)生轉(zhuǎn)移。因此，電磁開關(guān)在電流閉環(huán)控制下，即使采用高于人耳可聽范圍的PWM頻率進(jìn)行激勵，也不能將聲音頻譜完全移出人耳敏感頻段之外，在其穩(wěn)定保持時(shí)依然會產(chǎn)生明顯的可聽噪聲，這主要是由于閉環(huán)控制下占空比的實(shí)時(shí)動態(tài)調(diào)整導(dǎo)致了部分聲音頻譜分散到低頻段的緣故。

2 電磁開關(guān)閉環(huán)噪聲抑制策略

2.1 噪聲抑制策略整體實(shí)現(xiàn)原理

綜上分析，要對高頻閉環(huán)激勵下的電磁開關(guān)保持噪聲進(jìn)行抑制，需要同時(shí)采取三項(xiàng)措施：①選擇合適的PWM控制方式，盡量降低線圈電流紋波；②采用固定的高于人耳可聽范圍的PWM頻率進(jìn)行激勵，使噪聲頻譜的主要頻段分布在人耳可聽范圍之外；③禁止占空比動態(tài)變化，防止部分噪聲頻譜向低頻帶轉(zhuǎn)移。綜合以上三項(xiàng)措施，方能使噪聲頻譜穩(wěn)定分布在人耳敏感頻段之外，實(shí)現(xiàn)保持噪聲的抑制。針對措施①和②可以選擇固定頻率的PID控制器，并合理配置其參數(shù)來實(shí)現(xiàn)，而措施③禁止占空比動態(tài)變化雖可實(shí)現(xiàn)噪聲抑制，但同時(shí)也失去了線圈電流的閉環(huán)調(diào)節(jié)能力，噪聲抑制與電流閉環(huán)調(diào)節(jié)相互矛盾，因此，如何設(shè)計(jì)控制方案來兼顧線圈電流的動態(tài)閉環(huán)調(diào)節(jié)及保持過程噪聲抑制，是本文要解決的主要問題。

圖5 基于模糊控制的電磁開關(guān)高頻噪聲抑制原理

2.2 模糊控制器設(shè)計(jì)

模糊控制器原理如圖6所示。采用雙輸入單輸出（Double Input Single Output, DISO）模糊控制器，以e及ec為輸入，根據(jù)模糊規(guī)則選擇不同的PWM控制方式來更新模糊控制器的輸出。對于本文DISO模糊控制系統(tǒng)，為了平衡控制精度與運(yùn)算速度，兩個輸入變量語言值集合都選為{S、M、L}，即{小、中、大}。如圖7a和圖7b所示，e及ec各模糊語言的隸屬度函數(shù)選用典型的三角形，表達(dá)式如式（5）、式（6）所示。創(chuàng)建完成輸入語言值的隸屬度函數(shù)后即可將輸入變量e及ec的實(shí)際數(shù)值轉(zhuǎn)換成對應(yīng)語言值的隸屬度，即模糊化處理。

圖6 模糊控制器原理

圖7 輸入變量隸屬度函數(shù)

根據(jù)控制經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)模糊規(guī)則，見表1，兩個輸入變量之間的聚合關(guān)系構(gòu)成規(guī)則前件，PWM控制方式的選擇作為規(guī)則后件，構(gòu)建模糊規(guī)則表。選擇“與（最小值）”運(yùn)算來計(jì)算聚合規(guī)則前件的真值，每條聚合規(guī)則前件的隸屬度計(jì)算公式為

表1 模糊規(guī)則

Tab.1 Fuzzy rule

以第1條規(guī)則為例：

依據(jù)操作經(jīng)驗(yàn)，一共構(gòu)造了9條模糊規(guī)則，對于每個由輸入語言變量構(gòu)成的前件關(guān)系，均存在一條對應(yīng)的模糊規(guī)則，因此，模糊規(guī)則表具有一致性、連續(xù)性和完備性，為PWM控制方式的有效切換提供保障。執(zhí)行模糊推理前，模糊控制器根據(jù)相應(yīng)聚合規(guī)則前件的隸屬度，使用后件蘊(yùn)含方法對每個輸出語言變量的隸屬函數(shù)進(jìn)行換算，以確定該條規(guī)則的實(shí)際隸屬度。本文模糊控制器后件部分為三種待選的PWM控制方式，類似于單點(diǎn)模糊集合，每個單點(diǎn)均為一種對應(yīng)的PWM控制方式，其隸屬度均為1。后件蘊(yùn)含方法選擇“最小值”蘊(yùn)含，即：模糊邏輯控制器在對應(yīng)聚合規(guī)則前件隸屬度位置截?cái)噍敵鲭`屬函數(shù)，計(jì)算公式為

由圖7中的2個輸入變量隸屬度函數(shù)可以看出，每個輸入變量的精確值通常屬于1個以上的模糊語言值，因此每對輸入變量（e,ec）的精確值最多激活4條模糊規(guī)則，根據(jù)對應(yīng)的模糊規(guī)則表及式（8），對每條激活規(guī)則的隸屬度進(jìn)行計(jì)算，之后對所有激活規(guī)則的隸屬度進(jìn)行整合，這一過程稱為模糊推理，本文采用模糊蘊(yùn)含“取小”后再“取大”整合，計(jì)算公式為

由于每條規(guī)則的后件隸屬度均為1，根據(jù)式（9）整合后的隸屬度勢必等于激活的所有規(guī)則的最大隸屬度，之后索引該最大隸屬度規(guī)則的后件作為所選的PWM控制方式，并將占空比信號輸出到，即完成基于模糊邏輯的PWM控制方式的切換。

2.3 繼電反饋?zhàn)哉ㄋ惴?/h3>

常用的離線式PID參數(shù)整定困難，且難以適配不同電磁開關(guān)的運(yùn)行狀態(tài)，故引入繼電反饋?zhàn)哉夹g(shù)，實(shí)現(xiàn)PID控制參數(shù)在線自整定，便于實(shí)現(xiàn)不同電磁開關(guān)保持狀態(tài)下占空比的動態(tài)恒定。

如圖8所示為自整定PID結(jié)構(gòu)框圖，基本思路是在電磁開關(guān)控制系統(tǒng)中設(shè)置三個階段：第一階段是PI控制；第二階段是繼電反饋?zhàn)哉ǎ坏谌A段是PID控制。

圖8 自整定PID結(jié)構(gòu)框圖

電磁開關(guān)在進(jìn)入保持過程初期，首先進(jìn)行PI閉環(huán)控制來調(diào)節(jié)線圈電流逼近設(shè)定參考值；然后進(jìn)行繼電反饋?zhàn)哉ㄟ^程，設(shè)置自整定參數(shù)，包括控制器類型、繼電周期數(shù)、繼電振幅等。自整定過程由繼電環(huán)節(jié)作用發(fā)出繼電方波信號，對繼電輸出方波信號()進(jìn)行諧波分析，其傅里葉級數(shù)表達(dá)式為

式中，0為直流分量；A、B分別為基波及各次諧波分量幅值，描述為

在方波信號的持續(xù)作用下，線圈電流處于周期性振蕩，此時(shí)測取每個繼電周期的線圈電流響應(yīng)曲線的振蕩幅值與振蕩周期，然后在達(dá)到所設(shè)繼電周期數(shù)時(shí)計(jì)算一次其平均振蕩幅值與平均振蕩周期，如此反復(fù)。

采用描述函數(shù)法對該非線性系統(tǒng)進(jìn)行分析。非線性的繼電描述函數(shù)定義為正弦輸入信號作用下，非線性環(huán)節(jié)的穩(wěn)態(tài)輸出中一次諧波分量和輸入信號的復(fù)數(shù)比，用()表示，有

忽略高次諧波得繼電輸出傅里葉表達(dá)式為

其中

式中，為回環(huán)幅值。

將式（16）、式（17）代入到式（13）得繼電描述函數(shù)為

將計(jì)算所得平均振蕩幅值代入繼電描述函數(shù)式（18）中得

閉環(huán)系統(tǒng)產(chǎn)生極限環(huán)振蕩的條件為

將式（19）代入到式（20）得頻率響應(yīng)在振蕩頻率點(diǎn)處估計(jì)值為

最后，將計(jì)算所得臨界增益u以及臨界周期u代入到表2 Ziegler-Nichols整定中，整定出PID控制參數(shù)，分別為比例調(diào)節(jié)系數(shù)p、積分時(shí)間常數(shù)i、微分時(shí)間常數(shù)d。

表2 Ziegler-Nichols整定

Tab.2 Ziegler-Nichols tuning

如此反復(fù)，待整定所得控制參數(shù)趨于穩(wěn)定，認(rèn)為整定完成，此時(shí)將整定好的控制參數(shù)輸入給標(biāo)準(zhǔn)PID控制器并切換至PID控制，通過PID算法計(jì)算出PWM信號的輸出占空比，至此繼電反饋?zhàn)哉≒ID控制過程完成。采用繼電反饋PID自整定控制，可實(shí)現(xiàn)不同電磁開關(guān)保持電流控制參數(shù)的在線自整定，避免繁瑣的人工整定過程，使穩(wěn)定保持時(shí)占空比動態(tài)變化小、方便計(jì)算均值、吸持噪聲較小。

2.4 偽開環(huán)控制過程

3 控制策略仿真分析

利用Multisim及Labview構(gòu)建集電磁開關(guān)動態(tài)、線圈驅(qū)動、控制策略一體的聯(lián)合仿真模型[24-25]，驗(yàn)證控制效果。相關(guān)仿真參數(shù)設(shè)置如下：綜合考慮實(shí)際開關(guān)管損耗以及人耳可聽噪聲頻段噪聲，將PWM頻率設(shè)為20kHz，起動參考電流設(shè)為3A，保持參考電流設(shè)為0.5A。

3.1 繼電反饋?zhàn)哉≒ID控制策略仿真

如圖9a所示為繼電反饋?zhàn)哉≒ID控制策略仿真波形。0時(shí)刻開始起動，(0,1) 為on/off控制的起動過程，即當(dāng)coil＜ref時(shí)，PWM占空比輸出100%，當(dāng)coil＞ref時(shí)，PWM占空比輸出0%，驅(qū)動控制電路在勵磁狀態(tài)與續(xù)流狀態(tài)之間切換，(1,5)為保持過程，(1,3) 為PI電流閉環(huán)控制過程，1時(shí)刻，線圈電流開始下降，此時(shí)PWM輸出占空比為0%，待2時(shí)刻線圈電流趨于保持電流參考值，PI作用使得線圈電流逼近于保持電流參考值附近，3時(shí)刻進(jìn)入繼電反饋?zhàn)哉ǎ鐖D9b所示為繼電反饋?zhàn)哉ㄟ^程局部放大圖，通過持續(xù)繼電環(huán)節(jié)作用使線圈電流響應(yīng)產(chǎn)生周期性等幅振蕩，整定過程測取每個繼電周期的電流振蕩幅值與振蕩周期，在達(dá)到所設(shè)繼電周期數(shù)時(shí)計(jì)算平均振蕩幅值與平均振蕩周期，進(jìn)而計(jì)算臨界增益與臨界周期，整定出控制參數(shù)，待整定控制參數(shù)趨于穩(wěn)定，判定為整定完成，4時(shí)刻將整定好的控制參數(shù)輸入給PID控制器并切換至PID控制，從圖9c中PID控制過程放大圖可知，繼電反饋?zhàn)哉▍?shù)下的PID控制，其輸出占空比在6%附近范圍內(nèi)微小變化，占空比變化穩(wěn)定，有利于電磁開關(guān)運(yùn)行噪聲的抑制。

圖9 自整定PID仿真波形

采用繼電反饋?zhàn)哉≒ID，一方面不需要操作人員具備相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，減少參數(shù)整定時(shí)間；另一方面自整定所得參數(shù)其控制系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)性能更優(yōu)，PWM輸出占空比在有限范圍內(nèi)微調(diào)，占空比變化相對更加穩(wěn)定，作用于電磁開關(guān)的電感性線圈上，從而削弱電磁開關(guān)的振動噪聲。

3.2 模糊推理自適應(yīng)控制策略仿真

如圖10所示為采用模糊推理自適應(yīng)控制策略仿真波形。整個控制過程以模糊推理算法為基礎(chǔ)，充分結(jié)合on/off控制、自整定PID控制以及偽開環(huán)控制的優(yōu)勢，根據(jù)電磁開關(guān)實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，通過模糊推理選擇不同的PWM控制方式。0時(shí)刻開始起動，(0,1) 為起動過程on/off控制，提高線圈電流動態(tài)調(diào)節(jié)速度。(1,5) 為保持過程，(1,2) 為繼電反饋?zhàn)哉≒ID控制，自整定過程與3.1所述一致，整定完后轉(zhuǎn)入PID控制，當(dāng)線圈電流誤差在閾值范圍內(nèi)時(shí)，自動計(jì)算自整定PID輸出占空比平均值，并將該平均值作為偽開環(huán)控制的輸入。為驗(yàn)證模糊控制切換效果，在3時(shí)刻將保持電流參考值設(shè)為0.7A，持續(xù)時(shí)間0.1s，此時(shí)模糊控制器根據(jù)線圈電流誤差及誤差變化率迅速切換至on/off控制方式，PWM占空比上升至100%，快速跟蹤電流，由圖10中細(xì)節(jié)放大圖可知，在跟蹤上線圈電流后，模糊控制又切換至PID控制，待電流誤差降至閾值范圍內(nèi)自動重新計(jì)算平均占空比作為偽開環(huán)輸入，在線圈電流誤差及其變化率穩(wěn)定后，模糊控制器進(jìn)而切換至偽開環(huán)控制。4時(shí)刻，將保持電流參考值降至0.5A，PWM輸出占空比為0%，線圈電流緩慢下降，模糊控制器根據(jù)線圈電流誤差及其變化率重新合理選擇PWM控制方式。5時(shí)刻，驅(qū)動電路切換至退磁狀態(tài)，迫使線圈電流快速下降，電磁開關(guān)迅速分?jǐn)唷?/p>

圖10 模糊推理自適應(yīng)控制仿真波形

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

以NI CompactRIO為核心開發(fā)如圖11所示的電磁開關(guān)快速控制原型驗(yàn)證系統(tǒng)框圖，實(shí)現(xiàn)電磁開關(guān)噪聲與振動測量并對控制策略進(jìn)行驗(yàn)證。數(shù)據(jù)采集部分采用CompactRIO配套的ADC模塊，主要采集線圈電流、線圈高頻電壓、三軸振動信號、噪聲信號等[26-27]。利用配套的C系列數(shù)字輸出模塊輸出PWM信號，根據(jù)控制策略控制驅(qū)動電路的開關(guān)管通斷，進(jìn)而控制接觸器的吸合與分?jǐn)唷闇p小測量聲場其他因素干擾，在對電磁開關(guān)進(jìn)行電磁噪聲測量時(shí)，將電磁開關(guān)放置于消聲箱中。噪聲測量采用GRAS公司生產(chǎn)的40PH陣列式麥克風(fēng)，靈敏度50mV/Pa，頻帶范圍最高可達(dá)20kHz，動態(tài)響應(yīng)可達(dá)范圍135dB左右，內(nèi)部集成恒流電源（Constant Current Power, CCP）前端放大器，搭配具有集成電路壓電式（Integrated Electronics Piezo-Electric, IEPE）信號調(diào)理和抗混疊濾波功能的NI C系列采集模塊進(jìn)行高精度測量；軟件上對采集到的噪聲信號進(jìn)行工程單位轉(zhuǎn)換并A計(jì)權(quán)濾波處理。

圖11 快速控制原型驗(yàn)證系統(tǒng)框圖

模糊推理自適應(yīng)控制實(shí)驗(yàn)波形如圖12所示。如圖12a所示為實(shí)驗(yàn)過程波形，起動電流設(shè)為1A、保持電流設(shè)為0.5A、開關(guān)頻率設(shè)為20kHz。(0,1)為電磁開關(guān)起動過程，(1,2) 為保持過程，2時(shí)刻分?jǐn)唷轵?yàn)證模糊自適應(yīng)控制策略對電磁開關(guān)在不同運(yùn)行環(huán)境下切換效果及高頻吸持噪聲抑制的自適應(yīng)性，在x時(shí)刻，將保持電流參考值突變?yōu)?.7A。如圖12b所示為對=2s至=4.5s時(shí)間段電磁開關(guān)工作過程時(shí)域波形放大圖，由圖可知，x時(shí)刻模糊控制器根據(jù)線圈電流誤差及其變化率切換為on/off控制方式，線圈電流快速跟蹤至0.7A，跟蹤過程存在噪聲，隨即又切為PID控制并重新計(jì)算占空比平均值轉(zhuǎn)為偽開環(huán)控制，快速抑制高頻吸持噪聲。y時(shí)刻，保持參考電流設(shè)為0.5A，線圈電流下降，并最終轉(zhuǎn)為偽開環(huán)控制。整個控制過程兼顧了線圈電流快速動態(tài)閉環(huán)調(diào)節(jié)及高頻吸持噪聲的有效抑制。

如圖13所示傳感器采集噪聲與振動信號的頻譜圖。圖13a為背景環(huán)境下噪聲與振動信號的頻譜圖，圖13b為電磁開關(guān)在on/off閉環(huán)控制下的振動與噪聲頻譜圖，由圖可知，開關(guān)在on/off控制下存在不同頻率的振動及吸持噪聲，噪聲頻段主要在5～10kHz；圖13c為采用模糊推理自適應(yīng)控制策略時(shí)的噪聲與振動頻譜圖，穩(wěn)定吸持條件下，線圈電流及其變化率都足夠小，模糊控制器選擇偽開環(huán)控制方式，固定的PWM占空比及20kHz輸出頻率，使得吸持噪聲及振動穩(wěn)定在20kHz，被移出人耳可聽敏感頻段。

如圖14所示為on/off控制與模糊自適應(yīng)控制下電磁開關(guān)高頻吸持噪聲的1/3倍頻程分析對比實(shí)驗(yàn)結(jié)果。分析選取電磁開關(guān)吸持過程中某段吸持噪聲，將各頻帶能量進(jìn)行求和，on/off控制下總頻帶能量為44.8dB(A)，模糊自適應(yīng)控制下總頻帶能量為28.6dB(A)，相比之下，采用模糊自適應(yīng)控制策略總頻帶能量減小了16.2dB(A)，且主要削減了5～10kHz頻段的高頻吸持噪聲，證明所提控制策略對高頻噪聲的有效抑制。

（b）on/off閉環(huán)控制

圖13 噪聲與振動頻譜圖

5 結(jié)論

本文針對電磁開關(guān)高頻閉環(huán)勵磁下產(chǎn)生的吸持噪聲問題，提出一種基于模糊控制的電磁開關(guān)高頻吸持噪聲自適應(yīng)抑制策略，通過仿真分析及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證得出以下結(jié)論：

圖14 1/3倍頻程分析

1）電磁開關(guān)在起動過程中及線圈電流誤差較大時(shí)，PWM控制方式選擇on/off，可提高線圈電流的動態(tài)調(diào)節(jié)速度。

2）繼電反饋?zhàn)哉刂瓶蓪?shí)現(xiàn)不同電磁開關(guān)保持過程中PID運(yùn)行參數(shù)的自整定，使保持占空比相對動態(tài)穩(wěn)定，便于計(jì)算均值。

3）將電流閉環(huán)退化為電流監(jiān)測環(huán)，同時(shí)采用恒定占空比輸出的偽開環(huán)控制模式，可以將噪聲頻譜移出人耳敏感頻段，實(shí)現(xiàn)保持噪聲抑制。

4）在保持過程中，根據(jù)線圈電流誤差值及其變化率，采用模糊控制策略，合理地選擇不同的PWM控制方式，可充分整合各種控制方式的優(yōu)點(diǎn)，兼顧線圈電流快速閉環(huán)調(diào)節(jié)及高頻噪聲抑制。

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Suppression Strategies of Electromagnetic Switch High-Frequency Holding Noise

1,2111,2

（1. School of Electrical Engineering and Automation Fuzhou University Fuzhou 350108 China 2. Fujian Key Laboratory of New Energy Generation and Power Conversion Fuzhou 350108 China）

The problem of high-frequency holding noise caused by electromagnetic switch under PWM closed-loop control is studied, and an adaptive control strategy for electromagnetic switch high-frequency holding noise is proposed in this paper. Firstly, the mechanism of electromagnetic switch high-frequency closed-loop noise is analyzed, and three measures are proposed to suppress the high-frequency noise. Secondly, according to the actual operation characteristics of electromagnetic switch, an adaptive suppression strategy of electromagnetic switch high-frequency holding noise based on fuzzy control is designed. By integrating the advantages of on/off control, self-tuning PID control and pseudo open-loop control, the noise suppression measures are implemented. Finally, the electromagnetic switch co-simulation model is constructed, and the rapid control prototype verification system of electromagnetic switch based on CompactRIO is developed. The frequency domain analysis of electromagnetic switch noise and vibration signal is carried out, and the control strategy is verified. Simulation and experimental results show that the proposed control strategy can effectively suppress the high-frequency holding noise of electromagnetic switch.

PWM closed-loop control, high-frequency holding noise, fuzzy control, self-tuning PID, electromagnetic switch

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.201337

TM572

湯龍飛 男，1987年生，博士，副教授，研究方向?yàn)橹悄茈娖骷捌湓诰€監(jiān)測。E-mail: tlftel@qq.com

許志紅 女，1963年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)橹悄茈娖骷捌湓诰€監(jiān)測。E-mail: 641936593@qq.com（通信作者）

2020-10-09

2020-11-02

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51707039）和福建省教育廳中青年教師教育科研項(xiàng)目（JAT190038）資助。

（編輯 崔文靜）