第 1 章 绪 论
1.1 课题研究背景及意义
升降式电梯作为升降式位置移动与传输的主要媒介，已经在当今城市生活中扮演着不可或缺的重要角色，尤其在高层建筑中，会不可避免的依赖电梯作为人员传输工具。这样一来，为了保证乘客能够获得舒适的乘梯感受，高连续性，高可靠性的运行，成为了电梯研究重点。首先要解决的，就是在刚起动时，电梯倒溜的问题。大部分电梯乘客都会有过类似的经历，在电梯门合上之后，有时候会突然下降一段，然后再上升。生产厂家的不同，这种突然下降的程度也会不同，有的可以小到乘客感受不到，有的可能大到乘客接受不了[1]。这种突然下降的现象就称之为倒溜。控制倒溜的程度，就能控制乘梯的舒适感。另一方面，电梯的极低转速运行也十分的有必要，因此为了保证其平稳性，极低速下的转速信号必须较为精确的获取。然而，由于编码器精度的原因，“低速测不准”现象在电机运行当中十分的常见，尤其在使用低成本速度传感器时，这种转速测量的不准确性也变得更加明显。为了尽量降低在传感器上的花销，同时尽可能的获得较为精确的转速信息，设计的控制算法必须要考虑多方面因素，从而在提高效益的同时，使电梯达到最好的使用效果[2]。在电梯刚发展起来的一段时间里，曳引系统一直是安装齿轮结构的，通过齿轮传动能够实现转矩的加倍，但是齿轮机构特别占空间，电机控制环节需要建造控制机房，非常不方便，空间利用率很低。随着电机本体技术的一次次更新和完善，电机可以被加工成宽轴结构，便于将电梯钢丝绳直接套在电梯曳引机的轴上。这样电机本身就可以输出较大的转矩，既缩小了空间，又降低了控制难度。这样的曳引系统称之为直驱式系统，而负责牵引的电机主要是永磁电机[3-5]。起动时的倒溜现象，很多时候难以避免，不过因为人体对小距离下降感受微乎其微，所以只要让倒溜的更短更慢，乘客就不会不舒适。之所以说倒溜现象难避免，是因为电梯结构本身的问题(其具体结构会在第二章中介绍)，从系统起动到开始运动有一段称为“零伺服”的时间，这段时间里，电机主要任务是产生合适的转矩，和外界负载平衡，让电机尽量保持零速[6-8]。由于人数在变，曳引机的负载一直在变，电机难免会无法快速平衡，造成转速降落，体现在轿厢内，就是发生倒溜。以前的电梯系统都是用传感器先测出轿厢重量，将等效的负载信息输给电机，但是这种系统走线复杂，成本还高，并不实用[9-11]。所以基于上述原因，本文的研究针对无负载信息的曳引系统。
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1.2 国内外研究现状分析
目前，电力电子器件、数字化集成控制等技术不断发展与革新，随之而来的是电机数字控制系统的不断改进与完善[18-21]。近年来，国内外针对提高永磁电梯直驱式系统的性能提出了许多高效控制方法。本节将从无负载重量信息的转矩预补偿技术，永磁电机极低速运行技术与自抗扰控制技术等方面分别介绍当前的一些研究成果。
1.2.1 无负载重量信息的转矩预补偿技术
在早期的电梯系统当中，轿厢底部往往会安装称重传感器，用来测量轿厢重量，并将这部分负载信息输送到控制系统中。近年来，为了降低成本同时避免复杂走线带来的负面影响，大部分电梯都去除了称重传感器，集中致力于无负载重量信息的转矩预补偿控制技术方面[22-23]。企业方面，英国 CT-Unidrive变频器、日本安川 L1000A 电梯专用变频器、法国施耐德(Schneider)ATV71L 电梯专用变频器都实现了无负载重量信息时的平稳起动。国内的蓝光奥的斯BL3-U 系列、上海新时达 AS320 自主研发的创新无载传感器启动补偿技术、深圳英威腾 CHV180 系列，苏州默纳克 ME320L 系列电梯专用变频器等，都能够在不安装重量传感器的前提下保证电梯曳引机的良好性能。其主要方法一方面是通过安装高精度速度传感器，另一方面通过不断优化系统参数来达到控制要求。其中，安川 L1000A 型与蓝光奥的斯 BL3-U 系列控制原理分别如图 1-1 和1-2 所示。在国内各大高校里与科研机构当中，针对无称重传感器起动转矩控制技术的研究也在逐步的开展与完善，一些较为可行的控制方法陆续被提出。2010 年，浙江大学洪小圆建立曳引系统摩擦力模型，对负载进行实时检测并及时进行反馈。然而该方案会造成曳引机的转矩发生阶跃性的改变，从而引起较大的振动[24]；在此之后，哈尔滨工业大学电传动课题组分别在 2011 年到2014 年几年的时间内提出了多种降低直驱式曳引系统倒溜距离的方法，并不断对其进行完善，从二分负载跟踪，阶梯式转矩给定，到基于模糊控制的负载估测方法，将倒溜距离降得越来越低，并能够在实际的高速电梯运行系统中运用[25-26]，但是这些方法都需要在高精度正余弦编码器结构中应用，对转速的精度以及实际参数的准度要求很高；针对运行中会发生变化的电机参数，华中科技大学沈安文利用观测器思想对其进行了研究，提出了基于电机模型的一种起动控制方法。然而由于对电机模型的依赖度较高，这种方法一样存在局限[27]；在使用观测器的基础上，为了提高转速环的动态性能，哈工大电传动课题组又提出了一种基于模型预测控制的方法，利用预测控制器来替代转速环传统的 PI调节器，通过对下一时刻的转速进行预测，提前消除可能出现的扰动，使系统拥有更好的动态性能[28-29]。实验结果表明，该方法能够有效的抑制倒溜，同时在稳态能够十分平稳的运行，控制效果较好。然而该种方法仍然存在对系统模型的依赖性问题，当运行条件发生变化时，预测模型就会出现失配问题，可能影响到系统的平稳运行。
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第 2 章 零速起动过程分析与自抗扰控制器构建
2.1 引言
在直驱式永磁曳引系统起动过程中，由于外界的不确定负载与电磁抱闸装置释放过程中的延迟特性，曳引机的起动过程更加复杂。一方面，乘梯人的重量每次重新起动时都不尽相同，而要保证电梯起动时不会倒溜较大的距离，就必须要实时的获得这部分重量信息。现在大部分的电梯系统都会在轿厢的另一侧安装等同于一半额定负载的配重，从而降低电梯运行过程中的能量消耗，但由此也会出现另一个问题，就是轿厢倒溜的方向不固定，当乘梯人较少时，可能会出现起动时电梯先上升一段再开始运行。另一方面，由于电磁抱闸逐渐释放，从抱闸开始到完全释放过程中，其与制动轮之间所产生的摩擦力是由静摩擦力变为滑动摩擦力，属于非线性变化，这也说明，施加在曳引轮上的负载转矩不仅只有轿厢配重之间的转矩差，还有摩擦力的作用。如果需要建立数学模型来计算负载转矩，那么这些因素就都要考虑到，相应的数学模型也非常难以准确的建立。而且，如果电梯运行环境出现变化，例如机械磨损，温度带来的弹性形变等，都严重的影响着模型的精度。所以，本章要先在理想情况下，对曳引系统动态过程建模，分析抱闸释放过程中的摩擦力作用规律，通过仿真，观察起动过程中转速的变化趋势。接下来，利用 ADRC 当中的 ESO，加入前馈环节，对倒溜问题进行处理。
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2.2 扩张状态观测器的建立与分析
为了能够准确且快速的使系统平衡，抑制因负载不确定而产生的扰动，本文利用自抗扰理论对曳引电机进行控制。其中的扩张状态观测器(ESO)提出了“整体扰动”的概念。它将所有能够影响到系统运行的因素合并为一个整体的扰动量，其中包括非线性的负载转矩、控制器的误差以及内部模型不准确而引起的扰动。这种观测器不依赖于精确的系统模型，而是通过获得系统的实时信息估测系统的状态，利用观测器的思想来观测系统的整体扰动，并前馈给电流环，提前消除这部分扰动，以使系统稳定运行。预期方案所采用的控制系统原理框图如图 2-3 所示。ESO 是自抗扰控制器的核心单元，可以利用其近似的得到系统除控制量之外的所有扰动的总和。借助 ESO 的思想，把能够影响被控输出的扰动合成为一个状态量，称为系统的“扩张状态”，并将这一部分扰动通过控制量以一定的形式输入系统，从而消除扰动对系统的影响[56-58]。
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第 3 章 基于非线性误差的反向滑动优化方法研究.............. 23
3.1 引言.......23
3.2 基于非线性误差反馈的转速控制器建立...........23
3.2.1 反向滑动原因分析与解决方案.........23
3.2.2 基于非线性误差反馈的转速环优化策略.............. 26
3.3 引入非线性误差反馈的自抗扰补偿策略仿真结果.....30
3.4 本章小结..........31
第 4 章 基于位置平滑思想的曳引系统低速控制策略研究.............32
4.1 引言.......32
4.2 基于时间最优的位置平滑跟踪器的设计...........33
4.3 仿真结果与分析........ 40
4.3.1 参数选择与平滑度仿真结果.............40
4.3.2 转速平滑效果仿真结果...........40
4.4 本章小结..........41
第 5 章 永磁曳引机零低速运行矢量控制系统实验.............. 42
5.1 引言.......42
5.2 永磁曳引矢量控制系统硬件结构及实验平台............. 42
5.3 零速起动自抗扰控制实验结果..... 43
5.4 基于时间最优原理的低速运行实验结果...........47
5.5 本章小结..........49
第 5 章 永磁曳引机零低速运行矢量控制系统实验
5.1 引言
前面几章针对基于自抗扰的永磁曳引机零速起动和基于时间最优的低速运行进行了研究。首先分析抱闸释放过程中所产生非线性制动力对曳引系统的影响。结合永磁曳引系统的结构，分析了电磁抱闸延时、外界不确定性负载对电梯起动时的影响。随后根据自抗扰控制相关原理对永磁曳引机起动时的倒溜现象
