JP5319320B2 - フォークリフト - Google Patents

Description

本発明は、フォークリフトにかかり、特に、簡易な構成で安定な荷役動作を実現することのできる荷役装置を備えたフォークリフトに関する。

近年、環境問題、原油高などの観点から、各種の製品に対して省エネルギ化の要求が強くなってきた。このため、エンジンを用いた油圧駆動システムが中心であった建設車両、産業車両においても電動化により高効率化、省エネルギ化を図る例が増加してきている。

電動化、すなわち動力源をモータにした場合、排気ガスの低減のほか、エンジンの高効率駆動、伝達効率の向上、回生電力の回収などの各種省エネルギ効果が期待できる。特に、前記建設車両、産業車両の中ではフォークリフトの電動化がいち早く進んでおり、バッテリの電力を用いてモータを駆動するバッテリ式フォークリフトが実用化されている。

製品化されているバッテリフォークリフトは、電力源に鉛バッテリを使用し、走行用タイヤを直接モータで駆動し、さらに荷物の昇降作業を行う荷役装置部分は電動油圧システムにより駆動されている。このシステムではモータで油圧ポンプを駆動し、発生した油圧によりフォークリフトの左右のシリンダを作動させている。

このような構成のバッテリフォークリフトは、基本的には倉庫内作業時における排気ガスレス化が目的であるが、加減速を繰り返すフォークリフトの動作パターンを利用すれば回生電力によるエネルギ消費量削減も期待できる。

しかしながら、使用される鉛バッテリは短時間大電流での充電特性が劣り、実際に回収できる回生電力は微々たる量である。このため、現在ではこの鉛バッテリの低い急速充電特性を補うために大容量のキャパシタなどを併用し、このキャパシタに回生電力を回収することによりエネルギ消費量を削減するようにしている。

また、荷物の昇降作業を行う荷役装置においては、荷物を降下する際、蓄えられた位置エネルギを回収する機会がある。しかし、リフト部の油圧シリンダの構造から、このエネルギを回収することは難しいため、現状では廃棄している。

このため、リフト部のアクチュエータを油圧シリンダからモータ駆動による直動アクチュエータに代替し、荷物の降下時に発生する回生エネルギを効率よく回収することが検討されている。

このように直動アクチュエータを用いた場合は、荷物の降下時に外力より駆動用モータを回転させることが可能となるため、モータにより回生電力を発生させることができる。

直動アクチュエータの駆動制御方式については特許文献１に開示されている。この文献によると、この昇降システムは左右に電動シリンダ（直動アクチュエータに相当）を有しており、この２台の電動シリンダを同期して使用することにより昇降システムの降下時に回生制動を行い、回生エネルギを電源に回収できる。

特開２００５−５３６９３号公報

前記従来の昇降システムのように、フォークリフトの左右に直動アクチュエータを配置した場合、左右のアクチュエータ間の協調をとる必要がある。前記昇降システムにおいては、左右のモータに対してそれぞれモータを駆動するインバータおよびエンコーダを備えており、左右の直動アクチュエータを駆動するモータの間の回転速度差が所定値以上となる場合に、左右それぞれのインバータの出力電圧を調整して左右モータ間の回転速度差を所定範囲内となるように制御している。

このように従来技術では、左右２つのモータの回転速度差を所定範囲内とするために左右２つのモータのそれぞれにインバータおよび回転センサを設けて同期制御を行っている。この場合、左右２つのモータにそれぞれインバータを備えているため、コストも高くなり、実装面でも問題が生じることがある。また、左右のモータの回転速度差をなくするようにそれぞれのモータをインバータ制御するため、制御も複雑となる。

本発明は、これらの問題点に鑑みてなされたもので、簡易な構成により安定な荷役動作と回生電力の高効率な回収が可能な荷役駆動装置を備えたフォークリフトを提供するものである。

本発明は上記課題を解決するため、次のような手段を採用した。

回転運動を直線運動に変換する直動型のアクチュエータを荷役駆動装置の複数のフォーク部分にそれぞれ備えるフォークリフトにおいて、前記複数のフォーク部分に備える複数のアクチュエータをそれぞれ駆動する誘導モータ、該誘導モータを共通に駆動するインバータおよび該インバータを制御するコントローラを備え、該コントローラは、前記複数の誘導モータの回転速度をそれぞれ検出する検出器、該検出器の検出値の平均値を演算する平均演算部、および前記検出器の検出値を比較してその最小値を出力する比較部を備え、前記平均演算部出力を誘導モータ速度指令値との差分をとる差分器に回転速度平均値としてフィードバックし、また、前記比較部出力を誘導モータ回転数として、前記コントローラが演算した滑り周波数に加算して、１次周波数指令とする。

本発明は、以上の構成を備えるため、簡易な構成により安定な荷役動作と回生電力の高効率な回収が可能となる。

荷役駆動装置を備えたフォークリフトを説明する図である。 油圧を用いて回生を行う場合における油圧駆動システムを説明する図である。 左右のアクチュエータ毎に駆動モータおよびインバータを配置してフォーク部を上昇および降下駆動させる例を示す図である。 モータ駆動装置の基本構成を説明する図である。 インバータを用いて誘導モータを制御する誘導モータ制御系を説明するブロック図である。 ２つのモータを１台のインバータで制御する際のモータ制御系を説明する図である。 誘導モータのすべり周波数に対するトルクの特性を示す図である。

以下、最良の実施形態を添付図面を参照しながら説明する。

前述したように、フォークリフトの荷役装置は一般に油圧駆動システムで構成されている。このフォークリフトはエンジン式、バッテリ式の２通りに大別され、それぞれの荷役装置用油圧システムの駆動源はエンジンあるいはモータである。

前述したように、フォークリフトでは駆動装置の電動化による高効率化、省エネルギ化が進んできており、特にバッテリ式では走行中における減速時に発生する回生電力の回収が積極的に行われるようになってきた。

フォークリフトでは、今後も更なる省エネルギ化が図られていくものと見られており、走行時の回生電力回収の次に考えられのは荷役装置からのエネルギ回生である。荷役装置からのエネルギ回生は、荷物を上から下ろす場合において位置エネルギ相当量を回生するものであり、省エネルギ手段のなかでもっとも省エネルギ効果が大きいと考えられている。

前記油圧駆動システムを用いて荷物を上から下ろす場合、油圧シリンダ内の油圧をリリースすることで支持力を減少させて荷物を下ろしている。すなわち、蓄えられている位置エネルギを油圧の放出という形で消費している。

図１は、本発明の対象となる荷役駆動装置を備えたフォークリフトを説明する図である。図１に示すように、フォークリフト１は、その車体前部に、上下運動をするフォーク部２を備え、フォーク部２の上昇および降下駆動を直動アクチュエータ３により行う。

直動アクチュエータは、例えばボールネジを備え、駆動用モータの回転運動を直動運動に高効率で変換する直動アクチュエータである。図１においては、駆動用モータ４はギヤ５を介して直動アクチュエータ３を駆動するようにしているが、この形態に限定されるものではなく、たとえば駆動モータ４で直動アクチュエータ３を直接駆動してもよい。また、図１では明示していないが、フォークリフトの右側（図の逆側）にも同様にフォーク部２ｂ、直動アクチュエータ３ｂ、駆動用モータ４ｂを備えており、前記フォークリフトの荷役装置は左右２つのアクチュエータにより、上昇および降下方向に駆動される。

図２は、油圧を用いて回生を行う場合における油圧駆動システムを説明する図である。このシステムにおいては、荷物の降下時にリフトを昇降動作させる油圧シリンダ１０からの油が油圧配管１１を介して油圧モータ１２に戻り、油圧モータ１２を回転させる。この回転力により発電機１３を回転して電力を発生させる。この発生電力はさらに変換器１４を介してバッテリ１５に充電して蓄える。このように油圧を介してエネルギ回生を行う回生方式では、従来の油圧システムからの置き換えが比較的容易である反面、回生エネルギが油圧配管、油圧モータ、発電機に順次伝達されるため、各部分での損失が大きくなり十分な回生電力が得られないことがある。

これに対して、前記モータの回転動力を直接直線運動に変換する直動アクチュエータを用いる場合には、油圧駆動システムの効率の低さを改善して、蓄えられている位置エネルギを効率よく回生することができる。

図３は、左右のアクチュエータ毎に駆動モータおよび該駆動モータを駆動するインバータをそれぞれ配置して、左右のアクチュエータによりフォーク部を上昇および降下駆動させる例を示す図である。

この例の場合には、左右のアクチュエータ間の速度差をなくすように、左右のモータ間で協調を取る必要が生じる。左右のアクチュエータの協調を取るためには左右の駆動用モータの回転速度、トルク、アクチュエータの推力、あるいはアクチュエータの移動速度等を監視し、その差をなくすように左右の駆動用モータを制御することが必要となる。すなわち、左右の駆動用モータ４、４ｂにそれぞれ電力を供給するインバータ２０、２０ｂは、そのコントローラ２１、２１ｂ間で、モータあるいはアクチュエータの状態を検出し、検出値を互いに交換して制御することが必要となる。

このため、図３の例では、コントローラ２１、２１ｂ間を通信線２２で信号的に接続し、各種検出信号は通信線２２を介して送受信される。また、図３の例では各コントローラに入力される各種センサ信号を省略して表示している。しかし、実際には各種のセンサが各モータ、インバータに付属しており、そこからの信号が各コントローラに入力されることとなる。

このように、左右のアクチュエータを、各アクチュエータに付属するモータおよびインバータで制御する場合、左右のアクチュエータの速度差は補償することができる。しかしこの場合は、各種センサが必要となり、制御が複雑化する。また、これに伴い、コストが上昇する。さらには左右のアクチュエータに対してそれぞれインバータが必要となるため、実装の面で問題となる場合がある。

図４は、モータ駆動装置の基本構成を説明する図である。図４に示すように、左右のアクチュエータ３、３ｂをそれぞれ駆動するモータ４、４ｂを一つのインバータ２０で駆動する。

ここで、駆動用モータ４、４ｂとして同期モータを用いると、それぞれのモータの回転子磁極位置に応じてインバータからの出力電圧の位相を決める必要がある。このため、複数のモータを１台のインバータで駆動することは困難である。これに対して、駆動用モータ４、４ｂとして誘導モータを用いる場合には、１台のインバータで複数のモータを駆動することが容易である。

すなわち、誘導モータは、自身のコントローラ内で２次側の磁束位置を作成しているため、それぞれのモータの回転位置によらない制御が可能であること、さらにはモータの１次側コイルに印加する周波数に対して、回転子にかかる負荷とのつりあいで生じるすべり周波数（モータ回転速度）に応じてモータトルクが決定されるため、複数のモータを１つのインバータに接続してもそれぞれ安定にトルクを出すことができる。

このため、本実施形態では複数（例えば２台）の誘導モータを１台のインバータで駆動する。なお、誘導モータの制御にはモータ回転速度の情報が必要となる。このため、図４の例では、左右の駆動用モータ４、４ｂに速度センサ２２、２２ｂを取り付け、コントローラ２１にはそれぞれのモータの回転速度を入力する。

図５は、インバータを用いて誘導モータを制御する誘導モータ制御系を説明するブロック図である。図５のブロック図はモータの回転速度制御系であり、差分器３０は、上位の制御系が決定したモータ速度指令ωｍ＊とフィードバックされた制御対象であるモータの速度検出値ωｍ＾との差分を演算し、演算結果を入力とする制御器３１はモータトルク指令Ｔｒ＊を演算する。ここで、制御器３１は比例制御器あるいは比例積分制御器などで構成される。

電流指令換算部３２は、モータトルク指令Ｔｒ＊、およびモータ回転速度ωｍ＾を入力してトルク電流指令Ｉｔ＊、励磁電流指令Ｉｍ＊を演算する。電流制御部３３は、前記演算されたトルク電流指令Ｉｔ＊、励磁電流指令Ｉｍ＊に対して実際の電流検出値Ｉｔ＾、Ｉｍ＾をフィードバックして電圧指令Ｖｔ＊、Ｖｍ＊を生成する。なお、電流制御部３３は前記制御器３１と同様に比例積分制御器などで構成される。

前記電流制御部３３で演算される電圧指令は回転座標２軸の電圧指令Ｖｔ＊、Ｖｍ＊である。座標変換部３４は、回転座標２軸の電圧指令Ｖｔ＊、Ｖｍ＊に磁束の回転位相θを用いて座標変換演算を行い、交流電圧指令Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊を出力する。なお、この回転位相θは１次周波数ω１を積分器３５で積分演算することによって得られる。また、１次周波数ω１は、式１で示すように、モータ速度の検出値ωｍ＾とすべり周波数ωｓを加算することによって得ることができる。

ω１ ＝ ωｍ＾ ＋ ωｓ （式１）
誘導モータのトルクはあるすべり率の範囲において、すべり周波数ωｓに比例する。このため、すべり周波数を調整することにより、モータトルクを調整ことが可能である。なお、すべり周波数ωｓはすべり周波数演算部３６において、（式２）に基づいて算出することができる。

ωｓ ＝ Ｒ２×Ｉｔ／（Ｌ２×Ｉｍ） （式２）
ここで、Ｒ２は２次側抵抗値、Ｌ２は２次側自己インダクタンスである。前記トルク電流Ｉｔ、励磁電流Ｉｍは指令値を使用するのが一般的であるので、実際の演算に用いる場合は制御遅れ分などを考慮して数値を設定することが必要となる。

以上では図５の例を参照して、１台のモータを制御対象として１台のインバータで駆動する場合を説明した。本実施形態では、このような制御系を基本として１台のインバータで２台の誘導モータを制御する。

ところで、誘導モータは同期モータと異なり、前述のようにすべり周波数をもって回転する。したがって、負荷との釣り合いの上でトルクを発生することができる。このような特性を有しているため、１台のインバータで複数台（２台）の誘導モータを駆動することが可能となる。しかしながら、フォークリフトの荷役装置では左右のモータの回転速度差は最小限にしなければ、スムーズな昇降動作は困難である。このため、本実施形態では、図５を参照して説明した誘導モータの制御系をフォークリフト用荷役装置の左右の誘導モータに適用するに際して、フィードバックする値を工夫するによって速度差をなくすように制御した。なお、荷役装置の直動アクチュエータ３、３ｂの制御に際しては、従来機の油圧シリンダの挙動と同様とするため、一定速度制御とした。トルク制御としても差し支えないが、負荷に応じて指令値を随時変化させる必要があるため、荷役装置の駆動に適しているとはいえない。

図６は、２つのモータを１台のインバータで制御する際のモータ制御系を説明する図である。なお、前記２つのモータはフォーク部分に取り付けられるアクチュエータをそれぞれ駆動する。なお、図６において、図５に示される部分と同一部分については同一符号を付してその説明を省略する。この例では、左右のアクチュエータをそれぞれ駆動するモータの回転速度をそれぞれ検出する検出器の検出値のうち最も低い検出値をフィードバックすることにより左右のアクチュエータの速度差を補償するようにしている。

図６に示すように、モータ制御系にフィードバックするモータ回転速度は、右モータ回転速度ωｍｒ＾と左モータ回転速度ωｍｌ＾であり、平均演算部４０は２つのモータ回転速度の平均値ωｍａｖｅを演算する。そして、このモータ回転速度平均値ωｍａｖｅを差分器３０にフィードバックする。ついで、差分器３０で演算された差分をもとに制御器３１は、リフトが指令値通りの速度で上昇下降するのに必要な平均トルク指令Ｔｒ＊を演算する。

比較部４１は、右モータ回転速度ωｍｒ＾と左モータ回転速度ωｍｌ＾を比較し、速度の低い方の回転速度ωｍｌｏｗを通過させ、通過した値ωｍｌｏｗを（式１）で示すようにすべり周波数ωｓに加算することにより、駆動用モータ４、４ｂに印加する１次周波数ω１を得る。なお、３台以上のモータを駆動する場合は速度の最も遅いモータの回転速度をすべり周波数ωｓに加算すればよい。

図７は、誘導モータのすべり周波数に対するトルクの特性を示す図である。図７において横軸Ｓはすべり率を表している。なおすべり率Ｓは（式３）で定義される。

Ｓ＝（Ｎｓ−Ｎｒ）／Ｎｓ （式３）
ここで、Ｎｓは印加する回転磁界の周波数（１次周波数）、Ｎｒは回転子の周波数である。なお、（式３）では、（Ｎｓ−Ｎｒ）がすべり周波数ωｓに相当する。一般にすべり率Ｓの範囲は、通常使用する動作域においては非常に小さい値となる。すなわち、通常使用する範囲では、図７に示すようにすべり周波数ωｓが大きくなると、モータトルクは大きくなる特性を示す。

本実施形態においては、左右のアクチュエータ間の速度差をなくするため、移動速度の速い方のアクチュエータを駆動しているモータのトルクは減少させ、逆に移動速度の遅い方のアクチュエータを駆動しているモータのトルクは増加させる必要がある。

そこで、上述したように左右二つのモータのうち回転速度の低い方の回転速度検出値を選択し、これを１次周波数演算に使用することで、相対的にモータ回転速度の高い方のすべり周波数を減少させる。これにより、回転速度の高い方のモータトルクを減少させることができる。これに対し、モータ回転速度の低い方では、低い方のモータ回転速度の検出値がそのまま使用されるため、所要のトルクを発生させることが可能となる。

このように、左右２つのモータ回転速度のうち、速度の低い方の検出値を１次周波数の演算に用いることで、速度の高い方のトルクを減少させることができるため、左右のアクチュエータ間の速度差をなくすように動作させることが可能となる。

例えば、定格トルクをすべり率５％で出力する４極の誘導モータの場合、回転磁界周波数（１次周波数）Ｎｓが１５００ｒｐｍ（モータ角周波数３１３．３７ｒａｄ／ｓｅｃ）のとき、定格トルクを出力できるモータ回転数Ｎｒは（式３）から、１４２５ｒｐｍとなる。

ここで、本実施形態のように、２つのモータを１つのインバータで駆動する場合において、左右のモータの回転速度差が５％であるとき、図６に示すモータ制御系のようにモータ回転数の低い方の回転数を用いて１次周波数Ｎｓを演算すると、低い方のモータ回転数は１４２５ｒｐｍであるのに対して、高い方のモータ回転数は１４２５ｒｐｍ×１．０５＝１４９６．２５ｒｐｍ（モータ角周波数３１３．３７ｒａｄ／ｓｅｃ）である。

このときの高い方の回転数のモータのすべり率Ｓは（式３）に基づいて、（３１４．１６−３１３．３７）／３１４．１６＝０．００２５（０．２５％）となる。一般に誘導モータは通常使用するすべり範囲においてはほぼトルクとすべり率は線形に変化するため、すべり率が０．２５％であった場合、モータトルクは定格の約１／２０程度となる（０．２５％／５％）。

このように、モータ制御系に用いる１次周波数Ｎｓの演算に低い方のモータ回転数の値を用いることにより、相対的に高い回転数となっているモータのトルクを小さくすることが可能となり、左右の速度差を小さくする方向に制御が働いていることがわかる。

なお、図６において、電流制御部３３にフィードバックするトルク電流検出値Ｉｔ＾、ならびに励磁電流検出値Ｉｍ＾は２つのモータに流れる電流の合計値、あるいは平均値をフィードバックすればよい。また、２つのモータは基本的に同型のモータを使用することになるので、左右どちらか一方のモータ電流をフィードバックしても良い。

以上、説明したように、本発明の実施形態によれば、モータの回転運動を直線運動に変換する直動アクチュエータを左右２つのフォーク部分に有するフォークリフトにおいて、左右２つの直動アクチュエータを駆動するモータを誘導モータとして、左右２つのモータを１つのインバータで駆動する。この際、荷役駆動装置はインバータの出力電圧を制御するコントローラを有し、前記コントローラは前記モータの回転速度のフィードバック制御系を構成しており、前記回転速度制御系にフィードバックするモータ速度は、前記左右２つのモータ速度検出値の平均値とする。さらに、前記コントローラは前記モータのすべり周波数を演算する部分において、前記すべり周波数を演算するためのモータ回転速度は、左右２つのモータの回転センサからの検出値を比較し、前記比較した検出値のうち、低い速度検出値を用いる。すなわち、回転速度制御系にフィードバックするモータ速度として左右２つのモータ速度検出値の平均値を用い、さらに、モータのすべり周波数を演算するモータ回転速度は、左右２つのモータの回転センサからの検出値のうち、低い速度検出値を用いるという簡易な構成により、安定な荷役動作と高効率な回生電力の回収が可能となる。

１ フォークリフト
２ フォーク部
３ 直動アクチュエータ
４ 駆動用モータ
５ ギヤ
１０ 油圧シリンダ
１１ 油圧配管
１２ 油圧モータ
１３ 発電機
１４ 変換器
１５ バッテリ
２０ インバータ
２１ コントローラ
２５ 速度センサ
３１ 制御器
３２ 電流指令換算部
３３ 電流制御部
３４ 座標変換部
３６ すべり周波数演算部
４０ 平均演算部
４１ 比較部

Claims (1)

1. 回転運動を直線運動に変換する直動型のアクチュエータを荷役駆動装置の複数のフォーク部分にそれぞれ備えるフォークリフトにおいて、
   前記複数のフォーク部分に備える複数のアクチュエータをそれぞれ駆動する誘導モータ、該誘導モータを共通に駆動するインバータおよび該インバータを制御するコントローラを備え、
   該コントローラは、前記複数の誘導モータの回転速度をそれぞれ検出する検出器、該検出器の検出値の平均値を演算する平均演算部、および前記検出器の検出値を比較してその最小値を出力する比較部を備え、
   前記平均演算部出力を誘導モータ速度指令値との差分をとる差分器に回転速度平均値としてフィードバックし、また、前記比較部出力を誘導モータ回転数として、前記コントローラが演算した滑り周波数に加算して、１次周波数指令とすることを特徴とするフォークリフト。

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