1、无齿轮电梯反回滚控制解析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transducerless起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
2、度地减少电梯轿厢的滑动距离，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年3月28日。出版日期2015年5
3、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；670544208；zxghit；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:/ieeexplore.ieee.org。数字对象标识符10.
4、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
5、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转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，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
6、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。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
7、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
8、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、
9、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：mwx 1 c1(R x1) d1(R x 1) = 0 (1)mwg c1x10 =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，X10是绳子对稳态平衡配重侧延伸，是曳引轮的机械位置，和X1配重位移同样，汽车侧面的动态力学方程可以表示如下：mcx 2 c2(R x2) d2(R x 2) = 0 (3)mcg c2x20 =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，X
10、20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，是实际值的差惯性的正常值，和TD引起等效力矩。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。是制动皮带轮的半径。TD是复合干扰力矩，这是未知时，松开刹Te Td = (J + )Td =_Td; Tf + T TlTl (Tf + T) + Td; otherwise(6)Tl =R(mcg mwg) + Rc2(R x2) + Rd2(R x 2) Rc1(R
11、x1) + Rd1(R x 1). (7)Tl = R(mcg mwg)+ Rc2(R x2)+ Rd2(R x 2) Rc1(R x1)+ Rd1(R x 1).根据摩擦模型，将电磁转矩保持在静止状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
12、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。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，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。此外，滚动优化，不仅降低了滑动距离也提高了对
13、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 = Kt(i iqd B/Kt)/J (8)在KT = 1.5npF，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M（k + 1）代表预测的速度在时间k1公里= ktJ，和M = exp（BTS / J），TS是山姆采样时间。经过迭代，可以得到以下表达式m(k + n) = Km(1 m) .1+ m + + n1.m .i
14、 nq (k) iqd(k). + mm(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，和TD作为状态变量和状态方程，可以得到基于（5）_x = Ax + Buy = Cx. (11)In (11), x = TdT ,u = Te, y = , 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
15、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（k）和U（k）为中间变量，并（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），M（k）和伊拉克第纳尔（k）所取代（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
16、，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：r(k + i) = (k + i) r (k) (k) ,i = 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R = 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 = R，W R（k）= R（k1磷1）R（K P T）
17、。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。此外，模型的不匹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 s Q (23)G1(z) = W s (24)在反映两者之间的匹配程度。稳态条件下，可以获得较大的，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。用于牵引机的无偏预
18、测离散框图。图3。根轨迹在K1 K2 = 23时000的不同的价值观。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|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根轨迹上可以得到如图4所示。从图4然后我如果K2 = 23 000，只有|0.677需要。同样，如果K2 = 33 0
19、00，只是|0.548。如果K2 = 43 000，只是|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，M = 0.97，r e5S，Q1 = 12 = 9，Q2，Q36、Q43，r0.1。速度环PI调节器的参数，kiw = 100 = 35朝鲜元，这是优化设计。表牵引机参数滑动速度。（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
20、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例如，公司是d = 0.15公司（mm）图6。100%额定载荷下的仿真结果。（一）滑动速度的比较。（乙）增量计数比较。（C）产生的q轴电流参考比较。如从图5可以看出，在50%额定负荷，最大滑动速度的无偏移的MPC是0.4转/分钟，和滑动距离为0.15 mm。与之相反，最大滑动速度为3转/分钟，滑动距离为4.65毫米。滑动速度MPC不使用偏移免费策略具有稳态误差，这是1.1转/分钟，和滑动距离的增加和时间。从图6，在额定负载，最大滑动速度的无偏移的MPC是
21、0.9转/分钟，和滑动距离为0.30 mm。与之相反，最大滑动速度为6转/分钟，滑动距离为9.45毫米。滑动速度MPC不使用偏移免费策略具有稳态误差，这是2.1转/分钟，和滑动距离随时间的推移。相比之下，所提出的无偏预测的滑动速度是最小的，和调节时间最短。此外，稳态速度没有错误。因为图7。实验结果采用MPC无偏移的免费策略，联合国在60%额定负荷。（一）实验结果。（乙）稳定状态的详细波形。利用无偏MPC是比其他两种方法更快的q轴电流的响应速度，最大滑动速度很小。因此，可以减少滑动距离。从无花果树可以看出。5（c）和6（C），无偏的MPC的响应速度更快，比PI和传统的MPC无偏移免费策略。为了减
22、少滑动显示电梯启动时的重要性，PI的比例应选择尽可能大的。然而，大比例会导致超调和机械振动。因此，比例不能是大。然而，MPC的等效增益可以在输入小。因此，响应速度比。动态时期，q轴电流快速上升过程中，模型的校正来使用。因此，对无偏移的MPC从校正后的模型产生的q轴电流包含等效复合扰动补偿，但传统的MPC不。因此，对无偏预测响应速度更快。稳态期间，q轴电流是由与模型校正无偏移的MPC生成。然而，Q的传统MPC轴电流等于复合干扰的等效电流。然而，它是产生的连续稳态速度误差，应防止。图8。20%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。实验结果该antirollback控制策
23、略是在一个11.7-kw电梯曳引机采用变频器进行商业。实验中所用的牵引电机参数与表中所示的仿真参数相同。我整个控制算法由TMS320F2808 DSP芯片执行。时钟频率为100兆赫。此外，事件管理器是用来产生驱动信号来控制六定义六。IPM的类型是pm75rse120。三相逆变器的脉宽调制频率为10千赫，控制周期为电流回路的100美国控制段速度环是1毫秒。在实验中，P = 4，M = 0.97，r e5 Q1 = 12，Q2 = 9 = 6，Q3，Q43，r0.1。的速度PI调节器的参数（KPW = 35和kiw = 100）已调整到最佳，这意味着他们不会引起的稳态振动，可以使速度环和电流环的响
24、应速度尽可能快，为了减少滑动距离。海德汉为1387正余弦编码器分辨率为2048的机器上安装。只有增量信号进行antirollback控制，和正余弦信号只是用于比较的滑动距离。首先，实验采用MPC没有使用偏移免费策略为60%额定负荷下进行速度调节器图9。60%种方法在额定载荷下的实验比较。（一）PI速度调节器（B）的无偏预测。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。此外，它是不允许在零伺服操作，因为电梯轿厢保持滑动。在相同
25、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
26、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
27、成的非线性变化的负载特性时，制动时的预测模型和实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。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，A. G.萨利加尼
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