(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電動ウインチを駆動するための装置であって、
前記電動ウインチのウインチドラムに連結されて当該ウインチドラムを回転させるとともに当該ウインチドラムの回転に伴う回生電力の生成が可能な交流電動機と、
前記交流電動機にその駆動のための電力を供給する直流電源と、
この直流電源と前記交流電動機との間に介在するインバータと、
前記交流電動機の巻下げ方向の回転時に前記インバータにおいて発生する電圧よりも前記直流電源に印加される電圧を低下させる降圧回路と、
この降圧回路と並列に設けられ、当該降圧回路をバイパスして前記インバータから前記直流電源への電流の流れ込みを許容する許容状態と阻止する阻止状態とに切換可能な定常駆動回路と、
前記交流電動機の駆動を制御するフリーフォール制御部と、を備え、このフリーフォール制御部は、前記交流電動機の巻下げ方向の回転速度が予め設定された降圧判定速度を超えかつ前記ウインチドラムの制動の指示が与えられている場合に前記定常駆動回路を前記阻止状態にするとともに前記降圧回路を作動させて回生電力を生じさせる降圧制御を行い、前記交流電動機の巻下げ方向の回転速度が前記降圧判定速度以下である場合に前記降圧回路を停止させて前記定常駆動回路を前記許容状態にする、電動ウインチの駆動装置。
【請求項２】
請求項１記載の電動ウインチの駆動装置であって、前記フリーフォール制御部に前記制動の指示を与えるための手段として、当該制動力の大きさを指示するように操作される制動操作器をさらに備え、前記フリーフォール制御部は、当該制動操作器により指示される制動力が大きいほど前記降圧回路による降圧度合いを小さくするように前記降圧制御を行う、電動ウインチの駆動装置。
【請求項３】
請求項１または２記載の電動ウインチの駆動装置であって、前記直流電源と前記インバータとの間に介在するとともに前記定常駆動回路と並列に設けられ、前記直流電源から前記インバータに与えられる電圧を当該直流電源の電圧よりも上昇させる昇圧回路をさらに備え、前記フリーフォール制御部は、前記交流電動機の巻下げ方向の回転速度が予め設定された昇圧判定速度を超えかつ前記ウインチドラムの制動の指示が与えられていない場合に前記定常駆動回路を前記阻止状態にするとともに前記昇圧回路を作動させて昇圧制御を行う、電動ウインチの駆動装置。
【請求項４】
請求項３記載の電動ウインチの駆動装置であって、前記フリーフォール制御部は、前記交流電動機の回転速度が高いほど前記昇圧回路による昇圧度合いを大きくするように前記昇圧制御を行う、電動ウインチの駆動装置。
【請求項５】
請求項３または４記載の電動ウインチの駆動装置であって、前記フリーフォール制御部は、前記交流電動機の回転速度が予め設定された最大許容速度であって前記降圧判定速度及び前記昇圧判定速度よりも高い速度を超える場合に前記制動の指示の有無にかかわらず強制的に前記降圧回路に降圧動作を行わせる、電動ウインチの駆動装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載の電動ウインチの駆動装置であって、前記定常駆動回路は、前記直流電源と前記インバータとを結ぶ経路中に設けられ、当該経路を導通させる状態と切断する状態とに切換えられるスイッチング素子と、このスイッチング素子と並列に設けられ、前記直流電源から前記インバータへ向かう電流の通過のみを許容するダイオードと、を含む、電動ウインチの駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、クレーン等に用いられる電動ウインチを駆動する装置であってフリーフォール制御機能を有するものに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、クレーン等に搭載されて吊作業を行うためのウインチとして、電動機により駆動される電動ウインチを用いることが検討されている。この電動ウインチの使用は、対象物の巻下時にその対象物の降下により発生する運動エネルギー（電動機の回転エネルギー）を電気エネルギーに変換して回収する、すなわち回生する、ことが可能な利点がある。
【０００３】
このような回生機能を備えた電動ウインチ及びその駆動装置として、特許文献１に開示されたものが知られている。ここに開示される電動ウインチは、クレーンに搭載され、当該電動ウインチを駆動する装置は、電動機と、当該電動機に電力を供給するとともに前記電動ウインチの巻下げ時に前記モータの発電により生成された回生電力を蓄えるバッテリーと、を備える。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１３−７１８１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
クレーンの巻下げ時に特有の動作として、吊り荷を自由落下に近い速度で降下させる、いわゆるフリーフォール動作があるが、従来の電動ウインチにおいて当該フリーフォール動作を行いながら回生を行おうとすると、回路電圧が過度に上昇してバッテリー等を破損に至らせるおそれがある。すなわち、当該フリーフォール動作では、吊り荷がその自由落下での速度に近い速度で降下するのに伴って電動ウインチのウインチドラムさらにはこれに連結される電動機が高速で回転し、これにより当該電動機に過大な誘起電圧が生じてこれがバッテリーに印加されることにより当該バッテリーを破損に至らせるおそれがある。
【０００６】
この事態は、前記バッテリー及び電動機を含む駆動装置をクラッチによって前記ウインチドラムから切り離すことによって回避することが可能であるが、その場合、フリーフォール中での回生電力の回収はできない。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上記の課題を解決すること、すなわち、フリーフォール動作を行いながら回生電力を安全に回収することが可能な電動ウインチの駆動装置を提供すること、を目的とする。
【０００８】
上記目的を達成するため、本発明者らは、前記電動ウインチのウインチドラムを回転させるための交流電動機及びこれに接続されるインバータと、前記交流電動機の駆動のための直流電源と、の間に降圧回路を介在させ、フリーフォール動作時に前記インバータにおいて発生した電圧を前記降圧回路によって降下させることにより、前記直流電源に過度の電圧が印加されるのを防ぐことに想到した。しかし、前記降圧回路の駆動は一般に大きなエネルギーロス（例えば当該降圧回路に含まれるスイッチング素子の頻繁なオンオフ動作によるスイッチング損失）を伴うため、電動ウインチの駆動効率の著しい低下は免れ得ない。
【０００９】
本発明は、当該駆動効率の著しい低下を避けながら前記の目的を達することが可能な電動ウインチの駆動装置を提供するものである。具体的に、この装置は、前記電動ウインチのウインチドラムに連結されて当該ウインチドラムを回転させるとともに当該ウインチドラムの回転に伴う回生電力の生成が可能な交流電動機と、前記交流電動機にその駆動のための電力を供給する直流電源と、この直流電源と前記交流電動機との間に介在するインバータと、前記交流電動機の巻下げ方向の回転時に前記インバータにおいて発生する電圧よりも前記直流電源に印加される電圧を低下させる降圧回路と、この降圧回路と並列に設けられ、当該降圧回路をバイパスして前記インバータから前記直流電源への電流の流れ込みを許容する許容状態と阻止する阻止状態とに切換可能な定常駆動回路と、前記交流電動機の駆動を制御するフリーフォール制御部と、を備える。このフリーフォール制御部は、前記交流電動機の巻下げ方向の回転速度が予め設定された降圧判定速度を超えかつ前記ウインチドラムの制動の指示が与えられている場合に前記定常駆動回路を前記阻止状態にするとともに前記降圧回路を作動させて回生電力を生じさせる降圧制御を行い、前記交流電動機の巻下げ方向の回転速度が前記降圧判定速度以下である場合に前記降圧回路を停止させて前記定常駆動回路を前記許容状態にする。
【００１０】
この装置によれば、前記電動ウインチを用いてフリーフォール動作を行いながら、著しい効率の低下を伴うことなくかつ安全に、当該フリーフォール動作時に交流電動機において発生する電力を回収することができる。具体的に、当該フリーフォール動作に伴う交流電動機の回転（巻下げ方向の回転）速度が前記降圧判定速度以下の場合には、フリーフォール制御部が定常駆動回路を許容状態に切換えることにより、当該交流電動機において発生した電力がインバータさらには定常駆動回路を経由して、すなわち降圧回路をバイパスして、直流電源に送られることが可能であり、これにより、前記降圧回路を経由する場合に比べて高い効率で回生を行うことができる。その一方、前記フリーフォール動作に伴う前記交流電動機の回転速度が前記降圧判定速度を超える場合、すなわち当該交流電動機の誘起電圧が高い場合、には、フリーフォール制御部が定常駆動回路を阻止状態にするとともに降圧回路を作動させて降圧制御を行うことにより、当該交流電動機での高い誘起電圧にかかわらず、前記直流電源に印加される電圧を安全な電圧に抑えて当該直流電源を構成するバッテリーその他の破損を回避しながら、前記交流電動機が生成する電力を回収することができる。
【００１１】
本発明に係る駆動装置は、前記フリーフォール制御部に前記制動の指示を与えるための手段として、当該制動力の大きさを指示するように操作される制動操作器をさらに備え、前記フリーフォール制御部は、当該制動操作器により指示される制動力が大きいほど前記降圧回路による降圧度合いを小さくするように前記降圧制御を行うことが、好ましい。当該降圧度合いが小さいほど、回生動作による制動作用は大きくなるため、前記制動操作器と前記降圧制御との組み合わせは、オペレータの意思により合致した電動ウインチの動作を可能にする。
【００１２】
前記降圧制御は、例えば、前記降圧回路がコイルのインダクタンス及びスイッチング素子を含んでいる場合、当該スイッチング素子のオンオフのデューティ比によって行うことが、可能である。この場合、当該スイッチング素子のオンオフによるエネルギーロスが大きいため、前記定常駆動回路の並設による効果は特に顕著となる。
【００１３】
本発明に係る駆動装置は、前記直流電源と前記インバータとの間に介在するとともに前記定常駆動回路と並列に設けられ、前記直流電源から前記インバータに与えられる電圧を当該直流電源の電圧よりも上昇させる昇圧回路をさらに備え、前記フリーフォール制御部は、前記交流電動機の巻下げ方向の回転速度が予め設定された昇圧判定速度を超えかつ前記ウインチドラムの制動の指示が与えられていない場合に前記定常駆動回路を前記阻止状態にするとともに前記昇圧回路を作動させて昇圧制御を行うことが、好ましい。
【００１４】
当該昇圧回路による昇圧は、前記交流電動機及びインバータから直流電源への電流の流れ込みによる回生動作さらにはこれに起因する交流電動機の制動を阻止または抑制し、これにより、降下速度の低下を抑止して、制動を指示しないというオペレータの意思に即したフリーフォールの制御を実現することを可能にする。具体的に、フリーフォール動作での交流電動機の回転速度が高くてその誘起電圧が直流電源の電圧に対して相対的に高い場合、当該交流電動機が生成する電力によりインバータから直流電源に電流が流れ込む回生動作が生じ、この回生動作は前記交流電動機に対する制動作用を伴うため、オペレータがブレーキの指示を与えていないにもかかわらず当該交流電動機の回転速度が抑えられてしまう。前記昇圧回路が行う昇圧動作は、前記交流電動機及びインバータから前記直流電源への電流の流れ込み、すなわち回生動作、を阻止または抑制し、これにより、当該回生動作による前記交流電動機の制動を阻止または抑制して、当該交流電動機の回転速度をオペレータが求める速度に近づけることを可能にする。
【００１５】
この場合、前記フリーフォール制御部は、前記交流電動機の回転速度が高いほど前記昇圧回路による昇圧度合いを大きくするように前記昇圧制御を行うことが、好ましい。当該昇圧制御は、過度の昇圧動作を回避しながら、前記回生動作による前記交流電動機の制動を阻止または抑制することを、可能にする。
【００１６】
また、前記フリーフォール制御部は、前記交流電動機の回転速度が予め設定された最大許容速度であって前記降圧判定速度及び前記昇圧判定速度よりも高い速度を超える場合に前記制動の指示の有無にかかわらず強制的に前記降圧回路に降圧動作を行わせる強制降圧制御を行うことが、好ましい。この強制降圧制御は、前記交流電動機の過剰な速度による回転に起因して当該交流電動機その他の構成要素が破損するのを防ぐことを可能にする。
【００１７】
前記定常駆動回路としては、例えば、前記直流電源と前記インバータとを結ぶ経路中に設けられ、当該経路を導通させる状態と切断する状態とに切換えられるスイッチング素子と、このスイッチング素子と並列に設けられ、前記直流電源から前記インバータへ向かう電流の通過のみを許容するダイオードと、を含むものが、好適である。この定常駆動回路は、前記ダイオードによって前記直流電源から前記交流電動機への電力の供給は常に許容しながら、前記スイッチング素子のオンオフによって前記許容状態と前記阻止状態とに切換えられることが可能である。
【００１８】
なお、前記フリーフォール制御部は、前記交流電動機の巻下げ方向の回転速度が前記降圧判定速度以下（昇圧制御も行う場合は降圧判定速度以下でかつ昇圧判定速度以下）のとき、前記交流電動機について指定される制動力に応じて前記インバータの操作による回生制御を行ってもよい。
【発明の効果】
【００１９】
以上のように、本発明によれば、フリーフォール動作を行いながら、著しい効率の低下を行うことなく、回生電力を安全に回収することが可能な電動ウインチの駆動装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施の形態に係る電動ウインチ及びその駆動装置の構成を示す模式図である。
【図２】前記駆動装置に含まれる駆動回路を示す図である。
【図３】前記駆動装置に含まれるコントローラの主要な機能構成を示すブロック図である。
【図４】前記コントローラが行う主要な制御動作を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
【００２２】
図１は、この実施の形態に係る電動ウインチ及びその駆動装置を備えたクレーンの要部を示す。このクレーンは、起伏可能なブーム２と、吊り用のロープ４と、を備え、前記電動ウインチは水平軸回りに回転可能なウインチドラム１０を含む。前記ロープ４のうち、その一方の端を含む部分が前記ウインチドラム１０に巻き付けられ、他方の端を含む部分が前記ブーム２の先端に設けられたシーブ３から垂下する。当該他方の端にはフック装置６が接続され、これに吊り荷８が係合される。
【００２３】
前記電動ウインチは、前記ウインチドラム１０の巻上げ方向及び巻下げ方向の回転により、前記吊り荷８を昇降させることが可能である。前記巻下げ方向の回転に基づく動作には、いわゆるフリーフォール動作が含まれる。このフリーフォール動作では、前記吊り荷８がその自由落下の速度に近い速度で降下することを許容するように、前記ウインチドラム１０の駆動の制御が行われる。
【００２４】
前記電動ウインチの駆動装置は、交流電動機１６と、駆動回路１８と、コントローラ２０と、ウインチ操作器２２と、制動操作器２３と、フリーフォール許可スイッチ２４と、を備える。
【００２５】
前記交流電動機１６は、回転可能な出力軸を有する。この出力軸は、減速機１２、クラッチ１４等を介して前記ウインチドラム１０の回転軸に連結される。従って、この交流電動機１６の作動により前記ウインチドラム１０が回転駆動されることが可能である。また、当該交流電動機１６は、前記ウインチドラム１０の巻下げ方向の回転時に前記出力軸が連れ回り回転することによって回生電力を生成する機能を有する。
【００２６】
前記駆動回路１８は、直流電源を含み、前記交流電動機１６に電力を供給してその出力軸を回転させる一方、巻下げ動作時に前記交流電動機１６が生成した電力を回収して蓄える回生動作を行う機能を有する。
【００２７】
前記コントローラ２０は、後に詳述するように、前記駆動回路１８に含まれる構成要素に制御信号を入力することにより、当該駆動回路１８の作動を制御する。当該コントローラ２０には、その制御動作に必要な信号として、前記交流電動機１６に内蔵された図略のエンコーダが生成する回転検出信号や、前記ウインチ操作器２２、制動操作器２３及びフリーフォール許可スイッチ２４が生成する指令信号が入力される。
【００２８】
前記ウインチ操作器２２は、中立位置から巻上側及び巻下側にそれぞれ操作されることが可能な操作レバー２６を有する。ウインチ操作器２２は、当該操作レバー２６の操作方向及び操作量に対応して巻上げ指令信号または巻下げ指令信号を生成し、これをコントローラ２０に入力する。
【００２９】
前記制動操作器２３は、前記フリーフォール動作中におけるウインチドラム１０及び交流電動機１６の制動に係る指示をコントローラ２０に付与するためのものである。具体的に、前記制動操作器２３は、踏込み操作を受けるブレーキペダル２８を含み、このブレーキペダル２８の踏込みに対応した制動指令信号を生成して前記コントローラ２０に入力する。前記制動指令信号は、制動力の大きさを指示するための信号である。前記制動操作器２３は、前記ブレーキペダル２８の踏込み量が大きいほど大きな制動力を指示する制動指令信号を生成する。
【００３０】
前記フリーフォール許可スイッチ２４は、オペレータがコントローラ２０にフリーフォール動作の許可を与えるための操作を受ける。具体的に、フリーフォール許可スイッチ２４は、オン状態に操作されたときにフリーフォール許可信号を生成して前記コントローラ２０に入力する。
【００３１】
図２は、前記駆動回路１８の具体的な構成を示す。この駆動回路１８は、バッテリー３０と、インバータ３２と、昇降圧コンバータ３４と、定常駆動回路３６と、平滑用コンデンサ３７と、を備える。
【００３２】
前記バッテリー３０は、直流電源としての機能と、蓄電器としての機能と、を併有する。具体的に、当該バッテリー３０は、前記交流電動機１６の駆動、主に巻上げ方向の駆動、に必要な電力を当該交流電動機１６に供給する一方、当該交流電動機１６の巻下げ方向の回転（フリーフォール動作時の回転を含む）に伴って当該交流電動機１６が生成する回生電力を蓄える機能を有する。
【００３３】
前記インバータ３２は、前記交流電動機１６と前記バッテリー３０との間に介在し、両者間での電力の授受に必要な直流／交流の変換を行う。具体的に、図２に例示される交流電動機１６は、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相を有する３相交流電動機であり、前記インバータ３２は各相に対応した複数のスイッチング部３８（スイッチング素子とダイオードとの組み合わせ）を有する。
【００３４】
前記昇降圧コンバータ３４は、前記バッテリー３０と前記インバータ３２との間に介在し、降圧回路としての機能と昇圧回路としての機能と、を併有する。前記降圧回路としての機能は、前記交流電動機１６が巻下げ方向に回転して誘起電圧を生じさせることにより前記インバータ３２のバッテリー側の端子対の間に発生する電圧よりも、前記バッテリー３０に印加される電圧を低下させる機能である。前記昇圧回路としての機能は、前記バッテリー３０から前記インバータ３２のバッテリー側端子対の間に与えられる電圧を当該バッテリー３０の端子間の電圧よりも上昇させる機能である。
【００３５】
具体的に、前記昇降圧コンバータ３４は、インダクタンスを有するチョークコイル４０と、降圧用スイッチング素子４２と、昇圧用スイッチング素子４４と、降圧用ダイオード４６と、昇圧用ダイオード４８と、を有する。前記チョークコイル４０は、前記バッテリー３０と直列に配置され、当該バッテリー３０の正端子に接続される。前記降圧用スイッチング素子４２は、前記チョークコイル４０と前記インバータ３２の高圧側端子との間に介在し、前記昇圧用スイッチング素子４４は、前記チョークコイル４０と前記インバータ３２の低圧側端子との間に介在する。前記降圧用ダイオード４６は、前記昇圧用スイッチング素子４４と並列に配置されながら前記チョークコイル４０と前記インバータ３２の低圧側端子との間に介在する。前記昇圧用ダイオード４８は、前記降圧用スイッチング素子４２と並列に配置されながら前記チョークコイル４０と前記インバータ３２の高圧側端子との間に介在する。
【００３６】
前記定常駆動回路３６は、前記バッテリー３０の正端子と前記インバータ３２の高圧側端子との間で前記昇降圧コンバータ３４と並列に設けられる回路であって、当該昇降圧コンバータ３４をバイパスして前記インバータ３２から前記バッテリー３０の正端子への電流の流れ込みを許容する許容状態と、これを阻止する阻止状態とに切換可能な回路である。
【００３７】
具体的に、この実施の形態に係る定常駆動回路３６は、互いに並列に配置されたスイッチング素子５０とダイオード５２とを併有する。前記スイッチング素子５０は、前記バッテリー３０の正端子と前記インバータ３２の高圧側端子とを結ぶ経路中に設けられ、当該経路を導通させるオン状態と切断するオフ状態とに切換えられる。従って、このスイッチング素子５０のオンオフにより、前記定常駆動回路３６が前記許容状態と前記阻止状態とにそれぞれ切換えられる。前記ダイオード５２は、前記スイッチング素子５０のオンオフにかかわらず前記バッテリー３０の正端子から前記インバータ３２へ向かう電流の通過は許容する一方、インバータ３２からバッテリー３０へ向かう電流の通過は阻止する。
【００３８】
前記昇降圧コンバータ３４の降圧回路としての動作、換言すれば回生動作、は、前記定常駆動回路３６のスイッチング素子５０がオフに切換えられた状態（阻止状態）での前記降圧スイッチング素子４２のオンオフ切換によって達成される。具体的に、当該降圧スイッチング素子４２がオンの時はインバータ３２から当該降圧スイッチング素子４２及びチョークコイル４０を経由してバッテリー３０に電流が流れ込むことにより当該チョークコイル４０にエネルギーが蓄えられると同時にチョークコイル４０には電流の増加を妨げる向きの逆起電力が発生し、バッテリー３０の正端子と前記インバータ３２の高圧側端子との間に電位差を与える。その後、当該スイッチング素子４２がオフに切換えられると、チョークコイル４０にはそれまで当該チョークコイル４０に流れていた電流を維持しようとする向きの起電力が発生し、当該コイル４０→バッテリー３０→降圧用ダイオード４６を順に経由する電流が形成される。以上のようにして降圧動作が達成される。
【００３９】
従って、前記降圧スイッチング素子４２のオンオフにより、前記降圧動作が行われるとともに、そのオンのデューティ比の設定によって、降圧度合い、さらには制動力の大きさ、を制御することが可能である。具体的に、前記降圧スイッチング素子４２のオンのデューティ比が高いほど、前記バッテリー３０に印加される電圧が上昇し、よって降圧度合いが小さくなる。一方、回生動作により交流電動機１６に与えられる制動力は大きくなる。
【００４０】
前記昇降圧コンバータ３４の昇圧回路としての動作は、前記定常駆動回路３６のスイッチング素子５０がオフに切換えられた状態（阻止状態）での前記昇圧スイッチング素子４４のオンオフ切換によって達成される。具体的に、当該昇圧スイッチング素子４４がオンの時はバッテリー３０→チョークコイル４０→昇圧スイッチング素子４４を順に経由する電流が形成されることにより当該チョークコイル４０にエネルギーが蓄えられる。その後、当該スイッチング素子４２がオフに切換えられると、バッテリー３０の正端子からチョークコイル４０及び昇圧用ダイオード４８を経由してインバータ３２に流れ込む電流が形成されるとともに、チョークコイル４０にそれまで当該チョークコイル４０に流れていた電流を維持しようとする向きの起電力が発生し、その分だけ前記インバータ３２のバッテリー側端子対の間に与えられる電圧が前記バッテリー３０の端子間電圧よりも高くなる。このようにして昇圧動作が達成される。
【００４１】
従って、前記昇圧スイッチング素子４４のオンオフにより、前記昇圧動作が行われるとともに、そのオンのデューティ比の設定によって、昇圧度合いを制御することが可能である。具体的に、前記昇圧スイッチング素子４４のオンのデューティ比が高いほど、前記チョークコイル４０における電圧が上昇し、よって昇圧度合いが大きくなる。
【００４２】
前記平滑用コンデンサ３７は、前記インバータ３２と前記昇降圧コンバータ３４との間において、当該インバータ３２のバッテリー側端子対同士の間に介在する。
【００４３】
図３は、前記駆動回路１８の動作を制御するための前記コントローラ２０の主要な機能構成を示す。このコントローラ２０は、図３に示される制御モード判定部５６、通常制御部５８及びフリーフォール制御部６０を含む。
【００４４】
制御モード判定部５６は、コントローラ２０に入力される信号により把握される運転状態が、予め設定されたフリーフォール開始条件に該当するか否かを判断し、該当する場合にはフリーフォール制御部６０にフリーフォール制御を行わせ、それ以外の場合には通常制御部５８に通常制御を行わせる。また、フリーフォール制御中に所定のフリーフォール停止条件を満たす場合にフリーフォール制御を停止させて通常制御に切換える。前記フリーフォール開始及び停止条件は、種々設定が可能であり、この実施の形態に係る条件については後に詳述する。
【００４５】
前記通常制御部５８は、通常制御、すなわち前記フリーフォール制御以外の制御を行う。具体的に、通常制御部５８は、前記ウインチ操作器２２の操作レバー２６に与えられる巻上げ側の操作または巻下げ側の操作に基づき、駆動回路１８のインバータ３２に制御信号を入力して交流電動機１６の巻上げ駆動または巻下げ駆動を制御する。
【００４６】
前記フリーフォール制御部６０は、前記フリーフォール制御、すなわち前記フリーフォール動作の制御を行う。そのための機能として、当該フリーフォール制御部６０は、図３に示されるフリーフォール制御モード判定部６２、通常フリーフォール制御部６４、降圧制御部６５及び昇圧制御部６６を有する。
【００４７】
前記フリーフォール制御モード判定部６２は、交流電動機１６の回転速度に基づき、通常フリーフォール制御、降圧制御及び昇圧制御のいずれを行うかを判定する。具体的に、当該フリーフォール制御モード判定部６２は、前記交流電動機１６の回転速度が予め設定された定格速度Ｖ１以下であるか否かを判定し、当該定格速度Ｖ１以下である場合には通常フリーフォール制御部６４に通常フリーフォール制御動作を行わせ、当該定格速度Ｖ１を超える場合には降圧制御部６５または昇圧制御部６６に降圧制御または昇圧制御を行わせる（降圧／昇圧の具体的な判定については後に詳述する。）。従って、この実施の形態に係る前記定格速度Ｖ１は、本発明にいう降圧判定速度及び昇圧判定速度に相当する。
【００４８】
前記交流電動機１６の回転速度は、前記交流電動機１６に内蔵されたエンコーダの出力する回転検出信号から算出されることが可能である。また、この実施の形態における前記定格速度Ｖ１は、バッテリー３０の最大電圧に相当するインバータ３２の端子間電圧に対応した交流電動機１６の回転速度に設定されている。
【００４９】
前記通常フリーフォール制御部６４は、前記通常フリーフォール制御、すなわち、昇圧制御、降圧制御のいずれも伴わないフリーフォール制御を実行する。この装置の特徴として、当該通常フリーフォール制御部６４は、前記通常制御と同様、前記定常駆動回路３６のスイッチング素子５０をオンにするとともに昇降圧コンバータ３４の各スイッチング素子４６，４８をオフに維持した状態で、つまり当該昇降圧コンバータ３４を経由せずに、通常フリーフォール制御を実行する。
【００５０】
前記降圧制御部６５及び前記昇圧制御部６６は、前記昇降圧コンバータ３４を用いた降圧制御及び昇圧制御をそれぞれ行う。
【００５１】
次に、このコントローラ２０が行う具体的な制御動作を、図４のフローチャートを参照しながら説明する。
【００５２】
まず、コントローラ２０の制御モード判定部５６は、現在の運転状態が予め設定されたフリーフォール開始条件に該当するか否かを判定する。この実施の形態に係るフリーフォール開始条件は次のとおりである。
【００５３】
１）フリーフォール許可スイッチ２４がオン（フリーフォール許可）であること（ステップＳ１）。
【００５４】
２）制動操作器２３のブレーキペダル２８がフル操作されていること、すなわち最も深い位置まで踏み込まれていること（ステップＳ２）。
【００５５】
３）ウインチドラム１０について設けられたパーキングブレーキが作動していること（ステップＳ３）。
【００５６】
なお、ステップＳ２においてブレーキペダルがフル踏込みから少し緩められた場合にパーキングブレーキを自動的に解除したり、ブレーキペダル２８が一定以上踏み込まれた後にパーキングブレーキを作動させたりしてもよい。さらに、そのパーキングブレーキの解除や作動に時間遅れを与えれば、油圧システムでの操作感をオペレータに与えることも可能である。
【００５７】
制御モード判定部５６は、現在の運転状態が前記フリーフォール開始条件を満たす場合（ステップＳ１〜Ｓ３のいずれにおいてもＹＥＳ）、フリーフォール制御部６０にフリーフォール制御を行わせ、それ以外の場合（ステップＳ１〜Ｓ３の少なくとも一つにおいてＮＯ）、通常制御部５８に通常制御を行わせる（ステップＳ４）。
【００５８】
前記通常制御は、前記ウインチ操作器２２の操作レバー２６に与えられる巻上げ側の操作または巻下げ側の操作に基づき、駆動回路１８のインバータ３２に制御信号を入力して交流電動機１６の巻上げ駆動または巻下げ駆動を行わせる制御であるが、前記通常制御部５８は、当該通常制御を、前記昇降圧コンバータ３４を経由せずに行う。すなわち、通常制御部５８は、当該通常制御を行う場合に、定常駆動回路３６のスイッチング素子５０をオンにして当該定常駆動回路３６を許容状態にするとともに、昇降圧コンバータ３４の各スイッチング素子４６，４８をオフに維持する。このことは、昇降圧コンバータ３４における各スイッチング素子４６，４８のオンオフによるエネルギーロスを回避して前記通常制御を効率よく行うことを可能にする。
【００５９】
一方、前記フリーフォール制御を行う場合、前記フリーフォール制御部６０のフリーフォール制御モード判定部６２は、交流電動機１６の実際の回転速度Ｖと予め設定された定格速度Ｖ１との対比に基いて、通常フリーフォール制御を行うか降圧または昇圧制御を行うか、を判定する。具体的に、フリーフォール制御モード判定部６２は、前記回転速度Ｖが前記定格速度Ｖ１以下の場合は（ステップＳ５でＮＯ）通常フリーフォール制御部６４に通常フリーフォール制御を行わせ（ステップＳ６）、当該回転速度Ｖが当該定格速度Ｖ１を超える場合には（ステップＳ５でＹＥＳ）降圧制御部６５または昇圧制御部６６に降圧制御または昇圧制御を行わせる（ステップＳ９〜Ｓ１１）。
【００６０】
前記通常フリーフォール制御（ステップＳ６）は、制動操作器２３におけるブレーキペダル２８の踏込み操作量に基いて行われる。具体的に、通常フリーフォール制御部６４は、前記ブレーキペダル２８の踏込み操作量に対応した制動トルクを演算し、この制動トルクが得られるような回生電流制御を行う。この通常フリーフォール制御での回生電流制御は、専らインバータ３２を用いて行われ、昇降圧コンバータ３４は用いられない。すなわち、通常フリーフォール制御部６４は、この通常フリーフォール制御を行うにあたり、前記の通常制御時と同様、定常駆動回路３６のスイッチング素子５０をオンにして当該定常駆動回路３６を許容状態にするとともに、昇降圧コンバータ３４の各スイッチング素子４６，４８をオフに維持する。このことは、昇降圧コンバータ３４における各スイッチング素子４６，４８のオンオフによるエネルギーロスを回避して前記降圧制御及び昇圧制御以外のフリーフォール制御を効率よく行うことを可能にする。
【００６１】
前記回転速度Ｖが前記定格速度Ｖ１を超える場合であって（ステップＳ５でＹＥＳ）、当該回転速度Ｖが最大許容速度Ｖ２（＞Ｖ１）以下である場合（ステップＳ７でＹＥＳ）、前記フリーフォール制御モード判定部６２は、ブレーキペダル２８の踏込み操作の有無によって、降圧制御を行うか昇圧制御を行うかの判断を行う（ステップＳ８）。具体的に、前記フリーフォール制御モード判定部６２は、ブレーキペダル２８の踏込み操作がある場合（ステップＳ８でＹＥＳ）すなわちオペレータに電動ウインチの制動の意思があると判断される場合に、降圧制御部６５に降圧制御を行わせ（ステップＳ９）、前記踏込み操作がない場合（ステップＳ８でＮＯ）すなわちオペレータに電動ウインチの制動の意思がないと判断される場合に、昇圧制御部６６に昇圧制御を行わせる（ステップＳ１０）。
【００６２】
ステップＳ９において、前記降圧制御部６５は、次の降圧制御動作を行う。
【００６３】
ａ）定常駆動回路３６のスイッチング素子５０をオフにして当該定常駆動回路３６を阻止状態にする。
【００６４】
ｂ）昇降圧コンバータ３４の昇圧用スイッチング素子４４をオフに維持する一方で降圧用スイッチング素子４２をオンオフさせることにより、当該昇降圧コンバータ３４に降圧動作を行わせる。
【００６５】
ｃ）ブレーキペダル２８の踏込み操作量に対応した制動力（制動トルク）さらにはこれに対応する回生電流及び回生電圧を演算し、当該回生電圧を得るための前記降圧用スイッチング素子４４のオンのデューティ比を決定し、このデューティ比によって当該降圧用スイッチング素子４２をオンオフさせる。具体的には、ブレーキペダル２８の踏込み操作量が大きいほど、すなわち、指定される制動力が大きいほど、大きなデューティ比（スイッチング素子４４のオンのデューティ比）を設定する。すなわち降圧度合いを小さくする。
【００６６】
このように、昇降圧コンバータ３４の降圧回路としての機能を用いた回生制御（制動制御）は、交流電動機１６が定格速度Ｖ１よりも高い速度で回転していてインバータ３２のバッテリー側端子間電圧が高いにもかかわらず、バッテリー３０の端子間電圧を許容範囲内に抑えながらオペレータの意思に即した制動及び回生電力の蓄電（バッテリー３０の充電）を行うことを、可能にする。すなわち、前記フリーフォール動作では、吊り荷４がその自由落下での速度に近い速度で降下するため、通常の巻下げ作業に比べて交流電動機１６が回転する速度がきわめて高くなる可能性があり、この場合に交流電動機１６が発生させる回生電圧は、通常仕様のバッテリーの最大電圧を大きく上回ることになる。しかし、前記降圧回路を利用した回生動作は、インバータ３２からバッテリー３０に入力される電圧を適正に降下させて当該バッテリー３０等を有効に保護しながら、回生電力を回収することを可能にする。
【００６７】
一方、ステップＳ１０において、前記昇圧制御部６６は、次の昇圧制御動作を行う。
【００６８】
ａ）定常駆動回路３６のスイッチング素子５０をオフにして当該定常駆動回路３６を阻止状態にする。
【００６９】
ｂ）昇降圧コンバータ３４の降圧用スイッチング素子４２をオフに維持する一方で昇圧用スイッチング素子４４をオンオフさせることにより、当該昇降圧コンバータ３４に昇圧動作を行わせる。
【００７０】
ｃ）フリーフォール動作による交流電動機１６の回転速度Ｖに対抗してこの回転速度Ｖと等しい速度で交流電動機１６を回す（すなわち交流電動機１６に制動力を与えない）ために必要なインバータ３２の電圧を算定し、この電圧とバッテリー３０の最大電圧との差に相当する分だけ昇圧するのに必要な前記昇圧用スイッチング素子４４のオンのデューティ比を決定し、このデューティ比によって当該昇圧用スイッチング素子４４をオンオフさせる。具体的には、前記回転速度Ｖが大きいほど、大きなデューティ比（前記昇圧用スイッチング素子４４のオンのデューティ比）を設定する。すなわち昇圧度合いを大きくする。
【００７１】
この昇圧制御は、交流電動機１６が定格速度Ｖ１よりも高い速度で回転しているにもかかわらず、当該交流電動機１６からインバータ３２を経由してバッテリー３０に回生電流が流れ込むことに起因する制動力の発生を阻止または抑制することができ、これにより、制動を与えないというオペレータの意思に即した回転速度Ｖの確保を可能にする。
【００７２】
一方、前記回転速度Ｖが前記最大許容速度Ｖ２を上回る場合（ステップＳ７でＮＯ）、フリーフォール制御モード判定部６２は、前記ブレーキペダル２８の踏込み操作に関係なく降圧制御部６５に強制降圧制御を行わせる（ステップＳ１１）。この強制降圧制御は、前記フリーフォール動作によって交流電動機１６の回転速度Ｖが過度に上昇して当該交流電動機１６その他の構成要素を破損させることを未然に防ぐため、強制的に降圧制御すなわち回生制御を行って当該交流電動機１６に制動を与える制御である。従って、この強制降圧制御では、大きな制動トルクを得るための高いデューティ比（降圧用スイッチング素子４２のオンのデューティ比）が設定されることが好ましい。
【００７３】
以上のようにして、ステップＳ５〜Ｓ１１のフリーフォール制御動作が継続されるが、制御モード判定部５６は、そのフリーフォール制御動作中での運転状態が予め設定されたフリーフォール停止条件を満たしているか否かを監視し、満たしていると判断した場合に（ステップＳ１２でＹＥＳ）、フリーフォール制御を解除して制御モードを通常制御に切換える（ステップＳ４）。このフリーフォール停止条件は、前記フリーフォール開始条件の設定と同様のコンセプトで設定されることが可能であり、例えば次のような条件が設定される。
【００７４】
１）交流電動機１６の回転速度Ｖが予め設定された最小速度Ｖ０（例えば定格速度Ｖ１の１％の速度）以下まで低下したこと。
【００７５】
２）フリーフォール許可スイッチ２４がオン（フリーフォール許可）であること（前記ステップＳ１に対応）。
【００７６】
３）制動操作器２３のブレーキペダル２８がフル操作されていること、すなわち最も深い位置まで踏み込まれていること（前記ステップＳ２に対応）。
【００７７】
４）ウインチドラム１０について設けられたパーキングブレーキが作動していること（前記ステップ３に対応）。
【００７８】
本発明は、以上説明した実施の形態に限定されず、例えば次のような形態をとることが可能である。
【００７９】
１）昇圧回路は適宜省略可能である。例えば、前記実施の形態に係る昇降圧コンバータ３４に代えて降圧専用コンバータが駆動回路１８に含まれてもよい。
【００８０】
２）本発明に係るインバータ、降圧回路及び昇圧回路の具体的な構成は、前記実施の形態において示されるものに限定されない。これらの回路には、従来から知られている回路であって同等の機能を持つものが適用されることが可能である。また、定常駆動回路も、前記許容状態と前記阻止状態とに切換えられることが可能なものであれば、その具体的な構成は限定されない。
【００８１】
３）本発明に係る直流電源は前記バッテリー３０に限定されない。当該直流電源は、例えば、エンジンに直結された発電機または発電所から配電された系統電源とＡ／Ｄコンバータとの組み合わせであってもよい。この場合、生成された回生電力は敷地内での利用や、当該発電機または当該系統電源に接続された負荷への給電に利用されてもよい。
【００８２】
４）本発明に係る降圧判定速度及び昇圧判定速度は必ずしも前記定格速度Ｖ１に限られない。また、降圧判定速度と昇圧判定速度との間に差が与えられてもよい。例えば、両判定速度のうちの降圧判定速度が前記定格速度Ｖ１よりも低い速度に設定されてもよい。
【００８３】
５）本発明では、バッテリーへの過大の回生電力の導入をより確実に防ぐために当該バッテリーまたはコンデンサと並列に電力消費用の抵抗体が接続されることを妨げない。この場合、当該抵抗体と直列に、当該抵抗体への電流の導入をオンオフさせるスイッチング素子が配設されるのがよい。
【符号の説明】
【００８４】
１０  ウインチドラム
１６  交流電動機
１８  駆動回路
２０  コントローラ
２３  制動操作器
２８  ブレーキペダル
３０  バッテリー（直流電源）
３２  インバータ
３４  昇降圧コンバータ（降圧回路及び昇圧回路）
３６  定常駆動回路
５０  スイッチング素子
５２  ダイオード
６０  フリーフォール制御部
６２  フリーフォール制御モード判定部
６４  通常フリーフォール制御部
６５  降圧制御部
６６  昇圧制御部
【図１】
0006367080.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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