JP2011512117A - モータシステムのクリープ制御 - Google Patents

Abstract

機械（１０）用の制御システム（２３）が開示される。制御システムは、電気モータ（１６）と、モータの出力に連結されたトラクション装置（１８）とを有し得る。制御システムはまた、減速器（２８）と制御装置（２４）とをさらに有し得る。制御装置は、モータ及び減速器と通信し得る。制御装置は、クリープトルクを決定し、減速器の作動時であってもトラクション装置にクリープトルクを付加するように構成され得る。

Description

本開示は、概して制御システムに関し、より詳細には、減速器の作動時のモータシステムのクリープを制御するための制御システムに関する。

機械駆動式の機械は、概して、トルクコンバータ及びトランスミッションによって１つ又は複数のトラクション装置と機械的に連結されたエンジンを備える。トランスミッションが係合され、エンジンが動作している限り、ある量のトルク（すなわち、クリープトルク）がトルクコンバータ及びトランスミッションを介してトラクション装置に伝達される。換言すれば、クリープトルクは、単に、機械が適切な「ギヤ比」又は推進モード（例えば、ドライブ又はリバース）にあり、且つ機械の動力源が動作しているだけでトラクション装置に伝達されるトルクである。従って、アクセルペダルが踏み込まれていなくとも、機械はクリープによって進み得る。このクリープにより、操作者は、低速で操縦を行いながら、ブレーキで機械の速度を調節することが可能となる。

オンハイウェイ及びオフハイウェイの双方の用途において、機械駆動式の機械に加え、電気駆動式の機械も使用されている。電気駆動式の機械は、概して、エンジン動作時に電力を作り出す発電機と駆動連結されたエンジンからなる。機械のトラクション装置に関連する１つのモータ又は一連のモータに電力が送られることで、機械は進められる。

モータは、概して、操作者の入力に応じて制御される。例えば、操作者がアクセルペダルを変位させると、その変位量に比例した駆動信号がモータに送られる。従って、アクセルペダルが最大限の踏込み位置まで変位すると、モータには最大電流が送られ、機械は最大トルクを用いて所与の方向に進む（すなわち、前進、後進する）。しかしながら、アクセルペダルが変位しないとき（すなわち、アクセルペダルがニュートラル位置に維持されるとき）、モータに電流は送られず、従って機械が進められることもない。アクセルペダル変位量がゼロのとき及び低速時のトルクの欠如（すなわち、クリープトルクの欠如）は、ある状況下、例えば機械を斜面に停止させたり、又は操作者が低速で操縦を行おうとしたりするときに、問題となり得る。

ハイブリッド車両にクリープをもたらすための一つの方法が、Ｋｕａｎｇらによる（特許文献１）（’２９９号特許）に記載されている。（特許文献１）は、車両システム制御装置（「ＶＳＣ」）を開示している。ＶＳＣは、運転者の要求を解釈し（運転者の要求は、ＰＲＮＤＬ位置、アクセル及びブレーキ位置、及び車両速度を用いて決定される）、次に、特定の車両性能（燃費、排出ガス及びドライバビリティなど）を実現しながら、そうした運転者の要求を満たすには、いつ、どのくらいのクリープ及びヒルホルダ作動が必要かを決定する。例えば、エンジンが動作していないときに停止状態から走り出すシナリオでは、運転者が制動要求と加速要求との間を移行する間（例えば、運転者がブレーキペダルの踏力を取り除いてから、アクセルペダルに踏圧を加えるまでの間の移行期間）、ＶＳＣはトラクションモータに対し、（従来の車両のクリープのように）特定のクリープトルクを供給するよう要求する。ＶＳＣは、アクセル入力がゼロの（踏み込まれていない）ときにのみ用いられる車両速度の所定の関数に基づき、クリープトルクを計算する。或いは、戦略としては、制動をかけない（すなわち、ブレーキ位置がゼロである）ように要求することもできる。

（特許文献１）のＶＳＣは、坂道での後退防止を補助するためのクリープトルクをもたらし得るが、しかしなお効率が悪く、問題があり得る。例えば、（特許文献１）のＶＳＣは、アクセル又はブレーキのいずれかが踏み込まれると、クリープトルクの付加を中止する。従って、操作者が低速で操縦時にブレーキ又はアクセルを踏んだり放したりするとき、制御装置はモータの出力を上下させ続けなければならない。さらに、（特許文献１）の制御装置の断続的な性質から、従来の機械駆動式の機械によってもたらされるクリープに慣れた操作者は、不自然な印象を受け得る。

米国特許第６，５９０，２９９号明細書

本開示の機械システムは、上記の問題の１つ又は複数を解消することに関する。

一態様において、本開示は、機械用の制御システムに関する。本制御システムは、電気モータと、モータの出力に連結されたトラクション装置とを備え得る。本制御システムはまた、減速器と制御装置とをさらに備え得る。制御装置は、モータ及び減速器と通信し得る。制御装置は、クリープトルクを決定し、減速器の作動時にトラクション装置にクリープトルクを付加するように構成され得る。

別の態様において、本開示は、機械の制御方法に関する。本方法は、電力を発生させて機械に動力を供給するステップを含み得る。本方法はまた、機械の減速器の作動程度を検知するステップも含み得る。本方法はさらに、減速器の作動時に、電力を利用して機械のトラクション装置にクリープトルクを付加するステップを含み得る。

例示として開示される機械の概略図である。 図１の機械によって用いられ得るクリープトルクマップの例示的な図である。 図１の機械によって行われる例示的動作を示すフローチャートである。

図１は、例示的機械１０を示す。機械１０は、鉱業、建設、農業、輸送などの産業、又は当該技術分野において公知の他の任意の産業に関連するある種の作業を行う移動車両であり得る。例えば、機械１０は、オンハイウェイ又はオフハイウェイトラックであってもよい。機械１０はまた、ホイールローダ、掘削機、トラック型のトラクタ、バックホウ、モータグレーダなどの土木機械、又は当該技術分野において公知の他の任意の好適な土木機械であってもよい。機械１０は、動力源１２と、動力源１２によって駆動される発電機１４と、発電機１４によって電力が供給されるモータ（又は複数のモータ）１６と、トラクション装置１８と、トラクション装置１８を緩作動させるように構成された制動機構１９と、運転室１７と、制御システム２３とを備え得る。

動力源１２は、機械１０を動作させるためのパワー出力を供給し得る。動力源１２は、ディーゼルエンジン、ガソリンエンジン、ガス燃料を動力源としたエンジン（例えば、天然ガスエンジン）などの燃焼機関、又は当該技術分野において公知の他の任意のタイプの燃焼機関として具体化され得る。或いは動力源１２は、燃料電池又は電力貯蔵装置などの非燃焼式動力源として具体化されてもよい。動力源１２は回転出力を供給して発電機１４を駆動し、それによりモータ１６を駆動するための電気が供給され得る。

発電機１４は、動力源１２によって供給される回転入力に応じてパワー出力を生じるように構成された装置であり得る。発電機１４は、例えば、永久磁石型発電機、非同期発電機、又は交流若しくは直流のいずれかの電気エネルギーを作り出すように構成された他の任意のタイプの発電機として具体化され得ることが企図される。発電機１４は、当該技術分野において公知の任意の手段、例えば、直接的なクランクシャフト連結、ドライブシャフト、歯車列、油圧回路によるか、又は他の任意の適当な方法で動力源１２と回転自在に連結されたロータ（図示せず）を備え得る。

モータ１６は、発電機１４から電力を受けてトラクション装置１８に回転を生じさせるように構成された電気モータであり得る。モータ１６は、直流モータ、交流モータ、又は当該技術分野において公知の他の任意の適当なタイプのモータであり得ることが企図される。モータ１６の出力は、歯車機構２５（例えば、ファイナルドライブ）を介するか、直接的なシャフト連結（図示せず）を介するか、又は当該技術分野において公知の他の任意の方法で、トラクション装置１８に連結され得る。発電機１４とモータ１６との間には、整流機、インバータ、及び当該技術分野において公知の他の部品などの他の電気部品（図示せず）が配置され得る。

トラクション装置１８としては、機械１０を並進移動させるように構成された、機械１０の両側に配置された１つ又は複数のホイールを挙げることができる（リヤホイールのみを図示）。或いは、トラクション装置１８としては、履帯、ベルト、又は当該技術分野において公知の他のトラクション装置を挙げることができる。トラクション装置１８はいずれも、従動し、及び／又は操舵可能であり得る。

制動機構１９は、機械１０の動作を遅らせるように構成されてもよく、機械１０の１つ又は複数のトラクション装置１８と動作可能に連係され得る。一実施形態において、制動機構１９としては、油圧作動式ホイールブレーキ、例えば、ディスクブレーキ又はドラムブレーキを挙げることができる。或いは制動機構１９は、空気圧により作動されるか、機械により作動されるか、又は当該技術分野において公知の他の任意の方法で作動され得ることが企図される。

運転室１７は、操作者がそこから機械１０を制御し得る場所であり得る。運転室１７は、機械１０内に位置しても、又は機械１０の外に位置してもよく、操作者入力装置２０を備え得る。

操作者入力装置２０は、操作者が機械１０の１つ又は複数の側面を制御するために利用する装置を備え得る。操作者入力装置２０は、機械１０の機内又は機外に配置され得る。操作者入力装置２０は、単軸若しくは多軸ジョイスティック、ホイール、レバー、ノブ、プッシュプル装置、ボタン、ペダル、又は当該技術分野において公知の他の任意の入力装置として具体化され得る。例えば、操作者入力装置２０は、機械１０の加速を制御する（例えば、動力源１２、発電機１４、及び／又はモータ１６を制御する）ように構成されたスロットル２６と、減速器２８と、推進モード選択装置３０とを備え得る。

減速器２８は、機械１０の減速を制御するように構成された１つ又は複数の装置であり得る。例えば、減速器２８は、制動機構１９を始動させ、モータ１６に発電機として動作するよう信号を送り、動力源の速度を減じ、及び／又はトランスミッション（図示せず）のギヤ比を変更し、ひいては機械１０を緩作動させ得る。制御装置が減速器２８と通信して、減速器の作動程度を決定し得ることが企図される。

推進モード選択装置３０は、制御装置２４にプログラムされたいくつかの推進モード（例えば、前進、後進、高速、低速、ニュートラル、パーキング等）の間で選択することができ、モータ１６の許容可能な速度及び／又はトルク範囲を設定し得る。例えば、推進モード選択装置３０が低速の推進モードに設定されると、制御装置２４は、機械１０の最高速度を４ｍｐｈに到達させ得る。しかしながら、推進モード選択装置３０が高速又はドライブに設定されると、制御装置２４は、機械の最高速度を、機械１０のパワートレイン（すなわち、動力源１２、発電機１４、及びモータ１６等）によって達成可能な最高値に到達させ得る。それに加えて、又はそれに代えて、推進モード選択装置３０は、トランスミッション（図示せず）の実際の機械的なギヤ比、例えば、１速ギヤ、２速ギヤ、リバースギヤ等の間で選択し得ることが企図される。

制御システム２３は、機械１０の動作を制御するように構成され得る。制御システム２３は、制御装置２４と、制御装置２４が通信する任意の部品とを備え得る。制御装置２４は、動力源１２、発電機１４、モータ１６、制動機構１９、操作者入力装置２０、及びセンサ２２と通信し得る。制御装置２４は制御システム２３の部品と、１つ又は複数の通信回線を介して、及び／又は無線で通信し得る。制御装置２４はまた、機械１０の他の部品（図示せず）とも通信し得ることが企図される。

センサ２２は、機械１０の速度を検知するように配置及び構成された任意の適当なセンサであり得る。センサ２２は、例えば、磁気ピックアップセンサ、ロータリエンコーダ、又はタコメータとして具体化されてもよく、これらは機械１０の回転部品と連係する（部品の回転速度が機械の対地速度に比例する）。回転部品としては、例えば、動力源１２、モータ１６、トラクション装置１８、又はそれらの間に配置された任意の適当な回転部品を挙げることができる。また、センサ２２は、機械１０の対地速度又は走行速度を決定するために外部基準を利用する装置として具体化され得ることも企図される。例えば、センサ２２は、人工衛星ベースの装置（例えば、ＧＰＳ）、レーダベースの装置、高周波ベースの装置、又は当該技術分野において公知の他の任意の適当な装置として具体化され得る。

制御装置２４は、機械１０の１つ又は複数の部品又は動作を制御するように構成された単一のマイクロプロセッサ又は複数のマイクロプロセッサとして具体化され得る。数多くのマイクロプロセッサが、制御装置２４の機能を実行するように構成され得るとともに、制御装置２４は、機械の数多くの機能を制御可能な一般機械のマイクロプロセッサとして容易に具体化され得ることは理解されなければならない。制御装置２４は、メモリ、補助記憶装置、プロセッサ、及びアプリケーションを実行するための他の任意の部品を備え得る。例えば、電源回路、信号処理回路、データ収集回路、信号出力回路、信号増幅回路、及び当該技術分野において公知の他のタイプの回路など、様々な他の回路が制御装置２４と連係し得る。

制御装置２４は、特定の条件に応じてトラクション装置１８にクリープトルクを付加するよう、モータ１６、動力源１２、及び発電機１４に命令を出すように構成され得る。条件としては、例えば、減速器２８の作動程度、選択された推進モード（例えば、前進、ニュートラル、後進、又はパーキング）、及び機械１０の検知された速度（センサ２２を介して決定される）を挙げることができる。例えば、機械１０が閾値対地速度（クリープ閾値速度）未満の対地速度を有し得るとともに、推進モード選択装置３０が、走行の推進モード（すなわち、前進、後進、高速又は低速）に設定され得る。この状況下で、減速器２８が、その総動程の閾値割合未満で作動する場合、制御装置２４がトラクション装置１８にクリープトルクを付加する。減速器２８が、その総動程の閾値割合を上回って作動する場合、制御装置２４は、クリープトルクの一切の付加を中断する。同様に、機械の対地速度が閾値対地速度を上回る場合、又は選択された推進モードがニュートラル若しくはパーキングの場合、制御装置２４は、クリープトルクを一切付加しないか、又はクリープトルクの一切の付加を中断し得る。

減速器２８の閾値割合は、機械の走行速度の関数であり得ることが企図される。閾値割合は、機械の走行速度が遅いほど低く、機械の走行速度が速いほど高くなり得る。一実施形態において、閾値割合は、機械１０の対地速度がゼロのときほぼゼロで（例えば、任意の作動量）、機械１０の対地速度がゼロでないとき、約８５％であり得る。

図２に示されるとおり、制御装置２４の命令によるクリープトルクは、機械の対地速度（又はトラクション装置速度）の関数であり得る。例えば、クリープトルクは機械の対地速度がゼロのとき最大であり得るとともに、概して、機械の対地速度が増加すると減少し得る。クリープトルクは、例えば一次関数など、任意の適当な関数に従い減少し得る。クリープトルク関数／関係式は、機械１０がクリープ閾値速度（例えば、４ｍｐｈ）を上回って動いているときには、制御装置２４によって実質的にいかなるクリープトルクも命令されないように定義され得ることが企図される。

同様に図２に示されるとおり、モータ１６によってトラクション装置１８に付加される総トルクは、スロットルコマンドに関連するトルク（スロットルトルク）と、付加されるクリープトルクとの関数であり得る。総トルクは、任意の適当な関数を用いて決定され得ることが企図される。クリープ閾値速度は、前進及び後進の推進モード間で異なり得る。クリープトルクと機械の対地速度との間の関係式は、テーブル、グラフ、及び／又は式の形態で制御装置２４の内部メモリに格納され得る。

本開示の制御システムは、クリープトルクが望ましい任意の移動機械に適用することが可能であり得る。本開示の制御システムによって生じるクリープトルクは、機械を斜面に停止させたり、又は操作者が低速で操縦を行おうとしたりする状況下で有用となり得る。

図３に示されるとおり、制御装置２４は、機械１０の選択された推進モードを決定し得る（ステップ１００）。制御装置２４は、例えば、推進モード選択装置３０と通信することにより、選択された推進モードを特定し得る。或いは制御装置２４は、動力源１２及び／又はセンサ２２と通信し、機械の対地速度及び／又は動力源の速度を用いて選択された推進モードを計算することにより、選択された推進モードを特定し得る。

次に制御装置２４は、選択された推進モードがニュートラル又はパーキングであるかどうかを決定し得る（ステップ１１０）。機械１０の選択された推進モードがニュートラル又はパーキングである場合、制御装置２４は、付加するクリープトルクをゼロに設定するようモータ１６に命令を送るステップに進む（ステップ１４０）。選択された推進モードがニュートラル又はパーキングでない場合、制御装置２４は、機械１０の対地速度を決定するステップに進む（ステップ１３０）。制御装置２４は、センサ２２と通信することにより、機械１０の対地速度を決定し得る。或いは制御装置２４は、動力源１２及び／又は推進モード選択装置３０と通信し、機械の動力源の速度及び／又は選択された推進モードを用いて機械の対地速度を計算することにより、機械１０の対地速度を決定し得る。

次に制御装置２４は、機械の対地速度がクリープ閾値速度より大きいかどうかを決定し得る（ステップ１２０）。機械の対地速度がクリープ閾値速度を上回る場合、制御装置２４はステップ１２０に戻り得る。或いは、機械の対地速度がクリープ閾値速度未満の場合、制御装置２４は、例えば減速器２８と通信することにより、減速器２８の作動程度を決定し得る（ステップ１５０）。或いは制御装置２４は、制動機構１９と通信して制動機構１９の作動程度を決定することにより、減速器２８の作動程度を決定し得る。

次に制御装置２４は、減速器２８の作動程度がその総動程の閾値割合より大きいかどうかを決定し得る（ステップ１６０）。閾値割合は機械の走行速度に従い変化し得ることが企図される。例えば、閾値割合は、機械の走行速度がゼロのときほぼゼロで、機械の走行速度がゼロでないとき８５％であり得る。

減速器２８の作動程度がその総動程の閾値割合より大きいとき、制御装置２４は、ステップ１２０に戻るステップによって対応し得る。或いは、作動量が閾値割合未満の場合、制御装置２４は、トラクション装置１８に付加するべきクリープトルクを決定するステップに進み得る（ステップ１７０）。制御装置２４は、例えば、機械の対地速度（ステップ１３０で決定されたもの）をクリープトルク関数／関係式（図２を参照）に入力することにより、クリープトルクを決定し得る。スロットル２６が作動する場合、制御装置２４は、例えば、同様に図２に示されるとおりのスロットル２６の作動程度を用いて、スロットルトルクを決定し得る（ステップ１８０）。制御装置２４は、動力源１２、発電機１４、及びモータ１６を介してトラクション装置１８にクリープトルク（ある場合）及びスロットルトルク（ある場合）を付加し得る（ステップ１９０）。次に制御装置２４は、ステップ１００に戻り得る。

例示的動作において、機械１０は、例えば３ｍｐｈ未満の、低い対地速度を有し得るとともに、推進モード選択装置３０が、前進、後進、高速又は低速に設定され得る。この状況下で、減速器２８がその総動程の閾値割合（例えば８５％）未満で作動する場合、制御装置２４は、トラクション装置１８にクリープトルクを加え得る。これにより、操作者は、減速器２８を介して機械１０の対地速度を正確に調節することが可能となり得る。減速器２８がその総動程の８５％を上回って作動する場合（例えば、操作者が停止させようとしている最中か、又は既に停止していて、そのまま停止し続けようとする場合）、制御装置２４は、クリープトルクの付加を中断し得る。減速器２８が閾値割合を上回って作動するとクリープトルクの付加が中断されることで、モータ１６の過熱が防止され、エネルギーが節約され得る。

本開示の制御システムのいくつかの利点が認められ得る。特に、アクセル又はブレーキが踏み込まれたときなど、特定の状況下でクリープトルクを付加することにより、本開示の制御システムは、操作者が低速で操縦を行うときに、機械を効率的に加速及び減速させることを可能にし得る。さらに、本開示の制御システムのクリープトルクは、対地速度が増加するほど減少するため、本開示の機械の動作は、燃焼機関及び機械的なトランスミッションを備えた従来の車両によって提供されるクリープトルクに慣れた操作者に対し、より自然な印象を与え得る。

当業者には、本発明の範囲から逸脱することなく本開示の制御システムに様々な修正及び変更が加えられ得ることは明らかであろう。本制御システムの他の実施形態は、当業者には、本明細書を考察し、且つ本明細書に開示される制御システムを実践することにより明らかであろう。本明細書及び例は、あくまでも例示と見なされるべきで、真の範囲は、以下の特許請求の範囲及びその等価物によって示されることが意図される。

Claims (10)

1. 機械（１０）用の制御システム（２３）であって、
   電気モータ（１６）と、
   モータの出力に連結されたトラクション装置（１８）と、
   減速器（２８）と、
   モータ及び減速器と通信する制御装置（２４）であって、
   クリープトルクを決定し、且つ
   減速器の作動時にトラクション装置にクリープトルクを付加する
   ように構成された制御装置と、
   を備える、制御システム。
2. 付加されたクリープトルクが、機械の走行速度が増加するに従い減少する、請求項１に記載の制御システム。
3. スロットル（２６）をさらに備える、請求項１に記載の制御システムであって、制御装置が、スロットル作動量に比例する第２のトルクを決定し、且つトラクション装置にクリープトルクと第２のトルクとの合計を付加するように構成される、制御システム。
4. 機械の走行速度を検知するように構成されたセンサ（２２）をさらに備える、請求項１に記載の制御システムであって、機械速度が閾値機械速度を超えると、制御装置がクリープトルクをゼロに設定するように構成される、制御システム。
5. 減速器が閾値未満で作動するときにのみ、クリープトルクが付加される、請求項１に記載の制御システム。
6. 機械（１０）の制御方法であって、
   電力を発生させて機械に動力を供給するステップと、
   機械の減速器（２８）の作動程度を検知するステップと、
   減速器の作動時に、電力を利用して機械のトラクション装置（１８）にクリープトルクを付加するステップと、
   を含む、方法。
7. 減速器が閾値作動程度を上回って作動するとき、クリープトルクがゼロに設定される、請求項６に記載の方法。
8. 閾値が機械の走行速度に従い変化する、請求項７に記載の方法。
9. 付加されるクリープトルクが、機械の走行速度が増加するに従い減少する、請求項６に記載の方法。
10. スロットル（２６）の作動時であっても、機械のトラクション装置にクリープトルクを付加するステップをさらに含む、請求項６に記載の方法。

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