JP2016077091A - インバータ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】巻上げ及び巻下げの開始時において、吊荷の振動を最小限に抑制できるインバータ装置を提供する。
【解決手段】実施形態のインバータ装置によれば、インバータ制御部は、吊荷の巻上げ及び巻下げを行うモータを始動させるためブレーキ制御部が機械式ブレーキを開く以前に、インバータ回路を介してモータに付与するトルクバイアスについて、吊荷の巻上げを開始する際に付与する値（巻上げ時付与値）と、前記吊荷の巻下げを開始する際に付与する値（巻下げ時付与値）とが個別に設定可能である。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、吊荷の巻上げ及び巻下げを行うモータを駆動するインバータ回路を備えるインバータ装置に関する。

出願人は、特許文献１において、インバータ回路によりモータを可変速制御すると共に、機械式ブレーキの開閉を制御するインバータ装置について、モータの始動又は停止に伴って実行するブレーキの開閉制御をモータの可変速制御と連携して行なうために使用するブレーキ開指令から実ブレーキ開までの遅れ時間等をティーチングにより取得する方法を提案している。また、ブレーキの開放時に、負荷トルクに抗し得るトルクをモータに出力させるため、予めトルクバイアスを付与している。

特許第４７８６９４２号公報

しかしながら、特許文献１で付与するトルクバイアスは、モータの荷重とは無関係に設定されていたため、実際の巻上げや巻下げの荷重条件ではトルクバイアスに過不足が生じる。その結果、例えば巻上げの開始時にトルクバイアスが不足すると、ブレーキの開放時に吊荷が一瞬落下した後にこれを巻上げるような現象が発生したり、巻下げの開始時にトルクバイアスが過大になると、吊荷が一瞬巻上げ方向に飛出してから巻下げ方向に戻るような現象が発生する。このような現象は、インチング動作時に吊荷を振動させる要因となり、細かい位置決めを実行する際の障害となっていた。

そこで、巻上げ及び巻下げの開始時において、吊荷の振動を最小限に抑制できるインバータ装置を提供する。

実施形態のインバータ装置によれば、インバータ制御部は、吊荷の巻上げ及び巻下げを行うモータを始動させるためブレーキ制御部が機械式ブレーキを開く以前に、インバータ回路を介してモータに付与するトルクバイアスについて、吊荷の巻上げを開始する際に付与する値（巻上げ時付与値）と、前記吊荷の巻下げを開始する際に付与する値（巻下げ時付与値）とが個別に設定可能である。

また、実施形態のインバータ装置によれば、インバータ制御部は、前記モータを始動させるためブレーキ制御部が前記ブレーキを開く時刻を基準として相対的に決定されるモータの加速開始時刻についても同様に、巻上げ時付与値と巻下げ時付与値とが個別に設定可能である。

第１実施形態であり、巻上げ装置の構成を示す図 荷重−負荷特性の一例を示す図 荷重−負荷特性を取得するための運転例を示す図 荷重推定運転時のモータの運転周波数及び検出トルクの変化を示す図 図２に示す特性を用いた、推定荷重Ｍｍに対応する巻上げ時付与値Ｔｍ及び巻下げ時付与値Ｔｒの決定を説明する図 図４及び図７に示す荷重推定運転の実行時と、その後の巻上げ運転及び巻下げ運転の実行時におけるモータの運転周波数及び検出トルクの変化を示す図 制御部が、トルクバイアスの付与値を吊荷の推定荷重に応じて決定する手順を示すフローチャート 従来構成において、吊荷の巻上げを開始する際に付与するトルクバイアスが異なる場合に対応するモータの実速度及び出力トルクの変化等を示す図 従来構成において、吊荷の巻下げを開始する際に付与するトルクバイアスが異なる場合に対応するモータの実速度及び出力トルクの変化等を示す図 第２実施形態であり、荷重−時間特性の一例を示す図 巻上げ開始時のトルクバイアスが過小である場合に、最適な加速開始時間Δｔｍを与えてモータの加速開始時刻を調整する状態を示す図 巻下げ開始時のトルクバイアスが過大である場合に、最適な加速開始時間Δｔｒを与えてモータの加速開始時刻を調整する状態を示す図 異なる荷重に対し、巻上げ時及び巻下げ時に最適化した加速開始時間Δｔｍ，Δｔｒを与えた場合の速度指令、モータの実速度及び出力トルクの変化等を示す図

（第１実施形態）
以下、第１実施形態について図１から図９を参照して説明する。図１は、ホイストクレーン装置に設けられた巻上げ装置１（昇降機）の構成を示している。巻上げ装置１は、インバータ装置２により巻上用のモータ３(例えば誘導電動機)を可変速制御するようになっている。モータ３の出力は、機械式ブレーキ装置４と減速機（図示せず）とを介して巻取りドラム５に伝達され、モータ３が回転すると、吊荷８はフック７が取り付けられたケーブル６により吊り上げられ、又は吊り下げられる。

インバータ装置２は、主回路部９と制御部１０とから構成されている。主回路部９は、三相交流電源１１から与えられる交流電圧を整流して電源線１２、１３間に出力するコンバータ１４、電源線１２、１３間に接続された平滑用のコンデンサ１５、電源線１２、１３間の直流電圧を交流電圧に変換するインバータ回路１６、およびインバータ回路１６からモータ３に流れる電流を検出する電流検出器１７、１８から構成されている。

ここで、コンバータ１４は、ダイオード１４ａを三相ブリッジ接続することにより構成され、インバータ回路１６は、ＩＧＢＴ等からなるスイッチング素子１６ａを三相ブリッジ接続すると共に各スイッチング素子１６ａに還流ダイオード１６ｂを並列接続することにより構成されている。なお、モータ３の回転軸には、ロータリエンコーダなどの回転速度検出器１９が取り付けられている。

制御部１０（インバータ制御部、ブレーキ制御部）は、操作手段２０または外部から入力される種々の信号（例えば運転指令信号、周波数指令信号）、電流検出器１７、１８により検出されたモータ３の相電流、回転速度検出器１９により検出された回転速度などに基づいて、インバータ回路１６のゲート駆動信号を生成する。この制御部１０は、ベクトル制御に代表されるモータ制御に関する各種の演算を高速に実行可能なプロセッサを備えており、メモリに記憶されたプログラムに従って各演算をソフトウェア処理する。

図１に示す制御部１０は、上記ソフトウェア処理が実行する各機能をブロックに分けて表している。負荷検出手段２１は、モータ３の負荷を検出するもので、本実施形態ではトルク電流Ｉｑに基づいてモータ３のトルクを検出する。運転制御手段２２は、通常運転時において、周波数指令信号に従ってモータ３を駆動するとともに、記憶手段２３に記憶されている運転基準データに基づいて運転を行う。

ドライブ回路２５は、運転制御手段２２から出力されるＰＷＭ変調されたゲート駆動信号を入力し、絶縁および電圧変換を行ってインバータ回路１６に対し出力する。表示手段２６は、インバータ装置２の運転や運転基準データの自動設定に関する情報を出力する。なお、制御部１０は、機械式ブレーキ装置４に対する作動指令信号も生成する。

ここで、図８は、従来の構成において、吊荷の巻上げを開始する際に、機械式ブレーキ装置を開放する前に付与するトルクバイアスが、吊荷の荷重に対して（ａ）過小な場合、（ｂ）最適な場合、（ｃ）過大な場合に対応するモータの実速度及び出力トルクの変化等を示している。また、図９は、吊荷の巻下げを開始する際の図８相当図である。

図８（ａ）に示す巻上げ時のトルクバイアスが過小な場合は、ブレーキ開放後にモータが一瞬巻下げ方向に回転しているため、速度指令と実速度とに大きな開きがある状態が長い期間継続している。また、図８（ｃ）に示すトルクバイアスが過大な場合は、ブレーキ開放後にモータの実速度が速度指令を超過している。

図９（ａ）に示す巻下げ時のトルクバイアスが過小な場合は、ブレーキ開放後にモータの実速度が速度指令を負方向に超過している。また、図９（ｃ）に示すトルクバイアスが過大な場合は、ブレーキ開放後にモータが一瞬巻上げ方向に回転しており、やはり速度指令と実速度とに大きな開きがある状態が長い期間継続している。

次に、インバータ装置２の動作について図２から図７も参照しながら説明する。インバータ装置２は、通常運転時には、実際の巻上げ、巻下げ動作において周波数指令信号に従ってモータ３を駆動し、ケーブル６を巻上げたり巻下げたりする。周波数指令信号が正の場合が巻上げ指令であり、周波数指令信号が負の場合が巻下げ指令である。

ここで、巻き上げ装置１が、巻上げ運転・巻下げ運転のそれぞれで絶対値が同一の機械出力（「速度×荷重」の絶対値）を行うものとする。インバータ回路１６の出力をＰｅｕ、機械効率をη（＜１）とすると、巻上げ運転時の機械出力Ｐｍは、
Ｐｍ＝η×Ｐｅｕ …（１）
であるから、インバータ回路１６の出力Ｐｅｕは
Ｐｅｕ＝Ｐｍ／η …（２）
が必要となる。

一方、巻下げ運転時にも機械出力Ｐｍを必要とすると、インバータ回路１６の出力Ｐｅｄは
Ｐｅｄ＝Ｐｍ×η …（３）
で良い。

このような関係から、同一トルクを出力して同一速度で巻上げる場合の機械出力は、同一トルクを出力して同一速度で巻下げる機械出力より小さくなる。したがって、同一荷重を同一速度で巻上げるのに必要なインバータ回路１６の出力トルクは、同一荷重を同一速度で巻下げるのに必要な出力トルクよりも大きくなる。

図２は、モータ３を巻上げ駆動及び巻下げ駆動したときの吊荷８の荷重Ｍとインバータ検出トルクＴとの関係（荷重（Ｍ）−負荷（Ｔ）特性）を示している。巻上げ時の周波数指令信号は正であり、力行動作における検出トルクＴは正となる。一方、巻下げ時の周波数指令信号は負であり、回生動作における検出トルクＴは正となる。（２）式及び（３）式より、
Ｐｅｄ＝Ｐｍ×η＝Ｐｅｕ×η^２ …（４）
の関係となるから、同一荷重に対し、巻下げ時のトルクは巻上げ時のトルクよりも小さくなる。

この図２に示す荷重−負荷特性については、予め取得して記憶手段２３に記憶させておく。例えば、定格荷重以下の既知の２種類の荷重Ｍ１、Ｍ２（Ｍ１＜Ｍ２）を持つ吊荷８を、それぞれ巻上げ運転において所定の運転周波数Ｆ１まで加速した後に、負荷検出手段２１より得られるトルクＴm1、Ｔm2を記憶する。その後、モータ３を減速して停止させる（図３（ａ），（ｃ）参照）。また、荷重Ｍ１、Ｍ２の吊荷８を、それぞれ巻下げ運転において所定の運転周波数−Ｆ１まで加速した後に、負荷検出手段２１より得られるトルクＴr1、Ｔr2を記憶する。その後、モータ３を減速して停止させる（図３（ｂ），（ｄ）参照）。

上記の結果より、負荷Ｔｍと吊荷８の推定荷重Ｍｍ、Ｍｒとの関係を示す荷重−負荷特性を、それぞれ（５）式、（６）式のように決定する。この荷重−負荷特性を、通常の運転を開始する以前に予め取得しておき、運転基準データとして記憶手段２３に記憶しておく。
Ｍｍ＝（Ｍ２−Ｍ１）／（Ｔm2−Ｔm1）・（Ｔｍ−Ｔm1）＋Ｍ１ …（５）
Ｍｒ＝（Ｍ２−Ｍ１）／（Ｔr2−Ｔr1）・（Ｔｒ−Ｔr1）＋Ｍ１ …（６）

図７は、制御部１０が、トルクバイアスの付与値を吊荷８の推定荷重に応じて決定する手順を示すフローチャートである。尚、以下では、吊荷８の巻上げを開始する際に付与するトルクバイアスを「巻上げ時付与値」と称し、吊荷８の巻下げを開始する際に付与するトルクバイアスを「巻下げ時付与値」と称する。

先ず、吊荷８の荷重を既に推定済みか否かを判断し（Ｓ１）、推定済みでなければ（ＮＯ）、予め取得している荷重−負荷特性（図２）に基づき、最大荷重の条件で巻上げ時付与値（Ｔ０，図６参照）及び巻下げ時付与値を仮決定する（Ｓ２）。荷重が推定済みでなければ、最初に開始する運転は巻上げとなる。そして、巻上げ時付与値Ｔ０のトルクバイアスを与えてから機械式ブレーキ装置４を開放して、巻上げ運転を開始する。

図４に示すように、運転周波数が上昇した後（上昇中はステップＳ３で「ＮＯ」となり、ステップＳ１に戻る）周波数Ｆ１での定速運転が実行されると（Ｓ３：ＹＥＳ）、その運転中に検出されるモータ３の出力トルクをサンプリングし（Ｓ４）、所定の観測期間が経過するまでは（Ｓ５：ＮＯ）ステップＳ３及びＳ４の実行を繰り返す。

観測期間が経過すると（Ｓ５：ＹＥＳ）、当該期間中にサンプリングしたトルクの平均値（Ｔｍ）を演算する（Ｓ６）。そして、図２に示すように、巻上げ時の荷重−負荷特性と平均トルクＴｍとに基づいて、すなわち（５）式により吊荷８の荷重Ｍｍを推定する（Ｓ７）。それから、荷重が推定済みであることを示すステータスを、例えばフラグを立てることによりセットして（Ｓ８）ステップＳ１に戻る。

ステップＳ１において荷重が推定済みであれば（ＹＥＳ）、次に実行する運転が巻上げか否かを判断する（Ｓ９）。巻上げであれば（ＹＥＳ）図５に示すように、巻上げ時の荷重−負荷特性と推定荷重Ｍｍとから巻上げ時付与値Ｔｍを決定する（Ｓ１０）。すなわち（５）式の逆関数を用いる。一方、次に実行する運転が巻下げであれば（ＮＯ）同じく図５に示すように、巻下げ時の荷重−負荷特性と推定荷重Ｍｍとから巻下げ時付与値Ｔｒを決定する（Ｓ１１）。ここでは、（６）式の逆関数を用いる（但しＭｒをＭｍに置き換える）。ステップＳ１０及びＳ１１の実行後は、ステップＳ１に戻る。

図６は、図４及び図７に示す荷重推定運転の実行時と、その後の巻上げ運転及び巻下げ運転の実行時における（ａ）モータ３の運転周波数及び（ｂ）検出トルクの変化を示す。荷重推定運転については、上述したように、荷重推定前は仮決定した巻上げ時付与値Ｔ０でトルクバイアスを与えてから巻上げを開始し、観測期間中にサンプリングしたトルクより平均トルクＴｍを得て吊荷８の荷重Ｍｍを推定する。

荷重推定後の通常の巻上げ運転では、巻上げ時付与値Ｔｍでトルクバイアスを与えてからブレーキを開放し、巻上げを開始する。また、巻下げ運転では、巻下げ時付与値Ｔｒでトルクバイアスを与えてからブレーキを開放し、巻下げを開始する。このようにトルクバイアスの巻上げ時付与値Ｔｍ及び巻下げ時付与値Ｔｒを、吊荷８の推定荷重Ｍｍに応じて決定することで、それぞれの運転時に付与するトルクバイアスが最適化される。その結果、各運転時におけるモータ３の実速度変化は、図８（ｂ）、図９（ｂ）に示すようになる。

以上のように本実施形態によれば、制御部１０は、吊荷８の巻上げ及び巻下げを行うモータ３を始動させるため機械式ブレーキ装置４を開く以前に、インバータ回路１６を介してモータ３に付与するトルクバイアスについて、吊荷８の巻上げ運転を開始する際に付与する値Ｔｍと、吊荷８の巻下げ運転を開始する際に付与する値Ｔｒとを個別に設定可能とした。具体的には、吊荷８の荷重Ｍｍを巻上げ運転を行う際に推定し、予め計測された巻上げ時及び巻下げ時それぞれの荷重−トルク特性と推定荷重Ｍｍとに基づいて、巻上げ時付与値Ｔｍ及び巻下げ時付与値Ｔｒを設定するようにした。

これにより、吊荷８の荷重に応じた適切なトルクバイアスを巻上げ、巻下げの各運転時付与することが可能となり、機械式ブレーキ装置４を開放した際に吊荷８の位置が変動することを抑制できる。したがって、巻上げ装置１がインチング動作を行う際に、吊荷８を振動させることなく、細かい位置決めを容易に行うことができる。

（第２実施形態）
図１０から図１３は第２実施形態であり、第１実施形態と同一部分には同一符号を付して説明を省略し、以下異なる部分について説明する。第２実施形態では、トルクバイアスを一定値とする。それに替えて、制御部１０が、実際に機械式ブレーキ装置４を開放する時刻に先駆けて加速を開始する時間Δｔｍ，Δｔｒを、吊荷８の荷重Ｍｍに応じた値として決定する。すなわち、モータ３を機械式ブレーキ装置４で拘束した状態で加速を開始すると、与えられた速度指令に対して拘束状態のモータ３の実速度の追従が遅れる。その遅れに伴う速度制御の結果としてトルク指令が上昇することになり、ブレーキ開放時の出力トルクが確保される。尚、実ブレーキ開時刻から加速開始時間Δｔｍ，Δｔｒを減じたものが、モータ３の加速開始時刻となる。

図１０は、荷重（Ｍｍ）−時間（Δｔ）特性であり、第１実施形態の荷重−負荷特性に代替するものである。この荷重−時間特性については、速度応答のゲイン設定により静的に決定することができる。そして、（５）式及び（６）式と同様にして、巻上げ時及び巻下げ時の荷重−時間特性を一次関数式として保持しておく。図１０に示すように、荷重Ｍｍに応じて決定される加速開始時間Δｔｍが巻上げ時付与値となり、加速開始時間Δｔｒが巻下げ時付与値となる。

次に、第２実施形態の作用について説明する。図１１（ａ）に示すように、巻上げ運転の開始時において、トルクバイアスが荷重Ｍｍに対して過小である場合でも、図１１（ｂ）に示すように最適な加速開始時間Δｔｍを与えることで、ブレーキ開放時にモータ３が巻下げ方向に回転することが回避できている。また、図１２（ａ）に示すように、巻下げ運転の開始時において、トルクバイアスが荷重Ｍｍに対して過大である場合でも、図１２（ｂ）に示すように最適な加速開始時間Δｔｒを与えることで、ブレーキ開放時にモータ３が巻上げ方向に回転することが回避できている。

図１３は、吊荷８の荷重を正規化して、定格値１．０から０．４まで変化させた際に、巻上げ時と巻下げ時とについてそれぞれ最適化した加速開始時間Δｔｍ，Δｔｒを示している。（ａ）〜（ｃ）は巻上げ時における速度指令、実速度、出力トルクの変化であり、（ｅ）〜（ｇ）は巻下げ時における各変化である。尚、（ｄ）、（ｈ）に示すブレーキ開指令と実際のブレーキ開放タイミングについては、図示が煩雑になるため変化させていない。

図１３（ａ）〜（ｃ）に示すように、巻上げ時については吊荷８の荷重が重くなるのに応じて加速開始時間Δｔｍを長く設定することで、ブレーキの開放時におけるトルクバイアスを確保し、巻下げ方向への逆転を防止して最適な実速度変化を示すようになっている。また、図１３（ｅ）〜（ｇ）に示すように、巻下げ時については吊荷８の荷重が重くなるのに応じて加速開始時間Δｔｒを短く設定することで、ブレーキの開放時における巻上げ方向への逆転を防止して最適な実速度変化を示すようになっている。

以上のように第２実施形態によれば、制御部１０は、モータ３を始動させるため機械式ブレーキ装置４を開く時刻を基準として相対的に決定されるモータ３の加速開始時刻についても同様に、巻上げ時付与値Δｔｍと巻下げ時付与値Δｔｒとを個別に設定可能とした。そして、第１実施形態と同様に、吊荷８の荷重Ｍｍを巻上げ運転を行う際に推定し、予め速度応答のゲイン設定により静的に決定した巻上げ時及び巻下げ時それぞれの荷重−時間特性と、推定荷重Ｍｍとに基づいて巻上げ時付与値Δｔｍと巻下げ時付与値Δｔｒとを設定するようにした。したがって、第１実施形態と同様の効果が得られる。

（その他の実施形態）
吊荷８の荷重は必ずしも推定する必要はなく、予め実測値が得られていればその実測値を用いても良い。
また、荷重−負荷特性や、荷重−時間特性については、必ずしも巻上げ装置１により予め実測するものに限らず、例えば上記特性データが巻上げ装置１のメーカにより提供されるのであれば、その提供されたデータを用いても良い。
インバータ制御部とブレーキ制御部とをそれぞれ独立に構成しても良い。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

図面中、１は巻上げ装置（昇降機）、２はインバータ装置、３はモータ、４は機械式ブレーキ装置、８は吊荷、１０は制御部（インバータ制御部、ブレーキ制御部）、１６はインバータ回路を示す。

Claims (4)

1. 吊荷の巻上げ及び巻下げを行うモータを駆動するインバータ回路と、
   このインバータ回路を制御するインバータ制御部と、
   前記モータの回転を停止させる機械式ブレーキの開閉を制御するブレーキ制御部とを備え、
   前記インバータ制御部は、前記モータを始動させるため前記ブレーキ制御部が前記ブレーキを開く以前に、前記インバータ回路を介してモータに付与するトルクバイアスについて、前記吊荷の巻上げを開始する際に付与する値（以下、巻上げ時付与値と称す）と、前記吊荷の巻下げを開始する際に付与する値（以下、巻下げ時付与値と称す）とで個別に設定可能であることを特徴とするインバータ装置。
2. 吊荷の巻上げ及び巻下げを行うモータを駆動するインバータ回路と、
   このインバータ回路を制御するインバータ制御部と、
   前記モータの回転を停止させる機械式ブレーキの開閉を制御するブレーキ制御部とを備え、
   前記インバータ制御部は、前記モータを始動させるため前記ブレーキ制御部が前記ブレーキを開く時刻を基準として相対的に決定される前記モータの加速を開始する時刻について、前記吊荷の巻上げを開始する際に付与する値（以下、巻上げ時付与値と称す）と、前記吊荷の巻下げを開始する際に付与する値（以下、巻下げ時付与値と称す）とで個別に設定可能であることを特徴とするインバータ装置。
3. 前記インバータ制御部は、前記巻上げ時付与値と前記巻下げ時付与値とを、予め計測された巻上げ時及び巻下げ時それぞれの荷重−トルク特性と、吊荷の荷重とに基づいて設定することを特徴とする請求項１又は２記載のインバータ装置。
4. 前記インバータ制御部は、前記吊荷の荷重を、前記吊荷の巻上げを行う際に推定することを特徴とする請求項３記載のインバータ装置。

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