JP7384025B2 - 懸架式クレーンの制御装置及びインバータ装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば港湾、製鉄所、各種工場等において使用される、トロリーを横行させて荷役作業を行う懸架式クレーンの制御装置、及び、この制御装置を含むインバータ装置に関し、詳しくは、トロリーからロープ、ワイヤ等の支持部材により懸架された吊り荷の振れを抑制しながら目標位置まで搬送するための制御技術に関するものである。

一般に、懸架式クレーンを用いた荷役作業では、吊り荷を短時間で目標位置へ正確に到達させると共に、理想的には、トロリーの加減速中や停止時における吊り荷の振れ角を零にする振れ止め制御を行うことが望ましい。
この種の振れ止め制御を行う従来技術として、近年では、以下に述べるようにコンピュータを用いた電気式振れ止め制御が採用されている。

電気式振れ止め制御には、トロリーの加減速終了時に吊り荷の振れを最小にする速度指令（速度パターン）を演算してトロリーを制御する第１の方式と、吊り荷の振れ角をトロリーの駆動系にフィードバックしてトロリーを制御する第２の方式とがある。

第１の方式による従来技術としては、例えば、特許文献１に記載された振れ止め制御装置が知られている。
図１１は、この振れ止め制御装置のブロック図であり、吊り荷１２４を支持するロープ１２３の長さｌ、後述するトロリー１２２の走行距離Ｌ、最大加速度α_ｍａｘ及び最大速度Ｖ_ｍａｘが走行条件として入力される入力装置１０１と、上記走行条件と所定の運動方程式、及び、境界条件や拘束条件を用いて複数の速度パターン１～Ｎを生成する速度パターン生成部１０２と、速度パターン１～Ｎに対応する吊り荷１２４（ロープ１２３）の振れ角演算値１～Ｎをそれぞれ生成する振れ角演算部１０５と、速度パターン生成部１０２から出力される加速度、加速度変化量、加速度切替時刻等と振れ角演算部１０５から出力される振れ角θ（振れ角演算値１～Ｎ）とに基づいて速度パターン１～Ｎを評価し、最小の振れ角θのもとで目標位置まで最短時間で到達可能な速度パターンを選択する評価基準演算部１０６と、評価基準演算部１０６から出力される選択信号により所定の速度パターンを選択する速度パターン選択部１０３と、選択した速度パターンに従って速度指令Ｖ_ｄを生成する速度指令発生部１０４と、速度指令Ｖ_ｄに従ってトロリー装置１２０を駆動する速度制御装置１１０と、を備えている。
ここで、速度制御装置１１０は、補償器１１１、増幅器１１２、電動機１１３及び速度検出器１１４を備え、トロリー装置１２０は、電動機１１３により駆動される歯車機構１２１、トロリー１２２、ロープ１２３及び吊り荷１２４からなっている。

図１１の振れ止め制御装置において、例えば速度パターン１～４には、図１２に示すように、加速区間と減速区間との間に定速区間（ｔ_１～ｔ_２）を有するシンプルな速度パターン１のほか、加速区間内、減速区間内に定速区間を設けた速度パターン２や、加速区間内、減速区間内で加減速を繰り返す速度パターン３，４がある。

次に、図１３は特許文献２に記載された振れ止め制御装置のブロック図であり、前述した第２の方式による従来技術に相当する。
図１３において、直線指令器２０１から出力されたランプ状の速度指令Ｎ_ＲＦ０がダンピング制御部２０２に入力され、速度指令補正信号Ｎ_ＲＦＤＦとの加算結果が最終的な速度指令Ｎ_ＲＦ２として出力される。この速度指令Ｎ_ＲＦ２と電動機の速度フィードバック信号Ｎ_ＭＦＢとの偏差をなくすように速度制御器２０３が動作してトルク指令Ｔ_ＲＦが生成され、トルク制御器２０４を介した電動機トルクＴ_Ｍと負荷モデル２０９からの負荷トルクＴ_Ｌとの偏差が電動機機械定数２０５により電動機速度Ｎ_Ｍに変換される。この電動機速度Ｎ_Ｍは、速度検出フィルタ２０６により前記速度フィードバック信号Ｎ_ＭＦＢに変換されると共に、振れ角モデル２０７に入力されて吊り荷の振れ角θが演算され，この振れ角θが負荷モデル２０９に入力される。

更に、上記の振れ角θは振れ角検出器２０８により振れ角信号θ_Ｅに変換され、ダンピング制御部２０２に入力されている。
ダンピング制御部２０２では、振れ角信号θ_Ｅとトロリーの走行速度Ｖ_Ｒ、固有角周波数ω_Ｅ、重力加速度ｇ、及びダンピング係数δを用いた演算結果を速度指令Ｎ_ＲＦ０から減算して速度指令Ｎ_ＲＦ１が求められる。この速度指令Ｎ_ＲＦ１と速度フィードバック信号Ｎ_ＭＦＢとの偏差を、振れ止め制御ゲインＧを含むＰＩ調節器に入力して速度指令補正信号Ｎ_ＲＦＤＦを求め、この補正信号Ｎ_ＲＦＤＦを速度指令Ｎ_ＲＦ０に加算することにより前述した速度指令Ｎ_ＲＦ２が演算される。上記の動作により、速度指令Ｎ_ＲＦ２は振れ角θ及びダンピング係数δに応じたダンピングがかかるため、これによって吊り荷の振れを抑制することができる。

また、第２の方式による従来技術として、特許文献３に記載された天井クレーン制御システムが知られている。
図１４は、この制御システムの主要部を示すブロック図である。
図１４において、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）３００内の制御演算部３０１は、吊り荷の速度目標値とモデル速度とに基づいて、トロリー及びその横行軌道を形成するガーダーの制御速度を演算してモデル演算部３０２及び実制御部３３０に出力する。モデル演算部３０２は、入力された制御速度と、ロータリエンコーダ３１０及びラインレーザ装置３２０による検出情報とに基づいて吊り荷等の動きをシミュレーションし、その結果として吊り荷のモデル速度を制御演算部３０１にフィードバックする。また、実制御部３３０では、制御演算部３０１が演算した制御速度に従って、トロリー駆動装置内のモータを駆動するためのインバータを運転する。なお、ロータリエンコーダ３１０は、吊り荷を支持するワイヤの巻き取り装置における回転変位等を検出し、ラインレーザ装置３２０は、ワイヤ（吊り荷）の振れ角、振れ周期、ワイヤの長さ等を検出するものである。

特公平２－４４７５７号公報（第２頁右欄第２３行～第３頁右欄第２４行、第２図，第３図等） 特開平８－２８７７号公報（［００３９］，［００４０］、図１等） 特開２０１８－２３９１号公報（［００２１］～［００２５］，［００４２］～［００４４］、図１～図４等）

図１１，図１２に示した従来技術は、いわゆるフィードフォワード制御によって振れ角θを決定すると共に、速度パターン１～Ｎの条件はロープ１２３の長さｌによって変化する固有振動数（振れ周期）に依存し、振れ角の初期値は零として考えられている。このため、トロリーの横行時に固有振動数が変化する場合には制御性能が低下してしまう。
また、図１３，図１４に示した従来技術では、一般的にデリケートで高価な光学式センサ（振れ角検出器２０８やラインレーザ装置３２０）により検出した振れ角や振れ角速度、振れ周期等を用いるフィードバック制御を行っており、外乱に対しては強いがシステム全体が高価なものとなる。特に、振れ止め制御を行うための演算が複雑であり、ＤＳＰ等の高価な演算装置を必要とするという問題があった。

そこで、本発明の解決課題は、比較的安価なＰＬＣ（Programmable Logic Controller）等の演算装置を用いたシミュレーションによって振れ止め制御を実現し、既設の簡易的なクレーンシステムへの適用を可能にした懸架式クレーンの制御装置及びこの制御装置を含むインバータ装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１に係る懸架式クレーンの制御装置は、
トロリーから支持部材を介して懸架された吊り荷を、可動部としての前記トロリーまたはその横行軌道となるガーダーを駆動することにより搬送する懸架式クレーンの制御装置において、
前記可動部に対する速度指令、前記支持部材の長さ、速度応答時定数、及び重力加速度を用いて、前記吊り荷の振れ角推定値及び前記可動部の速度推定値を模擬演算するクレーンシミュレータ部と、
前記可動部に対する速度指令、前記振れ角推定値、前記速度推定値、前記吊り荷の固有角周波数、及びダンピング係数を用いて、前記吊り荷の振れを抑制するための速度補正信号を生成する振れ止め制御部と、
前記速度補正信号により前記速度指令を補正して出力する補正手段と、
を備え、
前記補正手段から出力された補正後の前記速度指令に基づいて前記可動部を駆動することを特徴とする。

請求項２に係る懸架式クレーンの制御装置は、請求項１に記載した懸架式クレーンの制御装置において、
前記クレーンシミュレータ部は、
前記可動部に対する速度指令から前記速度推定値を生成する一次遅れ要素と、
前記速度推定値を積分して得た距離推定値から前記吊り荷の振幅を演算する振動モデルと、
前記振幅を前記振れ角推定値に変換する振れ角変換要素と、
を備えたことを特徴とする。

請求項３に係るインバータ装置は、
請求項１または２に記載した懸架式クレーンの制御装置と、
前記補正手段から出力された前記速度指令に基づいてトルク指令を生成する速度調節手段と、
前記トルク指令に基づいて前記可動部の駆動装置に電力を供給するためのインバータ制御部及び主回路と、
を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、高価な光学式センサを用いて吊り荷の振れ角を検出する必要もなく、トロリー等の可動部に対する速度指令とロープ等の支持部材の長さを用いた簡易なシミュレーションによって速度指令を補正することにより吊り荷の振れを抑制可能な制御装置及びインバータ装置を実現することができる。

本発明の実施形態が適用される懸架式クレーンシステムの概略的な構成図である。 図１の等価的なクレーンモデルを示す図である。 図２に相当する簡易クレーンモデルのブロック図である。 図３の簡易クレーンモデルを等価変換したクレーンシミュレータ部のブロック図である。 本発明の実施形態に係るインバータ装置のブロック図である。 本発明の実施形態によるシミュレーション条件の説明図である。 本発明の実施形態により、ロープ長を一定とした場合のシミュレーション結果を示す波形図である。 本発明の実施形態により、ロープ長を徐々に伸ばしていった場合のシミュレーション結果を示す波形図である。 摩擦を考慮した実クレーンモデルのブロック図である。 実クレーンモデル側の摩擦分を無視した場合における、本発明の実施形態によるシミュレーション結果を示す波形図である。 特許文献１に係る振れ止め制御装置のブロック図である。 特許文献１におけるトロリーの速度パターンを示す図である。 特許文献２に係る振れ止め制御装置のブロック図である。 特許文献３に係る天井クレーン制御システムの主要部を示すブロック図である。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図１は、この実施形態が適用される懸架式クレーンシステムの概略的な構成図である。
図１において、トロリー１は、トロリー駆動装置６によりガーダー２上の横行軌道を移動可能であり、また、トロリー１からロープやワイヤ等の支持部材（以下では、支持部材がロープであるとする）３により懸架された吊り荷４は、ホイスト駆動装置５によって巻き上げ・巻き下げが可能になっている。ここで、ホイスト駆動装置５及びトロリー駆動装置６は何れもモータを備えており、これらのモータはインバータ装置１０によって運転されるものである。
なお、ガーダー２は、図示されていない別の駆動装置によって紙面に直交する方向に移動可能である。

図１のクレーンシステムをこれと等価的なクレーンモデルによって表すと、図２のようになる。
図２において、Ｍはトロリー１の重量、ｍはフック等を含む吊り荷４の重量、ｌはロープ３の長さ、θは吊り荷４（ロープ３）の振れ角である。また、ｘは０点を基準位置としたトロリー１の移動距離、ｙは同じく０点を基準位置とした吊り荷４の移動距離であり、トロリー１に対する吊り荷４の相対的な移動距離、すなわち吊り荷４の振幅は（ｙ－ｘ）によって表される。
更に、ｆはトロリー１に働く駆動力、ｄは駆動力ｆを妨げる方向に働く外乱力を示す。

トロリー１の位置が吊り荷４の振れによって影響を受けず、トロリー１の重量Ｍと吊り荷４の重量ｍとを無視するものとし、トロリー駆動装置６に与えられる速度指令からトロリー１の実際の速度までの速度応答を一次遅れ系として近似すると、図２のクレーンモデルは図３の簡易クレーンモデル１１によって表すことができる。
図３の簡易クレーンモデル１１において、ｎ_ｒはトロリー駆動装置６に与えられる速度指令、１１ａは距離演算モデル、１１ｂは単振り子の振動モデル、１１ｃは減算手段、１１ｄは振れ角変換要素であり、Ｔは速度応答時定数、ｋは速度から移動距離への変換係数、ｇは重力加速度、ｌは前述したロープ３の長さ、ｓはラプラス演算子である。上記の振動モデル１１ｂについては、例えば特開２００６－２２５１３８号の段落［００４６］に記載された［数２］に基づいて導くことができる。
ここで、速度指令ｎ_ｒはトロリー１を横行させるための直線速度、あるいは、トロリー駆動装置６内のモータの回転速度の何れかについての指令であればよい。

上述した簡易クレーンモデル１１によれば、減算手段１１ｃにより振動モデル１１ｂの出力ｙと距離演算モデル１１ａの出力ｘとの差、すなわち吊り荷４の振幅（ｙ－ｘ）が求められ、この振幅（ｙ－ｘ）を振れ角変換モデル１１ｄによって振れ角θに変換することができる。

更に、図３の簡易クレーンモデル１１に対し、速度推定値ｎ_ｓｉｍ及び振れ角推定値θ_ｓｉｍを取り出すための等価変換を行うと図４のクレーンシミュレータ部１１Ａが得られる。このクレーンシミュレータ部１１Ａは、速度指令ｎ_ｒ（または補正後の速度指令ｎ_ｒ’）とロープ３の長さｌ等を用いたシミュレーションによって速度推定値ｎ_ｓｉｍ及び振れ角推定値θ_ｓｉｍを模擬演算する機能を有している。

すなわち、クレーンシミュレータ部１１Ａにおいて、速度指令ｎ_ｒは一次遅れ要素１１ｅにより速度推定値ｎ_ｓｉｍに変換されて出力される。また、速度推定値ｎ_ｓｉｍは積分要素１１ｆに入力されて距離推定値ｘ_ｓｉｍが演算され、この距離推定値ｘ_ｓｉｍは振動モデル１１ｂに入力されて距離推定値ｙ_ｓｉｍが演算される。そして、減算手段１１ｃにより、距離推定値ｙ_ｓｉｍと距離推定値ｘ_ｓｉｍとの差、つまり振幅推定値（ｙ_ｓｉｍ－ｘ_ｓｉｍ）が求められ、この振幅推定値（ｙ_ｓｉｍ－ｘ_ｓｉｍ）が振れ角変換モデル１１ｄにより振れ角推定値θ_ｓｉｍに変換される。

次に、図５は、上記クレーンシミュレータ部１１Ａを備えたインバータ装置１０のブロック図である。
このインバータ装置１０は、クレーンシミュレータ部１１Ａ及び後述する振れ止め制御部１２等を含むシミュレータ装置１４と、このシミュレータ装置１４から出力される速度指令ｎ_ｒ’からトルク指令等を演算する速度調節部（ＡＳＲ）１５と、ＡＳＲ１５の出力に基づいて生成した制御パルスにより半導体スイッチング素子をオン／オフさせるインバータ制御部及び主回路１６と、備えている。

上記のシミュレータ装置１４は、例えば、ＰＬＣ等のハードウェア、及びこれに実装されたプログラムによって実現されるものである。
クレーンシミュレータ部１１Ａから出力された振れ角推定値θ_ｓｉｍ及び速度推定値ｎ_ｓｉｍは、振れ止め制御部１２に入力されている。振れ角推定値θ_ｓｉｍは、ダンピング演算部１２ａ（ω：固有角周波数＝√（ｇ／ｌ），σ：ダンピング係数）に入力され、速度変化率制限器（ＨＬＲ）１７からの速度指令ｎ_ｒとダンピング演算部１２ａの出力との差が減算手段１２ｂにより求められる。更に、減算手段１２ｂの出力と速度推定値ｎ_ｓｉｍとの差が減算手段１２ｃにより求められ、その結果に振れ止め制御ゲインＧ_１を乗算することにより速度補正信号ｎ_ｃｏｍｐが演算される。この速度補正信号ｎ_ｃｏｍｐは加算手段１３により速度指令ｎ_ｒと加算されて最終的な速度指令ｎ_ｒ’となり、この速度指令ｎ_ｒ’に基づいて速度調節部１５とインバータ制御部及び主回路１６とを制御することにより、トロリー駆動装置６を介して実機のトロリー１が駆動される。

以上のように、クレーンシミュレータ部１１Ａにおいては、速度指令ｎ_ｒ（またはｎ_ｒ’）及びロープ長ｌが与えられれば、これらと速度応答時定数Ｔ，変換係数ｋ、重力加速度ｇを用いたシミュレーションにより振れ角推定値θ_ｓｉｍ及び速度推定値ｎ_ｓｉｍを求めることができる。そして、振れ止め制御部１２では、上記の振れ角推定値θ_ｓｉｍ及び速度推定値ｎ_ｓｉｍ、並びに、ダンピング係数σ、固有角周波数ω、振れ止め制御ゲインＧ_１を用いた演算により速度補正信号ｎ_ｃｏｍｐを求めることができ、この速度補正信号ｎ_ｃｏｍｐにより補正されたダンピング制御用の速度指令ｎ_ｒ’に従ってトロリー１を駆動することにより、吊り荷４の振れを抑制しながら搬送することが可能になる。

ここで、発明者は、本実施形態による効果を確認するために、ロープ長ｌを一定（ｌ＝１５［ｍ］）とした図６の条件のもとでシミュレーションを行った。また、ダンピング係数σ、振れ止め制御ゲインＧ_１については、遅れなく理想的に働くものと仮定してσ＝０．５５，Ｇ_１＝０．５５とし、速度応答時定数Ｔは機械や速度調節部１５のゲインにより変化するが、Ｔ＝５０［ｍｓ］と仮定した。

なお、図６のシミュレーション条件における「ガーダー部」の重量Ｍ’は、図１のトロリー１とガーダー２とを含む可動部全体の重量である。すなわち、このシミュレーションは、トロリー１及びガーダー２を一体的な「ガーダー部」としてとらえ、この「ガーダー部」を図１の紙面に直交する方向に駆動する場合を想定しているが、振れ止め制御の原理としては前述したトロリー１の駆動時と同様であり、図５におけるインバータ装置１０の出力をガーダー部駆動装置に与えた場合に相当している。

図７は、上記の条件に基づくシミュレーション結果を示す波形図であり、ガーダー部速度（図５におけるｎ_ｒ及びｎ_ｒ’に相当）、ガーダー部駆動装置のモータトルク、吊り荷４の振れ角θ、及びクレーンシミュレータ部１１Ａによる振れ角推定値θ_ｓｉｍを示している。
図７によれば、振れ角θとほぼ一致する振れ角推定値θ_ｓｉｍが得られており、この振れ角推定値θ_ｓｉｍに基づく補正後の速度指令ｎ_ｒ’を用いて運転することにより、振れ止めが可能であることがわかる。

次に、ロープ長ｌを１５［ｍ］から０．０５［ｍ／ｓ］ごとに伸ばしていった場合の各波形を図８に示す。
この図８によると、振れ角θにおいて約３５［ｓ］以降に残留振れが存在することが確認された。この残留振れは、図９に示すように、実クレーンモデルでは、静摩擦２２と動摩擦２３とを加算してトルク（推力）にフィードバックすることで摩擦成分（機械的ロス）が考慮されているためと考えられる。なお、図９において、２０は摩擦モデル、２１は符号関数、３０はトロリー及びガーダーを含むガーダー部モデル、４０はロープ及び吊り荷を含む吊り荷モデルである。
そこで、実クレーンモデル側の摩擦成分を無視してシミュレーションを行った結果、図１０のような波形が得られた。この図１０によれば、図８において存在した残留振れがほぼなくなっており、吊り荷の振れがゼロに収束していることがわかる。

なお、図５に示した如く、シミュレータ装置１４、速度調節部１５、インバータ制御部及び主回路１６をインバータ装置１０に内蔵することにより、単体の懸架式クレーン制御用インバータ装置を構成することが可能であり、装置の設置スペースや設置環境の点で制約を受け易い作業現場における導入が容易になる。

以上説明したように本実施形態においては、簡易クレーンモデルに基づく比較的簡単な構成のシミュレータ装置に対して、懸架式クレーンシステムにおけるトロリーやガーダーからなる可動部に対する速度指令と、吊り荷の支持部材（ロープやワイヤー等）の長さとを、所定の定数や係数と共に与えてシミュレーションを行うことにより、可動部の速度推定値及び吊り荷の振れ角推定値を得ることができる。そして、これらの推定値に基づいて補正した速度指令を用いて可動部の速度を制御することにより、高価な光学式センサ等による振れ角検出値を必要とせずに吊り荷の振れ止め制御を実現できると共に、既設の簡易的なクレーンシステムへの適用も容易で安価な制御装置を提供することができる。

更に、前記シミュレータ装置と、可動部駆動用のモータを運転するための速度調節部と、インバータ制御部及び主回路とをまとめて単体のインバータ装置を構成すれば、各装置や回路等をそれぞれ単独で構成する場合に比べて装置全体の小型化、低コスト化が可能になる。

１： トロリー
２：ガーダー
３：支持部材（ロープまたはワイヤ）
４：吊り荷
５：ホイスト駆動装置
６：トロリー駆動装置
１０： インバータ装置
１１：簡易クレーンモデル
１１Ａ：クレーンシミュレータ部
１１ａ：距離演算モデル
１１ｂ：振動モデル
１１ｃ：減算手段
１１ｄ：振れ角変換要素
１１ｅ：一次遅れ要素
１１ｆ：積分要素
１２：振れ止め制御部
１２ａ：ダンピング演算部
１２ｂ，１２ｃ：減算手段
１３： 加算手段
１４：シミュレータ装置
１５：速度調節部（ＡＳＲ）
１６：インバータ制御部及び主回路
１７：速度変化率制限器（ＨＬＲ）
２０：摩擦モデル
２１：符号関数
２２：静摩擦
２３：動摩擦
３０：ガーダー部モデル
４０：吊り荷モデル

Claims (3)

1. トロリーから支持部材を介して懸架された吊り荷を、可動部としての前記トロリーまたはその横行軌道となるガーダーを駆動することにより搬送する懸架式クレーンの制御装置において、
   前記可動部に対する速度指令、前記支持部材の長さ、速度応答時定数、及び重力加速度を用いて、前記吊り荷の振れ角推定値及び前記可動部の速度推定値を模擬演算するクレーンシミュレータ部と、
   前記可動部に対する速度指令、前記振れ角推定値、前記速度推定値、前記吊り荷の固有角周波数、及びダンピング係数を用いて、前記吊り荷の振れを抑制するための速度補正信号を生成する振れ止め制御部と、
   前記速度補正信号により前記速度指令を補正して出力する補正手段と、
   を備え、
   前記補正手段から出力された補正後の前記速度指令に基づいて前記可動部を駆動することを特徴とする懸架式クレーンの制御装置。
2. 請求項１に記載した懸架式クレーンの制御装置において、
   前記クレーンシミュレータ部は、
   前記可動部に対する速度指令から前記速度推定値を生成する一次遅れ要素と、
   前記速度推定値を積分して得た距離推定値から前記吊り荷の振幅を演算する振動モデルと、
   前記振幅を前記振れ角推定値に変換する振れ角変換要素と、
   を備えたことを特徴とする懸架式クレーンの制御装置。
3. 請求項１または２に記載した懸架式クレーンの制御装置と、
   前記補正手段から出力された前記速度指令に基づいてトルク指令を生成する速度調節手段と、
   前記トルク指令に基づいて前記可動部の駆動装置に電力を供給するためのインバータ制御部及び主回路と、
   を備えたことを特徴とするインバータ装置。

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