JP3765523B2 - フォークリフトの操舵制御装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、フォークリフトの操舵制御装置に関し、特にハンドルと操舵輪とが機械的に連結されていない操舵制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、フォークリフト等の車両の操舵装置として、運転者がハンドルを操作する際のハンドルが回転する角速度を検出し、この角速度に基づいて操舵モータ（以下、モータ１５と言う）を駆動して操舵輪を操舵する電気式パワーステアリング装置が知られている。このような電気式パワーステアリング装置のうち、ハンドルと操舵輪とが機械的に連結されていないタイプのものを、以下フリーＥＰＳ装置と呼ぶ。
図６に、従来技術によるフリーＥＰＳ装置の構成図を示す。同図においてフリーＥＰＳ装置は、運転者が操作するハンドル９と、このハンドル９を操作する際の角速度ω（以下、ハンドル角速度ωと言う）を検出するハンドル操作角速度検出器１４とを備えている。また、フリーＥＰＳ装置は、操舵輪５（以下、タイヤ５と言う）と、タイヤ５を操舵するモータ１５とを備えている。
【０００３】
フリーＥＰＳ装置を制御するコントローラ１は、ハンドル操作角速度検出器１４と接続されており、ハンドル操作角速度検出器１４の検出信号に基づいて、ハンドル角速度ωを算出する。そしてコントローラ１は、モータ１５を駆動する駆動回路２に、このハンドル角速度ωと正の相関を有するトルク指令値Ｖを出力し、モータ１５を指定したトルクで回転させてタイヤ５の操舵を行なう。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来技術には、次に述べるような問題点がある。
従来技術によれば、直進走行したり一定の曲率でカーブを走行したりするように、走行中にハンドルを操作しない走行（以下、ハンドル固定走行と言う）の最中には、モータ１５にトルク指令値Ｖが出力されないために電流が流れない。そのためモータ１５が回転自在な状態となり、走行中にタイヤ５が路面の凹凸に乗り上げたりして外部からの力を受けるとタイヤ５が回転して、車両の進行方向が曲げられてしまう。
しかも、フリーＥＰＳ装置ではハンドル９とタイヤ５とが機械的に連結されていないために、ハンドル９によってタイヤ５が回転するのを阻止することができない。
その結果、タイヤ５が左右にふらついてフォークリフトが蛇行したり、意図したコースから外れてしまったりするという問題がある。
【０００５】
本発明は、上記の問題点に着目してなされたものであり、ハンドルを操作しない場合にもタイヤが自由に回転することなく安定に走行可能な操舵制御装置を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段、作用及び効果】
上記の目的を達成するために、第１発明は、
フォークリフトの操舵を行なうハンドルと、
ハンドルと機械的に連結されない操舵輪と、
ハンドルの操作角速度を検出するハンドル操作角速度検出器と、
操舵輪を操舵する直流の操舵モータと
入力するトルク指令値に応じて各スイッチをオンオフ制御することによって、回転方向を含めた操舵モータの駆動制御を行なうスイッチング回路を備えた駆動回路と、
ハンドルの操作角速度に応じてトルク指令値を演算し、駆動回路に出力して操舵輪の制御を行なうコントローラとを備えたフォークリフトの操舵制御装置において、
操舵輪が外力によって回転したときに、操舵モータの電機子端子間に生じる起電圧を検出する電圧検出器を備え、
コントローラは、ハンドル操作が略停止してハンドルの操作角速度に変化がない間、電圧検出器の検出した起電圧と逆符号の電流をモータの電機子端子間に流している。
【０００７】
第１発明によれば、モータの電機子端子間の両端電圧を検出し、ハンドルが操作されていない時にこの電機子端子間に電圧が発生した場合には、この発生した電圧を打ち消すようにモータの電機子端子間に電流を流すようにしている。
即ち、外力がかかってタイヤが動いた場合には、モータの起電力により、モータに電流を入力する電機子端子間に電圧が発生する。このときハンドルが操作されていなければ、コントローラは、タイヤが外力によって回転させられたと判断する。そして、この起電圧を打ち消すような方向に、モータの電機子端子間に電流を流すことにより、タイヤが回転しようとする動きを抑制することができる。そして、強い外力によってタイヤが回転してしまっても、回転したタイヤを逆向きに回転させるようにモータの電機子端子間に電流を流すことにより、元の角度に戻すことができる。これにより、ハンドルを操作しないときにも、タイヤが外力によって回転することなく走行を継続できるので、安定な走行が可能となる。
【０００８】
また、第２発明は、第１発明記載のフォークリフトの操舵制御装置において、モータの電機子端子間に流す電流の大きさを、前記起電圧に略比例させている。
【０００９】
第２発明によれば、起電圧に略比例した電流をモータの電機子端子間に流している。即ち、電機子端子間に発生した起電圧は、外力によって回転させられたタイヤの角速度（即ちモータの角速度）に略比例している。従って、この起電圧の大きさに略比例した電流をモータに逆向きに流すことにより、タイヤの外力による回転の強さに対して同程度の抵抗力を発生させ、タイヤの回転を好適な強さで止めることができる。
また、強い外力によってタイヤが回転してしまっても、タイヤの回転した角度は起電圧に略比例するので、この起電圧に比例した電流をモータに流すことにより、タイヤを元の角度に正確に戻すことが可能となる。これにより、ハンドルを操作しないときにも、タイヤが外力によって回転することなく走行を継続できるので、安定な走行が可能となる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図を参照しながら、本発明による実施形態を詳細に説明する。尚、各実施形態において、前記従来技術の説明に使用した図と同一の要素には同一符号を付し、重複説明は省略する。
【００１１】
図１は、実施形態によるフリーＥＰＳ装置の構成図を示している。同図において、フリーＥＰＳ装置は、運転者が操作するハンドル９と、運転者がこのハンドル９を操作した際のハンドル角速度ωを検出するハンドル操作角速度検出器１４とを備えている。
ハンドル９の中心からはハンドル軸１０が延設され、その軸端に固着された第１スプロケット１１と、第１スプロケット１１の近傍に設けられた第２スプロケット１２との間にはチェーン１３が巻装されている。第２スプロケット１２の中心には、ハンドル操作角速度検出器１４が取着されている。
また、タイヤ５を操舵するモータ１５の軸端部には第１ギア１６が固着され、第２ギア１７が第１ギア１６に噛み合っている。第２ギア１７には、その回転をタイヤ５に伝動するブラケット２０が固着され、ブラケット２０の端部にはタイヤ５が回転自在に取着されている。
フリーＥＰＳ装置を制御するコントローラ１には、ハンドル操作角速度検出器１４から、検出信号としてハンドル角速度ωが入力される。
コントローラ１は、ハンドル角速度ωに基づいて所定の演算を行なってモータ１５を駆動するトルク指令値Ｖを算出し、このトルク指令値Ｖをモータ１５を駆動する駆動回路２に出力する。このとき、コントローラ１は、トルク指令値Ｖがハンドル角速度ωに正の相関を有するようにしているが、両者を略比例させるのが特に好適である。
【００１２】
図２に、本実施形態における駆動回路２の一例を示す。同図に示すように駆動回路２は、直流電源６と、例えば第１〜第４のスイッチＱ１〜Ｑ４を有するＨ型ブリッジ構造のスイッチング回路２１とを備えている。このスイッチＱ１〜Ｑ４は、例えばトランジスタ等の半導体スイッチング素子からなっており、その内部に逆バイアスされたダイオードＤ１〜Ｄ４を並列に有している。
また、駆動回路２は、コントローラ１から受信したトルク指令値Ｖにデューティを略比例させたＰＷＭ信号を発生するＰＷＭ発生回路７を備えている。このＰＷＭ信号を各スイッチＱ１〜Ｑ４に印加して各スイッチＱ１〜Ｑ４をオン／オフさせることにより、モータ１５がＰＷＭ信号のデューティに略比例したトルクで回転し、タイヤ５を操舵する。
同図において、スイッチＱ１，Ｑ４がオン、スイッチＱ２，Ｑ３がオフのときには、モータ１５に対して図中左向きに電流が流れ、モータ１５は例えば時計回りに回転する。また、逆にスイッチＱ２，Ｑ３がオン、スイッチＱ１，Ｑ４がオフのときには、モータ１５に対して図中左向きに電流が流れ、モータ１５は反時計回りに回転する。
【００１３】
このとき、モータ１５に電流を流すための電機子端子２２Ａ，２２Ｂ間には、電機子端子２２Ａ，２２Ｂ間に生じる電圧（以下、起電圧Ｅと言う）を測定するための電圧検出器２３が接続されている。この電圧検出器は、例えば入出力絶縁型の差動アンプが好適であり、測定したモータ１５の起電圧Ｅをコントローラ１に出力している。
コントローラ１からの操舵指令によってモータ１５が回転したときは、モータ１５の入力電機子端子２２Ａ，２２Ｂ間に上記ＰＷＭ信号に基づく電流が流れ、起電圧Ｅが発生する。一方、外力によってタイヤ５が回転させられたときには、モータ１５の電機子端子２２Ａ，２２Ｂ間に、その回転角速度に略比例する起電力が生まれ、起電圧Ｅが発生する。即ち、モータ１５が回転するときには、常にその電機子端子２２Ａ，２２Ｂ間に起電圧Ｅが発生する。
従って、この起電圧Ｅを電圧検出器２３によって検出することにより、コントローラ１はモータ１５が回転していることを検知することが可能である。
【００１４】
図３に、ハンドル９が操作されない「ハンドル角速度ω＝０」の場合に、タイヤ５が外部からの力によって動かされないようにモータ１５の回転を抑えるためのフローチャートを示す。また、図４に、電機子端子間電圧Ｅと、コントローラ１が出力するトルク指令値Ｖとの関係を示す。尚、以下のフローチャートでは各ステップ番号にＳを付して表す。また、起電圧Ｅが正の場合についてのみ説明するが、負の場合についても同様である。
【００１５】
前述したようにコントローラ１は、走行中に、電圧検出器２３の出力に基づいてモータ１５が回転したことを検知可能である。コントローラ１は、この検知に基づき、モータ１５の回転がタイヤ５が外力によって動かされたことによるものか否かを判断する（Ｓ１）。例えば、ハンドル９が操作されておらず、「ハンドル角速度ω≒０」にも拘らずモータ１５が回転したならば、これはタイヤ５が外力によって動かされたために起電圧Ｅが生じたものと判断できる。
Ｓ１において、タイヤ５が外力によって動かされたのでない（通常の操舵による回転である）場合は、コントローラ１は通常の操舵制御を行ない（Ｓ２）、Ｓ１に戻る。
また、Ｓ１でタイヤ５が外力によって動かされたと判断した場合には、コントローラ１は、この起電圧Ｅの大きさを所定の閾値Ｅ１と比較し（Ｓ３）、起電圧Ｅが閾値Ｅ１未満の場合には、勾配ｍを有する所定の直線Ｌに基づいて、起電圧Ｅに略比例するトルク指令値Ｖ１を出力する（Ｓ４）。
また、Ｓ３で起電圧が閾値Ｅ以上の場合には、トルク指令値Ｖ＝Ｖmax（一定値）」を出力する（Ｓ５）。
そして、駆動回路２のＰＷＭ発生回路７は、入力されたトルク指令値Ｖに略比例するデューティのＰＷＭ信号を出力して各スイッチＱ１〜Ｑ４をオンオフし、モータ１５を駆動して（Ｓ６）、Ｓ１に戻る。
【００１６】
このときの、スイッチング回路２１の動作の一例を、図５に示す。
同図に示すように、例えばモータ１５の左側電機子端子２２Ａ側をゼロ電位とした場合に右側電機子端子２２Ｂ側にプラスの起電圧Ｅが発生したとすると、モータ１５はタイヤ５からの力によって反時計回りに回転している。これに伴い、コントローラ１は、モータ１５が時計回りに回転するように、図中右向きに電流が流れるような符号のトルク指令値Ｖを出力する。
例えばこのとき、スイッチＱ１をオン、スイッチＱ２，Ｑ３をオフとし、スイッチＱ４に上記手順で決定したデューティのＰＷＭ信号を印加する。これにより、モータ１５に時計回りに回転する力が発生し、タイヤ５によってもたらされた回転を抑制する。
そして、このモータ１５に指示されたトルク指令値Ｖはモータ１５の電機子端子２２Ａ，２２Ｂ間に発生した起電圧Ｅに略比例し、この起電圧Ｅはタイヤ５が回転させられた際の角速度に略比例している。従って、モータ１５には、タイヤを回転させる力と常に略比例する抵抗力が働くことになる。このときの回転力と抵抗力とが同等になるように、起電圧Ｅとトルク指令値Ｖとの間の直線Ｌの傾きｍを定めることにより、タイヤ５を回転させる力とほぼ同等の抵抗力を発生させることが可能となる。
【００１７】
以上説明したように、本実施形態によれば、タイヤ５が外力によって回転したときに、モータ１５の電機子端子２２Ａ，２２Ｂ間に生じる起電圧Ｅを検出する電圧検出器２３を備えている。これにより、コントローラ１は、モータ１５が回転していることを検知することができる。そして、コントローラ１が駆動回路２に所定のトルク指令値Ｖを出力したにも拘らずモータ１５が回転していないような故障が起きても、その故障を検知可能である。従って、故障状態で車両を走行させるようなことが少なく、操舵制御装置の信頼性が向上する。
【００１８】
また、タイヤ５が外力によって回転を始めると、そのことを検知してモータ１５の電機子端子２２Ａ，２２Ｂ間に回転方向と逆方向の電流を流している。これにより、モータ１５が回転力に抗する抵抗となり、タイヤ５が外力によって回転する角度が非常に小さくなる。従って、走行中にタイヤ５が動いてフォークリフトが蛇行したりコースから外れるといったことが少なくなる。
またこのとき、電機子端子２２Ａ，２２Ｂ間に流す電流の大きさを、電機子端子間電圧Ｅに略比例させている。電機子端子２２Ａ，２２Ｂ間に発生する起電圧Ｅは、外力によって回転させられたタイヤ５の角速度、即ちモータ１５の角速度に略比例している。従って、この起電圧Ｅの大きさに略比例した電流をモータ１５に逆向きに流すことにより、タイヤ５の外力による回転の強さに対して同程度の抵抗力をモータ１５に発生させ、タイヤ５の回転を好適な強さで止めることができる。
従って、ハンドル９を操作しないハンドル固定走行の場合にも、タイヤ５が外力によって自在に回転してしまうことが少なく、フリーＥＰＳ装置であっても安定した操舵及び走行が可能となる。
【００１９】
さらに、モータ１５による抵抗にも拘らず、タイヤ５に強い外力がかかって回転させられてしまうことがある。そのような場合にも、発生した起電圧Ｅはこのタイヤ５の回転した角度に略比例しているので、コントローラ１は起電圧Ｅの強さと起電圧Ｅが印加された時間とに基づいて、タイヤ５がどれだけ回転したかを検出することができる。そして、このタイヤ５の回転した角度に基づいて駆動回路２に指令を出力し、モータ１５を所定角度だけ回転させてタイヤ５の角度を回転前とほぼ同位置に戻すことが可能である。
またこのとき、モータ１５に流す電流を、起電圧Ｅの強さに略比例させることにより、タイヤ５を、より正確に元の角度に戻すことが可能である。
しかもこのとき、タイヤ５の回転角度を検出するのに機械的な検出装置を使用するのではなく、電圧検出器２３のように電気的な装置で検知している。従って、機械的な可動部がないので、検出装置の故障が少ない。また、検出装置の大きさも、小さなものとすることができる。
【００２０】
尚、実施形態において、ハンドル操作角速度検出器１４でハンドル操作角速度ωを検出するように説明したが、これに限られるものではない。例えばハンドル操作角速度検出器１４の代わりにポテンショメータを備えてハンドルが操作された角度を検出し、これをコントローラ１内部で微分演算を行なって、ハンドル操作角速度ωを算出してもよい。
【００２１】
また、駆動回路２内のスイッチング回路２１における第１〜第４のスイッチＱ１〜Ｑ４として、半導体スイッチング素子と説明したが、例えば動作速度が充分速ければ機械式のスイッチでもよい。さらに、スイッチング回路２１は、第１〜第４のスイッチＱ１〜Ｑ４を備えたＨ型ブリッジ回路と説明したが、これに限られるものではなく、スイッチングによってモータ１５の制御を行なうスイッチング回路２１であればよい。例えば図２において直流電源６を除き、スイッチＱ１，Ｑ２の位置にそれぞれ直流電源６，６を配置し、スイッチＱ３，Ｑ４をスイッチングしてモータ１５を制御するようなスイッチング回路２１でもよい。
また、ＰＷＭ発生回路７が駆動回路２内にあるように説明したが、コントローラ１の内部にあってもよい。
【００２２】
また実施形態では、「起電圧Ｅ＝０」の近傍からトルク指令値Ｖが起電圧Ｅに比例するように説明したが、これに限られるものではない。例えば図４に示すように第２の閾値Ｅ２（Ｅ２≒０）を設け、起電圧Ｅが−Ｅ２＜Ｅ＜Ｅ２の範囲にある間は、「トルク指令値Ｖ＝０」を出力するようにし、Ｅ≧Ｅ２又はＥ≦−Ｅ２の場合にのみ、起電圧Ｅとトルク指令値Ｖを略比例させるようにしてもよい。このようにすれば、例えばタイヤの微少な振動によって起電圧Ｅがゼロ値近傍で変動したときに、トルク指令値Ｖが小刻みに出力して持続振動を行なうようなことがなく、さらに安定に運転を続けることが可能である。
【００２３】
また、実施形態では、「起電圧Ｅ≦Ｅ１」においてはトルク指令値Ｖを起電圧Ｅに略比例させ、「起電圧Ｅ＞Ｅ１」においては「トルク指令値Ｖ＝Ｖmax」として、閾値Ｅ１の前後で明確に場合分けしたが、これに限られるものではない。例えば、起電圧Ｅが閾値Ｅ１よりも遥かに小さい間は、トルク指令値Ｖを起電圧Ｖに略比例させ、起電圧Ｅが閾値Ｅ１に近づくにつれて、トルク指令値ＶがＶmaxに緩やかに飽和して近づくようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態によるフリーＥＰＳ装置の構成図。
【図２】駆動回路の一例を示す回路図。
【図３】モータの回転を抑えるためのフローチャート
【図４】起電圧とトルク指令値との関係を示すグラフ。
【図５】スイッチング回路の動作を示す回路図。
【図６】従来技術によるフリーＥＰＳ装置の構成図
【符号の説明】
１：コントローラ、２：駆動回路、５：タイヤ、６：直流電源、７：ＰＷＭ発生回路、９：ハンドル、１０：ハンドル軸、１１：第１スプロケット、１２：第２スプロケット、１３：チェーン、１４：ハンドル角検出器、１５：モータ、１６：第１ギア、１７：第２ギア、２０：ブラケット、２１：スイッチング回路、２２：電機子端子、２３：電圧検出器。

Claims (2)

1. フォークリフトの操舵を行なうハンドル(9)と、
   ハンドル(9)と機械的に連結されない操舵輪(5)と、
   ハンドル(9)の操作角速度(ω)を検出するハンドル操作角速度検出器(14)と、
   操舵輪(5)を操舵する直流の操舵モータ(15)と
   入力するトルク指令値(V)に応じて各スイッチ(Q1〜Q4)をオンオフ制御することによって、回転方向を含めた操舵モータ(15)の駆動制御を行なうスイッチング回路(21)を備えた駆動回路(2)と、
   ハンドル(9)の操作角速度(ω)に応じてトルク指令値(V)を演算し、駆動回路(2)に出力して操舵輪(5)の制御を行なうコントローラ(1)とを備えたフォークリフトの操舵制御装置において、
   操舵モータ(15)の電機子端子(22A,22B)間に生じる起電圧(E)を検出する電圧検出器(23)を備え、
   コントローラ(1)は、ハンドル操作が略停止してハンドル(9)の操作角速度(ω)に変化がない間、電圧検出器(23)の検出した起電圧(E)と逆符号の電流を、モータ(15)の電機子端子(22A,22B)間に流すことを特徴とするフォークリフトの操舵制御装置。
2. 請求項１記載のフォークリフトの操舵制御装置において、
   モータ(15)の電機子端子(22A,22B)間に流す電流の大きさを、前記起電圧(E)に略比例させたことを特徴とするフォークリフトの操舵制御装置。

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