浅析脉冲宽度调制在继电器上的应用

周积茂

（安徽江淮汽车股份有限公司，安徽 合肥 230601）

浅析脉冲宽度调制在继电器上的应用

周积茂

（安徽江淮汽车股份有限公司，安徽 合肥 230601）

脉冲宽度调制（PWM）控制式驱动器可通过改变直流电压的占空比来调节有效电压控制执行器，本文主要阐述了在继电器线圈驱动器中采用PWM策略时的重要注意事项。

继电器；脉冲宽度调制；电感；线圈抑制；占空比

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

前言

有效节能是汽车工业的主要目标之一。通过脉冲宽度调制(PWM)来控制执行器是改善能源效率所采用的普遍方式。PWM控制的应用越来越广，例如用于加热器鼓风机、车灯、EPAS。一旦汽车采用PWM控制器，便可将其用于多种用途。

单稳态继电器线圈散热是继电器箱、配电模块及开关模块中产生高温的原因。这样不仅限制了继电器性能，还影响到整套组件的性能。使用磁保持继电器可消除这些热源，或者使用高电阻线圈及／或PWM控制式驱动器电路，至少可减少这些热源。本文主要阐述了在继电器线圈驱动器中采用PWM策略时的重要注意事项。

1、PWM控制策略注意事项

1.1 继电器状态

继电器线圈功耗的最佳调节方法是采用直流驱动器，因为继电器的主要电气参数（吸合、穿入及保持电流）在一定程度上不受温度影响。但继电器线圈通常受电压驱动。因此，这些特征能够转变成依赖于温度的电压，以便吸合、穿入及保持。原因在于，线圈线材（即铜）的电阻取决于温度。

一旦穿入继电器，则在线圈电流降至保持电流以下之前，继电器状态不变（电枢将其保持在铁芯位置上）。在抗冲击及抗振方面，还需要额外的过流，其取决于继电器类型、其它继电器参数及抗冲击、抗振要求。

PWM控制式驱动器通常能够以一定的频率来改变直流电压的占空比，从而调节有效电压。继电器线圈等感应系统能够在存在并联组件的情况下响应于电流降低的负沿。

有效电流周围的纹波取决于线圈电感、线圈抑制、PWM频率、电压等级以及占空比。

建议启动时始终采用100%的PWM占空比，直到继电器穿入并稳定。必需时间取决于过压、继电器类型等，但500ms应足够了。否则，继电器电流若要稳定成与有效电流相当的水平，则需要一定时间。

为保证采用PWM技术后继电器依然具有良好的性能，必需确保，无论何时，线圈电流不会影响保持电流水平以及抗冲击和抗振所需的过流水平。否则，电枢和触点可能打开。然后，继电器必须再次吸合并穿入，直至稳定。若反复打开闭合，电枢可能发出嗡嗡的噪声。若不经意打开闭合，负载状态下的电枢和触点可能导致触点焊接在一起。

1.2 电感

电感继电器线圈电感一般较高，这样电流纹波相对较小。但这些值不是恒定不变的，同一个系列或类型的继电器中，电感值差异可能非常大。继电器线圈电感尤其取决于许多在标准继电器生产过程中并不注重的参数。此外，其受线圈电流（饱和）及继电器状态（电枢打开或闭合）的影响较大。

1.3 线圈抑制

直流线圈驱动器中．需要进行线圈抑制，从而保护继电器驱动器不受线圈断开峰电压（较高）的影响。为此可选用多种选件（见图2）：对于PWM而言，线圈驱动器抑制尤为重要，因为线圈根据PWM频率断开，即每秒断开次数可达数千次。此外，线圈抑制能否降低纹波线圈电流，由于线圈电流降低的速度更慢，因此，从这方面看，抑制能力越强越好，即最好使用并联二极管（图2中上方的圆圈）。另一方面，这种情况对继电器开关能力会造成极不利的影响。对于单驱动器而言，最好的方式可能是采用防并联低压(3-9VDC)的齐纳二极管（图2中下方的圆圈）。与驱动器并联的齐纳二极管能够在因供电电压变化而导致的断电过程中使整个继电器线圈的电压钳位不断变化。

1.4 频率

如图3所示频率越高，纹波电流越低。因此有效线圈可较低而其它所有参数则保持恒定不变。我们建议PWM频率至少为20kHz。

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

1.5 占空比

有效线圈电压是PWM占空比与供电电压的产物。但是，由于系统负载（例如曲柄转动）以及交流发电机和电池的状态在发生变化，因此供电电压也会变化。因此，应根据供电电压来调节PWM占空比。严格的调控有利于保证效率。但供电侧的微小变化都会导致PWM占空比连续调节。此外调节响应时间应小于1ms，以便确保有效线圈电压符合电压限值规定。

图4和图5显示的是8VDC有效线圈电压所需的PWM方案，其中采用的是根据2VDC级供电电压调节占空比。

1.6 噪声

在整个继电器线圈上施加PWW电压后，会导致继电器磁控系统（铁芯／线架／电枢）的磁铁产生磁致伸缩。若继电器自由地悬挂，则可听到轻微的噪声。但是，在将继电器焊接到刚性导线架上后，噪声可能更大。这取决于导线架（悬挂件、尺寸等）和车内的声音传播及阻尼情况。选择20kHz PWM的话，可避免人体受到噪声干扰，但可能影响到动物。

1.7 EMC（电磁兼容性）

由于电压及电流边沿坡度大，因此可能存在EMC问题。故须对整套组件进行电磁兼容性试验。

2、结束语

通过脉冲宽度调制(PWM)来控制继电器，减少开关损耗和提高系统动态性能,可形成一种新的脉冲宽度调制整流器的控制策略。PWM控制技术以其控制简单，灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术最广泛应用的控制方式，也是人们研究的热点。PWM控制的应用越来越广，汽车采用PWM控制器，便可将其用于多种用途。

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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--

周积茂，助理工程师，就职于安徽江淮汽车股份有限公司，从事汽车电气系统研究和电器部件开发、设计工作。