无称重传感器电梯高效无齿轮永磁曳引系统控制方法研究

The low-carbon elevator adopting gearless traction mode is more suitable for the need of national energy saving and environmental protection planing, and it will be an indispensable transportation for modern high-rise buildings in the future. This project commits to the key scientic issues of the new-type permanent magnet traction system. In order to meet the demand for high-comfort and high-efficiency operation of the modern elevators, the weight- sensorless pre-torque control and the online efficiency optimization control method for the permanent magnet traction machine are researched. First of all, the complex nonlinear dynamic characteristics of the gearless traction system during the electromagnetic brake releases is revealed, and the complete electromechanical coupling model of the permanent magnet traction system can be established. According to the multiple control performance including starting comfort and fast response, the pre-torque control method based on multi-objective nonlinear programming searching theory without weight sensor installation is studied. Additionly, in order to resolve the traditional efficiency optimization control method overly dependent on the accurate motor loss model, an online efficiency optimization control of the traction machine based on model predictive control theory is presented. In this way, based on the synthesis approaches of predictive control, the online fast scroll optimization algorithm and the stability analysis for the traction machine efficiency optimization control system are researched. On the basis, the robust pre-torque control and the efficiency optimization control methods of the permanent magnet traction machines are combined to form a theoretical system, which provide the theoretical basis to solve the key control issues for the gearless elevator traction system.

采用无齿轮曳引方式的低碳电梯更符合国家节能环保规划的需求，将成为现代高层建筑不可或缺的运载工具，本项目针对新型无齿轮永磁曳引系统的关键科学问题，研究无称重传感器预转矩控制及效率在线优化控制方法，以满足现代电梯对高舒适性和高效率的要求。从揭示无齿轮电梯起动时电磁抱闸释放过程曳引系统复杂非线性动力学特性入手，建立完整的永磁曳引系统机电耦合模型，根据系统起动对乘梯舒适性及控制快速性的多性能要求，提出基于多目标非线性规划搜索的无称重传感器曳引系统起动预转矩控制方法。针对传统电机效率最优控制方法过于依赖损耗模型精确性的问题，提出基于模型预测控制的曳引机效率在线优化控制策略，并依据预测控制综合方法，实现曳引机效率优化控制的在线快速滚动寻优算法及稳定性设计。在此基础上，将永磁曳引机预转矩控制及在线效率优化控制方法形成理论体系，为现代无齿轮电梯曳引系统关键技术建立理论基础。

直驱式永磁曳引机具有高效节能、节约空间、动态性能好及维护方便等诸多优点，并已成为现代曳引机的主流。目前，采用安装称重传感器前馈控制方式存在称重传感器反馈重量信号受干扰、成本增加及传感器维护等问题，因此无称重传感器控制方式在现代电梯中具有重要的应用需求。本项目主要针对无称重传感器直驱式永磁曳引系统控制关键科学问题进行研究。. 首先对电磁抱闸释放过程曳引系统非线性动力学特性进行分析与建模。针对无齿轮电梯曳引系统结构特点，结合电磁抱闸释放过程的机械特性，并将库仑摩擦力模型、钢丝绳的弹性及阻尼特性引入，建立了永磁曳引系统动力学模型，并通过仿真分析了负载力矩作用规律。在此基础上提出了基于转矩变化率模糊自调整的无称重传感器起动转矩控制方法。根据抱闸释放过程永磁曳引机负载转矩特性，设计速度PI控制器与转矩变化率模糊自调节相结合的起动控制机制，以有效减小倒溜距离，提高系统鲁棒性。. 为了减轻轿厢溜车程度以提高乘梯舒适性，对无静差预测控制电梯防倒溜起动策略进行研究。针对曳引轮转矩特性产生的预测模型失配问题，引入模型校正环节来重新匹配预测模型，从而消除稳态速度误差。将转速估计值引入到速度预测环节作为速度预测初值，因此无需在价值函数中再对预测速度进行校正。并对所提出方法的稳定性进行分析，阐明了控制参数的选取方法。. 研究基于扩张状态观测器和非线性微分跟踪器的增强型预测控制电梯防倒溜起动策略。采用扩张状态观测器对未知广义扰动引起的失配预测模型进行校正，同时通过非线性微分跟踪器获取滞后小且平滑精确的速度反馈信息，以提高扩张状态观测器的性能。分析了扩张状态观测器的稳定性及参数优化原则，给出了非线性微分跟踪器的参数设计方法。. 研究基于电流矢量角自校正的IPMSM最大转矩/电流在线控制策略。通过定子电流采样值对电流矢量角进行在线调整，并引入傅里叶分析环节，实时比较不同矢量角下的电流矢量幅值大小，从而获得最小电流幅值的最优电流矢量角，实现系统的效率优化控制。结果表明所研究的在线效率优化控制方法能够较好地对期望运行轨迹进行跟踪。. 在仿真分析基础上，通过实验验证了在不同负载情况下直驱式电梯无称重传感器起动控制算法的有效性。仿真和实验结果均表明所研究的控制策略能实现电梯的无称重传感器起动，并能保证乘梯舒适性。