JP6753795B2 - ウインチ制御装置及びクレーン - Google Patents

Description

本発明は、電動機で駆動されるウインチ制御装置及び当該ウインチ制御装置を備えるクレーンに関するものである。

クレーンのウインチ制御装置は、一般的に、ウインチドラムを駆動させるための回転運動を行うアクチュエータと、ウインチドラムの回転を制動するブレーキとを備えている。ウインチドラムの停止時は、アクチュエータは停止し、且つブレーキが有効となり、ウインチドラムの回転方向の運動はブレーキの制動力により拘束される。巻上動作を開始する際には、ブレーキの制動が解除され、解除と同時にアクチュエータが巻上方向に回転運動を行う。

吊荷を空中で停止させた状態から、巻上動作を開始する場合、ブレーキが解除された直後に、吊荷の荷重に相当するトルクが瞬時にアクチュエータに加わることとなるが、特に吊荷の荷重が大きいと、瞬時に加わるトルクにアクチュエータが抗うことができず、一時的に、ワイヤロープの繰り出し方向（巻下方向）にアクチュエータが逆転してしまう逆転現象が発生する。

このような、アクチュエータの逆転現象による吊荷の一時的な落下を回避する技術として、特許技術１がある。特許文献１は、巻方向切替弁を巻上操作した際に、ウインチドラムを駆動する駆動モータの駆動圧力が昇圧して駆動モータが巻上方向に回転し始めるまで、駆動モータの巻下方向の回転を静止する逆転防止手段を備える油圧駆動ウインチの制御装置を開示する。ここで、逆転防止手段は、駆動モータの回転軸を固定する爪車と、爪車の爪間に差し込まれるパウルと、パウルを進退させるをシリンダと、シリンダに制御圧を導入するパイロット切替弁とを含む装置で構成されている。

また、電動ウインチ装置を対象に、吊荷の一時的な落下を防止する技術として、特許文献２がある。特許文献２は、トルク電流と吊荷速度とから吊荷重量を推定し、推定した吊荷重量に基づいて吊荷保持用トルクを算出する吊荷保持用トルク算出部と、モータが出力し得る最大トルクを算出する最大トルク算出部と、最大トルクから吊荷保持用トルクを引くことで吊荷の加速トルクを算出し、算出した加速トルクに基づいて、モータの加速制御を行う制御部とを備えるクレーンを開示する。

特開２００１−１６５１１１号公報 特開２００２−４６９８５号公報

しかし、上記の特許文献１の技術は、上述したような逆転防止手段を別途をクレーンに追加する必要があり、部品点数の増加に伴う、コストアップ、信頼性低下、及びシステムの大型化を招来するといった課題がある。

特許文献２の技術は、推定した吊荷重量の推定誤差により、推定した吊荷保持用トルクが実際の吊荷保持用トルクよりも小さく推定されることがある。この場合、特許文献２の技術は、不足するトルクを補うトルクを別途算出することが行われていないので、吊荷が落下する可能性がある。

本発明は、吊荷の落下を防止するための専用の装置を別途設けなくても、巻上操作の入力直後における吊荷の落下を防止することを目的とする。

本開示の一態様に係るウインチ制御装置は、クレーンのウインチ制御装置であって、
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する電動機と、
前記電動機の回転速度を検出する回転速度検出部と、
前記ウインチドラムに対する巻上操作が入力される操作部と、
前記吊荷の荷重値を検出する荷重検出部と、
前記電動機の回転方向への運動を拘束するブレーキと、
前記巻上操作が入力された場合、前記ブレーキによる前記拘束を解除するブレーキ制御部と、
前記巻上操作が入力された場合、前記検出された回転速度と前記巻上操作の操作量に応じた目標速度との差分速度に基づいて、前記差分速度に相当する前記巻上方向のトルクである逆転防止トルクを前記電動機に発生させるための第１補償トルク値を算出する第１補償トルク値算出部と、
前記巻上操作が入力された場合、前記検出された荷重値に基づいて、前記荷重値を支持する前記巻上方向のトルクである荷重支持トルクを前記電動機に発生させるための第２補償トルク値を算出する第２補償トルク値算出部と、
前記検出された回転速度と前記目標速度との偏差を零にするための第１指令値を算出し、前記第１指令値に前記第１及び第２補償トルク値を加算することで、第２指令値を算出する指令値算出部と、
前記第２指令値に応じた電力を前記電動機に供給する電力変換部とを備える。

本態様は、巻上操作が入力された場合、電動機の回転速度と目標速度との差分速度に基づいて、差分速度に相当する巻上方向のトルクである逆転防止トルクを電動機に発生させるための第１補償トルク値を算出し、第１指令値に加算する。これにより、巻上動作の開始時において、電動機には巻上方向に逆転防止トルクが発生し、負荷トルクを支えるために必要となる速度制御によるトルクの不足分が補償される。

但し、第１補償トルク値は、電動機の回転速度の検出後に算出されているので、逆転防止トルクは、巻上操作の入力直後における吊荷の落下を十分に防止できない。

そこで、本態様は、巻上操作が入力された場合、吊荷の荷重値に基づいて、荷重値を支持する巻上方向のトルクである荷重支持トルクを電動機に発生させるための第２補償トルク値を算出し、第１指令値に加算する。ここで、第２補償トルク値は巻上操作が入力された直後に算出されているので、荷重支持トルクは巻上動作が開始された直後に電動機に発生し、逆転防止トルクの不足分を補償することができ、吊荷の落下を防止できる。

また、荷重検出部が実際の吊荷の荷重値よりも小さな荷重値を検出した場合、第２補償トルク値だけでは、吊荷による負荷トルクを支持するために必要なトルクが不足し、吊荷が落下する可能性がある。本態様では、第２補償トルク値による荷重支持トルクに加えて、第１補償トルク値による逆転防止トルクが電動機に加えられている。そのため、負荷トルクを支持するために必要な荷重支持トルクの不足分を補うことができ、吊荷の落下を防止できる。

また、本態様は、回転速度検出部及び荷重検出部を用いて第１及び第２補償トルク値が算出されているので、特許文献１に示す逆転防止手段のような専用の装置を別途設ける必要はない。したがって、本態様は、このような専用の装置を別途設けなくても、巻上操作の入力直後における吊荷の落下を防止できる。

更に、本態様は、巻上操作が入力されるとブレーキが解除されているので、ブレーキの摩耗を防止できる。

上記態様において、前記第１補償トルク値算出部は、前記巻上操作が入力された場合、前記目標速度に前記検出された回転速度が到達するまで、前記差分速度と、前記差分速度を微分した差分加速度との少なくとも一方を用いて前記第１補償トルク値を算出することが好ましい。

本態様によれば、差分速度と、差分速度を微分した差分加速度との少なくとも一方を用いて第１補償トルク値が算出されている。そのため、第１補償トルク値は、差分速度に相当する巻上方向のトルクを正確に表すことができる。また、本態様は、電動機の回転速度が目標速度に到達すると逆転防止トルクの発生を停止するので、回転速度が目標速度に追従した状態において、不要なトルクが吊荷に加えられることを防止できる。

上記態様において、前記荷重検出部は、前記吊荷の荷重値を計測する荷重計で構成されていることが好ましい。

本態様によれば、吊荷の荷重値が荷重計で計測されているので、吊荷の荷重値を直接的に得ることができる。

上記態様において、前記荷重検出部は、
前記電動機に入力される電流値を計測する電流計と、
前記計測された電流値から前記吊荷の荷重値を算出する荷重算出部とを備えることが好ましい。

本態様によれば、電動機に供給される電流値を用いて吊荷の荷重値が算出されているので、ワイヤーロープに直接取り付けることが困難な荷重計を用いて荷重値を計測した場合に比べてより正確に吊荷の荷重値を算出できる。

上記態様において、前記第２補償トルク値算出部は、前記荷重検出部により検出された荷重値に相当するトルクよりも、所定値だけ小さい値を前記第２補償トルク値として算出することが好ましい。

巻上開始直後に発生する吊荷の過渡的な揺れや荷重検出部の計測精度の影響により、荷重検出部が検出した吊荷の荷重値が実際の吊荷の荷重値よりも大きな値になることがある。この場合、第２補償トルク値が吊荷を支える以上の値となり、巻上開始直後に、吊荷が一時的に巻上方向に動き出す、いわゆる、吊荷の飛び出し現象が発生することがある。そこで、本態様は、荷重検出部により検出された荷重値に相当するトルクよりも、所定値だけ小さい値を第２補償トルク値として算出する。そのため、荷重検出部が実際の吊荷の荷重値よりも大きな荷重値を検出した場合であっても、吊荷の飛び出し現象を回避できる。

上記態様において、前記指令値算出部は、
前記検出された回転速度と前記目標速度との偏差を零にするためのｄ軸の目標電流値とｑ軸の目標電流値とを算出する速度制御器と、
前記電動機に供給される電流のｄ軸の電流値と前記ｄ軸の目標電流値との偏差をｄ軸の電流指令値として算出する第１減算器と、
前記ｄ軸の電流指令値を零にするためのｄ軸の電圧指令値を算出する第１電流制御器と、
前記電動機に供給される電流のｑ軸の電流値と前記ｑ軸の目標電流値との偏差をｑ軸の電流指令値として算出する第２減算器と、
前記第２補償トルク値を前記ｑ軸の電流指令値に加算する第１加算器と、
前記第１加算器による加算値を零にするためのｑ軸の電圧指令値を算出する第２電流制御器と、
前記ｑ軸の電圧指令値に前記第２補償トルク値を加算する第２加算器とを備えることが好ましい。

本態様は、電動機のトルクを制御するためのｑ軸の電流指令値に第２補償トルク値が加算され、且つ、電動機のトルクを制御するためのｑ軸の電圧指令値に第１補償トルク値が加算されているので、吊荷の落下をより確実に防止できる。

なお、以上に示すウインチ制御装置はクレーンに適用された場合においても上記と同じ効果が得られる。

本発明によれば、吊荷の落下を防止するための専用の装置を別途設けなくても、巻上操作の入力直後に、巻下方向に吊荷が落下することを防止できる。

実施の形態１に係るウインチ制御装置が適用されたクレーンの構成の一例を示す図である。 図１に示すコントローラ及び電力変換部の内部構成の一例を示すブロック図である。 第１及び第２補償トルク値を算出することなく、電動機を速度制御するシミュレーションを実施した場合において、巻上動作の開始時の回転速度の時間的推移を示すグラフである。 第１補償トルク値のみを算出して、電動機を速度制御するシミュレーションを実施した場合において、巻上操作の開始時の回転速度の時間的推移を示すグラフである。 第１補償トルク値及び第２補償トルク値を算出して、電動機を速度制御するシミュレーションを実施した場合において、巻上操作の開始時の回転速度の時間的推移を示すグラフである。 実施の形態２に係るウインチ制御装置において、第２補償トルク値算出部２２を中心とする構成を示すブロック図である。

（実施の形態１）
図１は、実施の形態１に係るウインチ制御装置が適用されたクレーンの構成の一例を示す図である。実施の形態１に係るウインチ制御装置は、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。
ウインチ制御装置は、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。

ウインチ制御装置は、ウインチドラム５と、ブレーキ６と、減速機７と、電動機８と、電力変換部９と、電源１０と、回生抵抗１１と、コントローラ１２と、操作部１３と、荷重計１４と、電流計１５と、角度センサ１６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を介して電動機８の回転軸８ａと接続され、電動機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の回転方向への運動を拘束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、電動機８の回転方向への運動を拘束したり、この拘束を解除したりする。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メカニカル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。

電動機８は、電力変換部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。電動機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。

電力変換部９は、コントローラ１２から出力される電圧指令値にしたがって、電源１０から供給される直流電力を交流電力に変換し、電動機８に供給し、電動機８を駆動させる。

減速機７は、電動機８の回転軸８ａのトルク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、電力変換部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等を含むコンピュータ及びＤＳＰ等のプロセッサで構成され、操作部１３の操作量に応じた回転速度で電動機８が駆動するように電力変換部９を制御する。また、コントローラ１２は、荷重計１４、電流計１５、及び角度センサ１６等のセンサ類が接続され、吊荷４の状態を監視する。

操作部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。操作部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な操作レバーで構成されている。操作部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、例えば、マイナスの値を取り、巻上方向に操作された場合、例えば、プラスの値を取るというようにして、巻上方向及び巻下方向が区別される。

荷重計１４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）に取り付けられたロードセルで構成され、ワイヤーロープ２に加わる荷重値を計測する。コントローラ１２は、荷重計１４が計測した荷重値を逐次取得し、取得した荷重値から後述する第２補償トルク値を算出する。

電流計１５は、電力変換部９と電動機８との間の電力線に設けられ、電力変換部９が電動機８に供給する電流値を計測する。ここで、電流計１５は、電動機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。

角度センサ１６は、例えば、レゾルバやロータリーエンコーダで構成され、電動機８のロータの基準位置からの回転角度θを逐次計測し、コントローラ１２へ逐次出力する。なお、回転角度θは、例えば、回転子が巻上方向に回転している場合、プラスの値をとり、回転子が巻下方向に回転している場合は、マイナスの値をとるというようにして、回転方向が区別される。

図２は、図１に示すコントローラ１２及び電力変換部９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、回転速度検出部２０、第１補償トルク値算出部２１、第２補償トルク値算出部２２、指令値算出部２３、スイッチ制御部２５、及びブレーキ制御部２６を備える。

回転速度検出部２０は、例えば、微分器で構成され、角度センサ１６から逐次入力される電動機８の回転角度θを微分することで、電動機８の回転速度ωを検出する。ここで、回転速度検出部２０は、この微分処理を数値的に行うために、式（１）の伝達関数を用いた近似微分処理を行う。

ｓ：ラプラス演算子 Ｔ：時定数
なお、時定数Ｔは、例えば、Ｔ＜＜１を満たす十分小さい値である。

指令値算出部２３は、回転速度ωと目標速度ωｒｅｆとの偏差を０にするための第１指令値を算出し、第１指令値に後述する第１及び第２補償トルク値を加算し、第２指令値を算出する。詳細には、指令値算出部２３は、目標速度算出部２３１、減算器２３２，２３６，２３７、速度制御器２３３、電流制御器２３４，２３５、及び加算器２３８，２３９を備える。

目標速度算出部２３１は、操作部１３に入力された巻上操作又は巻下操作の操作量に対して予め定められた電動機８の目標となる回転速度である目標速度ωｒｅｆを算出する。本実施の形態では、巻上操作についてのみ説明し、巻下操作の説明は省く。ここで、目標速度算出部２３１は、巻上操作の操作量と、目標速度ωｒｅｆとの関係が予め定められた操作特性マップを備えており、操作特性マップを用いて巻上操作の操作量に応じた目標速度ωｒｅｆを算出すればよい。なお、操作特性マップは、巻上操作の操作量が増大するにつれて、目標速度ωｒｅｆが増大するように、巻上操作の操作量と目標速度ωｒｅｆとの関係が設定されている。

減算器２３２は、目標速度ωｒｅｆから回転速度ωを減算することで、目標速度ωｒｅｆに対する回転速度ωの速度偏差を算出する。

速度制御器２３３は、減算器２３２から速度偏差が入力され、この速度偏差を０にするための目標電流値ｉｄ＿ｒｅｆ，ｉｑ＿ｒｅｆを算出する。ここで、速度制御器２３３は、例えば、ＰＩ（比例・積分）制御を用いて速度偏差を０にするためのトルク指令値を算出し、算出したトルク指令値に対して予め定められた値を目標電流値ｉｄ＿ｒｅｆ，ｉｑ＿ｒｅｆとして算出すればよい。但し、これは一例であり、速度制御器２３３は、ＰＩＤ（比例・積分・微分）制御又はＰ制御を用いてトルク指令値を算出してもよい。目標電流値ｉｄ＿ｒｅｆはｄ軸の目標電流値であり、目標電流値ｉｑ＿ｒｅｆはｑ軸の目標電流値である。

図２の例では、電動機８として、表面磁石型同期型モーター：ＳＰＭＳＭ（ｓｕｒｆａｃｅ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍｏｔｏｒ）が採用されている。そのため、トルクに寄与しないｄ軸電流を最小にすることを目的として、目標電流値ｉｄ＿ｒｅｆは０に設定されている。但し、これは一例であり、目標電流値ｉｄ＿ｒｅｆは０に設定されなくてもよい。例えば、弱め磁束制御が行われるのであれば、目標電流値ｉｄ＿ｒｅｆは０に設定されるとは限らない。また、例えば、電動機８として、埋込磁石型同期型モーター：ＩＰＭＳＭ（ｉｎｔｅｒｉｏｒ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍｏｔｏｒ）が採用され、最大トルク制御が行われるのであれば、目標電流値ｉｄ＿ｒｅｆは０に設定されるとは限らない。

減算器２３６（第１減算器の一例）は、目標電流値ｉｄ＿ｒｅｆからｄ軸の電流値ｉｄを減算することで、ｄ軸の電流指令値ｉｄ＊を算出する。

電流制御器２３４（第１電流制御器の一例）は、電流指令値ｉｄ＊からｄ軸の電圧指令値ｖｄ＊を算出する。ここで、電流制御器２３４は、例えば、ＰＩ制御を用いて電流指令値ｉｄ＊を０にするための電圧指令値ｖｄ＊を算出すればよい。但し、これは、一例であり、電流制御器２３４は、ＰＩＤ制御又はＰ制御を用いて電圧指令値ｖｄ＊を算出してもよい。

減算器２３７（第２減算器の一例）は、目標電流値ｉｑ＿ｒｅｆからｑ軸の電流値ｉｑを減算することで、ｑ軸の電流指令値ｉｑ＊を算出する。加算器２３８（第１加算器の一例）は、減算器２３７で算出された電流指令値ｉｑ＊に、第２補償トルク値Δｉｑを加算することで、電流指令値（ｉｑ＊＋Δｉｑ）を算出する。

電流制御器２３５（第２電流制御器の一例）は、加算器２３８で算出された電流指令値（ｉｑ＊＋Δｉｑ）からｑ軸の電圧指令値ｖｑ＊を算出する。ここで、電流制御器２３５は、例えば、ＰＩ制御を用いて電流指令値（ｉｑ＊＋Δｉｑ）を０にするための電圧指令値ｖｑ＊を算出すればよい。但し、これは、一例であり、電流制御器２３５は、ＰＩＤ制御又はＰ制御を用いて電圧指令値ｖｑ＊を算出してもよい。

電圧指令値ｖｄ＊は電動機８の界磁を制御する指令値であり、電圧指令値ｖｑ＊は電動機８のトルクを制御するための指令値である。

加算器２３９（第２加算器の一例）は、電圧指令値ｖｑ＊に第１補償トルク値Δｖｑを加算することで、電圧指令値（ｖｑ＊＋Δｖｑ）を算出する。なお、電流指令値ｉｑ＊及び電圧指令値ｖｑ＊は第１指令値の一例に相当し、電圧指令値（ｖｑ＊＋Δｖｑ）はｑ軸の第２指令値の一例に相当する。

ｕｖｗ／ｄｑ変換器２４０は、電流センサ１５１，１５２で計測されたｕ，ｖ相の電流値ｉｕ，ｉｖを座標変換し、電流値ｉｄ，ｉｑを算出する。電流値ｉｄ，ｉｑは、それぞれ、減算器２３６，２３７に出力される。

電流計１５は、電流センサ１５１，１５２を備える。電流センサ１５１，１５２は、それぞれ、例えば、ホール素子を利用したホール式の電流センサで構成され、インバータ９３から電動機８に供給されるｕ，ｖ相の電流を検出する。

電力変換部９は、ｄｑ／ｕｖｗ変換器９１、ＰＷＭコントローラ９２、及びインバータ９３を備え、指令値算出部２３で算出された電圧指令値ｖｄ＊及び電圧指令値（ｖｑ＊＋Δｖｑ）に応じた電力を電動機８に供給する。

ｄｑ／ｕｖｗ変換器９１は、電圧指令値ｖｄ＊及び電圧指令値（ｖｑ＊＋Δｖｑ）を座標変換し、ｕ，ｖ，ｗ相の電圧指令値をそれぞれ生成し、ＰＷＭコントローラ９２に出力する。

ＰＷＭコントローラ９２は、ｄｑ／ｕｖｗ変換器９１が算出したｕ，ｖ，ｗ相の電圧指令値から、ｕ，ｖ，ｗ相のそれぞれのＰＷＭ信号を生成し、インバータ９３に出力する。

インバータ９３は、例えば、ｕ，ｖ，ｗ相のそれぞれにつき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る。インバータ９３は、ＰＷＭコントローラ９２から供給される、ｕ，ｖ，ｗ相のＰＷＭ信号にしたがって、ｕ，ｖ，ｗ相のスイッチング素子をそれぞれオン・オフさせることで、電動機８にｕ，ｖ，ｗ相の交流電力を供給する。

電動機８は、例えば、表面磁石型同期型モーターや埋込磁石型同期型モーター等のブラシレスモータで構成され、インバータ９３から出力されるｕ，ｖ，ｗ相の３相の交流電力に従って駆動される。これにより、ウインチドラム５が回転し、吊荷４の巻上及び巻下が行われる。

以上がコントローラ１２及び電力変換部９の基本構成であり、回転速度ωが目標速度ωｒｅｆに追従するように、電動機８がベクトル制御される。

第１補償トルク値算出部２１は、操作部１３に対して巻上操作が入力された場合、回転速度ωと目標速度ωｒｅｆとの差分速度ωｄに基づいて、差分速度ωｄに相当する巻上方向のトルクである逆転防止トルクを電動機に発生させるための第１補償トルク値Δｖｑを算出する。

詳細には、第１補償トルク値算出部２１は、減算器２１０、スイッチＳＷ１、微分器２１１、増幅器２１２，２１３，２１５、及び加算器２１４を備える。

減算器２１０は、回転速度ωから目標速度ωｒｅｆを減算することで、差分速度ωｄを算出する。

スイッチＳＷ１は、スイッチ制御部２５の制御の下、オン・オフする。逆転防止トルクは、巻上操作が入力された後、回転速度ωが目標速度ωｒｅｆに到達するまでの期間において電動機８に発生させればよい。なぜなら、回転速度ωが目標速度ωｒｅｆに追従している状態では吊荷４の落下の危険性は低いので、逆転防止トルクを発生させてしまうと、電動機８に不要なトルクを発生させてしまうからである。そこで、スイッチＳＷ１は、スイッチ制御部２５の制御の下、巻上操作が入力され、且つ、目標速度ωｒｅｆ−回転速度ω＞０の場合（差分速度ωｄ＜０の場合）、オンする。

微分器２１１は、例えば、上述した式（１）に示す伝達関数を用いて差分速度ωｄを微分することで差分加速度γｄを算出する。増幅器２１２は、差分加速度γｄにゲイン（制御パラメータ）：−ａを乗算することで、トルク成分τ１（＝−ａ×γｄ）を算出する。増幅器２１３は、差分速度ωｄをにゲイン（制御パラメータ）：−ｂを乗算することで、トルク成分τ２（＝−ｂ×ωｄ）を算出する。加算器２１４は、トルク成分τ１とトルク成分τ２とを加算することで、逆転防止トルクτ３を算出する。ここで、増幅器２１２，２１３において、それぞれのゲイン：−ａ，−ｂがそれぞれマイナスであるのは、差分速度ωｄがマイナスの期間においてスイッチＳＷ１がオンされることを考慮したものである。これにより、逆転防止トルクτ３はプラスの値を持ち、巻上方向に向くことになる。

ウインチ制御装置において、回転系の運動方程式は、例えば、τ＝Ｊ×ω’＋ｃ・ωで表される。ここで、τはトルク、ωは回転速度（角速度）、ω’はωの微分（角加速度）、Ｊはウインチドラム５、減速機７、及び電動機８の慣性モーメントの合成値、ｃはウインチ制御装置の粘性係数の合成値である。

ここで、微分器２１１、増幅器２１２、及び加算器２１４により算出されるトルク成分τ１（＝−ａ×γｄ）は上記の運動方程式のＪ×ω’に相当するものであり、増幅器２１３により算出されるトルク成分τ２（＝−ｂ・ωｄ）は上記の運動方程式のｃ・ωに相当するものであり、それぞれトルクに相当する値を持つ。したがって、ゲイン：−ａの大きさとしては、例えば、ウインチドラム５、減速機７、及び電動機８の慣性モーメントの合成値を考慮した値が採用されれればよい。また、ゲイン：−ｂの大きさとしては、例えば、ウインチ制御装置の粘性係数の合成値を考慮した値が採用されればよい。また、逆転防止トルクτ３は、上記の運動方程式のωに差分速度ωｄを代入することで得られるものであり、プラスの値を持つため、差分速度ωｄに相当する巻上方向のトルクを示す。

増幅器２１５は、逆転防止トルクτ３に変換係数Ｋを乗算することで、逆転防止トルクτ３を電圧に変換し、第１補償トルク値Δｖｑを算出する。ここで、変換係数Ｋは、例えば、式（２）で表すことができる。

Ｒａ：電動機８の相抵抗 Ｐｎ：電動機８の極対数 ψａ：電動機８の永久磁石の鎖交磁束 Ｌｄ：電動機８のｄ軸のインダクタンス成分 Ｌｑ：電動機８のｑ軸のインダクタンス成分 ｉｄ：ｕｖｗ／ｄｑ変換器２４０で算出されたｄ軸の電流値
なお、変換係数Ｋとして、式（２）が採用されているが、これは一例であり、逆転防止トルクτ３を電圧指令値に変換できる数式であれば、どのような数式が採用されてもよい。例えば、電動機８の種類に応じて予め定められた数式が変換係数Ｋとして採用されてもよい。

第２補償トルク値算出部２２は、操作部１３に対して巻上操作が入力された場合、荷重計１４で検出された荷重値ＦＬに基づいて、荷重値ＦＬを支持する巻上方向のトルクである荷重支持トルクを電動機８に発生させるための第２補償トルク値を算出する。

詳細には、第２補償トルク値算出部２２は、スイッチＳＷ２、荷重変換器２２１、及び増幅器２２２を備える。

スイッチＳＷ２は、スイッチ制御部２５の制御の下、オン・オフされる。荷重支持トルクは、巻上操作が入力されている期間において電動機８に発生させればよい。なぜなら、巻上操作及び巻下操作が入力されていなければ、ブレーキ６により電動機８は拘束されるからである。そこで、スイッチＳＷ２は、スイッチ制御部２５の制御の下、操作部１３において、巻上操作が入力された場合、オンする。なお、回転速度ωが目標速度ωｒｅｆに到達すると、第１補償トルク値は算出が停止されているが、第２補償トルク値は算出が継続されている。これは、巻上操作中での急激な操作量の変更が行われた場合の吊荷４の落下を防止するためである。

荷重変換器２２１は、荷重値ＦＬに下記の式（３）に示す変換係数を乗算することで、荷重支持トルクを電動機８に発生させるためのトルク電流値を算出する。

Ｎ：減速機７の減速比 Ｒ：ウインチドラム５の半径 Ｐｎ：極対数 ψａ：電動機８の永久磁石の鎖交磁束
ここで、変換係数として式（３）を採用したが、これは一例であり、荷重値ＦＬをトルク電流値に変換できる変換係数であればどのような変換係数が採用されてもよい。例えば、電動機８の種類に応じて予め定められた変換係数が採用されてもよい。

増幅器２２２は、荷重変換器２２１が算出したトルク電流値にゲインｃを乗算することで、第２補償トルク値Δｉｑを算出する。ゲインｃはｃ＜１である。

ここで、荷重計１４により検出された荷重値ＦＬは、巻上開始直後に発生する吊荷４の過渡的な揺れや荷重計１４の検出精度の影響により、実際の吊荷４の荷重値よりも大きい値になることがある。この場合、第２補償トルク値Δｉｑが吊荷４を支える以上の値となり、巻上開始直後に吊荷４が一時的に巻上方向に動き出す、いわゆる、吊荷４の飛び出し現象が発生することがある。

そこで、増幅器２２２は、吊荷４の過度的な揺れや荷重計１４の検出精度の影響により、実際の吊荷４の荷重値に対する荷重値ＦＬの増大分の想定値又は想定値に一定のマージンを加えた値を、荷重変換器２２１が算出したトルク電流値から差し引くために、このトルク電流値に１未満の係数ｃを乗じる。これにより、吊荷４の飛び出し現象を防止できる。

例えば、荷重計１４の検出誤差が数％であった場合、その倍以上にあたる２０％の値を荷重変換器２２１が算出したトルク電流値から差し引くために、増幅器２２２は、ゲインｃとして０．８を採用する。これにより、吊荷４の飛び出し現象が防止される。増幅器２２２で算出された第２補償トルク値Δｉｑは、加算器２３８により、電流指令値ｉｑ＊に加算され、電流制御器２３５に出力される。これにより、電動機８には、第２補償トルク値に相当する荷重支持トルクが発生する。

ここで、吊荷４の過渡的にな揺れや荷重計１４の検出精度の影響のより、荷重計１４が検出した荷重値ＦＬは、実際の荷重値よりも小さくなることもある。この場合、第２補償トルク値によって電動機８に発生する荷重支持トルクが実際の荷重支持トルクよりも小さくなり、吊荷４の落下が僅かながら発生する可能性がある。しかし、本実施の形態では、第１補償トルク値による逆転防止トルクが電動機８に発生するので、この落下を防止できる。

スイッチ制御部２５は、回転速度検出部２０で算出された回転速度ωと目標速度算出部で算出された目標速度ωｒｅｆと、操作部１３から出力された操作量とに基づいて、スイッチＳＷ１，ＳＷ２をそれぞれオン・オフさせる。詳細には、スイッチ制御部２５は、巻上操作が入力され、且つ、目標速度ωｒｅｆ−回転速度ω＞０の場合、スイッチＳＷ１をオンする。一方、スイッチ制御部２５は、巻上操作が入力されていない場合、又は、目標速度ωｒｅｆ−回転速度ω≦０の場合、スイッチＳＷ１をオフする。

また、スイッチ制御部２５は、操作量が巻上操作を示す場合、スイッチＳＷ２をオンさせる。一方、スイッチ制御部２５は、操作量が巻上操作を示さない場合、スイッチＳＷ２をオフさせる。ここで、スイッチ制御部２５は、巻上操作の操作量が０より大きい場合、又は目標速度ωｒｅｆが０より大きい場合、巻上操作が入力されたと判定すればよい。

ブレーキ制御部２６は、操作部１３において巻上操作又は巻下操作が入力された場合、ブレーキ６による電動機８の拘束を解除する。一方、ブレーキ制御部２６は、操作部１３が中立位置に位置決めされた場合、電動機８の回転方向の運動を拘束するようにブレーキ６を制御する。

図３は、第１及び第２補償トルク値を算出することなく、電動機８を速度制御するシミュレーションを実施した場合において、巻上動作の開始時の回転速度ωの時間的推移を示すグラフである。図３において、縦軸は回転速度ωを示し、横軸は時間を示す。時刻ｔ１において、巻上操作が入力され、ブレーキ６が解除されている。このシミュレーションでは、目標速度ωｒｅｆと回転速度ωとの速度偏差を０にする通常の速度制御が行われているので、巻上操作の開始時に回転速度ωは目標速度ωｒｅｆに直ぐに追従できない。そのため、電動機８は、巻下方向に加わる吊荷４の負荷トルクを支えることができず、回転速度ωが０からマイナス方向（巻下方向）に急激に増大し、吊荷４が落下していることが分かる。また、時刻ｔ２において、回転速度ωが０を超えて、吊荷４の落下が停止されているが、時刻ｔ１での回転速度ωの巻下方向へ増大量が大きい分、時刻ｔ１から落下が停止する時刻ｔ２までの期間が比較的長いことが分かる。

図４は、第１補償トルク値のみを算出して、電動機８を速度制御するシミュレーションを実施した場合において、巻上操作の開始時の回転速度ωの時間的推移を示すグラフである。図４において、縦軸及び横軸は図３と同じである。時刻ｔ１において、巻上操作が入力され、ブレーキ６が解除されている。このシミュレーションでは、巻上動作の開始時に第１補償トルク値に相当する逆転防止トルクが電動機８に加えられているため、図３に比べて、回転速度ωのマイナス方向（巻下方向）への増大量は改善されている。しかし、第１補償トルク値は回転速度ωの検出後に算出されているので、逆転防止トルクは吊荷４が落下した後でなければ、電動機８に発生しない。そのため、電動機８は、巻上動作の開始時に巻下方向に加わる吊荷４の負荷トルクを十分に支えることができず、吊荷４が多少落下していることが分かる。また、ゲイン：−ａ，−ｂの絶対値を大きくすると、逆転防止トルクが増大するので、吊荷４の落下の更なる抑制が可能となるが、ゲイン：−ａ，−ｂの絶対値を過大にすると、回転速度ωの目標速度ωｒｅｆに対するオーバーシュートが発生し、図４に示すような回転速度ωの振動が発生する。この場合、巻上動作時の操作性が悪化する。

図５は、第１補償トルク値及び第２補償トルク値を算出して、電動機８を速度制御するシミュレーションを実施した場合において、巻上操作の開始時の回転速度ωの時間的推移を示すグラフである。図５において、縦軸及び横軸は図３と同じである。このシミュレーションでは、巻上動作の開始時に、第１補償トルク値に相当する逆転防止トルクに加えて、第２補償トルク値に相当する荷重支持トルクが電動機８に発生する。ここで、第２補償トルク値は、巻上操作が入力された直後に算出されているので、荷重支持トルクは巻上動作が開始されると直ぐに電動機８に発生する。したがって、吊荷４による負荷トルクを支えるために必要となる逆転防止トルクの不足分が荷重支持トルクによって補われる。その結果、時刻ｔ１において、回転速度ωのマイナス方向への増大は発生せず、回転速度ωは目標速度ωｒｅｆに追従できていることが分かる。これにより、吊荷４の落下を防止することができる。また、逆転防止トルクの不足分が荷重支持トルクによって補われるので、第１補償トルク値の算出に用いられるゲイン：−ａ，−ｂを低めに設定しても、吊荷４の落下を防止することが可能となる。その結果、巻上動作開始時の振動も抑制することができる。

このように、実施の形態１に係るウインチ制御装置は、巻上操作が入力されると、逆転防止トルクと、荷重支持トルクとが電動機８に発生する。そのため、吊荷４の落下を防止するための専用の装置を設けなくても、巻上操作の入力時に発生する吊荷４の落下を防止できる。

（実施の形態２）
実施の形態２に係るウインチ制御装置は、荷重計１４を用いずに吊荷４の荷重値を算出するものである。なお、実施の形態２において、実施の形態と同一の構成要素は同一の符号を付して説明を省く。

図６は、実施の形態２に係るウインチ制御装置において、第２補償トルク値算出部２２を中心とする構成を示すブロック図である。図６に示すように実施の形態２では、図２に示す荷重計１４に代えて、荷重算出部２７が設けられている。

荷重算出部２７は、電流計１５で計測された電流値ｉｕ，ｉｖを座標変換して、電流値ｉｄ，ｉｑを算出する。そして、荷重算出部２７は、下記の式（４）を用いて、荷重値ＦＬを算出する。

荷重値ＦＬの算出に用いられる電流値ｉｕ，ｉｖとしては、例えば、巻上操作が入力される前において、電動機８が停止される直前に、電流計１５で計測された値が採用できる。

実施の形態１で上述したように、ウインチ制御装置は、巻上操作が入力された場合、ブレーキ６が電動機８の拘束を解除する構成を採用する。そのため、巻上操作が入力される直前では、電動機８はブレーキ６により拘束されて停止しており、電流計１５で計測される電流値ｉｕ，ｉｖは０になる。したがって、巻上操作が入力される直前の電流値ｉｕ，ｉｖでは、巻上操作が入力される直前の荷重値ＦＬを算出することはできない。

そこで、本実施の形態では、荷重値検出部２７は、巻上操作が入力される前において電動機８が停止される直前に、電流計１５で計測された電流値ｉｕ，ｉｖを座標変換することで電流値ｉｑ，ｉｄを算出し、式（４）に入力することで荷重値ＦＬを算出する。

Ｐｎ：電動機８の極対数 ψａ：電動機８の永久磁石の鎖交磁束 Ｌｄ：電動機８のｄ軸のインダクタンス成分 Ｌｑ：電動機８のｑ軸のインダクタンス成分 ｉｄ：ｄ軸の電流値 ｉｑ：ｑ軸の電流値 Ｒ：ウインチドラム５の半径
式（４）において、分子は電動機８のトルク推定値を表している。したがって、分子をウインチドラム５の半径Ｒで割ることで、荷重値ＦＬが得られる。

第２補償トルク値算出部２２は、実施の形態１と同様、算出された荷重値ＦＬを用いて第２補償トルク値を算出する。

このように実施の形態２に係るウインチ制御装置では、電流計１５で算出された電流値から荷重値ＦＬが算出されている。ワイヤーロープ２は、巻上又は巻下動作時に大きく移動するため、荷重計１４をワイヤーロープ２に取り付けることは困難である。そのため、実施の形態１に示す荷重計１４は、起伏ロープ等に取り付けられるのが一般的である。したがって、荷重計１４が計測した荷重値は実際の荷重値を正確に表していない可能性がある。

一方、電動機８には吊荷４の負荷トルクを支えるために必要なトルクが発生され、このトルクは電動機８に供給される電流によって決定される。そのため、電流計１５が計測する電流値から算出される荷重値は荷重計１４で計測される荷重値に比べてより直接的に荷重値を表していると言える。そのため、本実施の形態では、荷重値を正確に検出できる。

本発明は以下の変形例が採用できる。

（１）実施の形態１，２では、第１補償トルク値は電圧指令値ｖｑ＊に加算されていたが、本発明はこれに限定されず、電流指令値ｉｑ＊に加算されてもよい。この場合、第１補償トルク値算出部２１は、式（２）に示す変換係数Ｋに代えて、逆転防止トルクτ３を電流に変換するための変換係数を用いて第１補償トルク値を算出すればよい。

（２）実施の形態１，２では、第２補償トルク値は電流指令値ｉｑ＊に加算されていたが、本発明はこれに限定されず、電圧指令値ｖｑ＊に加算されてもよい。この場合、第２補償トルク値算出部２２は、式（３）に示す変換係数に代えて、荷重値ＦＬを電流に変換するための変換係数を用いて第２補償トルク値を算出すればよい。

（３）実施の形態１，２では、ｄ軸，ｑ軸を用いたベクトル制御で電動機８は制御されているが、ｄ軸、ｑ軸を用いることなく、単に目標速度ωｒｅｆと回転速度ωとの偏差を０にするフィードバック制御で電動機８は制御されてもよい。

（４）図２において、第１補償トルク値算出部２１は、トルク成分τ１とトルク成分τ２との両方を算出しているが、いずれか一方のトルク成分のみを算出してもよい。

Δｖｑ 第１補償トルク値
Δｉｑ 第２補償トルク値
γｄ 差分加速度
θ 回転角度
ω 回転速度
ωｄ 差分速度
ωｒｅｆ 目標速度
５ ウインチドラム
６ ブレーキ
８ 電動機
９ 電力変換部
１２ コントローラ
１３ 操作部
１４ 荷重計
１５ 電流計
１６ 角度センサ
２０ 回転速度検出部
２１ 第１補償トルク値算出部
２２ 第２補償トルク値算出部
２３ 指令値算出部
２５ スイッチ制御部
２６ ブレーキ制御部
２７ 荷重算出部
１５１，１５２ 電流センサ

Claims (7)

1. クレーンのウインチ制御装置であって、
   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する電動機と、
   前記電動機の回転速度を検出する回転速度検出部と、
   前記ウインチドラムに対する巻上操作が入力される操作部と、
   前記吊荷の荷重値を検出する荷重検出部と、
   前記電動機の回転方向への運動を拘束するブレーキと、
   前記巻上操作が入力された場合、前記ブレーキによる前記拘束を解除するブレーキ制御部と、
   前記巻上操作が入力された場合、前記検出された回転速度と前記巻上操作の操作量に応じた目標速度との差分速度に基づいて、前記差分速度に相当する前記巻上方向のトルクである逆転防止トルクを前記電動機に発生させるための第１補償トルク値を算出する第１補償トルク値算出部と、
   前記巻上操作が入力された場合、前記検出された荷重値に基づいて、前記荷重値を支持する前記巻上方向のトルクである荷重支持トルクを前記電動機に発生させるための第２補償トルク値を算出する第２補償トルク値算出部と、
   前記検出された回転速度と前記目標速度との偏差を零にするための第１指令値を算出し、前記第１指令値に前記第１及び第２補償トルク値を加算することで、第２指令値を算出する指令値算出部と、
   前記第２指令値に応じた電力を前記電動機に供給する電力変換部とを備えるウインチ制御装置。
2. 前記第１補償トルク値算出部は、前記巻上操作が入力された場合、前記目標速度に前記検出された回転速度が到達するまで、前記差分速度と、前記差分速度を微分した差分加速度との少なくとも一方を用いて前記第１補償トルク値を算出する請求項１記載のウインチ制御装置。
3. 前記荷重検出部は、前記吊荷の荷重値を計測する荷重計で構成されている請求項１又は２記載のウインチ制御装置。
4. 前記荷重検出部は、
   前記電動機に入力される電流値を計測する電流計と、
   前記計測された電流値から前記吊荷の荷重値を算出する荷重算出部とを備える請求項１〜３のいずれかに記載のウインチ制御装置。
5. 前記第２補償トルク値算出部は、前記荷重検出部により検出された荷重値に相当するトルクよりも、所定値だけ小さい値を前記第２補償トルク値として算出する請求項１〜４のいずれかに記載のウインチ制御装置。
6. 前記指令値算出部は、
   前記検出された回転速度と前記目標速度との偏差を零にするためのｄ軸の目標電流値とｑ軸の目標電流値とを算出する速度制御器と、
   前記電動機に供給される電流のｄ軸の電流値と前記ｄ軸の目標電流値との偏差をｄ軸の電流指令値として算出する第１減算器と、
   前記ｄ軸の電流指令値を零にするためのｄ軸の電圧指令値を算出する第１電流制御器と、
   前記電動機に供給される電流のｑ軸の電流値と前記ｑ軸の目標電流値との偏差をｑ軸の電流指令値として算出する第２減算器と、
   前記第２補償トルク値を前記ｑ軸の電流指令値に加算する第１加算器と、
   前記第１加算器による加算値を零にするためのｑ軸の電圧指令値を算出する第２電流制御器と、
   前記ｑ軸の電圧指令値に前記第２補償トルク値を加算する第２加算器とを備える請求項１〜５のいずれかに記載のウインチ制御装置。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載されたウインチ制御装置を備えるクレーン。

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