JP2014084195A - 作業機械用電動アクチュエータの制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】作業機械の作業状態によらず電動アクチュエータの適切な応答を実現できる作業機械用電動アクチュエータの制御装置を提供する。
【解決手段】電動アクチュエータ１１の駆動速度を測定する速度センサ１１ｓと、電動アクチュエータ１１の目標駆動速度v_oと速度センサ１１ｓの測定値vとの偏差eに比例ゲインKpを乗算して電動アクチュエータ１１に出力する比例部２２と、偏差eに積分ゲインKiを乗算して電動アクチュエータ１１に出力する積分部２３と、作業機械の作業状態に応じて積分ゲインKiを調整するゲイン調整手段３１とを備える作業機械用電動アクチュエータの制御装置Ａ。作業機械の作業状態に応じて積分ゲインKiを調整するので、作業機械の作業状態によらず電動アクチュエータ１１の適切な応答を実現できる。そのため、作業機械の操作性が向上する。
【選択図】図１

Description

本発明は、作業機械用電動アクチュエータの制御装置に関する。さらに詳しくは、例えば、移動式クレーンのブームを旋回させる電動モータの駆動速度を制御する作業機械用電動アクチュエータの制御装置に関する。

一般に、移動式クレーンは、走行車体に旋回台を搭載し、その旋回台に伸縮可能なブームを起伏自在に取り付けた構造である。ブームの先端からはフックを備えたワイヤロープが吊り下げられ、そのワイヤロープはウィンチに巻き取られている。そして、ブームの旋回やウィンチの回転には油圧モータが用いられ、ブームの伸縮や起伏には油圧シリンダが用いられる。
移動式クレーンをはじめとする作業機械の駆動部を駆動するアクチュエータとしては、専ら油圧アクチュエータが用いられている。例えば、リフティングマグネット作業機の旋回体を旋回駆動するために電動モータを用いることが知られているが（例えば、特許文献１）、電動アクチュエータを用いるのはこのような特殊な用途に限られている。

一方、電動アクチュエータの制御としてＰＩ制御やＰＩＤ制御が知られている。これらの制御は、比例ゲイン、積分ゲイン、微分ゲインを調整することで、電動アクチュエータの適切な応答を実現できることが知られている。

特開２０１１−２３６０１３号公報

本願発明者は、移動式クレーンにおいてブームの旋回を電動モータで行うことを試みたところ、ＰＩ制御の比例ゲインおよび積分ゲインを一定に固定した場合では、ブームの姿勢によって振動や停止流れが生じるという知見を得た。これは、ブームを全縮、起立させた場合の慣性モーメントと、ブームを全伸、倒伏させた場合の慣性モーメントは大きく異なり、旋回時に電動モータにかかる負荷が大きく異なるため、一定のゲインでは適切な応答ができないためである。

本発明は上記事情に鑑み、作業機械の作業状態によらず電動アクチュエータの適切な応答を実現できる作業機械用電動アクチュエータの制御装置を提供することを目的とする。

第１発明の作業機械用電動アクチュエータの制御装置は、作業機械を駆動させる電動アクチュエータの駆動速度を制御する制御装置であって、前記電動アクチュエータの駆動速度を測定する速度センサと、前記電動アクチュエータの目標駆動速度と前記速度センサの測定値との偏差に、比例ゲインを乗算して、前記電動アクチュエータに出力する比例部と、前記作業機械の作業状態に応じて、前記比例ゲインを調整するゲイン調整手段と、を備えることを特徴とする。
第２発明の作業機械用電動アクチュエータの制御装置は、第１発明において、前記偏差に積分ゲインを乗算して、前記電動アクチュエータに出力する積分部を備え、前記ゲイン調整手段は、前記作業機械の作業状態に応じて、前記比例ゲインおよび／または前記積分ゲインを調整することを特徴とする。
第３発明の作業機械用電動アクチュエータの制御装置は、第２発明において、前記偏差に微分ゲインを乗算して、前記電動アクチュエータに出力する微分部を備え、前記ゲイン調整手段は、前記作業機械の作業状態に応じて、前記比例ゲイン、前記積分ゲインおよび前記微分ゲインのうちの一または複数を調整することを特徴とする。
第４発明の作業機械用電動アクチュエータの制御装置は、第１、第２または第３発明において、前記作業機械は、ブームが取り付けられた旋回台を有する移動式クレーンであり、前記電動アクチュエータは、前記旋回台を旋回駆動させる電動モータであることを特徴とする。

第１発明によれば、作業機械の作業状態に応じて比例ゲインを調整するので、作業機械の作業状態によらず電動アクチュエータの適切な応答を実現できる。そのため、作業機械の操作性が向上する。
第２発明によれば、作業機械の作業状態に応じて比例ゲインおよび／または積分ゲインを調整するので、作業機械の作業状態によらず電動アクチュエータの適切な応答を実現できる。そのため、作業機械の操作性が向上する。
第３発明によれば、作業機械の作業状態に応じて比例ゲイン、積分ゲインおよび微分ゲインのうちの一または複数を調整するので、作業機械の作業状態によらず電動アクチュエータの適切な応答を実現できる。そのため、作業機械の操作性が向上する。
第４発明によれば、ブームの起伏、伸縮、吊下荷重によらず電動モータの適切な応答を実現できる。そのため、ブームの旋回時に振動や停止流れが生じず、操作性が向上する。

本発明の第１実施形態に係る作業機械用電動アクチュエータの制御装置のブロック線図である。 移動式クレーンの作業状態の説明図である。 本発明の第２実施形態に係る作業機械用電動アクチュエータの制御装置のブロック線図である。 本発明の第３実施形態に係る作業機械用電動アクチュエータの制御装置のブロック線図である。 移動式クレーンの側面図である。

つぎに、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。
本発明に係る作業機械用電動アクチュエータの制御装置は、クレーンや高所作業車などの作業機械のうち、駆動部の一部または全部が電動モータや電動シリンダなどの電動アクチュエータで駆動されるあらゆる作業機械に用いられる。特に、作業機械の作業状態によって負荷が大きく異なる電動アクチュエータの制御に用いられる。

本発明に係る制御装置が用いられる作業機械として移動式クレーンを例に、その基本的構造を説明する。図５において、符号100は移動式クレーンである。符号101は公知の走行車体であり、この走行車体101には走行のための原動機や車輪の外、クレーン作業中の安定を確保するアウトリガ102が設けられている。走行車体101の上面には旋回台103が搭載され、旋回台103を旋回駆動させる旋回モータ１１により水平面内で360°旋回できるようになっている。

旋回台103にはブーム104が起伏自在に取り付けられている。ブーム104は、基端側の主ブーム104Aと、この主ブーム104Aにテレスコープ式に嵌挿した複数段の副ブーム104B、104Cからなる。図示の例では、副ブーム104B、104Cは２本であるが、１本以下でもよく３本以上でもよい。各副ブーム104B、104Cの伸縮動作は図示しない伸縮シリンダで行われる。

主ブーム104Aの基端部はピン105で旋回台103に枢支され、主ブーム104Aと旋回台103との間には起伏シリンダ１２が取付けられている。この起伏シリンダ１２を伸長させるとブーム104が起立し、起伏シリンダ１２を収縮させるとブーム104が倒伏する。

ブーム104の先端、つまり副ブーム104Cの先端に形成されているブームヘッド104Dからは、フック106を備えたワイヤロープ107が吊り下げられ、そのワイヤロープ107はブーム104に沿ってブーム104の根本に導かれてウィンチ108に巻き取られている。ウィンチ108には、図示しないホイストモータが設けられており、ホイストモータの駆動によりウィンチ108を回転させて、ワイヤロープ107の巻き取り、繰り出しを行うことで、フック106を昇降させることができる。このように、ブーム104の伸縮、起伏、フック106の昇降を組み合わせることにより、立体空間内での荷揚げと荷降ろしが可能となっている。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態に係る制御装置Ａは、上記移動式クレーン100の旋回モータ１１を電動モータで構成した場合において、その電動モータ１１の駆動速度を制御する制御装置である。図１に示すように、制御装置Ａは、公知のPI制御回路にゲイン調整手段３１を加えた点に特徴を有する。

より詳細には、制御装置Ａには、操作レバーなどの操作量に従い電動モータ１１の目標駆動速度v_oが入力されている。電動モータ１１には実際の駆動速度vを測定する速度センサ１１ｓが設けられている。電動モータ１１としてサーボモータを用いた場合には、速度センサ１１ｓの機能はサーボモータに内蔵されている。制御装置Ａは、減算器２１を備えており、目標駆動速度v_oから速度センサ１１ｓの測定値vを減算して、目標駆動速度v_oと駆動速度vとの偏差eが求められる。また、制御装置Ａは、偏差eにKpを乗算する比例部２２と、偏差eにKi/sを乗算する積分部２３とを備えている。ここで、Kpは比例ゲイン、Kiは積分ゲイン、sはラプラス演算子である。これら比例部２２および積分部２３の出力は加算器２４で加算され、電動モータ１１に出力される。以上の構成は公知のPI制御回路と同一である。

制御装置Ａは、ゲイン調整手段３１を備えている。ゲイン調整手段３１は、積分部２３と接続されており、積分ゲインKiを調整可能となっている。また、ゲイン調整手段３１は作業状態検出手段３２と接続されており、移動式クレーン100の作業状態がゲイン調整手段３１に入力されている。作業状態検出手段３２は、移動式クレーン100の作業状態を検出するセンサ等で構成されている。一般的な移動式クレーン100には、過負荷防止装置が設けられており、ブーム104の伸縮長さ、起伏角度、吊荷荷重などが検出されている。このような過負荷防止装置を作業状態検出手段３２として用いればよい。

一般に、PI制御においては、積分ゲインKiを大きくするほど、P制御で生じるオフセットを早くなくすことができる反面、応答が振動的になる。そのため、制御装置Ａにおいて積分ゲインKiが適正値より大きいとブーム104の旋回時に振動が発生する。また、積分ゲインKiが適正値より小さいとブーム104の旋回停止時に目標の停止位置より多く旋回する停止流れが生じる。

一方、移動式クレーン100は、ブーム104を収縮、起立するほど、またフック106の吊下荷重が軽いほど、ブーム104の旋回動作における慣性モーメントが小さくなる。逆に、ブーム104を伸長、倒伏するほど、またフック106の吊下荷重が重いほど、ブーム104の旋回動作における慣性モーメントが大きくなる。

例えば、図２（ａ）に示すように、ブーム104を全縮、起立させた状態では慣性モーメントが小さく、電動モータ１１にかかる負荷が小さくなる。そうすると、積分ゲインKiが適正値に比べて相対的に大きくなり、ブーム104の微速旋回時に振動が発生する。この場合には、積分ゲインKiを小さくすることで振動を抑制できる。

また、図２（ｂ）に示すように、ブーム104を全伸、倒伏させた状態では慣性モーメントが大きく、電動モータ１１にかかる負荷が大きくなる。そうすると、積分ゲインKiが適正値に比べて相対的に小さくなり、停止流れが発生する。この場合には、積分ゲインKiを大きくすることで停止流れを抑制できる。

このように、ゲイン調整手段３１は、作業状態検出手段３２から入力された移動式クレーン100の作業状態に応じて積分ゲインKiを調整する。より詳細には、ブーム104の旋回動作における慣性モーメントが小さい場合、すなわちブーム104の伸縮長さが短く、起伏角度が大きく、吊下荷重が軽い場合には、積分ゲインKiを小さくする。また、ブーム104の旋回動作における慣性モーメントが大きい場合、すなわちブーム104の伸縮長さが長く、起伏角度が小さく、吊下荷重が重い場合には、積分ゲインKiを大きくする。この際、ゲイン調整手段３１は、移動式クレーン100の作業状態に応じて積分ゲインKiを連続的に変化させてもよいし、予め複数段の積分ゲインKiを記憶しておき、移動式クレーン100の作業状態に応じて段階的に変化させてもよい。

以上のように、制御装置Ａは、移動式クレーン100の作業状態に応じて積分ゲインKiを調整するので、ブーム104の起伏、伸縮、吊下荷重によらず電動モータ１１の適切な応答を実現できる。そのため、ブーム104の旋回時に振動や停止流れが生じず、操作性が向上する。

なお、本実施形態では、ゲイン調整手段３１は積分ゲインKiのみを調整するように構成したが、積分ゲインKiに加えてまたは代えて比例ゲインKpを調整するように構成してもよい。

一般に、比例ゲインKpを大きくするほど、外乱や目標駆動速度v_oの変更への修正動作が速くなる反面、応答が振動的になる。そのため、ゲイン調整手段３１は、ブーム104の旋回動作における慣性モーメントが小さい場合には、比例ゲインKpを小さくする。また、ブーム104の旋回動作における慣性モーメントが大きい場合には、比例ゲインKpを大きくする。比例ゲインKpも連続的に変化させてもよいし、段階的に変化させてもよい。

比例ゲインKpを調整した場合でも、ブーム104の起伏、伸縮、吊下荷重によらず電動モータ１１の適切な応答を実現でき、ブーム104の旋回時に振動や停止流れが生じず、操作性が向上する。

（第２実施形態）
図３に示すように、本発明の第２実施形態に係る制御装置Ｂは、公知のPID制御回路にゲイン調整手段３１を加えた制御装置である。

より詳細には、第１実施形態に係る制御装置Ａにおいて、偏差eにKd・sを乗算する微分部２５を備えている。ここで、Kdは微分ゲインである。そして比例部２２、積分部２３および微分部２５の出力は加算器２４で加算され、電動モータ１１に出力される。ゲイン調整手段３１は、比例部２２、積分部２３および微分部２５と接続されており、比例ゲインKp、積分ゲインKiおよび微分ゲインKdを調整可能となっている。その余の構成は第１実施形態に係る制御装置Ａと同様であるので、同一部材に同一符号を付して説明を省略する。

ゲイン調整手段３１は、移動式クレーン100の作業状態に応じて、比例ゲインKp、積分ゲインKiおよび微分ゲインKdのうちの一つを調整してもよいし、２つを調整してもよいし、３つ全てを調整してもよい。

一般に、微分ゲインKdを大きくするほど、外乱や目標駆動速度v_oの変更への修正動作が速くなる反面、応答が振動的になる。そのため、ゲイン調整手段３１は、ブーム104の旋回動作における慣性モーメントが小さい場合には、微分ゲインKdを小さくする。また、ブーム104の旋回動作における慣性モーメントが大きい場合には、微分ゲインKdを大きくする。微分ゲインKdも連続的に変化させてもよいし、段階的に変化させてもよい。

微分ゲインKdを調整した場合でも、ブーム104の起伏、伸縮、吊下荷重によらず電動モータ１１の適切な応答を実現でき、ブーム104の旋回時に振動や停止流れが生じず、操作性が向上する。

（第３実施形態）
図４に示すように、本発明の第３実施形態に係る制御装置Ｃは、公知のP制御回路にゲイン調整手段３１を加えた制御装置である。

より詳細には、第１実施形態に係る制御装置Ａにおいて、積分部２３が備えられておらず、ゲイン調整手段３１は比例部２２と接続されており、比例ゲインKpを調整可能となっている。その余の構成は第１実施形態に係る制御装置Ａと同様であるので、同一部材に同一符号を付して説明を省略する。

本実施形態においても、ゲイン調整手段３１は、ブーム104の旋回動作における慣性モーメントが小さい場合には、比例ゲインKpを小さくする。また、ブーム104の旋回動作における慣性モーメントが大きい場合には、比例ゲインKpを大きくする。これにより、ブーム104の起伏、伸縮、吊下荷重によらず電動モータ１１の適切な応答を実現でき、ブーム104の旋回時に振動や停止流れが生じず、操作性が向上する。

（その他の実施形態）
上記実施形態に係る制御装置は、いずれも移動式クレーン100の旋回モータ１１の駆動速度を制御しているが、その他の電動アクチュエータの駆動速度を制御してもよい。例えば、ウィンチ108を回転させるホイストモータとしての電動モータを制御してもよいし、起伏シリンダ１２としての電動シリンダを制御してもよい。また、移動式クレーンに限らず、高所作業車の旋回モータや起伏シリンダを制御してもよい。

いずれの場合においても、作業機械の作業状態に応じて比例ゲイン、積分ゲインおよび微分ゲインのうちの一または複数を調整するので、作業機械の作業状態によらず電動アクチュエータの適切な応答を実現できる。そのため、作業機械の操作性が向上する。

Ａ〜Ｃ 制御装置
１１ 電動モータ
１１ｓ 速度センサ
２１ 減算器
２２ 比例部
２３ 積分部
２４ 加算器
２５ 微分部
３１ ゲイン調整手段
３２ 作業状態検出手段

Claims (4)

1. 作業機械を駆動させる電動アクチュエータの駆動速度を制御する制御装置であって、
   前記電動アクチュエータの駆動速度を測定する速度センサと、
   前記電動アクチュエータの目標駆動速度と前記速度センサの測定値との偏差に、比例ゲインを乗算して、前記電動アクチュエータに出力する比例部と、
   前記作業機械の作業状態に応じて、前記比例ゲインを調整するゲイン調整手段と、を備える
   ことを特徴とする作業機械用電動アクチュエータの制御装置。
2. 前記偏差に積分ゲインを乗算して、前記電動アクチュエータに出力する積分部を備え、
   前記ゲイン調整手段は、前記作業機械の作業状態に応じて、前記比例ゲインおよび／または前記積分ゲインを調整する
   ことを特徴とする請求項１記載の作業機械用電動アクチュエータの制御装置。
3. 前記偏差に微分ゲインを乗算して、前記電動アクチュエータに出力する微分部を備え、
   前記ゲイン調整手段は、前記作業機械の作業状態に応じて、前記比例ゲイン、前記積分ゲインおよび前記微分ゲインのうちの一または複数を調整する
   ことを特徴とする請求項２記載の作業機械用電動アクチュエータの制御装置。
4. 前記作業機械は、ブームが取り付けられた旋回台を有する移動式クレーンであり、
   前記電動アクチュエータは、前記旋回台を旋回駆動させる電動モータである
   ことを特徴とする請求項１、２または３記載の作業機械用電動アクチュエータの制御装置。