CN103449268A - 电梯永磁曳引系统无称重传感器自适应起动转矩补偿方法 - Google Patents

Abstract

电梯永磁曳引系统无称重传感器自适应起动转矩补偿方法，属于电机和电梯曳引控制技术领域。本发明为了解决采用称重传感器获取电梯负载重量信息的方法来维持电梯系统运行前的平衡，会造成电梯系统可靠性降低及成本增加的问题。它采用微处理器采集正余弦编码器输出的位置信号，计算获得当前永磁同步电机转子位置值θ；再根据θ计算获得当前电机倒溜距离θ_m、当前电机倒溜速度w_k及当前电机倒溜加速度α_k；然后确定电机起动转矩补偿方式，对永磁同步电机的起动转矩进行自适应补偿。本发明用于对电梯永磁曳引系统的起动转矩进行自适应补偿。

Description

电梯永磁曳引系统无称重传感器自适应起动转矩补偿方法

技术领域

本发明涉及电梯永磁曳引系统无称重传感器自适应起动转矩补偿方法，属于电机和电梯曳引控制技术领域。

背景技术

在电梯运行过程中，曳引机通过钢丝绳带动轿厢和配重运动，当轿厢运动到目标楼层后，抱闸将曳引机抱住，轿厢速度降为零，轿厢门机打开，部分乘客出轿厢同时有新的乘客进入轿厢。轿厢再次运行时，抱闸打开，未知的负载转矩突然施加到曳引机上，此时如果曳引机产生的电磁转矩不能及时与负载转矩平衡，则会导致曳引机转子会在负载力矩方向上发生较小距离的转动，相应的轿厢会发生小距离溜车现象，影响乘梯舒适性。

通常情况下电梯的轿厢底部会安装称重传感器来获取负载重量信息，作为控制器的补偿量，使曳引机在抱闸打开之前输出与负载转矩相等的电磁转矩。这样抱闸装置打开后就能使电梯处于平衡状态，不发生倒溜。而安装称重传感器会增加系统成本，而且称重传感器反馈信息可能会受干扰导致系统可靠性下降。

发明内容

本发明目的是为了解决采用称重传感器获取电梯负载重量信息的方法来维持电梯系统运行前的平衡，会造成电梯系统可靠性降低及成本增加的问题，提供了一种电梯永磁曳引系统无称重传感器自适应起动转矩补偿方法。

本发明所述电梯永磁曳引系统无称重传感器自适应起动转矩补偿方法，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正余弦编码器作为位置传感器，它包括以下步骤：

步骤一：永磁同步电机运行过程中，采用微处理器采集正余弦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，所述微处理器对两路正交信号作滞环比较获得增量计数值CNT，再对增量计数值CNT进行修正获得增量计数修正值CNTU，再根据增量计数修正值CNTU计算获得当前永磁同步电机转子位置值θ；

步骤二：根据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_m、当前电机倒溜速度w_k及当前电机倒溜加速度α_k；

步骤三：根据当前电机倒溜距离θ_m、当前电机倒溜速度w_k及当前电机倒溜加速度α_k确定电机起动转矩补偿方式，对永磁同步电机的起动转矩进行自适应补偿。

步骤一中对增量计数值CNT进行修正获得增量计数修正值CNTU的具体方法为：

微处理器首次采集正余弦编码器输出的位置信号A和位置信号B时，首先将增量计数值CNT、增量计数修正值CNTU和前一采样周期的增量计数值CNTOLD置零；然后对位置信号A和位置信号B做反正切计算获得细分值θ_div，再根据细分值θ_div和增量计数修正值CNTU计算获得永磁同步电机转子位置值θ；将增量计数值CNT赋值给前一采样周期的增量计数值CNTOLD；

微处理器非首次采集正余弦编码器输出的位置信号A和位置信号B时，首先根据位置信号A和位置信号B判断正余弦编码器采样的信号区间是否发生切换：

当正余弦编码器采样的信号区间未发生切换时，对位置信号A和位置信号B做反正切计算获得细分值θ_div，再根据细分值θ_div和增量计数修正值CNTU计算获得永磁同步电机转子位置值θ；将增量计数值CNT赋值给前一采样周期的增量计数值CNTOLD；

当正余弦编码器采样的信号区间发生切换时，判断增量计数值CNT和增量计数修正值CNTU是否相等：

当增量计数值CNT和增量计数修正值CNTU相等时，将增量计数值CNT赋值给增量计数修正值CNTU，然后对位置信号A和位置信号B做反正切计算获得细分值θ_div，再根据细分值θ_div和增量计数修正值CNTU计算获得永磁同步电机转子位置值θ；将增量计数值CNT赋值给前一采样周期的增量计数值CNTOLD；

当增量计数值CNT和增量计数修正值CNTU不相等时，根据正余弦编码器采样的信号区间切换的顺序，判断永磁同步电机的转向：

若永磁同步电机为正转，将增量计数值CNT加1赋值给增量计数修正值CNTU，设定CNT等于M-1时，则CNT加1后得0；然后对位置信号A和位置信号B做反正切计算获得细分值θ_div，再根据细分值θ_div和增量计数修正值CNTU计算获得永磁同步电机转子位置值θ；将增量计数值CNT赋值给前一采样周期的增量计数值CNTOLD；

若永磁同步电机为反转，则将增量计数值CNT减1赋值给增量计数修正值CNTU，设定CNT等于0时，CNT减1后得M-1；然后对位置信号A和位置信号B做反正切计算获得细分值θ_div，再根据细分值θ_div和增量计数修正值CNTU计算获得永磁同步电机转子位置值θ；将增量计数值CNT赋值给前一采样周期的增量计数值CNTOLD；

其中M为正余弦编码器旋转一周输出的正交信号脉冲数。

判断永磁同步电机的转向的具体方法为：

正余弦编码器输出的位置信号A和位置信号B为周期性的正交信号，将其顺序分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ四个区间，其中Ⅰ区间内，位置信号A为正，位置信号B为正；其中Ⅱ区间内，位置信号A为负，位置信号B为正；其中Ⅲ区间内，位置信号A为负，位置信号B为负；其中Ⅳ区间内，位置信号A为正，位置信号B为负；

当正余弦编码器输出的位置信号A和位置信号B的区间切换顺序为：Ⅰ→Ⅱ、Ⅱ→Ⅲ、Ⅲ→Ⅳ或Ⅳ→Ⅰ时，判定永磁同步电机为正转；

当正余弦编码器输出的位置信号A和位置信号B的区间切换顺序为：Ⅳ→Ⅲ、Ⅲ→Ⅱ、Ⅱ→Ⅰ或Ⅰ→Ⅳ时，判定永磁同步电机为反转。

永磁同步电机转子位置值θ的计算方法为：

$\mathrm{\θ}=\frac{2\mathrm{\π}}{M}(\mathrm{CNTU}+{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{div}}\·\frac{2}{\mathrm{\π}}).$

设定当前为第k个采样周期，其当前电机倒溜距离θ_m的获得方法为：

θ_m=θ_k-θ₁，

式中θ_k为根据正余弦编码器在第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为根据正余弦编码器在首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，当前电机倒溜速度w_k的获得方法为：

w_k=θ_k-θ_k-14，

式中θ_k-14为根据正余弦编码器在第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，w_k=0；

在第k个采样周期，当前电机倒溜加速度α_k的获得方法为：

α_k=w_k-w_k-7，

w_k-7为根据正余弦编码器在第k-7个采样周期采样的信号，计算获得的电机倒溜速度，其中k>14；若k≤14，则α_k=0。

步骤三中根据当前电机倒溜距离θ_m、当前电机倒溜速度w_k及当前电机倒溜加速度α_k确定电机起动转矩补偿方式，对永磁同步电机的起动转矩进行自适应补偿的具体方法为：

步骤三一：当当前电机倒溜距离θ_m>ε时，执行步骤三二；当当前电机倒溜距离θ_m<-ε时，执行步骤三三；否则速度环PI控制模式使能，返回步骤一；ε为预设置的倒溜距离阈值；

步骤三二：若w_k>△，电梯永磁曳引系统的模糊自调节中的模糊补偿模式使能；△为倒溜速度阈值；当w_k<-△/2时，电梯永磁曳引系统的模糊自调节中的摩擦力校正模式使能；当满足-△/2<w_k<△时，电梯永磁曳引系统的PI控制模式使能；然后执行步骤三四；

步骤三三：若w_k<-△，电梯永磁曳引系统的模糊自调节中的模糊补偿模式使能；当满足w_k>△/2时，电梯永磁曳引系统的模糊自调节中的摩擦力校正模式使能；当满足-△<w_k<△/2时，电梯永磁曳引系统的PI控制模式使能；然后执行步骤三四；

步骤三四：判断电梯永磁曳引系统零伺服是否结束，若是，则结束补偿，实现对永磁同步电机的起动转矩的自适应补偿；否则，计算当前电机倒溜速度w_k及当前电机倒溜加速度α_k，若当前电机倒溜速度w_k大于零，则返回步骤三二，否则返回步骤三三。

所述模糊补偿模式为一个双变量输入单变量输出的模糊控制器：其输入变量为当前电机倒溜速度w_k及当前电机倒溜加速度α_k，输出变量为k_t，k_t为近似电磁转矩变化率；当前电机倒溜速度w_k经速度输入量化因子K_e作用后，映射到速度论域

当前电机倒溜加速度α_k经加速度输入量化因子K_ce作用后，映射到加速度论域

模糊输出

经输出比例因子K_u作用获得输出变量k_t；

当前电机倒溜速度w_k的基本论域范围为[-0.048,-0.008]和[0.008,0.048]弧度每秒，当前电机倒溜加速度α_k的基本论域范围为[-60,60]弧度每秒的平方，输出变量k_t的基本论域范围为[-0.12%I_N,-0.02%I_N]∪[0.02%I_N,0.12%I_N]，其中I_N为曳引机的额定电流；其中K_e取为20，K_ce取为0.05，K_u取为0.02%I_N；

速度论域

的范围为[-6,-1]∪[1,6]，加速度论域

的范围为[-3,-3]；模糊输出

的论域范围为[-6,-1]∪[1,6]；

描述当前电机倒溜速度w_k模糊变量的词集选为：

{负较快，负快，负慢，正慢，正快，正较快}

相应速度论域所属的模糊集合表示为：

{NB,NM,NS,PS,PM,PB}；

描述当前电机倒溜加速度α_k模糊变量的词集选为：

{负，中，正}

相应加速度论域

所属的模糊集合表示为：

{N,Z,P}；

描述输出变量为k_t模糊变量的词集选为：

{负较快，负快，负慢，正慢，正快，正较快}

相应的模糊输出

所属的模糊集合表示为：

{NB,NM,NS,PS,PM,PB}；

速度论域

上的模糊集合的隶属度函数解析式为：

加速度论域

上的模糊集合的隶属度函数解析式为：

模糊输出

上的模糊集合的隶属度函数解析式为：

其中μ表示相应变量论域对相应模糊集合的隶属度，

模糊推理规则R_i为：

若

为

且

为

则为其中

代表速度论域

所隶属的模糊集合，

代表加速度论域

所隶属的模糊集合，代表模糊输出

所隶属的模糊集合，其中i=1,2,…,18，j,m=1,2,…,6，k=1,2,3；

采用中心平均解模糊器来获得模糊控制的模糊输出

$\tilde{u}=\frac{\mathrm{\&Sigma;\&mu;}\left({\tilde{U}}_i\right)\&CenterDot;u_i}{\mathrm{\&Sigma;\&mu;}\left({\tilde{U}}_i\right)}$

其中u_i为相应模糊子集的中心，

为相应模糊子集的高度。

当输入模糊控制器的当前电机倒溜速度w_k为0.125弧度每秒，当前电机倒溜加速度α_k为10弧度每秒的平方，经输入量化因子作用后

为2.5，

为0.5；隶属于模糊子集NM和NS，隶属度均为0.5；隶属于模糊子集Z，隶属度为1；

推理规则R₁₁和R₁₄被激活，根据推理规则R₁₁获得输出模糊集合NS的高度

$\mathrm{\&mu;}\left(\mathrm{NS}\left(\tilde{u}\right)\right)=\min \{{\mathrm{\&mu;}}_{\mathrm{PS}}\left(\tilde{e}\right),{\mathrm{\&mu;}}_Z\left(\tilde{c}\tilde{e}\right)\}=\min \left\{\mathrm{0.5,1}\right\}=0.5,$

根据推理规则R₁₄获得输出模糊集合NM的高度

$\mathrm{\&mu;}\left(\mathrm{NM}\left(\tilde{u}\right)\right)=\min \{{\mathrm{\&mu;}}_{\mathrm{PM}}\left(\tilde{e}\right),{\mathrm{\&mu;}}_Z\left(\tilde{c}\tilde{e}\right)\}=\min \left\{\mathrm{0.5,1}\right\}=0.5,$

由于输出量的模糊集合NS和NM的中心分别为-1.5和-3.5，根据中心平均解模糊器运算规则计算获得模糊输出

为：

$\tilde{u}=\frac{0.5\&times;(-1.5)+0.5\&times;(-3.5)}{0.5+0.5}=-2.5,$

模糊输出

与相应输出比例因子K_u相乘获得输出变量k_t：

k_t=(-2.5)·(2%I_N)=-5%I_N。

摩擦力校正模式为：在步骤三一中，当前电机倒溜距离θ_m>ε时，则在步骤三二中摩擦力校正模式使能时，△i_f=-4%I_N；△i_f为摩擦力校正控制模式的输出；

若在步骤三一中倒溜距离满足条件θ_m<-ε时，则在步骤三三中摩擦力校正控制模式使能时，△i_f=4%I_N。

本发明的优点：本发明方法的实现无需在电梯轿厢中安装称重传感器，只需通过安装在永磁同步电机转子上的正余弦编码器，就能实现对电梯系统的起动转矩进行补偿，且溜车距离微小。

本发明方法根据电梯抱闸打开后永磁同步电机转子倒溜距离、速度及加速度确定起动转矩补偿控制模式，通过模糊自调节使曳引机输出的电磁转矩实时跟随负载转矩，最终使二者达到平衡。补偿过程中电磁转矩的变化方式为斜坡式增加，大大减小了系统机械震动。

附图说明

图1为本发明补偿方法的流程图；

图2基于正余弦编码器的位置计算原理图；其中t₁为电机转子运动方向发生变化的时刻，t为时间，n为大于或者等于1的正整数；

图3为增量计数值的修正流程图；

图4为曳引机起动转矩补偿控制原理图；图中

为永磁同步电机的速度给定值，ω_r为永磁同步电机的速度反馈值，

为永磁同步电机d轴的电流给定值，

为永磁同步电机q轴的电流给定值，i_d为永磁同步电机d轴的电流反馈值，i_q为永磁同步电机q轴的电流反馈值，为永磁同步电机d轴的电压给定值，

为永磁同步电机q轴的电压给定值，

为永磁同步电机α轴的电压给定值，为永磁同步电机β轴的电压给定值，i_α为永磁同步电机α轴的电流值，i_β为永磁同步电机β轴的电流值，

为模糊自调节环节输出，

为永磁同步电机的q轴补偿电流值，是

经积分后获得，

为速度PI控制器输出值，角度θ_e为电角度，α为曳引机转子加速度；i_a和i_c分别为永磁同步电机的线电流；

图5为步骤三中曳引机起动转矩补偿的流程图；

图6为曳引机模糊补偿模式的原理框图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述电梯永磁曳引系统无称重传感器自适应起动转矩补偿方法，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正余弦编码器作为位置传感器，它包括以下步骤：

步骤一：永磁同步电机运行过程中，采用微处理器采集正余弦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，所述微处理器对两路正交信号作滞环比较获得增量计数值CNT，再对增量计数值CNT进行修正获得增量计数修正值CNTU，再根据增量计数修正值CNTU计算获得当前永磁同步电机转子位置值θ；

步骤二：根据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_m、当前电机倒溜速度w_k及当前电机倒溜加速度α_k；

步骤三：根据当前电机倒溜距离θ_m、当前电机倒溜速度w_k及当前电机倒溜加速度α_k确定电机起动转矩补偿方式，对永磁同步电机的起动转矩进行自适应补偿。

具体实施方式二：下面结合图3说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，步骤一中对增量计数值CNT进行修正获得增量计数修正值CNTU的具体方法为：

微处理器首次采集正余弦编码器输出的位置信号A和位置信号B时，首先将增量计数值CNT、增量计数修正值CNTU和前一采样周期的增量计数值CNTOLD置零；然后对位置信号A和位置信号B做反正切计算获得细分值θ_div，再根据细分值θ_div和增量计数修正值CNTU计算获得永磁同步电机转子位置值θ；将增量计数值CNT赋值给前一采样周期的增量计数值CNTOLD；

微处理器非首次采集正余弦编码器输出的位置信号A和位置信号B时，首先根据位置信号A和位置信号B判断正余弦编码器采样的信号区间是否发生切换：

当正余弦编码器采样的信号区间未发生切换时，对位置信号A和位置信号B做反正切计算获得细分值θ_div，再根据细分值θ_div和增量计数修正值CNTU计算获得永磁同步电机转子位置值θ；将增量计数值CNT赋值给前一采样周期的增量计数值CNTOLD；

当正余弦编码器采样的信号区间发生切换时，判断增量计数值CNT和增量计数修正值CNTU是否相等：

当增量计数值CNT和增量计数修正值CNTU相等时，将增量计数值CNT赋值给增量计数修正值CNTU，然后对位置信号A和位置信号B做反正切计算获得细分值θ_div，再根据细分值θ_div和增量计数修正值CNTU计算获得永磁同步电机转子位置值θ；将增量计数值CNT赋值给前一采样周期的增量计数值CNTOLD；

当增量计数值CNT和增量计数修正值CNTU不相等时，根据正余弦编码器采样的信号区间切换的顺序，判断永磁同步电机的转向：

若永磁同步电机为正转，将增量计数值CNT加1赋值给增量计数修正值CNTU，设定CNT等于M-1时，则CNT加1后得0；然后对位置信号A和位置信号B做反正切计算获得细分值θ_div，再根据细分值θ_div和增量计数修正值CNTU计算获得永磁同步电机转子位置值θ；将增量计数值CNT赋值给前一采样周期的增量计数值CNTOLD；

若永磁同步电机为反转，则将增量计数值CNT减1赋值给增量计数修正值CNTU，设定CNT等于0时，CNT减1后得M-1；然后对位置信号A和位置信号B做反正切计算获得细分值θ_div，再根据细分值θ_div和增量计数修正值CNTU计算获得永磁同步电机转子位置值θ；将增量计数值CNT赋值给前一采样周期的增量计数值CNTOLD；

其中M为正余弦编码器旋转一周输出的正交信号脉冲数。

具体实施方式三：下面结合图2说明本实施方式，本实施方式对实施方式二作进一步说明，判断永磁同步电机的转向的具体方法为：

正余弦编码器输出的位置信号A和位置信号B为周期性的正交信号，将其顺序分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ四个区间，其中Ⅰ区间内，位置信号A为正，位置信号B为正；其中Ⅱ区间内，位置信号A为负，位置信号B为正；其中Ⅲ区间内，位置信号A为负，位置信号B为负；其中Ⅳ区间内，位置信号A为正，位置信号B为负；

当正余弦编码器输出的位置信号A和位置信号B的区间切换顺序为：Ⅰ→Ⅱ、Ⅱ→Ⅲ、Ⅲ→Ⅳ或Ⅳ→Ⅰ时，判定永磁同步电机为正转；

当正余弦编码器输出的位置信号A和位置信号B的区间切换顺序为：Ⅳ→Ⅲ、Ⅲ→Ⅱ、Ⅱ→Ⅰ或Ⅰ→Ⅳ时，判定永磁同步电机为反转。

本实施方式中，根据A和B的符号将周期性的正交信号分至Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ四个区间内。增量计数值CNT为微处理器根据两路正交信号作滞环比较所得，电机正转时CNT做递增运算，电机反转时CNT做递减运算；在实际应用中，增量计数值的变化往往滞后于细分值的变化，在计算转子位置θ时需要对增量计数值做修正，修正过程如图2所示。

具体实施方式四：本实施方式对实施方式三作进一步说明，永磁同步电机转子位置值θ的计算方法为：

$\mathrm{\&theta;}=\frac{2\mathrm{\&pi;}}{M}(\mathrm{CNTU}+{\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{div}}\&CenterDot;\frac{2}{\mathrm{\&pi;}}).$

具体实施方式五：本实施方式对实施方式四作进一步说明，设定当前为第k个采样周期，其当前电机倒溜距离θ_m的获得方法为：

θ_m=θ_k-θ₁，

式中θ_k为根据正余弦编码器在第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为根据正余弦编码器在首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，当前电机倒溜速度w_k的获得方法为：

w_k=θ_k-θ_k-14，

式中θ_k-14为根据正余弦编码器在第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，w_k=0；

在第k个采样周期，当前电机倒溜加速度α_k的获得方法为：

α_k=w_k-w_k-7，

w_k-7为根据正余弦编码器在第k-7个采样周期采样的信号，计算获得的电机倒溜速度，其中k>14；若k≤14，则α_k=0。

具体实施方式六：下面结合图4和图5说明本实施方式，本实施方式对实施方式五作进一步说明，步骤三中根据当前电机倒溜距离θ_m、当前电机倒溜速度w_k及当前电机倒溜加速度α_k确定电机起动转矩补偿方式，对永磁同步电机的起动转矩进行自适应补偿的具体方法为：

步骤三一：当当前电机倒溜距离θ_m>ε时，执行步骤三二；当当前电机倒溜距离θ_m<-ε时，执行步骤三三；否则速度环PI控制模式使能，返回步骤一；ε为预设置的倒溜距离阈值；

步骤三二：若w_k>△，电梯永磁曳引系统的模糊自调节中的模糊补偿模式使能；△为倒溜速度阈值；当w_k<-△/2时，电梯永磁曳引系统的模糊自调节中的摩擦力校正模式使能；当满足-△/2<w_k<△时，电梯永磁曳引系统的PI控制模式使能；然后执行步骤三四；

步骤三三：若w_k<-△，电梯永磁曳引系统的模糊自调节中的模糊补偿模式使能；当满足w_k>△/2时，电梯永磁曳引系统的模糊自调节中的摩擦力校正模式使能；当满足-△<w_k<△/2时，电梯永磁曳引系统的PI控制模式使能；然后执行步骤三四；

步骤三四：判断电梯永磁曳引系统零伺服是否结束，若是，则结束补偿，实现对永磁同步电机的起动转矩的自适应补偿；否则，计算当前电机倒溜速度w_k及当前电机倒溜加速度α_k，若当前电机倒溜速度w_k大于零，则返回步骤三二，否则返回步骤三三。

本实施方式所述永磁同步电机应用于电梯控制系统，采用矢量控制，运用正交输出的正余弦光电编码器获取曳引机的倒溜距离、速度及加速度信息，根据倒溜信息对转矩电流进行补偿，不需要称重传感器检测负载重量信息，即实现永磁同步电机的起动转矩补偿。

具体实施方式七：下面结合图4和图6说明本实施方式，本实施方式对实施方式六作进一步说明，所述模糊补偿模式为一个双变量输入单变量输出的模糊控制器：其输入变量为当前电机倒溜速度w_k及当前电机倒溜加速度α_k，输出变量为k_t，k_t为近似电磁转矩变化率；当前电机倒溜速度w_k经速度输入量化因子K_e作用后，映射到速度论域

当前电机倒溜加速度α_k经加速度输入量化因子K_ce作用后，映射到加速度论域

模糊输出经输出比例因子K_u作用获得输出变量k_t；

当前电机倒溜速度w_k的基本论域范围为[-0.048,-0.008]和[0.008,0.048]弧度每秒，当前电机倒溜加速度α_k的基本论域范围为[-60,60]弧度每秒的平方，输出变量k_t的基本论域范围为[-0.12%I_N,-0.02%I_N]∪[0.02%I_N,0.12%I_N]，其中I_N为曳引机的额定电流；其中K_e取为20，K_ce取为0.05，K_u取为0.02%I_N；

速度论域

的范围为[-6,-1]∪[1,6]，加速度论域

的范围为[-3,-3]；模糊输出

的论域范围为[-6,-1]∪[1,6]；

描述当前电机倒溜速度w_k模糊变量的词集选为：

{负较快，负快，负慢，正慢，正快，正较快}

相应速度论域

所属的模糊集合表示为：

{NB,NM,NS,PS,PM,PB}；

描述当前电机倒溜加速度α_k模糊变量的词集选为：

{负，中，正}

相应加速度论域

所属的模糊集合表示为：

{N,Z,P}；

描述输出变量为k_t模糊变量的词集选为：

{负较快，负快，负慢，正慢，正快，正较快}

相应的模糊输出

所属的模糊集合表示为：

{NB,NM,NS,PS,PM,PB}；

速度论域上的模糊集合的隶属度函数解析式为：

加速度论域

上的模糊集合的隶属度函数解析式为：

模糊输出上的模糊集合的隶属度函数解析式为：

其中μ表示相应变量论域对相应模糊集合的隶属度，例如

表示

对模糊集合PB的隶属度，

表示

对模糊集合NB的隶属度；

模糊推理规则R_i为：

若

为且

为

则

为

其中

代表速度论域

所隶属的模糊集合，

代表加速度论域

所隶属的模糊集合，

代表模糊输出

所隶属的模糊集合，其中i=1,2,…,18，j,m=1,2,…,6，k=1,2,3；

采用中心平均解模糊器来获得模糊控制的模糊输出

$\tilde{u}=\frac{\mathrm{\&Sigma;\&mu;}\left({\tilde{U}}_i\right)\&CenterDot;u_i}{\mathrm{\&Sigma;\&mu;}\left({\tilde{U}}_i\right)}$

其中u_i为相应模糊子集的中心，

为相应模糊子集的高度。

表1为模糊推理规则：

表1

表1中括号内的1至18为相应规则代号，例如PM(1)为规则R₁，NM(14)为规则R₁₄。

具体实施方式八：本实施方式对实施方式七作进一步说明，

当输入模糊控制器的当前电机倒溜速度w_k为0.125弧度每秒，当前电机倒溜加速度α_k为10弧度每秒的平方，经输入量化因子作用后

为2.5，

为0.5；

隶属于模糊子集NM和NS，隶属度均为0.5；

隶属于模糊子集Z，隶属度为1；

推理规则R₁₁和R₁₄被激活，根据推理规则R₁₁获得输出模糊集合NS的高度

$\mathrm{\&mu;}\left(\mathrm{NS}\left(\tilde{u}\right)\right)=\min \{{\mathrm{\&mu;}}_{\mathrm{PS}}\left(\tilde{e}\right),{\mathrm{\&mu;}}_Z\left(\tilde{c}\tilde{e}\right)\}=\min \left\{\mathrm{0.5,1}\right\}=0.5,$

根据推理规则R₁₄获得输出模糊集合NM的高度

$\mathrm{\&mu;}\left(\mathrm{NM}\left(\tilde{u}\right)\right)=\min \{{\mathrm{\&mu;}}_{\mathrm{PM}}\left(\tilde{e}\right),{\mathrm{\&mu;}}_Z\left(\tilde{c}\tilde{e}\right)\}=\min \left\{\mathrm{0.5,1}\right\}=0.5,$

由于输出量的模糊集合NS和NM的中心分别为-1.5和-3.5，根据中心平均解模糊器运算规则计算获得模糊输出

为：

$\tilde{u}=\frac{0.5\&times;(-1.5)+0.5\&times;(-3.5)}{0.5+0.5}=-2.5,$

模糊输出

与相应输出比例因子K_u相乘获得输出变量k_t：

k_t=(-2.5)·(2%I_N)=-5%I_N。

具体实施方式九：下面结合图1至图6说明本实施方式，本实施方式对实施方式八作进一步说明，摩擦力校正模式为：在步骤三一中，当前电机倒溜距离θ_m>ε时，则在步骤三二中摩擦力校正模式使能时，△i_f=-4%I_N；△i_f为摩擦力校正控制模式的输出；

若在步骤三一中倒溜距离满足条件θ_m<-ε时，则在步骤三三中摩擦力校正控制模式使能时，△i_f=4%I_N。

本发明方法在现有电梯控制系统电流环的基础上，增加了根据电机倒溜信息进行补偿的电磁转矩模糊自调节环节，其中模糊自调节包括模糊控制和摩擦力矩校正两种控制模式，这使整个电梯系统的响应更加迅速。

在图4中，模糊自调节环节中的输出经过积分后获得

速度PI调节器的输出为

电流环的给定为

当模糊自调节环节使能时，速度PI调节器的输出保持

不变。倒溜距离阈值ε和倒溜速度阈值△分别取为0.06mm和0.008弧度每秒。其中曳引机的曳引轮直径为60mm。模糊自调节环节包括模糊补偿控制模式和摩擦力校正控制模式。两种控制模式的输出k_t和△i_f作和获得模糊自调节环节输出

Claims (9)

1.一种电梯永磁曳引系统无称重传感器自适应起动转矩补偿方法，其特征在于，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正余弦编码器作为位置传感器，它包括以下步骤：

步骤一：永磁同步电机运行过程中，采用微处理器采集正余弦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，所述微处理器对两路正交信号作滞环比较获得增量计数值CNT，再对增量计数值CNT进行修正获得增量计数修正值CNTU，再根据增量计数修正值CNTU计算获得当前永磁同步电机转子位置值θ；

步骤二：根据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_m、当前电机倒溜速度w_k及当前电机倒溜加速度α_k；

步骤三：根据当前电机倒溜距离θ_m、当前电机倒溜速度w_k及当前电机倒溜加速度α_k确定电机起动转矩补偿方式，对永磁同步电机的起动转矩进行自适应补偿。

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自适应起动转矩补偿方法，其特征在于，步骤一中对增量计数值CNT进行修正获得增量计数修正值CNTU的具体方法为：

微处理器首次采集正余弦编码器输出的位置信号A和位置信号B时，首先将增量计数值CNT、增量计数修正值CNTU和前一采样周期的增量计数值CNTOLD置零；然后对位置信号A和位置信号B做反正切计算获得细分值θ_div，再根据细分值θ_div和增量计数修正值CNTU计算获得永磁同步电机转子位置值θ；将增量计数值CNT赋值给前一采样周期的增量计数值CNTOLD；

微处理器非首次采集正余弦编码器输出的位置信号A和位置信号B时，首先根据位置信号A和位置信号B判断正余弦编码器采样的信号区间是否发生切换：

当正余弦编码器采样的信号区间未发生切换时，对位置信号A和位置信号B做反正切计算获得细分值θ_div，再根据细分值θ_div和增量计数修正值CNTU计算获得永磁同步电机转子位置值θ；将增量计数值CNT赋值给前一采样周期的增量计数值CNTOLD；

当正余弦编码器采样的信号区间发生切换时，判断增量计数值CNT和增量计数修正值CNTU是否相等：

当增量计数值CNT和增量计数修正值CNTU相等时，将增量计数值CNT赋值给增量计数修正值CNTU，然后对位置信号A和位置信号B做反正切计算获得细分值θ_div，再根据细分值θ_div和增量计数修正值CNTU计算获得永磁同步电机转子位置值θ；将增量计数值CNT赋值给前一采样周期的增量计数值CNTOLD；

当增量计数值CNT和增量计数修正值CNTU不相等时，根据正余弦编码器采样的信号区间切换的顺序，判断永磁同步电机的转向：

若永磁同步电机为正转，将增量计数值CNT加1赋值给增量计数修正值CNTU，设定CNT等于M-1时，则CNT加1后得0；然后对位置信号A和位置信号B做反正切计算获得细分值θ_div，再根据细分值θ_div和增量计数修正值CNTU计算获得永磁同步电机转子位置值θ；将增量计数值CNT赋值给前一采样周期的增量计数值CNTOLD；

若永磁同步电机为反转，则将增量计数值CNT减1赋值给增量计数修正值CNTU，设定CNT等于0时，CNT减1后得M-1；然后对位置信号A和位置信号B做反正切计算获得细分值θ_div，再根据细分值θ_div和增量计数修正值CNTU计算获得永磁同步电机转子位置值θ；将增量计数值CNT赋值给前一采样周期的增量计数值CNTOLD；

其中M为正余弦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自适应起动转矩补偿方法，其特征在于，判断永磁同步电机的转向的具体方法为：

正余弦编码器输出的位置信号A和位置信号B为周期性的正交信号，将其顺序分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ四个区间，其中Ⅰ区间内，位置信号A为正，位置信号B为正；其中Ⅱ区间内，位置信号A为负，位置信号B为正；其中Ⅲ区间内，位置信号A为负，位置信号B为负；其中Ⅳ区间内，位置信号A为正，位置信号B为负；

当正余弦编码器输出的位置信号A和位置信号B的区间切换顺序为：Ⅰ→Ⅱ、Ⅱ→Ⅲ、Ⅲ→Ⅳ或Ⅳ→Ⅰ时，判定永磁同步电机为正转；

当正余弦编码器输出的位置信号A和位置信号B的区间切换顺序为：Ⅳ→Ⅲ、Ⅲ→Ⅱ、Ⅱ→Ⅰ或Ⅰ→Ⅳ时，判定永磁同步电机为反转。

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自适应起动转矩补偿方法，其特征在于，永磁同步电机转子位置值θ的计算方法为：

$\mathrm{\&theta;}=\frac{2\mathrm{\&pi;}}{M}(\mathrm{CNTU}+{\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{div}}\&CenterDot;\frac{2}{\mathrm{\&pi;}})$

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自适应起动转矩补偿方法，其特征在于，

设定当前为第k个采样周期，其当前电机倒溜距离θ_m的获得方法为：

θ_m=θ_k-θ₁，

式中θ_k为根据正余弦编码器在第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为根据正余弦编码器在首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，当前电机倒溜速度w_k的获得方法为：

w_k=θ_k-θ_k-14，

式中θ_k-14为根据正余弦编码器在第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，w_k=0；

在第k个采样周期，当前电机倒溜加速度α_k的获得方法为：

α_k=w_k-w_k-7，

w_k-7为根据正余弦编码器在第k-7个采样周期采样的信号，计算获得的电机倒溜速度，其中k>14；若k≤14，则α_k=0。

6.根据权利要求5所述的电梯永磁曳引系统无称重传感器自适应起动转矩补偿方法，其特征在于，

步骤三中根据当前电机倒溜距离θ_m、当前电机倒溜速度w_k及当前电机倒溜加速度α_k确定电机起动转矩补偿方式，对永磁同步电机的起动转矩进行自适应补偿的具体方法为：

步骤三一：当当前电机倒溜距离θ_m>ε时，执行步骤三二；当当前电机倒溜距离θ_m<-ε时，执行步骤三三；否则速度环PI控制模式使能，返回步骤一；ε为预设置的倒溜距离阈值；

步骤三二：若w_k>△，电梯永磁曳引系统的模糊自调节中的模糊补偿模式使能；△为倒溜速度阈值；当w_k<-△/2时，电梯永磁曳引系统的模糊自调节中的摩擦力校正模式使能；当满足-△/2<w_k<△时，电梯永磁曳引系统的PI控制模式使能；然后执行步骤三四；

步骤三三：若w_k<-△，电梯永磁曳引系统的模糊自调节中的模糊补偿模式使能；当满足w_k>△/2时，电梯永磁曳引系统的模糊自调节中的摩擦力校正模式使能；当满足-△<w_k<△/2时，电梯永磁曳引系统的PI控制模式使能；然后执行步骤三四；

步骤三四：判断电梯永磁曳引系统零伺服是否结束，若是，则结束补偿，实现对永磁同步电机的起动转矩的自适应补偿；否则，计算当前电机倒溜速度w_k及当前电机倒溜加速度α_k，若当前电机倒溜速度w_k大于零，则返回步骤三二，否则返回步骤三三。

7.根据权利要求6所述的电梯永磁曳引系统无称重传感器自适应起动转矩补偿方法，其特征在于，

所述模糊补偿模式为一个双变量输入单变量输出的模糊控制器：其输入变量为当前电机倒溜速度w_k及当前电机倒溜加速度α_k，输出变量为k_t，k_t为近似电磁转矩变化率；当前电机倒溜速度w_k经速度输入量化因子K_e作用后，映射到速度论域

当前电机倒溜加速度α_k经加速度输入量化因子K_ce作用后，映射到加速度论域

模糊输出

经输出比例因子K_u作用获得输出变量k_t；

当前电机倒溜速度w_k的基本论域范围为[-0.048,-0.008]和[0.008,0.048]弧度每秒，当前电机倒溜加速度α_k的基本论域范围为[-60,60]弧度每秒的平方，输出变量k_t的基本论域范围为[-0.12%I_N,-0.02%I_N]∪[0.02%I_N,0.12%I_N]，其中I_N为曳引机的额定电流；其中K_e取为20，K_ce取为0.05，K_u取为0.02%I_N；

速度论域

的范围为[-6,-1]∪[1,6]，加速度论域

的范围为[-3,-3]；模糊输出

的论域范围为[-6,-1]∪[1,6]；

描述当前电机倒溜速度w_k模糊变量的词集选为：

{负较快，负快，负慢，正慢，正快，正较快}

相应速度论域

所属的模糊集合表示为：

{NB,NM,NS,PS,PM,PB}；

描述当前电机倒溜加速度α_k模糊变量的词集选为：

{负，中，正}

相应加速度论域

所属的模糊集合表示为：

{N,Z,P}；

描述输出变量为k_t模糊变量的词集选为：

{负较快，负快，负慢，正慢，正快，正较快}

相应的模糊输出所属的模糊集合表示为：

{NB,NM,NS,PS,PM,PB}；

速度论域

上的模糊集合的隶属度函数解析式为：

加速度论域

上的模糊集合的隶属度函数解析式为：

模糊输出

上的模糊集合的隶属度函数解析式为：

其中μ表示相应变量论域对相应模糊集合的隶属度，

模糊推理规则R_i为：

若

为

且

为

则

为

其中代表速度论域

所隶属的模糊集合，

代表加速度论域

所隶属的模糊集合，

代表模糊输出

所隶属的模糊集合，其中i=1,2,…,18，j,m=1,2,…,6，k=1,2,3；

采用中心平均解模糊器来获得模糊控制的模糊输出

$\tilde{u}=\frac{\mathrm{\&Sigma;\&mu;}\left({\tilde{U}}_i\right)\&CenterDot;u_i}{\mathrm{\&Sigma;\&mu;}\left({\tilde{U}}_i\right)}$

其中u_i为相应模糊子集的中心，为相应模糊子集的高度。

8.根据权利要求7所述的电梯永磁曳引系统无称重传感器自适应起动转矩补偿方法，其特征在于，

当输入模糊控制器的当前电机倒溜速度w_k为0.125弧度每秒，当前电机倒溜加速度α_k为10弧度每秒的平方，经输入量化因子作用后

为2.5，

为0.5；

隶属于模糊子集NM和NS，隶属度均为0.5；

隶属于模糊子集Z，隶属度为1；

推理规则R₁₁和R₁₄被激活，根据推理规则R₁₁获得输出模糊集合NS的高度

$\mathrm{\&mu;}\left(\mathrm{NS}\left(\tilde{u}\right)\right)=\min \{{\mathrm{\&mu;}}_{\mathrm{PS}}\left(\tilde{e}\right),{\mathrm{\&mu;}}_Z\left(\tilde{c}\tilde{e}\right)\}=\min \left\{\mathrm{0.5,1}\right\}=0.5,$

根据推理规则R₁₄获得输出模糊集合NM的高度

$\mathrm{\&mu;}\left(\mathrm{NM}\left(\tilde{u}\right)\right)=\min \{{\mathrm{\&mu;}}_{\mathrm{PM}}\left(\tilde{e}\right),{\mathrm{\&mu;}}_Z\left(\tilde{c}\tilde{e}\right)\}=\min \left\{\mathrm{0.5,1}\right\}=0.5,$

由于输出量的模糊集合NS和NM的中心分别为-1.5和-3.5，根据中心平均解模糊器运算规则计算获得模糊输出

为：

$\tilde{u}=\frac{0.5\&times;(-1.5)+0.5\&times;(-3.5)}{0.5+0.5}=-2.5,$

模糊输出

与相应输出比例因子K_u相乘获得输出变量k_t：

k_t=(-2.5)·(2%I_N)=-5%I_N。

9.根据权利要求8所述的电梯永磁曳引系统无称重传感器自适应起动转矩补偿方法，其特征在于，

摩擦力校正模式为：在步骤三一中，当前电机倒溜距离θ_m>ε时，则在步骤三二中摩擦力校正模式使能时，△i_f=-4%I_N；△i_f为摩擦力校正控制模式的输出；

若在步骤三一中倒溜距离满足条件θ_m<-ε时，则在步骤三三中摩擦力校正控制模式使能时，△i_f=4%I_N。

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