[发明专利]电梯永磁曳引系统无称重传感器起动转矩控制方法

权利要求书

1.一种电梯永磁曳引系统无称重传感器起动转矩控制方法，所述永磁曳引系统采用永磁同步电机作为曳引机，该永磁同步电机采用增量式光电编码器作为位置传感器，其特征在于，它包括以下步骤：

步骤一：永磁同步电机运行过程中，采用微处理器采集增量式光电编码器输出的位置信号A和位置信号B，位置信号A和位置信号B为两路正交信号，微处理器对两路正交信号作滞环比较获得增量计数值CNT，再根据增量计数值CNT计算获得当前永磁同步电机转子位置值θ；

步骤二：根据当前永磁同步电机转子位置值θ计算获得当前电机倒溜距离θ_s和当前电机角速度ω；

步骤三：根据当前电机倒溜距离θ_s和当前电机角速度ω，对永磁同步电机的起动转矩进行控制，以抑制其在零伺服期间的倒溜。

2.根据权利要求1所述的电梯永磁曳引系统无称重传感器起动转矩控制方法，其特征在于，步骤一中当前永磁同步电机转子位置值θ的获得方法为：

θ＝2π·CNT/M；    (1)

其中M为增量式光电编码器旋转一周输出的正交信号脉冲数。

3.根据权利要求2所述的电梯永磁曳引系统无称重传感器起动转矩控制方法，其特征在于，设定当前为第k个采样周期，则步骤二中当前电机倒溜距离θ_s的获得方法为：

θ_s＝θ_k-θ₁，

式中θ_k为根据增量式光电编码器在第k个采样周期采样的信号，计算获得的永磁同步电机转子位置值；θ₁为根据增量式光电编码器在第1个采样周期采样的信号，计算获得的永磁同步电机转子位置值；其中k≥1；

在第k个采样周期，当前电机角速度ω的获得方法为：

ω=θk-θk-14Ts,]]>

式中T_s为增量式光电编码器的采样周期，θ_k-14为根据增量式光电编码器在第k-14个采样周期采样的信号，计算获得的永磁同步电机转子位置值，其中k>14；若k≤14，则θ_k-14＝0，ω＝0。

4.根据权利要求3所述的电梯永磁曳引系统无称重传感器起动转矩控制方法，其特征在于，步骤三中，对永磁同步电机的起动转矩进行控制，以抑制其在零伺服期间的倒溜的具体方法为：

步骤三一：在零伺服期间，抱闸打开瞬间，电机给定角速度ω^*＝0，此时永磁同步电机的速度外环采用PI调节器控制模式进行控制，然后实时的根据当前电机倒溜距离θ_s判断永磁同步电机的工作模式：

若θ_s>ε或θ_s<-ε；

判定永磁同步电机由PI调节器控制模式切换到无静差预测控制器工作模式；然后执行步骤三二；

式中ε>0，ε为永磁同步电机由PI调节器控制模式切换到无静差预测控制器工作模式的倒溜距离阈值；

步骤三二：若ω<-ω_l或ω>ω_l，

则使永磁同步电机的速度外环采用无静差预测控制器工作模式进行控制；

式中ω_l>0，ω_l为永磁同步电机由PI调节器控制模式切换到无静差预测控制器工作模式的角速度阈值；然后执行步骤三三；

步骤三三：根据预设置零伺服时间值判断当前零伺服是否结束；若是，则当前永磁同步电机的起动转矩进行控制流程结束；否则返回步骤三二。

5.根据权利要求4所述的电梯永磁曳引系统无称重传感器抑制倒溜起动转矩控制方法，其特征在于，无静差预测控制器工作模式的具体控制方法为：

根据永磁同步电机的机械运动方程：

Te-Td=Jdωdt+BωTe=1.5npψfiq,---(2)]]>

式中：T_e为永磁同步电机的输出电磁转矩，T_d为施加在永磁同步电机转子上的等效摩擦转矩，J为电梯永磁曳引系统转动惯量，B为粘滞摩擦系数，n_p为永磁同步电机极对数，ψ_f为永磁同步电机永磁体磁链，i_q为永磁同步电机q轴电流；

将上述机械运动方程进行改写如下：

ω·=Kt(iq*-iqd-Bω/Kt)/J,---(3)]]>

式中：K_t＝1.5n_pψ_f，为永磁同步电机q轴电流给定值，i_qd为扰动转矩等效电流；

再对式(3)零阶保持离散化获得如下公式：

ωm(k+1)=αmωm(k)+Km(1-αm)(iq*(k)-iqd(k)),---(4)]]>

式中ω_m(k+1)为第(k+1)个采样周期初始时刻预测的电机角速度，

α_m＝exp(BT_s/J)，ω_m(k)为第k个采样周期初始时刻预测的电机角速度，

K_m＝K_t/J，为永磁同步电机第k个采样周期的q轴电流给定值，

i_qd(k)为第k个采样周期的扰动转矩等效电流；

对式(4)进行迭代获得如下公式：

ωm(k+n)=Km(1-αm)(1+αm+...+αmn-1)(iq*(k)-iqd(k))+αmnωm(k),n=1,2,...,P;---(5)]]>

式中P为预测步长；

选择θ、ω和T_d作为状态变量x，由式(2)获得带反馈估计状态方程如下：

x^·=Ax^+Bu+L(y-Cx^);---(6)]]>

式中为x的估计值，

A=0100-BJ-1J000;B=01J0;C=100;]]>

u＝T_e；L为反馈增益矩阵，L＝[l₁ l₂ l₃]^T；x＝[θ ω T_d]；y＝θ；

再通过极点配置求解L，使和在期望的时间内分别趋近于T_d和ω：

将式(6)展开得：

θ^·ω^·T^·d=0100-BJ-1J000θ^ω^T^d+01J0Te+l1l2l3(θ-θ^);---(7)]]>

再根据式(7)，获得扰动和转速估计方程如下：

T^d=(l3s-Jl2)1s+l1(ω-ω^);---(8)]]>

(Js+B)ω^=Te-(l3s-Jl2)1s+l1(ω-ω^);---(9)]]>

忽略粘滞摩擦系数B，对转速估计进行滤波，截止频率为f_c，

则式(8)和(9)离散表达式为：

e(k)=11+Tsl1e(k-1)+Tsl11+Tsl1(ω(k)-ω^‾(k))u(k)=u(k-1)+Tsl3e(k)T^d(k)=Jl2e(k)-u(k)ω^(k)=KtTs(iq(k-1)+iqd^(k))J+ω^(k-1)ω^‾(k)=11+2πTsfcω^‾(k-1)+2πTsfc1+2πTsfcω^(k)---(10)]]>

式中e(k)、u(k)为中间变量，为滤波后的角速度估计值，

为第k个采样周期扰动等效电流估计值，

将公式(4)中ω_m(k)和i_qd(k)用估计值和代替，实现每个采样周期当前时刻预测转速初值以及预测步长内的预测速度值进行滚动校正，获得：

ωm(k+n)=Km(1-αm)(1+αm+...+αmn-1)(iq*(k)-iqd^(k))+αmnω^‾(k),n=1,2,...,P;---(11)]]>

由此把第k，k+1，k+2…k+P个采样周期时刻的模型预测输出表示为矩阵形式：

Wm(k)=Wf(k)+Ws(k)(iq*(k)-iqd^(k));---(12)]]>

式中W_m(k)＝[ω_m(k+1) … ω_m(k+P)]^T，

Wf(k)=αm...αmPTω^‾(k),]]>

W_s(k)＝K_m(1-α_m)[1 … 1+α_m…+α_m^P-1]^T；

选择一阶指数型函数作为参考轨迹：

ω_r(k+i)＝ω^*(k+i)-α_rⁱ[ω^*(k)-ω(k)],i＝1,2,...,P；    (13)

式中ω_r为永磁同步电机的角速度参考轨迹，ω^*为当前电机角速度给定值，

α_r＝exp(-T_s/T_r)，T_r为时间常数；

选取二次型函数J_P作为性能价值函数，如式(14)所示：

JP=[Wr(k)-Wm(k)]TQ[Wr(k)-Wm(k)]+Riq*2;---(14)]]>

式中：W_r(k)＝[ω_r(k+1) … ω_r(k+P)]^T，q₁、q₂…q_p为每一步的预测权重；

r为输出电流权重，R＝r²；

令求得无静差预测控制器模型预测控制输出：

iq*(k)=(WsTQWs+R)-1WsTQ[Wr(k)-Wf(k)+Wsiqd^(k)];---(15)]]>

据此对永磁同步电机q轴电流给定值进行限幅，使不大于永磁同步电机的额定电流，实现无静差预测控制器控制的工作。