JP6664280B2 - 電動ウインチ装置 - Google Patents

Description

本発明は、建設機械に搭載される電動ウインチ装置に関するものである。

クレーン等の建設機械に用いられるウインチドラムは、通常、整列状態でワイヤーロープを巻き回す。これにより、ワイヤーロープをウインチドラムから繰出したり、繰込んだりした場合に、ワイヤーロープのねじれや曲げが防止され、ワイヤーロープ同士の不必要な接触が抑制され、ワイヤーロープの長寿命化が図られている。

ワイヤーロープの整列状態を乱す操作として、ウインチドラムの急速巻下操作が挙げられる。この場合、ウインチドラムから急速にワイヤーロープを繰出しても、ワイヤーロープの先にあるシーブの静摩擦抵抗等により、吊荷の降下速度がウインチドラムの回転に追従できず、ワイヤーロープに弛みが生じて乱巻が発生する。

乱巻防止の従来技術として、特許文献１、２がある。特許文献１は、ガイドシーブと押さえローラとで構成されるワイヤーロープ押さえ手段を備え、ウインチの巻き上げ又は巻下げ停止時に、ワイヤーロープ押さえ手段でワイヤーロープを挟持することで乱巻を防止する技術を開示する。

特許文献２は、ワイヤーロープに作用する実ロープ張力が予め設定される乱巻発生張力以下の条件を満たす場合、油圧モータの最大回転速度の上限値を制限することで、乱巻を防止する技術を開示する。

特開平１１−１７１４７９号公報 特開平１１−１３９７７４号公報

しかし、特許文献１は、ワイヤーロープ押さえ手段というような外付け装置が別途必要となり、追加のコストや搭載スペースを確保する必要があるという問題がある。

特許文献２は、実ロープ張力をフィードバックすることなく、油圧モータの回転速度が一定値以下に制限されているので、必要以上に回転速度が制限され、吊荷の吊り下げ時間が長期化するという問題がある。更に、特許文献２は、油圧モータで駆動される油圧式のウインチ装置が前提となっており、電動モータで駆動される電動ウインチ装置には適用できない。

本発明は、吊荷の巻下速度を過剰に制限することなく、吊荷の急速巻下操作時にワイヤーロープで発生する乱巻を防止する電動ウインチ装置を提供することを目的とする。

本開示の一態様に係る電動ウインチ装置は、建設機械に搭載される電動ウインチ装置であって、
吊荷を吊り下げるワイヤーロープが巻回されたウインチドラムと、
前記ウインチドラムを巻下又は巻上駆動させる電動モータと、
操作者が操作する操作レバーと、
前記ウインチドラムから繰り出されている前記ワイヤーロープに加わる張力の指標値を計測する張力計測部と、
操作量の時間変化率が所定の基準変化率以上の急速巻下操作が前記操作レバーに入力されたとき、前記張力計測部により計測された張力の指標値が所定の基準値以上になるように、前記電動モータを前記巻下駆動させるトルク制御を実行するための制御信号を生成するコントローラと、
前記制御信号にしたがって前記電動モータを駆動させるインバータとを備える。

本態様では、乱巻の原因となる急速巻下操作が操作レバーに入力されたとき、乱巻の直接的原因となるワイヤーロープの張力の指標値が監視され、この張力の指標値が所定の基準値を下回らないように電動モータが制御される。これにより、本態様は、ワイヤーロープに一定以上の張力が加わった状態で吊荷を巻下げることができ、乱巻の発生を防止できる。また、本態様では、電動モータの回転速度を一定速度以下にする速度制御ではなく、ワイヤーロープの張力の指標値が基準値を下回らないように電動モータがトルク制御されている。そのため、電動モータの回転速度が不必要に抑制され、吊荷の巻下げ時間が長期化することを防止できる。

上記態様において、前記張力計測部は、電動モータに供給される電流を前記張力の指標値として逐次計測する電流計で構成され、
前記コントローラは、前記電流計が計測した電流値から前記ワイヤーロープの張力に応じたトルクを算出し、前記算出したトルクが所定のトルク基準値以上になるように、前記制御信号を生成してもよい。

ワイヤーロープは繰り出し量が頻繁に変動するので、荷重計を取り付けることは困難である。そのため、クレーン等の建設機械では、例えばブームを支持する部材に荷重計を取り付け、その荷重計の計測値からワイヤーロープの張力を推測するようなことが行われている。したがって、荷重計が計測したワイヤーロープの計測値は直接的にワイヤーロープの張力を計測していないので、精度が低いという問題がある。

本態様では、電動モータに供給される電流を計測することで、ワイヤーロープの張力に応じたトルクが計算されている。ワイヤーロープの張力はウインチドラムに付与されるトルクによって決定されるが、ウインチドラムに付与されるトルクは電動モータのトルクから決定され、電動モータのトルクは電動モータに供給される電流によって決定される。そのため、電動モータに供給される電流から算出されるトルクは、荷重計の計測値から算出されるトルクよりも直接的にワイヤーロープの張力に応じたトルクを表していると言える。そのため、本態様では、荷重計を用いた場合に比べ、トルクの計測精度を向上させることができる。

上記態様において、前記コントローラは、
前記トルク制御と、操作レバーの操作量に応じた回転速度で前記電動モータを前記巻下駆動させる速度制御とが切り替え可能なウインチ制御部を備え、
前記ウインチ制御部は、前記急速巻下操作が前記操作レバーに入力された後、前記電動モータの回転速度が前記急速巻下操作の操作量に応じた回転速度に到達すると推測される所定の基準時間が経過したとき、前記トルク制御から前記速度制御に切り替えてもよい。

操作者は、最終的には操作レバーの操作量に応じた速度で吊荷を操作したいと考える。そのため、乱巻発生の懸念がある急速巻下操作の直後以外のシーンでは、電動モータの回転速度を操作者が意図する回転速度に制御する速度制御をすることが望ましい。本態様によれば、急速巻下操作が入力された後、所定の基準時間が経過したとき、トルク制御から速度制御に切り替えられる。そのため、本態様では、乱巻を防止しつつ、操作者の操作性を確保することができる。

上記態様において、前記吊荷の巻下速度を計測する速度計と、
前記電動モータの回転量を計測するモータ回転計とを更に備え、
前記コントローラは、
前記モータ回転計で計測された回転量から前記電動モータの回転速度を算出する速度計算部と、
前記トルク制御と、操作レバーの操作量に応じた回転速度で前記電動モータを前記巻下駆動させる速度制御とを切り替えるウインチ制御部とを備え、
前記ウインチ制御部は、前記急速巻下操作が前記操作レバーに入力された後、前記速度計で計測された前記吊荷の巻下速度が、前記速度計算部で算出された回転速度に到達したとき、前記トルク制御から、前記速度制御に切り替えてもよい。

本態様によれば、急速巻下操作が入力された後、電動モータの回転速度が、急速巻下操作の操作量に応じた回転速度に到達したとき、トルク制御から速度制御に切り替えられる。そのため、本態様では、乱巻を防止しつつ、操作者の操作性を確保することができる。

本発明によれば、急速巻下操作が操作レバーに入力されたとき、ワイヤーロープに加わる張力の指標値が所定の基準値を下回らないように電動モータがトルク制御されるので、吊荷の巻下速度を過剰に制限することなく、乱巻の発生を防止できる。

本発明の実施の形態に係る電動ウインチ装置の構成の一例を示す図である。 図１に示すコントローラの内部構成の一例を示すブロック図である。 急速巻下操作の入力時に速度制御を適用したときの電動ウインチ装置の挙動を示す波形図である。 急速巻下操作の入力時にトルク制御を適用したときの電動ウインチ装置の挙動を示す波形図である。

図１は、本発明の実施の形態に係る電動ウインチ装置の構成の一例を示す図である。本実施形態に係る電動ウインチ装置は、クレーンに設けられ、吊荷４の巻上又は巻下を行う。

このクレーンは、図略のクレーン本体に起伏可能となるように設けられたブーム１を備えている。ブーム１の先端からは、ワイヤーロープ２を介してフック３が吊り下げられている。吊荷４はフック３によって吊られる。以下、吊荷４はフック３も含むものとする。電動ウインチ装置は、図略のクレーン本体に設置され、ウインチドラム５を回転させることで、ワイヤーロープ２を介して吊荷４の巻上又は巻下を行う。

電動ウインチ装置は、ウインチドラム５と、ブレーキ６と、減速機７と、電動モータ８と、インバータ９と、電源１０と、回生抵抗１１と、コントローラ１２と、操作レバー１３と、ブレーキペダル１４と、荷重計１５と、ドラム回転計１６と、ブーム角度計１７と、電流計１８と、速度計１９とを備える。

ウインチドラム５は、ワイヤーロープ２が巻回されている。ウインチドラム５は、減速機７を介して電動モータ８の回転軸８ａと接続され、電動モータ８のトルクにより回転する。また、ウインチドラム５の回転軸５ａには、ウインチドラム５の回転を制御するためのブレーキ６が接続されている。

ブレーキ６は、コントローラ１２の制御の下、ウインチドラム５を制動させる制動状態と、ウインチドラム５の制動を解放する解放状態とを切り換える。ブレーキ６としては、例えば、バンド式或いは湿式ディスク式のブレーキが採用できる。

ウインチドラム５は、一方の回転方向である巻上方向に回転することによりワイヤーロープ２を巻き取り、吊荷４を巻き上げる。また、ウインチドラム５は、巻上方向と逆の巻下方向に回転することによりワイヤーロープ２を繰り出し、吊荷４を巻き下げる。

電動モータ８は、例えば、三相モータで構成され、インバータ９による制御の下、電源１０から供給される電力により駆動され、ウインチドラム５を巻下又は巻上駆動させる。電動モータ８のトルクは、回転軸８ａ、減速機７、及び回転軸５ａを介してウインチドラム５に伝達され、ウインチドラム５が巻上又は巻下駆動される。

インバータ９は、例えば、Ｕ，Ｖ，Ｗ層のそれぞれにつき２つのスイッチング素子が割り当てられた合計６個のスイッチング素子を含む三相インバータで構成され、コントローラ１２から入力される制御信号にしたがって電動モータ８を駆動させる。

減速機７は、電動モータ８の回転軸８ａの回転力を所定の減速比で減速してウインチドラム５の回転軸５ａへ伝える。

電源１０は、例えば、クレーンに搭載されるバッテリで構成される。或いは、電源１０は、クレーンに搭載されたプラグイン端子を介して接続された外部電源で構成されてもよい。

回生抵抗１１は、インバータ９に接続され、電源１０が回生しきれない余剰電力を消費し、電力調整を行う。

コントローラ１２は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭを含むコンピュータで構成され、操作レバー１３の操作量に応じた回転速度で電動モータ８が駆動するようにインバータ９を制御する。また、コントローラ１２は、ブレーキペダル１４の操作量に応じてブレーキ６を作動させる。

また、コントローラ１２には、荷重計１５、ドラム回転計１６、ブーム角度計１７、及び速度計１９等のセンサが接続され、コントローラ１２は、これらのセンサの計測値にしたがって、吊荷４の状態を把握する。

また、コントローラ１２は、インバータ９が電動モータ８に供給する電流を電流計１８から取得し、ウインチドラム５に発生するトルクを計算する。

操作レバー１３は、ウインチドラム５を巻上駆動又は巻下駆動させるための操作者による操作が入力される。操作レバー１３は、例えば、中立位置を中心に前後或いは左右に傾倒可能に構成されている。操作レバー１３は、中立位置から巻上方向に対応する一方の方向に傾倒されると、傾倒量に応じた操作量をコントローラ１２に出力し、中立位置から巻下方向に対応する他方の方向に傾倒されると傾倒量に応じた操作量をコントローラ１２に出力する。なお、操作量は巻下方向に操作された場合、マイナスの値を取り、巻上方向に操作された場合、プラスの値を取るというようにして、巻上又は巻下方向が区別可能に構成されている。

ブレーキペダル１４は、ブレーキ６を制動状態或いは解除状態にするための操作者の操作が入力される。ブレーキペダル１４は、例えば、操作者により踏み込み状態にされると、制動指示をコントローラ１２へ出力し、操作者により踏み込み状態が解除されると、解放指示をコントローラ１２に出力する。

荷重計１５は、例えば、ブーム１の起伏姿勢を保持する部材（例えば、起伏ロープ）に取り付けられ、ワイヤーロープ２に加わる荷重を推測するために用いられる。コントローラ１２は、荷重計１５による計測値を逐次取得し、取得した計測値からワイヤーロープ２の張力を算出するための所定の演算式を用いて、ワイヤーロープ２の張力を推測する。このように、荷重計１５は、ワイヤーロープ２の荷重を直接計測していないので、計測精度は低い。なお、荷重計１５がワイヤーロープ２の荷重を直接計測していないのは、吊荷４の巻上又は巻下時に大きく移動するワイヤーロープ２に、荷重計１５を取り付けることが困難だからである。

電流計１８は、インバータ９と電動モータ８との間の電力線に設けられ、インバータ９が電動モータ８に供給する電流値を計測する。ここで、電流計１８は、電動モータ８に供給される電流値を逐次計測し、計測した電流値をコントローラ１２へ逐次出力する。

ドラム回転計１６は、ウインチドラム５の単位時間当たりの回転数を逐次検出し、検出した回転数をコントローラ１２に逐次出力する。

ブーム角度計１７は、ブーム１の起伏角度を逐次検出し、検出した起伏角度をコントローラ１２へ逐次出力する。

速度計１９は、例えば、ワイヤーロープ２をブーム１の先端から繰り出すシーブに取り付けられ、シーブの回転量から吊荷４の速度を計測する。速度計１９を設ける代わりに、ドラム回転計１６の計測値を用いて吊荷４の速度を求めてもよい。すなわち、ドラム回転計１６によって計測されたドラム回転速度からドラム繰り出しワイヤーロープ速度を算出し、そのドラム繰り出しワイヤーロープ速度から吊荷４の速度を求めてもよい。

図２は、図１に示すコントローラ１２の内部構成の一例を示すブロック図である。コントローラ１２は、速度制御部１２１、電流制御部１２２、速度計算部１２３、及びウインチ制御部１２４を備える。コントローラ１２は速度制御とトルク制御とが切り替え可能である。

ここで、速度制御とは、操作レバー１３の操作量に応じた回転速度で電動モータ８を駆動させる制御である。トルク制御とは、操作レバー１３の操作量とは関係なく、電動モータ８のトルクを一定のトルク以上に維持する制御である。以下、速度制御を行う場合のコントローラ１２の動作について説明する。

速度制御部１２１は、速度計算部１２３から入力される電動モータ８の回転速度と、ウインチ制御部１２４から入力される速度指令との偏差が０になるようにトルク指令を生成する。ここで、電動モータ８の回転速度は、例えば、電動モータ８がウインチドラム５を巻下駆動している場合の速度をマイナス、電動モータ８がウインチドラム５を巻上駆動している場合の速度をプラスで表すことで、巻下速度と巻上速度とを区別してもよい。また、これに合わせて、速度指令も巻下速度をマイナス、巻上速度をプラスで表すことで、巻下の速度指令と巻上の速度指令とを区別してもよい。

電流制御部１２２は、速度制御部１２１から入力されたトルク指令から目標電流値を決定し、決定した目標電流値と、電流計１８により計測された電流値との偏差が０になるように制御信号を生成し、インバータ９に出力する。

ここで、制御信号は、例えばＵ、Ｖ、Ｗ層の制御信号で構成され、それぞれ、インバータ９を構成するＵ、Ｖ、Ｗ層のスイッチング素子の制御端子に入力される。スイッチング素子の制御端子としては、例えば、トランジスタのゲートやベースが該当する。

速度計算部１２３は、エンコーダ８１から逐次入力される電動モータ８のロータの位置情報を微分することで、電動モータ８の回転速度を算出する。

ウインチ制御部１２４は、例えば、操作レバー１３の操作量と速度指令との関係が予め規定された速度指令マップを用いて、操作レバー１３の操作量に応じた速度指令を決定し、速度制御部１２１に出力する。ここで、ウインチ制御部１２４は、例えば、操作レバー１３が中立位置にある場合、速度指令を０に設定し、操作レバー１３の巻下方向への傾倒量が増大するにつれて、速度指令をマイナスの方向に増大させ、操作レバー１３の巻上方向への傾倒量が増大するにつれて、速度指令をプラスの方向に増大させればよい。

また、ウインチ制御部１２４は、ブレーキペダル１４から制動指示が入力されると、ブレーキ６を作動させるブレーキ制御信号をブレーキ６に出力し、ブレーキペダル１４から解放指示が入力されると、ブレーキ６を解放させるブレーキ制御信号をブレーキ６に出力する。

更に、ウインチ制御部１２４は、荷重計１５、ドラム回転計１６、ブーム角度計１７、及び速度計１９から入力される計測値にしたがって、吊荷４の状態を把握する。

エンコーダ８１（モータ回転計の一例）は、例えば、ロータリーエンコーダで構成され、電動モータ８のロータの基準位置からの回転量を位置情報として逐次計測し、速度計算部１２３に逐次出力する。

以上が、速度制御を行う場合のコントローラ１２の基本構成である。本実施の形態では、コントローラ１２は特に以下のトルク制御を行う。

コントローラ１２は、操作量の時間変化率が所定の基準変化率以上の急速巻下操作が操作レバー１３に入力されたとき、電流計１８が計測した電流値からワイヤーロープ２の張力に応じたトルクを算出し、算出したトルクが所定の基準トルク以上になるように、電動モータ８を巻下駆動させるトルク制御を実行するための制御信号を生成する。

ここで、基準変化率としては、速度制御を実行した場合、乱巻の発生が予測されるような急激な操作量の時間変化率が採用できる。

基準トルクとしては、これ以上トルクが小さくなると、ワイヤーロープ２に十分な張力が付与されず、乱巻が発生することが予測される最低トルクである乱巻限界トルクが採用できる。この乱巻限界トルクは、これ以上張力が低下すると乱巻が発生するワイヤーロープ２の張力を計測し、その張力をトルクに換算することで事前に算出されたものである。なお、基準トルクとしては、余裕を見て、この乱巻限界トルクに多少のマージンを加えたトルクが採用されてもよい。

また、ワイヤーロープ２の張力に応じたトルクは、例えば、下記のように算出される。例えば、電流計１８が、Ｕ，Ｖ，Ｗ層のそれぞれの電流値を計測するとすれば、ウインチ制御部１２４は、電流計１８から入力されるＵ，Ｖ，Ｗ層の電流値をｄ軸、ｑ軸の電流値に変換し、ｑ軸の電流値に所定の変換係数を乗じた値をワイヤーロープ２の張力に応じたトルクとして算出すればよい。この場合、電流計１８が張力計測部の一例に該当する。変換係数は、ｑ軸の電流値をウインチドラム５にかかるトルクに変換するための係数であり、減速機７の減速比及び減速機７の機械的な影響を考慮した値が採用される。

トルク制御を実行する場合、コントローラ１２は、速度制御部１２１及び速度計算部１２３を使用せずに、電動モータ８を制御する。

詳細には、ウインチ制御部１２４は、急速巻下操作の入力を検知すると、電流計１８の電流値から電動モータ８のトルクを算出し、算出したトルクが基準トルクよりも小さければ、算出したトルクと基準トルクとの偏差が０になるようにトルク指令を生成し、電流制御部１２２に出力する。これにより、ウインチドラム５のトルクが基準トルクを下回らないように維持される。

電流制御部１２２は、速度制御を行う場合と同様の手法を用いて、制御信号を生成し、インバータ９に出力する。これにより、急速巻下操作の入力直後に、電動モータ８のトルクが基準トルクを下回ることが防止され、ウインチドラム５は、ワイヤーロープ２に対して一定の張力を付与した状態で吊荷４を落下させることができる。その結果、乱巻の発生を防止できる。

なお、電動モータ８のトルクが基準トルクよりも大きければ、ワイヤーロープ２に十分な張力が加えられているので、ウインチ制御部１２４は、電動モータ８の制御を停止させてもよいし、電動モータ８で発生する回生電力が電源１０に蓄積されるように、インバータ９を制御してもよい。或いは、電動モータ８のトルクが基準トルクよりも大きければ、ウインチ制御部１２４は、電動モータ８のトルクと基準トルクとの偏差を０にするためのトルク指令を出力し、電動モータ８のトルクを基準トルクに維持させてもよい。

［急速巻下操作］
図３は、急速巻下操作の入力時に速度制御を適用したときの電動ウインチ装置の挙動を示す波形図である。図３において、１行目は操作量の時間的な推移を示す波形図であり、２行目はワイヤーロープ２の張力の時間的な推移を示す波形図であり、３行目はブレーキ６の状態を示す波形図であり、４行目は吊荷４の巻下速度の時間的な推移を示す波形図であり、５行目は吊荷４の位置の時間的な推移を示す波形図である。

時刻ｔ１以前は、吊荷４は停止状態にある。そのため、操作レバー１３は操作量が０の中立状態にされ、ブレーキ６は制動状態にされている。これにより、吊荷４の巻下速度は０になっている。この状態では、コントローラ１２は、荷重計１５の計測値から吊荷４の張力及び質量が計算できる。更にこの状態では、コントローラ１２は、ウインチドラム５の張力及び半径からウインチドラム５が吊荷４を回転させようとするトルクを計算することができる。

時刻ｔ１では、操作レバー１３の急速巻下操作が入力され、操作量が０からマイナス方向にステップ状に変化している。このとき、コントローラ１２は、操作量に応じた回転速度になるように電動モータ８の速度制御を開始する。これにより、インバータ９は、必要なトルクを発生させるための電流を電動モータ８に出力する。そして、ウインチドラム５には、電動モータ８のトルクに対して、減速機７の減速比及び減速機７の機械的な摩擦などの影響を受けたトルクが付与される。

電動モータ８の駆動開始直後は過渡期間であり、電動モータ８のトルクが所望の値に到達するまでにある程度の時間遅れが発生する。そのため、操作レバー１３の操作が入力された直後にブレーキ６を解放状態にすると、吊荷４の落下を制御できない可能性がある。そこで、コントローラ１２は、操作レバー１３に操作が入力されたとき、少なくとも数ｍｓ〜数十ｍｓの周期で電動モータ８がウインチドラム５に発生するトルクを計算し、そのトルクが荷重計１５の計測値から計算されたトルクより大きくなったときに、ブレーキ６を解放状態にし、安全を確保する。

時刻ｔ２では、電動モータ８で発生するトルクが、荷重計１５の計測値から計算されたトルクよりも大きくなったので、コントローラ１２は、ブレーキ６を解放状態にする。

以後、ウインチドラム５の回転中は、電動モータ８に供給される電流からウインチドラム５に付与されるトルクが計算される。

ここで、ウインチドラム５に付与されるトルクを算出する手法として、荷重計１５の計測値から計算する手法も考えられるが、この手法は上述したように、正確なトルクの値が得られない。また、ウインチドラム５に付与されるトルクを算出する手法として、ワイヤーロープ２や電動モータ８の回転軸８ａやウインチドラム５の回転軸５ａにロードセル等の荷重計を貼り付け、この荷重計の計測値からトルクを算出する手法も考えられる。しかし、移動量の大きなワイヤーロープ２や頻繁に回転する回転軸５ａ，８ａに荷重計を取り付けるのは容易ではない。

一方、ウインチドラム５に付与されるトルクは電動モータ８のトルクから決定され、電動モータ８のトルクはインバータ９から供給される電流によって決定される。そのため、電流計１８が計測する電流値から算出されるトルクは荷重計の計測値から算出されるトルクよりもより直接的にウインチドラム５に付与するトルクを表していると言える。

そこで、コントローラ１２は、吊荷４の降下中は、インバータ９が電動モータ８に供給している電流値からウインチドラム５に発生するトルクを計算する。

時刻ｔ２において、ブレーキ６が解放された瞬間、ウインチドラム５の回転が始まるが、速度制御によりウインチドラム５を急速に回転させると、ワイヤーロープ２は繰出されるもののワイヤーロープ２の先にあるシーブの静摩擦抵抗等により吊荷４の降下速度がウインチドラム５の回転速度に追従できない。これにより、ウインチドラム５側のワイヤーロープ２に弛みが生じて乱巻が発生する可能性がある。

図３の例では、時刻ｔ２から吊荷４の位置が徐々に低下しており、吊荷４の巻下が行われている。時刻ｔ２から吊荷４の巻下速度が徐々に増大しているが、ウインチドラム５の回転速度に追従できていないため、ワイヤーロープ２の張力は、時刻ｔ２から急速に低下していき、時刻ｔ３では０になっている。このとき、ウインチドラム５は回転を継続させているので、乱巻が発生する。

時刻ｔ４では、吊荷４の巻下速度がウインチドラム５の回転速度に到達したので、ワイヤーロープ２の張力がブレーキ６の解放前の値に戻っている。これにより、電動ウインチ装置は吊荷４の巻下の制御が可能な状態となり、以降、急速巻下操作の操作量に応じた一定の巻下速度で吊荷４は巻下られている。

このように、急速巻下操作が入力されたとき、速度制御を実行すると、ブレーキ６の解放直後にウインチドラム５は、急速巻下操作の操作量に応じた速い回転速度で回転するが、吊荷４の巻下速度はシーブの摩擦等の影響によりその回転速度に追従することができない。そのため、ワイヤーロープ２の張力が０になってから吊荷４の巻下速度がウインチドラム５の回転速度に追従するまでの期間、乱巻が発生するという問題がある。

そこで、本実施の形態では、図４に示すように、急速巻下操作が入力されたとき、電動モータ８のトルクが基準トルクＴＱ２（≧乱巻限界トルクＴＱ１）以下にならないようにトルク制御を実行し、乱巻を防止する。

図４は、急速巻下操作の入力時にトルク制御を適用したときの電動ウインチ装置の挙動を示す波形図である。図４において、２、３行目以外の波形図は、図３と同じである。図４の２行目はコントローラ１２が設定する制御モードの時間的推移を示す波形図である。制御モードには、速度モードとトルクモードとがある。速度モードは速度制御を実行するモードであり、トルクモードはトルク制御を実行するモードである。図４の波形図は、ハイレベルが速度モードを示し、ローレベルがトルクモードを示している。コントローラ１２は、通常、制御モードを速度モードに設定し、急速巻下操作が入力されたとき、制御モードをトルクモードを設定する。図４の３行目は電動モータ８のトルクの時間的推移を示す波形図である。

時刻ｔ２以前は、図３と同様、吊荷４は停止状態にあり、制御モードは速度モードに設定されている。時刻ｔ２では、コントローラ１２は、ブレーキ６を解放させ、制御モードをトルクモードに設定する。これにより、電動モータ８のトルクは基準トルクＴＱ２に向けて低下していく。このとき、吊荷４は電動モータ８のトルクによって保持されつつ落下されるので、図３に比べて巻下速度の増大量は緩やかになっている。そのため、吊荷４の位置の低下量も図３に比べて少なくなっている。

時刻ｔ３では、電動モータ８のトルクが基準トルクＴＱ２に到達し、以降、時刻ｔ４まで、トルク制御によって電動モータ８のトルクが基準トルクＴＱ２に維持されている。ここで、吊荷４は、基準トルクＴＱ２で保持されつつ落下するので、ワイヤーロープ２の張力が０にならず、乱巻の発生が防止されている。

時刻ｔ４では、吊荷４の巻下速度がウインチドラム５の回転速度に到達したので、電動モータ８のトルクがブレーキ６の解放前の値に戻っている。そのため、コントローラ１２は、制御モードを速度モードに切り替える。以降、急速巻下操作の操作量に応じた一定の巻下速度で吊荷４は巻下られている。

このように、本実施の形態では、コントローラ１２は、急速巻下操作が入力されると、速度制御ではなく、上述のトルク制御を実行するので、乱巻を防止できる。

また、本実施の形態では、電流計１８の電流値からウインチドラム５のトルクを求めているので、ウインチドラム５のトルクをより正確に求めることができる。但し、これは一例であり、コントローラ１２は、荷重計１５の計測値がワイヤーロープ２の乱巻の発生を防止するための所定の基準値以上になるように電動モータ８を巻下駆動させるトルク制御を実行するための制御信号を生成すればよい。

詳細には、コントローラ１２は、荷重計１５の計測値であるワイヤーロープ２の張力にウインチドラム５の半径を乗算することでワイヤーロープ２のトルクを算出し、算出したトルクが基準トルク以上となるようにトルク制御を行えばよい。この場合、荷重計１５が張力計測部の一例に相当する。

［トルク制御の終了］
操作者は、最終的には操作レバー１３の操作量に応じた速度で吊荷４を操作したいとと考える。そのため、乱巻発生の懸念がある急速巻下操作の直後以外のシーンでは、電動モータ８の回転速度を操作者が意図する回転速度に制御する速度制御をすることが望ましい。

そこで、本実施の形態では、吊荷４の巻下速度を監視し、吊荷４の巻下速度が急速巻下操作の操作量に応じた速度に到達した時点で、速度制御に切り替えてもよい。

この場合、ウインチ制御部１２４は、速度計１９が計測した吊荷４の巻下速度が電動モータ８の回転速度に到達したとき、トルク制御から速度制御に切り替えれば良い。

また、急速巻下操作が入力されてから、吊荷４の巻下速度が電動モータ８の回転速度に到達すると推定される基準時間が経過したとき、トルク制御から速度制御に切り替えても良い。なお、基準時間は、事前に計測された値が採用されればよい。

［変形例］
上記実施の形態では、電動ウインチ装置はクレーンに搭載される例を示したが、クレーン以外の建設機械であっても吊荷４を持ち上げる機能を持つ建設機械であれば、その建設機械に対して適用されてもよい。

ＴＱ１ 乱巻限界トルク
ＴＱ２ 基準トルク
１ ブーム
２ ワイヤーロープ
３ フック
４ 吊荷
５ ウインチドラム
６ ブレーキ
７ 減速機
８ 電動モータ
９ インバータ
１０ 電源
１１ 回生抵抗
１２ コントローラ
１３ 操作レバー
１４ ブレーキペダル
１５ 荷重計
１６ ドラム回転計
１７ ブーム角度計
１８ 電流計
１９ 速度計
８１ エンコーダ
１２１ 速度制御部
１２２ 電流制御部
１２３ 速度計算部
１２４ ウインチ制御部

Claims (4)

1. 建設機械に搭載される電動ウインチ装置であって、
   吊荷を吊り下げるワイヤーロープが巻回されたウインチドラムと、
   前記ウインチドラムを巻下又は巻上駆動させる電動モータと、
   操作者が操作する操作レバーと、
   前記ウインチドラムから繰り出されている前記ワイヤーロープに加わる張力の指標値を計測する張力計測部と、
   操作量の時間変化率が所定の基準変化率以上の急速巻下操作が前記操作レバーに入力されたとき、前記張力計測部により計測された張力の指標値が所定の基準値以上になるように、前記電動モータを前記巻下駆動させるトルク制御を実行するための制御信号を生成するコントローラと、
   前記制御信号にしたがって前記電動モータを駆動させるインバータとを備える電動ウインチ装置。
2. 前記張力計測部は、前記電動モータに供給される電流を前記張力の指標値として逐次計測する電流計で構成され、
   前記コントローラは、前記電流計が計測した電流値から前記ワイヤーロープの張力に応じたトルクを算出し、前記算出したトルクが所定のトルク基準値以上になるように、前記制御信号を生成する請求項１記載の電動ウインチ装置。
3. 前記コントローラは、
   前記トルク制御と、操作レバーの操作量に応じた回転速度で前記電動モータを前記巻下駆動させる速度制御とが切り替え可能なウインチ制御部を備え、
   前記ウインチ制御部は、急速巻下操作が前記操作レバーに入力された後、前記電動モータの回転速度が前記急速巻下操作の操作量に応じた回転速度に到達すると推測される所定の基準時間が経過したとき、前記トルク制御から前記速度制御に切り替える請求項１又は２記載の電動ウインチ装置。
4. 前記吊荷の巻下速度を計測する速度計と、
   前記電動モータの回転量を計測するモータ回転計とを更に備え、
   前記コントローラは、
   前記モータ回転計で計測された回転量から前記電動モータの回転速度を算出する速度計算部と、
   前記トルク制御と、操作レバーの操作量に応じた回転速度で前記電動モータを前記巻下駆動させる速度制御とを切り替えるウインチ制御部とを備え、
   前記ウインチ制御部は、前記急速巻下操作が前記操作レバーに入力された後、前記速度計で計測された前記吊荷の巻下速度が、前記速度計算部で算出された回転速度に到達したとき、前記トルク制御から、前記速度制御に切り替える請求項１又は２記載の電動ウインチ装置。

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