JP5854265B2 - 操舵機構の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は荷役車両のための操舵機構の制御装置に関するものである。

電動フォークリフトにおいて、前進・後退のシフト操作をするとき、アクセルを全開に近い状態まで踏みながらシフト操作が行われることが多い。
この場合、駆動モータの駆動・ハンドル操作に多くの電力を要する。特に前進・後退のシフト操作が行われる時は、車体はすでに前進又は後退しているので、慣性力が残っている。この慣性力に打ち勝つため、前進・後退のシフト操作時に、モータ駆動電流や操舵補助駆動電流が多く流れ、特に多くの電力を要する。

特開2000-128005号公報

モータの駆動や操舵アシストの消費電力が大きいと、電池に多くの負荷がかかり、駆動用のモータや操舵補助モータに供給できる電力が少なくなるので、運転者の意図する前進・後退駆動ができなくなるおそれがある。
そこで本発明は、駆動輪を駆動する駆動アクチュエータの駆動指示量とシフト操作の状況に応じて操舵の制御量を減少させ、もって車両全体の消費電力を低減させることができる操舵機構の制御装置を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するための本発明の操舵機構の制御装置は、駆動輪を駆動する駆動アクチュエータの駆動量を指示する駆動制御部材であるアクセルペダルのアクセル開度を駆動指示量として検出し、駆動指示量を示す信号を出力する駆動指示量検出部と、車両の前進・後退動作を切換えるシフトレバーの操作を検出して前進・後退切換え信号を出力するシフト操作検出部と、操舵部材の操作に応じて転舵輪をターンさせるための転舵アクチュエータの制御を行う転舵系制御部とを備え、前記駆動指示量が所定値以上であり、かつ、前記前進・後退切換え信号の入力があった時点で、前記前進・後退切換え信号の入力から所定の時間以内において、前記転舵アクチュエータの駆動電流を、前記駆動指示量が所定値以上でない場合又は前記前進・後退切換え信号の入力がない場合の駆動電流に対して減少する側に設定する駆動電流制御部を備えるものである。

駆動アクチュエータの駆動指示量が全開に近い所定値以上であり、前進・後退を切換えるシフト操作後車両に慣性力が残っており、駆動輪を駆動する駆動アクチュエータに多くの電力を要する。この状態にあるとき転舵アクチュエータの消費電力が大きいと、駆動輪の駆動用の電力が不足するおそれがある。そこで本発明によれば、前進・後退を切換えるシフト操作後の所定時間以内において、転舵アクチュエータの駆動電流を、前記駆動指示量が所定値以上でない場合又は前記前進・後退切換え信号の入力がない場合の駆動電流に対して減少する側に設定することにより、駆動輪の駆動用の電力の不足を解決しようとするものである。

前記駆動電流制御部は、前記操舵部材の操作に基づいて算出される目標転舵角と実際の転舵角との偏差に比例して前記転舵アクチュエータの駆動電流を決定する比例制御を行うものであってもよい。このときは、前記駆動指示量が所定値以上であり、かつ、前記前進・後退切換え信号の入力があった時点で、前記前進・後退切換え信号の入力から所定の時間以内において、前記比例制御の比例ゲインを減少させる制御を行うこととすればよい。比例ゲインを減少させることにより、操舵部材の操作に比べて転舵の速度を遅くする。これによって、転舵アクチュエータの駆動電力を低減させ、駆動輪の駆動用の電力にまわすことができる。

本発明の荷役車両としての電動フォークリフト１を示す模式的側面図である。 車両用操舵装置７の全体を示す構成図である。 転舵系ＥＣＵ２２によって制御される転舵側の制御ブロック図である。 操舵角θhと目標転舵角θt*との関係を示すグラフである。 ゲイン制御部３８が実行する比例ゲインＫpを変化させる制御手順を示すフローチャートである。 アクセルペダル２５の開き角ａがフルスロットルに近いときに、前進・後退の切換え時点（図６では「シフト変換」と表示）からの目標モータ駆動電流Ｉm*の時間推移を描いたグラフである。 本発明の他の実施形態に係る転舵側の制御ブロック図である。

以下、本発明の実施の形態を、添付図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明の荷役車両としての電動フォークリフト１を示す模式的側面図である。電動フォークリフト１の車体２には、車体２を支持する駆動輪としての前輪５及び転舵輪としての後輪６と、その車体２の前部に設けられた荷役装置３と、車体２の後部に設けられたカウンタウェイト４と、車両の駆動モータを含む駆動源９と、駆動源９を前輪５に連結するための動力伝達装置８とが搭載されている。さらに後輪６を転舵（ターン）するための車両用操舵装置７も備えている。

電動フォークリフト１は、運転座席２１を含む運転室２６を備えている。運転室２６は、車体２上にフレーム２３によって取り囲まれた状態で形成されている。運転室２６にはシフトレバー２４を支持するシフトレバーコラムが設置されている。
車両用操舵装置７は、ノブ１０ａ付きの手回しハンドルである操舵部材１０と転舵輪である後輪６との間の機械的な連結が断たれた、いわゆるステアバイワイヤ式の車両用操舵装置として構成されている。転舵輪として、単一の後輪６を車体２の左右方向の中央に設けてもよいし、車体２の左右にそれぞれ後輪６を設けてもよい。

なお駆動源９の動力は、トルクコンバータを経て、前進後退の切換え及び変速動作を行う動力伝達装置８に伝達され、さらに、デファレンシャルを経て左右の前輪５に伝達されるようになっている。動力伝達装置８には、前進クラッチ及び後進クラッチが内蔵され、ともにシフトレバー２４に連結されている。このシフトレバー２４の操作によって前進後退の切換えを行うことができる。また運転室２６の床には駆動源９に供給する動力を加減するためのアクセルペダル２５が備えられている。

図２は、車両用操舵装置７の全体を示す構成図である。車両用操舵装置７は、操舵部材１０を連結したシャフト１１と、シャフト１１を回転自在に支持する円筒状のコラム１２と、操舵部材１０の操舵角θhを検出する操舵角センサ１３とを備えている。操舵角センサ１３は例えば操舵部材１０のシャフト１１の円周上に取り付けられた磁気素子をホールセンサで検出することによりシャフト１１の回転角θhを検出する。なおこの実施形態では、操舵角センサ１３は操舵部材１０の中立位置から操舵部材１０の正逆両方向への回転角θhを検出するものであり、中立位置から右方向への回転角を正の値として出力し、中立位置から左方向への回転角を負の値として出力するものとする。

アクセルペダル２５にはその開き角を検出する角度センサ２５ａが設けられている。角度センサ２５ａは開き角を表す信号ａを出力する。シフトレバー２４には、シフトレバー２４の前進後退の操作を検出するシフトレバーセンサ２４ａが設けられている。シフトレバーセンサ２４ａは、前進・後退を表す信号ｓを出力する。また前輪５のホイールには、車両の走行速度を表す速度信号ｖを出力するための速度センサ３３が取り付けられている。この速度信号ｖは、例えば前輪５のホイールの円周上に等間隔に目盛りを取り付けて、光学センサでこれを検出し、光学センサから出力されるパルス状の信号を周波数−電圧変換することによって得られる。

また車両用操舵装置７は、車体に保持され、車両の左右方向に延びる転舵軸としてのラック軸１７と、ラック軸１７を移動可能に支持するラック支持体１８と、転舵系ＥＣＵ２２によって駆動制御される転舵アクチュエータとしての転舵モータ１９と、後輪６の転舵位置（本明細書では「転舵角θt」という）を検出する転舵角センサ２０とを備えている。転舵角センサ２０は、ラック軸１７の変位位置と後輪６の転舵角θtとが対応するため、ラック軸１７の変位位置をストロークセンサで検出することで、後輪６の転舵角θtを検出するセンサである。

転舵モータ１９は、ラック支持体１８の中に内蔵されているラック同軸型の直流モータである。転舵モータ１９の回転運動は、ラック支持体１８に内蔵されている転舵ギヤを介してラック軸１７の平行運動に変換され、ラック軸１７の一対の端部にそれぞれ連結されたタイロッド２１Ｌ，２１Ｒを介して後輪６に伝達され、これにより後輪６が転舵される。

電動フォークリフト１には駆動系ＥＣＵ３１、転舵系ＥＣＵ２２が設けられている。駆動系ＥＣＵ３１には、シフトレバー２４の前進・後退、アクセルペダル２５の開き角、車両の走行速度を表す各信号ｓ，ａ，ｖが入力されている。駆動系ＥＣＵ３１は、これらの信号に基づき前輪５を駆動するための駆動電流を車両の駆動源９に供給するとともに、シフトレバー２４の前進・後退、アクセルペダル２５の開き角、車両の走行速度を表す各信号ｓ，ａ，ｖを車内ＬＡＮに送り出す。車内ＬＡＮには、操舵角センサ１３で検出された操舵角θhを表す信号、後輪６の転舵角θtを表す信号も入力される。車内ＬＡＮには、転舵系ＥＣＵ２２が接続されている。転舵系ＥＣＵ２２は、操舵部材１０の操作に応じて後輪６を転舵するための制御を行う。

“３２”は、転舵系ＥＣＵ２２、駆動系ＥＣＵ３１に電力を供給するための電池である。
図３は転舵系ＥＣＵ２２によって制御される転舵側の制御ブロック図を示す。転舵系ＥＣＵ２２は、操舵角θh、走行速度ｖを入力して目標転舵角θt*を算出する目標転舵角算出部３５と、目標転舵角θt*と転舵角センサ２０で検出した実際の転舵角θtとの偏差ｅに基づいてＰＩＤ制御をして目標モータ駆動電流Ｉm*を算出するＰＩＤ制御部３６と、目標モータ駆動電流Ｉm*と実際のモータ駆動電流Ｉmとの偏差に基づいてＰＩＤ制御をする電流制御部３７と、ゲイン制御部３８とを有している。

目標転舵角算出部３５は、図４に示すように、操舵角θhに応じた目標転舵角θt*を算出するが、その傾斜（θt*/θh）を、走行速度ｖに応じて変化させる。走行速度ｖが小さいほど、傾斜を高くして操舵部材１０の少ない回転でも一定角の転舵ができるようにし、走行速度ｖが大きいほど傾斜を低くして操舵部材１０を多く回転させないと一定角の転舵ができないようにする。

ＰＩＤ制御部３６は、目標転舵角θt*と転舵角センサ２０で検出した実際の転舵角θtとの偏差ｅに比例させて目標モータ駆動電流Ｉm*を変化させる比例制御部と、目標モータ駆動電流Ｉm*に定常偏差が残るのを防ぐため、偏差ｅを時系列に加算していき、その加算値に比例して目標モータ駆動電流Ｉm*を変化させる積分制御部と、偏差ｅの変化率を捉え、これに比例した目標モータ駆動電流Ｉm*を算出して応答速度を早めるための微分制御部とを備えている。

比例制御部における比例ゲインを“Ｋp”で表す。この比例ゲインＫpが大きいほど、一定の偏差ｅに応答して目標モータ駆動電流Ｉm*に近づく速度が速くなる。逆に比例ゲインＫpが小さいほど、一定の偏差ｅに応答して目標モータ駆動電流Ｉm*に近づく速度が遅くなる。
本発明の実施形態では、比例ゲインＫpを、シフトレバー２４の前進から後退への切換え信号若しくは後退から前進への切換え信号ｓ、アクセルペダル２５の開き角ａ、車両の走行速度ｖに基づいて変化させる。この比例ゲインＫpを変化させる部位を「ゲイン制御部３８」という。ゲイン制御部３８の動作は、演算増幅器などハードウェアで実現してもよく、所定のプログラムを設置したコンピュータを使って実現してもよい。

電流制御部３７は、後輪６を転舵するための目標モータ駆動電流Ｉm*と転舵モータ１９に流れる電流Ｉmとの差をとって、この差に基づいて転舵モータ１９をＰＷＭ駆動制御する。転舵モータ１９の回転は、前述したように、転舵ギヤを介してラック軸１７の平行運動に変換され、ラック軸１７の一対の端部にそれぞれ連結されているタイロッド１７Ｌ，１７Ｒを介して後輪６に伝達され、これにより後輪６が転舵される。

以下、ゲイン制御部３８が実行する比例ゲインＫpを変化させる制御手順を、フローチャート（図５）を用いて説明する。
ゲイン制御部３８は、角度センサ２５ａから検出信号に基づいて、アクセルペダル２５の開き角ａが所定の角度（例えばフルスロットル時の開度を１００％とすると、それに近い値９５％）を超えているかどうかを判定する（ステップＳ１）。なお、前述の「９５％」という数値は例示に過ぎない。９５％を超えていれば、シフトレバーセンサ２４ａの前進から後退への切換え、若しくは後退から前進への切換えがあつたかどうかを判定する（ステップＳ２）。これは前進・後退の切換えの際に、車体には慣性力が残っているが、この慣性力が残っている状態で操舵をすると、操舵補助モータ駆動電流が多く流れ、電池３２に大きな負荷がかかるからである。

前進・後退の切換えがあれば、比例ゲインを通常の値Ｋpよりも小さな値（例えばＫp／２）に設定して（ステップＳ３）、時間カウントを開始する（ステップＳ４）。時間カウント値が所定値Ｔになれば（ステップＳ５のYES）、比例ゲインを通常の値Ｋpに戻す。この所定値Ｔは、シフトレバーセンサ２４ａの前進から後退への切換え若しくは後退から前進への切換え後発生した車体の慣性力が十分減衰するまでの時間に設定する。車体の慣性力が残っている間は、電池３２に大きな負荷がかかっているので、その間は比例ゲインＫpを低下させて、目標モータ駆動電流Ｉm*に到達する時間を長くして、転舵モータ１９に流れる電流の増加を抑えるためである。時間Ｔは車体の慣性力が残っている時間、例えば数百ミリ秒〜２秒の範囲の中から設定すればよい。

図６は、アクセルペダル２５の開き角ａがフルスロットルに近いときに、前進・後退の切換え時点（図６では「シフト変換」と表示）からの目標モータ駆動電流Ｉm*の時間推移を描いたグラフである。破線は本発明の比例ゲイン低減処理をしないときの目標モータ駆動電流Ｉm*のグラフであり、実線は本発明の比例ゲイン低減処理をしたときの目標モータ駆動電流Ｉm*のグラフである。前進・後退の切換え時点に比例ゲインを低減することにより、転舵モータ１９に流す電流のピーク値を低くし、モータ駆動電流Ｉm*の時間積分値を小さくすることに成功していることが分かる。これによって電池３２に大きな負荷がかかることを防ぐことができる。

以上のように本発明の実施形態によれば、電動フォークリフト１の運転者は、アクセルペダル２５をほぼ全開にしている時にシフトレバー２４を操作して前進・後退を切換えると、転舵モータ１９に電流を流すための転舵系ＥＣＵ２２の応答を遅くして電力消費を抑制し、バッテリ３２の負荷を減らし、その消耗を遅らせることができる。
以上で、本発明の実施の形態を説明したが、本発明の実施は前述の形態に限定されるものではない。いままでの実施形態では、ゲイン制御部３８は、図３に示したように比例ゲインＫpを変化させていたが、図７に示すように、ＰＩＤ制御部３６の全体ゲインＧを変化させるようにしてもよい。すなわち、前進・後退の切換え時点に全体ゲインＧを１よりも低減させる。

また、前述した実施例においては電動フォークリフトを例示しているが、本発明は電動フォークリフトにのみ適用されるものではなく、建設用車両や農業用車両等、様々な産業分野における各種の荷役車両に対しても適用できる。その他、本発明の範囲内で種々の変更を施すことが可能である。

１…電動フォークリフト、２…車体、５…駆動輪としての前輪、６…転舵輪としての後輪、７…車両用操舵装置、８…動力伝達装置、９…駆動源、１０…操舵部材、１９…転舵モータ、２４…シフトレバー、２５…アクセルペダル、３２…電池

Claims (6)

1. 駆動輪を駆動する駆動アクチュエータの駆動量を指示する駆動制御部材であるアクセルペダルのアクセル開度を駆動指示量として検出し、前記駆動指示量を示す信号を出力する駆動指示量検出部と、
   車両の前進・後退動作を切換えるシフトレバーの操作を検出して前進・後退切換え信号を出力するシフト操作検出部と、
   操舵部材の操作に応じて転舵輪をターンさせるための転舵アクチュエータの制御を行う転舵系制御部とを備え、
   前記駆動指示量が所定値以上であり、かつ、前記前進・後退切換え信号の入力があった時点で、前記前進・後退切換え信号の入力から所定の時間以内において、前記転舵アクチュエータの駆動電流を、前記駆動指示量が所定値以上でない場合又は前記前進・後退切換え信号の入力がない場合の駆動電流に対して減少する側に設定する駆動電流制御部を備える、操舵機構の制御装置。
2. 前記転舵系制御部は、前記操舵部材の操作に基づいて算出される目標転舵角と実際の転舵角との偏差に比例して前記転舵アクチュエータの駆動電流を決定する比例制御を含むフィードバック制御を行うものであり、
   前記駆動電流制御部は、前記駆動指示量が所定値以上であり、かつ、前記前進・後退切換え信号の入力があった時点で、前記前進・後退切換え信号の入力から所定の時間以内において、前記フィードバック制御のゲインを減少させる制御を行う、請求項１記載の操舵機構の制御装置。
3. 前記駆動電流制御部は、前記比例制御の比例ゲインを減少させる制御を行う、請求項２記載の操舵機構の制御装置。
4. 前記操舵部材と前記転舵系制御部との機械的な連結が断たれたステアバイワイヤ式を採用する、請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の車両用操舵装置。
5. 荷役車両に適用される、請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の車両用操舵装置。
6. 請求項５記載の車両用操舵装置を装備した荷役車両。

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