无齿直驱永磁同步曳引电梯驱动系统的关键技术研究

摘要

随着电力电子技术、数字处理技术以及控制理论的蓬勃发展，无齿直驱永磁同步曳引驱动系统以其优异的控制性能与简单可靠的结构形式在现代化的电梯行业中得到了广泛应用。经济生活水平的不断提高以及行业竞争的日益激烈，对电梯驱动系统在安全可靠性、乘梯舒适性和低成本易用性方面提出了更高的要求。本文以永磁同步曳引驱动系统为基础，从转子初始角度辨识、启动转矩快速补偿、双闭环系统控制技术和故障容错运行四个方面进行了深入的分析研究，实现安全、可靠、舒适和易用的电梯驱动器，主要的研究内容和成果如下：
　　以实现电梯安全启动与运行为出发点，着重研究了基于高频旋转电压注入法的高精度转子初始角度辨识方法。本文介绍了高频电压注入法的数学模型与传统方法的实现原理。在推导高频注入过程中死区效应模型的基础上，详细分析了定子电阻、延时因素和死区效应对辨识结果误差的影响。以此为基础，提出一种简单高效的正负旋转电压注入方案，在无需额外补偿的情况下实现低误差的位置辨识。
　　以提高轿厢乘客乘梯舒适性为出发点，着重研究了曳引机启动零速控制阶段的快速启动转矩补偿技术。考虑电梯应用的特殊性，建立包含轿厢、曳引机、对重块和乘客在内的电梯系统等效转动惯量模型。通过扩展根轨迹法分析了变化的惯量会在稳定性和动态性能上对传统基于细分技术与负载转矩观测的补偿方法产生影响。提出一种基于变PI参数与模糊逻辑转矩补偿相结合的方案，同时消除乘客失重感与调整震荡感，提高舒适性。
　　以降低厂商维护成本与调试人员工作难度为出发点，着重研究了永磁同步曳引机的参数辨识与双闭环控制技术。本文通过电压电流法、拟牛顿改进型旋转电压注入法以及针对电梯特性的EKF惯量识别法，快速高精度的获取曳引机的定子电阻、定子电感和等效转动惯量信息。然后在建立曳引机电流内环传递函数模型的基础上，实现其参数的自动整定。在速度环中，本文分析了标准内模PI控制的优缺点和惯量变化带来的影响，提出一种基于惯量在线辨识与ESO补偿的改进型内模PI速度控制器，并在理论上证明了复合系统的收敛性与稳定性，实现速度环的智能化控制。
　　以确保电梯系统运行的高可靠性、避免乘客被困井道为出发点，研究了速度传感器的故障容错控制技术。本文在给出一种简单可靠的编码器故障检测方法以及容错切换方案的基础上，详细分析了曳引机低速运行时，旋转电压注入容错运行的注入频率、电压以及ADC采样精度的选取原则。针对锁相环角度跟踪技术在电梯应用中存在收敛错误的隐患，提出一种带有误差角度补偿的无速度传感器容错控制方法，实现轿厢的安全低速平层。
　　搭建基于Saber软件的仿真平台与13.4KW的物理实验平台，验证了本文有关理论的正确性与改进算法的可靠性和有效性。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文主要内容与安排

2 表贴式永磁同步曳引机转子初始角度的获取方法研究

2.1 引言

2.2 传统基于高频电压注入法的转子初始角度获取

2.3 定子电阻、延时因素以及死区效应对获取精度的影响

2.4 基于高频旋转电压注入法的改进型转子初始角度获取方案

2.5 永磁同步曳引机转子初始角度获取的仿真与实验

2.6 本章小结

3 永磁同步曳引机的启动转矩控制研究

3.1 引言

3.2 传统基于负载观测器的启动转矩控制策略

3.3 基于PI自调整与模糊逻辑补偿器的改进型启动转矩控制策略

3.4 永磁同步曳引机启动转矩控制的仿真与实验

3.5 本章小结

4 永磁同步曳引机双闭环控制技术的研究

4.1 引言

4.2 基于高精度感阻值辨识的电流内环控制

4.3 基于惯量在线辨识与ESO补偿的改进型内模PI速度环控制

4.4 永磁同步曳引机双闭环控制技术的仿真与实验

4.5 本章小结

5 永磁同步曳引机转速传感器的故障容错控制研究

5.1 引言

5.2 电梯用速度传感器的故障检测方法与容错控制切换方案

5.3 基于高频信号注入的改进型速度容错控制

5.4 物理平台实验结果

5.5 本章小结

6 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 后续工作展望

致谢

参考文献

附录1 攻读学位期间发表论文目录

附录2 公开发表的学术论文与博士学位论文的关系