Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung einer absoluten Position einer beweglichen Fahreinheit einer feststehenden Transportanlage. Unter den Begriff „feststehende Transportanlage" fallen Aufzugsanlagen, Fahrtreppen oder Fahrsteige, welche insbesondere in Gebäuden oder Schiffen installiert werden.

Technischer Hintergrund

Zur Bestimmung der Position eines Fahrkorbs in einem Aufzugsschacht werden bislang in der Regel sensorbasierte Verfahren eingesetzt. Am Fahrkorb ist hierzu beispielsweise ein RFID Sensor angebracht, der fest im Aufzugsschacht installierte RFID-Tags während der Vorbeifahrt erfasst, wodurch die Position des Sensors ermittelbar ist. Um eine exakte Positionsermittlung per RFID zu ermöglichen ist eine hohe Dichte von RFID-Sensoren erforderlich.

Insbesondere bei solchen Transportsystemen, bei denen mehreren Fahreinheiten gemeinsam aber unabhängig voneinander einen gemeinsamen Fahrweg nutzen, sind redundante Positionsbestimmungssysteme vorzusehen. Da die sensorbasierten Systeme zumeist recht teuer in der Installation sind, ist es wünschenswert, ein möglichst kostengünstiges Positionsbestimmungssystem bereitzustellen, welches alternativ zu oder in Kombination mit anderen Positionsbestimmungssystemen oder Sicherheitssystemen verwendet werden kann.

Zusammenfassung der Erfindung

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zu Grunde, ein kostengünstiges Positionsbestimmungssystem bereitzustellen.

Gelöst wird diese Aufgabe durch Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie eine Aufzugsanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 7. Bevorzugte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der Beschreibung.

Erfindungsgemäß vorgesehen ist ein Verfahren zum Ermitteln einer absoluten Position einer beweglichen Fahreinheit einer feststehenden Transportanlage, die Fahreinheit ist entlang eines Fahrweges innerhalb der Transportanlage verfahrbar. Die Fahreinheit wird mittels zumindest eines Linearmotors entlang des Fahrweges angetrieben, dabei ist der Linearmotor als Synchronmotor ausgeführt. Der Linearmotor umfasst zum einen eine Vielzahl von Statoreinheiten, welche entlang des Fahrwegs installiert sind und eingerichtet sind, ein Magnetfeld bereitzustellen, welches entlang des Fahrweges wandert. Zum anderen umfasst der Linearmotor zumindest eine Läufereinheit, welche an der Fahreinheit angebracht ist und welche eingerichtet ist, durch das wandernde Magnetfeld entlang des Fahrweges angetrieben zu werden. Durch Auswertung von Regelungsparametern einer Vektorregelung des Linearmotors wird zum einen aus der Vielzahl der Statoreinheiten eine aktive Statoreinheit ermittelt, welche dasjenige Magnetfeld bereitstellt, welches momentan die Läufereinheit antreibt. Zum anderen wird durch Auswertung der Regelungsparameter eine Relativposition der Läufereinheit gegenüber dieser aktiven Statoreinheit berechnet.

Aus diesen beiden Erkenntnissen lässt sich nun die absolute Position der Läufereinheit und damit auch der Fahreinheit ermitteln. Diese ermittelte absolute Position kann für weitere Steuerungs- und Regelungsaufgaben der Transportanlage verwendet werden, insbesondere für die Geschwindigkeitsregelung der Fahreinheit oder eine Kollisionsüberwachung. Die Kollisionsüberwachung ist bedeutsam bei Transportanlagen mit mehreren Fahreinheiten, die sich unabhängig voneinander auf einem gemeinsamen Fahrweg bewegen.

Vorzugsweise sind für eine Vielzahl von Statoreinheiten, insbesondere für sämtliche Statoreinheiten, die jeweils zugehörige absolute Position in einer Datenbasis hinterlegt. Für die Ermittlung der absoluten Position der Fahreinheit wird diese absolute Position aus der Datenbasis abgefragt.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann alleine angewendet werden, um die aktuelle Position der Fahreinheit zu ermitteln; dieses Verfahren kann aber auch in Kombination mit weiteren, davon voneinander unabhängigen Verfahren zur Ermittlung der Position der Fahreinheit durchgeführt werden und so ein Mittel zur Bereitstellung von Redundanz bilden. Ferner kann ein davon unabhängige Kollisionsüberwachungsverfahren zur Erhöhung der Sicherheit parallel ausgeführt werden. In jedem Anwendungsfall liegt ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens darin, dass bereits vorhandene Sensoren und Recheneinheiten lediglich durch Erweiterung deren Funktionsumfangs genutzt werden können, um die zusätzliche Aufgabe der Positionsermittlung zu erledigen. Es bedarf keiner kostenintensiven Installation weiterer Sensoren und Steuerungseinheiten. Besonders vorteilhaft ist die Anwendung in Verbindung mit einer positionssensorlosen Vektorregelung des Linearantriebs, da in diesem Fall auf einen Einsatz von expliziten Positionssensoren, die in großer Zahl entlang des Fahrweges zu installieren wären, verzichtet werden kann.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist an der Fahreinheit eine weitere Läufereinheit angebracht; jeweils durch Auswertung von Größen einer Vektorregelung des Linearmotors wird zum einen aus der Vielzahl der Statoreinheiten eine weitere aktive Statoreinheit ermittelt, welche momentan das die weitere Läufereinheit antreibende Magnetfeld bereitstellt, und zum anderen eine Relativposition der weiteren Läufereinheit gegenüber der weiteren aktiven Statoreinheit berechnet. Das erfindungsgemäße Verfahren wird in diesem Fall an einer zweiten Läufereinheit parallel durchgeführt, welche an derselben Fahreinheit angebracht ist. Hierdurch ergibt sich bereits eine redundante Positionsermittlung, welche ohne den Einsatz zusätzlicher Positionssensoren auskommen kann. Die weitere Läufereinheit ist Bestandteil eines weiteren Linearantriebes, welchem entweder dieselben Statoreinheiten des bereits genannten Linearantriebs zugeordnet sind oder welcher dazu separate, weitere Statoreinheiten umfasst.

Da die Läufereinheit zumindest in Richtung des Fahrweges fest mit der Fahreinheit verbunden ist, ist die Position der Läufereinheit synonym mit der Position der Fahreinheit zu verstehen. Da der Referenzpunkt einen fest an der Statoreinheit verbundenen Ort bezeichnet ist, ist die Position der Statoreinheit synonym mit der Referenzposition zu verstehen.

Insbesondere anwendbar ist die vorliegende Erfindung für Transportanlagen, welche eine Mehrzahl von Fahreinheiten umfasst, welche unabhängig voneinander entlang eines gemeinsamen Fahrweges verfahrbar sind.

Das bislang beschriebene Verfahren ermöglicht insbesondere eine genaue Positionsbestimmung irgendeiner der Fahreinheiten, ohne dass es zwangsläufig ermittelt wird, um welche Fahreinheit es sich handelt. Insofern handelt es sich insbesondere zunächst um eine Art herrenlose, absolute Positionsangabe. In einer nachfolgenden bevorzugten Weiterbildung ist es möglich, dass die absolute Position einer individuellen Fahreinheit, also einer bestimmten Fahreinheit, ermittelt wird. Erst somit kann die absolute Position einer individuellen Fahreinheit ermittelt werden.

Vorzugsweise wird dafür eine Vielzahl von aktuellen absoluten (herrenlosen) Positionen ermittelt werden, welche zunächst keiner der Fahreinheiten aus der Mehrzahl der Fahreinheiten zugeordnet sind. Anhand einer Identifizierungsanordnung wird eine Mehrzahl aktueller identifizierter Grobpositionen ermittelt, an welchen sich Fahreinheiten befinden. Basierend auf einem Vergleich der ermittelten identifizierten Grobpositionen und der ermittelten absoluten (herrenlosen) Position wird eine der ermittelten absoluten Positionen einer individuellen Fahreinheit zugeordnet.

Mit dem Begriff Mehrzahl von aktuellen identifizierten Grobpositionen ist zu berücksichtigen, dass zeitgleich von unterschiedlichen Sensoren jeweils die Präsenz einer Fahreinheit signalisiert wird und damit eine Mehrzahl von identifizierten Grobpositionen vorliegen. Gleichzeitig liegen eine Vielzahl von absoluten Positionen vor, die durch den Regelkreis ermittelbar sind, aber keiner Fahreinheit zugeordnet sind. Jede absolute Position kann nun einer ermittelten identifizierten Grobposition zugeordnet werden, wodurch sich die Zuordnung zu einer individuellen Fahreinheit ergibt.

Die Identifizierungsanordnung kann durch ein RFID-System mit einer Vielzahl von RFID-tags, die am Fahrkorb angebracht sind, und RFID-Sensoren, die fest am Fahrweg angebracht sind, und denen jeweils eine Grobposition zugeordnet ist, realisiert sein. Es sind allerdings auch andere Systeme denkbar, die insbesondere einen unidirektionalen, Fahreinheit-individuellen Informationsaustausch zwischen einer am Fahrweg angebrachten und einer am Fahrkorb angebrachten Einheit durchführt. Ein einfaches Beispiel sind auch QR-Codes, die am Fahrweg oder an der Fahreinheit angebracht sind und einen QR-Code-Reader, der an der Fahreinheit bzw. an Fahrweg angebracht ist und den QR-Code lesen kann.

Die Genauigkeit der ermittelten absoluten Position beträgt vorzugsweise mehr als das 10-fache der Genauigkeit der individuellen Grobposition, vorzugsweise mehr als das 100-fache, weiter zumindest das 1000-fache. Ein erhöhte Genauigkeit um 1000-fache bedeutet z.B.: die absolute Position lässt sich aufgrund der Regelparameter auf den Millimeter genau eingrenzen; aufgrund der Identifizierungsanordnung lässt sich die identifizierte Grobposition allerdings nur auf einen Meter genau eingrenzen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Im Einzelnen zeigen:

Fig. 1 eine Aufzugsanlage mit einem Linearantrieb, bei der das erfindungsgemäße Verfahren zur Anwendung kommt; Fig. 2 einen Stromregelkreis der Aufzugsanlage nach Figur 1 zur Vektorregelung des Linear- Synchronmotors;

Fig. 3 einen übergeordneter Regelkreis der Aufzugsanlage nach Figur 1 zur Fahrtregelung des Aufzuges;

Fig. 4 eine Aufzugsanlage mit mehreren Fahreinheiten in einem Aufzugsschacht, bei der das erfindungsgemäße Verfahren zur Anwendung kommt.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

In Fig. 1 ist eine erfindungsgemäße Aufzugsanlage 1 gezeigt. In einem immobilen Aufzugsschacht 7 ist ein Fahrkorb 2 als Fahreinheit beweglich aufgenommen. Ein nicht dargestelltes Schienensystem definiert einen, in diesem Fall geradlinigen, Fahrweg 6, entlang dem der Fahrkorb 2 verfahrbar ist. Angetrieben in Richtung des Fahrwegs 6 wird der Fahrkorb 2 durch einen Linearmotor 3, der als Synchronmotor ausgebildet ist. Der Linearmotor 3 umfasst eine Vielzahl von Statoreinheiten 4, die entlang des Fahrweges 6 fest installiert. Ferner umfasst der Linearmotor 3 einen Läufer 5, der an dem Fahrkorb 2 befestigt ist und gemeinsam mit dem Fahrkorb 2 entlang dem Fahrweg 6 verfährt.

Um den Läufer 5 und damit den Fahrkorb 2 durch den Linearmotor 3 anzutreiben sind die Statoreinheiten 4 des Linearmotors 3 aufwendig zu regeln. So umfasst jede Statoreinheit 4 eine Mehrzahl an Polen, im vorliegenden Fall jeweils drei Pole u, v, w. In dem in Figur 1 gezeigten Zustand der Aufzugsanlage ist die Statoreinheit 4' diejenige Statoreinheit, die durch Erzeugen eines Magnetfeldes am Pol w den Läufer 5 nach vertikal oben beaufschlagt und dadurch den Fahrkorb 2 antreibt. Die momentan antreibende Statoreinheit wird im Rahmen der vorliegenden Anmeldung als die „aktive Statoreinheit 4"' bezeichnet. Gerät der Läufer 5 bei der weiteren Aufwärtsbewegung anschließend in den Einflussbereich des Pols u der darüber liegenden Statoreinheit 4 (in Figur 1 ist dies die dritte Statoreinheit 4 von oben betrachtet), so wird diese Statoreinheit zur aktiven Statoreinheit, während die bis dahin aktive Statoreinheit 4' ihren Status als aktive Statoreinheit verliert, sobald der Läufer 5 den Einflussbereich sämtlicher Pole u, v, w dieser Statoreinheit verlässt.

Die Regelung der Stromzufuhr zu den Wicklungen der Pole der Statoreinheiten 4 wird über eine Vektorregelung durchgeführt. Dabei ist die genaue Kenntnis der Relativposition des Läufers 5 zu den Statoreinheiten 4 von Bedeutung. Dabei kann diese Relativposition durch separate Positionssensormittel ermittelt werden, die insbesondere entlang des Fahrweges angebrachte Streckenmarkierungen umfassen. Bevorzugt werden erfindungsgemäß sensorlose Regelungsalgorithmen verwendet, bei welchen sich die Relativpositionen aus Regelungsparameter innerhalb des Regelungskreises der Vektorregelung herleiten lassen. Bei dieser sensorlosen Regelung wird der Umstand ausgenutzt, dass der Läufer in Abhängigkeit von dessen Relativposition und Relativgeschwindigkeit zu den jeweiligen Wicklungen der Statoreinheit einen Stromfluss in die jeweilige Wicklung induziert. Dieser induzierte Stromfluss lässt sich durch Auswertung der Statorströme ermitteln. Zur Details einer sensorlosen Vektorregelung wird verwiesen auf „AN93637 PSoC 4 Sensorless Field-Oriented Control (FOC)", Bob Hu, Cypress Semiconductor Corp., 26.08.2015, abrufbar unter

http://www.cypress.com/documentation/application-notes/an 93637-psoc-4-sensorless-field- oriented-control-foc; darin erläutert an einem rotierenden Synchronmotor, was analog anwendbar ist auf einen Linearmotor.

Die Figur 2 zeigt vereinfacht den Regelkreis 8 einer solchen Vektorregelung. Über Stromsensoren 11 werden die Statorströme l _u , l _v , l _w der Wicklungen u, v, w ermittelt und einem Clark-Parks- Transformator 12 zugeführt. Dieser Clark-Park-Transformator 12 überführt die Statorströme zunächst in ein zweiachsiges rotierendes System mit den transformierten Iststromwerten l _d und l _q . Aus Werten dieser Transformation lassen sich über mathematische Modelle, die auch experimentell ermittelt werden können, in einem Slide-Mode-Observer 13, die relative Ausrichtung H ₉₅ zu den Wicklungen u, v, w der aktiven Statoreinheit 4' und damit zu einem Referenzpunkt 9 (Figur 1) der aktiven Statoreinheit 4' berechnen. Zudem ist es durch Beobachtung des Regelkreises bekannt, welche der Statoreinheiten die aktive Statoreinheit 4' ist.

Ist die aktive Statoreinheit 4' bekannt, so kann eine Referenzposition H ₉ für deren Referenzpunkt 9 aus einer Datenbasis 15, in welcher die Referenzpositionen für eine Vielzahl von Statoreinheiten 4 hinterlegt sind, abgerufen werden. Die ermittelte Referenzposition H ₉ stellt die absolute Position dieses Referenzpunktes 9 entlang des Fahrwegs 6 dar. Da der Fahrkorb 2 lediglich in einer Richtungsdimension entlang des Fahrwegs 6 verfahrbar ist, genügt als eindeutige Positionsangabe grundsätzlich eine eindimensionale Größe. Der Fahrweg kann grundsätzlich auch einen nicht geradlinigen Verlauf aufweisen.

Im weiteren Verlauf der Regelung werden die transformierten Iststromwerte l _d und l _q mit entsprechenden Sollwerten l _dS und l _q s verglichen. Die daraus erzeugte Regeldifferenz wird einem Regler 14 mit inversem Clark-Transformator und Motortreiber zugeführt, welcher daraus die Statorströme l _u , l _v , l _w erzeugt und den Wicklungen u, v, w der aktiven Statoreinheit 4' zuführt.

Die so ermittelte absolute Position H ₅ des Läufers 5 wird nun für die Fahrtregelung eines Aufzugs verwendet, was anhand der Figur 3 erläutert wird. Aus der absoluten Position H ₅ lassen sich zudem die aktuelle Geschwindigkeit bzw. der Geschwindigkeitsverlauf ableiten. Eine Aufzugssteuerung 10 gibt eine Sollposition H ₅ s oder eine Sollgeschwindigkeit V ₅ s vor; verglichen mit der aktuellen Position H ₅ bzw. Geschwindigkeit V ₅ wird eine Regeldifferenz ermittelt. In Abhängigkeit der Regeldifferenz ist der Fahrkorb zu verzögern oder zu beschleunigen, was durch entsprechende Vorgabe der Stromsollwerte in dem Regelkreis 8 veranlasst wird. Eine hierzu erforderliche Umwandlungseinheit zur Umwandlung der Regeldifferenz in die Stromsollwerte ist in Figur 3 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Positionsbestimmung des Fahrkorbs kommt somit ohne den Einsatz zusätzlicher Positionssensoren aus. Dieses Verfahren kann somit alleine angewendet werden; es kann aber auch als kostengünstiges Redundanzverfahren für andere, insbesondere sensorbasierte, Positionsbestimmungsverfahren verwendet werden.

Anhand der Figur 4 wird die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens in einem sogenannten Multi-Aufzugs-System erläutert. Bei solchen Systemen befinden sich eine Vielzahl von Fahrkörben 2 in einem gemeinsamen Aufzugsschacht 7. In Figur 4 sind ein erster und ein zweiter Fahrkorb 2', 2" gezeigt. Neben der Kenntnis, dass sich ein (irgendein) Undefinierter Fahrkorb 2 an einer bestimmten Position H ₅ im Auszugsschacht 7 befindet, ist es hierbei noch unwesentlich, um welchen Fahrkorb es sich hierbei handelt. Denn schließlich haben die unterschiedlichen Fahrkörbe unterschiedliche Fahraufträge zu erfüllen, die auch mit unterschiedlichen Geschwindigkeitsprofilen einhergehen und daher unterschiedlich zu beschleunigen und zu verzögern sind. Um zu ermitteln, welcher der Fahrkörbe sich im Bereich der aktiven Statoreinheit befindet, ist eine Identifizierungsanordnung 16 vorgesehen, anhand derer eine identifizierte Grobposition H| _D der Fahrkörbe 2 ermittelt wird. Unter der identifizierten Grobposition H| _D wird im Wesentlichen die Kenntnis über die ungefähre Position eines eindeutig identifizierbaren, also individuellen Fahrkorbs im Aufzugsschacht 7 verstanden.

Die Identifizierungsanordnung 16 umfasst eine Vielzahl von, insbesondere passiven, RFID-Tags 17, von denen zumindest eine an einem Fahrkorb 2 angebracht ist. Ferner umfasst die Identifizierungsanordnung 16 eine Vielzahl von RFID-Sensoren 18, die entlang des Aufzugsschachtes 7 angeordnet sind, und denen jeweils eine Grobposition zugeordnet ist. Gelangt nun der Fahrkorb 2" mit dessen RFID-Tag 17" in den Reichweitenbereich 18"' des RFID-Sensors 18" ', so wird dem Fahrkorb 2" eine Grobposition H| _D "' zugewiesen.

Der andere Fahrkorb 2' befindet sich mit dessen RFID-Tag 17' im Reichweitenbereich 19' und 19" der anderen RFID-Sensoren 18' und 18" angeordnet. Somit kann eine der Grobpositionen HID' oder H| _D " , alternativ beide Grobpositionen H| _D ' und H| _D " , dem Fahrkorb 2' zugewiesen werden. In diesem Fall ist aus den Signalen der RFID-Sensoren 18' und 18" offensichtlich, dass sich der Fahrkorb 2' mit dessen RFID-Tag 17' im Bereich zwischen den beiden RFID-Sensoren befindet. Daher kann die Grobposition auch weiter verfeinert werden, beispielswiese durch Mittelwertbildung der beiden zugewiesenen Grobpositionen (H | _Dj verfeinert = 0,5xH| _D ' + 0,5xH| _D "). Durch das Verfahren, welches anhand der Figuren 1 bis 3 erläutert wurde, kann bereits festgestellt werden, dass irgendeiner der Fahrkörbe in der exakten absoluten Position H ₅ ' befindet, während sich irgendein anderer der Fahrkörbe in der exakten absoluten Position H ₅ " befindet.

Durch Ähnlichkeitsvergleich der ermittelten identifizierten Grobpositionen H| _D mit den beiden absoluten Position H ₅ wird nun genau ein der ermittelten, zunächst noch „herrenlosen" absoluten Positionen H ₅ " dem individuellen Fahrkorb 2" zugeordnet; die andere absolute Position H ₅ ' wird dem individuellen Fahrkorb 2' zugeordnet.

Für die Ermittlung der exakten Position eines Fahrkorbs und Zuordnung dieser Position einem individuellen Fahrkorbs sind lediglich eine geringe Anzahl von RFID-Sensoren erforderlich, die über einen recht großen Abstand entlang des Fahrweges angeordnet sind. Für die Berechnung der exakten Position können die Regelungsparameter verwendet werden; es werden keine nennenswerten zusätzlichen Sensoren erfordert, die nicht ohnehin schon für die Motorregelung vorhanden sind. Bezugszeichenliste

1 Aufzugsanlage

2 Fahrkorb

3 Linearmotor

4 Statoreinheit

5 Läufereinheit

6 Fahrweg

7 Aufzugsschacht

8 Regelkreis

9 Referenzpunkt der Statoreinheit

10 Aufzugsteuerung

11 Stromsensoren

12 Clark-Parks-Transformator

13 Slide-Mode-Observer

14 Regler mit inversem Clark-Transformator und Motortreiber

15 Datenbasis

16 Identifizierungsanordnung

17 RFID-Tag

18 RFID-Sensor

19 Reichweitenbereich eines RFID-Sensors

H ₉ absolute Position des Referenzpunkts (Referenzposition)

H ₉₅ Relativposition zwischen der Referenzposition und der Läufereinheit

H ₅ absolute Position der Läufereinheit

HID identifizierte Grobposition

V ₅ Geschwindigkeit der Läufereinheit

Index S Sollwert