TWI792675B - 升降系統之干擾轉矩估測與補償方法 - Google Patents

Abstract

一種升降系統之干擾轉矩估測與補償方法，應用於驅動升降系統之馬達。馬達驅動曳引輪而使曳引輪轉動，曳引輪兩端透過鋼索以帶動車廂在井道內上、下移動。該估測與補償方法包含：首先，控制車廂在井道內的起始位置往返於井道的頂部與底部上、下移動過程中，對馬達的速度持續進行積分，若計算速度所得的積分值為負值，則指定積分值為零，以獲得車廂於井道內上、下移動的最大行程位置。然後，控制馬達定速運轉時，依據起始位置與最大行程位置，對鋼索的鋼索負載常數進行估測，並依據最大行程位置、鋼索負載常數以及馬達當前之位置計算鋼索負載轉矩。然後，控制馬達零速運轉時，依據車廂的車廂重量與配重塊重量對車廂及配重塊負載轉矩進行估測。最後，依據鋼索負載轉矩以及車廂及配重塊負載轉矩，估測干擾轉矩，且依據干擾轉矩對馬達進行前饋補償。

Description

升降系統之干擾轉矩估測與補償方法

本發明係有關一種升降系統之干擾轉矩估測與補償方法，尤指一種根據鋼索負載轉矩以及車廂及配重塊負載轉矩估測干擾轉矩，且依據干擾轉矩對馬達進行前饋補償的升降系統之干擾轉矩估測與補償方法。

電動機(例如馬達)搭配變頻器驅動，已廣泛的使用於電梯、天車及倉儲等升降系統。其中，為了使提升驅動系統的運轉性能，一般會使用該系統的相關機械參數進行速度控制器設計，以滿足運轉時的性能需求。

以電梯系統為例，由於車廂所在的樓層不同，其鋼纜的長度亦不同。使車廂在移動的過程中，鋼纜長度的變化，對於控制器而言產生了變動的干擾轉矩，影響控制性能及乘感。

為此，如何設計出一種升降系統之干擾轉矩估測與補償方法，尤指一種根據鋼索負載轉矩以及車廂及配重塊負載轉矩估測干擾轉矩，且依據干擾轉矩對馬達進行前饋補償的升降系統之干擾轉矩估測與補償方法，解決現有技術所存在的問題與技術瓶頸，乃為本案發明人所研究的重要課題。

本發明之一目的在於提供一種升降系統之干擾轉矩估測與補償方法，解決現有技術之問題。

為達成前揭目的，本發明所提出的升降系統之干擾轉矩估測與補償方法應用於驅動升降系統之馬達。馬達驅動曳引輪而使曳引輪轉動，曳引輪兩端透過鋼索以帶動車廂在井道內上、下移動。該估測與補償方法包含：首先，控制車廂在井道內的起始位置往返於井道的頂部與底部上、下移動過程中，對馬達的速度持續進行積分，若計算速度所得的積分值為負值，則指定積分值為零，以獲得車廂於井道內上、下移動的最大行程位置。然後，控制馬達定速運轉時，依據起始位置與最大行程位置，對鋼索的鋼索負載常數進行估測，並且依據最大行程位置、鋼索負載常數以及馬達當前之位置計算鋼索相對於馬達的鋼索負載轉矩。然後，控制馬達零速運轉時，依據車廂的車廂重量與配重塊重量相對馬達的車廂及配重塊負載轉矩進行估測。最後，依據鋼索負載轉矩以及車廂及配重塊負載轉矩，估測相對馬達的干擾轉矩，且依據干擾轉矩對馬達進行前饋補償。

在一實施例中，在獲得井道的最大行程位置的步驟中包含：當車廂從起始位置移動至頂部過程中持續計算積分值，若計算速度所得的積分值為負值，則指定積分值為零；當車廂移動至頂部後，接著控制車廂反向移動至底部移動過程中持續計算積分值，並於車廂移動至底部時，計算速度所得的積分值具有最大值，最大值即為最大行程位置。

在一實施例中，在獲得井道的最大行程位置的步驟中包含：當車廂從起始位置往底部移動過程中，持續計算並更新速度所得的積分值；當車廂移動至底部後，接著控制車廂反向移動至頂部移動過程中持續計算積分值，若計算速度所得的積分值為負值，則指定積分值為零；當車廂移動至頂部後，接著控制 車廂反向移動至底部，並於車廂移動至底部時計算速度所得的積分值具有最大值，最大值即為最大行程位置。

在一實施例中，在依據干擾轉矩對馬達進行前饋補償的步驟中包含：依據鋼索負載轉矩以及車廂及配重塊負載轉矩，估測干擾轉矩；依據干擾轉矩計算對馬達進行前饋補償的補償轉矩；以及依據補償轉矩於零速控制下，於時間區間完成前饋補償。

在一實施例中，時間區間為當前時間與升降系統的放閘時間的差值，在時間區間完成前饋補償的步驟中包含：依據補償轉矩、時間區間計算補償電流斜率，並依據補償電流斜率於時間區間完成補償轉矩的前饋補償。

在一實施例中，估測干擾轉矩係操作於車廂為空車時。

在一實施例中，車廂更包括重量感測器用以感測因乘客體重產生的乘客負載轉矩，依據鋼索負載轉矩、車廂及配重塊負載轉矩以及乘客負載轉矩，估測相對馬達的干擾轉矩。

本發明之另一目的在於提供一種升降系統之干擾轉矩估測與補償方法，解決現有技術之問題。

為達成前揭目的，本發明所提出的升降系統之干擾轉矩估測與補償方法應用於驅動升降系統之馬達。馬達驅動曳引輪而使曳引輪轉動，曳引輪兩端透過鋼索以帶動車廂在井道內上、下移動。該估測與補償方法包含：首先，控制車廂在井道內的起始位置往返於井道的頂部與底部上、下移動過程中，對馬達的速度持續進行積分，若計算速度所得的積分值為負值，則將積分值進行絕對值運算，以獲得車廂於井道內上、下移動的最大行程位置。然後，控制馬達定速運轉時，依據起始位置與最大行程位置，對鋼索的鋼索負載常數進行估測，並且依據最大行程位置、鋼索負載常數以及馬達當前之位置計算鋼索相對於馬達的鋼索負載轉矩。然後，控制馬達零速運轉時，依據車廂的車廂重量與配重塊重量相 對馬達的車廂及配重塊負載轉矩進行估測。最後，依據鋼索負載轉矩以及車廂及配重塊負載轉矩，估測相對馬達的干擾轉矩，且依據干擾轉矩對馬達進行前饋補償。

在一實施例中，在獲得井道的最大行程位置的步驟中包含：當車廂從起始位置移動至頂部過程中持續計算積分值，若計算速度所得的積分值為負值，則將積分值進行絕對值運算，當車廂移動至頂部後，紀錄該積分值為上行位置；接著控制車廂反向移動，當車廂移動再次經過起始位置時，開始持續計算並更新速度所得的積分值，直到車廂移動至底部後，紀錄積分值為下行位置；依據上行位置與下行位置加總計算以獲得最大行程位置。

在一實施例中，在獲得井道的最大行程位置的步驟中包含：當車廂從起始位置往底部移動過程中，持續計算並更新速度所得的積分值，當車廂移動至底部後，紀錄積分值為下行位置；接著控制車廂反向移動，當車廂移動再次經過起始位置時，開始持續計算並更新速度所得的積分值，若計算速度所得的積分值為負值，則將積分值進行絕對值運算，直到車廂移動至頂部後，紀錄積分值為上行位置；依據上行位置與下行位置加總計算以獲得最大行程位置。

藉由所提出的升降系統之干擾轉矩估測與補償方法，設計不同的負載轉矩估測器，包括：(a)車廂樓層估測、(b)鋼索負載常數估測用於鋼索曳引兩側不平衡負載轉矩估測以及(c)車廂、配重塊重量不平衡負載轉矩估測。可於車廂放閘前以及鋼索在行進過程中會隨著車廂高度變化而產生曳引兩側的繩長變化的情形進行轉矩估測，因此，可透過鋼索負載估測直接在行進過程中進行轉矩前饋補償，以降低干擾轉矩對速度控制器的影響。此外，透過放閘前的前饋轉矩補償，可有效降低放閘後電流瞬間變化產生的噪音，有效提升乘感。

為了能更進一步瞭解本發明為達成預定目的所採取之技術、手段及功效，請參閱以下有關本發明之詳細說明與附圖，相信本發明之目的、特徵與 特點，當可由此得一深入且具體之瞭解，然而所附圖式僅提供參考與說明用，並非用來對本發明加以限制者。

100:車廂

102:曳引輪

104:配重輪

106:配重塊

200:井道

T_Mech:機械干擾量

S11~S14:步驟

S21~S24:步驟

圖1A：係為本發明升降系統之示意圖。

圖1B：係為本發明升降系統的干擾轉矩隨車廂位置變化之示意圖。

圖2：係為本發明一階閉迴路速度控制架構之方塊圖。

圖3A：係為本發明升降系統之干擾轉矩估測與補償方法之第一實施例的流程圖。

圖3B：係為本發明升降系統之干擾轉矩估測與補償方法之第二實施例的流程圖。

圖3C：係為本發明升降系統的前饋補償方法之示意圖。

圖4：係為本發明最大行程位置運算的第一實施例之方塊圖。

圖5：係為本發明獲得最大行程位置的第一實施例的第一種實施方式之波形示意圖。

圖6：係為本發明獲得最大行程位置的第一實施例的第二種實施方式之波形示意圖。

圖7：係為本發明最大行程位置運算的第二實施例之方塊圖。

圖8：係為本發明獲得最大行程位置的第二實施例的第一種實施方式之波形示意圖。

圖9：係為本發明獲得最大行程位置的第二實施例的第二種實施方式之波形示意圖。

圖10：係為本發明馬達驅動系統的方塊圖。

茲有關本發明之技術內容及詳細說明，配合圖式說明如下。

請參見圖1A與圖1B所示，其係分別為本發明升降系統之示意圖以及本發明升降系統的干擾轉矩隨車廂位置變化之示意圖。在本發明中，係以電梯系統作為升降系統之舉例說明，然不以此為限制本發明，即若為天(吊)車系統亦可行。所述電梯系統主要可包含設置於井道200內的車廂100、曳引輪(traction wheel)102、配重輪(counterweight wheel)104及配重塊(counterweight)106。其中，曳引輪102係透過馬達驅動而轉動，以致車廂100透過曳引輪102上懸掛的鋼索(或稱鋼纜)的帶動在井道200內上、下移動，鋼索兩端分別與車廂100及配重塊106機械連接。其中，由於車廂100在不同樓層位置上、下移動，使得鋼索於馬達曳引兩側的長度不同而致兩側的繩重不同，因此會相對馬達運轉產生干擾轉矩，例如，車廂100在比較低的樓層，車廂100側的鋼索長度較長，亦即車廂100側的鋼索的負載較重；反之，車廂100在比較高的樓層，配重塊106側的鋼索長度較長，因此配合配重塊106側的鋼索的負載較重。如圖1A所示，對於帶動曳引輪102的馬達而言，車廂100在左側、配重塊106在右側，兩者給予馬達的負載不隨時間變化，只有當車廂100在井道200內的位置隨時間改變時，車廂100因為高度變化而致相對曳引輪102兩側的鋼索繩長出現變化，而有來自於曳引輪102兩側的鋼索繩重變化及繩重差異造成相對馬達的干擾轉矩變化。具體地，可參見圖1B由上往下所示，係分別為相對馬達的配重塊負載與車廂位置θ _a 的關 係、車廂負載與車廂位置θ _a 的關係、鋼纜負載與車廂位置θ _a 的關係以及總(干擾)負載與車廂位置θ _a 的關係。故此，本發明的目的在於根據車廂100在不同樓層位置，判斷鋼索長度的狀況相對於馬達估測的鋼索負載轉矩，並且根據車廂100與配重塊106的重量差異估測相對馬達的車廂及配重塊負載轉矩等，可估測得知升降系統相對於馬達的干擾轉矩大小，並且依據干擾轉矩對馬達進行前饋補償，即馬達開始運轉前所提供的補償，使得馬達在啟動與運轉時能夠更為順暢。

請參見圖2所示，其係為本發明一階閉迴路速度控制架構之方塊圖。所述閉迴路速度控制架構包含一速度控制器，以輸出一控制量，對一待控體進行控制。其中，在本實施例中，待控體可以是馬達，以一階閉迴路控制系統所示意。其中，馬達輸出的轉矩需要先克服機械干擾量T_Mech，再進行對系統的控制運作。因此，若能先針對機械干擾量T_Mech進行估測以及補償，所剩下的負載變化狀況即為出入電梯的乘客重量。換言之，廣義的機械干擾量T_Mech可包含鋼索的不平衡轉矩、車廂100的負載轉矩、配重塊106的負載轉矩、電梯內乘客的重量造成相對馬達的干擾轉矩，然而，由於車廂100內乘客的重量是不可或不易估測的變化量，因此，可透過將電梯系統建置完成後的鋼索、車廂100、配重塊106等固定的機械部分造成的干擾轉矩先予以估測並且進行預補償，以簡化後續的控制。

請參見圖3A，其係為本發明升降系統之干擾轉矩估測與補償方法之第一實施例的流程圖。所述干擾轉矩估測與補償方法應用於驅動所述升降系統之馬達。估測與補償方法包含步驟如下。

首先，控制車廂100在井道200內的起始位置θ _a0往返於井道200的頂部與底部上、下移動過程中，對馬達回授的速度ω _m 持續進行積分，若計算速度ω _m 所得的積分值為負值，則指定積分值為零，以獲得車廂100於井道200內上、下移動的最大行程位置θ _Max (S11)。換言之，步驟(S11)主要用以獲得井道 200的最大行程位置θ _Max 的資訊。本發明的第一實施例提出兩種具體的實施方式用以獲得最大行程位置θ _Max 的資訊，容後逐一說明。然後，控制馬達定速運轉時，依據起始位置θ _a0與最大行程位置θ _Max ，對鋼索的鋼索負載常數進行估測，並依據最大行程位置θ _Max 、鋼索負載常數以及馬達當前之位置θ _a 計算鋼索相對於馬達的鋼索負載轉矩(S12)。然後，控制馬達零速運轉時，依據車廂100的車廂重量與配重塊106的重量相對馬達的車廂及配重塊負載轉矩進行估測(S13)。最後，根據鋼索負載轉矩以及車廂及配重塊負載轉矩估測相對馬達的干擾轉矩，且依據干擾轉矩對馬達進行前饋補償(S14)。以上，步驟(S11)~(S14)將於文後配合圖式加以詳細說明。

此外，如圖3B所示，其係為本發明升降系統之干擾轉矩估測與補償方法之第二實施例的流程圖。相較於本發明的第一實施例(參見圖3A)，第二實施例僅為步驟S21與步驟S11不同，其餘的步驟則相同對應。其中，第二實施例的步驟S21為：控制車廂100在井道200內的起始位置θ _a0往返於井道200的頂部與底部上、下移動過程中，對馬達回授的速度ω _m 持續進行積分，若計算速度ω _m 所得的積分值為負值，則將積分值進行絕對值運算，以獲得車廂100於井道200內上、下移動的最大行程位置θ _Max (S21)

如圖3C所示，其係為本發明升降系統的前饋補償方法之示意圖。對於前饋補償而言，若無前饋補償，在放閘後需瞬間輸出大電流，將具有較大的電流斜率，而產生電磁噪音；反之，若補償的時間過晚，例如於放閘後才作電流規劃，則來不及補償足夠的轉矩使車廂產生溜車情形。因此，本發明前饋補償的方式為：依據鋼索負載轉矩以及車廂及配重塊負載轉矩估測干擾轉矩；然後，依據干擾轉矩計算對馬達進行前饋補償的補償轉矩(約於時間t1至t2之間完成)；以及依據補償轉矩於零速控制下，於時間區間完成前饋補償(約於時間t2至t3之間完成)。具體地，依據補償轉矩、時間區間計算補償電流斜率，依據補償電流 斜率於時間區間補償電流以完成補償轉矩的前饋補償。其中時間區間為當前時間與升降系統的放閘時間的差值。經由上述方式可使轉矩的前饋補償方式不會於放閘前瞬間完成或放閘後過晚進行，且規劃補償電流的施加方式和緩，可將低噪音並且避免溜車。

承前所述，由於本發明係以變頻器為主進行馬達控制，然而變頻器並無法獲得車廂100所在樓層的資訊，因此，僅能透過井道200長度(距離)、馬達轉速…等資訊估測車廂100的最大行程位置θ _Max 。再者，因為鋼索兩側長度差異產生的負載轉矩與車廂位置有關，一般的控制方式變頻器無法得知車廂實際位置，故在進行鋼索負載轉矩估測及補償前，須先進行車廂100的位置估測。

在不考慮鋼索打滑的前提下，車廂100移動的距離與馬達曳引轉動的角度相同，故將馬達的轉速進行積分，即可獲得車廂100移動位置估測值，表示為式(1)：ʃω _m dt=θ _a +θ _a0 式(1)

其中，θ _a 為車廂100所在當前位置、θ _a0為車廂100初始位置(或稱起始位置)、ω _m 為馬達的當前轉速。故此，透過式(1)對馬達轉速進行積分運算，可獲得車廂100位置估測值。因此，可以不需要得知機械設備的參數值(例如曳引輪102的輪徑、配重輪104的輪徑…等)，並且可省略其圓周運動轉直線運動換算的計算。

以下，針對步驟(S11)，即獲得車廂100於井道200的最大行程位置θ _Max 的不同實施例加以說明。

第一實施例的第一種實施方式

配合參見圖4與圖5，其係分別為本發明最大行程位置運算的第一實施例之方塊圖與獲得最大行程位置的第一實施例的第一種實施方式之波形 示意圖，並請參考圖3A。在步驟(S11)可包含詳細步驟為：當車廂100從起始位置θ _a0移動至井道200頂部過程中，若即時計算馬達速度ω _m 所得的積分值為負值，則指定該積分值為零，並於車廂100移動過程持續依據馬達速度計算積分值。

然後，當車廂100移動至頂部後，接著控制車廂100反向移動至井道200底部，並於車廂100移動至底部時計算馬達速度ω _m 得到的積分值具有最大值，所述積分值的最大值即為車廂100於井道200上、下移動的最大行程位置θ _Max 。

藉此，由於車廂100於井道200的最大行走距離固定，因此來回一次頂、底樓的馬達速度積分須為零。利用這個特性，當即時計算所得積分值小於零即清除該積分值(即指定積分值為零)，如此一來，只要來回一次頂、底樓，即可將車廂100所在位置距離井道200頂部的距離消除，並獲得實際車廂100的起始位置θ _a0及最大行程位置θ _Max 。

如圖5所示，在此實施例進行計算的第一區間(即圖式的3樓到6樓)，起始位置θ _a0在3樓，並非井道200的實際頂樓(6樓)，將車廂100自起始位置θ _a0向上移動至頂樓時，即圖式的3樓到6樓移動過程，因車廂100持續向上，過程中馬達速度積分值始終小於零(負值)，故於過程中持續強制設定(指定)所得的積分值為零，以更新計算行程的實際零點。在進行計算的第二區間(即圖式的6樓到1樓過程)可看出，車廂100從頂樓出發向下移動至底樓時，過程中馬達速度積分始終大於零，並且最大行程位置θ _Max 隨著車廂100從6樓移動到1樓被持續更新其最大值，當完成第二區間的計算即可估測出對應車廂100移動時馬達相對的角度以及運轉的最大距離，亦即，當車廂100到達1樓時，所更新的該馬達速度積分的最大值即為最大行程位置θ _Max 。

第一實施例的第二種實施方式

配合參見圖4與圖6，其係分別為本發明最大行程位置運算的第一實施例之方塊圖與獲得最大行程位置的第一實施例的第二種實施方式之波形示意圖，並請參考圖3B。在步驟(S11)可包含詳細步驟為：當車廂100從起始位置θ _a0往井道200底部移動過程中，持續計算並更新馬達速度ω _m 所得的積分值。

然後，當車廂100移動至底部後，接著控制車廂100反向移動至井道200頂部，若即時計算馬達速度ω _m 所得的積分值為負值，則指定該積分值為零，並於車廂100移動過程持續依據馬達速度計算積分值。

然後，當車廂100移動至頂部後，接著控制車廂100再次反向移動至底部，並於車廂100移動至底部時計算馬達速度ω _m 所得的積分值具有最大值，所述最大值即為該最大行程位置θ _Max 。

藉此，由於車廂100於井道200的最大行走距離固定，因此來回一次頂、底樓的速度積分須為零。利用這個特性，當積分值小於零即清除積分值(即指定積分值為零)，如此一來，只要來回一次頂、底樓，即可將車廂100所在位置距離井道200頂部的距離消除，並獲得實際車廂100的起始位置θ _a0及最大行程位置θ _Max 。

如圖6所示，在此實施例進行計算的第一區間(即圖式的4樓到1樓過程)，起始位置θ _a0在4樓，並非井道200實際頂樓(6樓)，將車廂100移動至1樓時，將馬達速度進行積分可得該段行程的估測位置，同時更新位置的最大值。在進行計算的第二區間(即圖式的1樓到6樓過程)可看出，當馬達速度積分值小於零(負值)時，則強制設定(指定)積分值為零，以消除車廂100當前所在位置距離井道200頂部的距離θ _a 。在進行計算的第三區間(即圖式的6樓到1樓過程)從井道200實際頂樓(6樓)向下運行至底樓(1樓)，此過程速度積分始終大於零，並且最大行程位置θ _Max 隨著車廂100從6樓移動到1樓持續更新其最大值，可估 測出車廂100移動時馬達相對的角度以及運轉的最大距離，亦即，當車廂100到達1樓時，所更新的馬達速度積分的最大值即為最大行程位置θ _Max 。

第二實施例的第一種實施方式

配合參見圖7與圖8，其係分別為本發明最大行程位置運算的第二實施例之方塊圖與獲得最大行程位置的第二實施例的第一種實施方式之波形示意圖，並請參考圖3B。在步驟(S21)可包含詳細步驟為：當車廂100從起始位置θ _a0移動至井道200頂部過程中，若計算馬達速度ω _m 所得的積分值為負值，則將該積分值進行絕對值運算且持續計算並更新積分值，當車廂100移動至頂部後，紀錄對應此行程的積分值為上行位置θ _{MAX_u} 。附帶一提，圖7所示的方塊圖亦包含前述第一實施例的第一種實施方式與第二種實施方式的指定積分值為零與指定最大值為最大行程位置的運算。

接著控制車廂100反向移動，當車廂100移動再次經過起始位置θ _a0時，開始持續計算並更新馬達速度ω _m 所得的積分值，直到車廂100移動至底部後，紀錄對應此行程的積分值為下行位置θ _{MAX_d} 。然後，依據上行位置θ _{MAX_u} 與下行位置θ _{MAX_d} 以獲得加總的最大行程位置θ _Max 。

如圖8所示，在此實施例進行計算的第一區間(即圖式的3樓到6樓過程)，車廂100起始位置θ _a0在3樓，並非井道200實際頂樓(6樓)，將車廂100移動至頂樓時，因馬達速度積分值始終小於零(負值)，故強制設定(指定)起始位置θ _a0為零，記錄積分小於零的數值並進行處理求得車廂100所在位置距離井道200頂部的距離θ _a ，可立即修正最大行程位置θ _Max 。在進行計算的第二區間(即圖式的6樓到1樓過程)可看出，車廂100從頂樓出發向下移動時，馬達速度積分始終大於零，並且最大行程位置θ _Max 隨著車廂100從6樓移動到1樓持續更新其最大值，可估測出車廂100移動時馬達相對的角度以及運轉的最大距離。 須說明的是，此實施例的計算方式係當起始位置θ _a0大於最大行程位置θ _Max 時，修正最大行程位置θ _Max 。

第二實施例的第二種實施方式

配合參見圖7與圖9，其係分別為本發明最大行程位置運算的第二實施例之方塊圖與本發明獲得最大行程位置的第二實施例的第二種實施方式之波形示意圖，並請參考圖3B。在步驟(S21)可包含詳細步驟為：當該車廂100從該起始位置θ _a0往井道200底部移動過程中，持續計算並更新馬達速度ω _m 所得的積分值，當車廂100移動至底部後，紀錄對應此行程的積分值為下行位置θ _{MAX_d} 。

接著控制車廂100反向移動，當車廂100移動再次經過起始位置θ _a0時，開始持續計算並更新馬達速度ω _m 所得的積分值，且若計算馬達速度ω _m 所得的積分值為負值，則將該積分值進行絕對值運算且持續計算並更新積分值，直到車廂100移動至頂部後，紀錄對應此行程的積分值為上行位置θ _{MAX_u} 。然後，依據上行位置θ _{MAX_u} 與下行位置θ _{MAX_d} 以獲得加總的最大行程位置θ _Max 。

如圖9所示，在此實施例進行計算的第一區間(即圖式的4樓到1樓過程)，起始位置θ _a0在4樓，並非井道200實際頂樓(6樓)，將車廂100移動至1樓時，將馬達速度進行積分可得估測起始位置θ _a0，同時更新位置最大行程位置θ _Max 。在進行計算的第二區間(即圖式的1樓到6樓過程)可看出，當速度積分值小於零(負值)時，則強制設定(指定)起始位置θ _a0為零，並記錄積分小於零的數值並進行處理，可求得車廂100所在位置距離井道200頂部的距離θ _a ，可即時修正最大行程位置θ _Max 。亦即，當車廂100到達6樓時，所更新的最大值即為最大行程位置θ _Max 。

再者，對於步驟(S12)或步驟(S22)，即控制馬達定速運轉時，依據起始位置θ _a0與最大行程位置θ _max ，對鋼索負載常數進行估測的具體說明如下。

考慮鋼索長度變化的馬達機械運動方程式可表示為式(2)：

其中，J _m 為轉動慣量、T _e 為馬達輸出轉矩、T _p 為乘客產生的負載轉矩、T _c 為車廂本體產生的負載轉矩、T _rc 及T _rw 分別為車廂側及配重塊側鋼索變化產生的負載轉矩、T _w 為配重塊產生的負載轉矩、B _m 為黏滯摩擦係數。

鋼索負載與車廂位置有關表示為式(3a)與式(3b)：T _rc =K _r θ _a 式(3a)

T _rw =K _r (θ _Max -θ _a ) 式(3b)

其中，Kr為鋼索負載常數。

將式(3a)、式(3b)代入式(2)可得：

化簡後可得：

由於步驟(S12)或步驟(S22)為控制馬達定速運轉時進行鋼索相對於馬達曳引兩側的鋼索干擾轉矩估測，因此式(5)可改寫為：0=T _e +T _p +T _c +K _r (2θ _a -θ _Max )-T _w -B _m ω _m 式(6)

移項整理後，可得馬達輸出轉矩為：T _e =-T _p -T _c -K _r (2θ _a -θ _Max )+T _w +B _m ω _m 式(7)

接著將輸出轉矩對角度微分，可得：

將上式整理後，可得鋼索負載常數為：

再者，對於步驟(S13)或步驟(S23)，即控制馬達零速運轉時，依據車廂重量與配重塊重量相對馬達的車廂及配重塊負載轉矩進行估測，以及步驟(S14)或步驟(S24)，即根據最大行程位置θ _max 、鋼索負載常數估測的鋼索負載轉矩以及車廂及配重塊負載轉矩估測相對馬達的干擾轉矩，且依據干擾轉矩對馬達進行前饋補償的具體說明如下。

沿用式(5)考慮鋼索長度變化的轉矩方程式為：

其中T _c 與T _w 的總和即為車廂及配重塊負載轉矩，K _r (2θ _a -θ _Max )即為鋼索負載轉矩；而在空車(無人員搭乘，亦即T _p =0)，進行馬達零速控制時即無需再估測搭乘的乘客重量相對馬達造成的干擾轉矩，式(10)可簡化並改寫為：0=T _e +T _c +K _r (2θ _a -θ _Max )-T _w 式(11)

移項整理後，可得總和的車廂及配重塊負載轉矩為：T _c -T _w =-T _e -K _r (2θ _a -θ _Max ) 式(12)

故此，以式(1)進行車廂位置估測，可表示為：

以式(9)進行鋼索負載常數估算，可表示為：

以式(12)進行總和的車廂及配重塊負載轉矩估測，表示為：

在一實施例中，設定放閘前轉矩前饋補償為：

總轉矩命令可表示為：

其中，式(17)對於前饋補償量的運算，可配合參見圖10左上部分的局部方塊示意圖。以式(17)總轉矩命令進行轉矩控制(即令

)，並將計算的T _e 代入式(2)的系統運動方程式可表示為：

當估測值與實際值相當接近時，式(18)可簡化為：

在另一實施例中，若車廂具有重量感測器(load cell)，則可準確估測車廂100中所搭乘的乘客的體重，及計算因乘客體重相對馬達產生的乘客負載轉矩，則式(16)放閘前轉矩前饋補償可改寫為：

總轉矩命令可表示為：

當估測值與實際值相當接近時，上式可簡化為：

請參見圖10所示，其係為本發明馬達驅動系統的方塊圖，包含馬達驅動所需的硬體與韌體(或軟體)的架構。在馬達驅動系統中，包含外環控制(即速度控制，用以控制馬達的轉速快慢)與內環控制(即電流控制，用以控制馬達的扭力值)。在外環控制中，速度控制器接收速度命令ω _m ^*，即接收到欲控制車廂100速度(對應馬達轉速)值的命令。配合位置感測器所提供的位置回授資訊，經由速度計算器可計算出車廂100的實際速度(即對應馬達的實際轉速)，且回授速度資訊至速度控制器。因此，根據速度命令ω _m ^*與速度回授，可獲得電流命令，即等效轉矩命令。

電流控制器接收電流命令與經由內環控制迴路的電流感測器所量測的感測電流的電流回授(感測電流透過電流變換器轉換為電流回授，其中，電流變換器係可為將abc三相靜止座標轉換至dq同步旋轉座標)，產生電壓命令。電壓命令透過PWM調變器(脈波寬度調變器)調變處理後產生閘極信號，進而控制逆變器(或稱變頻器)驅動馬達。

藉此，本發明提供不同的負載轉矩估測器，包括：(a)車廂樓層估測、(b)鋼索負載常數估測用於鋼索曳引兩側不平衡負載轉矩估測以及(c)車廂、配重塊重量不平衡負載轉矩估測。可於車廂放閘前以及鋼索在行進過程中會隨著高度變化，因此，可透過鋼索負載估測直接在行進過程中進行轉矩前饋補償，以降低干擾轉矩對速度控制器的影響。此外，透過放閘前的前饋轉矩補償，可有效降低放閘後電流瞬間變化產生的噪音，有效提升乘感。

以上所述，僅為本發明較佳具體實施例之詳細說明與圖式，惟本發明之特徵並不侷限於此，並非用以限制本發明，本發明之所有範圍應以下述之申請專利範圍為準，凡合於本發明申請專利範圍之精神與其類似變化之實施例， 皆應包含於本發明之範疇中，任何熟悉該項技藝者在本發明之領域內，可輕易思及之變化或修飾皆可涵蓋在以下本案之專利範圍。

S11~S14:步驟

Claims (14)

1. 一種升降系統之干擾轉矩估測與補償方法，應用於驅動一升降系統之一馬達，該馬達驅動一曳引輪而使該曳引輪轉動，該曳引輪兩端透過一鋼索以帶動一車廂在一井道內上、下移動，該干擾轉矩估測與補償方法包含：(a)、控制該車廂在該井道內的一起始位置往返於該井道的一頂部與一底部上、下移動過程中，對該馬達的一速度持續進行積分，若計算該速度所得的一積分值為負值，則指定該積分值為零，並且計算該速度所得的該積分值具有一最大值，以獲得該車廂於該井道內上、下移動的一最大行程位置；(b)、控制該馬達定速運轉時，依據該起始位置與該最大行程位置，對該鋼索的一鋼索負載常數進行估測，並依據該最大行程位置、該鋼索負載常數以及該馬達當前之一位置計算該鋼索相對於該馬達的一鋼索負載轉矩；(c)、控制該馬達零速運轉時，依據該車廂的一車廂重量與一配重塊重量相對該馬達的一車廂及配重塊負載轉矩進行估測；及(d)、依據該鋼索負載轉矩以及該車廂及配重塊負載轉矩，估測相對該馬達的一干擾轉矩，且依據該干擾轉矩對該馬達進行前饋補償。
2. 如請求項1所述之干擾轉矩估測與補償方法，其中該步驟(a)包含：(a1)、當該車廂從該起始位置移動至該頂部過程中持續計算該積分值，若計算該速度所得的該積分值為負值，則指定該積分值為零；及(a2)、當該車廂移動至該頂部後，接著控制該車廂反向移動至該底部移動過程中持續計算該積分值，並於該車廂移動至該底部時計算該速度所得的該積分值具有該最大值，該最大值即為該最大行程位置。
3. 如請求項1所述之干擾轉矩估測與補償方法，其中該步驟(a)包含：(a1)、當該車廂從該起始位置往該底部移動過程中，持續計算並更新該速度所得的該積分值；(a2)、當該車廂移動至該底部後，接著控制該車廂反向移動至該頂部移動過程中持續計算該積分值，若計算該速度所得的該積分值為負值，則指定該積分值為零；及(a3)、當該車廂移動至該頂部後，接著控制該車廂反向移動至該底部移動過程中持續計算該積分值，並於該車廂移動至該底部時計算該速度所得的該積分值具有該最大值，該最大值即為該最大行程位置。
4. 如請求項1所述之干擾轉矩估測與補償方法，其中該步驟(d)包含：(d1)、依據該鋼索負載轉矩以及該車廂及配重塊負載轉矩，估測該干擾轉矩；(d2)、依據該干擾轉矩計算對該馬達進行前饋補償的一補償轉矩；及(d3)、依據該補償轉矩於該零速控制下，於一時間區間完成前饋補償。
5. 如請求項4所述之干擾轉矩估測與補償方法，其中該時間區間為當前時間與該升降系統的一放閘時間的差值，該步驟(d3)係依據該補償轉矩、該時間區間計算一補償電流斜率，並依據該補償電流斜率於該時間區間完成該補償轉矩的前饋補償。
6. 如請求項1所述之干擾轉矩估測與補償方法，其中該步驟(d)係操作於該車廂為空車時。
7. 如請求項1所述之干擾轉矩估測與補償方法，該車廂更包括一重量感測器用以感測因乘客體重產生的一乘客負載轉矩，其中該步驟(d)係依據該鋼索負載轉矩、該車廂及配重塊負載轉矩以及該乘客負載轉矩，估測相對該馬達的該干擾轉矩。
8. 一種升降系統之干擾轉矩估測與補償方法，應用於驅動一升降系統之一馬達，該馬達驅動一曳引輪而使該曳引輪轉動，該曳引輪兩端透過一鋼索以帶動一車廂在一井道內上、下移動，該干擾轉矩估測與補償方法包含：(a)、控制該車廂在該井道內的一起始位置往返於該井道的一頂部與一底部上、下移動過程中，對該馬達的一速度持續進行積分，若計算該速度所得的一積分值為負值，則將該積分值進行絕對值運算，並且計算該速度所得的該積分值分別為一下行位置與一上行位置，以獲得該車廂於該井道內上、下移動的一最大行程位置；(b)、控制該馬達定速運轉時，依據該起始位置與該最大行程位置，對該鋼索的一鋼索負載常數進行估測，並依據該最大行程位置、該鋼索負載常數以及該馬達當前之一位置計算該鋼索相對於該馬達的一鋼索負載轉矩；(c)、控制該馬達零速運轉時，依據該車廂的一車廂重量與一配重塊重量相對該馬達的一車廂及配重塊負載轉矩進行估測；及(d)、依據該鋼索負載轉矩以及該車廂及配重塊負載轉矩，估測相對該馬達的一干擾轉矩，且依據該干擾轉矩對該馬達進行前饋補償。
9. 如請求項8所述之干擾轉矩估測與補償方法，其中該步驟(a)包含： (a1)、當該車廂從該起始位置移動至該頂部過程中持續計算並更新該積分值，若計算該速度所得的該積分值為負值，則將該積分值進行絕對值運算，當該車廂移動至該頂部後，紀錄該積分值為該上行位置；(a2)、接著控制該車廂反向移動，當該車廂移動再次經過該起始位置時，開始持續計算並更新該速度所得的該積分值，直到該車廂移動至該底部後，紀錄該積分值為該下行位置；及(a3)、依據該上行位置與該下行位置加總計算以獲得該最大行程位置。
10. 如請求項8所述之干擾轉矩估測與補償方法，其中該步驟(a)包含：(a1)、當該車廂從該起始位置往該底部移動過程中持續計算並更新該速度所得的該積分值，當該車廂移動至該底部後，紀錄該積分值為該下行位置；(a2)、接著控制該車廂反向移動，當該車廂再次移動經過該起始位置時，開始持續計算並更新該速度所得的該積分值，若計算該速度所得的該積分值為負值，則將該積分值進行絕對值運算，直到該車廂移動至該頂部後，紀錄該積分值為該上行位置；及(a3)、依據該上行位置與該下行位置加總計算以獲得該最大行程位置。
11. 如請求項8所述之干擾轉矩估測與補償方法，其中該步驟(d)包含：(d1)、依據該鋼索負載轉矩以及該車廂及配重塊負載轉矩，估測該干擾轉矩；(d2)、依據該干擾轉矩計算對該馬達進行前饋補償的一補償轉矩；及(d3)、依據該補償轉矩於該零速控制下，於一時間區間完成前饋補償。
12. 如請求項11所述之干擾轉矩估測與補償方法，其中該時間區間為當前時間與該升降系統的一放閘時間的差值，該步驟(d3)係依據該補償轉矩、該時間區間計算一補償電流斜率，並依據該補償電流斜率於該時間區間完成該補償轉矩的前饋補償。
13. 如請求項8所述之干擾轉矩估測與補償方法，其中該步驟(d)係操作於該車廂為空車時。
14. 如請求項8所述之干擾轉矩估測與補償方法，該車廂更包括一重量感測器用以感測因乘客體重產生的一乘客負載轉矩，其中該步驟(d)係依據該鋼索負載轉矩、該車廂及配重塊負載轉矩以及該乘客負載轉矩，估測相對該馬達的該干擾轉矩。

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