小型クレーンの製作とシーケンサによる振れ制御手法の検討
新村大起*1・三谷祐一朗*1
Experimental production of a compact crane and investigation of the sway control
method using a sequencer
SHIMMURA Hiroki*1, MITANI Yuuichiroh*1
Abstract: This study is to investigate the effectiveness of using a sequencer for sway control ofrotary cranes. There are two motivations for undertaking this work. The first motivation is the
proposal from Mitsubishi Electric in August 2020 to utilize practical control equipment for theeducation of Numazu KOSEN students. It is beneficial for KOSEN students to utilize sequencers
to study industrial control systems because sequence control technology is widely applied in the
manufacturing industry. The second motivation is to improve the motion of the compact rotary
crane, which was built as an exhibit for the "International Skills Festival for All, Japan 2007"
by the 5th-grade students of Numazu KOSEN in 2007. The refined compact rotary crane using
Mitsubishi Electric products demonstrated quick motion with high accuracy and sufficient
suppression of the sway motion.
Key Words: Rotary crane, Sequencer, Wireless signal transmission, Sway control, Manufacturing industry

１．緒言

好ましい成果は得られなかった．
2020 年 10 月，沼津高専制御情報工学科の教員からの紹介

2007 年 11 月，
ユニバーサル技能五輪国際大会が開催され，で，三菱電機株式会社（以下，三菱電機と称す）より，三菱

沼津市門池地区として設置された大会会場と共に，沼津高専

電機の FA 制御機器を教育や研究に活用してほしい，というもその会場となった．そこでその年，沼津高専機械工学科の相談があった．2013 年度より三谷は，オムロン・高専機構共アピールできる製作物として何が良いか，4，5 年生全員にア

同プロジェクトのメンバーとして，
全国高専生を対象とした，ンケート調査を行い，小型クレーンを設計・製作することが生産システムにおける実践的な制御教育を担ってきたが[2][3]，決定した．当時の 5 年生の有志が協力し，構想，設計，モー

オムロン株式会社の制御機器以外を取り扱った経験はなく，タや部品の購入，製作を行い，沼津高専にて展示した[1]．多く

ここで受けた相談は大変興味深いものであった．
そこで 2021の来場者が訪れ，製作を担当した学生が説明を行った．来場

年，ユニバーサル技能五輪の展示用として製作した小型クレ

者には大変好評で，小型クレーンの写真を撮っていく人も見ーンの動力を三菱電機の制御機器にすべて取り換え，荷振れられた．技能五輪終了後もその小型クレーンは，2012 年度ま制御を検討することとした．なおその際，必要な制御機器はで毎年，沼津高専における「一日体験入学」や「高専祭」に三菱電機より無償で借用させて頂いた．

て展示され，小学生や中学生，特にその付き添いで来場した
父親に，大変好評であった．また 2009 年度には，社団法人

２．小型クレーンの制御のために借用した機器

日本機械学会東海支部主催の「小・中学生のためのハイテク

まず，小型クレーンの動力や制御系をすべて交換するに際イベント」（産業技術記念館：名古屋市）にて展示した実績もし，三菱電機より借用した製品を表１に示す．2020 年 10 月

ある．しかしそれらの展示の際に常に感じていたことは，クの，三菱電機との打ち合わせにおいては，これまでに教育実

レーンにぶら下げた吊り荷がクレーンの動作時に揺れて危険

績のある，2 軸直交ステージおよび画像センサを用いたアラなことがあり，
その振動を抑制したい，ということであった．

イメント装置の製作を想定しており，その製作に必要な制御クレーンの動力源には DC サーボモータを使用しており，機器を借用した．しかしその後，上述した状況を振り返り，2009 年度より 4 年間にわたり，吊り荷の動作を検知するセ

しばらく活用していなかった小型クレーンの改良のために使ンサを取り付けることで，フィードバック制御を試みたが，用することとした．したがって借用品の中には，小型クレーンの制振には不要な制御機器が含まれている．

*1 機械工学科 Department of Mechanical Engineering

タドライバを A フレーム中央部に搭載している．クレーン本

表１ 借用品一覧
製品名

形名

台数

体は，アルミフレームを用いたベースに固定されている．ベ

iQ-R 電源ユニット

R61P

1

ースにシーケンサユニット，マスターユニット，変圧器など

iQ-R 基本ベース

R35B

1

取り付けることで，持ち運びや設置が容易な構造とし，

iQ-R シーケンサ CPU※

R04CPU

1

GOT2000 を用いて操作を行うようにした．表 2 に，今回使

iQ-R モーションユニット

RD78G41

用した主要部品を記す．なお，ここに記した部品以外にも適iQ-R 入力ユニット

RX40C71

宜，ケーブルや端子などの部品の追加や交換を行った．

iQ-R 出力ユニット

RY40NT5P

1

GOT2000 本体

GT2510-VTBA

1

MELSOFT GT Works3

SW1DND-GTWK3-JC

1

MELSOFT GX Works3

SW1DND-GXW3-JC

1

モータドライバ

サーボアンプMR-J5-10G

2

A フレームサーボアンプMR-J5-20G

1

サーボモータHK-KT053W

2

サーボモータHK-KT1M3W

1

モータケーブル

MR-AEP1CBL2M-

3起伏ワイヤ(4本)

巻上ワイヤ(4本)

A2-L
CC-Link IE フィールドネッ

SC-E5EW-S1M

3

AS200M-561-50

1

BKT-2000-ADAPT-

1

マスターユニット

ジブ
変圧器

トワークケーブル（屋内用）
AlignSight 130 万画素

スレーブユニット

モノクロカメラカメラ固定用ブラケット

ベース

シーケンサ

図１ 製作した小型クレーン
00

Ethernet ケーブル

CCB-84901-2001-

105
ブレークアウトケーブル

CCB-PWRIO-05

1

白色照明

IFS-2000-

1

HBRING-WH
S マウントレンズ

LM12-08-01-F25

1

DC 電源

ACC-24I

1

DC 電源用 AC コード

CBLI-24VDJP

1

アナログ－デジタル

R60AD41

起伏ウインチ

焦点距離 8mm
旋回モータ

巻上ウインチ

図２ 駆動機構

変換ユニット※シーケンサ(Sequencer)は PLC(Programmable Logic Controller)を指す．

３．実験装置の製作

表２ クレーンに使用した主要部品
使用場所

製品名

形名

台
数

図 1 に，改良した小型クレーン（以下，新クレーンと称す）の概略図を示す．2007 年に製作された小型クレーン（以下，
旧クレーンと称す）は，最大吊上げ荷重 10kgf としてフレームが設計されていた．そのフレームに対し，改良や制振に必要な機器の取り付けを行った．図 2 に，駆動機構部を示す．
クレーンの旋回部，送信ユニット巻上ウインチ，ジブ起伏ウ
インチには，それぞれ AC サーボモータを用いており，モー

メイン制

iQ-R 電源ユニット

R61P

1

御部

iQ-R 基本ベース

R35B

1

iQ-R シーケンサ CPU

R04CPU

1

iQ-R モーションユニッ

RD78G4

1

RX40C71

トiQ-R 入力ユニット

iQ-R 出力ユニット

RY40NT5P

1

表 3 に，設置した AC サーボモータの仕様を記す．ここでアナログ－デジタル変換

R60AD41は２種類のモータを使用し，定格出力 0.15kW のモータは，
最もトルクを要する旋回部に用いた．

ユニット
サーボアンプMR-J5-10G

2

サーボアンプMR-J5-20G

1

サーボモータHK-KT053W

サーボモータモータケーブル

表３ AC サーボモータの仕様
型番

定格

定格

最大

定格

最大

2

出力

トルク

トルク

回転速

回転速

HK-KT1M3W

1

[kW]

[N･m]

[N･m]

度

度

MR-

3

[rpm]

[rpm]

AEP1CBL2M-

HK-

A2-L

KT053W

CC-Link IE フィールドネ

SC-E5EW-

ットワークケーブル（屋

S1M

3

HK-

0.05

0.16

0.56

3000

6700

0.15

0.48

1.7

3000

6700

KT1M3W

内用）
Ethernet ケーブル

CCB-84901-

1

2001-05
ステップアップトランス（有）春日

旧クレーンでは，旋回ギヤと AC サーボモータのピニオン
1

減速比 i は式(1)のように計算される．

BS-1500UP
MELSOFT GT Works3

SW1DND-ェア

ギヤとが，減速機を介さず動力伝達を行っていた．旋回ギヤの歯数 Z1 は 110，ピニオンギヤの歯数 Z2 は 15 であるため，

無線変圧器

ソフトウ

３．１ 旋回部減速機構の設計

1

GTWK3-JC
MELSOFT GX Works3

SW1DND-1𝑖=

𝑍1 110== 7.333 ⋯ ≅ 7.3
𝑍2
15

(1)

GXW3-JC
操作パネ

GOT2000 本体

GT2510-

ル

1

最大旋回速度を 10rpm に設定した場合，モータに求められる最大回転速度は 10×7.3 =73rpm となる．
ここで用いた AC

VTBA
1

サーボモータの定格回転速度は 3000rpm であり，減速比にマスター

ESP32-DevKitC-VE

ESP32-

ユニット

ESP32-WROVER-E 開発ボー

DevKitC-

よってモータに求められる最大回転速度に対し，モータの定

ド 8MB

VE(8MB)

格回転速度が大きく，そのままではモータの性能を有効に活MCP4726 搭載 12 ビット

AE-MCP4726

3

用できない状況であった．また減速比が小さいため，モータに必要なトルクが非常に大きく，三菱電機製ソフトウェア

D/A 変換モジュール
ESP32-DevKitC-VE

ESP32-

ユニット

ESP32-WROVER-E 開発ボー

DevKitC-

機能を用いた場合，吊り荷のない状態での負荷慣性モーメン

ド 8MB

VE(8MB)ト比 M1 が 300 倍以上と推測され，推奨最大値 Mmax である

LSM9DS1 使用 9 軸センサ

AE-

モジュール

LSM9DS1-を用いて減速比を大きくする必要があった．しかし，クレーI2C

ン本体に加えて，荷物における任意の初期状態からの，旋回

モバイルバッテリー

PowerCore

1MELSOFT MR Configurator2 によるモータのチューニング

スレーブ

1

2

20 倍を大幅に超える結果となった[4]．したがって，減速機構

時負荷慣性モーメント値を求めることは一般に困難である．
ここでは，荷振れ制御を行うことを考慮し，負荷慣性モーメ

10000
電磁石

-

2

ント比に充分余裕を持たせる設計とした．まず，吊り荷の無昇圧型スイッチング電源

AE-1い状態で，負荷慣性モーメント比を 20 倍以下にするには，

モジュール

LMR62421

減速比は以下の式(2)を満たす必要がある．

LMR62421 使用キット(最大 24V 出力)
NPN トランジスタ
3A

𝑖>
40V

2SC3422-Y

1

𝑍1 𝑀1
110 300∙=∙= 110
𝑍2 𝑀𝑚𝑎𝑥
15 20(2)

次に，吊り荷の搬送時における振れの大きさを想定し，減速比は，それに対処できると考えられる設計とした．ただし，
旧クレーン本体に搭載可能な大きさの減速機構を検討する必𝑇𝑟 =𝐹
1 𝑑 1.38
1530∙𝑔∙ ∙ =
∙ 9.8 ∙∙
4𝑖 2
463 2 ∙ 103(4)= 0.012075 ⋯ ≃ 0.012 N･m

要があり，図 3 に示す機構に決定した．この機構における減速比の計算を式(3)に示す．式(2)の値を充分に上回っており，
妥当な減速機構と判断した．

AC サーボモータの定格トルクは 0.16N･m であり，荷振れによるワイヤ張力の増加にも充分対処可能と判断した．また，
ワイヤロープに加わる張力 T [N]は以下の式(5)で表される．

15T
80T
𝑇=

𝐹
1.38
∙𝑔=
∙ 9.8 = 3.381 ≃ 3.4 N
4
4

(5)

70T
ワイヤロープの直径は 0.81mm であり，耐荷重は 90N であ

旋回モータ

15T

15T

るため，こちらも充分な余裕があるといえる．

110T

３．２．２ ジブの起伏ウインチ
図 1 に示したように，ジブ起伏ウインチから伸びるワイヤ
ロープは，A フレーム上部に取り付けられたシーブ，ジブ先

図３ モータの仕様により設計した減速機構

端に取り付けられたシーブを介してジブを起伏させる．ここ
で，ワイヤロープに最大の張力がかかるのはジブ角度が最小Z1 Z3 Z5 110 80 70
i= ∙ ∙ =∙∙= 182.5185 ⋯Z2 Z4 Z6
15 15 15(3)

≅ 182.5
３．２ ウインチ機構の設計
旧クレーンのスレーブユニット巻上動作および，ジブ起伏
動作は，ウインチ機構となっていた．動力源である AC サー
ボモータの仕様に合わせ，ウインチの減速比の計算を行った．
詳細を以下に述べる．

の時であり，本クレーンにおける最小角度は θ=0 度(水平)である．このとき，ワイヤロープとジブの角度は 20 度である．
ジブ角度が 0 度の時，ジブの自重によってジブ先端のシーブに作用する荷重は 1.05kg である．巻上荷重は 1.38kg である
ため，起伏時にかかる垂直方向の荷重は，その合計の 2.43kgとなる．３．２．１にて述べたように，ワイヤロープ 1 本にかかる張力は 1/4，ウインチの減速比 i は 63:15，ウインチのドラム径 d は 30mm であるので，AC サーボモータにかかる
トルク Tr [N･m] は，以下の式(6)で表される．

３．２．１ スレーブユニットの巻上ウインチ
図 1 に示したように，スレーブユニット巻上ウインチから𝑇𝑟 =伸びるワイヤロープは，ジブ先端およびスレーブユニットに取り付けた複数のシーブを介し，フレームに固定されている．
これにより，スレーブユニットは 4 本のワイヤロープにより支持され，したがって巻取りウインチにかかる荷重は，スレ

=

𝐹
1
1 𝑑
∙
∙𝑔∙ ∙
4 𝑠𝑖𝑛 𝜃
𝑖 2

2.43
1
15
30
∙
∙ 9.8 ∙∙
4 𝑠𝑖𝑛 2063 2 ∙ 103(6)= 0.0622 ⋯ ≃ 0.062 N･mーブユニットとワークの合計重量の 1/4 となる．また，ウインチの減速比 i は 63:15 であり，ウインチのドラムの直径 d

AC サーボモータの定格トルクは 0.16N･m であるため，問題は 30mm である．
スレーブユニットの重量は 0.78kg であり，ないといえる．また，このときワイヤロープに加わる張力 T

ここで想定するワークの最大重量が 0.6kg であるので，巻上[N]は以下の式(7)で表される．

荷重はその合計の F=1.38kgf となる．このとき，AC サーボ
モータにかかるトルク Tr [N･m]は，以下の式(4)で表される．
ただし，ワイヤの重量は無視できるものとし，重力加速度は

g=9.8m/s2 とする．

𝑇=

𝐹
1
10
1
∙
∙𝑔 =
∙
∙ 9.8
4 𝑠𝑖𝑛 𝜃4 𝑠𝑖𝑛 20

= 9.8854 ⋯ ≃ 9.9 N(7)ワイヤロープの直径は 0.81mm であり，使用荷重は 90N で荷振れを検知するセンサとして，ST マイクロの複合センサあるため，充分な余裕があるといえる．

LSM9DS1（以下，多軸センサと称す）を用いた．スレーブユ
ニットのマイコンと多軸センサ間は I2C 通信を行っており，

３．３ 制振制御プログラムの概要

10ms ごとに多軸センサから角加速度・加速度値それぞれ 3

本クレーンは，三菱電機のシーケンサユニットを用いて運軸の情報が取得できる．センサにより取得した数値は，マス転しており，シーケンサのプログラムには GX Works3 を用

ターユニットのマイコンと Bluetooth 通信により伝達した．

いている．主に FBD (Function Block Diagram)を用いておマスターユニットは角加速度，加速度値から Madgwick フィ

り，一部に ST (Structured Text) 言語を使用して制御用プロルタを用いて吊り荷の姿勢角度を算出しており，
姿勢角度は，

グラムを作成し，シーケンサに実装した．図 4 に，プログラ

ピッチ角，
ロール角，
ヨー角の 3 軸の角度によって表される．

ムの動作概要を示す．各軸始動後，アナログ－デジタル変換

図 5 に，吊り荷を鉛直方向より約 12.7 度傾けた状態から，自ユニットに入力されたセンサの姿勢角度信号から，適切な速由振動させた際のロール角の時間的変化を示す．算出された度や加速度などを制御理論に基づき計算し，サーボドライバ

振れ角度の最大値および最小値が，傾けた角度とほぼ同じでに対してシーケンサより運転命令を与えている．

あること，振れ角度に低周波成分によるドリフト現象が生じていないことから，この信号を荷振れ角として用いることとした．

図４ 制振制御プログラムの動作概要
３．４ マイコンを用いた吊り荷の姿勢角度の測定
フィードバック制御を用いた荷振れ制御を行う際，吊り荷の振れ角や振れ方向を取得する必要がある．そこで，吊り荷に角加速度センサまたは加速度センサを取付け，吊り荷の姿

図５ Madgwick フィルタによる姿勢角度の算出
３．５ マスターユニットとシーケンサユニットの通信
マスターユニットからシーケンサユニットへの信号の伝達には，アナログ通信を用いた．これは，マイコンとシーケン
サとをデジタル通信により接続することが困難であったため

勢角度を計算し，フィードバックすることを検討した．しかである．マスターユニットに搭載した D/A コンバータ（以下，し，有線による信号通信を行った場合，巻上ワイヤと平行しDAC と称す）を用いて， 吊り荷の姿勢角度をアナログ信号て取り付けた信号線に屈曲が生じる．これにより，巻き上げ時および旋回時において，吊り荷に不規則な動作が生じ，荷振れ制御に支障が出ることが想定されたため，センサ信号を無線通信により取得することとした．吊り荷をぶら下げるワとして，シーケンサに接続したアナログ－デジタル変換ユニットに入力した．スレーブユニットにて取得したセンサ信号
を，シーケンサに伝達し，サーボモータを運転する無線フィードバックシステムにおける処理の流れを図 6 に示す．

イヤ先端部に，センサやその電源，およびマイコン等を含む
センサ信号送信用としてのスレーブユニットを設置した．また，クレーンの土台にもマイコン等を取り付け，受信用マスターユニットとし，マイコン同士で相互に通信を行うことでセンサの情報を取得した．
マイコンは，Espressif Systems の ESP32-DevKitC-VE を用いており，Arduino IDE を用いてソースコードを記述した．
図６ 無線フィードバックシステム

スレーブユニットの姿勢角度は 3 軸の角度によって表されピンを，pinMode (pin, INPUT_PULLUP) を実行するため，マイコンとシーケンサユニットの通信は，DAC（形式 MCP4726）を 3 台使用した．また図 7 に示すように，マることで入力ピンとして設定する．
(3)

イコンと DAC との通信に用いている I2C 通信においては，

I2C 通信を行い，スレーブ（DAC）から姿勢角度をア
ナログ信号として出力する．

マスター（マイコン）に対し，それぞれのスレーブ（DAC）

上記の手順を 3 回繰り返すことで，それぞれの DAC から 3

より，2 本の信号線で接続されており，それぞれデータ入出

軸の姿勢角度を出力することができる．以下に，センサ信号

力（SDA），クロック（SCL）の役割を担っている．

処理を実現するに際し，実施した工夫等を述べる．
①

DAC は，シールド線を用いてアナログ－デジタル変換
ユニットに接続した．

②

使用した DAC は，出力電圧が 0～5V であったが，姿
勢角度は 0 度を原点として変化するため，負の値を伝達する必要があった．そこで姿勢角度が 0 度のとき，
DAC の最大出力の 50%を出力し，姿勢角度が 180 度/180 度のときに，最大/最小出力とした．

図７ I2C 通信によるマスターとスレーブの接続③

クレーンの電源投入時，DAC の最小出力電圧，最大出ここで通常は，マスター側が，通信対象のスレーブが持つ力電圧をアナログ－デジタル変換ユニットに入力するアドレスと送信情報とがセットになった信号を，全てのスレことで，シーケンサは 180 度/-180 度での電圧を把握でーブに対して送信し，対象となるアドレスを持ったスレーブ

きる．

のみが，その信号に対して応答するという処理が一般的であ

④

算出した．

る．しかし，ここで使用した DAC はアドレスが同一である
ため，3 台の DAC からの信号を区別できない．そこで，各⑤

アナログ－デジタル変換ユニットの入力レンジは 0～
5V とした．

DAC の信号線に対して，マイコン側から適切にスイッチングを行い，通信対象の DAC 以外の DAC に信号が伝達されな入力された電圧が，最大電圧の何割かを計算し，角度を⑥

DAC からの信号にノイズが乗ることを考慮し，アナロ

いように工夫した．回路図を図 8 に示し，そのための具体的

グ－デジタル変換ユニットでの A/D 変換制御の方式は，な方法を以下に述べる．

10ms 周期で角度を出力していることから，10ms の時間平均とした．
３．６ 電磁石を用いたワークの搬送
通常，クレーンによる吊り荷の搬送の際は，ワイヤに取り付けたフックを用いるが，本研究では，吊り荷の把持および目標地点へ置く作業を自動化することを考え，スレーブユニ
ットに電磁石を搭載し，GOT2000 からの操作で ON/OFF を切り替えるようにした．ただしその際は，吊り荷は磁性体に限定される．シーケンサユニットからマスターユニットに電磁石の ON/OFF の情報を伝達するための信号処理方法を以下に述べる．

図８ マスターユニットの回路図(1)

信号の送信対象ではないスレーブの SDA が接続された ピ ン を ， デ ジ タル 入 出 力関 数 pinMode (pin,(1)

接続した 24V のリレーを ON にする．
(2)の状態にする．
(2)

信号の送信対象であるスレーブの SDA が接続されたリレーに接続したマスターユニットのマイコンに，電圧（3.3V）が印加され，マイコンが電磁石を ON にOUTPUT) を 用 い て 出 力 ピ ン と し て 設 定 し ，digitalWrite (pin, HIGH) を実行することで HIGH

GOT2000 を操作することで，iQ-R 出力ユニットにする指令を認識する．
(3)

マスターユニットがスレーブユニットと無線通信を行う際に，スレーブユニットに ON/OFF の情報を伝
達する．

(4)

スレーブユニットのマイコンが，電磁石を駆動する回(2)

路を ON にすることで，電磁石に電圧が印加される．
なお，定格が 12V の電磁石を使用したが，12V を印加する信号から，巻上ワイヤの長さを求める．
(3)

確認した電圧 8V に抑えた．電磁石の電源としてモバイルバ

事前に，巻上ワイヤ長に対する荷振れの周期を測定し，(2)で求めた巻上ワイヤの長さより，現在の荷振れ周期とスレーブユニットのフレームに使用した樹脂（PLA）が熱により変形したため，ここでは，熱により変形しないことを

巻上ウインチに使用している巻上モータのエンコーダ

T[sec]を算出する．
(4)

式(8)を用い，クレーンに要求される旋回角加速度𝜔̇[deg/s2]を導出する．

ッテリーを使用しており，その出力電圧 5V を昇圧型スイッ
チング電源モジュールによって約 8V に昇圧して用いた．なお，ここで使用したモバイルバッテリーは，一定時間負荷が𝜔̇ =ない場合，給電を自動停止する仕様になっており，電磁石をOFF にして時間が経過すると，電磁石を駆動する回路が停止する問題があった．そこで，電磁石の駆動回路と並列に抵抗(5)は 0 とした．

抗値は 44Ω程度が最大値であったため，
220Ωの抵抗を 5 個，

力電圧 V)2 / 抵抗値 R = (5.2V)2 / 44Ω ≒ 0.615W であり，5 個の抵抗それぞれおける電力 = 全体の電力 / 個数 =0.615 W/ 5 = 0.123W と求まるので，使用した抵抗の定格電力 1/4 (=0.25) W の半分以下であり，問題ないといえる．
４．フィードフォワード制御による荷振れの抑制
４．１ シーケンサにおける制御のための処理
Bang-bang 制御理論を用い，クレーン旋回時にフィードフ

導出した角加速度値を用い，ファンクションブロック
なお，モータの減速度は加速度と同一であり，ジャークリーに負荷がかかるようにした．なお，負荷として必要な抵たすためである．つまり，抵抗における電力 = (バッテリ出(8)

MC_MoveAbsolute によって，クレーンを旋回させる．

を接続し，電磁石を OFF とした場合でも，モバイルバッテ

並列接続とした．これは，用いた抵抗の定格電力 1/4W を満𝜃
𝑇2

４．２ フィードフォワード制御実験
前節に述べた制御方法を用い，クレーンを 40 度旋回させた際の荷振れを測定した．図 10 に結果を示す．赤と黒の実
線がそれぞれ，フィードフォワード制御を行った場合の，吊り荷の加速度の絶対値およびクレーンの旋回速度，青と黒の破線が，フィードフォワード制御を行わずに等しい時間をかけてクレーンを旋回した場合の，それぞれの結果である．フィードフォワード制御を行うことで，吊り荷の振れが 1/3 程度に抑制されたことがわかる．

ォワード制御を行った[5]．すなわち，吊り荷の振れ周期 T[s]と等しい時間で，クレーンのブームの旋回方向における等角
加速・減速度運動を行い，荷振れの抑制を図った． 図 9 に
Bang-bang 制御を行った際の，ブームの角速度の時間変化を示す．なお，この時の加速度は，ブームの目標旋回角度より決定した．

図１０ フィードフォワード制御の結果
５．フィードバック制御による残留振動の制振
図９ Bang-bang 制御時の角速度の時間変化

５．１ シーケンサにおける制御のための処理
吊り荷角度の直接速度フィードバック制御を用い，クレー
ン旋回後の残留振動の制御を行った．スレーブユニットの振シーケンサにおいて，次に示す処理を順に行い，旋回モータを駆動した．
(1)

旋回モータのエンコーダから，クレーンの現在の旋回角度を取得し，目標旋回角度との差から，必要な旋回角度
θ[deg.]を計算する．

れ角にフィードバックゲインを掛け，旋回角速度の目標値とすることで制振効果が得られる．シーケンサでは，以下に示す処理を行い，旋回モータを駆動した．
(1)

アナログ－デジタル変換ユニットに入力された電圧か

(2)

(3)

ら，吊り荷の振れ角を計算する．

ーボモータから AC サーボモータに取り換え，AC サーボモ

吊り荷のロール角は，クレーン旋回円の接線方向の角度

ータの性能を十分に発揮する改良設計を行った．改良したクであり，旋回時における吊り荷の振れ角とほぼ一致する．

レーンの動作性能を確認するために，クレーンの動作軌道を

ここでは，ロール角を振れ角とみなし，その値にフィー生成することで，吊り荷の振れを抑制することができる，フドバックゲインを掛け，旋回モータにおける目標旋回速

ィードフォワード制御を試みた．旋回運動における加速度制度とする．

御を行うことで，クレーンが旋回して停止した際の荷振れを得られた目標旋回速度を用い，
ファンクションブロック

充分に抑制できることを確認した．

MC_MoveVelocity によって，クレーンを旋回させる．

次に，マイコンを用いた無線通信によって吊り荷の振れ角

また，なお，MC_MoveVelocity における目標値の連続を三菱電機の制御機器にフィードバックし，クレーンを駆動

更新を有効に設定し，クレーンが滑らかに動作するようするシステムを構築した．旋回動作終了時の吊り荷の残留振にした．また，モータの加速度，減速度，ジャークは動を抑制することを目指して，旋回動作を直線運動に近似し，25000 に設定し，その際のバッファモードは 0 とした．

振れ制御を行った．吊り荷の直接速度フィードバック制御を用いることで，残留振動を充分に抑制することにも成功した．

５．２ 残留振動のフィードバック制御実験

今後は，制御手法を旋回運動に拡張し，2 次元的な吊り荷上記の制御方法を用い，吊り荷における残留振動のフィーの制振技術について検討する．まずは旋回運動後の，旋回平ドバック制御実験を行った．吊り荷が静止した状態から 30

面内における残留振動を抑制する．本報で述べた，吊り荷の度クレーンを旋回させることで吊り荷に揺れを与え，旋回が直接速度フィードバック制御則を利用し，クレーンの旋回運終了してクレーンが停止した 3 秒後に制御を開始した．その動と同時に，ブームの上下運動と吊り荷の巻き上げ・下ろし

ときの，吊り荷のロール角の時間変化を図 11 に示す．赤と黒動作とを組み合わせることで，平面内での制振が可能と考えの実線がそれぞれ，制御を行った場合のセンサのロール角おている．ただしその場合，吊り荷の制振後の位置は制御できよびクレーンの旋回角度であり，青と黒の破線が制御を行わず，目標位置に吊り荷を搬送することができない．そこで次なかった場合である．7 秒付近から制御を開始しており，そのステップとして，クレーンの位置制御を考慮した制振制御

れ以降ロール角が急激に減少し，振幅は 1/15 程度に抑制され則を構築し，シミュレーション及び実験にてその効果を検証ていることが分かる．すなわち，十分な残留振動の制御効果する予定である．

が確認できたといえる．

謝辞
本研究のために，多くの制御機器を無償で貸し出して頂いた，三菱電機 FA システム事業部の方々に感謝申し上げます．
参考文献
[1]

望月一輝, 三谷祐一朗, PSoC マイコンを用いた小型ク
レーンの製作と制御，日本機械学会東海学生員卒業研究

制御開始

発表講演会講演前刷集，pp.124-125，(2007)[2]

図１１ フィードバック制御の結果

生産技術コンテストによる PBL 型次世代技術者養成プ
ロジェクト，公益社団法人日本設計工学会 学会誌「設６．結言2020 年度の，三菱電機からの制御機器を高専における教三谷祐一朗，谷埜博基，堀純也，金田直人，高難易度な

計工学」，51 巻，10 号，pp.737-746，(2016)[3]

Y. Mitani, Y. Kami, T. Sato, Y. Nishi, Educational Training

育・研究に活用してほしいという要望を受け，2007 年度に開Japan-Korea Joint Program for the Manufacturing Control

催されたユニバーサル技能五輪国際大会の展示用として製作

System, The 10th International Symposium on Advances in

された小型クレーンの制御部および駆動部を改良した．三菱

Technology Education, (2016)

電機製のシーケンサをはじめ，サーボモータやドライバ，入[4]

出力ユニット等を活用し，2007 年に製作されたクレーンの動作効率や精度を飛躍的に向上させ，吊り荷の制振に成功した．
まず，小型旋回クレーンの駆動部のモータをすべて，DC サ

三菱電機株式会社，MR-J5 ユーザーズマニュアル（調整編）[5]

吉田，十河，クレーンのリアルタイムバンバン制御，総合工学，第 22 巻，pp.1-6，(2010)