(57)【要約】【課題】本発明は、手動操作の煩わしさがなく、しかも手動操作のように張力がばらつくこともない巻き取り装置を提供することにある。【解決手段】電線２等の長手物体を巻き取る巻き取りボビン８等の巻き取り手段が所謂トルクモータ７で駆動され、長手物体に掛かっている張力がダンサー１５等の張力検出手段で検出される。この張力が目標値に一致するようにトルクモータ７への印加電圧がＣＰＵ１１等の制御手段により制御される。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
長手物体を巻き取る巻き取り手段と、
印加周波数が固定で印加電圧に応じて出力トルクを変化して前記巻き取り手段を駆動するモータと、
前記長手物体に掛かっている張力を検出する張力検出手段と、
前記検出される張力が目標値に一致するように前記モータへの印加電圧を制御する制御手段とを備えたことを特徴とする巻き取り装置。
【請求項２】
前記制御手段は、
巻き始め電圧、巻き終わり電圧、巻き取り経過時間から成る基本パターンを保持し、該基本パターンに基く電圧を前記モータへの印加電圧に加算することを特徴とする請求項１記載の巻き取り装置。
【請求項３】
前記制御手段は、
前記検出される張力が不感帯内にあるか否かを判断する判断手段を備え、
前記制御手段は、前記検出される張力が不感帯内にあると判断したとき、その直前に演算されている補正電圧を維持することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の巻き取り装置。
【請求項４】
前記制御手段は、
積分ゲインを変更する積分ゲイン変更手段を備え、
該積分ゲイン変更手段は、前記目標値と前記検出される張力との間の偏差が大きくなるに従って前記積分ゲインを大きい値に変更することを特徴とする請求項１、請求項２又は請求項３記載の巻き取り装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、巻き取り装置に関し、詳しくはワイヤやケーブル等の線状または帯状の長手物体を巻き取るための巻き取り装置に関し、特に、巻き取り側にトルクモータを使用する巻き取り装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ワイヤやケーブル等の線状または帯状の長手物体を巻き取るための巻き取り装置としては、図１０に示すような、巻き取り装置５０が知られている。
【０００３】
巻き出しの元となる給線ボビン１には、多くの電線２が巻かれており、この給線ボビン１が供給側インバータ装置３等の回転電源装置で駆動される誘導電動機（ＩＭ）４で回転されることにより給線が行なわれる（供給側インバータ装置３には、通常、商用電源が供給される。）。給線された電線２は中間の回転滑車５，６を経てトルクモータ７に駆動されている巻き取りボビン８に巻き取られる。
【０００４】
トルクモータ７には、スライダック９の出力電圧が印加されており、従来は、このスライダック９の出力電圧を手動で調整して、巻き取り時の張力を一定に保持していた（スライダック９には、通常、商用電源が供給される。）。
【０００５】
トルクモータ７は、汎用誘導電動機と異なり、周波数・電圧を一定比率（Ｖ／ｆ一定）に制御して速度を変化させるというものではなく、周波数は略固定（例えば５０Ｈｚ，６０Ｈｚ）とし、電圧を変化させることで発生トルクを調節することができるという特長を有するモータである。
【０００６】
つまり、インバータ等が普及していない時代では、このトルクモータ７を使用することで、人間の手動操作により張力の管理調整が可能な構造的に簡素な装置が構成できた。
【０００７】
即ち、巻き取り装置５０の場合、何も制御をしなかったとすると、電線２に掛かる張力は、図９に示す「無制御時」のグラフのように巻き取り経過時間Ｔの経過と共に減少する。これは、巻き取りボビン８に巻かれる電線量が増加するために回転トルクが不足してくるからである。
【０００８】
このような状態では、張力が減少して線がたるむため、従来は、スライダック９を調整してトルクモータ７への印加電圧を増加させ、トルクを回復させ、張力一定を保つようにしている。
【０００９】
この手動調整時の電線２に掛かる張力の変化を図９の「手動時」のグラフで示す。基本的には張力が一定値近くに保たれるが、手動調整のタイミングと量によっては同グラフで示されるように多少変動する。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
この従来の手法では、トルクモータ７のトルク調整が手動操作であるために、経験や勘に頼った作業になり易く、手動操作の煩わしさがあった。
【００１１】
また、装置を常時操作して連続して印加電圧を調整するということは困難であるから、どうしてもステップ的な調整操作となり、巻き取り張力の精度向上は期待できなかった。
【００１２】
本発明は、上記に鑑みてなされたもので、その目的としては、この手動操作の煩わしさがなく、しかも手動操作のように張力がばらつくこともない巻き取り装置を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、上記課題を解決するため、長手物体を巻き取る巻き取り手段と、印加周波数が固定で印加電圧に応じて出力トルクを変化して前記巻き取り手段を駆動するモータと、前記長手物体に掛かっている張力を検出する張力検出手段と、前記検出される張力が目標値に一致するように前記モータへの印加電圧を制御する制御手段とを備えたことを要旨とする。
【００１４】
また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記制御手段は、巻き始め電圧、巻き終わり電圧、巻き取り経過時間から成る基本パターンを保持し、該基本パターンに基く電圧を前記モータへの印加電圧に加算することを要旨とする。
【００１５】
また、請求項３記載の発明は、請求項１又は請求項２記載の発明において、前記制御手段は、前記検出される張力が不感帯内にあるか否かを判断する判断手段を備え、前記制御手段は、前記検出される張力が不感帯内にあると判断したとき、その直前に演算されている補正電圧を維持することを要旨とする。
【００１６】
また、請求項４記載の発明は、請求項１、請求項２又は請求項３記載の発明におい、前記制御手段は、積分ゲインを変更する積分ゲイン変更手段を備え、該積分ゲイン変更手段は、前記目標値と前記検出される張力との間の偏差が大きくなるに従って前記積分ゲインを大きい値に変更することを要旨とする。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施の形態に係る巻き取り装置１０の構成を示す図である。
【００１８】
同図において、３は供給側インバータ装置で、商用電源が供給されている。４は誘導電動機（ＩＭ）で供給側インバータ装置３の出力で駆動され、給線ボビン１を回転させる。給線ボビン１には電線２が多量に巻き付けられており、ここから繰出された電線２は、各回転滑車５，６を経て巻き取りボビン８に巻き取られる。
【００１９】
１０は巻き取り側インバータ装置で、これにも商用電源が供給されている。７はトルクモータで、巻き取り側インバータ装置１０の出力で駆動され、巻き取りボビン８を回転させる。１５はダンサーで、回転滑車５と６との間に配置され、電線２に掛かる張力を検出して、その値（ダンサー張力検出値）を巻き取り側インバータ装置１０に供給する。
【００２０】
図２に、巻き取り側インバータ装置１０の構成を示す。
巻き取り側インバータ装置１０は、ＣＰＵ（中央処理装置）１１、Ｅ２−ＰＲＯＭ（エレクトリカリーイレーサブルプログラマブルリードオンリーメモリ）１２、ＲＯＭ（リードオンリーメモリ）１３、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリー）１４、操作パネル１６、インバータ部１７とから構成されている。図２には、このインバータ部１７によって駆動されるトルクモータ７も示す。
【００２１】
操作パネル１６は、操作部１８と表示部１９とから構成され、図３に示すように、巻き取り側インバータ装置１０の筐体前面に装備されている。操作部１８は、インバータ部１７を運転、停止するＤＲＩＶＥキー２１、テンキー２２、小数点キー２３、ＥＮＴＥＲ（実行・確定）キー２４、ステップキー２５、ＰＲＯＧＲＡＭ（プログラム）キー２６、表示切り替え／ＣＬＥＡＲキー２７およびＳＴＯＰキー２８を備える。
【００２２】
表示部１９は、セグメントモニタ３１と８つのランプ（Ｃｔｒｌ、ＭＰａ、Ｖ、％、ｒｐｍ、Ａ、Ｈｚの各表示が付されたランプ及び運転モード表示ランプ３２）を備える。これらは何れもＬＥＤから成り、セグメントモニタ３１は、操作状態およびパラメータ番号、その設定値、インバータ部１７の状態等を表示する。
【００２３】
ＣＰＵ１１は、ＲＯＭ１３に格納されたプログラム及びＥ２−ＰＲＯＭ１２に格納されたパラメータに従って、ＲＡＭ１４を使用して、電線２の張力が目標値に保持されるようにインバータ部１７の出力電圧Ｖ３を制御する。
【００２４】
図４に、この制御を実行しているときのＣＰＵ１１の機能構成を示す。同図において、３３は比較器で、張力の目標値たるダンサーホームポジション指令とダンサー張力検出値の偏差Δｙを抽出する。
【００２５】
３４はＰＩ制御部で、偏差Δｙに応じたＰＩ制御（比例・積分制御）を行い、補正電圧Ｖ１を出力する。ＰＩ制御の詳細は後述する。３５は判断部で、ダンサー張力検出値が図５の不感帯の範囲にあるとき、補正電圧保持指令ＣＨをＰＩ制御部３４に供給する。３６はＩゲイン変更部で、ダンサー張力検出値の大きさに比例して大きくなるＩゲイン値をＰＩ制御部３４に供給する。これら判断部３５、Ｉゲイン変更部３６の詳細も後述する。
【００２６】
３７は基本パターン演算部で、図７に示す基本パターン電圧Ｖ２を出力する（基本パターン２０については後述。）。３８は加算器で、上記補正電圧Ｖ１と基本パターン電圧Ｖ２とを加算し、インバータ部出力電圧Ｖ３を生成する。３９はリミッタで、前記インバータ部出力電圧Ｖ３が商用電源電圧を超えた場合、インバータ部出力電圧Ｖ３を商用電源電圧の範囲に限定する。商用電源電圧は国によって異なるので（例えば２２０Ｖ，２３０Ｖ，４００Ｖ，４６０ボルト）、その国の商用電圧を操作パネル１６を使用して入力する。
【００２７】
以下、図４に示す構成によって実行される制御について追加説明する。
【００２８】
図２に示すように、トルクモータ７は巻き取り側インバータ装置１０で駆動される。張力の吸収と張力量のフィードバック制御とを行うため、回転滑車５と６との間にダンサー（張力吸収検出装置）１５が配置され、このダンサー１５からの張カ検出値が巻き取り側インバータ装置１０にフィードバックされる。巻き取り側インバータ装置１０は、出力周波数は固定で、出力電圧Ｖ３のみを可変として、トルクモータ７の張力一定制御を行う。
【００２９】
この張力一定制御では、ダンサー補正と基本パターン加算の２つの処理を合わせて実行する。なお、装置によってはダンサー補正だけでも良い。ダンサー補正をするために、図５に示すように、電線２の張力が所望の値となるときのダンサー位置を、ホームポジション指令として予め巻き取り側インバータ装置１０に登録（設定）する。
【００３０】
この登録は操作パネル１６から当該パラメータコードＣｄ６２６とホームポジション指令の値（電圧）とを入力することによって行なう（以下「パラメータコード」の語は省略。）。入力されたパラメータはＥ２−ＰＲＯＭ１２に格納される。このほか、図５に示される各パラメータ、即ち、制御の不感帯Ｕｐレベル（Ｃｄ６５１）、同Ｌｏｗレベル（Ｃｄ６５２）、最上位、最下位のダンサーＵｐレベル（Ｃｄ６５３）、ダンサーＬｏｗレベル（Ｃｄ６５４）も登録する。
【００３１】
これらパラメータに基いて、図４に示すＰＩ制御部３４は、以下のようにＰＩ制御を実行する。即ち、先ずダンサー張力検出値が、不感帯Ｕｐレベル、同Ｌｏｗレベルで規定される不感帯内にあると、判断部３５が補正電圧保持指令ＣＨをＰＩ制御部３４に供給する。これにより制御は停止され（ただし積分演算は保持）、ダンサー１５のハンチングが防止され、動作の安定が図られる。
【００３２】
不感帯から外れた場合は、判断部３５から補正電圧保持指令ＣＨは出力されず、ＰＩ制御部３４は、予め設定されたＰゲイン，Ｉゲイン（図５のＣｄ６５５〜Ｃｄ６５８）に従ってＰＩ制御を行い、補正電圧Ｖ１を生成する。なお、電線２の断線等で、張力検出値がダンサーＵｐレベルを超えた場合、あるいはダンサーＬｏｗレベルを下回った場合も、判断部３５が補正電圧保持指令ＣＨをＰＩ制御部３４に供給し、過大な補正電圧が出力されるのを防止する。
【００３３】
ＰＩ制御によるフィードバック制御では、常にダンサー張力検出値とダンサーホームポジション指令の偏差Δｙがなくなるように、補正電圧Ｖ１が算出される。この補正電圧Ｖ１は、
【数１】
Ｖ１＝Ｖｏｌｄ＋Δｙ（Ｐゲイン＋Ｉゲイン）　（式１）
で求められる（Ｖｏｌｄは前回算出されたＶ１。）。この補正電圧Ｖ１が加算器３８で基本パターン電圧Ｖ２に加算されることで基本パターン電圧Ｖ２に補正が掛けられ、インバータ部出カ電圧Ｖ３として出力される。
【００３４】
ところで、上記式１のＰゲイン、Ｉゲインは、通常、一定値とされている。ここでは、Ｐゲインは一定とするが、Ｉゲインについては、図６に示すように、ダンサー張力検出値の大きさに応じて可変とする。
【００３５】
具体的に、可変積分ゲインレベルＣｄ６６６を１Ｖに設定した場合、ダンサー張力検出値が１Ｖ増加する毎に、Ｉゲイン変更部３６からＰＩ制御部３４に対し、×１倍、×２倍、×３倍、×４倍というように、Ｉゲイン倍率情報ＳＩが供給される。ＩゲインはＣｄ６５７又はＣｄ６５８に設定されているが、ＰＩ制御部３４は、このＩゲイン倍率情報ＳＩに従って、実際のＩゲインを、この設定値の×１倍、×２倍、×３倍、×４倍というように変更し、補正電圧Ｖ１の積分制御に係る分を算出する。
【００３６】
これにより、瞬間的な負荷変動や外乱に対して高速応答ができる。ただし、装置によってはこの可変ゲイン処理を必要としないときもある。
【００３７】
もう１つの処理は、図７に示すように、基本パターン２０、即ちトルクモータ７に与えるべき理想的な電圧変化のパターンを予め登録（記億）しておき、巻き取り時間経過にしたがって、自動的にインバータ部出力電圧Ｖ３を上昇させることである。基本パターン２０は、巻き取り経過時間Ｔ、巻き始め電圧Ｖｓ、巻き終わり電圧Ｖｅによって規定されるものであり、操作パネル１６を使ってこれらの値を予め設定しておくと、基本パターン演算部３７がこれら設定値に基いて演算を行ない、巻き取り経過時間Ｔに合わせて基本パターン電圧Ｖ２を出力する。
【００３８】
この処理を加えると、偏差Δｙの発生を待たなくても、巻き取りボビン８の直径の増加に合わせてインバータ部出力電圧Ｖ３が増加する。このため制御の遅れがなくなり、また補正電圧Ｖ１が小さくて済むために、ハンチング現象が小さく抑えられる。
【００３９】
なお、基本パターン２０は関数で記憶され計算で求められるものでも良く、テーブル化して記憶されているものでも良い。基本パターン２０の形は種々考えられる。例えば二乗関数であっても良く、一次関数或いは二次関数であっても良い。要するに、基本パターン２０は構造的に簡素な（大まかな）関数であって良く、トルクモータ７への印加電圧の過不足は、張力検出値に基く補正により賄われる。
【００４０】
本実施の形態では、このように２つの処理を合わせて実行し、トルクモータ７に印加される電圧Ｖ３（インバータ部出力電圧）を、常に張力一定になるように制御する。これにより、トルクモータ７に印加される電圧Ｖ３は、巻き取り経過時間Ｔの経過に従って大きくなる巻き取りボビン８の直径の大きさに合わせ、図８に示すグラフ「制御時」のように増加する。従って、電線２に係る張力は、図９に示すグラフ「制御時」のように安定し一定となる。
【００４１】
以上説明した内容をまとめると、本実施の形態による張カ一定制御のポイントは、基本パターン２０をもち、ダンサー張力検出値をフィードバックしＰＩ制御するところにあるが、制御上の出力要素としては、巻き取り側インバータ装置１０の出力電圧Ｖ３、つまりトルクモータ７への印加電圧のみを制御して張力制御をするところに特徴がある。巻き取り側インバータ装置１０の出力電圧Ｖ３の周波数は、例えば５０Ｈｚ、６０Ｈｚというようにほぼ固定でありこれを制御するものではない。
【００４２】
なお、本発明は上述した実施の形態に限定されるものではなく、例えば次のような変形が可能なものである。
（１）実施の形態ではダンサー補正と基本パターン電圧加算とを併用しているが、装置の要求精度等によってはダンサー補正のみでも良い。
（２）ダンサー補正のＩゲイン可変処理は必ずしも必要ではなく、装置の要求精度等によっては固定ゲインでも良い。
【００４３】
【発明の効果】
請求項１記載の本発明によれば、長手物体を巻き取る巻き取り手段がトルクモータで駆動され、前記長手物体に掛かっている張力が張力検出手段で検出される。この張力が目標値に一致するように前記トルクモータへの印加電圧が制御手段により制御される。ここで、トルクモータは、周波数を制御しなくとも、印加する電圧を調整することでトルク調整ができる扱いやすいモータである。従って、電圧だけでトルクの制御が出来るというトルクモータの利点を生かしつつ、従来の手動操作の煩わしさがなく、且つ張力がばらつくこともない巻き取り装置が実現される。
【００４４】
また、請求項２記載の本発明によれば、巻き始め電圧、巻き終わり電圧、巻き取り経過時間から成る基本パターンが請求項１にいう制御手段に保持されていて、このパターンに基く電圧がモータへの印加電圧に加算される。従って、偏差の発生を待たずとも、巻き取りボビンの直径の増加に合わせてインバータ部出力電圧が増加することとなる。この結果、制御の遅れがなくなり、補正電圧も小さくて済む。これによりハンチング現象が小さく抑えられる。
【００４５】
また、請求項３記載の本発明によれば、請求項１又は請求項２にいう制御手段に判断手段が備えられ、検出される張力が、この判断手段により不感帯内にあると判断されたとき、その直前に演算されている補正電圧がその侭維持される。従って、張力が不感帯内にある間はトルクモータの発生トルクが不変となり、ダンサーのハンチングが防止され、動作の安定が図られる。
【００４６】
また、請求項４記載の本発明によれば、請求項１、請求項２又は請求項３記載の制御手段に積分ゲインを変更する積分ゲイン変更手段が備えられ、目標値と検出される張力との間の偏差が大きくなるに従い、この積分ゲイン変更手段により、前記積分ゲインが大きい値に変更される。従って、瞬間的な負荷変動や外乱に対して高速応答ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態の巻き取り装置を示すブロック図である。
【図２】実施の形態のインバータ装置１０等を示すブロック図である。
【図３】実施の形態のインバータ装置１０及びその操作パネル１６を取り出して示す外観図である。
【図４】ＣＰＵ１１で実現される機能を示すブロック図である。
【図５】ダンサー補正の内容を示す図である。
【図６】Ｉゲインの変更例を示す図である。
【図７】基本パターン２０の例を示す図である。
【図８】トルクモータ印加電圧Ｖ３の推移例を示すグラフである。
【図９】電線張力の推移例を示すグラフである。
【図１０】従来の巻き取り装置の例５０を示すブロック図である。
【符号の説明】
１　給線ボビン
２　電線
３　供給側インバータ装置
４　誘導電動機（ＩＭ）
５，６　回転滑車
７　トルクモータ
８　巻き取りボビン
９　スライダック
１０　巻き取り側インバータ装置
１１　ＣＰＵ
１２　Ｅ２−ＰＲＯＭ
１３　ＲＯＭ
１４　ＲＡＭ
１５　ダンサー
１６　操作パネル
１７　インバータ部
１８　操作部
１９　表示部
２０　基本パターン
２１　ＤＲＩＶＥキー
２２　テンキー
２３　小数点キー
２４　ＥＮＴＥＲ（実行・確定）キー
２５　ステップキー
２６　ＰＲＯＧＲＡＭキー
２７　表示切り替え／ＣＬＥＡＲキー
２８　ＳＴＯＰキー
３１　セグメントモニタ
３２　運転モード表示ランプ
３３　比較器
３４　ＰＩ制御部
３５　判断部
３６　Ｉゲイン変更部
３７　基本パターン演算部
３８　加算器
３９　リミッタ
４０　実施の形態の巻き取り装置
５０　従来の巻き取り装置の例
ＣＨ　補正電圧保持指令
ＳＩ　Ｉゲイン倍率情報
Ｔ　巻き取り経過時間
Ｖ１　補正電圧
Ｖ２　基本パターン電圧
Ｖ３　インバータ部出力電圧
Ｖｓ　巻き始め電圧
Ｖｅ　巻き終わり電圧
Δｙ　偏差
【図１】
2004075273.tif 000003
【図２】
2004075273.tif 000004
【図３】
2004075273.tif 000005
【図４】
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【図５】
2004075273.tif 000007
【図６】
2004075273.tif 000008
【図７】
2004075273.tif 000009
【図８】
2004075273.tif 000010
【図９】
2004075273.tif 000011
【図１０】
2004075273.tif 000012