EP0976675B2 - Method of force limitation for automatic elevator doors - Google Patents
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- B66B13/143—Control systems or devices electrical
Definitions
- the coefficients a and b of the linear equation [4] can easily be determined, for example by means of linear regression.
- the determined values for a closing process are with a s and b s , which are designated for an opening process with a 0 and b 0 .
- the amount of the drive torque from the measured amount of current can be calculated.
- Other arrangements and control methods such as synchronous drives with measurement of the Polradwinkels or Statorstrombetrages or DC drives with stator current measurement, etc., which allow a conclusion on the force actually applied by the actuator are also possible as speed generators.
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Abstract
Description
] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kraftbegrenzung für automatische Aufzugstüren mit einem Türantrieb bestehend aus Steuerung, Motor und Antriebsmechanik zur Bewegung einer Kabinentür und einer Schachttür gemäss eines der Türstellung entsprechenden Geschwindigkeitsverlaufes und Kraftverlaufes von einer Offenstellung in eine Geschlossenstellung oder umgekehrt, wobei der Kraftverlauf an sich im Laufe der Zeit verändernde Türparameter anpassbar ist und die Türen während des Bewegungsvorganges bei einer durch ein Hindernis ausgelösten Störkraft stoppbar und/oder reversierbar sind.The invention relates to a method for limiting the force for automatic elevator doors with a door drive consisting of control, motor and drive mechanism for moving a car door and a landing door according to the door position corresponding speed curve and force curve from an open position to a closed position or vice versa, the force curve itself Over the course of time, changing door parameters can be adapted and the doors can be stopped and / or reversed during the movement process in the event of an interference force triggered by an obstacle.
Aus der
Ein Nachteil der bekannten Einrichtung liegt in der aufwendigen und umfangreichen Speicherung der für den Mittelwert notwendigen positionsabhängigen Stromverlaufskurven für den gesamten Fahrbereich der Tür.A disadvantage of the known device lies in the complex and extensive storage of the necessary for the average position-dependent current waveforms for the entire driving range of the door.
Aus der
In einem Vergleicher wird das errechnete Motor antriebsmoment verglichen mit einem Drehmomentbefehl einer Geschwindigkeitssteuerung. Übersteigt die Differenz zwischen den verglichenen Werten einen Abweichungstoleranzwert, wird ein Reversierbefehl für die Tür ausgegeben.In a comparator, the calculated motor is compared with a torque command of a speed control. If the difference between the compared values exceeds a deviation tolerance value, a reversing command is issued for the door.
Davon ausgehend stellt sich für die vorliegende Erfindung die Aufgabe, ein alternatives Verfahren zur Begrenzung der Schließkraft bei Aufzugsfüren zur Verfügung zu stellen. Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.On this basis, it is an object of the present invention to provide an alternative method for limiting the closing force in elevators. The object is achieved by a method having the features of
Die durch die Erfindung erreichten Vorteile sind im wesentlichen darin zu sehen, dass eine kompakte Form der Beschreibung des störkraftfreien Antriebskraftverlaufes möglich ist. Damit kann eine automatische, optimale Einstellung der Antriebskraftbegrenzung erreicht und der Inbetriebnahmeaufwand gesenkt werden. Weiter vorteilhaft ist, dass ein Kraftgrenzwert nicht nur für eine bestimmte Sollgeschwindigkeitsfunktion der Tür zur Verfügung steht, sondern auch für abweichende Verläufe, beispielsweise bei reduzierter Geschwindigkeit oder erhöhter Beschleunigung bereitgestellt werden kann, ohne zuvor eine neue Lernfahrt durchzuführen.The advantages achieved by the invention are essentially to be seen in the fact that a compact form of the description of the noise-free drive power curve is possible. Thus, an automatic, optimal setting of the drive force limit can be achieved and the commissioning effort can be reduced. It is also advantageous that a force limit value is not only available for a specific desired speed function of the door, but can also be provided for deviating progressions, for example at reduced speed or increased acceleration, without first carrying out a new learning run.
Beim Türschliessvorgang besteht die Gefahr, dass sich im zunehmend kleiner werdenden Türspalt Hindernisse wie beispielsweise Personen oder Gegenstände befinden und eingeklemmt werden können. Beim Türöffnungsvorgang besteht die Gefahr, dass beispielsweise Kinderhände oder flache Gegenstände zwischen die sich gegeneinander verschiebenden Türflügel oder zwischen Türflügel und Türrahmen gelangen können.When closing the door there is a risk that obstacles such as persons or objects can be located and trapped in the increasingly smaller door gap. When the door opening process, there is a risk that, for example, children's hands or flat objects can get between the mutually sliding door or between the door and the door frame.
Das erfindungsgemässe Verfahren bezieht sich auf den Türschliessvorgang wie auch auf den Türöffnungsvorgang. Kraftbegrenzung bedeutet beim Türschliessvorgang eine Begrenzung der Schliesskraft bzw. eine Begrenzung der Öffnungskraft beim Öffnungsvorgang. Kraftverlauf bezieht sich auf den Kraftverlauf während des Türschliessvorganges bzw. während des Türöffnungsvorganges.The inventive method refers to the door closing process as well as the door opening process. Force limitation means the closing of the door, a limitation of the closing force or a limitation of the opening force during the opening process. Force curve refers to the force curve during the door closing process or during the door opening process.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- Fig. 1
- eine schematische Darstellung des erfindungsgemässen Verfahrens und
- Fig. 2
- statistische Funktionen zur Auswertung der Differenz zwischen Soll- und Istschliesskraftwerten.
- Fig. 1
- a schematic representation of the inventive method and
- Fig. 2
- Statistical functions for evaluating the difference between the target and actual closing force values.
Mit Hilfe eines mathematischen Modells der beteiligten Türund Antriebskomponenten stellt das Antriebskraftmodell 6 die aufzuwendende Antriebskraft zur Verfügung. Dieses mathematische Modell bestimmt anhand von Bewegungsgleichungen und der vorab ermittelten Türparameter die bei einer bestimmten Beschleunigung und bei einer bestimmten Geschwindigkeit unter normalen, ungestörten Verhältnissen aufzubringende Antriebsskraft. Der Kraftgrenzwert wird aus der aufzubringenden Antriebsskraft und der maximal zulässigen Störkraft berechnet. Trifft die Tür während der Bewegung auf ein Hindernis, so wird beim Überschreiten des Kraftgrenzwertes durch die aufgebrachte Antriebskraft ein Stoppen und/oder Reversieren der Aufzugstür ausgelöst, um die Sicherheit der Aufzugsbenutzer zu gewährleisten.With the aid of a mathematical model of the door and drive components involved, the
Das mathematische Modell kann fest eingestellt werden oder in einer weiteren Ausführungsvariante adaptiv gestaltet werden, wobei eine Anpassung an die während des Betriebes auftretenden Parameteränderungen erfolgt.The mathematical model can be fixedly set or adaptively designed in a further embodiment variant, with an adaptation to the parameter changes occurring during operation.
Das Modell kann basierend auf Differentialgleichungen (explizit) realisiert werden. Das explizite mathematische Modell basiert auf den Newtonschen Bewegungsgleichungen für die Türmechanik. Diese sind hier für ein vereinfachtes Modell der Türmechanik angegeben.The model can be realized (explicitly) based on differential equations. The explicit mathematical model is based on Newton's equations of motion for door mechanics. These are given here for a simplified model of the door mechanism.
Für die nachfolgenden Betrachtungen werden alle Kräfte und Geschwindigkeiten im Richtungssinn der schliessenden Tür positiv definiert. Wird die Mechanik als Einmassensystem mit der auf die Türkante umgerechneten Gesamttürmasse mGT modelliert, so ergibt sich die folgende Beziehung zwischen Geschwindigkeit und Kraft (Newtonsche Bewegungsgleichung, direkte Kraftübertragung zwischen Gegengewicht und Türkante vorausgesetzt):
- v̇T
- die Beschleunigung,
- vT
- die Geschwindigkeit der Türkante,
- FMT
- die vom Motor aufgebrachte, unter Berücksichtigung der kraftübertragenden und kraftumformenden Mechanik auf die Türkante/Tür umgerechnete Antriebskraft,
- FR
- die als konstant angenommene Summe aller auf die Türkante umgerechneten Gleit- und Rollreibungskräfte der Türmechanik,
- sign(vT)
- die Signumfunktion, die für vT>0 den
Wert 1 und für vT<0 den Wert -1 aufweist, - g
- die
Schwerebeschleunigung 9,81 m/s2, - mG
- die Masse des Gegengewichtes und
- mGT
- die Summe der unter Berücksichtigung der kraftübertragenden und kraftumformenden Mechanik auf die Türkante/Tür umgerechneten Massen aller bewegten Teile (Türflügel, Rollen, Zahnriemen, Riemenscheiben, Stahlseile, Gegengewicht, Rotor des Motors, usw.) bedeuten.
- v̇ T
- the acceleration,
- v T
- the speed of the door edge,
- F MT
- the driving force applied by the engine, converted to the door edge / door, taking into account the force-transmitting and force-transforming mechanism,
- F R
- the sum of all sliding and rolling friction forces of the door mechanism converted to the door edge, assumed to be constant,
- sign (v T )
- the signum function, which has the
value 1 for v T > 0 and the value -1 for v T <0, - G
- the gravitational acceleration 9.81 m / s 2 ,
- m G
- the mass of the counterweight and
- m GT
- the sum of the masses of all the moving parts (door leaves, rollers, toothed belts, pulleys, steel cables, counterweight, rotor of the motor, etc.) converted into the door edge / door, taking into account the force-transmitting and force-transforming mechanism.
Durch Umstellen nach der Kraft FMT erhält man:
Dies ist ein mechanisches Türmodell in expliziter Form, bei der die physikalischen Parameter noch als solche erkennbar sind.This is a mechanical door model in explicit form, in which the physical parameters are still recognizable as such.
Nach der angeführten Gleichung lässt sich die zu jedem Zeitpunkt aufzubringende Antriebskraft in Abhängigkeit von den Parametern und der Beschleunigung v̇T berechnen. Die Beschleunigung wird wie in Gleichung [3] dargestellt näherungsweise aus den Geschwindigkeitswerten berechnet, wobei T eine geeignet gewählte Abtastzeit ist.According to the equation given, the driving force to be applied at any time can be calculated as a function of the parameters and the acceleration v̇ T. The acceleration is calculated approximately from the velocity values as shown in equation [3], where T is a suitably selected sampling time.
Die Gleichungen [2], [3] können leicht programmiert werden und liefern den Antriebskraftmodellwert für die Kraftüberwachung. Werden die Parameter FR, mG und mGT einmalig, beispielsweise bei der Herstellung oder bei der Inbetriebnahme der Tür, fest eingestellt, so handelt es sich um ein fest eingestelltes Modell. Werden die Parameter des Modells während des Betriebes der Tür automatisch an die tatsächlichen Parameter der Türmechanik angepasst, so spricht man von einem adaptiven Modell.The equations [2], [3] can be easily programmed and provide the force model force monitoring value. Are the parameters F R , m G and m GT unique, for example, in the production or in the Commissioning the door, fixed, so it is a fixed model. If the parameters of the model are automatically adjusted to the actual parameters of the door mechanism during operation of the door, this is called an adaptive model.
Der Sollwerterzeuger 1 erzeugt einen Geschwindigkeitssollwert als Funktion der Zeit oder des Weges bzw. der Türposition. Der Bewegungsregler 3 kann beispielsweise ein Geschwindigkeits-/Positionsregler sein, der auf der Basis einer gemessenen Geschwindigkeits/Positionsinformation eine Geschwindigkeitsvorgabe erzeugt.The
Das mathematische Modell stellt die Abhängigkeit der jeweiligen erzeugten Antriebskraft von der Beschleunigung, der Geschwindigkeitsvorgabe und der Türposition her. Vom mathematischen Modell wird diejenige Motorkraft berechnet, die ohne Hindernis die vorgegebene Geschwindigkeitskurve erzeugt. Dieser Normalverlauf hängt beispielsweise von der vorgegebenen Beschleunigung, der Charakteristik der Geschwindigkeitserzeugung, den Reibkräften, der Masse der bewegten Teile und von den Parametern der Mechanik und der Reibungsverhältnissen in der Mechanik ab.The mathematical model establishes the dependence of the respective generated driving force on the acceleration, the speed setting and the door position. The mathematical model calculates the engine power that generates the given speed curve without any obstacle. This normal course depends, for example, on the given acceleration, the characteristic of the speed generation, the friction forces, the mass of the moving parts and on the parameters of the mechanics and the friction conditions in the mechanics.
Die vom Antriebskraftmodell 6 generierte, aufzuwendende Antriebskraft ist im Laufe des Betriebes der Tür Veränderungen durch Verschleiss und Alterung ausgesetzt. Deshalb kann das Antriebskraftmodell 6 so gestaltet sein, dass eine langsame Adaption der aufzubringenden Antriebskraft an den Veränderungen unterworfenen Verlauf erfolgt. Der Istwert der Antriebskraft bzw. die aufgebrachte Antriebskraft kann in Verbindung mit der Soll/Istgeschwindigkeit ausgewertet werden, um die effektive, bewegte Masse, das Schliessgewicht der Tür und die Reibkraft einmalig oder laufend während des Betriebes zu bestimmen.The driving force generated by the driving
Zur Gewinnung der unbekannten physikalischen Parameter des expliziten Modells werden Testfahrten durchgeführt, bei denen die Messwerte für die auf die Türkante/Tür umgerechneten Motorkraft und die Geschwindigkeit der Türkante/Tür periodisch erfasst und gespeichert werden. Nach Gleichung [1] ist die Beschleunigung von der Motorkraft abhängig. Die rechte Seite der Gleichung [1] enthält einen zur Kraft linearen und einen konstanten Anteil.
Werden für einen Öffnungs- oder Schliessvorgang die Grössen vT und FMT über der Zeit aufgezeichnet, so lassen sich die Koeffizienten a und b der linearen Gleichung [4] leicht, beispielsweise mittels linearer Regression bestimmen. Die ermittelten Werte für einen Schliessvorgang seien mit as und bs, die für einen Öffnungsvorgang mit a0 und b0 bezeichnet. Dann gilt:
Damit sind alle interessierenden Parameter des expliziten Modells bekannt. (Die Schwerebeschleunigung g wird als bekannt vorausgesetzt). Erfolgt die beschriebene Parameteridentifikation nur einmalig, wird das resultierende Modell fest eingestellt. Die Messwerte können aber ebenso im laufenden Betrieb erfasst und verarbeitet werden. Die so gewonnenen aktuellen Parameter können zur Nachführung der Modellparameter und zur Anpassung an langsame Veränderungen in der Türmechanik, beispielsweise durch Verschleiss und Verschmutzung, genutzt werden. In diesem Fall wird das Modell adaptiert.All known parameters of the explicit model are known. (The gravitational acceleration g is assumed to be known). If the described parameter identification occurs only once, the resulting Model fixed. However, the measured values can also be recorded and processed during operation. The current parameters obtained in this way can be used to track the model parameters and to adapt to slow changes in the door mechanism, for example due to wear and soiling. In this case, the model is adapted.
Als Geschwindigkeitserzeuger 4 kann beispielsweise ein Asynchronmotor in Verbindung mit einem Frequenzumrichter mit einer darauf implementierten rotorflussorientierten Stromregelung und überlagerter Geschwindigkeitsregelung verwendet werden, wobei die momentbildende, zum Rotorfluss orthogonale Stromkomponente isq als interne Grösse verwendbar ist.As
Zur Erzeugung des Drehmomentes in einem rotatorischen Asynchronmotor ist die Erzeugung eines um die Motorachse rotierenden magnetischen Feldes erforderlich. Eine besonders einfache Beschreibung der Zusammenhänge zwischen Motorstrom, magnetischem Fluss und Motormoment ist durch Gleichungen möglich, wenn man eine Koordinatentransformation durchführt.To generate the torque in a rotary asynchronous motor, it is necessary to generate a magnetic field rotating about the motor axis. A particularly simple description of the relationships between motor current, magnetic flux and motor torque is possible by equations when carrying out a coordinate transformation.
Die in den drei Motorphasen gemessenen Statorströme überlagern sich zu einem resultierenden Stromvektor
Als Geschwindigkeitserzeuger 4 kann beispielsweise auch ein Asynchronmotor in Verbindung mit einer darauf implementierten U/f-Steuerung verwendet werden, wobei der erfasste Schlupf als Mass für die aufgebrachte Antriebskraft dient.For example, an asynchronous motor in conjunction with a U / f control implemented thereon can also be used as the
Der Schlupf s ist definiert nach folgender Gleichung:
- s
- der Schlupf,
- ns
- die Synchrondrehzahl des umlaufenden magnetischen Feldes,
- n
- die mechanische Drehzahl der Motorwelle,
- ws
- die Synchronkreisfrequenz des magnetischen Feldes,
- w
- die mechanische Kreisfrequenz,
- fs
- die aktuelle Synchron- bzw. Ausgangsfrequenz des Frequenzumrichters und
- zp
- die Polzahl des verwendeten Motors ist.
- s
- the slip,
- n s
- the synchronous speed of the circulating magnetic field,
- n
- the mechanical speed of the motor shaft,
- w s
- the synchronous circuit frequency of the magnetic field,
- w
- the mechanical angular frequency,
- f s
- the current synchronous or output frequency of the frequency converter and
- zp
- the number of poles of the motor used is.
Nach der bekannten Klossschen Formel gilt:
- MK
- das Kippmoment und
- sK
- der Kippschlupf ist.
- M K
- the tilting moment and
- s K
- the tilting slip is.
Beide Grössen sind für einen gegebenen Motor und U/f-Kennliniensteuerung konstant.Both quantities are constant for a given engine and V / f characteristic control.
Für kleine Schlupfbeträge (s < sK) gilt die Näherung:
Als Geschwindigkeitserzeuger kann beispielsweise auch ein spannungs- und frequenzgesteuerter Asynchronmotor verwendet werden, wobei der gemessene Ständerstrombetrag als Mass für die Antriebskraft dient.As a speed generator, for example, a voltage and frequency controlled asynchronous motor can be used, the measured stator current amount is used as a measure of the driving force.
Der zeitliche Mittelwert des Strombetrages durch die Ständerwicklung der Asynchronmaschine ist bei U/f-Steuerung vom aufgebrachten Motormoment mM über die Formeln
- zp
- die Polpaarzahl,
- Is
- der Betrag des Ständerstromes,
- Lm
- die Hauptinduktivität des Motors,
- Ls
- die Ständerinduktivität des Motors,
- Unom
- die Nennspannung des Motors und
- fnom
- die Nennfrequenz des Motors ist.
- zp
- the pole pair number,
- I s
- the amount of the stator current,
- L m
- the main inductance of the motor,
- L s
- the stator inductance of the motor,
- U nom
- the rated voltage of the motor and
- f nom
- the rated frequency of the motor is.
Damit ist der Betrag des Antriebsmomentes aus dem gemessenen Strombetrag berechenbar. Andere Anordnungen und Regelverfahren, wie beispielsweise Synchronantriebe mit Messung des Polradwinkels oder des Statorstrombetrages oder Gleichstromantriebe mit Ständerstrommessung, etc., die einen Rückschluss auf die tatsächlich vom Aktor aufgebrachte Kraft zulassen, sind als Geschwindigkeitserzeuger auch möglich.Thus, the amount of the drive torque from the measured amount of current can be calculated. Other arrangements and control methods, such as synchronous drives with measurement of the Polradwinkels or Statorstrombetrages or DC drives with stator current measurement, etc., which allow a conclusion on the force actually applied by the actuator are also possible as speed generators.
Als Geschwindigkeitserzeuger 4 kann beispielsweise auch ein Synchronmotor verwendet werden.As a
Der Grenzwerterzeuger 7 berechnet aus dem mittels des mathematischen Modells bestimmten Antriebskraftmodellwert und einer zulässigen Störkraft einen Kraftgrenzwert. Im einfachsten Fall geschieht dies durch Addition der per Vorschrift festgesetzten höchstzulässigen Störkraft von beispielsweise 120 N.The
Als sensiblere Lösung für die Bestimmung des Kraftgrenzwertes kann ein statistisches Auswerteverfahren beispielsweise nach einer Gaussschen Normalverteilung eingesetzt werden. Die Gausssche Normalverteilung ist nur eine von vielen möglichen Verteilungsfunktionen. Exponential-, Weibull- oder Gleichverteilung sind ebenso einsetzbar. Alle diese Funktionen haben eine Dichtefunktion und eine Verteilungsfunktion, wobei die berechneten Zahlenwerte natürlich verschieden sein können. Durch die statistische Auswertung der Differenz zwischen dem Istwert der Antriebskraft und dem vom mathematischen Modell gelieferten Wert der Antriebskraft lässt sich bestimmen, wie gut die Messwerte bei ungestörtem Verlauf mit den theoretischen Werten übereinstimmen. Unter der Annahme einer Gaussschen Normalverteilung der Differenzwerte lässt sich, wie in
Angenommen bei einer grösseren Anzahl von Messungen wird festgestellt, dass die Differenzwerte um den Mittelwert 0 der Dichtefunktion phi(z) (Kurve 9) der Normalverteilung streuen und zwar mit einer Standardabweichung von 10 N. Gemäss der Verteilungsfunktion Phi(z) (Kurve 10) der Normalverteilung sind somit 50% aller Differenzwerte kleiner als 0. 84% aller Grenzwerte sind kleiner als 10 N, 97,7% sind kleiner als 20 N und 99,86% sind kleiner als 30 N. Setzt man den Grenzwert also 30 N grösser an als den vom mathematischen Modell gelieferten Sollwert der Türschliesskraft, so werden nur 0,14% aller Messwerte durch zufällige Störungen den Grenzwert überschreiten. Damit lässt sich ohne Einbusse bei der Zuverlässigkeit eine niedrigere Auslöseschwelle realisieren und das Verletzungsrisiko senken. Anhand der laufenden statistischen Auswertung der Differenzwerte kann eine Adaption während des Betriebes erfolgen.Assuming a larger number of measurements, it is found that the difference values scatter around the
Claims (8)
- Method of force limitation for automatic elevator doors with a door drive comprising a control, motor, and drive mechanism for imparting motion to a car door and a hoistway door according to a pattern of speed and pattern of force corresponding to the position of the door from an open position to a closed position or vice versa, the pattern of force itself being adaptable to door parameters which change with the passage of time, and the doors being stoppable and/or reversible should a disruptive force caused by an obstruction occur while they are in motion, wherein
the pattern of driving force needed during unobstructed operation is determined by means of a mathematical model for the door drive,
the mathematical model is based on Newtonian equations of motion for the door mechanism,
the pattern of driving force requiring to be generated when operating free of disruptive forces is compared with the actual value of the pattern of driving force, and deviations of a specified amount between the necessary pattern of force and the actual value of the pattern of force caused by the disruptive force stop and/or reverse the doors. - Method according to Claim 1,
characterized in that
the mathematical model is an adaptive model in which the parameters are automatically adjusted to the actual parameters of the door mechanism while the door is in operation. - Method according to Claim 1,
characterized in that
an asynchronous motor with voltage and frequency control is provided to generate the pattern of force, the measured motor slip serving as a measure of the driving force. - Method according to Claim 1,
characterized in that
an asynchronous motor with voltage and frequency control is provided to generate the pattern of force, the measured value of the stator current serving as a measure of the driving force. - Method according to Claim 1,
characterized in that
an asynchronous motor supplied by a frequency converter is provided to generate the pattern of force, the component of current isq orthogonal to the rotor flux serving as a measure of the driving force. - Method according to Claim 1,
characterized in that
a synchronous motor is provided to generate the pattern of force. - Method according to Claim 1,
characterized in that
a limiting value of force is determined from the model value for the driving force obtained from the mathematical model and a permissible disruptive force, the doors stopping and/or reversing when the limiting value of force is exceeded. - Method according to Claim 7,
characterized in that
the limiting value of force is determined by means of a method of statistical analysis by reference to a density function and a distribution function.
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