JP2009118643A - リール装置の駆動制御装置および駆動制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】可撓性長尺材の巻取・引出しをするリールの駆動電動機は、その駆動制御に複数の制御要素を必要としているために、制御要素の検出に伴う誤動作防止の対策や管理が煩雑であり、また、電動機の制御は、過度な巻取・引出しトルクの生成を伴いやすく、これが無駄なエネルギ消費やケーブルやホース等に対する過剰な張力になっていた。
【解決手段】リールを駆動する電動機の制御の演算要素に電動機（又はリール）の回転速度を用い、回転速度が高くなるに従ってリールの巻取り負荷が減少する場合は、駆動制御装置による電動機のトルク制限値が電動機の回転速度の増大に従って低くなるように演算させ、電動機の回転速度が高くなるに従って巻取り負荷が増大する場合は、駆動制御装置による電動機のトルク制限値を電動機の回転速度の増大に従って高くするように演算させ、この演算出力により電動機の制御をする。
【選択図】図２

Description

本発明は、工場や建設現場などで使用される産業用移動機器に電力を供給する給電ケーブルや動力源となる油圧を供給する油圧ホース或いは該移動機器に水や流動性の資材を供給する給水管や送油パイプ等の非剛性又は可撓性の長尺部材（以下可撓性長尺材ともいう）が機器の移動に伴って弛まないように移送してコイル状に巻取り・引出しを行なうリール装置の駆動制御装置及びこのリール装置の駆動制御方法に関する。

工場や倉庫、建設工事等の作業現場で使用される移動クレーン、バケットクレーン、窓拭きのゴンドラ等の産業用移動機器（以下移動機器ともいう）は、近年、大型化、高速化が進んでいる。この産業用移動機器には、可撓性長尺材を用いて、動力源から電気や圧搾空気、油圧等が供給されまた、資材源からは、費消する水や流動性の資材が供給されている。このような可撓性長尺材は移動機器の移動に伴って可撓性長尺材が弛んだり過度に引張られたりしないように、随時、リール装置によって引出し、巻取りが行われている。

このため、リール装置は、可撓性長尺材を巻取るリール及びこのリールを駆動する装置を有し、駆動制御装置には、リールの回転駆動をする電動機及び該電動機の回転方向や回転速度を制御する制御装置が備えられている。

リール装置は、リール装置が移動機器に搭載されて電源や油圧ポンプ等の動力源或いは水源や流動性の資材を貯えた貯留タンク等の資材源（以下これらをまとめて動力源等ともいう）と移動機器とを可撓性長尺材でつなぐ使用形態、リール装置が移動機器と動力源等との間に設置されて移動機器に必要な電力や資材等を供給する形等の設置状態がある。

リール装置が設置される場所は、移動機器が置かれた作業現場の環境と同様に、作業現場の振動や飛散する粉塵や水滴にさらされることも多く、また、風雨に当ることも多い環境下にリール装置が置かれる。また、可撓性長尺材は、移動機器の移動に従ってリールから引出されるときや作業現場に敷設されるとき、或いは、リールに巻取られるときには、単に巻取りや引出しのための引張り力だけでなく、使用の条件によって、可撓性長尺材自身の重量や可撓性長尺材を介して供給される費消流体の重量等が作用し、これらの種々の外力が巻取りや引出しのための引張り力に加えて可撓性長尺材に作用する。

このために、従来から、リールを駆動する電動機の回転速度（又は回転数）をインバータで変えて可撓性長尺材に作用する張力を低くするようなリール装置もあったが、従来の装置は、リール装置に取り付けた種々のセンサに基づいて電動機にかかる負荷や電動機トルクの最適化を図ったもの、或いは、電動機の出力トルクを制御し、これにより電動機にかかる負荷や電動機トルクの最適化を図ったものであり、可撓性長尺材にかかる外力や張力等に配慮するものではなかった。また、近年の産業移動機器は大型、高速化が進んでおり、移動機器に接続される可撓性長尺材についても、移送や巻取り、引出しのための負荷を越える大きな負荷を可撓性長尺材に与えないようなリールの駆動制御、可撓性長尺材を長持ちさせるようなリール装置が要望されてきている。

例えば、特許文献１に記載されているリール駆動用電動機の制御方法においては、ケーブルにかかる張力を一定にするためにケーブルの巻取り、引出しにより変わるリールの巻き径を巻径検出器にて検出したリール回転位置からリール回転を想定してインバータにて演算する技術が記述されている。しかし、この制御は、リールの回転数に関係なく巻取りや引出し時に一定のトルクを出し続けるように制御するという思想であった。また、このような従来の制御では、リールを駆動する電動機の制御のために適宜、センサを取り付けていたため、センサの数が増大する上に、その検出結果を演算処理する装置やその結果を電動機に供給して制御をするために複雑な機構が必要になっていた。

このようにケーブルに係る張力を一定にするためにケーブルの巻取り、引出しにより変わるリールの巻き径を検出装置で検出したリール回転位置からリール回転を想定しインバータにて演算しているリール装置として、例えば、特許文献１に記載されているのような装置がある。このリール装置にはリールの巻き径を検出する巻き径検出器の他に速度検出器というように２種類の検出器を必要とし、根底にはリールの回転数に関係なく一定のトルクを出し続けようという発想がある。
特開２００３−１９９４００号公報

一般に、移動用産業機器とリールとをつなぐ可撓性長尺材をリールで巻取り、引出しするようにしたリール装置において、該リールを駆動をする場合、ケーブルを巻取るトルクとリールを設定速度まで加速するためのトルクを発生しなければならない。しかし、リールの回転加速が終了した状態では加速トルクは余剰なトルクであり、余剰なトルクはケーブルに対する過剰な張力となるのみならず、リールを駆動する電動機においては、余分な電力の消費にもなっている。また、リールの駆動制御のために、検出器を用いる時は、検出器に対する振動対策、防塵、防雨対策さらにノイズ侵入の問題が起こりやすく、検出器による防塵対策やノイズ対策も、この種のリール装置が使用現場で有している課題である。

本発明の目的は、上記問題点を解決し、省電力でケーブルに優しく、制御のための検出器対策を少なくしたリール装置の駆動制御装置及び駆動制御方法を提供することにある。

本発明は、移動用産業機器とリールとをつなぐ可撓性長尺材を電動機で駆動されるリールで巻取り、引出しするようにしたリール装置において、前記リール又は電動機の回転速度を検出する速度検出器と、この検出器の出力信号に基づいて前記電動機の駆動トルク制限値を演算し、その演算結果に基づいて電動機の制御をする制御装置を設け、電動機の回転回転速度が増すに従って巻取り負荷が減少する場合は、制御装置による電動機のトルク制限値が電動機の回転速度の増大に従って低くなるように演算させ、電動機の回転速度が高くなるに従って巻取り負荷が増大する場合は、制御装置による電動機のトルク制限値が、電動機の回転速度の増大に従って高くなるように演算させ、この演算結果により電動機の制御をするようにしたことを特徴としたリール装置の駆動制御方法である。

このような制御方法によれば、リールを駆動する電動機による過度なトルクの生成を避けた電動機の制御がなされるので、移動機器の移動において、弛みをなくし、過剰な張力を減じた移送を実現してリールにコイル状に巻取り・引出しを行なう可撓性長尺材に優しいリールの駆動制御をするとともに、リールを駆動する電気エネルギの消費を少なくしたリール装置を提供することができる。また、本発明によるリールの駆動制御装置は、リールの回転速度データがあれば駆動制御が可能なので、センサの管理が容易になり、リール装置の使用者等への負担を減らした駆動制御装置を提供することもできる。

また、本発明は、移動用産業機器とリールとをつなぐ可撓性長尺材を電動機で駆動されるリールで巻取り、引出しするようにしたリール装置において、該リール装置がリール又は電動機の回転速度を検出する検出器と、この検出器の出力信号に基づいて前記電動機のトルク制限値を演算する演算装置と、演算結果に基づいて電動機の制御をする制御装置とを有し、前記演算装置は、回転速度と回転負荷との関係要素を加味して回転速度に応じたトルク制限値を演算出力するようにしたことを特徴としたリール装置の駆動制御装置である。電動機の回転速度を検出する検出器には、該リール装置が前記リール駆動用の電動機内の回転子によって生じる逆起電力を検出して逆起電力から回転速度を演算する装置も用いるようにしたリール装置の駆動制御装置を用いることもできる。

このようなリール装置の駆動制御装置によれば、電動機に過度なトルクの生成を生じないようにしてリールの回転駆動がなされるので、移動機器の移動における可撓性長尺材の弛みをなくしつつ、過剰な張力を減じた移送を実現してリールにコイル状に巻取り・引出しを行なう可撓性長尺材に優しいリールの駆動制御を実現できる。また、リールを駆動する電動機の電気エネルギの消費を少なくしたリール装置を提供することができる上に、このような本発明の駆動制御装置は、リールの回転速度データがあれば駆動制御が可能なので、センサの管理が容易になり、リール装置の使用者や管理者への負担を減らした駆動制御装置を提供することもできる。

本発明の制御によれば、移動機器の移動における可撓性長尺材の弛みや過剰な張力を減じた可撓性長尺材の巻取り・引出しを行なうリールの駆動制御を実現できる。また、リールを駆動する電動機の電気エネルギの消費を少なくする上に、駆動制御データを得るセンサの管理が容易になり、リール装置の使用者や管理者への負担を減らした駆動制御装置を提供することもできる。

図１は、本発明が使用されるリール装置の一例を示す側面図であり、１は可撓性長尺材２を巻取るリール、３は減速機４を介してリール１を駆動する電動機、５はリール１及び減速機４を回転可能に支持する回転軸、６は電動機３の回転速度または回転数（以下これらをまとめて回転速度とも言う）を検出する速度検出器、７は電動機３の回転速度を制御する駆動制御装置、８は駆動制御装置７によって制御された電力をＰＷＭ生成回路１５を介して電動機３に供給する給電線、９はこの給電線８に取付けられ電流検出器であり、リール装置１０はこれらのリール１、可撓性長尺材２、電動機３、減速機４等によって構成され、リール装置１０を構成する各機器は従来から使用されている機器を使用することもできる。１１はこのようなリール装置１０の可撓性長尺材２を介して動力源等から、動力源となる電力や水等の資材の供給を受ける移動機器である。

なお、速度検出器６の取付に関して、電動機３とリール１とは減速機４を介して回転が直接に伝達されており、本発明の制御に関する回転速度は、電動機３に限らず、リール１、減速機４のいずれで検出しても同じデータとして扱えるので、回転速度の検出は、電動機３、減速機４、リール１のいずれの場所で検出しても良い。図１では速度検出器６にエンコーダを用いているが、電動機やリール等から回転速度が検出できる装置であれば、その他の速度検出装置であっても本発明に使用することができる。また、電動機の駆動方法は、此の種の電動機制御において広く使用されているＰＷＭ生成回路１５を用いたインバータ制御が用いられ、ＰＷＭ生成回路１５の制御には本発明の駆動制御方法が使用される。

図２は、このリール装置１０を駆動する駆動制御装置の一例を示すブロック図であり、図１で示した機器には、同じ図番が使用されている。

図２において、１３は電流検出器９からの出力電流iu、iwをｄｑ変換し電動機３の磁束に寄与する電流成分Ｉｄと電動機３のトルクに寄与する電流成分Ｉｑを出力するｄｑ変換回路、１４は例えば、エンコーダ等の速度検出器６で検出された電動機３の回転速度信号を速度検出値ωｒとして出力する速度検出回路、１５はリール装置１０を所期の制御条件で駆動するために、ｄｑ変換回路１３及び速度検出回路１４から得られた信号を基に生成された電力を所定の周波数で電動機３に供給するＰＷＭ生成回路１５、１６は速度検出回路１４から出力された速度検出値ωｒ等を基にｄ軸電流設定回路１７で演算された電動機３の磁束に寄与する電流成分の指令値Ｉｄ*とｄｑ変換回路１３から出力された磁束に寄与するｄ軸電流成分Ｉｄとから電動機３の磁束に寄与する電圧成分Ｖｄを演算してＰＷＭ生成回路１５に供給するｄ軸電流制御回路、１８は前記速度検出値ωｒ等を基に速度制御回路１９で演算された電動機３のトルクに寄与するｑ軸電流成分の指令値Ｉｑ*とｄｑ変換回路１３から供給されたトルクに寄与するｑ軸電流成分Ｉｑとから電動機３のトルクに寄与する電圧成分Ｖｑを演算してＰＷＭ生成回路１５に供給するｑ軸電流制御回路、２０は、外部から設定値として入力された周波数指令（ωｒ*）と前記速度検出値ωｒとを基に速度制御回路１９で演算して速度制御回路１９で演算された電動機３のトルクに寄与するｑ軸電流成分の指令値Ｉｑ*と速度検出回路１４から得られた速度検出値ωｒとから電動機３の運転周波数ω１を演算してＰＷＭ生成回路１５に指令する周波数制御回路である。

ＰＷＭ生成回路１５はこれらｄ軸電流制御回路１６から供給された電圧指令Ｖd、ｑ軸電流制御回路１８から供給された電圧指令Ｖq、周波数制御回路２０から供給された周波数指令ω１に基づいて三相交流を生成し、電動機３に供給する。このときの電動機３の運転トルクは、電動機３の回転速度に対応して定められた巻取・引出しトルク（設定トルクともいう）がリール１に与えられるように当該移動機器１１に使用されるリール装置１０について予め定められた固有の回転速度に対するリール駆動トルクの制御関係式（以下動作パターンともいう）が速度制御回路１９に予め入力されている。駆動制御装置７は、速度検出器６から間断なくリールの回転速度のデータを受信し、この動作パターンに従い、受信した回転速度に対応する駆動トルクを演算し、この演算結果によって、リール１を駆動する電動機３の回転は制御される。

このような出力トルクの制御において、一般に、移動機器１１が使用されている作業現場では、作業の間中、移動機器１１は移動と停止を繰返している。これに伴い、動力源等１２と移動機器１１との間を接続する可撓性長尺材２もその繰出し長さの伸縮を繰返し、リール装置１０はコイル状に巻取られている可撓性長尺材２の巻取りと引出しを連続的に行ないつつ、可撓性長尺材２の巻取りと引出しによってリール１の巻取り径を変化による可撓性長尺材２の重量負荷の変化を受けながらリールの駆動をしている。

移動機器１１の移動に伴いリール１の巻取り径やリール１にかかる可撓性長尺材２の重量負荷が変化する運転条件下では、リール１を駆動する電動機３のトルクと回転速度とを設定値のままで運転されるよりも、リール１の回転速度の変化に瞬時に対応して電動機３の駆動制御がおこなわれるのが好ましい。

本発明の駆動制御においては、リール装置１０の駆動制御装置７が電動機３に指令した駆動制御の結果である電動機の回転速度データを間断なく駆動制御装置７にフィードバックさせ、駆動制御装置７は、駆動制御の指令を電動機３に出す際に、この回転速度データに移動機器１１の移動に伴うリール１の回転速度の変化及び可撓性長尺材２の巻取り・引出しによって生じるリール１の回転速度の変化を加味してリール１にかかる負荷を動作パターンに従って演算し、この演算結果に対応したトルク指令をＰＷＭ生成回路１５を介して電動機３に逐一出力し、速度検出器６から間断なく送信されてくる回転速度データに最適なトルク出力で電動機が駆動されるように制御している。

速度検出器６は、新たに出力されたトルク指令で駆動された電動機３（リール１）の回転速度を、再び駆動制御装置７にフィードバックし、駆動制御装置７は、フィードバックされた回転速度に対応した次の制御指令を電動機３に出力してリール１の駆動を行なう演算と制御のルーチンを移動機器１１による作業の間中、継続して行ない、回転速度が動作パターンによって定まる巻取り・引出しトルクになるように制御するものである。

この関係を、本発明によるリール装置の駆動制御の一例をモデル的に示す図３及び図４に従い説明する。図３はリール装置の一つの設置状態を示す模式図、図４は図３の設置状態におけるリール装置の回転速度と制御トルクとの関係（動作パターン）を模式化して示したグラフである。

図３のようなリール装置の使用は、例えば、地上の移動クレーンに用いる場合であり、可撓性長尺材２の一端は固定設備である動力源等１２に接続され、可撓性長尺材２の他端はリール装置１０を介して移動機器１１に接続されている。リール装置１０は、移動機器１１に取り付けられて移動機器１１と共に移動し、動力源等１２と移動機器１１との間をつなぐ可撓性長尺材２の移送と巻取り・引出しをする。

例えば、移動機器１１が動力源等１２から離れるよう（図３の右方向）に移動するとき、リール装置１０からは可撓性長尺材２が引出され、移動機器１１が動力源等１２に近づくよう（図３の左方向）に移動するとき、可撓性長尺材２はリール１に巻取られる。

図３の設置状態においては、巻取りや引出し時のリールの回転速度（または回転数）は、コイル状に巻かれた可撓性長尺材２の影響を受け、移動機器１１が同様な移動をしていても、移動機器１１と動力源等１２との離間距離が大きい（図３の右方向）ほどリール１による可撓性長尺材２の巻取り半径が小さくなるのでリールの回転速度は速くなる。

一方、可撓性長尺材２の移送及びリールによる巻取・引出しトルクは、図３の右方向に行く程、巻取り半径が小さくなり、かつ、可撓性長尺材２をリール１に持ち上げる高さが低くなって持上げ力（ケーブル移送の張力）が減少するので小さなトルクで良いことになる。さらに、リール１に巻取られた可撓性長尺材２の量も、右方向に行く程、少なくなるので電動機３にかかる回転モーメント負荷も図３の右方向に行くほど小さく、電動機３は、移動機器１１が同様な移動をしていても、移動機器１１と動力源等１２との離間距離が大きい（図３の右方向）ほど、少ない出力でリール１を動かすことができることになる。

逆に、上記の離間距離が小さい（図３の左方向）ほど回転速度は遅く、可撓性長尺材２を移送し、巻取り・引出しする時に必要とされるトルクは大きく、リール１を駆動するときの電動機３の負荷は大きくなる。

図４はこのような関係を模式化して示したものであり、横軸は電動機３（リール１）の回転速度、縦軸はリール１の巻取・引出し時のトルクを示し、設定トルクの線は、電動機３（又はリール１）が等速回転している時の回転速度に対応して制御される電動機３（又はリール１）の巻取・引出しトルクの値、換言すれば、各回転速度に対応してリール１の巻取・引出しを過不足無く維持するために必要なトルクを示している。

すなわち、回転速度ωｘで等速回転しているときにトルクがτｘより大きければ必要以上の引張力が可撓性長尺材２にかかった状態で電動機が駆動され、逆に、τｘより小さければ、可撓性長尺材２がリール１に巻取る力が弱く、可撓性長尺材２が弛みを伴いながら、リールに巻取られるような事態が生じることになる。

例えば、図３のようなリール装置の設置状態において、駆動制御装置７が速度検出器６から得られた速度データを基に演算した結果、リールが回転速度ωｘで等速回転しているとなったときは、巻取・引出しトルクはτｘとなるように電動機の駆動出力を制御する。

仮に、移動機器の移動及び可撓性長尺材２の巻取り量等によって、リールの回転速度が可撓性長尺材２の巻取り量に比較して減少傾向にあるという演算結果であれば、駆動制御装置７は、制御するトルクをτｘからτ方向に増大させるために、動作パターンに従い、設定された巻取りトルクを上げ、かつ、必要であれば、これに加えて加速トルク（図４参照）を電動機３に与える制御を行なう。

このような制御による、回転速度の変化は、速度検出器６から、逐一駆動制御装置７にフィードバックされ、駆動制御装置７は、フィードバックされた回転速度の変化を基に再び演算し、その結果に従った駆動トルクを電動機３に指令し、この駆動制御に応じてフィードバックされてくる回転速度の変化に対応した駆動トルクを再び電動機３に与える制御を繰返すことにより、回転速度に応じたトルク制御が実現される。

このようにして、移動機器１１が移動をしている間、間断なく繰返えされる演算と制御の結果、リールの回転速度が、移動機器１１の移動に対応した回転速度ωで等速回転になると、駆動制御装置７は、速度変化に対応して生成させていた加速トルクの発生を停止し、動作パターンの設定トルクに従い、速度ωに対応したトルクτでリール１を駆動するように電動機３を制御する。（図４参照。）

逆に実際の回転速度がωｘより大きな回転速度ωｙになっているという入力が速度検出器６からあったときは、駆動制御装置７は、前記動作パターンに従った演算結果から、入力された速度に対応した出力トルクτｙで電動機３が駆動されるように、自動的にτｘから加速トルクを減じたトルクで電動機３は増速方向に制御され、制御された後の回転速度は、速度検出器６から、制御装置に再びフィードバックされ、上述の減速時と同様なフィードバックと制御指令が繰返される。

このような制御を経た後、電動機３の回転速度が例えば、ωｙで等速になると、駆動制御装置７は、加速トルクの発生を停止し、予め当該移動機器１１の制御値として設定され入力されている動作パターンの設定トルクに従い、速度ωｙに対応した駆動トルクτｙで電動機３を制御することにより、回転速度に応じたトルク制御が実現される。

駆動制御装置７による上述の演算と電動機３の制御は、リール１の正転（巻取り）方向の回転を中心に説明をしたが、可撓性長尺材２をリール１から引出す場合も、全く同様にして、演算、制御される。可撓性長尺材２の引出しの場合は、図４の左側の象限に直線で示すような設定トルクに従って演算される。

このように本発明による駆動制御は、電動機３（リール１）の回転速度データを間断なく駆動制御装置７に入力し、駆動制御装置７は、入力された速度データを当該移動機器１１に対応して入力されている動作パターンに従って、逐一演算して出力して電動機３の制御をするものであり、駆動制御装置７による駆動トルクの演算は、電動機３（またはリール１）の各回転速度（回転数）に対応してリール１の巻取・引出しを過不足無く維持するために必要十分なトルク（設定トルク）を駆動装置内で自動的に演算して電動機の駆動トルクの制限値にする一方、移動機器の移動などで可撓性長尺材２に負荷がかかってリール１の回転速度が下がってくるときは、自動的にトルクが上がり、リール１の回転速度が定速度に戻るとその回転速度に適したトルク（設定トルク）になるように自動的に電動機３を制御することができるものであり、これにより、可撓性長尺材２の移送に弛みを生じさせることなく、かつ、可撓性長尺材２の移送や巻取り・引出し時に作用する過剰な張力を減じた移送、巻取り・引出しの制御及びケーブルまたはホースに優しいリール装置の提供が可能となる。

図５乃至図６は、本発明によるリール装置の駆動制御装置による制御を図３とは異なる態様の移動機器に用いた事例をモデル的に示す図であり、図５はリール装置の一つの設置状態を示す模式図、図６はリール装置の他の設置状態を示す模式図、図７は図５乃至図６の設置状態におけるリール装置の回転速度と制御トルクとの関係（動作パターン）を模式化して示したグラフである。

図５のようなリール装置１０の使用は、例えば、ごみ処理場のバケットクレーンやビルの窓拭き用ゴンドラなどの移動機器に用いる場合であり、図５（a）は、移動機器１１とリール装置１０とが近接した状態、図５（ｂ）は移動機器１１とリール装置１０とが離間した状態を示している。

リール装置１０は、移動機器１１と動力源等１２との間に設置され、移動機器１１の移動に従って、移動機器１１と動力源等１２との間をつなぐ可撓性長尺材２の長さを調整するために、可撓性長尺材２の巻取り・引出しをする。

例えば、図５（a）のように移動機器が動力源等に近接した状態（図の上方向）で移動するとき、可撓性長尺材２の多くはリール１に巻取られた状態にあり、図５（b）のように、移動機器１１が動力源等１２から離れて（図の下方向）移動するときは可撓性長尺材２の多くの部分がリール装置１０から引出されている。

図６の設置状態のときも、図５と同様、リール装置１０は、移動機器１１と動力源等１２との間に設置され、移動機器１１の移動に従って、移動機器１１と動力源等１２との間をつなぐ可撓性長尺材２の長さを調整するために、可撓性長尺材２の移送、巻取り・引出しをする。

図５及び図６の設置状態におけるリール１の回転速度（回転数）は、移動機器１１と動力源等１２との離間距離が大きい（図５の（ｂ）、図６の実線図示）状態ほどリール１による可撓性長尺材２の巻取り半径が小さくなって速い回転になる。一方、この状態における駆動トルクは、リール１から可撓性長尺材２の引出し量が増えた分の引張り負荷が巻取り負荷に加わるので、移動機器１１がリール装置１０から離れるように移動して離間距離が大きくなるほど増大することになる。

この場合に駆動トルクの要素となる回転半径、すなわち、リールにコイル状に巻かれた可撓性長尺材２の増減によるトルクの増減量は、このときの可撓性長尺材２の引張り負荷の増減に比較して些少なので、制御される駆動トルクは、上述した離間距離を主な要素にして変化することになる。逆に、移動機器１１がリール装置１０に近づく（図５（a）状態、図６の仮想線図示状態）のときは、上記の離間距離が小さいほど可撓性長尺材２を単位長さ巻取り・引出す時の回転速度（回転数）は遅くなり、巻取り、引出し時に必要とされる駆動トルクは小さくても良いことになる。

図７は、図５及び図６のようなリール装置の設置状態におけるリール駆動装置の回転速度とトルク制御の関係を模式化して示したものであり、横軸は電動機３（リール１）の回転速度、縦軸はリール１の巻取・引出し時のトルクを示し、設定トルクの線は、図４とは異なる傾きの線であるが、図５及び図６に示すようなリール装置の設置状態に固有の動作パターンである。

この設定トルクの線は、電動機３（又はリール１）が等速回転している時の回転速度に対応して制御される電動機３（又はリール１）の巻取・引出しトルクの値、換言すれば、各回転速度に対応してリール１の巻取・引出しを過不足無く維持するために必要なトルクを示している。

例えば、リール１が電動機３によって設定された回転速度ωｘ、トルクτｘで等速駆動されているときに、移動機器１１がリール装置１０から離れる方向に移動してリール１の回転速度が増加（ωｙ方向）すれば、それに応じて駆動トルクを上げ（τｙ方向）、移動機器１１がリール装置１０方向に移動する等してリール１の回転速度が減少（ωｚ方向）すれば、それに応じて駆動トルクを下げる（τｚ方向）ように電動機３を制御することを示している。

すなわち、図５、図６のような使用条件の場合は、駆動制御装置７による電動機３の駆動トルクの制限値の演算として、低速回転時は弱いトルク、高速回転時には強いトルクを出力するようにすると、リール１の巻き径が大きい時は回転数が低くケーブル又はホースの持ち上げ長さが大きいが引張る長さが短いため弱いトルクでも可撓性長尺材２を巻取・引出しを行い、リールの巻き径が小さい時は回転数が高くケーブル又はホースの持ち上げ長さが小さいが引張る長さが長いため大きいトルクで巻取・引出しをするように電動機３を制御し、これによってリール装置１０の設置状態に適したリールの駆動制御を行なうことができる、リール１と移動機器１１との間にある可撓性長尺材２に作用する過剰な張力を減じ、移送時の弛みを無くすことができ、ケーブルやホースに優しいリール装置の制御が可能となる。

上述した駆動制御装置７による制御トルクの演算と電動機３の制御の説明は、リール１の正転（巻取り）方向の回転を中心に説明したが、可撓性長尺材２をリール１から引出すリール１の逆転（引出し）方向の回転も場合も、全く同様にして、演算、制御される。この引出しの場合は、図７の左側の象限にある設定トルクの直線に従って演算される。

このようにして、図５、図６に示す設置状態のリール装置１０に対する本発明の駆動制御も、図４に示す制御と同様に、速度検出器６が、移動機器１１の移動に従って生じる電動機３やリール１の回転速度を検出し、回転速度データとして間断なく駆動制御装置７にフィードバックし、駆動制御装置７は、固有の回転速度・トルクの設定制御値（動作パターン）として予め入力された制御の関係式に従ってリール１の駆動用電動機を制御する。

このように本発明の駆動制御は、リール１にかかる負荷に対応したトルクと回転速度の制御と併せて、移動機器１１の移動と共に変化するリール１の回転速度に応じて電動機３の出力トルクの制御を行なうものであり、入力された回転速度データに応じたトルクになるように電動機３に供給する電力を制御するので、無用なトルクの発生や過度なトルク維持のための電力供給を減少し、電動機の電気エネルギの消費を少なくして可撓性長尺材２の巻取りや引出しを行なうリール装置を提供することができる。

また、電動機に過度なトルクの生成を生じないようにしてリールの回転駆動がなされるので、移動機器の移動における可撓性長尺材の弛みをなくしつつ、過剰な張力を減じた移送を実現してリールにコイル状に巻取り・引出しを行なう可撓性長尺材に優しいリールの駆動制御を実現できる。

さらに、このような制御によれば、電動機に回転指令をした後に、電動機が回転できないときや演算して出力した回転速度に達し得ないときは、速度検出器からの信号によって電動機の回転が所定の回転速度になるように設定トルクに従ったトルクに加速トルクを加えるという形でトルクの増減の指令がなされるので、電動機の回転がないままに通電を続けて電動機を焼損させる怖れがなくなり、過負荷保護機能も付与することができる。

さらにまた、上述したようなリール装置の駆動制御は、回転速度データが間断なく制御装置側に得られれば、リールの回転速度のみならずその加速や減速の判断と共に、電動機のトルク制限値の演算をしてリール装置の駆動制御をすることが可能になるので、従来の同様なトルク制御技術で必要とされた種々のデータの検出機器（センサ）の設置及び検出装置に対する振動対策、防塵、防雨対策さらには、センサと制御装置とをつなぐ電気配線が必要でなくなり、センサと駆動制御装置とを結ぶ配線センサが拾う煩雑なノイズ対策や誤動作のおそれ、作業現場の塵埃や湿気によるセンサの誤動作や故障の基になっていた問題の発生を大幅に削減することができ、センサの管理が容易になり、リール装置の使用者や管理者の負担を減らした駆動制御装置を提供することができる。

図８は、上述した本発明によるリール装置の駆動制御装置の一例を示す制御回路構成図である。図８において、図２と同じ図番の機器、回路は、第２図の機器、回路と実質的に同じものであるので、特に説明を要しないものは、説明を省略する。

図８において、ｄ軸電流制御回路１６は、減算器２１、比例積分補償器２２、リミッタ２３等を備え、ｄ軸電流設定回路１７は、磁束に寄与するｄ軸電流成分の設定値を入力するＩｏ設定入力部２４を有している。ｑ軸電流制御回路１８は、減算器２５、比例積分補償器２６、リミッタ２７等を備え、周波数制御回路２０は、演算器２８と加算器２９とを備え、速度制御回路１９は、周波数指令入力部３０、減算器３１、比例積分補償器３２、トルクリミッタ回路３３、トルクリミッタ制御回路３４等を備えている。

ｄ軸電流制御回路１６では、速度検出回路１４から出力された速度検出値ωｒをＩｏ設定入力部２４から入力された設定電流値Ｉｏを基にｄ軸電流設定回路１７において演算して出力されるｄ軸電流成分の指令値Ｉｄ*と、ｄｑ変換回路１３から出力されたｄ軸電流成分Ｉｄとの偏差Ｉｄｄが減算器２１で演算されて出力される。出力された偏差Ｉｄｄは、比例積分補償器２２において、比例演算と比例演算処理が行なわれ、これらの演算結果が加算されて磁束成分電圧を生成し、リミッタ２３に出力する。リミッタ２３では、得られた磁束成分電圧が過度に増大して電動機３に過大な電力を与えることのないように、一定値以上の電圧については許容最大値に制限する演算処理を行ない、この電圧を電動機３の磁束に寄与する磁束成分電圧指令ＶｄとしてＰＷＭ生成回路１５に供給する。

ｑ軸電流制御回路１８では、速度制御回路１９から出力されたトルク分電流指令値Ｉｑ*と、ｄｑ変換回路１３から出力されたｑ軸電流成分Ｉｑとから偏差Ｉｑｄが減算器２５で演算されて出力される。出力された偏差Ｉｑｄは、比例積分補償器２６において比例演算と比例演算処理が行なわれ、これらの演算結果が加算されてトルク成分電圧指令を生成し、リミッタ２７に出力する。リミッタ２７では、過度な電圧指令によって電動機３に過度な電力を供給することのないように、一定以上の値の電圧については許容最大値に制限する演算処理を行い、この電圧を電動機３のトルクに寄与するトルク成分電圧指令ＶｑとしてＰＷＭ生成回路１５に供給する。

速度制御回路１９では、周波数指令入力部３０から出力された設定周波数指令ωｒ*と速度検出回路１４から出力された速度検出値ωｒとの偏差ωｒｄを減算器３１で演算し、比例積分補償器３２に出力する。偏差ωｒｄは、比例積分補償器３２において比例演算と比例演算処理が行なわれ、これらの演算結果が加算されてトルク分電流を生成し、リミッタ３３に出力する。

トルクリミッタ制御回路３４では、図４または図７に示す動作パターンをもとに、速度検出回路１４から出力された速度検出値ωｒに対応して演算されたトルクのリミット値（上限値）ＴLimをトルクリミッタ回路３３に供給する。

リミッタ３３では過度に大きなトルク分電流が出力されないように、動作パターンに従ってトルクリミッタ制御回路３４から供給されたトルクのリミット値ＴLim以上の値のトルク分電流については上限値（ＴLim）に制限する処理を行なってトルク分電流指令値Ｉｑ*を生成する。このトルク分電流指令値Ｉｑ*は、ｑ軸電流制御回路１８に供給され、上述したように減算器２５、比例積分補償器２６等で演算された後、電動機３のトルクに寄与する電圧成分ＶｑとしてＰＷＭ生成回路１５に供給される。

一方、周波数制御回路２０に供給されたトルク分電流指令値Ｉｑ*は、演算器２８において、トルク分電流指令値Ｉｑ*にゲインを乗じてすべり周波数ωｓ*の演算を行ない、加算器２９に供給する。加算器２９では、速度検出回路１４から出力された速度検出値ωｒに演算器２８から出力されたすべり周波数ωｓ*を加算して出力周波数ω1を出力し、ＰＷＭ生成回路１５に供給する。

ＰＷＭ生成回路１５では、ＰＷＭ生成回路１５に供給された電圧成分Ｖｄ、Ｖｑと、出力周波数ω１の指令に基づき生成されたＰＷＭ生成回路１５波形によって電動機３の制御を行なうことにより、上述したようなリール装置の駆動用の電動機の制御を行う。

このようにリール１の回転速度が変化する時の駆動制御装置７による演算は、例えば、リールの回転速度（回転数）がゼロの時は、リールに巻かれた可撓性長尺材の量（リールの巻径）に関係なく、τｍのトルク（除乗トルクともいう）を発生させるように演算してＰＷＭ生成回路に出力する。

次に移動機器11が移動を開始するに伴って、リールが回転すると、動作パターンに従い必要なトルク（設定トルク）を出力する。移動機器が移動を開始した後、等速移動をしているときは、その移動速度から算出されるリール１の回転速度ωｘが一定であり、リールは、設定された巻取りトルクτｘで駆動されるように演算してＰＷＭ生成回路に出力する。

一方、移動機器１１が移動を開始した後、増速（又は減速）しているときは、設定された巻取りトルクτｘに加えて、移動機器の移動速度に合わせてリール１の回転を加速（又は減速）させる加速トルクが必要になる。この加速分の演算は、上記リールの回転速度がゼロの時の除乗トルクとの差を加速トルクとして移用して、移動機器１１の増減速に合わせてリールを加減速できるように演算してＰＷＭ生成回路に出力する。

この後、移動機器１１が等速移動になり、リールの回転速度が上記の回転速度とは異なる回転速度（ωｙ或いはωｚ）で一定になると、動作パターンに従いその等速回転に必要なトルク（設定トルクτｙ或いはτｚ）となり、除乗トルクは無くさせるように演算してＰＷＭ生成回路に出力する。

すなわち、駆動制御装置７では、図８のような回路を用いて、速度検出器６から逐次入力されてくる速度データを基に、リール１の回転を維持する巻取・引出しトルク及び回転速度の増減に必要な加速トルクを図４又は図７で示すような動作パターンの関係式によって演算してＰＷＭ生成回路に出力することにより、本発明によるリール装置の駆動制御を実現するようにしている。

なお、速度データを更に間断なく高速に入力させるときは、電動機３の駆動が、その回転速度の増減に必要な加速トルクを要しているか、単にリール１の回転を維持する巻取・引出しトルクだけでリールの回転が維持できるかもフィードバックされる回転速度の変化によって演算し、推測することもでき、このような演算をさせれば、本発明が目的とするリールの制御をより正確に実施することができるものである。

また、上述した回転速度・トルクの設定制御値（動作パターン）は、リール装置１０が使用される移動機器１１に固有の制御関係式として予めトルクリミッタ制御回路３４入力されているが、この動作パターンは、リール装置１０と組み合せて使用される個々の移動機器１１に固有な関係式として入力するような構造にしても良い。

このような関係式の一つの入力方法として、図示はされていないが、本発明の制御方法を実施する制御プログラムの中に、上記したような内容の動作パターンを演算するプログラムを組み込み、演算によって得られた当該移動機器１１のリール装置１０に固有の回転速度と駆動トルクとの関係式（動作パターン）をトルクリミッタ制御回路３４に取り込むようにしても良い。

このプログラムは、例えば、移動機器１１の移動によって、可撓性長尺材２が最も引出された時に、データ取得のための短時間、電動機３に巻取りトルクを発生させてリール１が回転を開始する時のトルクτｈを測定し、次に、移動機器１１の移動によって、可撓性長尺材２がリール１に最も巻取られた状態で、データ取得のための短時間、電動機３に巻取りトルクを発生させ、リール１が回転を開始する時のトルクτｍを測定し、これら二つのトルク値τｈとτｍが巻取りトルクの最大値と最小値となるように、この二つの測定値τｈとτｍとを直線または数次の曲線で結んでリールの回転速度に対応する巻取りトルクを演算する関数にすると同時に、必要な加速トルクを加減する演算及び余裕計数を補正値として加味した演算をさせることにより、当該リール装置と組合わせて使用される移動機器に固有の動作パターンが得られ、この動作パターンに従って、リール装置の駆動制御をするようにしても良い。

また、上記説明において、電動機は、誘導電動機を前提に説明したが、ＰＷＭ生成回路を用いてインバータ制御ができる電動機であれば、同期電動機、ＤＣモータ等いずれの種類の電動機であっても本発明のリール装置に使用することができる。

本発明が使用されるリール装置の一例を示す側面図である。 本発明によるリール装置の駆動制御方法を実施した駆動制御装置の構成の一例を示すブロック図である。 リール装置の一つの設置状態を示す模式図である。 図３の設置状態における本発明のリール装置の駆動制御方法について、リールの回転速度と制御トルクとの関係を模式化して示した動作パターンの図である。 リール装置の他の設置状態を示す模式図である。 リール装置の更に他の設置状態を示す模式図である。 図５及び図６の設置状態における本発明のリール装置の駆動制御方法について、リールの回転速度と制御トルクとの関係を模式化して示した動作パターンの図である。 本発明によるリール装置の駆動制御方法を実施した駆動制御装置の一例を示す回路構成図である。

符号の説明

１ リール
２ 可撓性長尺材
３ 電動機
６ 速度検出器
７ 駆動制御装置
８ 給電線
９ 電流検出器
１０ リール装置
１１ 移動機器
１２ 動力源等
１３ ｄｑ変換回路
１４ 速度検出回路
１５ ＰＷＭ生成回路１５
１６ ｄ軸電流制御回路
１７ ｄ軸電流設定回路
１８ ｑ軸電流制御回路
１９ 速度制御回路
２０ 周波数制御回路
２１ 減算器
２２ 比例積分補償器
２３ リミッタ
２４ Ｉｏ設定入力部
２５ 減算器
２６ 比例積分補償器
２７ リミッタ
２８ 演算器
２９ 加算器
３０ 周波数指令入力部
３１ 減算器
３２ 比例積分補償器
３３ トルクリミッタ回路
３４ トルクリミッタ制御回路

Claims (4)

1. 移動用産業機器とリールとをつなぐ可撓性長尺材を電動機で駆動されるリールで巻取り、引出しするようにしたリール装置において、前記リール又は電動機の回転速度を検出する速度検出器と、この検出器の出力信号に基づいて前記電動機の駆動トルク制限値を演算し、この演算結果に基づいて電動機の制御をする制御装置を設け、電動機の回転速度が高くなるに従って巻取り負荷が減少する場合は、前記制御装置による電動機のトルク制限値を電動機の回転速度の増大に従って低くするように演算させて電動機の制御をするようにしたことを特徴としたリール装置の駆動制御方法。
2. 移動用産業機器とリールとをつなぐ可撓性長尺材を電動機で駆動されるリールで巻取り、引出しするようにしたリール装置において、前記リール又は電動機の回転速度を検出する速度検出器と、この検出器の出力信号に基づいて前記電動機の駆動トルク制限値を演算し、演算結果に基づいて電動機の制御をする制御装置を設け、電動機の回転速度が高くなるに従って巻取り負荷が増大する場合は、制御装置による電動機のトルク制限値を電動機の回転速度の増大に従って高くするように演算させて電動機の制御をするようにしたことを特徴としたリール装置の駆動制御方法。
3. 移動用産業機器とリールとをつなぐ可撓性長尺材を電動機で駆動されるリールで巻取り、引出しするようにしたリール装置において、該リール装置がリール又は電動機の回転速度を検出する検出器と、この検出器の出力信号に基づいて前記電動機のトルク制限値を演算する演算装置とこの演算装置の出力に基づいて電動機の制御をする制御装置とを有し、前記演算装置は、回転速度と回転負荷との関係要素を加味して回転速度に応じたトルク制限値を演算出力するようにしたことを特徴としたリール装置の駆動制御装置。
4. 移動用産業機器とリールとをつなぐ可撓性長尺材を電動機で駆動されるリールで巻取り、引出しするようにしたリール装置において、該リール装置が前記リール駆動用の電動機内の回転子によって生じる逆起電力を検出して逆起電力から回転速度を演算する装置と、この演算回転速度に基づいて前記電動機のトルク制限値を演算する演算装置とこの演算装置の出力に基づいて電動機の制御をする制御装置とを有し、前記演算装置は、回転速度と回転負荷との関係要素を加味して回転速度に応じたトルク制限値を演算出力するようにしたことを特徴としたリール装置の駆動制御装置。

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