JPH09110298A - スピンドル駆動型巻取機の制動方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 回生制動時に過電圧によってインバータの周
波数出力機能が停止するのを防止することができると共
に、スピンドル、接触ローラの回転停止までの制動時間
を短くすることができるスピンドル駆動型巻取機の制動
方法を提供することである。 【解決手段】 スピンドル２、接触ローラ５を駆動する
電動機３、６をインバータ７、８によって制御する巻取
機において、前記インバータ７、８によって前記電動機
３、６に制動をかけて減速させる際、制動経過時間に対
して減速速度が上に凸な関数曲線となるように回生制動
を作用させて回転を減速・制動するようにしてある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はスピンドル駆動型巻
取機の制動方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、巻取機の回転を停止させる方法と
しては、例えば特開平２−８１５２号公報に記載されい
るような電気制動と機械制動を組合わせた回転停止方
法、あるいは特公平３−７５４７１号公報に記載されて
いるようなスピンドル駆動用の電動機を制御するインバ
ータを用いてスピンドルの回転数または巻径に関する関
数１速度勾配を変える回生制動方法が提案されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】前者の電気制動と機械
制動を組合わせた回転停止方法では、機械制動の作動回
数が多くなるとブレーキシューやブレーキパッドが磨耗
して度々交換しなければならないと共に、磨耗粉によっ
てパッケージが汚染されるという問題がある。

【０００４】後者のスピンドルの回転数または巻径に関
する関数で速度勾配を変える回生制動方法では、該速度
勾配が図５（５−１）に示すように速度勾配一定の直線
減速の状態になるため、制動開始直後の高速度時に電動
機から大きな回生電力がインバータに戻されると、回生
制動能力の余裕度が少なくなり、インバータが過電圧ト
リップして周波数出力機能を停止してしまうという問題
がある。

【０００５】また、直線減速の状態では電動機よりイン
バータに戻ってくる回生電力は高速度では大きく、低速
度になるに従って小さくなる。

【０００６】ところがインバータの回生制動抵抗の容量
は高速度時の回生電力に基づいて選定されているため該
回生制動抵抗容量を有効に活用できないという問題があ
る。

【０００７】その上上述の各制動方法においてはスピン
ドルや接触ローラの高速回転時の風損を主体とする大き
な機械損を制動力に有効活用することが考慮されていな
い。

【０００８】本発明は回生制動時にインバータを過電圧
トリップによって周波数出力機能が停止するのを防止す
ることができると共に、スピンドル、接触ローラの回転
停止までの制動時間を短くすることができるスピンドル
駆動型巻取機の制動方法を提供することを目的とするも
のである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上述の課題を解決するた
めに本発明のスピンドル駆動型巻取機の制動方法は請求
項１のようにインバータによって電動機に制動をかけて
減速させる際、制動経過時間に対して減速速度が上に凸
な関数曲線となるように回生制動を作用せしめるように
してある。

【００１０】また、請求項２のように関数曲線を、回生
制動直前の運転速度をＶo ［Km／min ］、制動経過時間
をｔ［sec ］、回生制動時間をＴ［sec ］、定数をｋ
（１＞ｋ≧１／２）として、回生制動中の指令速度（Ｖ
s ）を計算式 Ｖs ＝Ｖo （１−ｔ／Ｔ）^ｋによって算
出して設定するようにしてある。

【００１１】上述の回生制動時間（Ｔ）は、予め、回生
制動直前の保有運動エネルギーと制動力に基づいて算出
し、該回生制動時間を基にして糸条の巻取制動を繰返し
行なって最適回生制動時間を見出す。

【００１２】さらに、請求項３のようにインバータの低
速度周波数領域において回生制動から直流制動に切替え
るようにすることもできる。

【００１３】

【発明の実施の形態】図１は本発明のスピンドル駆動型
巻取機の構成の一実施例を示す概略図であって、スピン
ドル駆動型巻取機は駆動の電動機３を有し機枠１に回動
自在に取付けられたチューブ装着用のスピンドル２と、
機枠１に形成された案内杆に沿って垂直方向に昇降する
可動枠体４と、駆動用の電動機６を有し該可動枠体４に
回転自在に取付けられた接触ローラ５と、該可動枠体４
に一体的に取付けられたトラバース装置（図示せず）
と、上述の電動機３、６に所定の周波数を供給するイン
バータ７、８と、入力手段１０を有し該インバータ７、
８に制御信号を送る制御装置９とにより構成されてい
る。

【００１４】上述の電動機３、６は誘導電動機を使用す
ることができる。

【００１５】上述のインバータ７、８には回生制動時の
回生電力を消費させるための回生制動抵抗器１１、１２
が設けられていると共に、交流電源１３が接続されてい
る。該インバータ７、８は所定の低速度領域になると、
回生制動から直流制動に切替え可能な直流制動機能を備
えたものを使用する。

【００１６】上述のスピンドル２および接触ローラ５の
近傍には夫々回転検出器１４、１５が設けられており、
該回転検出器１４、１５の検知信号が制御装置９に送ら
れるようになっている。

【００１７】上述の制御装置９は、速度制御、シーケン
ス制御を行なう主制御部９ａと、制動制御部９ｂと、速
度制御から制動制御に切替える切替スイッチ９ｃ、９ｄ
と、入力機能、記憶機能、比較演算機能、動作指令機能
等を有するマイクロコンピュータあるいはプログラマブ
ルロジックコントローラＰＬＣとにより構成されてい
る。

【００１８】該切替スイッチ９ｃ、９ｄは主制御部９ａ
からの切替信号に基づいて回路が切替わるようになって
いる。

【００１９】上述の巻取機における満巻パッケージ状態
のスピンドル、空チューブの状態のスピンドル２、ある
いは接触ローラ５の制動開始前の保有運動エネルギーＥ
［Ｊ］は、慣性モーメントをＩ［Kg・m ² ］、角速度を
ω［ｒａｄ／ｓｅｃ］、円周率をπ、はずみ車効果をＧ
Ｄ² （ＧＤ² ＝４Ｉ）［Kg・ｍ² ］、回転数をＮ［ｒ．
ｐ．ｍ］、直径をＤ［ｍ］、運転速度をＶ（Ｖ＝πＤＮ
／１０００）［Km／min ］とすると、下記計算式により
算出することができる。

【００２０】 一方、制動による減速中に回転体が放出するパワー（Ｐ
［ｗ］）は、 と表すことができるが、制動動作中はｄω／ｄｔ，ｄＮ
／ｄｔ，ｄＶ／ｄｔ＜０であるため、放出パワー（Ｐ）
は負になる。

【００２１】また、スピンドル２および接触ローラ５の
直径寸法（Ｄ）は制動動作中は一定であるため、以下運
転速度（Ｖ）を代表変数とする。

【００２２】ここで、回生制動直前の運転速度をＶo
［Km／min ］、制動経過時間をｔ［sec ］、回生制動時
間をＴ［sec ］、定数をｋ（１＞ｋ≧１／２）とする
と、回生制動中の指令速度（Ｖs ）は下記計算式（１）
によって算出することができる。

【００２３】 Ｖs ＝Ｖo （１−ｔ／Ｔ）^ｋ （１） 上述の回生制動時間（Ｔ［sec ］）は制動直前保有運動
エネルギー（Ｗo ）を全部放出させるために必要な時間
で、該保有運動エネルギーに比例し、風損を主体とする
機械損失、駆動用電動機自身が有する損失の和である制
動力に反比例するという計算式から算出された値を基に
実際に糸条の巻取制動操作を行なって最適時間を設定す
る。

【００２４】上述の制動直前保有運動エネルギー（Ｗo
）は下記計算式（２）によって算出することができ
る。

【００２５】 上述の制動直前保有運動エネルギー（Ｗo ）の一例とし
ては、運転速度Ｖo が６［Km／min ］の場合、満巻パッ
ケージ状態のスピンドルの保有運動エネルギー（Ｗo ）
は約３００［ＫＪ］、空チューブ状態のスピンドルの保
有運動エネルギー（Ｗo ）は約１５０［ＫＪ］、接触ロ
ーラの保有運動エネルギー（Ｗo ）は約１００［ＫＪ］
である。

【００２６】次に、各定数ｋ（１、０．７、１／２）に
ついての放出パワー（Ｐ）の特性は図３に示す通りであ
り、定数（ｋ）が１の場合の直線減速放出パワーは速度
に比例して高速度時に大きく、低速度時には小さくなっ
ている。該定数（ｋ）が１／２の平方根の場合は減速放
出パワーが制動動作中の速度に拘らず一定になり、定数
（ｋ）が０．７の場合は両者の中間の状態になる。

【００２７】この回生制動中はこの放出パワーと釣り合
う同一値の制動力が必要である。

【００２８】該巻取機の減速動作時における全制動力
（Ｐｂ［ｗ］）は、風損を主体とする機械損、駆動用の
電動機損失の和である制動力（Ｐｌ［ｗ］）と、駆動用
の電動機からインバータに戻ってくる回生電力（Ｐｒ
［ｗ］）の和になり、計算式は下記の通りである。

【００２９】 Ｐｂ＝Ｐｌ＋Ｐｒ ［ｗ］ （３） 上述の制動力として使用可能な機械損、駆動用電動機損
失の和である（Ｐｌ［ｗ］）とスピンドル駆動用の電動
機３に対する入力電力（Ｐｉ［ｗ］）は略同一の状態に
あり、Ｐｌの代用として入力電力Ｐｉを用いることがで
きる。該速度と入力電力の関係は図４に示す通りであ
る。

【００３０】該図４における実線は満巻パッケージ状態
のスピンドル駆動用の電動機の速度と入力電力の関係を
示すものであり、破線は空チューブ状態のスピンドル駆
動用の電動機の速度と入力電力の関係を示すものであ
る。

【００３１】上述の接触ローラ駆動用の電動機６に対す
る入力電力（Ｐｉ′［ｗ］）も該図４と略同一の状態で
あるので図は省略する。

【００３２】該電動機３の回生制動時における速度
（Ｖ）と該電動機からの回生電力（Ｐｒ）の実測値を定
数（ｋ）が１、０．７、１／２の場合について図示する
と図５（５−１，５−２，５−３）に示すようになる。

【００３３】該回生電力（Ｐｒ）は、定数（ｋ）が０．
７の場合が回生制動中において一番平均化されており、
回生制動抵抗器１１あるいは回生制動抵抗器１２の容量
を有効に活用できると共に、インバータ７あるいはイン
バータ８に過電圧状態が発生せず、最短の制動時間
（Ｔ）として設定することができる。

【００３４】上述の定数（ｋ）は種々検討の結果３／４
〜１／２の範囲に設定するのが望ましいことが判った。

【００３５】上述の回生制動時間（Ｔ）は、計算式
（２）によって算出された保有運動エネルギー（Ｗo ）
を計算式（３）によって算出された全制動力（Ｐｂ）で
割った値を仮の回生制動時間として制御装置９に入力
し、予め巻取制動操作を繰返し行なって最適回生制動時
間を見出しておき、実際の巻取に際し該最適回生制動時
間（Ｔ）を制御装置９に入力する。

【００３６】上述の計算式（１）、（２）を制御装置９
の制動制御部９ｂに入力すると共に主制御部に運転速度
（巻取速度）、巻取量等を入力して糸条の巻取を行な
う。

【００３７】そして、予め設定された量の糸条が巻取ら
れると、主制御部９ａから制動制御部９ｂに作動信号が
送られる。

【００３８】すると、回転検出器１４、１５からの検出
信号値に基づいてその時点の保有運動エネルギー（Ｗo
）と回生制動指令速度（Ｖs ）が計算式（１）、
（２）によって算出される。

【００３９】該接触ローラ５については直径寸法（Ｄ）
が一定であるため、運転速度（Ｖo）に基づいて保有運
動エネルギー（Ｗo ）を予め算出することができると共
に、風損主体の機械損、駆動用の電動機損失の和である
制動力（Ｐｌ）は予め入力電力（Ｐｉ）によって決まっ
ているため、該運転速度（Ｖo ）から仮の回生制動時間
（Ｔ）を算出し、該回生制動時間によって予め巻取制動
操作を繰返し行なって最適回生制動時間を見出してお
き、該回生制動時間を（Ｔ）を制動制御部９ｂに入力し
ておく。

【００４０】一方、スピンドル２についてはパッケージ
の直径寸法（Ｄ）によって保有運動エネルギー（Ｗo ）
と制動力（Ｐｌ）が変化するため、予めパッケージ径に
応じた回生制動時間（Ｔ）を保有運動エネルギー（Ｗo
）と全制動力（Ｐｂ）から得た値を仮の回生制動時間
として予め巻取制動操作を繰返し行なって最適回生制動
時間を見出しておき、パッケージ径に対応した回生制動
時間を（Ｔ）を制動制御部９ｂに入力しておく。

【００４１】上述の主制御部９ａから制動制御部９ｂに
作動信号が送られると同時に、切替スイッチ９ｃ、９ｄ
に切替動作信号が送られて各インバータ７、８に対する
制御指令回路が主制御部９ａから制動制御部９ｂに切替
えられ、制動制御部９ｂによって算出された制御値に基
づいてインバータ７、８から電動機３、６に対する出力
周波数が制御される。

【００４２】該スピンドル２が満巻パッケージの状態と
空チューブの状態における回生制動の１実施例は図６に
示す通りであり、この時の運転速度（Ｖo ）は６Km／mi
n と３Km／min 、定数（ｋ）は０．７である。

【００４３】図６から満巻パッケージの状態の場合は空
チューブの状態に比較して保有回転エネルギー（Ｗo ）
が大きいため制動時間（Ｔ）が長くなり、該制動時間
（Ｔ）は運転速度（Ｖo ）の略２乗に比例していること
がわかる。

【００４４】そして、予め設定された速度まで減速され
るとインバータ７、８自身が備えている直流制動機能に
よって回生制動の状態から直流制動に切替わって減速さ
れるため、機械式制動機構を使用することなくスピンド
ル２および接触ローラ５の回転を完全に停止させること
ができる。

【００４５】上述の直流制動は高速度では制動トルクが
小さく、また制動エネルギーが全て駆動用の電動機の回
転子において発熱するため、回生制動で可能な限り低速
度の状態になってから一次巻線に直流を供給して直流制
動を作用させる様にすることが該電動機にとって好まし
い。

【００４６】なお、インバータを使用することができな
い停電時、インバータが故障した時あるいは巻取機の運
転を停止しておく時のために非常用の機械式制動機構を
設置することもできる。

【００４７】上述のスピンドル２と接触ローラ５の制動
時間に差がある場合は、制動時間の長い方に制動制御部
で停止時間を合わせるようにすることもできる。

【００４８】なお、図１のスピンドル駆動型巻取機にお
いてはインバータ７、８に夫々回生制動抵抗器１１、１
２を設けたが、図２に示すような共通の回生制動抵抗器
１７を有する直流出力用の共通コンバータ１６を設けて
インバータ７、８に電力を供給するように構成すること
もできる。

【００４９】

【発明の効果】本発明の本発明のスピンドル駆動型巻取
機の制動方法は請求項１のようにインバータによって電
動機に制動をかけて減速させる際、制動経過時間に対し
て減速速度が上に凸な関数曲線となるように回生制動を
作用せしめるようにしているため、回生制動抵抗の回生
消費電力が制動中にピークを生じることなく平均化され
て回生制動抵抗容量を有効に活用することができる。ま
た回生制動時にインバータを過電圧によって周波数出力
機能が停止するのを防止することができると共にスピン
ドル、接触ローラの回転停止までの制動時間を短くする
ことができる。

【００５０】また、請求項２のように関数曲線を、回生
制動直前の運転速度をＶo ［Km／min ］、制動経過時間
をｔ［sec ］、回生制動時間をＴ［sec ］、定数をｋ
（１＞ｋ≧１／２）として、回生制動中の指令速度（Ｖ
s ）を計算式 Ｖs ＝Ｖo （１−ｔ／Ｔ）^ｋによって算
出して設定すると、確実に実施することができる。

【００５１】さらに、請求項３のようにインバータの低
速度周波数領域において回生制動から直流制動に切替え
るようにすると、機械式制動機構を使用せずにスピンド
ルあるいは接触ローラの回転を完全に停止させることが
でき、機械式制動機構のブレーキシュー、ブレーキパッ
ドの磨耗粉によるパッケージ汚れを防止することができ
ると共に、機械式制動機構の補修作業を殆ど無くすか、
補修作業周期を長くすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のスピンドル駆動型巻取機の構成の一実
施例を示す概略図である。

【図２】本発明のスピンドル駆動型巻取機の構成の他の
実施例を示す概略図である。

【図３】減速時の回転体の放出パワーを示す概略線図で
ある。

【図４】満巻パッケージの状態のスピンドルと空チュー
ブの状態のスビンドルの駆動用電動機に対する入力電力
の一実施例を示す概略線図である。

【図５】回生制動抵抗器の回生制動電力特性を示す概略
線図である。

【図６】満巻パッケージの状態のスピンドルと空チュー
ブの状態のスビンドルの回生制動による停止までの一実
施例を示す概略線図である。

【符号の説明】

１ 機枠 ２ スピンドル ３、６ 電動機 ４ 可動枠体 ５ 接触ローラ ７、８ インバータ ９ 制御装置 １０ 入力手段 １１、１２、１７ 回生制動抵抗器 １３ 交流電源 １４、１５ 回転検出器 １６ 共通コンバータ ９ａ 主制御部 ９ｂ 制動制御部 ９ｃ、９ｄ 切替スイッチ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 スピンドルまたは接触ローラを駆動する
   電動機がインバータによって制御される巻取機におい
   て、前記インバータによって前記電動機に制動をかけて
   減速させる際、制動経過時間に対して減速速度が上に凸
   な関数曲線となるように回生制動を作用せしめることを
   特徴とするスピンドル駆動型巻取機の制動方法。
2. 【請求項２】 関数曲線を下記計算式により算出して設
   定せしめるようにしたことを特徴とする請求項１に記載
   のスピンドル駆動型巻取機の制動方法。 Ｖs ＝Ｖo （１−ｔ／Ｔ）^ｋ Ｖs ：回生制動中の指令速度［Km／min ］ Ｖo ：回生制動直前の運転速度［Km／min ］ ｔ ：経過時間［sec ］ Ｔ ：回生制動時間［sec ］ Ｔは回生制動直前の保有運動エネルギーと制動力に基づ
   く設定時間 ｋ ：定数 （１＞ｋ≧１／２）
3. 【請求項３】 直流制動機能を備えたインバータを使用
   し該インバータの低速度周波数領域において回生制動か
   ら直流制動に切替えることを特徴とする請求項１または
   請求項２に記載のスピンドル駆動型巻取機の制動方法。