JPS6153318B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はコンテナクレーン、成品積込機等の重
量物巻上機に係り、特にポンプ、可変モータから
なる油圧式定出力巻上装置の制御装置に関するも
のである。

コンテナクレーン、成品積込機等、吊荷重量変
化が広範囲にわたる重量物の巻上装置は、従来、
電気駆動によるものが主流を占め、比較的原価の
安い交流モータによる方法が用いられ、負荷変化
に係らず巻上、巻戻し速度は一定であつたが、近
年搬送速度の高速度化の要求から、特にコンテナ
クレーンにおいて空荷の場合では巻上速度を早
め、サイクルタイムを縮小させる試みがなされ、
交流モータに代り制御性に優れた直流モータ駆動
による定出力巻上装置が採用されている。

第１図は直流モータを用いたコンテナクレーン
の巻上装置を示すもので、ワードレオナード法に
よる電気式定出力巻上装置の従来例である。その
構成を説明すると、１は商用交流電源２により駆
動する誘導電動機で、電動機１は直流発電機３を
回転させ、直流電源を供給している。直流電流の
強さは誘導電動機１の磁界の強さに比例するた
め、発進時、停止時の電流制御はコントロール装
置４によりコイル５への磁界制御電流の大きさを
変えて操作している。直流電源が直流電動機６に
供給されると、電動機６に作用する界磁の強さと
供給電流の積に等しいトルクが発生し、負荷を動
かす。この磁界の強さは界磁制御装置７に供給さ
れる制御電流に比例し、この強さは前記コントロ
ール装置４の指示によりサイリスタ８からの出力
電流を変えることにより制御される。直流電動機
６には電磁制御機９が連結され、巻下げ減速時の
ロツク装置として動作する。

以上の構成から成る電気式巻上装置において、
交流電源２が供給されると、誘導電動機１の極数
は一定であるから、電動機１は一定速度で回転
し、その動力は直流発電機３に伝達される。発電
機３の磁束密度はコイル５により制御され、出力
電流は磁束密度の強さに比例するから、発進、停
止時にコントロール装置４により磁束強さは弱め
られる。直流発電機３により発生した直流電流は
直流電動機６に送られ、負荷を巻上げる電動機出
力トルクに変換されるが、この時のトルクは直流
電動機６への界磁の強さと入力電流の積に等しく
なるから、負荷が大きくなつたとき、界磁の強さ
を大きくするためコントロール装置４からサイリ
スタ８へ界磁制御用電流を大きくするように操作
される。負荷の巻上速度は直流電動機６の界磁の
強さに反比例するから、負荷が大きいときは巻上
速度が小さくなり、負荷が小なるときは巻上速度
は大きくなるのである。

第２図は第１図のワードレオナード法を採用し
た時のモータ特性を示す図で、トルクの増加に反
比例して巻上、巻下速度が変化し、動力はトルク
とモータ回転数、即ち巻上速度との積で表わされ
るから、第１図のワードレオナード法によれば定
出力特性が得られる。

次に第３図は従来から吊荷変動が5tから30t程
度のクレーンに用いられている直流電動機による
定出力駆動装置の速度−荷重特性線図で、電気駆
動によるイの最大荷重と最小荷重の速度比は約
１：２程度となつている。

直流電動機によるワードレオナード法を用いた
定出力巻上装置では、交流電動機制御方式に比較
して応答特性が良く、瞬時停電に強いという長所
があるが、サイリスタレオナードより応答特性は
劣り、かつ誘動電動機、直流発電機、直流電動機
の装置が必要となり、高価な巻上装置となる欠点
があつた。

なお、誘導電動機と油圧駆動源とを組合せて、
ワードレオナード装置に近い性能を得ようとする
ものは、特開昭48−58552号に開示されている。
しかし、油圧式のみにおいて、ワードレオナード
装置並の性能を得るための構成は開示されていな
い。

本発明の目的は、ポンプ、可変モータ等から構
成される油圧式定出力巻上装置を構成し、これを
安定して制御することにより、ワードレオナード
装置並の性能を得ることのできる制御装置を提供
することにある。

本発明は、巻上、巻下運転中にモータに作用す
る有効圧力差を目標値に一致させるように可変モ
ータの斜板角を制御するものである。この場合、
有効圧力差と目標値との差分に可変モータの速度
の微分値を負帰環させ、その差分を積分して可変
モータの斜板角を制御することにより装置の安定
性を高めるものである。

以下、本発明を具体的実施例により詳細に説明
する。

第４図は本発明に係る油圧式定出力巻上装置の
一実施例を示す回路図で、１０は動力供給用の交
流電動機であり、１１は可変ポンプ、１２は可変
モータを示し、交流電動機１０により駆動した可
変ポンプ１１を作動して圧油を可変モータ１２に
供給するようにしてある。そして負荷を巻上げ
る。１３はブレーキバルブで、回路圧の高圧側リ
リーフ弁と閉回路内の油の損失分を補うブースタ
ポンプ１４の吐出口と連結している。可変モータ
１２には斜板角を変えるレギユレータ１５が設置
され回路内の圧力差を制御する。又管路の保護の
ためリリーフ弁１６，１７が取付けてある。

前記斜板角の制御によつて押しのけ量が変り、
出入口間の圧力差が変わり、可変モータの出力ト
ルク、速度が変わる。

前記斜板角を制御させるレギユレータ１５の制
御回路は後述するように第８図のとおりに構正さ
れている。

かかる構成において、可変モータ１２の出入口
に作用する圧力をPa，Pb｛Kgf／cm²｝、濡れ係数
をＣ｛cm^５／Kgf・ｓ｝、等価圧縮率をＫ
｛cm^５／Ｋｇｆ｝、ポンプ吐出量をQp｛cm^３／ｓ｝、モ
ータ からの戻り量をQm｛cm^３／ｓ｝、ラプラス演算
子をＳとすると、連続の式より （Pa−Pb）／（Qp−Qm） ＝１／（Ｃ＋KS） …(1) と表わされる。一方、負荷の運転方程式は慣性モ
ーメントをＪ｛Kgf／cm・s²｝、粘性減衰係数を
Ｂ｛Ｋｇｆ・cm・ｓ／ｒａｄ｝、モータ出力トルクTm｛
Kgf− cm｝負荷トルクをTl｛Kgf−cm｝、モータ角速度
をω｛rad／ｓ｝とすれば、 Ｔ_ｎ−Ｔｌ／ω＝１／Ｂ＋ＪＳ …(2) で表わされる。有効圧力差Ｐ（＝Ｐ_a−Ｐ_b）とモ
ータ押しのけ量Ｄ_n｛cm³／rad｝との関係は、 Ｔ_n＝Ｐ・Ｄ_n …(3) であり、角速度ωと押しのけ量Ｄ_nとの関係は、 Ｑ_n＝ω・Ｄ_n …(4) となる。

ポンプ側供給動力は圧力Ｐ（前記有効圧力差Ｐ
のこと）と吐出量Ｑ_Pの積に比例し、ポンプ吐出
量Ｑ_Pは交流電動機１０の回転数が一定であるか
ら最大吐出量は負荷に係らず一定となるため、圧
力Ｐを負荷に係らず一定になるようモータ押しの
け量Ｄ_nを制御すればワードレオナード法に対応
する油圧式定出力回路となる。制御量を圧力Ｐと
し、押しのけ量Ｄ_nとの伝達関数、即ちレギユレ
ータ１５の特性をＧ_Rとし、各伝達関数(1)，(2)，
(3)，(4)をブロツク線図にすると、第５図のように
表わされる。

第６図は第５図中の非線型要素を線形化して系
の安定性を説明するブロツク線図である。レギユ
レータ特性Ｇ_Rの極性は、第２図に示された定出
力モータ特性が得られるように決められ、Ｇ_R＝
∂Ｄｍ／∂Ｐ＞０となるから常に正である。又サフイツ クス０は任意の平衡値を表わすとすれば、両可変
式斜板制御型定出力回路ではループＡとループＢ
の二つのループから成立する系であり、系が安定
する必要な条件として正帰還ループにならないこ
とが必要である。巻上時には角速度ω_０は正であ
るから、必要条件は満足されるが、巻下時の場合
は角速度ω_０が負となるから、第６図においてル
ープＡは正帰還となり、圧力の増加ΔＰが発散す
る方向に向い、系の安定性が極めて厳しくなる。
この時ループＢは斜板角は常に正、即ちＤ_n0は常
に正であるからループＢは巻上下巻下運転に係ら
ず負帰還となるから、巻下時においてはループＡ
の帰還量よりループＢの帰還量が大きくなれば良
い。要するに帰還伝達関数が常に正となることが
必要条件となる。

第６図において入力をΔＱ_P、出力をΔωとし
たときの帰還ループ伝達関数Ｈは、 Ｈ＝ω₀G_R＋Ｄｍ_０×（Ｄｍ_０＋Ｐ_０Ｇ_Ｒ）／Ｂ＋Ｊ
Ｓ…(5) となるから、ωの正、負に係らずＨ＞０とならな
ければならない。ω＞０、即ち巻上の場合は前記
の通り(5)式は常に満足され、系の必要条件は満さ
れる。不安定になり易いω＜０、即ち巻下の場
合、必要条件を満足するようなレギユレータ特性
は(5)式より、 となる。

第７図に系の安定性を満足する必要条件(6)式の
周波数応答を示す。モータ及び負荷の粘性減衰係
数は一般に小さな値をとり、無視されるから、第
７図又は(6)式からレギユレータＧ_Rの特性は積分
要素となり、圧力Ｐと目標値との差分の積分値に
比例してＤ_nを制御すれば良い。又レギユレータ
特性Ｇ_Rのゲイン定数を大きくすると系が発散す
る方向に進むが、応答性を高める点では有利であ
り、始動時のモータ斜板角がどの位置にあつて
も、吊荷荷重に最適な斜板角に制御されることが
要求され、ゲイン定数も高く設定される。一方、
入力Ｑ_P、出力Ｐとした時の前向き伝達関数のゲ
イン定数は１／Ｋとなり、油の圧縮率及び管路の
圧縮率は極めて小さいため、その逆数値であるゲ
イン定数は極めて大きな値となる。そこで始動
時、停止時又は負荷変動時には大きな偏差信号が
レギユレータ要素Ｇ_Rに入力され、巻下時に特に
発散する方向に向い、不安定領域に入ることがあ
る。この現象を防ぐためには、圧力偏差動作信号
に飽和要素をカスケード結合させ、動作信号に上
限値、下限値を与えれば良い。

更に系の安定性を向上させるには第６図におい
て、巻下時のループＡの帰還量を抑える信号を検
出し、レギユレータへの入力信号とすれば良い。
今、系が不安定になつた場合の吊荷の動きを第６
図から考察すると、前記のように巻下時において
不安定領域に入るから、ω_pを負の場合を考える
と、ループＡとループＢの帰還量はループＡの帰
還量が大きくなつた場合で、ポンプ側への戻り量
が正帰還となつた場合で、ポンプ側への戻り量が
正帰還となり圧力Ｐの増分は正の増分となるた
め、モータの出力トルクＴ_nは増加する方向に進
み、巻下速度が急激に減少する。即ち、制動力が
増加することに等しいから、この対策としてモー
タ斜板角、即ち押しのけ量Ｄ_nを減少させ、モー
タ出力トルクを小さくすると良い。重力加速度方
向を負とすると、巻下時の制動中の吊荷に働く加
速度は正の値であるから、レギユレータＧ_Rの入
力信号として加速度を負帰還させれば良い。

加速度を負帰還させることは前述の理由から系
の安全性向上に効果があるが、系が不安定領域に
入らなくても、始動時、制動時には加減速運転を
行なうため、この規定の加減速度と不安定現象か
ら生じる加減速度を識別して負帰還させてやる必
要がある。そこで加減速時間から算出される始動
時、制動時の加減速度を上限値、下限値とする不
感帯要素を加速度信号にカスケード結合させて、
許容値内にあるときは出力零、許容値を越えた時
に、レギユレータＧ_Rに負帰還させてやれば良
い。

第８図はレギユレータ特性を積分器とした時の
制御回路を示し、その構成は制御量である圧力
P20と目標圧Ｐ set21との差分に飽和要素22をカ
スケード結合させ、更に吊荷速度ω23を微分要素
24と不感帯要素25にカスケード結合させ、先の圧
力偏差信号に負帰還させてレギユレータの積分要
素26に入力させ、押しのけ量Ｄ_nを制御するもの
である。即ち、押しのけ量Dmを制御するとは前
記の如く斜板角を制御することである。

圧力P20を検出するために可変ポンプ１２の出
入口間の圧力差（Pa−Pb）を検出するための検
出器を備えている。また、可変モータ１２の角速
度を検出するために吊荷の速度を検出する手段を
備え、その検出値を微分している。

なお、第８図、第９図では前記ωをこれ以前と
は違つて吊荷速度として示している。

前記飽和要素22は、圧力P20と目標値Ｐ set21
との差分が小さいとき該差分に比例した値を出力
し、上限又は下限の所定値よりも大きいときその
上限の一定値、下限の一定値を出力するものであ
る。

前記不感帯要素25は、検出した微分値（角速度
ω〓）が吊荷の移動の始動時及び制動時の加減速の
微分値よりも小さいときには零の値を出力し、大
きい場合には前記検出した微分値に比例した値を
出力するものである。

第８図においてレギユレータ積分要素26の
「Ｓ」はラプラス演算子であり、「Ｋ_R」はレギユ
レータの係数である。微分要素24のＳは微分記号
である。

第９図はレギユレータ特性として積分要素を用
いた時の実時間領域における計算結果を示すもの
で、条件としては不安定現象が起り易い巻下運転
の場合で、吊荷荷重は最小値の場合である。横軸
に時間を、縦軸には主な変数であるポンプ吐出量
Ｑ_P、押しのけ量Ｄ_n、圧力Ｐ、吊荷速度ωをとつ
て表わした。押しのけ量の初期値は最大値の場合
で、実線はレギユレータ特性として積分要素のみ
の場合、点線は飽和要素、加速度制御を付加した
場合に結果である。吊荷はステツプ信号として入
力されるため、圧力Ｐは始動時Ａ、サージ圧を示
すが、モータ斜板角が最大値に設置されているた
め圧力Ｐは平衡値に回復する。この圧力Ｐは目標
圧P₀よりも低いため、押しのけ量Ｄ_nが減少して
吊荷速度ωは負の増加を示し、ポンプ吐出量Ｑ_P
が定常状態Ｂとなつたとき負の最大値をとる。制
動運転Ｃに入ると、ポンプ吐出量Ｑ_Pが小さくな
るため、モータからの戻り量との差分が増加し、
第６図において圧力増加ΔＰが大きくなり、回路
の圧力Ｐが目標圧Ｐ_pを超えてリリーフ圧Ｐ_eに至
る。加えて最小負荷の場合、吊荷速度ω_pは最大
値（この時巻下運転であるから負の値）となるか
ら、ループＡの正帰還が増加し系が不安定現象Ｅ
を示し、急制動運転となり、吊荷には反重力方向
に大きな加速度を生じる。一方、圧力偏差信号に
飽和要素を直列に連結することにより、レギユレ
ータへの入力信号を抑え、かつ不感帯領域外の加
速度を負帰還させた制御系では、点線において表
わされるように、モータ斜板角、即ち押しのけ量
Ｄ_nの急激な増加が抑えられるから、圧力Ｐの脈
動を抑えることになり、モータ出力トルクの変動
が小さく、吊荷速度ωもほぼポンプ吐出量Ｑ_Pに
同期して停止する。第３図の速度−荷重特性に解
析結果を表わすと点線で示されたようになり、油
圧式定出力特性ロの方が電気駆動による特性イよ
り速度比が大きくなる。

以上の如く、本発明によれば、油圧式定出力巻
上装置の制御装置の安定性を向上できるので、ワ
ードレオナード装置並の性能を得ることができ、
安価にできるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は電気系におけるワードレオナード法を
採用した定出力回路図、第２図は定出力モータの
トルク−速度特性図、第３図は電気系、油圧系の
定出力速度−荷重特性図、第４図は本発明に係る
油圧式定出力巻上装置の制御装置の一実施例を示
す回路図、第５図は第４図の装置のブロツク線
図、第６図は線形化した時のブロツク線図、第７
図は系の必要安定条件を満足させるレギユレータ
の特性を示すボード線図、第８図は圧力、吊荷が
速度を制御量とした時のモータ斜板角の制御回路
図、第９図は実時間領域における解析結果を示す
線図である。 １０……交流電動機、１１……可変ポンプ、１
２……可変モータ、１３……ブレーキバルブ、１
４……ブースタポンプ、１５……レギユレータ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ポンプからの圧油によつて駆動される可変モ
   ータの斜板角を制御して可変モータの出力を制御
   する油圧式巻上装置を備え、 前記可変モータの出入口間の有効圧力差を求め
   る第１の検出手段を備え、前記可変モータの速度
   を検出する第２の検出手段を備え、 第１の検出手段の出力と目標値との差分を求
   め、該差分に第２の検出手段で検出した速度の微
   分値を負帰環させ、両者の差分を積分した値で前
   記斜板角を制御するように設けた制御回路を備え
   たこと を特徴とする油圧式巻上装置の制御装置。