基于轉矩干擾等效補償的火災逃生器系統控制

摘" 要：根據火災逃生器輸送逃生人員時要求勻速運行的特性，提出了逃生器系統輸送方案，采用以備用電源經逆變驅動無刷直流電動機為驅動電源。為解決輸送過程中轉矩的擾動影響速度穩定性的問題，設計了基于轉矩擾動補償抑制的擾動觀測器。通過仿真實驗，驗證了速度調節過程中具有優良的動、靜態穩定性。

關鍵詞：火災逃生器;無刷直流電機;擾動補償;勻速

中圖分類號：TP351" " " "文獻標志碼：A" " " " "文章編號：2095-2945（2021）13-0025-05

Abstract： According to the requirement of constant speed for the fire escape device in transferring people， a transferring scheme of escape device system is put forward. The power supply of brushless direct current motor （BLDCM） driven by the inverter is used as the power source. In order to solve the problem of the disturbance of the resistance torque in the process of transmission， a disturbance observer is designed based on the torque disturbance compensation. Through the simulation experiment， it is verified that the speed regulation process has good stability.

Keywords： fire escape device; brushless direct current motor （BLDCM）; disturbance compensation; constant speed

高層建筑越來越多，使得居民生活更趨集中，也帶來了安全隱患。當發生火災時，如何在短時間內有序、安全逃生，一直是研究者不斷探索的焦點。近幾年來，各種逃生器及相關研究成果不斷涌現出來。國內外不同類型的逃生裝置主要分為機械式[1-2]、電磁式[3]、阻尼式[4-5]、機電一體式[6]等。每種逃生器在使用過程中，都有其優勢和缺陷[7-8]。

本文設計了一種直流電池供電的直流無刷電動機驅動逃生器，采用矢量控制和動態阻力補償方法，在發生火災時，等速有序沿滑軌運行逃生，不會因碰撞而造成意外事故，安全性高。

1 逃生器系統構建

火災發生時，考慮到電力系統不能正常供電，只能利用純機械式或儲電蓄電池驅動電機，通過逃生井或室外沿墻滑軌等達到安全逃生的目的。本設計中利用備用電池（鉛蓄電池）經過逆變控制得到三相對稱方波電流，根據速度反饋信號，調節無刷電動機等速運行，經過減速傳動裝置拖動載人轎廂，達到安全輸送的目的。

此裝置主要由負載（載人轎廂及一定數量的人）、鋼絲繩、減速裝置、電源、傳動及調速系統、手動制動系統、滑軌組成（見圖1）。為保證火災發生時，上下不同的逃生器不能碰撞，逃生器沿滑軌下行，需根據不同速度要求勻速下行（同滑軌上要求速度相同）。所以，逃生系統中，核心裝置為傳動及調速系統。無刷直流電動機，主要是電子開關線路、永磁同步電動機本體及轉子磁極位置傳感器組成，電動機定子繞組輸入三相對稱方波電流而定子感應電動勢為梯形波，由于其結構比較簡單，也比較容易控制，完全可以滿足逃生器的輸送性能。

2 無刷直流驅動系統控制

2.1 無刷直流電機與等效模型

無刷直流電動機把電樞繞組放在定子上，而把永磁磁鋼放在轉子上，實現了無電刷換向。其具有高效率、長壽命、低噪聲和高轉速的特點。由于轉子上放置永磁磁鋼，使用過程中磁場穩定。由位置傳感器、控制電路及功率邏輯開關一起組成換相裝置，如圖2所示為兩相導通的星形三相六狀態結構。

根據文獻[9]得同步電動機電壓矩陣方程

，（1）

運動方程式

Te=2np？鬃pIp，" " " " " " " " " （2）

式中，uA、uB、uC為三相輸入電壓;iA、iB、iC為三相輸入電流;eA、eB、eC為三相電動勢;RS、L？滓、np、？鬃p和Ip分別為定子繞組電阻、定子繞組電感、極對數、磁鏈峰值及方波電流峰值。

經變換可得到無刷直流電動機的狀態方程

對電流和轉速分別設置閉環控制，并考慮到電流閉環中反電動勢擾動為Ep=ke？棕，變化較慢，電流瞬變過程中，可認為？駐？抓p≈0，則表達式寫為

則可得到如圖3所示雙閉環調速系統結構圖。

2.2 考慮轉矩波動的速度調節器設計

逃生器運行過程中，負載（載人轎廂）運行時由于受到阻力或人為移動而產生變化，對電機產生沖擊， 為確保沿滑軌等速運行，速度調節器在設計時，必須考慮到此類負載干擾。本文采用了等效干擾抑制的PI調節器算法。

參考直流電動機雙閉環PI調節器設計方法，由圖4可以推導出，內環電流傳遞函數

則圖3可進一步表示為圖4。

電機帶負載運行中，受到電源、電流、負載等波動干擾，但以負載擾動對速度穩定性影響最大。則需要在控制環節中引入等效的補償，對負載擾動進行抑制，圖5中引入干擾觀測器的構建模塊，如虛線部分所示。

其中，PI調節器控制對象可表示為

Gn（s）為名義模型，與Gp（s）之間的關系為

Gp（s）=Gn（s）（1+？駐（s）），" " （8）

可近似描述為[10]

Jn、bn分別表示為等效慣性力矩和等效阻尼系數。

Q（s）為干擾觀測器，是一種低通濾波器，Q（s）=

，其魯棒穩定的充分條件為：||？駐（s）Q（s）||∞？燮1。

由于等效模型最終由低通濾波器Q（s）來決定，求取Q（s）是干擾觀測器設計的關鍵[11-12]。但其要滿足相對階的約束、頻率特性指標及魯棒穩定性。干擾觀測器低通濾波器基本作用在于干擾估計信號的通過和檢測噪聲的截止，它的頻率特性首先應滿足此要求：

當被控對象和名義模型一致時，上式可寫為

。 " " （11）

令QC（s）=1-Q（s），QC（s）為靈敏度函數，根據頻率特性分析，要求QC（s）和Q（s）分別在低頻帶和高頻帶上足夠小。

設計指標可表示為：

式中，W1（s）、W2（s）分別表示低通加權函數和高通加權函數。經推導，干擾器表示為

Q（s）=？準（s）（I+？準（s））-1，

？準（s）為虛擬回路傳遞函數，最優解

3 仿真分析

本文應用無刷直流電動機拖動逃生轎廂在發生火災時沿滑軌下行，樓層較高時，不同樓層可能使用同一滑軌輸送逃生人員，轎廂運行過程中不能產生碰撞，故要求速度相同且等速，即1.0m/s？燮v？燮2.0m/s（如速度過大，轎廂之間緩沖器不能有效緩沖相互之間撞擊力）。仿真實驗中，取無刷直流電動機3kW，額定轉速1500r/m，減速器1：20，其它參數為：R=0.5？贅，L=4mH，M=0.5mH ke=Ce=0.024 J=0.001N·m2，Tm=0.01，Cm=0.2292N·m/A，T？撞i=0.0037，？滓？燮0.05，h=5，TS=0.0017s，Toi=0.002s，Ton=0.01s，Jn=0.15N·m2，bn=0.66，？子=0.001。低通濾波器及名義模型相關參數設置，見文獻[14]。

（1）首先，取恒轉矩時，速度給定100r/min，轉矩波動幅值為0.2N·m，時間1s，仿真結果如圖7所示，速度達到穩定后，基本保持不變。

（2）同樣給定速度為100r/min，轉矩波動為（0.45～0.65）N·m之間，在0.1～0.12s時間內，轉矩有較大波動，仿真時間為1s，仿真結果如圖8所示，速度受到擾動不大，穩定時，基本保持不變。

4 結束語

火災逃生器運行時要求平穩等速，文章采用了無刷直流電動機進行曳引逃生轎廂。為解決輸送過程中轉矩擾動影響速度穩定性的問題，在傳統的雙閉環控制方法基礎上，在ASR的輸出端插入擾動觀測器，等效轉矩的擾動，并對其進行有效抑制。最后建立了simulink仿真模塊，驗證了速度調節過程中具有明顯的抗擾動性能。

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