无齿轮电梯反回滚控制.docx

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1、无齿轮电梯反回滚控制采用无偏置牵引电机模型预测控制策略王高林，齐江波，许进，张学广，美国电子和电气工程师学会会员，徐点过，美国电子和电气工程师协会高级会员摘要直驱永磁牵引系统的研究已成为现代电梯的发展趋势。 电梯牵引机往往使用低分辨率增量编码器作为位置和速度反馈装置， 因为它们的低成本。 为安装一个与普通分辨率增量式编码器的无齿轮电梯防止轿厢回滚的发生， 提出了一种重量transducers驱动转矩策略基于偏移无模型预测控制。低分辨率增量编码器的情 况下，这样的控制策略可以实现快速的动态响应和机械制动释放时无机械振动法。 电机产生的电磁转矩可以很快平衡不确定的负载转矩， 最大限度地减少电梯轿厢

2、的滑动距离， 有助于实现优越的乘坐舒适性。 为了克服不确定性和牵引系统的力学模型的非线性引起的预测模型的不匹配， 以及强烈的干扰， 模型修正器添加到调整不匹配的预测模型。 在电梯启动过程中， 在零伺服运行过程中， 将等效干扰估计器加入到预测模型中， 可以消除稳态速度误差。 最后， 仿真和实验结果都是亲 vided 验证了所提出的控制策略可以实现短距离较小的滑动，滑动速度，和更快的动态响应。指数条款： 反回滚，无齿轮电梯，偏移模型预测控制（ MPC ） ，永磁曳引机，乘坐舒适，重量transducerless。2014年 10月 29 日修订稿： 2015年 2 月 3 日修订；接受 2015

3、年 3 月 28 日。 出版日期 2015 年 5 月 12 日 2015 年 9 月 9 日日期。这项工作得到了部分研究基金，国家自然科学基金（ 51207030） ，部分由三角洲环境和教育基础的电力电子科学与教育发展计划和资助下（drek2015002） ，和部分的基础研究基金，中央高校（给予打击。 bretiii 201407）。作者与电气工程及其自动化哈尔滨工业大学金，哈尔滨150001 学校、中国（电子邮件： wgl818 击中。edu。 cn； humancn 126 .com； ；； xudiang 击中。edu。 cn） 。本文中的一个或一个以上的数字颜色版本可在网上http:

4、/ieeexplore.ieee.org。数字对象标识符10.1109/tie.2015.2431635引言永磁同步电机（PMSM）已被广泛用于各种应用-5 1 。近年来，吸引 了越来越多的关注，在永磁同步电机直接驱动电梯由于良好的动力学，高效率，降低机械噪音，等电梯驱动技术，开发先进的机器，在许多领域的控制策略驱动 6 、 7 、能源管理 8 ，和电梯群控制 9 ， 10 的提出提高了电梯的性能。 对于现代电梯的应用， 乘坐舒适性一直是最重要的问题之一。 以电磁制动器在 antirollback 电梯启动时快速释放达到平衡扭矩，由安装在电梯轿厢的重量传感器的负载信息通常是驱动系统提供配套的电

5、磁转矩要求。 电梯称重装置的研制，用于获取负载信息和先进的补偿策略，可以提高乘坐舒适性。经过多年的应用和研究， 虽然补偿策略使用重量传感器可以满足电梯运行的要求，仍然存在局限性：1) 负载信息传输的通信板可能干扰因为长的电缆和复杂的复杂电磁环境。 2)作为重量传感器来安装在电梯轿厢的底部， 对防振橡胶和汽车荷载的压缩变形是不完全共线。所获得的负载信息可能有偏差。 3)电梯启动过程中的补偿策略的性能取决于现场调试，不易避免不确定性。因此，体重transducerless$专矩控制策略的电梯启动时有一个重要的研究课题。所谓传导-erless转矩控制策略是指电梯控制系统可以产生一个合适的电磁转矩，

6、避免基于而不是依靠重量传感器获取汽车荷载信息编码器反馈信号的电梯轿厢的回滚。 它应该实现一个平稳的启动与可接受的滑动距离，没有机械振动。已经提出了各种先进的控制策略，以提高对负载扰动的鲁棒性 11 15 ，但是，这些方法是不适合的起动转矩控制的电梯。在 16 ，负载转矩是由两种调节方法采用二分法和楼梯算法计算补偿转矩跟踪，分别地。 然而， 在电梯启动时，机械振动仍然存在。在 17 中，新的转矩控制策略可以被描述为一个搜索逻辑的基础上的摩擦模型。然而， 机械振动是不能避免的邻近扭矩参考的大一步。在 18 ，通过估计加速度的二次误差比较操作得到了干扰力矩。然而，交流精确的力学模型需要计算负载转矩。

7、在 19 中，提出了一种基于自适应模糊控制的转矩补偿策略。 它提供了一个合适的扭矩根据速度和加速度的牵引滑轮。 虽然这一策略可以减少滑动距离， 避免机械振动， 它应该使用精确的细分位置信息的基础上的罪恶余弦编码器。 电梯的安装与增量编码器， 该控制策略具有令人满意的性能，实现antirollback 困难。模型预测控制( MPC )已成功应用于化工过程控制和电气控制领域扩展到-最近20 28 由于其可调节的动态响应和控制精度高。特殊特性可满足控制要求的重量antirollback transducerless电梯启动。通常，传统的 MPC的预测变量是不考虑干扰的计算。 预测变量和实际值之间的差

8、异被纠正的成本函数， 以减少在后退优化过程中的预测变量的干扰的影响。 然而， 机械模型的不确定性和非线性， 以及强烈的干扰， 会导致预测模型的不匹配， 在制动释放过程中从而导致零伺服系统的稳态速度误差。在本文中，采用新的 antirollback 战略偏移提出了提高乘坐舒适性的直接驱动电梯安装与一般的增量式编码器自由 MPC 策略。它可以实现更小的滑动距离、无机械振动本文组织如下。首先 , 电梯牵引系统的动态力学模型在第二节中的分析，以照亮所提出的方法的优点。其次，对于体重transducerless电梯-tirollback无偏移的MPC是第三建立，包括滚动优化过程和预测控制器。此外，该偏移

9、量的稳定自由 MPC 进行了分析，并根轨迹显示。最后，通过仿真和实验结果验证了控制策略在第四节。电梯的动态模型牵引系统无齿轮电梯主要由曳引机、 汽车、 和配重。 曳引轮与制动轮安装在永磁曳引机的转子。 当电梯运行在待机模式时， 一个电磁制动器被安装在制动轮周围以保持牵引系统。对重侧的动态力学方程可以表示如下：mwxi - ci ( 8R - xi) - di( 6R - x-i) = 0m wg - ci A x 10 =0(2)其中 C1 和 D1 的刚度系数和钢丝绳的配重，阻尼系数分别为 MW 是配重的质量，A X10是绳子对稳态平衡配重侧延伸，8是曳引轮的机械位置，和 X1配 重位移同样

10、，汽车侧面的动态力学方程可以表示如下：mcx 2 - C2(- 0R - X2)- d2(- eR - x 2) = 0(3)mcg - c2A X20 =0(4)在 C2 和 D2 的刚度系数和绳子在车边，阻尼系数分别为 MC 是大众的车，A X20是绳子在稳态在车侧延伸，和 X2小车位移考虑到制动施加在滑轮的摩擦力矩，对曳引轮的运动学分析可以(5)-(7)。特别是，J是惯性的正常值，A是实际值的差惯性的正常值，和TD A引起A等效力矩。制动器是制动轮与制动器之间的摩擦力矩。 是由系统的其它因素引起的摩擦力矩。 德是由牵引电机产生的电磁转矩。 TL 是由此产生的摩擦力矩作用在曳引轮。 是制动

11、皮带轮的半径。 TD 是复合干扰力矩，这是未知时，松开刹 一一 .T e - T d = (J + A ) 0Td =TdA; Tf + Tr TlTl - (Tf + T ) + Td; otherwise(6)Tl = R(mg - mg) + Rc2(- 0 R - x2) + Rc2(- 0 - R - x 2)-Rci(0 R - xi) + Rdi(0 , R - x 1). (7)T1 = R(mcg - mwg) + Rc2(- 6R - x2) + Rd2(- R - x2)-Rci( 0R - xi) + Rdi( 6R - x，i).根据摩擦模型， 将电磁转矩保持在静止状

12、态下的牵引轮不是固定值。 考虑机械制动释放非线性特性的数学模型难以精确计算出等效负载转矩的精确电磁转矩。 因此， 这些方法计算精确的基于机械模型率补偿转矩不能在这种情况下， 很 容易实现。使用低分辨率增量式编码器作为送料装置，传统的 PI 控制不能满足重新要求快速调整和小机械振动过程中制动释放。与常规的 PI 控制相比， MPC 可以实现更快的响应速度和更大的等效增益在输入小，反之亦然。因此， MPC 可以用来减少电梯启动时的滑动距离。 然而， 传统的方法是难以在零伺服运行速度调节器的应用。 如果速度参考和速度反馈是零， 输出的速度环是零。 当负载在轴上时， 牵引机一定会滑动。A 1 niic

13、Llory -PIModelDigital Sigzidl ProcessorPre diction controllerSpeed prediction6 correctionLow-pass filterPosition and speed calculationBrakeCounki weight图1。电梯启动时antirollback曳引机的无偏预测控制策略方案。因此，稳态速度误差是不可避免的。因此，研究先进的MPC方法电梯启动适用于低分辨率增量式编码器中三、自动控制 MPC反回滚电梯启动图1显示了无偏预测控制策略的直接驱动永磁曳引机电梯在启动方案。在图1中，在电流环中使用。对速度环，

14、无偏预测控制策略代替传统的PI调节器。此外，为了抑制模型误匹配造成的负效应， 并消除稳态误差，设计了模型校正方 案。止匕外，滚动优化，不仅降低了滑动距离也提高了对负载扰动的鲁棒性制动释 放时。为了便于分析，力学模型(5)可以转换为q w = Kt(i? - iqd - B 3/ Kt)/J(8)在KT = 1.5npWF,伊拉克第纳尔=TD / KT,伊拉克第纳尔代复合负载转矩 的等效电流。然而，伊拉克第纳尔不被认为是预测模型的使用和常规MPC无偏移免费策略时。电梯启动时，对过程变化复杂，车轮和强烈的 TRAC -发挥复合 干扰力矩，该值的精度直接影响到预测的准确性。在coM (k + 1)代

15、表预测的速度在时间k+1公里=kt/J,和aM = exp (BTS / J), TS是山姆采样时间。经过 迭代，可以得到以下表达式com(k + n) = Km(1 - am) 1+ am +,+ an 1X .i?nmq(k) - iqd(k) +am3m(k), n = 1,2，,P (10)在预测的步骤。由于采样周期足够短，复合干扰力矩可以被看作一个常数。 因此，估计的干扰和速度可以被施加到修改的预测模型，在每个采样周期，以消除稳态速度误差和增强的鲁棒性，对复合扰动转矩在制动释放。选择 8 ,，和 TD作为状态变量和状态方程，可以得到基于(5)x = Ax + Buy = Cx. (1

16、1)In (11), x = 0 w TdT, u = Te, y = 0 , and根据(11)，估计反馈状态方程可以表示如下： _ . . _ _. . .?= Ax? + Bu + L(y - Cx?). (12)根据(11 )，估计反馈状态方程如下：在(13)、X?是x的估计值，L是反馈增益矩阵，和L = L1、L2、L3 ,这是由极点配置确定。我可以做？D和？方法TD和，分别。根据( 13 )，复合扰动转矩和速度估计可以表示为粘性摩擦系数可以忽略， 因为它是相对较小的。此外，估计的速度是由一个低通滤波器，其截止频率为。( 14 )和( 15 )的离散表达式可以作为在(16) , E

17、(k)和U (k)为中间变量，并co?- K)是过滤速度估计。？第纳尔(K)是估计的等价的复合扰动转矩电流在时间k。然后，在(11) , coM (k)和伊拉克第纳尔(k)所取代3 一？ K)和？第纳尔(K),分别。在每个采样周期内，预测的步骤中的预测速度的初始值可以得到纠正。然后，( 17 )可以得到因此，预测模型的输出时间钾1 ,钾2,，钾，钾，可以在一个矩阵形式表示如下：W m(k) = W f (k)+ W s(k) i？(k) - ？iqd(k) .成本函数设计选择一阶指数函数作为参考轨迹，可以表示如下：3r(k + i) = 3 (k + i) - arco(k)- w(k) ,i

18、 = 1, 2,，P(20)在R参考轨迹，？是机角速度的参考，TR的时间常数，和aR = exp (-TS/ TR )复杂的成本函数会增加计算量。在模型校正块，初始预预测速度的错误已经改正。 因此， 没有必要再纠正它的成本函数， 这就可以了有效地减少计算负担。二阶成本函数的选择如下：q =诊断Q2,，Q2 和= R, W R(k) = coR(k1 磷 1) “R (K PT) 0 Q1 , Q2,，QP的权重变预测的步骤，和的输出电流的重量变量。让 ?JP /?智商=0 ,和MPC控制器的输出可以得到建议速度控制器的稳定性分析对MPC策略参数可以影响的动态响应与系统稳定性。止匕外，模型的不匹

19、配 也会影响系统的稳定性。为了方便牵引系统的稳定性分析，一阶惯性和过滤器被 忽略。让K1 = - JL2和K2 = L3 ,然后下面的离散传递函数如图 2所示c (z) = . W s QW s + R.- W sQ (23)G- 1(z) = W s (24)在A反映两者之间的匹配程度。稳态条件下，可以获得较大的 A,较强的纠正 错配可能力。由于在稳定状态下的速度相对较小，摩擦粘度的系数可以忽略 。图 2 o 用于牵引机的无偏预测离散框图誉 xegulQDg=-=0.I0.050-0.05-0,I0.90.95 I 1.051.11.151.2Real Axis图3。根轨迹在K1 K2 =

20、23时000的不同的价值观0 850 90 9511.05 I I 1.151.2Real Axis舛 X,JEU 热图4。根轨迹在K2 K1 = 100时的值不同。结果（33） , K1和K2对系统稳定性的影响，所以当 K2 = 23 000和K1 = 50, 100,和200 ,在A根轨迹可以描述如图3所示。如果根轨迹在单位圆内， 则控策略将被视为一个稳定的算法。从图3中，如果K1 = 50 ,只有|A|0.268需满足分别，在实际应用中，K1应针对错配以满足稳定性选择要求。当K1= 100和K2= 000 , 33 , 000, 000, 43, 23根轨迹上A可以得到如 图4所示。从图

21、4然后我如果K2 = 23 000 ,只有|A|0.677需要。同样，如 果 K2 = 33 000 ,只是 |A|0.548。如果 K2 = 43 000 ,只是 | A 0.452。总之， 选择合适的K1和K2值使模型在不同的失配水平稳定。模拟和实验结果模拟结果直驱永磁牵引系统没有重量变送器采用 PI, MPC与无电梯启动时使用该偏 移免费策略作为速度环调节器是利用 MATLAB / Simulink 仿真，分别。永磁牵 引电机参数如表一，控制参数为如下：P = 4, a M = 0.97, ar e-5S,Q1 = 12 =9, Q2, Q36、Q4=3, r=0.1。速度环 PI 调节

22、器的参数，kiw = 100 = 35朝鲜元，这是优化设计表MPC without oft- set (roe slmlcgj-0 12 3 - - 一匚一一匚七)PUMl/l二 gMPC withotil ofT- scl tree strategy牵引机参数ParametersvalueRated powerll.7kWRuled voltage380VRated current23ARaied speed167rpmRated torque670N-mStator resistanceQ.23lD-axis/Q田xis inductance15mHNiimber of pjk puirs

23、12MPC with free slratcgj* PI1V . L lW . V JL -MlMPC with 口不眈1fixe slralegy!MPC with。仄,set fr-ee strategyMPC widintit off-set free scrategj-滑动速度。（乙）增量计数比较。（C）产生的q轴电流参考比较。无花果。5和6分别显示了 50%和100%的额定负载下的仿真结果。其中,增量值（公司）是通过一个 2048-b增量式编码器在Simulink中建立了。滑动解散之间的关系一例如，公司是 d = 0.15 X公司（mm ）06LMPC w ithout off* s

24、et free slralcgy_ _ pjjl z-EJPXKk M=p 二(rq-aiscurrent 00 02 0.4 0,6 0 810 12 1.4 1,6 .8 20Time(s) (a),sliding distancei r l图10。100%种方法在额定载荷下的实验比较。（一）皮速度调节器。（ b）无偏预测。出。实验结果如图7所示。在稳定状态下，牵引电机仍以2.9转/分的速度滑动，这种连续滑动速度在仿真中得到了验证。可以看出，滑动速度是大。止匕外，它是 不允许在零伺服操作，因为电梯轿厢保持滑动。在相同的实验条件下，对 PI速度调节器和无偏预测的实验结果进行比较。无花果。8至

25、10显示20%、50%和100%的额定负载下的实验结果。可以看出，20%额定负荷下，与PI速度调节器的滑动距离为2.85毫米，与无偏移的MPC滑动距离只有0.45毫米。60%额定负载下，与PI速度调节器的滑动距离为5.20毫米，与无偏移的MPC滑动距离只有1.35毫米。100%额定负载下，与PI速度调节器的滑动距离为8.25 毫米，与无偏移的 MPC滑动距离只有1.5毫米。总之，利用所提出的无偏的MPC可以得到更短的滑动距离、调节时间短、规模较小的滑动速度，以及更好 的乘坐舒适性。从实验结果中，所提出的无偏的 MPC具有快速响应性能好，无机械振动，无稳态速度误差。动态调节过程中，q轴电流快速上

26、升由于T对MPC策略的特点和 模型校正。由于模型校正，防止稳态速度误差。因此，最大滑动速度和滑动距离 都很小。图11显示了 PI速度调节器和所提出的无偏的 MPC在不同载荷下的比较。从图11中，所提出的方法的滑动距离是远小于那些在不同的负载下的速度调节器。因此，该方法可以有效地解决关键技术问题上重transducerless 直驱永磁曳引机电梯系统的启动过程。结论本文提出了一种重量transducerless antirollback 转矩控制策略基于直接驱动 电梯曳引机可适当增量编码器工作的无偏预测。该控制策略可以克服的预测模型 和实际系统所造成的非线性变化的负载特性时，制动时的预测模型和实

27、际系统之 间的不匹配，提高能力的平衡不确定负载转矩。从模型校正块的估计的速度值， 作为预测的速度的初始值，可以减少计算量图11。不同载荷作用下双方法的滑动距离比较。(EEI SUUIEIM-Pal-UAP-一 S成本函数。而不是使用传统的 PI速度调节器，无偏移的 MPC可以有效地改善系统的动态性能和提供的转矩控制信号无重量传感器以提高系统的鲁棒性。显 着，它可以实现较短的滑动距离，以及一个较小的滑动速度没有稳态误差在零伺 服操作。因此，当电梯从待机模式转换为运行模式时，可以提高乘坐舒适性。仿真和实验结果验证了该控制方法的有效性 antirollback。引用1 体育 kakosimos ,

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39、会议程序。他是七个中国专利的持有者。他目前的主要研究兴趣包 括永磁同步电机驱动，牵引系统的高性能直接驱动交流电动机的无位置传感器控 制，和内置式永磁同步电机的效率优化控制。江波齐收到电子电气工程的学士学位，从东北林业大学大学，哈尔滨，中国， 2014 o他目前致力于电力电子学和电气传动电气工程与自动化学院，哈尔滨工 / 业大学学院的硕士学位，哈尔滨。他目前的研究兴趣是在高性能的直接驱动永磁牵引系统和无位置传感器控制。光张（男13）出生在黑龙江，中国，1981。他获得了学士、硕士、和博士学位从哈尔滨工业大学，电气工程哈尔滨，中国， 2003, 2005,和2010,分别。在2010,他加入了电气

40、工程系电子、哈尔滨技术学院，作为讲师，在那里他一直以来的2014个副教授电气工程。他目前的研究兴趣一包括分布式发电和可再生能源发电系统徐进收到来自哈尔滨工业大学电气工程学士学位，哈尔滨，中国， 2013,在他目前的工作对电力电子学和电气传动在电气工程与自动化学院的硕士学位。他目前的研究兴趣是在直驱永磁同步电动机的控制和无位置传感器控制dianguo徐（男97 -SM 12）获得学士学位的工程控制工程哈尔滨工程大学，哈尔滨，中国，1982,硕士和博士学位在哈尔滨工业大学电气工程（打），哈 尔滨，1984和1989 ,分别在1984 ,他加入了部电性工程，打，作为助理教授。自1994日，他一直是一个教授与电气工程，击中。他是电气工程学院院长一 工程及自动化，击中，从2000到2010。他目前是“打”的副总裁。他发表了600多篇技术论文。他的研究兴趣包括可再生能源发电技术，电能质量缓解，无速度传感器矢量控制电机驱动，高性能伺服系统。许博士是副主编的IEEE工业电子和IEEE期刊和新兴电力电子产品中选定的主题。他担任主席的人学会哈尔 滨分