一种直流电磁机构线圈静态磁链测量方法

本发明涉及电磁机构静态磁链测量，特别是一种直流电磁机构线圈静态磁链测量方法。

背景技术：

1、工业和信息化部在《基础电子元器件产业发展行动计划(2021-2023)》中指出面对百年未有之大变局和产业大升级、行业大融合的态势，加快电子元器件及配套材料和设备仪器等基础电子产业发展，对推进信息技术产业基础高级化、产业链现代化，乃至实现国民经济高质量发展具有重要意义。

2、在现实生活中，低压电器的使用量非常的大，并且应用范围也非常的广泛，电磁机构作为低压电器产品的重要部件，对低压电器的正常工作起决定性作用。在低压电器虚拟样机仿真等产品研发过程中，电磁机构磁路的设计关系到铁心、衔铁、轭铁等部件的磁状态。如果电磁机构磁路通过过多磁链，则铁心等部件会进入过饱和状态，使其磁导率迅速下降，从而降低电磁机构导磁能力，严重时达到几乎不导磁状态，极大降低电磁机构工作性能，影响低压电器正常工作。因此，电磁机构线圈静态磁链的快速、准确测量计算对低压电器的研发起重要作用。本领域技术人员需要一种通用的直流电磁机构线圈静态磁链测量方法，辅助电磁机构设计。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了解决上述问题，设计了一种直流电磁机构线圈静态磁链测量方法。

2、实现上述目的本发明的技术方案为，一种直流电磁机构线圈静态磁链测量方法，该方法包括如下步骤：

3、步骤一，搭建直流电磁机构线圈电流测试平台，获取电磁机构不同电流、不同位置下线圈电流-时间关系；

4、步骤二，基于变分模态分解算法和皮尔逊相关系数建立实测电流分解和滤波模型，对实测电流-时间关系进行滤波，滤除无关高频噪声信号干扰；

5、步骤三，将直流电磁机构线圈等效为改进一阶rc电路，建立直流电磁机构线圈电感等效改进数学模型；

6、步骤四，基于双平方权重算法和信赖域算法建立线圈电流-时间关系改进一阶rc加权拟合模型；

7、步骤五，基于麻雀搜索算法建立直流电磁机构线圈电流-时间关系最优改进一阶rc加权拟合模型，基于拟合优度判别拟合模型优劣；

8、步骤六，基于直流电磁机构建立线圈磁链模型，基于线圈电流-时间关系最优改进一阶rc加权拟合模型求解线圈总磁链。

9、所述步骤一中搭建直流电磁机构线圈电流测试平台包括如下过程：

10、首先，将不导磁塞尺置于衔铁与铁心等部件之间固定衔铁位置，通过调整塞尺厚度调整衔铁位置；

11、其次，通过角度尺判断测试过程中所需衔铁具体位置；

12、再次，然后搭建直流电磁机构线圈电流测试平台，将直流恒压恒流线性电源调整到测试过程中所需恒定直流电压值，将示波器、电流探头以及电压探头调整到测试过程中所需测量条件；

13、最后，按下开关使电路接通，通过电流探头和电压探头捕获电磁机构线圈流过电流和两端电压并在示波器上显示对应线圈电流、线圈电压数据，完成直流电磁机构衔铁不同位置和线圈不同电流时线圈电流-时间关系、线圈电压-时间关系的测量。

14、所述步骤二中基于变分模态分解算法和皮尔逊相关系数建立实测电流分解和滤波模型的过程如下：首先基于变分模态分解算法将线圈电流-时间关系原始信号分解成若干个子信号分量，具体分为变分问题的构造和变分问题的求解。其中，带约束的变分问题模型表示为：

15、

16、式中：uk、wk为各线圈电流模态分量及其对应中心频率；k为具有中心频率有限带宽线圈电流模态分量的个数；为对时间t的偏导数；δ(t)为单位冲击函数；f为线圈电流原始信号。

17、通过在式(1)中引入lagrange乘子λ(t)和二次惩罚因子α转化为非约束性变分问题，表示为：

18、

19、基于交替方向乘子法求解式(2)的鞍点得到函数的最优解。

20、基于皮尔逊相关系数计算线圈电流原始信号与子信号分量之间的相关性，表示为：

21、

22、式中：rho(f,uk)为线圈电流原始信号与子信号分量间的相关系数；m为线圈电流信号数据个数；xf,i，为线圈电流原始信号和子信号第i个数据点；

23、根据皮尔逊相关系数选取相关系数最大的子信号分量，滤除其它子信号分量，获取滤波之后的线圈电流-时间关系。

24、所述步骤三中建立直流电磁机构线圈电感等效数学模型是根据直流电磁机构线圈工作特性，将直流电磁机构线圈等效为一阶rc电路，建立线圈电感等效数学模型，即直流电磁机构线圈电压平衡方程可表示为：

25、

26、式中：u为线圈电压；i(t)为线圈电流；r为线圈电阻；l为线圈电感。

27、对线圈电流-时间关系一阶rc拟合模型式(4)进行变换得到式(5)表示为：

28、

29、引入距离参数d表征线圈电流小距离平移现象，修正一阶rc拟合模型，直流电磁机构线圈电流-时间关系改进一阶rc拟合模型可表示为：

30、

31、式中：d：直流电磁机构线圈电流小距离平移距离；

32、所述步骤四中建立线圈电流-时间关系改进一阶rc加权拟合模型的过程为：

33、基于双平方权重算法赋予不同电流-时间关系数据点不同双平方权重，即越远离拟合线的数据点权重越低，可以最大限度减少由于外界电磁干扰等因素使示波器所测电流-时间关系数据中异常值的影响，双平方权重表示为：

34、

35、式中：ri为普通最小二乘残差，hi为最小二乘拟合杠杆值；

36、

37、式中：k为调谐常数4.685；s为稳健标准偏差mad/0.6745，其中mad为残差的中值绝对偏差；

38、

39、式中：wi为不同电流数据点的双平方权重,基于信赖域算法迭代优化线圈电流-时间关系一阶rc拟合模型中加权残差，得到最小加权残差对应的最优拟合电感值。

40、所述步骤五中建立直流电磁机构线圈电流-时间关系最优改进一阶rc加权拟合模型的过程为：

41、将改进一阶rc拟合模型拟合优度r2的最大值作为麻雀搜索算法的优化目标，平移距离d作为优化变量，可表示为：

42、

43、麻雀搜索算法优化改进一阶rc拟合模型拟合优度r2具体步骤为：

44、步骤1：根据直流电磁机构线圈电流-时间关系确定麻雀种群规模、最大迭代次数、平移距离d上下限、麻雀种群中发现者和加入者比例以及安全阈值等；

45、步骤2：将改进一阶rc拟合模型拟合优度r2作为麻雀个体适应度，随机产生初始麻雀种群，并保留最优r2和最优平移距离d；

46、步骤3：更新麻雀种群中发现者位置和适应度即平移距离d和拟合优度r2；发现者位置更新表示为：

47、

48、式中：e为当前迭代次数；xe为第i个麻雀的位置；α为一个随机数，α∈(0,1]；m为最大迭代次数；r2为预警值，r2∈[0,1]；st为安全值，st∈[0,1]；q为服从正态分布的随机数；l为常数1；

49、步骤4：更新麻雀种群中加入者位置和适应度即平移距离d和合优度r2；加入者位置更新表示为：

50、

51、式中：xp为当前发现者占据的最优位置即最优距离d；xworst为全局最差位置即最差距离d；a随机被赋值为1或-1，a+＝at(aat)-1；n为种群规模；

52、步骤5：更新麻雀种群中预警者位置和适应度即平移距离d和拟合优度r2，表示为：

53、

54、式中：为当前全局最优位置；β为步长控制参数，为随机数，β～n(0,1)；k为一个随机数，k∈[-1,1]；fg、fw为当前全局最优和最差适应度；ε为极小的常数，避免分母出现零；

55、步骤6：更新下一代麻雀种群位置和适应度即平移距离d和拟合优度r2，并保留历史最优麻雀个体；

56、步骤7：判断是否满足迭代停止准则；如满足，则输出全局最优麻雀位置和最优适应度；否则转到步骤3继续迭代寻优，直至找出最优平移距离d和对应最优r2。

57、所述步骤六中基于线圈电流-时间关系最优改进一阶rc加权拟合模型求解线圈总磁链的过程为：基于磁链模型ψ(t)＝li(t)，式(4)可变换为：

58、

59、式中：ψini：线圈磁链初值；ψfin：线圈磁链终值；t0：时间初值；t1：时间终值；

60、将改进改进一阶rc最优拟合模型和磁链初值代入式(14)即可求得直流电磁机构在不同电流、不同位置下线圈静态磁链。

61、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

62、本发明能够快速、准确测试线圈静态磁链，解决直流电磁机构磁路设计过程中难以精确根据线圈磁链判断电磁机构磁场状态的问题，有效避免磁路设计过程中电磁机构过饱和导致电磁机构设计不合理的问题，对直流电磁机构的生产设计具有重要意义。