DOE在汽車固態(tài)繼電器優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究

陳炳林，劉成旭，金少華

（上海滬工汽車電器有限公司，上海 201804）

隨著汽車工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)于汽車舒適度要求越來越高，固態(tài)繼電器 （Solid State Relay）具有質(zhì)量輕、無噪音、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)越來越受到汽車領(lǐng)域的青睞。固態(tài)繼電器有很多性能指標(biāo)，比如開通電壓、關(guān)閉電壓、輸出電流、導(dǎo)通壓降、靜態(tài)電流、開通和關(guān)閉響應(yīng)時(shí)間等，在固態(tài)繼電器諸多性能指標(biāo)中，開通和關(guān)閉的響應(yīng)時(shí)間直接影響到繼電器的精度和熱功耗，該性能指標(biāo)是固態(tài)繼電器的主要性能指標(biāo)。在固態(tài)繼電器的電路設(shè)計(jì)中，由于影響固態(tài)繼電器該性能參數(shù)的因素比較多，設(shè)計(jì)仿真比較復(fù)雜而且成本較高，本文把試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法DOE（Design Of Experience）應(yīng)用于固態(tài)繼電器的設(shè)計(jì)過程中，經(jīng)過深入研究，通過理論計(jì)算和實(shí)際驗(yàn)證，提出了一種優(yōu)化汽車固態(tài)繼電器設(shè)計(jì)的新方法。該方法采用DOE的正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法，提出了影響固態(tài)繼電器性能兩個(gè)性能指標(biāo)：開通和關(guān)閉的響應(yīng)時(shí)間，并歸納出影響這兩個(gè)性能指標(biāo)的6個(gè)關(guān)鍵因素，對(duì)6個(gè)影響因素水平進(jìn)行試驗(yàn)優(yōu)化，提升固態(tài)繼電器的這兩個(gè)性能指標(biāo)，然后調(diào)整參數(shù)水平，進(jìn)行對(duì)比分析，得出影響固態(tài)繼電器該性能指標(biāo)的6個(gè)因素最佳值；最后通過實(shí)際的試驗(yàn)對(duì)固態(tài)繼電器該性能指標(biāo)影響的6個(gè)因素值進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證DOE方法得出的6個(gè)參數(shù)的合理性。該方法解決了在固態(tài)繼電器設(shè)計(jì)過程中，由于影響因素過多帶來設(shè)計(jì)成本高、設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)的問題。

1 固態(tài)繼電器工作原理及試驗(yàn)因子

圖1是固態(tài)繼電器的原理框圖，圖中主要有4個(gè)引腳，SIG1和SIG2為輸入信號(hào)，IN為電源輸入端，OUT為固態(tài)繼電器輸出端。IC1和IC2組成橋式輸入電路，U1是功率驅(qū)動(dòng)模塊。當(dāng)輸入信號(hào)SIG1和SIG2有壓差時(shí) （壓差為4 V左右），固態(tài)繼電器輸出。固態(tài)繼電器開通和關(guān)閉的響應(yīng)時(shí)間很大程度上決定了固態(tài)繼電器輸出性能，尤其是在PWM（Pulse Width Model）輸出模式下。由于IC1和IC2組成了橋式工作電路，SIG1和SIG2是對(duì)稱輸入信號(hào)，當(dāng)SIG1為高時(shí)，SIG2為低邊驅(qū)動(dòng)，如果是輸入信號(hào)為PWM信號(hào)，那么影響開通和關(guān)閉響應(yīng)時(shí)間兩個(gè)性能指標(biāo)的因素有C1、R4、C4、C5、C2、R5。C1和R4在SIG1和SIG2兩個(gè)信號(hào)端，輸入信號(hào)的變化過程中的快慢取決于C1和R4之間的充放電的時(shí)間；在IC1和IC2橋式電路中，高頻信號(hào)對(duì)于整個(gè)橋式電路而言是斷路，信號(hào)是通過電容進(jìn)行，C4和C5的大小也影響固態(tài)繼電器的兩個(gè)性能；C2和R5的原理如同C1和R4一樣也形成一個(gè)RC充放電回路，充放電時(shí)間也會(huì)影響固態(tài)繼電器的兩個(gè)性能指標(biāo)。

圖1 固態(tài)繼電器原理框圖

影響因子如表1所示。

表1 試驗(yàn)因子及初始值表

根據(jù)前文確定固態(tài)繼電器性能指標(biāo)為開通響應(yīng)時(shí)間和關(guān)閉響應(yīng)時(shí)間，假設(shè)開通響應(yīng)時(shí)間為RST1，關(guān)閉響應(yīng)時(shí)間為RST2，輸入信號(hào)頻率為100 Hz，占空比為50%的PWM信號(hào)。定義固態(tài)繼電器開通響應(yīng)時(shí)間RST1為開通信號(hào)輸入的時(shí)間與固態(tài)繼電器開通輸出的時(shí)間差；定義固態(tài)繼電器關(guān)閉響應(yīng)時(shí)間RST2為關(guān)閉信號(hào)輸入的時(shí)間與固態(tài)繼電器關(guān)閉輸出的時(shí)間差。固態(tài)繼電器這個(gè)兩個(gè)時(shí)間RST1、RST2，這個(gè)值越小表示固態(tài)繼電器輸出響應(yīng)時(shí)間越快，理想值為0 s。如表2進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)目標(biāo)響應(yīng)對(duì)應(yīng)關(guān)系。

表2 目標(biāo)響應(yīng)對(duì)應(yīng)關(guān)系

2 DOE正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)是DOE的基本方法，它是根據(jù)均衡分布的思想運(yùn)用組合數(shù)學(xué)理論構(gòu)造的一種方法，一般情況下正交表可以寫成La（bc），其中L是表示正交表，a表示正交試驗(yàn)次數(shù)，b表示因素水平數(shù)，c表示因素?cái)?shù)。

本次固態(tài)繼電器試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)為優(yōu)化試驗(yàn)參數(shù)，考慮到可能需要多次重復(fù)試驗(yàn)，試驗(yàn)不能太復(fù)雜，水平數(shù)不能太高，而另一方面希望盡快找出滿意的結(jié)果，因此，選取因數(shù)為5個(gè)水平，因素的選取是在初始最大最小值之間盡量均勻，考慮到實(shí)際元器件的值并不能完全的連續(xù)。根據(jù)分析本試驗(yàn)選擇正交為L(zhǎng)25（56）的試驗(yàn)，試驗(yàn)次數(shù)25次，6個(gè)因素?cái)?shù)，5個(gè)因數(shù)水平。在范圍內(nèi)取常規(guī)的元器件規(guī)格，因素水平表如表3所示。

表3 因素水平表

根據(jù)DOE正交表中規(guī)則，采用6因子5水平的方式進(jìn)行正交試驗(yàn)。通過Minitab軟件工具生成正交試驗(yàn)表，并在最后列表增加目標(biāo)響應(yīng)列，然后根據(jù)Mintab軟件建模生成的實(shí)驗(yàn)表通過軟件Multisim仿真軟件進(jìn)行仿真，得出Y1（μs）和Y2（μs）的值，如表4所示。

3 DOE正交試驗(yàn)結(jié)果分析

1）正交試驗(yàn)結(jié)果比較分析法

表4的實(shí)驗(yàn)結(jié)果通過比較可以分析，影響Y1試驗(yàn)結(jié)果的最佳組合是A1B1C1D1E1F1，該值為18.32 μs，在經(jīng)過觀察和比較該試驗(yàn)數(shù)據(jù)中接近最優(yōu)的值都是有E1，這說明E1是影響Y1的最佳因素。影響Y2試驗(yàn)結(jié)果的最佳組合是A2B3C4D5E1F2，該值為100.98 μs。

2）正交試驗(yàn)結(jié)果極差值分析法

在正交試驗(yàn)中，我們可以通過極差值來對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，表5中是在MinTab建模后的極差值分析結(jié)果。在極差值的分析表中，Y1的I值A(chǔ)1對(duì)應(yīng)因素對(duì)應(yīng)每一個(gè)影響度Y1的值和，可以用公式

式中：Ii——第i水平對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)和；k——因素。

那么第k因數(shù)對(duì)應(yīng)的極差值為：

比如：I=18.32+24.37+28.13+34.67+44.56=150.05，表示A1因素對(duì)性能參數(shù)目標(biāo)的影響程度；II=33.03+52.17+19.79+28.21+27.39=160.59，表示A2因素對(duì)性能參數(shù)目標(biāo)的影響程度。Ri是因素A在不同值下對(duì)性能參數(shù)目標(biāo)的影響波動(dòng)，例如：R1=172.93-150.05=22.88。T表示Y1在每一個(gè)因素平均值之和。

從表4的試驗(yàn)結(jié)果通過極差值可以得到表5，從表5可以看到對(duì)性能參數(shù)Y1影響順序?yàn)镋AFCDB，對(duì)Y2影響的順序?yàn)镋FCBAD。

3）正交試驗(yàn)結(jié)果均值法分析結(jié)果

圖2是根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果，用Mintab軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行均值法分析，從圖表可以看出每一個(gè)因素在每一個(gè)水平上的趨勢(shì)。從圖2中可以看出每一個(gè)因素在每一個(gè)水平上對(duì)Y1的影響趨勢(shì)：因素E的影響趨勢(shì)最明顯，E的值越小，Y1的值就越好；因素F是值越小，Y1的值就越好。從圖2中可以看出因素E的值越小，Y2的值就越好；因素F值越小，Y2的值就越好。

根據(jù)以上3種方法的分析結(jié)果，可以看出因素A的水平因子3最優(yōu)，它既滿足了Y1比較小，也滿足了Y2比較小，可以選A3；因素B對(duì)Y1的影響不大，對(duì)Y2來說只是有微小波動(dòng)，可以選B2；因數(shù)C和D對(duì)Y1也是影響不大，對(duì)Y2的影響有一些波動(dòng)，可以選C1、C3和D2和D4；因素E和F分別選E1和F1兩個(gè)水平。

這樣我們可以得出以下ABCDEF五個(gè)因素的幾個(gè)水平組合 ： A3B2C1D2E1F1、 A3B2C1D4E1F1、 A3B2C3D2E1F1、A3B2C3D4E1F1。

表4 正交試驗(yàn)表及試驗(yàn)結(jié)果

表5 極差分析結(jié)果

4 模擬仿真驗(yàn)證

根據(jù)以上DOE綜合分析得出的4種組合A3B2C1D2E1F1、A3B2C1D4E1F1、A3B2C3D2E1F1、A3B2C3D4E1F1， 通 過Multisim進(jìn)行模擬仿真。

圖3是組合A3B2C1D2E1F1的仿真結(jié)果，從仿真結(jié)果可以看出，Y1的值是18.161 μs，Y2的值是54.259 μs；圖4是組合A3B2C1D4E1F1的仿真結(jié)果，Y1的值是18.011 μs，Y2的值是54.010 μs；圖5是組合A3B2C3D2E1F1的仿真結(jié)果，Y1的值是18.858 μs，Y2的值是58.963 μs；圖6 是組 合A3B2C3D4E1F1的仿真結(jié)果，Y1的值是18.847 μs，Y2的值是58.952 μs。從以上的仿真結(jié)果分析與DOE正交分析方法得出結(jié)論一致：因素C、D是影響Y1和Y2的次要因素；因素A、B、E、F是影響Y1和Y2的主要因素，尤其是因素E和F是影響Y1和Y2尤為嚴(yán)重，所以在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，在滿足產(chǎn)品的其他性能指標(biāo)的情況下盡可能減小E和F的值。由于篇幅有限就不再做去除因數(shù)C和D后再次對(duì)A、B、E、F四個(gè)因數(shù)進(jìn)行重新DOE正交分析。

圖2 Mintab均值分析結(jié)果

圖3 組合A3B2C1D2E1F1的仿真結(jié)果

5 試驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證

為了進(jìn)一步驗(yàn)證DOE的分析結(jié)論，用實(shí)際的產(chǎn)品對(duì)最佳組合A3B2C1D4E1F1進(jìn)行實(shí)際測(cè)試，然后對(duì)比模擬仿真的結(jié)果。由于模擬仿真采用的元器件的模型是理想狀態(tài)下的模型，比如電容器件只考慮它的電容特性，不考慮它的電感特性和電阻特性；電阻器件只考慮它的電阻特性，不考慮它的電容特性和電感特性，所以實(shí)際測(cè)試會(huì)與模擬仿真的結(jié)果有出入。圖7是按照A3B2C1D4E1F1進(jìn)行的實(shí)際測(cè)試的開通響應(yīng)時(shí)間為18.80 μs，圖8是是實(shí)際測(cè)試的關(guān)閉響應(yīng)時(shí)間為58 μs，實(shí)測(cè)的固態(tài)繼電器開通和關(guān)斷響應(yīng)時(shí)間與按照DOE正交分析優(yōu)化的結(jié)果一致。

6 結(jié)論

固態(tài)繼電器的產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中，影響固態(tài)繼電器開通和關(guān)閉響應(yīng)時(shí)間的參數(shù)較多，而且都是非線性的，如果通過模擬仿真或直接實(shí)際電路進(jìn)行優(yōu)化，工作量非常大而且效果不好。本文提出用DOE正交分析的方法來優(yōu)化固態(tài)繼電器性能參數(shù)，提高了效率和準(zhǔn)確性，并通過模擬仿真和實(shí)際測(cè)試對(duì)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，證實(shí)了DOE在固態(tài)繼電器優(yōu)化設(shè)計(jì)中準(zhǔn)確性和實(shí)用性，為該類產(chǎn)品的設(shè)計(jì)提供了一種新的優(yōu)化設(shè)計(jì)思路和方法。

圖4 組合A3B2C1D4E1F1的仿真結(jié)果

圖5 組合A3B2C3D2E1F1的仿真結(jié)果

圖6 組合A3B2C3D4E1F1的仿真結(jié)果

圖7 實(shí)際測(cè)試的開通響應(yīng)時(shí)間

圖8 實(shí)際測(cè)試的關(guān)閉響應(yīng)時(shí)間