JP2020019393A - 走行制御装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】走行中に地面に傷がつきにくくすることが可能な走行制御装置を提供する。【解決手段】走行制御装置1は、左右一対の駆動輪2を夫々駆動する左右一対のモータ19に対する夫々の操作指示を受け付ける指示受付部31と、操作指示が加速指示である場合において、モータ19の回転速度が予め設定された第1閾値以上となると、PI制御における積分ゲインを予め設定された第1値に設定すると共に、PI制御における比例ゲインを予め設定された第2値に設定し、操作指示が減速指示である場合において、モータ19の回転速度が第1閾値より小さい、予め設定された第2閾値未満になると、積分ゲインをゼロに設定すると共に、比例ゲインを予め設定された第3値に設定する速度制御部33と、速度制御部33により設定された積分ゲイン及び比例ゲインに基づいてモータ19を駆動するモータ駆動部34と、を備える。【選択図】図3

Description

本発明は、左右一対の駆動輪の夫々を駆動可能な走行車両の走行制御装置に関する。
従来、左右一対の駆動輪の夫々が、左右一対のモータで駆動される走行車両が利用されてきた。このような走行車両には、モータに流れる電流を制御するためにPI(Proportional-Integral)制御が利用される。PI制御は、公知であるので詳細な説明は省略するが、所謂比例動作及び積分動作を組み合わせて制御を行うものである。このようなPI制御を拡張したPID制御を利用して車両の駆動を制御する技術として、例えば下記に出典を示す特許文献1に記載のものがある。
特許文献1は、車両の車輪を駆動するモータの電流をPID制御により制御する車両の制御装置(以下「制御装置」)が記載されている。この制御装置は、操舵にふらつきが生じた場合であっても、車両の挙動を安定させることができるように、走行路の曲率と車両速度から求まるヨーレートから算出した操舵角と運転者によるステアリング操舵角とに基づいて、PID制御の積分項の出力を補正するための積分項補正ゲインを算出する積分項補正ゲイン算出部を有している。特に、積分項補正ゲインは、ヨーレートから算出した操舵角とステアリング操舵角とを比較した結果を時間微分して得られる微分値に基づいて算出され、微分値が大きいほど積分項補正ゲインが小さくなるように構成される。
特開2017−132406号公報
例えば、走行車両には、左右一対のモータのうち、一方を回転させると共に、他方を停止させて、その場で旋回させるような小回り走行を行うことが可能なものもある。その際、一方のモータに対する運転指示を行う操作レバーはゼロ速付近の低速指示が多くなる。係る場合、特許文献1に記載の技術は、ヨーレートから算出した操舵角とステアリング操舵角とを比較した結果を時間微分して得られる微分値に基づいて積分項補正ゲインが設定されていると、駆動輪がゼロ速(極低速を含む)でロックされ、地面に傷がつく可能性がある。
そこで、走行中に地面に傷がつきにくくすることが可能な走行制御装置が求められる。
本発明に係る走行制御装置の特徴構成は、左右一対の駆動輪の夫々を駆動可能な走行車両の走行制御装置であって、前記左右一対の駆動輪を夫々駆動し、PI制御により通電される電流が制御される左右一対のモータと、前記左右一対のモータに対する夫々の操作指示を受け付ける指示受付部と、前記操作指示が前記モータの加速指示であるか、或いは、減速指示であるかを判定する判定部と、前記操作指示が加速指示である場合において、前記モータの回転速度が予め設定された第1閾値以上となると、前記PI制御における積分ゲインを予め設定された第1値に設定すると共に、前記PI制御における比例ゲインを予め設定された第2値に設定し、前記操作指示が減速指示である場合において、前記モータの回転速度が前記第1閾値より小さい、予め設定された第2閾値未満になると、前記積分ゲインをゼロに設定すると共に、前記比例ゲインを予め設定された第3値に設定する速度制御部と、前記速度制御部により設定された前記積分ゲイン及び前記比例ゲインに基づいて前記モータを駆動するモータ駆動部と、を備えている点にある。
このような特徴構成とすれば、操作指示が減速指示である場合において、所定の条件を具備した時には、積分ゲインがゼロになるため、駆動輪が外乱の影響を受けると指定(操作指示)と実動作が乖離することになる。例えば右側駆動輪を最高速で駆動し、左側駆動輪に極低速指令が入力されると、左側駆動輪が右側駆動輪と車体の動きにつられて指令よりも多く回転することになるので、地面を引っ掻きにくくすることができる。したがって、本走行制御装置によれば、走行中に地面に傷がつきにくくすることが可能となる。
また、前記積分ゲイン及び前記比例ゲインの夫々の切り替えはヒステリシスを有していると好適である。
このような構成とすれば、回転速度における閾値近傍(第1閾値及び第2閾値)での誤動作を防止することが可能となる。
また、前記モータ駆動部は、前記操作指示が減速指示である場合において、前記モータの回転速度が前記第2閾値未満であっても、前記走行車両の車速が予め設定された値未満であるときは、前記回転速度に基づく前記モータの駆動に代えて、前記モータの出力トルクに基づくトルク制御で前記モータを駆動すると好適である。
このような構成であれば、例えば走行車両が走行する地面が滑り易い状況であって、駆動輪が空転している場合であっても、トルク制御により空転を防止することができるので、地面に傷がつくことを防止できる。
走行制御装置が搭載された走行車両の斜視図である。 走行車両の電気系統及び動力系統を示す系統図である。 走行制御装置の構成を示すブロック図である。 PI制御における比例動作の特性図である。 PI制御における積分動作は特性図である。
本発明に係る走行制御装置は、走行中に地面に傷がつきにくくすることができるように構成される。以下、本実施形態の走行制御装置1について説明する。走行制御装置1は、左右一対の駆動輪2の夫々を駆動可能な走行車両に搭載される(図3参照)。
図1には、本実施形態の走行制御装置1が搭載される走行車両の一例である乗用電動芝刈機の斜視図が示される。また、図2には、電気系統図及び動力系統図が示される。図1及び図2に示されるように、乗用電動芝刈機は、前輪であるキャスタ輪4と後輪である駆動輪2とによって支持される車体15、車体15の後部に配置されたバッテリ20、バッテリ20の前方に配置された運転座席11、運転座席11の後方から立設された転倒保護フレーム12、キャスタ輪4と駆動輪2との間で車体15の下方空間に昇降リンク機構を介して昇降可能に車体15から吊り下げられたモーアユニット13を備えている。駆動輪2は走行制御装置1により動作が制御される走行制御ユニット3により駆動され、モーアユニット13はモーア制御装置5により動作が制御される。ここで、キャスタ輪4は左側キャスタ輪4a及び右側キャスタ輪4bからなり、駆動輪2は、左側駆動輪2a及び右側駆動輪2bからなる。
運転座席11の前方には運転者の足載せ場であるフロアプレートが設けられており、そこからブレーキペダル14が突き出ている。運転座席11の両側には、左操縦レバー6aと右操縦レバー6bが配置されている。さらに、運転座席11の側方に電気制御系のスイッチボタンやスイッチレバー等を有する電気操作パネル18が設けられる。電気操作パネル18には、モーアユニット13を起動させるためのモーアスイッチも配置される。なお、上述した左操縦レバー6a及び右操縦レバー6bは、特に区別する必要がない場合には、操縦レバー6として説明する。
本実施形態では、左側駆動輪2aと右側駆動輪2bは、夫々インホイールモータである左側モータ21と右側モータ22からの回転力を動力源としている。左側モータ21はインバータ7を構成する左側給電部41を介して電力が供給され、右側モータ22にはインバータ7を構成する右側給電部42を介して電力が供給される。夫々の供給される電力を変化させることで、回転速度及びトルクの少なくともいずれか一方を変化させることが可能となる。左側駆動輪2aと右側駆動輪2bの回転速度(周速)を互いに相違させることができ、左側駆動輪2aと右側駆動輪2bの回転速度差によって乗用電動芝刈機の方向転換が行われる。
走行制御ユニット3は、乗用電動芝刈機の走行及び旋回を制御する機能部であって、本実施形態では上述した左側モータ21、右側モータ22、インバータ7(特に左側給電部41及び右側給電部42)を含んで構成される。インバータ7は、左側モータ21及び右側モータ22の夫々に給電する。インバータ7から出力される電力は、走行制御装置1によって算定される速度指示値(目標値)に対応しているが、走行負荷によって、その実際の回転速度(実速度)が目標値より小さくなった場合には、モータ出力トルクが大きくなるように電力が修正される。一方、例えば下り坂等において、実際の回転速度(実速度)が目標値より大きくなった場合には、モータ出力トルクが小さくなるように電力が修正される。
モーアユニット13は、3つの回転ブレード131a,131b,131cを備える。回転ブレード131a,131b,131cは、夫々モーア用モータ130a,130b,130cを駆動源としている。モーア用モータ130a,130b,130cは、インバータ7を構成するモーア給電部43を介して電力供給が行われる。モーア給電部43は、モーア制御装置5により制御される。このモーア制御装置5は、上述した走行制御装置1と共に、制御装置100を構成する。
左操縦レバー6aの操作量(揺動角)は左操縦角検出センサ80aにより検出され、右操縦レバー6bの操作量(揺動角)は右操縦角検出センサ80bにより検出される。また、ブレーキペダル14の操作角はブレーキ検出センサ80cにより検出され、モーアスイッチの操作はモーアセンサ80dにより検出される。また、左側駆動輪2aの回転速度は左後輪回転検出センサ70aにより検出され、右側駆動輪2bの回転速度は右後輪回転検出センサ70bにより検出される。また、モーア用モータ130a,130b,130cの回転速度は回転センサ100a,100b,100cにより検出される。各センサの検出結果は制御装置100に伝達され、走行制御装置1及びモーア制御装置5により適宜利用される。
詳細は後述するが、走行制御装置1では、操縦レバー6の操作量に基づいて左側モータ21と右側モータ22に供給する電力量が算定される。また、走行制御装置1は、公知のフィードバック制御により、上述した電力量を補正する。すなわち、走行制御装置1は、左側モータ21及び右側モータ22に要求される必要駆動トルク(以下単に必要トルクと略称する)を算出する。必要トルクとは、左操縦レバー6a又は右操縦レバー6bによる操作量に応じて設定される目標回転速度に基づいて算定される制御量では実回転速度が目標回転速度に達しなかった場合に、実速度が目標速度となるために左側モータ21又は右側モータ22に要求されるトルク量を意味している。走行制御装置1は、左操縦角検出センサ80a及び右操縦角検出センサ80bの検出結果に基づく左側駆動輪2a及び右側駆動輪2bの目標回転速度と、左後輪回転検出センサ70aと右後輪回転検出センサ70bとによって得られる左側駆動輪2a及び右側駆動輪2bの実回転速度とから必要トルクを導出する。走行制御装置1は、算定された必要トルクに基づいて、電力量を補正する。
図3は、走行制御装置1の構成を模式的に示したブロック図である。図3に示されるように、走行制御装置1は、モータ19、指示受付部31、判定部32、速度制御部33、モータ駆動部34の各機能部を備えて構成される。これらの各機能部は乗用電動芝刈機の走行及び旋回に係る処理を行うために、CPUを中核部材としてハードウェア又はソフトウェア或いはその両方で構築されている。なお、図3には、走行制御装置1の他に、上述した左操縦レバー6a、右操縦レバー6b、インバータ7、左側駆動輪2a、右側駆動輪2bも示される。
モータ19は左右一対からなる。本実施形態では、上述した左側モータ21及び右側モータ22が相当する。モータ19は、左右一対の駆動輪2を夫々駆動し、PI(Proportional-Integral)制御により通電される電流が制御される。左右一対の駆動輪2とは、左側駆動輪2a及び右側駆動輪2bである。左側モータ21は左側駆動輪2aを駆動し、右側モータ22は右側駆動輪2bを駆動する。PI制御とは、目標値との差(現在の偏差)の大きさに比例した制御を行う(修正出力を行う)比例動作(P)と、目標値との差(過去の偏差)の積分(累積値)の大きさに比例した制御を行う(修正出力を行う)積分動作(I)とからなる。モータ19に通電される電流とは、モータ19から回転力を出力するために、モータ19が有するコイルに通電される電流である。この電流はPI制御により制御される。モータ19を流れる電流のPI制御は公知であるので、ここでは説明は省略する。
指示受付部31は、左右一対のモータ19に対する夫々の操作指示を受け付ける。左右一対のモータ19とは、左側モータ21及び右側モータ22である。夫々の操作指示とは、左側モータ21及び右側モータ22の夫々に対して要求する回転方向及び回転速度からなる指示である。左側モータ21に対する操作指示は左操縦レバー6aで入力され、右側モータ22に対する操作指示は右操縦レバー6bで入力される。左側モータ21に対する操作指示は左側駆動輪2aに対する操作指示に相当し、右側モータ22に対する操作指示は右側駆動輪2bに対する操作指示に相当する。左側駆動輪2aに対する操作指示は左操縦角検出センサ80aの検出結果が相当し、右側駆動輪2bに対する操作指示は右操縦角検出センサ80bの検出結果が相当する。したがって、指示受付部31は、左側駆動輪2aに対する操作指示は左操縦角検出センサ80aを介して受け付け、右側駆動輪2bに対する操作指示は右操縦角検出センサ80bを介して受け付ける。指示受付部31により受け付けられた操作指示は、後述する判定部32に伝達される。
判定部32は、操作指示が加速指示であるか、或いは、減速指示であるかを判定する。操作指示は、上述した指示受付部31から伝達される。操作指示とは左側駆動輪2a及び右側駆動輪2bの夫々に対して要求する回転方向及び回転速度からなる指示である。
ここで、本実施形態では、左操縦レバー6aを中立状態に対し、前方に傾けると左側駆動輪2aが乗用電動芝刈機を前記前方に走行するように左側モータ21を回転させ、左操縦レバー6aを中立状態に対し、後方に傾けると左側駆動輪2aが乗用電動芝刈機を前記後方に走行するように左側モータ21を回転させる。一方、右操縦レバー6bを中立状態に対し、前方に傾けると右側駆動輪2bが乗用電動芝刈機を前記前方に走行するように右側モータ22を回転させ、右操縦レバー6bを中立状態に対し、後方に傾けると右側駆動輪2bが乗用電動芝刈機を前記後方に走行するように右側モータ22を回転させる。また、左操縦レバー6a及び右操縦レバー6bは夫々、中立状態にある時は左側モータ21及び右側モータ22は夫々、回転しないように構成される。また、左操縦レバー6a及び右操縦レバー6bは中立状態に対し、互いに異なる方向に傾けることも可能であり、この場合には乗用電動芝刈機をその場で旋回(回転)させることができる。
判定部32は、左側駆動輪2aに対して要求された回転速度が、現在の回転速度よりも大きい場合には加速指示であると判定し、現在の回転速度よりも小さい場合には減速指示であると判定する。同様に、判定部32は、右側駆動輪2bに対して要求された回転速度が、現在の回転速度よりも大きい場合には加速指示であると判定し、現在の回転速度よりも小さい場合には減速指示であると判定する。判定部32による判定結果は、後述する速度制御部33に伝達される。
速度制御部33は、操作指示が加速指示である場合において、モータ19の回転速度が予め設定された第1閾値以上となると、PI制御における積分ゲインを予め設定された第1値に設定すると共に、PI制御における比例ゲインを予め設定された第2値に設定する。また、速度制御部33は、操作指示が減速指示である場合において、モータ19の回転速度が第1閾値より小さい、予め設定された第2閾値未満になると、積分ゲインをゼロに設定すると共に、比例ゲインを予め設定された第3値に設定する。本実施形態では、速度制御部33は、比例ゲインを第2値よりも小さい、第3値に設定する。速度制御部33は操作指示が加速指示であるか、或いは、操作指示が減速指示であるかは判定部32から伝達される判定結果により特定可能である。モータ19の回転速度は、左側モータ21及び右側モータ22の夫々の回転速度である。本実施形態では、左側モータ21の回転速度は、左側駆動輪2aの回転速度として左後輪回転検出センサ70aにより検出され、右側モータ22の回転速度は、右側駆動輪2bの回転速度として右後輪回転検出センサ70bにより検出される。
ここで、速度制御部33は、上述したPI制御により左側モータ21及び右側モータ22の夫々を駆動する。特に本実施形態では、PI制御における比例動作(比例制御)は図4に示す特性図のように行われ、PI制御における積分動作(積分制御)は図5に示す特性図のように行われる。図4は、横軸が回転速度であり、横軸が比例ゲインである。図5は、横軸が回転速度であり、横軸が積分ゲインである。詳細は後述するが、図4及び図5において、v1は減速時のゲイン切り換えポイントであり、v2は加速時のゲイン切り換えポイントである。
速度制御部33は、操作指示が加速指示である場合において、モータ19の回転速度が予め設定された第1閾値(図4及び図5におけるv2に相当)以上となると、PI制御における比例ゲインを予め設定された第2値(図4におけるP2に相当)に設定し、PI制御における積分ゲインを予め設定された第1値(図5におけるI2に相当)に設定する。この設定は、左側モータ21及び右側モータ22の夫々について独立して行われる。
また、速度制御部33は、操作指示が減速指示である場合において、モータ19の回転速度が第1閾値(図4及び図5におけるv2に相当)より小さい、予め設定された第2閾値(図4及び図5におけるv1に相当)未満になると、比例ゲインを第2値(図4におけるP2に相当)よりも小さい、予め設定された第3値(図4におけるP1に相当)に設定し、積分ゲインをゼロ(図5におけるI1に相当)に設定する(積分動作を無効にする)。この設定も、左側モータ21及び右側モータ22の夫々について独立して行われる。これにより、低速域で積分ゲインをゼロすることで、比例制御のみで制御されることになり、速度の定常偏差を許容する(駆動輪2が操作指示(加速指示)に追従することを防止する)ように構成される。
なお、図4及び図5に示されるように、積分ゲイン及び比例ゲインの夫々の切り替えはヒステリシスを有していると好適である。このようなヒステリシスにより回転速度における閾値近傍(第1閾値及び第2閾値)での誤動作を防止することが可能となる。速度制御部33により設定された積分ゲイン及び比例ゲインは後述するモータ駆動部34に伝達される。
図3に戻り、モータ駆動部34は、速度制御部33により設定された積分ゲイン及び比例ゲインに基づいてモータ19を駆動する。本実施形態では、モータ駆動部34は、速度制御部33により設定された積分ゲイン及び比例ゲインに基づいてインバータ7を構成する左側給電部41及び右側給電部42に電力供給を行う。これにより、左側モータ21及び右側モータ22の回転が制御され、左側駆動輪2a及び右側駆動輪2bが回転し、乗用電動芝刈機の走行及び旋回が可能となる。また、モータ駆動部34は、公知のフィードバック制御により、左側駆動輪2a及び右側駆動輪2bの回転を制御する。すなわち、モータ駆動部34は、左操縦角検出センサ80aの検出結果に基づいて左側駆動輪2aの回転速度(トルク)、すなわち左側モータ21の回転速度(トルク)を算定すると共に、右操縦角検出センサ80bの検出結果に基づいて右側駆動輪2bの回転速度(トルク)、すなわち右側モータ22の回転速度(トルク)を算定し、これら回転速度(トルク)に基づいた電力量を算定する。この算定には、操作位置と回転速度の関係を表すテーブルや関数を用いると好適である。モータ駆動部34は、このように算定された電力量に基づいて左側駆動輪2a及び右側駆動輪2bの回転を制御する。
〔その他の実施形態〕
上記実施形態では、操縦レバー6が乗用電動芝刈機の車体15に搭載されている場合の例を挙げて説明したが、乗用電動芝刈機はリモコンにより遠隔操作可能であっても良い。
上記実施形態では、積分ゲイン及び比例ゲインの夫々の切り替えはヒステリシスを有しているとして説明したが、積分ゲイン及び比例ゲインのうちの一方の切り替えがヒステリシスを有するように構成しても良いし、積分ゲイン及び比例ゲインの双方の切り替えがヒステリシスを有しないように構成しても良い。
上記実施形態では、操作指示が減速指示である場合において、速度制御部33はモータ19の回転速度が第1閾値より小さい、予め設定された第2閾値未満になると、積分ゲインをゼロに設定すると共に、比例ゲインを予め設定された第3値に設定し、モータ駆動部34は、速度制御部33により設定された積分ゲイン及び比例ゲインに基づいてモータ19を駆動するとして説明した。しかしながら、モータ駆動部34は、操作指示が減速指示である場合において、モータ19の回転速度が第2閾値未満であっても、走行車両の車速が予め設定された値未満であるときは、回転速度に基づくモータ19の駆動に代えて、モータ19の出力トルクに基づくトルク制御でモータ19を駆動するように構成しても良い。このような構成であれば、例えば走行車両が走行する地面が滑り易い状況であって、駆動輪2が空転している場合であっても、トルク制御により空転を防止することができるので、地面に傷がつくことを防止できる。また、PI制御におけるゲインをゼロにし、左操縦レバー6aの操作量(揺動角)を検出する左操縦角検出センサ80aの検出結果、及び右操縦レバー6bの操作量(揺動角)を検出する右操縦角検出センサ80bの検出結果をトルクに変換してトルク指令駆動を行うように構成することも可能である。もちろん、電流指令駆動であっても良い。
上記実施形態では、走行制御装置1が搭載される走行車両の一例として乗用電動芝刈機を挙げて説明したが、走行車両は他の車両であっても良い。
上記実施形態では、速度制御部33は、比例ゲインを第2値よりも小さい、第3値に設定するとして説明したが、速度制御部33は、比例ゲインを第2値よりも大きい、第3値に設定するように構成することも可能であるし、速度制御部33は、比例ゲインを第2値と同じ値からなる第3値に設定するように構成することも可能である。
本発明は、左右一対の駆動輪の夫々を駆動可能な走行車両の走行制御装置に用いることが可能である。
1:走行制御装置
2:駆動輪
19:モータ
31:指示受付部
32:判定部
33:速度制御部
34:モータ駆動部

Claims (3)

  1. 左右一対の駆動輪の夫々を駆動可能な走行車両の走行制御装置であって、
    前記左右一対の駆動輪を夫々駆動し、PI制御により通電される電流が制御される左右一対のモータと、
    前記左右一対のモータに対する夫々の操作指示を受け付ける指示受付部と、
    前記操作指示が前記モータの加速指示であるか、或いは、減速指示であるかを判定する判定部と、
    前記操作指示が加速指示である場合において、前記モータの回転速度が予め設定された第1閾値以上となると、前記PI制御における積分ゲインを予め設定された第1値に設定すると共に、前記PI制御における比例ゲインを予め設定された第2値に設定し、前記操作指示が減速指示である場合において、前記モータの回転速度が前記第1閾値より小さい、予め設定された第2閾値未満になると、前記積分ゲインをゼロに設定すると共に、前記比例ゲインを予め設定された第3値に設定する速度制御部と、
    前記速度制御部により設定された前記積分ゲイン及び前記比例ゲインに基づいて前記モータを駆動するモータ駆動部と、
    を備える走行制御装置。
  2. 前記積分ゲイン及び前記比例ゲインの夫々の切り替えはヒステリシスを有している請求項1に記載の走行制御装置。
  3. 前記モータ駆動部は、前記操作指示が減速指示である場合において、前記モータの回転速度が前記第2閾値未満であっても、前記走行車両の車速が予め設定された値未満であるときは、前記回転速度に基づく前記モータの駆動に代えて、前記モータの出力トルクに基づくトルク制御で前記モータを駆動する請求項1又は2に記載の走行制御装置。
JP2018145121A 2018-07-03 2018-08-01 走行制御装置 Active JP6999517B2 (ja)

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