1.本发明属于电机控制技术领域，更具体来说，涉及一种基于多目标优化的双定子开关磁阻电机多模式运行方法。
背景技术：2.开关磁阻电机具有可靠性高、成本低、结构简单、起动转矩大和调速范围宽等优点，在航空航天、电动汽车、家用电器、纺织工程等多个领域具有良好的应用前景。但传统开关磁阻电机存在着功率密度低、转矩脉动大的缺点，这些缺点严重限制了开关磁阻电机的推广应用。为了解决以上缺点，专利申请号为2019108191531公开了一种采用分段式u型定子结构，转子齿轴线错开一定机械角度的新型双定子开关磁阻电机，这种新型开关磁阻电机因其内外转子齿轴线错开一定机械角度能够有效降低转矩脉动并提高功率密度。而专利申请号2021101978204公开了一种新型双定子开关磁阻电机功率变换器，不仅降低了成本，而且能够实现让双定子开关磁阻电机工作在五种模式下，但针对不同工况下，双定子开关磁阻电机工作模式的选择依据依旧值得思考。为了改善开关磁阻电机的运行性能，此前学者多针对单一目标进行控制参数优化，但无法整体提升电机的运行性能。所以通过考虑多个优化目标以提升双定子开关磁阻电机多模式运行性能是目前亟需解决的问题。
技术实现要素：3.针对以上的问题，本发明提供一种基于多目标优化的双定子开关磁阻电机多模式运行方法，能够使双定子开关磁阻电机始终工作在函数值最大的工作模式下，以提升电机的整体运行性能。
4.为实现上述技术目的，本发明采用如下的技术方案予以实现：
5.本发明第一方面是采用了模糊pi控制以及预测控制方法对双定子开关磁阻电机的转矩脉动进行抑制，具体过程包括：
6.本发明的模糊pi控制所采用的模糊控制器为双输入、双输出方式，二维输入为给定信号与反馈信号的偏差e和偏差变化率ec，输出为pi控制中的k
p
和ki值。通过将输入进行模糊化和反模糊化来来控制模糊pi控制的输出，得到给定电流值。预测控制环节，使用前期建立的数学模型，根据当前时刻的状态量来预测下一时刻的状态量。本发明根据实时采样的双定子开关磁阻电机的内外定子绕组相电流和转子位置来预测下一时刻电机的状态值，实现预测控制。
7.建立的数学模型为：
8.式中ik和θk表示当前时刻电机的电子绕组相电流值和转子位置，i
k+1
和θ
k+1
和u
k+1
表示电机下一时刻的定子绕组的相电流值、转子位置和相绕组两端的电压，ψ、δt和ω则分别
表示磁链、采样间隔时间和角速度。
9.本发明第二方面是以双定子开关磁阻电机的工作效率和转矩平滑系数为优化目标，构建多目标优化函数。具体步骤如下：
10.根据双定子开关磁阻电机五种工作模式的特征搭建五种电机工作模型，五种工作模式的特征如下：当双定子开关磁阻电机工作在内定子工作模式时，此时只有内定子工作，即只对内定子绕组进行励磁。在此工作模式下，只需控制与内定子相关功率开关器件的通断，与外定子相关的功率开关器件则一直处于关闭状态。当双定子开关磁阻电机工作在外定子工作模式时，此时只有外定子工作，即只对外定子绕组进行励磁。在此工作模式下，只需控制与外定子相关功率开关器件的通断，与内定子相关的功率开关器件则一直处于关闭状态。当双定子开关磁阻电机工作在内外定子并联工作模式时，此时对双定子开关磁阻电机内外定子绕组同时励磁，功率变换器中功率开关器件的通断由内外定子的状态共同决定，由于内外定子是并联工作，此时施加在内外定子绕组两端的电压相同。当双定子开关磁阻电机工作在内外定子串联工作模式时，此时对双定子开关磁阻电机内外定子绕组同时励磁，功率变换器中功率开关器件的通断由内外定子的状态共同决定，由于内外定子是串联工作，此时流经在内外定子绕组中的电流相同。当双定子开关磁阻电机工作在双定子工作模式时，此时双定子开关磁阻电机的内外定子都会工作，但区别于并联和串联工作模式的是，双定子工作模式下，内外定子绕组不一定同时励磁，而是根据各自的驱动信号各相绕组顺序励磁。
11.根据上述五种工作模式的工作特性搭建仿真模型，再根据数学公式计算电机在不同工况下五种工作模式的工作效率和转矩平滑系数。其中效率计算公式为：
12.式中pe为双定子开关磁阻电机的输出功率；ps为双定子开关磁阻电机所有损耗加和。
13.转矩平滑系数计算公式为：
14.式中τ为转矩平滑系数；t
max
为最大瞬时转矩；t
min
为最小瞬时转矩；t
ave
电机平均转矩。
15.目标优化函数表示为：k
η
+k
τ
＝1
16.式中，f(η,τ)为多目标优化函数；k
η
为系统效率权重系数；k
τ
为平滑系数权重系数；η
max
和τ
max
分别为电机工作效率和平滑系数的最大值。
17.各优化目标的权重系数应根据优化目标的侧重点以及运行环境需求合理进行分配。本发明建议电机工作效率的权重系数为0.7，转矩平滑系数的权重系数为0.3。
18.本发明的第三方面是双定子开关磁阻电机能够在不同工况下始终工作在多目标优化函数值最大的工作模式下。具体步骤包括：
19.根据上述建立的多目标优化函数，当双定子开关磁阻电机处在某一工况下，电机的五种工作模式会各输出一个多目标优化函数值。然后五个多目标优化函数值经过数值比较模块，确定最大的函数值对应的工作模式。最后该种工作模式对应的驱动信号作为双定子开关磁阻电机功率变换器的输入，使电机工作在该种工作模式下。
20.有益效果：本发明提出了一种适用于双定子开关磁阻电机的新型调速系统，在不同工况下对双定子开关磁阻电机五种工作模式下的性能进行多目标优化分析；本发明相比于单目标优化，通过二个优化目标确立双定子开关磁阻电机的最优运行状态，多方位地考虑了双定子开关磁阻电机性能；本发明能够有效地匹配各种工作模式的最大多目标优化函数值区，不同工作模式下的最大多目标优化函数值区能够覆盖电机的不同转矩和转速需求，提高了双定子开关磁阻电机的整体运行性能。本发明采用的是离线多目标优化，不存在在工况不变时，由于电机运行未稳定，不断切换工作模式的现象，相比于在线优化更简单可靠，易于在实际系统实现。本发明采用模糊pi控制和预测控制，对双定子开关磁阻电机的转矩脉动进行抑制。
附图说明
21.图1为本发明一具体实施例的基于多目标优化函数的双定子开关磁阻电机工作模式的选择系统的结构原理图；
22.图2为本发明一具体实例结构原理图中确定双定子开关磁阻电机多目标优化函数值最大的工作模式模块的内部具体结构；
23.图3为在800r/min的给定转速和5nm的负载转矩下，双定子开关磁阻电机的转速曲线；
24.图4为在800r/min的给定转速和5nm的负载转矩下，双定子开关磁阻电机的电磁转矩曲线。
具体实施方式
25.下面结合附图对本发明的一个实施例作进一步的描述：
26.本实例中所研究的对象是一个16/18/16磁场解耦型双定子开关磁阻电机，其中内外定子极数均为16，转子内外齿数均为18。
27.如图1所示，该图为一种基于多目标优化函数的双定子开关磁阻电机多模式运行系统的结构原理图，包括：
28.采样环节：采样当前时刻定子绕组的相电流和转子位置。
29.预测环节：使用建立的数学模型，根据实时采样的双定子开关磁阻电机的内外定子绕组相电流和转子位置来预测下一时刻电机的状态值，。
30.控制环节：将预测环节的输出作为控制器的输入，再将控制器、pwm控制及模糊pi控制的输出作为ccc控制的输入。
31.模式选择环节：构建多目标优化函数，给出各优化目标权重系数，求取双定子开关磁阻电机在不同工况下五种工作模式各自的多目标优化函数值，在电机运行时，五种工作模式根据给定转速和负载转矩输出对应的函数值，经过数值比较模块确定函数值最大的工作模式。
32.在一具体实施例中，基于所述的一种基于多目标优化函数的双定子开关磁阻电机工作模式的选择方法，包括：
33.采样当前时刻双定子开关磁阻电机内外定子绕组的相电流ik和转子位置θk，作为计算下一时刻内外定子绕组相电流i
k+1
和转子位置θ
k+1
的依据。然后，将预测环节输出的相电流i
k+1
和转子位置θ
k+1
作为控制器的输入，控制器、pwm控制及模糊pi控制的输出作为ccc控制的输入。最后将ccc的输出作为功率变换器的驱动信号。
34.在模式选择环节中，建立了双定子开关磁阻电机五种工作模式下的仿真模型，并分别根据给定负载转矩和转速输出多目标优化函数值，经过数值比较模块，确定函数值最大的工作模式。
35.如图2所示，该图为结构原理图中确定双定子开关磁阻电机多目标优化函数值最大的工作模式模块的内部具体结构，由五种工作模式驱动信号模块和驱动信号选择模块构成。
36.图3和图4所示在800r/min的给定转速和5nm的负载转矩下，双定子开关磁阻电机的转速和电磁转矩曲线。从图中所示曲线可知，双定子开关磁阻电机在给定工况下，当运行稳定时，转速和电磁转矩曲线未出现明显波动，这是离线优化相对于在线优化的优势，即在确定的工况下，基于多目标优化函数的双定子开关磁阻电机工作模式的选择系统会第一时间确定电机的工作模式。给定工况不变，则工作模式不变。
37.上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
技术特征：1.一种基于多目标优化的双定子开关磁阻电机多模式运行方法，包括：1)采样环节：用以采样当前时刻定子绕组的相电流和转子位置；2)预测环节：结合前期建立的双定子开关磁阻电机数学模型，用以预测下一时刻的定子绕组电流和转子位置；3)控制环节：用以将预测环节输出的定子绕组相电流和转子位置作为控制器的输入，再将控制器输出、pwm控制输出及模糊pi控制输出一起作为ccc控制的输入；4)模式选择环节：用以选择出同一工况下多目标优化函数值最高的工作模式，使双定子开关磁阻电机工作在该种工作模式下，实现双定子开关磁阻电机的工作模式选择。2.根据权利要求1所述的一种基于多目标优化的双定子开关磁阻电机多模式运行方法，其特征在于：采样当前时刻的双定子开关磁阻电机内外定子绕组的相电流i
k
和转子位置θ
k
，作为计算下一时刻内外定子绕组相电流i
k+1
和转子位置θ
k+1
的依据；将预测环节输出的相电流i
k+1
和转子位置θ
k+1
作为控制器的输入，再将控制器、pwm控制及模糊pi控制的输出作为ccc控制的输入；将ccc的输出信号作为功率变换器的驱动信号；构建多目标优化函数，给出各优化目标权重系数，求取双定子开关磁阻电机的五种工作模式在不同工况下各自的函数值，在电机运行时，五种工作模式根据给定转速和负载转矩输出对应函数值，经过数值比较模块确定函数值最高的工作模式。
技术总结本发明公开了一种基于多目标优化的双定子开关磁阻电机多模式运行方法，属于电机控制技术领域。本发明解决了双定子开关磁阻电机在运行过程中工作模式选择的问题并对开关磁阻电机存在的转矩脉动较大的问题也采用方法进行抑制。本发明针对双定子开关磁阻电机区别于常规单定子开关磁阻电机特有结构，采用新型功率变换器，使双定子开关磁阻电机能够工作在内定子、外定子、内外定子并联、内外定子串联和双定子五种工作模式下。并构建了多目标优化函数，给出各优化目标权重系数，控制双定子开关磁阻电机工作在同一工况时函数值最大的工作模式下，提高双定子开关磁阻电机的工作性能，实现电机高工作效率和低转矩脉动运行。实现电机高工作效率和低转矩脉动运行。实现电机高工作效率和低转矩脉动运行。
技术研发人员：闫文举 张东 陈昊 王为超 李海龙
受保护的技术使用者：中国矿业大学
技术研发日：2022.05.10
技术公布日：2022/7/5
