JP2018002477A - 荷重検出装置及びそれを備えるクレーンの巻上装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】出力トルク推定部151は、電動機13に入力される電流値を電力変換器14から取得し、取得した電流値から電動機13の出力トルクの推定値である出力トルク推定値を算出する。荷重推定部152は、出力トルク推定部151により算出された出力トルク推定値と、減速機12の減速比と、ウインチドラムの有効半径と、本数設定部153により設定された掛け本数とに基づいて、吊荷17の荷重値を推定する。
【選択図】図1
Description
前記ウインチドラムを巻下又は巻上駆動させる電動機と、
前記電動機のトルクを所定の減速比で調整して前記ウインチドラムに伝達する減速機と、
前記電動機を駆動させるための電流を前記電動機に供給する電力変換器とを備えるクレーンにおいて、前記吊荷の荷重を検出する荷重検出装置であって、
前記電動機に供給される電流値を前記電力変換器から取得し、前記取得した電流値から前記電動機の出力トルクを推定する出力トルク推定部と、
前記ワイヤーロープの掛け本数を設定する本数設定部と、
前記出力トルク推定部により推定された出力トルク推定値と、前記減速比と、前記ウインチドラムの有効半径と、前記本数設定部により設定された掛け本数とに基づいて、吊荷の荷重値を推定する荷重推定部とを備える。
前記電動機に供給される電流値及び電圧値と前記電動機の回転速度とを前記電圧変換器から取得する取得部と、
前記取得された電流値及び電圧値と予め定められた前記電動機の効率とを用いて前記電動機の損失を算出する損失算出部と、
前記電動機の鉄損及び銅損の和で前記電動機の損失が表された損失方程式と、前記取得された電流値及び電圧値と、前記算出された損失とに基づいて前記鉄損電流を算出する鉄損電流算出部と、
前記取得された電流値から前記算出された鉄損電流を減じることでトルクに寄与しない電流値が前記取得された電流値から除去された補正電流値を算出し、前記算出した補正電流値に基づいて前記出力トルク推定値を決定するトルク決定部とを備えることが好ましい。
前記損失算出部は、前記電動機に供給される電流値及び前記回転速度の少なくとも一方と前記電動機の効率との関係を予め示す効率マップを備え、前記効率マップを用いて前記取得された回転速度及び電流値の少なくとも一方に対する前記電動機の効率を決定し、前記決定した電動機の効率を用いて前記電動機の損失を算出することが好ましい。
図1は、本発明の実施の形態1に係るクレーンの巻上装置1の構成を示すブロック図である。巻上装置1は、クレーンに適用され、ウインチドラム11、減速機12、電動機13、電力変換器14、荷重検出装置15、ワイヤーロープ16、及び操作レバー19を備える。
出力トルク推定部151は、電力変換器14から電動機13に供給される電流値を取得し、出力トルク推定値を算出する。例えば、電動機13がブラシレスモータで構成されるのであれば、電動機13は図2に示す構成を用いてベクトル制御されるのが一般的である。そこで、本実施の形態は電動機13をベクトル制御するがこれは一例である。
ここで、式(1)の括弧内において、第1項はマグネットトルクを示し、第2項はリラクタンストルクを示す。また、式(1)において、極対数Pnと、鎖交磁束Ψaと、d軸インダクタンスLdと、q軸インダクタンスLqとは電動機13の仕様によって予め定められた値が採用される。
荷重推定部152は、ステップS201で算出された出力トルク推定値Tqから、トルクを力に変換するための数式である式(2)を用いて、ワイヤーロープ16の張力を算出する。
ここでは、式(2)を用いて張力は算出されたが、本発明はこれに限定されず、出力トルク推定値Tqを張力に変換する数式であればどのような数式が用いられてもよい。
荷重推定部152は、式(2)で求めたワイヤーロープ16の張力を重力加速度で割る式(3)を用いて、吊荷17の質量を求める。
ここでは、式(3)を用いて吊荷の質量は算出されているが、本発明はこれに限定されず、張力を吊荷の質量に変換できる数式であれば他の数式が用いられてもよい。
実施の形態1の手法は、吊荷17の静止状態では、電動機13の出力トルク推定値Tqから精度良く吊荷17の荷重値を算出できる。しかし、例えば、加速又は減速させながら吊荷17を巻上又は巻下げる場合には、吊荷17と、ウインチドラム11と、電動機13との慣性力の影響により出力トルク推定値Tqが増減する。
なお、式(4)−bは、吊荷17と、ウインチドラム11と、電動機13とからなる系の運動方程式(4)−aから導出されたものである。
出力トルク推定部151は、ステップS201と同様、式(1)を用いて出力トルク推定値Tqを算出する。
荷重推定部152は、電力変換器14から取得した回転角度検出値θを微分し、角加速度を算出する。
荷重推定部152は、ステップS701で算出した出力トルク推定値Tqと、ステップS702で算出した角加速度とを式(4)−bに代入し、吊荷17の荷重値を算出する。
なお、一定速度で巻上げ又は巻下げを行う場合でも、巻上装置1の機械的損失の作用により、電動機13の回転速度に応じた損失である粘性損失が生じ、電動機13の出力トルク推定値Tqが増加するおそれがある。
式(4)−b’は、式(4)−a’に示す運動方程式から導出されたものである。式(4)−a’の左辺の第2項のc・dθ/dtは第2増減量に相当し、回転速度検出値に比例する。
実施の形態1、2では、電動機13の出力トルク推定値Tqを算出する際、式(1)が用いていたが、式(1)に示す特性パラメータであるq軸インダクタンスLqと鎖交磁束Ψaとは、電流値に応じて非線形に変化する特性を持つ。
。
ここで、d軸電流idはd軸電流検出値Idと同じであり、q軸電流iqはq軸電流検出値Iqと同じである。
そこで、出力トルク推定部151は、電流値が定常条件を満たす場合において、電動機13の実際の駆動データとして、d軸電流idと、q軸電流iqと、d軸電圧指令値vdと、q軸電圧指令値vqと、電動機13の回転角度検出値θとを用いて、上記の式(6)、(7)の計算を行うことで、特性パラメータであるq軸インダクタンスLqと、鎖交磁束Ψaとを算出する。
出力トルク推定部151は、目標速度を設定し、設定した目標速度で電力変換器14を駆動する。ここで、目標速度としては、対応情報を作成する上で好ましい事前に設定された速度が採用できる。
出力トルク推定部151は、d軸電流検出値Idの時間微分値とq軸電流検出値Iqの時間微分値とが閾値以内になっていることを検出する。そして、出力トルク推定部151は、d軸電流検出値Idとq軸電流検出値Iqとd軸電圧指令値vdとq軸電圧指令値vqと電動機13の回転角速度とからなる駆動データを図略のメモリに記憶する。
出力トルク推定部151は、ステップS1502で記憶した駆動データ(d軸電流検出値Idとq軸電流検出値Iqとd軸電圧指令値vdとq軸電圧指令値vqと電動機13の回転速度と)を、式(6)、(7)に代入し、q軸インダクタンスLqと鎖交磁束Ψaとを算出する。
出力トルク推定部151は、ステップS1502で記憶した駆動データに対応付けてステップS1503で算出したq軸インダクタンスLqと鎖交磁束Ψaとをメモリに記憶する。これにより、対応情報に、駆動データと特性パラメータとが対応付けられた1セットのデータが追加される。
出力トルク推定部151は、現在取り付けられている吊荷17の荷重値が最大の荷重値の吊荷17でなければ、(ステップS1505でNO)、吊荷17の荷重値を増大させる(ステップS1506)。ここでは、作業員が現在取り付けられている吊荷17に対して次に荷重値の高い吊荷17をワイヤーロープ16に取り付けることで、吊荷17の荷重値が増大される。
実施の形態4に係るクレーンの巻上装置1は、電動機13のトルクに寄与しない鉄損電流を電動機13に供給される電流値から差し引くことで補正電流値を算出し、算出した補正電流値を用いて出力トルク推定値Tqを算出するものである。なお、本実施の形態において、実施の形態1〜3と同一の構成要素には同一の符号を付し、説明を省く。
式(9)において、q軸電圧指令値vqは電力変換器14の電流制御器144で算出された値が採用でき、q軸電流は電力変換器14のuvw/dq変換器146で算出されたq軸電流検出値Iqが採用できる。損失Wlossは未知であるが、電動機13の効率ηが分かっていれば、下記の式(10)で求めることができる。
実施の形態4では図18に示す効率マップM1800を用いて効率ηが決定されているが、実施の形態4の変形例では図20に示す効率マップM1801を用いて効率ηが決定されている。
効率マップM1800では、q軸電流iqに対する効率ηが記憶されているが、q軸電流iqに代えて回転速度検出値ωに対する効率ηが記憶されていてもよい。
A2 鎖交磁束対応情報
Tq 出力トルク推定値
1 巻上装置
11 ウインチドラム
12 減速機
13 電動機
13a 回転軸
13u,13v,13w 電流センサ
14 電力変換器
15 荷重検出装置
16 ワイヤーロープ
17 吊荷
18 ブーム
19 操作レバー
131 エンコーダ
141 速度制御器
142 電流ベクトル変換器
143 電流制御器
144 電流制御器
145 dq/uvw変換器
146 uvw/dq変換器
147 速度設定部
148 速度計算部
149 インバータ
151 出力トルク推定部
151a メモリ
151b トルク算出部
152 荷重推定部
153 本数設定部
201 取得部
202 損失算出部
203 鉄損電流算出部
204 トルク決定部
M1800,M1801 効率マップ
Claims (10)
- 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機と、
前記電動機のトルクを所定の減速比で調整して前記ウインチドラムに伝達する減速機と、
前記電動機を駆動させるための電流を前記電動機に供給する電力変換器とを備えるクレーンにおいて、前記吊荷の荷重を検出する荷重検出装置であって、
前記電動機に供給される電流値を前記電力変換器から取得し、前記取得した電流値から前記電動機の出力トルクを推定する出力トルク推定部と、
前記ワイヤーロープの掛け本数を設定する本数設定部と、
前記出力トルク推定部により推定された出力トルク推定値と、前記減速比と、前記ウインチドラムの有効半径と、前記本数設定部により設定された掛け本数とに基づいて、吊荷の荷重値を推定する荷重推定部とを備える荷重検出装置。 - 前記荷重推定部は、前記電力変換器から前記電動機の回転角度を取得し、前記取得した回転角度に基づいて、巻上時又は巻下時における、前記吊荷と前記ウインチドラムと前記電動機との慣性力に伴う前記出力トルク推定値の増減量である第1増減量を算出し、前記第1増減量が補償されるように前記出力トルク推定値を補正し、前記補正した出力トルク推定値を用いて前記吊荷の荷重値を推定する請求項1に記載の荷重検出装置。
- 前記荷重推定部は、前記電力変換器から前記電動機の回転速度を取得し、前記取得した回転速度に応じた粘性損失に伴う前記出力トルク推定値の増減量である第2増減量を算出し、前記第1増減量及び前記第2増減量が補償されるように前記出力トルク推定値を補正する請求項2記載の荷重検出装置。
- 前記出力トルク推定部は、前記電力変換器から取得した電流値の変化量が所定の基準変化量より小さいという条件を満たす場合、前記取得した前記電流値に応じた、前記電動機の特性を示す特性パラメータを算出し、前記算出した特性パラメータと前記電力変換器から取得した電流値とを用いて、前記出力トルク推定値を算出する請求項1〜3のいずれかに記載の荷重検出装置。
- 前記出力トルク推定部は、前記取得した電流値が前記条件を満たす場合において、前記取得した電流値に応じた前記特性パラメータを算出する処理を、一定の目標速度の下、前記吊荷の荷重値を変更させながら繰り返し実行し、前記電流値と前記特性パラメータとの対応関係を示す対応情報を生成し、現在の電流値に対応する特性パラメータを前記対応情報を参照することで決定し、前記決定した特性パラメータを用いて、前記出力トルク推定値を算出する請求項4記載の荷重検出装置。
- 前記特性パラメータは、前記電動機の鎖交磁束とインダクタンスとを含む請求項4記載の荷重検出装置。
- 出力トルク推定部は、
前記電動機に供給される電流値及び電圧値を前記電圧変換器から取得する取得部と、
前記取得された電流値及び電圧値と予め定められた前記電動機の効率とを用いて前記電動機の損失を算出する損失算出部と、
前記電動機の鉄損及び銅損の和で前記電動機の損失が表された損失方程式と、前記取得された電流値及び電圧値と、前記算出された損失とに基づいて前記鉄損電流を算出する鉄損電流算出部と、
前記取得された電流値から前記算出された鉄損電流を減じることでトルクに寄与しない電流値が前記取得された電流値から除去された補正電流値を算出し、前記算出した補正電流値に基づいて前記出力トルク推定値を決定するトルク決定部とを備える請求項1〜3のいずれかに記載の荷重検出装置。 - 前記取得部は、前記電動機の回転速度を前記電力変換器から更に取得し、
前記損失算出部は、前記電動機に供給される電流値及び前記回転速度の少なくとも一方と前記電動機の効率との関係を予め示す効率マップを備え、前記効率マップを用いて前記取得された回転速度及び電流値の少なくとも一方に対する前記電動機の効率を決定し、前記決定した電動機の効率を用いて前記電動機の損失を算出する請求項8記載の荷重検出装置。 - 請求項1〜9のいずれかに記載の荷重検出装置を備えるクレーンの巻上装置。
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