JP2013207840A - フォークリフト用の電力変換装置およびそれを用いたフォークリフト - Google Patents

Abstract

【課題】フォークリフトにおいて、操作感に与える影響を抑えつつ、消費電力を低減する。
【解決手段】第１電力変換装置２００は、フォークリフト６００の車輪に動力を伝達する走行モータＭ１に電力を供給する。指令値生成部２０３は、ユーザの操作に応じた制御指令値Ｓ１に応じたトルク指令値Ｓ５を生成する。インバータ２２０は、トルク指令値Ｓ５に応じた電力を走行モータＭ１に供給する。モード制御部２６０は、フォークリフトの状態に応じて、インバータ２２０の動作モードを切りかえる。インバータ２２０は、第１モードと、第１モードよりも消費電力が小さく、制御性が低い第２モードの少なくとも２つが切りかえ可能に構成される。
【選択図】図４

Description

本発明は、フォークリフト用の電力変換装置に関する。

産業車両のひとつに、電池を動力源とする電動フォークリフトがある。電動フォークリフト（以下単にフォークリフトとも称する）は、走行用車輪（駆動輪）である前輪に動力を伝達する走行モータと、転舵輪である後輪の転舵角（操舵角）を制御する油圧ポンプに動力を伝達する油圧アクチュエータ用モータ（ステアリングモータ）と、昇降体を制御する油圧ポンプに動力を伝達する油圧アクチュエータ用モータ（荷役モータ）と、走行モータ、ステアリングモータ、荷役モータそれぞれを駆動する電力変換装置を備える。

モータは、電力変換装置から供給された電力に応じたトルクを発生し、あるいは電力に応じた回転数で回転する。電力変換装置は、その出力段に、電池からの直流電圧が供給されるＰ線とＮ線と、Ｐ線とＮ線の間に直列に設けられたパワートランジスタで構成される上アームと下アームを備える。電力変換装置のゲート駆動回路は、上アームと下アームを相補的にスイッチングし、スイッチングのデューティ比を制御することにより、モータに供給する電流を制御し、トルクや回転数を制御する。

特開２００９−６９２５５３号公報

電池の容量は有限である一方、フォークリフトには長い動作可能時間が要求される。限られた電池容量内で長時間動作を実現するためには、走行モータおよび荷役モータでの消費電力を抑制する必要がある。

本発明者らは、消費電力を低減するアプローチとして、トルクの上限を変化させる技術について検討した。フォークリフトでは、トルクがユーザの操作感に与える影響が非常に大きく、トルクの上限の変更のみによって消費電力を低減しようとすると、操作感が損なわれる場合がある。

本発明は係る課題に鑑みてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、操作感に与える影響を抑えつつ、消費電力を低減可能なフォークリフトの提供にある。

本発明のある態様は、フォークリフトの車輪に動力を伝達する走行モータに電力を供給する電力変換装置に関する。電力変換装置は、ユーザの操作に応じた制御指令値を受け、制御指令値に応じたトルク指令値を生成する指令値生成部と、トルク指令値に応じた電力を走行モータに供給するインバータと、フォークリフトの状態に応じて、インバータの動作モードを切りかえるモード制御部と、を備える。インバータは、第１モードと、第１モードよりも消費電力が小さく、制御性が低い第２モードの少なくとも２つが切りかえ可能に構成される。

本発明の別の態様は、フォークリフトの昇降体を制御する油圧アクチュエータに動力を伝達する荷役モータに電力を供給する電力変換装置に関する。電力変換装置は、ユーザの操作に応じた制御指令値を受け、制御指令値に応じたトルク指令値を生成する指令値生成部と、トルク指令値に応じた電力を荷役モータに供給するインバータと、フォークリフトの状態に応じて、インバータの動作モードを切りかえるモード制御部と、を備える。インバータは、第１モードと、第１モードよりも消費電力が小さく、制御性が低い第２モードの少なくとも２つが切りかえ可能に構成される。

これらの態様によると、消費電力が大きいが制御性に優れた第１モードと、制御性は劣るが省エネ性が高い第２モードを、フォークリフトの状態に応じて切りかえることにより、操作感や安全性を犠牲にすることなく、消費電力を低減できる。

インバータは、第１モードと、第２モードで、ある時間あたりのインバータのスイッチング素子のスイッチング回数を変化させてもよい。
具体的には、インバータは、第１モードにおいて３相変調駆動を行い、第２モードにおいて２相変調駆動を行ってもよい。
２相変調は、３相変調に比べて、制御性、応答性、静音性の観点で劣るが、インバータのスイッチング素子のスイッチング回数が少ないため、スイッチング損失が小さく、省エネ性に優れる。そこで変調方式を切りかえることにより、制御性が優先される第１モードと、省エネ性が優先される第２モードを切りかえることができる。

あるいは、インバータは、第１モードにおいて第１キャリア周波数で変調し、第２モードにおいて、第１キャリア周波数より低い第２キャリア周波数で変調してもよい。
キャリア周波数が低いほど、スイッチング素子のスイッチング回数が低下するため、スイッチング損失が小さく、省エネ性に優れる。そこでキャリア周波数を切りかえることにより、第１モードと第２モードを切りかえることができる。

本発明の別の態様はフォークリフトに関する。フォークリフトは、車体と、車体を支持する車輪と、車輪に動力を伝達する走行モータと、走行モータを駆動する上述の電力変換装置と、を備える。

本発明の別の態様も、フォークリフトに関する。フォークリフトは、車体と、車体の前部に設けられた昇降体と、昇降体を駆動する油圧アクチュエータと、油圧アクチュエータに動力を伝達する荷役モータと、荷役モータを駆動する上述の電力変換装置と、を備える。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、消費電力を低減できる。

フォークリフトの外観図を示す斜視図である。 フォークリフトの操縦パネルの一例を示す図である。 フォークリフトの電気系統、機械系統の構成を示すブロック図である。 第１電力変換装置の構成を示すブロック図である。

以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

本明細書において、「部材Ａが、部材Ｂと接続された状態」とは、部材Ａと部材Ｂが物理的に直接的に接続される場合のほか、部材Ａと部材Ｂが、それらの電気的な接続状態に実質的な影響を及ぼさない、あるいはそれらの結合により奏される機能や効果を損なわせない、その他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。
同様に、「部材Ｃが、部材Ａと部材Ｂの間に設けられた状態」とは、部材Ａと部材Ｃ、あるいは部材Ｂと部材Ｃが直接的に接続される場合のほか、それらの電気的な接続状態に実質的な影響を及ぼさない、あるいはそれらの結合により奏される機能や効果を損なわせない、その他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。

図１は、フォークリフトの外観図を示す斜視図である。フォークリフト６００は、車体（シャーシ）６０２、フォーク６０４、昇降体（リフト）６０６、マスト６０８、車輪６１０、６１２を備える。マスト６０８は車体６０２の前方に設けられる。昇降体６０６は、油圧アクチュエータ（図１（ａ）に不図示、図３の１１６）などの動力源によって駆動され、マスト６０８に沿って昇降する。昇降体６０６には、荷物を支持するためのフォーク６０４が取り付けられている。

図２は、フォークリフトの操縦パネル７００の一例を示す図である。操縦パネル７００は、イグニッションスイッチ７０２、ステアリングホイール７０４、リフトレバー７０６、アクセルペダル７０８、ブレーキペダル７１０、ダッシュボード７１４、前後進レバー７１２を備える。

イグニッションスイッチ７０２は、フォークリフト６００の起動用のスイッチである。ステアリングホイール７０４は、フォークリフト６００の操舵を行うための操作手段である。リフトレバー７０６は、昇降体６０６を上下に移動させるための操作手段である。アクセルペダル７０８は、走行用の車輪の回転を制御する操作手段であり、ユーザが踏み込み量を調節することでフォークリフト６００の走行が制御される。ユーザがブレーキペダル７１０を踏み込むと、ブレーキがかかる。前後進レバー７１２は、フォークリフト６００の走行方向を、前進と後進で切りかえるためのレバーである。そのほか、図示しないインチングペダルが設けられてもよい。

続いて、フォークリフト６００の構成を、走行、荷役、操舵それぞれについて説明する。図３は、フォークリフト６００の電気系統、機械系統の構成を示すブロック図である。ＥＣＵ（電子制御コントローラ）１１０は、フォークリフト６００全体を制御するためのプロセッサである。

（走行）
ＥＣＵ１１０は、前後進レバー７１２からの前進、後進を指示する信号と、アクセルペダル７０８からの、踏み込み量に応じた走行操作量を示す信号を受け、それに応じた制御指令値（走行操作量ともいう）Ｓ１を第１電力変換装置２００に出力する。第１電力変換装置２００は、制御指令値Ｓ１に応じて走行モータＭ１に供給する電力を制御する。制御指令値Ｓ１は、走行モータＭ１の目標回転数を指示する速度指令値と相関を有する。駆動輪である前輪６１０は、ドライブシャフト１１４と接続される。ギアボックス１１２およびドライブシャフト１１４は、走行モータＭ１からの動力を前輪６１０に伝達する。

（荷役）
リフトレバー７０６の傾きによって、昇降体６０６の上下動が制御される。ＥＣＵ１１０は、リフトレバー７０６の傾きを検出し、傾きに応じた荷役操作量Ｓ２を示す信号を第２電力変換装置１０２に出力する。第２電力変換装置１０２は、荷役操作量Ｓ２に応じた電力を荷役モータＭ２に供給し、その回転を制御する。昇降体６０６は、油圧アクチュエータ１１６と連結される。油圧アクチュエータ１１６は、荷役モータＭ２が生成する回転運動を、直線運動に変換し、昇降体６０６を制御する。

（操舵）
レゾルバ１２２は、ステアリングホイール７０４の回転角を検出し、回転角を示す信号をＥＣＵ１１０に出力する。ＥＣＵ１１０は、回転角に応じた制御信号Ｓ３を第３電力変換装置１０４に出力する。第３電力変換装置１０４は、制御信号Ｓ３に応じた電力をステアリングモータＭ３に供給し、その回転数を制御する。転舵輪である後輪６１２は、タイロッド１２６を介してギアボックス１２４と連結される。ステアリングモータＭ３の回転運動は、油圧アクチュエータ１１８およびギアボックス１２４を介して、タイロッド１２６に伝達され、操舵が制御される。

以上がフォークリフト６００全体の構成の説明である。続いて実施の形態に係る第１電力変換装置２００の構成を説明する。

図４は、第１電力変換装置２００の構成を示すブロック図である。第１電力変換装置２００は、コントローラ２０２およびインバータ２２０を備える。インバータ２２０は、出力段２２４Ｕ〜２２４Ｗ、ゲート駆動回路２２２Ｕ〜２２２Ｗを備える。出力段２２４はそれぞれ、Ｐ線Ｌ_ＰとＮ線Ｌ_Ｎの間に直列に設けられた上アームと下アームを含む。ゲート駆動回路２２２Ｕ〜Ｗはそれぞれ、コントローラ２０２からの駆動信号Ｓ７に応じて、対応する出力段２２４Ｕ〜Ｗをスイッチングする。

コントローラ２０２は、指令値生成部２０３、パルス変調器２１０、モード制御部２６０を備える。
指令値生成部２０３は、ＥＣＵ１１０から制御指令値として、走行操作量Ｓ１を示す信号（速度指令値）を受け、走行操作量Ｓ１に応じたトルク指令値Ｓ５を生成する。指令値生成部２０３の構成は特に限定されないが、たとえば指令値生成部２０３は、減算器２０４およびＰＩ（比例・積分）制御部２０６を含む。減算器２０４には、走行モータＭ１の回転状態（回転数）を示す検出信号Ｓ４がフィードバックされる。減算器２０４は、走行操作量Ｓ１と検出信号Ｓ４の偏差を算出する。ＰＩ制御部２０６は、偏差を受け、偏差がゼロとなるように値が制御されるトルク指令値Ｓ５を出力する。

パルス変調器２１０は、トルク指令値Ｓ５に応じてパルス変調された駆動信号Ｓ７を生成する。その結果、インバータ２２０は、トルク指令値Ｓ５に応じた電力を、走行モータＭ１に供給する。

インバータ２２０は、少なくとも第１モードと、第２モードとが切りかえ可能に構成される。第１モードと第２モードは、第２モードの方が消費電力が小さく省エネ性に優れ、第１モードの方が制御性が高いという関係にある。

第１モードと第２モードでは、ある時間あたりのインバータ２２０のスイッチング素子（アーム）のスイッチング回数が異なっている。具体的には、インバータ２２０は、第１モードにおいて３相変調駆動を行い、第２モードにおいて２相変調駆動を行ってもよい。パルス変調器２１０は、第１モードにおいて３相変調により駆動信号Ｓ７を生成し、第２モードにおいて２相変調により駆動信号Ｓ７を生成する。

２相変調は、３相変調に比べて、制御性、応答性、静音性の観点で劣るが、インバータのスイッチング素子のスイッチング回数が少ないため、スイッチング損失が小さく、省エネ性に優れる。そこで変調方式を切りかえることにより、制御性が優先される第１モードと、省エネ性が優先される第２モードを切りかえることができる。

モード制御部２６０は、フォークリフト６００の状態に応じて、インバータ２２０の動作モードを切りかえる。図４の第１電力変換装置２００によれば、消費電力が大きいが制御性に優れた第１モードと、制御性は劣るが省エネ性が高い第２モードを、フォークリフトの状態に応じて切りかえることにより、静音性、操作感や安全性を犠牲にすることなく、消費電力を低減できる。

以上がフォークリフト６００の構成である。続いてその動作を、モード制御部２６０によるモードの切りかえの観点から説明する。モード制御部２６０は、以下の第１から第４の制御方式のひとつ、あるいはいくつかを組みあわせて、モードを制御する。

（第１の制御方式）
モード制御部２６０は、フォークリフト６００の走行開始時、減速開始時に、第１モードに設定する。走行開始時、減速開始時には、走行モータＭ１に高い応答性、制御性が要求されるため、第１モードを選択するとよい。

（第２の制御方式）
モード制御部２６０は、フォークリフト６００の昇降体６０６の稼働中、すなわち油圧アクチュエータ１１６の荷役モータＭ２を駆動しているときに、第１モードに設定する。昇降体６０６の稼働中は、荷物を積載した状態と推定され、この状態ではフォークリフト６００に高い安定性、安全性が要求される。そこで荷物を積載した状態では第１モードを選択し、走行の応答性、制御性を高めることが望ましい。

モード制御部２６０は、昇降体６０６が稼働状態に代えて、フォーク６０４に荷物が積載されているか否かを監視し、積載状態において第１モードを選択してもよい。

（第３の制御方法）
モード制御部２６０は、第２モードで走行モータＭ１を駆動中に、フォークリフト６００が走行しないとき、第１モードに切りかえる。「走行しない」とは、フォークリフト６００が全く移動しない場合のみでなく、わずかに移動はするが、十分な速度が得られない場合も含む。

走行モータＭ１の駆動にかかわらず、フォークリフト６００が走行しない場合、走行モータＭ１の応答性が不足していると考えられる。このような場合には、一旦第１モードに切りかえることにより、フォークリフト６００を走行させることができる。

（第４の制御方法）
モード制御部２６０は、速度指令値Ｓ１の変動が所定値以下のとき、第２モードに切りかえる。フォークリフト６００の停止中、あるいはフォークリフト６００が一定速度で走行中は、走行モータＭ１に高い制御性、応答性は必要とされない。したがって、このような状態では、第２モードに設定することにより、消費電力を低減することができる。

以上、本発明を実施例にもとづいて説明した。本発明は上記実施形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。以下、こうした変形例を説明する。

（第１の変形例）
実施の形態では、走行モータＭ１を駆動する第１電力変換装置２００について説明したが、それに加えて、あるいはそれに代えて、荷役モータＭ２を駆動する第２電力変換装置１０２、ステアリングモータＭ３を駆動する電力変換装置１０４に、同様の技術を適用してもよい。

第２電力変換装置１０２にモード切りかえを適用する場合、以下の制御が有効である。昇降体６０６の昇降動作の開始時には、高い制御性、応答性が要求される。そこでこの変形例において、モード制御部２６０は、油圧アクチュエータ１１６の駆動開始時に、第１モードに設定することが好ましい。

またモード制御部２６０は、制御指令値Ｓ２の変動が所定値以下のとき、２相変調に切りかえることが好ましい。制御指令値Ｓ２が一定であるときには、高い制御性は要求されないため、第２モードに設定することで消費電力を低減できる。

（第２の変形例）
実施の形態では、第１モードと第２モードで、３相変調と２相変調を切りかえる場合を説明したが、本発明はそれには限定されない。たとえばインバータ２２０は、第１モードと第２モードで変調のキャリア周波数を変更してもよい。具体的には、第１モードのキャリア周波数を、第２モードのキャリア周波数より高くしてもよい。
これにより、第１モードでは応答性、制御性を高めることができ、第２モードでは消費電力を低減できる。また、第１モードと第２モードで、変調方式とキャリア周波数の組み合わせを切りかえてもよい。

６００…フォークリフト、６０２…車体、６０４…フォーク、６０６…昇降体、６０８…マスト、６１０…前輪、６１２…後輪、１００…電池、２００…第１電力変換装置、１０２…第２電力変換装置、１０４…第３電力変換装置、１１０…ＥＣＵ、１１２…ギアボックス、１１４…ドライブシャフト、１１６，１１８…油圧アクチュエータ、１２０…ステアリングシャフト、１２２…レゾルバ、１２４…ギアボックス、１２６…タイロッド、２０２…コントローラ、２０３…指令値生成部、２０４…減算器、２０６…ＰＩ制御部、２１０…パルス変調器、２２０…インバータ、２２２…ゲート駆動回路、２２４…出力段、２６０…モード制御部、Ｍ１…走行モータ、Ｍ２…荷役モータ、Ｍ３…ステアリングモータ、７００…操縦パネル、７０２…イグニッションスイッチ、７０４…ステアリングホイール、７０６…リフトレバー、７０８…アクセルペダル、７１０…ブレーキペダル、７１２…前後進レバー、７１４…ダッシュボード。

Claims (16)

1. フォークリフトの車輪に動力を伝達する走行モータに電力を供給する電力変換装置であって、
   ユーザの操作に応じた制御指令値を受け、前記制御指令値に応じたトルク指令値を生成する指令値生成部と、
   前記トルク指令値に応じた電力を前記走行モータに供給するインバータと、
   前記フォークリフトの状態に応じて、前記インバータの動作モードを切りかえるモード制御部と、
   を備え、
   前記インバータは、第１モードと、前記第１モードよりも消費電力が小さく、制御性が低い第２モードの少なくとも２つが切りかえ可能に構成されることを特徴とする電力変換装置。
2. 前記インバータは、前記第１モードと前記第２モードで、ある時間あたりのインバータのスイッチング素子のスイッチング回数が異なっていることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記インバータは、前記第１モードにおいて３相変調駆動を行い、前記第２モードにおいて２相変調駆動を行うことを特徴とする請求項１または２に記載の電力変換装置。
4. 前記インバータは、前記第１モードにおいて第１キャリア周波数で変調し、前記第２モードにおいて、前記第１キャリア周波数より低い第２キャリア周波数で変調することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の電力変換装置。
5. 前記モード制御部は、前記フォークリフトの走行開始時、減速開始時に前記第１モードに設定することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の電力変換装置。
6. 前記モード制御部は、前記フォークリフトの昇降体を駆動しているときに、前記第１モードに設定することを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の電力変換装置。
7. 前記第２モードで前記走行モータを駆動中に、前記フォークリフトが走行しないとき、前記第１モードに切りかえることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の電力変換装置。
8. 前記モード制御部は、前記制御指令値の変動が所定値以下のとき、前記第２モードに切りかえることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の電力変換装置。
9. 車体と、
   前記車体を支持する車輪と、
   前記車輪に動力を伝達する走行モータと、
   前記走行モータを駆動する請求項１から８のいずれかに記載の電力変換装置と、
   を備えることを特徴とするフォークリフト。
10. フォークリフトの昇降体を制御する油圧アクチュエータに動力を伝達する荷役モータに電力を供給する電力変換装置であって、
    ユーザの操作に応じた制御指令値を受け、前記制御指令値に応じたトルク指令値を生成する指令値生成部と、
    前記トルク指令値に応じた電力を前記荷役モータに供給するインバータと、
    前記フォークリフトの状態に応じて、前記インバータの動作モードを切りかえるモード制御部と、
    を備え、
    前記インバータは、第１モードと、前記第１モードよりも消費電力が小さく、制御性が低い第２モードの少なくとも２つが切りかえ可能に構成されることを特徴とする電力変換装置。
11. 前記インバータは、前記第１モードと前記第２モードで、ある時間あたりのインバータのスイッチング素子のスイッチング回数が異なっていることを特徴とする請求項１０に記載の電力変換装置。
12. 前記インバータは、前記第１モードにおいて３相変調駆動を行い、前記第２モードにおいて２相変調駆動を行うことを特徴とする請求項１０または１１に記載の電力変換装置。
13. 前記インバータは、前記第１モードにおいて第１キャリア周波数で変調し、前記第２モードにおいて、前記第１キャリア周波数より低い第２キャリア周波数で変調することを特徴とする請求項１０から１２のいずれかに記載の電力変換装置。
14. 前記モード制御部は、前記油圧アクチュエータの駆動開始時に、前記第１モードに設定することを特徴とする請求項１０から１３のいずれかに記載の電力変換装置。
15. 前記モード制御部は、前記制御指令値の変動が所定値以下のとき、２相変調に切りかえることを特徴とする請求項１０から１４のいずれかに記載の電力変換装置。
16. 車体と、
    前記車体の前部に設けられた昇降体と、
    前記昇降体を駆動する油圧アクチュエータと、
    前記油圧アクチュエータに動力を伝達する荷役モータと、
    前記荷役モータを駆動する請求項１０から１５のいずれかに記載の電力変換装置と、
    を備えることを特徴とするフォークリフト。

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