电梯驱动控制系统与方法

技术领域

本发明涉及电梯领域，特别是涉及一种电梯驱动控制系统以及电梯驱动控制方法。

背景技术

现有技术中，对于电梯驱动电机的驱动控制，通常是采用电压电流双闭环变压变频矢量调速控制技术对驱动电机进行调速控制，电压电流双闭环变压变频矢量调速控制技术的采用使得驱动控制能够获得较好的控制性能。该控制系统的设计是基于驱动电机的数学模型，速度反馈控制利用的是驱动电机的速度检测值。然而，电梯驱动控制系统的控制目标是对电梯轿厢的移动速度，为了便于设计，现有技术将电机转子与曳引轮刚性连接，使二者的旋转角速度相同，电梯轿厢悬吊在绳索的一端，对重悬吊在绳索的另一端，把轿厢与绳索的连接看作是刚性连接，将驱动电机的转子角速度折算到轿厢，从而得到轿厢折算速度，或是将轿厢的速度指令折算到驱动电机的转子角速度，在此基础上利用驱动电机的速度检测值实现针对电梯驱动电机的速度闭环控制，例如利用安装在驱动电机转子上的编码器检测电机转子角速度。

实际上，由于绳索本身具备一定的弹性阻尼效应，其输入输出具有明显的时间延迟，且其输入输出信号的时域特性与频域特性均不相同，因此严格意义上讲绳索本身也是一个动态系统，具有其自身的动态特性。现有技术在应用电压电流双闭环变压变频矢量调速控制技术对驱动电机进行调速控制的过程中将轿厢与曳引轮的连接看作是刚性连接，而忽略了绳索的动态特性，这导致其最终的驱动控制性能有所降低，特别是当电梯绳索的弹性模量较大、电梯提升高度大且轿厢位置较低时尤其明显，因为此时绳轮与电梯轿厢之间的绳索较长。表现为电梯轿厢在移动过程中的垂直振动明显。因此，为了获得更好的控制效果，减小甚至是消除电梯轿厢移动过程中的垂直振动，控制系统设计中不应忽略绳索的动态特性。

近年来出现了直接检测电梯轿厢位置的电梯轿厢绝对位置检测系统，利用该检测系统可以直接得到电梯轿厢的移动速度，显然利用电梯轿厢的速度指令值和来自绝对位置检测系统的轿厢移动速度检测值可以实现电梯轿厢的速度闭环控制，该速度控制的被控对象为由电梯驱动电机、绳索和轿厢构成的整体，如果在进行调速控制设计时被控对象仅考虑电梯驱动电机而忽略绳索，同样会导致其控制性能降低，因此其存在与前述现有技术相同的问题。

针对电梯轿厢移动过程中的垂直振动问题，文献1(日本特开2004-123256)提出利用陷波滤波器来抑制电梯轿厢的振动，但存在参数计算复杂等缺点。文献2(CN201880096501.0)提出通过在速度指令值上叠加一抑制电梯轿厢振动频率成分的方式来抑制电梯轿厢的振动，但该方法假定：1)驱动电机到电梯轿厢的传递特性为二阶延迟因素；2)绳索的衰减系数为ζc为0，这两个假定对其最终的调速性能会产生负面影响。文献3(Vertical-vibration control of elevator using estimated car accelerationfeedback compensation，IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS,VOL.47,NO.1,FEBRUARY 2000，P91-99)提出利用扩张全阶观测器观测得到电梯轿厢的加速度，利用高通滤波器对驱动电机的速度指令进行滤波得到加速度指令值，进而利用加速度反馈控制实现对电梯轿厢垂直方向的振动的抑制。从本质上讲，该方案并未分析电梯轿厢垂直方向的振动的产生原因，仅是采用简单地加速度反馈进行振动抑制，使得其控制效果严重依赖于轿厢加速度的观测结果的准确度，加之该方案仅是单纯的加速度反馈，因此其实际控制效果非常有限，存在很大的改进与提升空间。文献1至文献3都是针对电梯轿厢在垂直方向上的振动表象，采取削弱振动现象的方式实现电梯轿厢垂直振动的抑制，但并未在分析并确定振动产生的根源的基础上，采用消除振动产生的根源的方式实现对电梯轿厢垂直振动的抑制，是一种简单补救式处理方式。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，要在分析并确定振动产生的根源的情况上，采用消除振动产生的根源的方式实现对电梯轿厢垂直振动的抑制。

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种电梯驱动控制系统，包括：

轿厢速度指令生成单元，用于生成电梯轿厢速度指令值；

轿厢速度检测单元，用于检测电梯轿厢移动的速度，得到轿厢速度；

第一减法器，用于计算所述电梯轿厢速度指令值与所述轿厢速度间的差值，得到轿厢速度误差；

预处理器，用于将所述轿厢速度误差转换为驱动电机的速度误差；

驱动电机速度控制器，以驱动电机为被控对象，将所述驱动电机的速度误差作为其输入，输出电流指令值；

驱动电机电流检测单元，用于检测驱动电机的电流，得到电机电流；

第二减法器，用于计算所述电流指令值与所述电机电流间的差值，得到电流误差；

驱动电机电流控制器，以所述电流误差为输入，输出期望定子电压。

优选地，所述预处理器设置为反应绳索动态特性的数学模型的逆；

所述绳索指位于驱动绳轮和电梯轿厢间的绳索；

所述数学模型用于描述在绳索与电梯驱动绳轮相接的一端施加输入后在绳索与电梯轿厢相接的一端上产生的输出。

优选地，所述预处理器进一步包括：

建模子单元，用于对绳索的动态特性进行建模并输出描述绳索动态特性的数学模型；

求逆子单元，用于对所述数学模型执行求逆运算，得到所述数学模型的逆。

优选地，所述建模子单元采用机理建模方式得到所述数学模型，所述数学模型中的模型参数为所述绳索的长度、电梯轿厢的速度、电梯轿厢载荷以及驱动电机的力矩电流和转子角速度的函数，且由测试数据确定所述模型参数的具体取值。

优选地，所述系统还包括：

更新单元，用于根据电梯运行过程中绳索的输入信号与绳索的响应信号计算所述模型参数，并利用计算结果对所述模型参数进行更新；

所述输入信号为电梯轿厢载荷、绳索的长度以及驱动电机的力矩电流和转子角速度；所述响应信号为电梯轿厢的速度。

优选地，所述系统还包括：

监测单元，用于监测以绳索的输入信号作为输入的所述数学模型的响应信号与绳索响应信号间的差异，当该差异超过阈值时，所述监测单元输出用于启动所述更新单元执行更新功能的启动指令。

优选地，所述建模子单元采用基于测试数据的建模方式对所述绳索动态进行建模，得到基于测试数据的所述数学模型，所述建模方式包括黑箱系统辨识法、神经网络建模、模糊模型建模、深度学习、机器学习中的至少一种，所述测试数据至少包括绳索的输入信号和响应信号。

优选地，所述系统还包括：

监测单元，监测以绳索的输入信号作为输入的所述数学模型的响应信号与绳索的响应信号间的差异，当该差异超过阈值时，所述监测单元输出用于启动所述建模单元利用当前新的测试数据对所述数学模型重新建模的启动指令。

优选地，所述建模单元采用如下步骤对所述绳索进行建模：

步骤T1，确定影响所述绳索动态特性的影响因素，以及所述影响因素影响所述绳索动态特性的影响方式；

步骤T2，根据所述影响方式，确定所述影响因素的取值范围；

步骤T3，根据所述影响方式和所述取值范围，确定测试工况；

步骤T4，根据所述测试工况，测试获得所述外部因素的测试数据；

步骤T5，根据所述测试数据建立所述数学模型。

本发明还公开了一种电梯驱动控制方法，利用绳索的数学模型的逆，通过将电梯轿厢移动的速度误差处理为驱动电机的转子角速度误差来补偿绳索的动态特性，从而使得以驱动电机为被控对象的驱动电机速度控制器能够实现对电梯轿厢的调速控制，其中所述绳索指位于驱动绳轮和电梯轿厢间的绳索。

优选地，所述电梯驱动控制方法包括如下步骤：

步骤S1，构建反应绳索动态特性的数学模型，并进而得到所述数学模型的逆；

步骤S2，以驱动电机为被控对象设计调速控制系统，得到面向驱动电机的调速控制器；

步骤S3，利用所述数学模型的逆将所述轿厢速度误差转换为驱动电机速度误差；

步骤S4，将所述驱动电机速度误差作为所述调速控制器的输入，对驱动电机进行调速控制，实现面向电梯轿厢的速度控制。

优选地，所述步骤S1采用机理建模方式得到所述数学模型，所述数学模型中的模型参数为所述绳索的长度、电梯轿厢的速度、电梯轿厢载荷以及驱动电机的力矩电流和转子角速度的函数，且由测试数据确定所述模型参数的具体取值。

优选地，所述电梯驱动控制方法还包括步骤S5，监测以绳索的输入数据作为输入的所述数学模型的响应信号与绳索响应信号间的差异，当该差异超过阈值时，根据电梯运行过程中绳索的输入信号与绳索的响应信号计算所述模型参数，并利用计算结果对所述模型参数进行更新。

优选地，在所述步骤S1中通过采用基于测试数据的建模方式对所述绳索动态进行建模，得到基于测试数据的所述数学模型，所述建模方式包括黑箱系统辨识法、神经网络建模、模糊模型建模、深度学习、机器学习中的至少一种，所述测试数据至少包括绳索的输入信号和响应信号。

优选地，所述电梯驱动控制方法还包括步骤S5，监测以绳索的输入数据作为输入的所述数学模型的响应信号与绳索的实际输出间的差异，当该差异超过阈值时，所述监测单元输出用于启动所述建模单元利用当前新的测试数据对所述数学模型重新建模的启动指令。

本发明通过将电梯轿厢实际的移动速度误差转化为驱动电机转子角速度误差的方式，补偿了绳索的动态特性，利用现有的以驱动电机为被控对象的驱动电机速度控制器实现了对电梯轿厢的调速控制，实现了对电梯轿厢垂直振动的抑制，尤其对于大提升高度的电梯效果尤为明显。

附图说明

图1为现有技术的电梯驱动系统示意图；

图2为实施例1和2的电梯驱动控制系统示意图；

图3为实施例2中绳索建模步骤示意图；

图4为实施例3和4的电梯驱动控制方法示意图；

图5为实施例4中绳索建模步骤示意图。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，在详细说明本发明的实施例前，先示例性地说明一种常规的电梯驱动系统的具体实施方式。

如图1所示，电梯驱动系统通常包括三相电源、电梯控制柜、包含有驱动电机和驱动绳轮的曳引机以及检测驱动控制所需的检测单元。图1中给出了目前常见的采用电压电流双闭环控制以及交流变频调速技术的驱动系统示意图。三相电源用于为电梯系统提供电能；电梯控制柜用于接收来自乘客的操作信息、电梯检测单元的检测信息对电梯进行控制，从而为乘客提供运送服务，对于驱动而言，电梯控制柜主要是用于接收来自三相电源的电能，并在驱动电机控制器的控制下，利用功率模块的开关对来自电源的电能进行转化，并将转化后的电能传递给驱动电机；驱动电机在经控制柜转化后的电能作用下，按照期望的方式(主要是指速度)进行旋转，带动驱动绳轮旋转；驱动绳轮上悬挂有一段固定有电梯轿厢、另一端固定有对重的驱动用绳索，当驱动绳轮旋转时，带动电梯轿厢在井道中上下移动；电流检测和速度检测主要是用于实现对驱动电机的电压电流双闭环控制所需的驱动电机的实际电流以及驱动电机的转速的检测，其中速度检测通常是基于安装在驱动电梯转子上的编码器实现；驱动电机控制器以及脉冲宽度调制单元位于电梯控制柜内，通常是位于控制柜内的微处理器和印板中，主要是根据得到的乘客操作信息和检测信息，或者还有控制器中的电梯其它相关信息，经过适当处理后输出适当的PWM信号，这些PWM信号用于实现对控制柜内的功率模块的开通与关断控制。

由图1可知，常规的驱动电机控制器主要包括驱动电机速度控制器、驱动电机电流控制器以及两个减法器组成。其工作原理和过程为：第一减法器接收给定的电机速度指令值v

由上述说明可知，尽管电梯驱动控制的目的在于对电梯轿厢在井道中的移动速度进行控制，但实际上是忽略了位于驱动绳轮与电梯轿厢间的驱动绳索的动态特性，将驱动绳轮与电梯轿厢看作是刚性连接，从而电梯轿厢在井道中的移动速度经过一定的系数转换后即可得到驱动电机的转子角速度，利用这一点即可将电梯轿厢的速度指令转化为驱动电机的速度指令值，这样就可以完全针对驱动电机进行控制器设计，如：上述的电压电流双闭环变压变频调速控制。但是事实上，位于驱动绳轮与电梯轿厢间的驱动绳索是具有其特定的动态特性，当电梯的提升高度不是特别高、速度不是特别快时，动态特性表现得不是非常明显，在忽略驱动绳索的动态特性而仅针对驱动电机设计的控制器的控制下，控制器自身固有的鲁棒性(主要是负反馈这一机制)能够较好地弥补因忽略驱动绳索导致的被控对象(本来应该是驱动电机与驱动绳索的组合，忽略后仅为驱动电机)的数学模型与实际被控对象(驱动电机与驱动绳索的组合)的模型间的模型偏差所造成的负面影响。但在如电梯提升高度很大等特定场景中，位于驱动绳轮与电梯轿厢间的驱动绳索的动态特性增大到不能被忽略(即忽略后控制器的鲁棒性不足以很好地弥补因忽略驱动绳索导致的被控对象的数学模型与实际被控对象的模型间的模型偏差所造成的负面影响)时，就必须分析驱动绳索动态的动态特性是如何影响电梯驱动控制性能的，并进行针对性地特别处理。

也就是说，常规的电梯驱动控制系统之所在大提升高度等应用场景中的控制效果变差，其原因在于：

1)其速度控制器是以驱动电机为被控对象设计的，但实际的被控对象应该是驱动电机与位于驱动绳轮与电梯轿厢间的驱动绳索的组合；

2)简单地通过乘以转换系数将电梯轿厢的速度指令转换为驱动电机的转子角速度指令，该转换过程引入了很大的转换误差，误差包括相位与幅值。

实施例1

如图2所示，本实施例的电梯驱动控制系统，包括：轿厢速度指令生成单元1、轿厢速度检测单元8、第一减法器2、预处理器3、驱动电机速度控制器4、第二减法器5、驱动电机电流控制器6和驱动电机电流检测单元7。

轿厢速度指令生成单元1用于生成电梯轿厢速度指令值v

脉宽调制单元将期望定子电压u作为调制波产生并输出用于开通和关断功率模块的开关的开关信号；功率模块在开关信号的控制下开通和关断，从而对来自电网的电能进行处理和转化，使得转化后电能被送往驱动电机后，驱动电机的转子旋转，驱动电梯轿厢在井道中上下移动。

预处理器3设置为反映位于绳索的动态特性的数学模型的逆；绳索指位于驱动绳轮和电梯轿厢间的绳索；数学模型用于描述在绳索与电梯驱动绳轮相接的一端施加输入后在绳索与电梯轿厢相接的一端上产生的输出。从绳索在电梯驱动系统中的位置及其与其它部件间的作用关系可知，绳索的两个端部中与驱动绳轮相接的一端受到来自驱动绳轮的转动作用，包括驱动绳轮传递给绳索的与其相接的端部的转矩和角速度。实际上考虑到绳索在传递力和速度中的参数会随着电梯轿厢的移动而发生改变，因此，除了将来自驱动绳轮的转矩和角速度作为绳索的输入外，还应将绳索长度和轿厢内的载荷等影响绳索输出的变量作为输入。这些输入信号在经过绳索的动态特性的传递后在绳索与电梯轿厢相接的一端体现出来，包括速度和力，因此输出的响应信号为绳索与电梯轿厢相接的一端的速度以及绳索施加给电梯轿厢的力。其中，输入信号为电梯轿厢载荷、绳索的长度以及驱动电机的力矩电流和转子角速度，响应信号为电梯轿厢的速度。

预处理器3包括建模子单元和求逆子单元，建模子单元用于对绳索进行建模并输出绳索的动态特性的数学模型，求逆子单元用于对所述数学模型执行求逆运算，得到数学模型的逆。描述动态系统的动态特性的数学模型有多种，如：传递函数、微分(状态)方程，阶跃输入输出、脉冲输入输出，等等。关于动态系统的数学模型种类和特点，不作为本申请的重点，故此不做过多说明，具体可参阅相关自动控制类书籍，如：Norman S.Nise,ControlSystems Engineering,8th Edition,Wiley,2019。

当以状态方程描述位于驱动绳轮和电梯轿厢间的驱动绳索的动态特性时，状态方程可表示为式(1)：

式中，状态变量X＝[T，ω]

当以传递函数来描述时，其传递函数G

式中，

考虑到数学模型描述的输入输出特性与预处理器3中需要的输入输出正好相反，因此需要将预处理器3设置为绳索的数学模型的逆模型，即传递函数G

建模子单元采用机理建模方式得到数学模型G

需要指出的是，在某些特殊情况下得到的绳索的数学模型可能会是非最小相位系统，此时需要采取一些特殊处理才能对其进行求逆操作，具体可参见相关资料。

优选地，本实施例还可以包括一更新单元，更新单元用于根据电梯运行过程中绳索的输入信号与绳索的响应信号计算模型参数，并利用计算结果对模型参数进行更新。

更新单元能够通过对模型参数的更新，实现对绳索经过一定时间使用后产生的动态特性变化的补偿。

优选地，本实施例的电梯驱动控制系统还可以包括一监测单元，监测单元监测以绳索的输入信号作为输入的数学模型的响应信号与绳索的响应信号间的差异，当该差异超过阈值时，监测单元判定需要进行更新，因此输出用于启动更新单元执行更新功能的启动指令。

监测单元能够跟踪数学模型是否具有足够的精度，当精度低于预设阈值后执行更新功能。

实施例2

本实施例不同于实施例1之处在于建模子单元采用基于测试数据的建模方式对绳索的动态特性进行建模，其余特征与实施例基本相同，下面对差异部分进一步说明。

本实施例的建模子单元采用基于测试数据的建模方式对所述绳索动态进行建模，得到基于测试数据的所述数学模型，建模方式包括黑箱系统辨识法、神经网络建模、模糊模型建模、深度学习、机器学习中的至少一种，测试数据至少包括绳索的输入信号和响应信号。

如图3所示，建模子单元采用如下步骤对所述绳索进行建模：

步骤T1，确定影响绳索动态特性的影响因素，以及影响因素影响绳索动态特性的影响方式；

步骤T2，根据影响方式，确定影响因素的取值范围；

步骤T3，根据影响方式和取值范围，确定测试工况；

步骤T4，根据测试工况，测试获得外部因素的测试数据；

步骤T5，根据测试数据建立数学模型。

优选地，电梯驱动控制系统还包括一监测单元，监测单元监测以绳索的输入信号作为输入的数学模型的响应信号与绳索的响应信号间的差异，当该差异超过阈值时，监测单元输出用于启动建模子单元利用当前新的测试数据对数学模型重新建模的启动指令。

此外另一种实现方式是预处理器3无需建立建模子单元和求逆子单元，预处理器3采用基于测试数据的建模方式直接建立绳索动态的逆模型。建模方式与本实施例前述的建模方式相同。

实施例3

如图4所示，本实施例为一种电梯驱动控制方法，利用绳索的数学模型的逆，通过将电梯轿厢移动的速度误差处理为驱动电机的转子角速度误差来补偿绳索的动态特性，并进一步将速度环面对的被控对象由驱动电机与绳索的组合转换为驱动电机，从而使得面对驱动电机的驱动电机速度控制能够实现对电梯轿厢的调速控制。其中绳索指位于驱动绳轮和电梯轿厢间的绳索。

电梯驱动控制方法包括如下步骤：

步骤S1、构建反应绳索动态特性的数学模型，并进而得到所述数学模型的逆，所述绳索指位于驱动绳轮和电梯轿厢间的绳索；

步骤S2、以驱动电机为被控对象设计调速控制系统，得到面向驱动电机的调速控制器；

步骤S3、利用所述数学模型的逆将所述轿厢速度误差转换为驱动电机速度误差；

将所述驱动电机速度误差作为所述调速控制器的输入，对驱动电机进行调速控制，实现面向电梯轿厢的速度控制。

步骤S4，将驱动电机速度误差作为调速控制器的输入，对驱动电机进行调速控制，实现面向电梯轿厢的速度控制。

步骤S1中构建反应绳索动态特性的数学模型是采用机理建模方式得到数学模型，数学模型中的模型参数为绳索的长度、电梯轿厢的速度、电梯轿厢载荷以及驱动电机的力矩电流和转子角速度的函数，且由测试数据确定模型参数的具体取值。

优选地，电梯驱动控制方法还包括步骤S5，监测以绳索的输入信号作为输入的数学模型的响应信号与绳索的响应信号间的差异，当该差异超过阈值时，根据电梯运行过程中绳索的输入信号与绳索的响应信号计算模型参数，并利用计算结果对模型参数进行更新。

实施例4

本实施例不同于实施例3之处在于在步骤S1中采用基于测试数据的建模方式对绳索的动态特性进行建模，其余特征与实施例3基本相同，下面对差异部分进一步说明。

在步骤S1中通过采用基于测试数据的建模方式对绳索动态进行建模，得到基于测试数据的数学模型，建模方式包括黑箱系统辨识法、神经网络建模、模糊模型建模、深度学习、机器学习中的至少一种，测试数据至少包括绳索的输入信号和响应信号。

如图5所示，一种示例性的绳索建模步骤如下：

步骤S11，确定影响所述绳索动态特性的影响因素，以及所述影响因素影响所述绳索动态特性的影响方式；

步骤S12，根据所述影响方式，确定所述影响因素的取值范围；

步骤S13，根据所述影响方式和所述取值范围，确定测试工况；

步骤S14，根据所述测试工况，测试获得所述外部因素的测试数据；

步骤S15，根据所述测试数据建立所述数学模型。

优选地，电梯驱动控制方法还包括步骤S5，监测以绳索的输入信号作为输入的数学模型的响应信号与绳索的响应信号间的差异，当该差异超过阈值时，监测单元输出用于启动建模子单元利用当前新的测试数据对数学模型重新建模的启动指令。