JP6544283B2 - 直流モータの制御装置、及び、産業車両 - Google Patents

Description

本発明は、直流モータの制御装置、及び、産業車両に関する。

直流モータの制御装置としては、例えば、特許文献１に記載されている。特許文献１に記載の直流モータの制御装置は、４つのスイッチング素子で構成されたＨブリッジ回路を備え、各スイッチング素子をデューティ制御することで直流モータのアーマチャの電流を制御している。

特開平９−１８３１３号公報

ところで、直流モータを停止させるべく、各スイッチング素子をオフにしても、直流モータのアーマチャは惰性などの影響で回転を続けている場合がある。アーマチャが回転を続けている状態で各スイッチング素子のデューティ制御を再開すると、過電流が生じるおそれがある。

本発明の目的は、過電流を抑止することができる直流モータの制御装置、及び、産業車両を提供することにある。

上記課題を解決する直流モータの制御装置は、指示部材による駆動開始の指示により、直流電源を電力源として駆動する直流モータの制御装置であって、互いに直列接続された第１スイッチング素子、及び、第２スイッチング素子を有し、前記第１スイッチング素子に前記直流モータのアーマチャが並列接続されるハーフブリッジ回路と、前記第１スイッチング素子、及び、前記第２スイッチング素子のうち一方がオンのときに、他方がオフとなるようにデューティ制御を行う制御部と、前記直流電源の電圧を検出する電源電圧検出部と、を備え、前記制御部は、前記指示部材により前記直流モータの駆動開始が指示されたときに、前記電源電圧検出部によって検出された前記直流電源の電圧に対する前記アーマチャの両端電圧の比に応じて前記第２スイッチング素子のデューティを設定し、当該デューティを初期値としてソフトスタートを実行する。

制御部は、指示部材により直流モータの駆動開始が指示されると、第２スイッチング素子のデューティを徐々に上昇させていくソフトスタートを実行する。仮に、常に初期値を０％としてソフトスタートを実行する場合、アーマチャの両端に電圧が生じている状態でソフトスタートを実行すると、第１スイッチング素子の両端電圧とアーマチャの両端電圧の差が大きく、過電流が生じる場合がある。これに対して、直流電源の電圧に対するアーマチャの両端電圧の比に応じてソフトスタートの初期値を設定することで、第１スイッチング素子の両端電圧とアーマチャの両端電圧との差を小さくすることができ、過電流の発生を抑止することができる。

上記直流モータの制御装置について、前記第１スイッチング素子と前記第２スイッチング素子との中点の電位を検出する中点電位検出部を備え、前記アーマチャの両端電圧は、前記電源電圧検出部により検出された前記直流電源の電圧から前記中点電位検出部によって検出された電位を減算することで得られてもよい。

これによれば、直流電源の電圧と中点の電位からアーマチャの両端電圧を得ることができる。
上記直流モータの制御装置について、前記直流モータは、昇降装置の駆動源であってもよい。

上昇動作及び下降動作を行う昇降装置は、重力を利用して下降動作を行う。このため、昇降装置は、上昇動作を行うときにのみ直流モータを駆動させればよく、直流モータのアーマチャを一方向のみにしか回転させることができない直流モータの制御装置を用いても、上昇動作及び下降動作を行うことができる。

上記課題を解決する産業車両は、請求項１〜請求項３のうちいずれか一項に記載の直流モータの制御装置を備える。

本発明によれば、過電流を抑止することができる。

フォークリフトの概略構成図。 直流モータの制御装置を示す回路図。 第１スイッチング素子と第２スイッチング素子のデューティ制御を説明するためのタイムチャート。 （ａ）は荷役用モータに流れる電流を示すタイムチャート、（ｂ）はバッテリの電圧を示すタイムチャート、（ｃ）は中点電位を示すタイムチャート、（ｄ）は第２スイッチング素子のデューティを示すタイムチャート。

以下、産業車両の一実施形態について説明する。
図１に示すように、産業車両としてのフォークリフト１０は、車体１１の前下部に駆動輪１２を備える。フォークリフト１０は、車体１１の後下部に操舵輪１３を備える。フォークリフト１０は、車体１１の前部に、荷役装置１４を備える。荷役装置１４は、左右一対のアウタマスト１５ａとインナマスト１５ｂとからなる多段式のマスト１５を備える。アウタマスト１５ａには油圧式のティルトシリンダ１６が連結されている。インナマスト１５ｂには油圧式のリフトシリンダ１７が連結されている。

マスト１５は、ティルトシリンダ１６に対する作動油の給排によって前傾動作及び後傾動作を行う。インナマスト１５ｂは、リフトシリンダ１７に対する作動油の給排によって昇降動作を行う。インナマスト１５ｂには、リフトブラケット１８を介してフォーク１９が設けられている。フォーク１９は、リフトシリンダ１７の作動によってインナマスト１５ｂがアウタマスト１５ａに沿って昇降動作を行うことにより、リフトブラケット１８とともに昇降動作を行う。

車体１１には、駆動輪１２を駆動させる走行用モータＭ１と、荷役装置１４を駆動させる荷役用モータＭ２と、直流電源としてのバッテリ３０とが搭載されている。バッテリ３０としては、例えば、鉛蓄電池やリチウムイオン二次電池などの二次電池をスタック化したものが用いられる。走行用モータＭ１及び荷役用モータＭ２は、バッテリ３０を電力源として駆動する。

本実施形態の荷役用モータＭ２は、永久磁石式の直流モータであり、ティルトシリンダ１６、及び、リフトシリンダ１７の駆動源となる。荷役用モータＭ２は、図示しないポンプを駆動し、このポンプからはティルトシリンダ１６、及び、リフトシリンダ１７を作動させるための作動油が吐出される。作動油は、ティルトシリンダ１６、及び、リフトシリンダ１７に作動油の給排を行うコントロール弁を含む油圧機構に供給され、油圧機構を介してティルトシリンダ１６、及び、リフトシリンダ１７に供給される。

ティルトシリンダ１６は、ピストンの下方にボトム室を備え、ボトム室への作動油の供給により上昇する。ティルトシリンダ１６は、重力（自重）を利用してボトム室から作動油を排出することで下降する。

リフトシリンダ１７は、ピストンを挟んで両側にボトム室とロッド室とを備え、コントロール弁の動作により、ボトム室及びロッド室のうちの一方に作動油を供給し、他方から作動油を排出することで前傾又は後傾する。

車体１１の中央には、運転室２０が設けられている。運転室２０には、運転者が着座可能な運転シート２１が設けられている。運転室２０には、荷役レバー２２が設けられている。荷役レバー２２は、ティルトシリンダ１６を作動させることでマスト１５（荷役装置１４）に前傾動作及び後傾動作を行わせるティルトレバー２２ａと、リフトシリンダ１７を作動させることで荷役装置１４に昇降動作を行わせるリフトレバー２２ｂとを含む。ティルトレバー２２ａは、中立位置（ニュートラル）にてティルトシリンダ１６の動作停止を指示するとともに、中立位置からの操作方向に応じてティルトシリンダ１６の前傾動作又は後傾動作を指示する。また、リフトレバー２２ｂは、中立位置（ニュートラル）にてリフトシリンダ１７の動作停止を指示するとともに、中立位置からの操作方向に応じてリフトシリンダ１７の上昇動作又は下降動作を指示する。

図２に示すように、フォークリフト１０は、荷役レバー２２の操作位置を検出する荷役レバーセンサ３１を備える。荷役レバーセンサ３１は、ティルトレバー２２ａ、及び、リフトレバー２２ｂのそれぞれに個別に設けられている。

フォークリフト１０は、荷役用モータＭ２を駆動させる直流モータの制御装置４０（以下、単に制御装置４０という）を備える。制御装置４０は、互いに直列接続された第１スイッチング素子Ｑ１、及び、第２スイッチング素子Ｑ２を有するハーフブリッジ回路４１と、第１スイッチング素子Ｑ１、及び、第２スイッチング素子Ｑ２をデューティ制御する制御部４２と、を備える。制御部４２には、荷役レバーセンサ３１が接続され、荷役レバーセンサ３１の検出結果（操作位置）が出力される。制御部４２は、荷役レバー２２により荷役用モータＭ２の駆動開始が指示されている場合、荷役用モータＭ２を駆動し、荷役レバー２２により荷役用モータＭ２の駆動停止が指示されている場合、荷役用モータＭ２を停止させる。具体的にいえば、ティルトレバー２２ａによりティルトシリンダ１６の前傾動作又は後傾動作が指示されている場合、及び、リフトレバー２２ｂによりリフトシリンダ１７の上昇動作が指示されている場合、制御部４２は、荷役用モータＭ２を駆動する。また、ティルトレバー２２ａ及びリフトレバー２２ｂにより荷役装置１４の動作停止が指示されている場合、制御部４２は、荷役用モータＭ２を停止する。本実施形態のティルトレバー２２ａ及びリフトレバー２２ｂは、荷役用モータＭ２の駆動開始を指示する支持部材として機能する。

本実施形態では、両スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２として、ＭＯＳＦＥＴを用いている。第１スイッチング素子Ｑ１は、上アームを構成しており、第２スイッチング素子Ｑ２は下アームを構成している。各スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２には、それぞれ、ダイオードＤ１，Ｄ２が並列に接続されている。各ダイオードＤ１，Ｄ２は、寄生ダイオードである。

第１スイッチング素子Ｑ１のドレインは、バッテリ３０の正極に接続されており、第２スイッチング素子Ｑ２のソースは、バッテリ３０の負極に接続されている。第１スイッチング素子Ｑ１のソースと第２スイッチング素子Ｑ２のドレインとは、互いに接続されている。第１スイッチング素子Ｑ１には、荷役用モータＭ２のアーマチャ４３が並列接続されており、バッテリ３０を電力源として、荷役用モータＭ２は駆動する。各スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２のゲートは、制御部４２に接続されている。

制御装置４０は、バッテリ３０の電圧（両端電圧）を検出する電源電圧検出部としての第１電圧センサ４４を備える。第１電圧センサ４４は、バッテリ３０の正極と負極に接続されている。制御装置４０は、第１スイッチング素子Ｑ１と第２スイッチング素子Ｑ２の中点Ｐ１の電位である中点電位（第２スイッチング素子Ｑ２の両端電圧）を検出する中点電位検出部としての第２電圧センサ４５を備える。第２電圧センサ４５は、第１スイッチング素子Ｑ１と第２スイッチング素子Ｑ２の中点Ｐ１と、バッテリ３０の負極に接続されている。第１電圧センサ４４、及び、第２電圧センサ４５は、制御部４２に接続されており、検出結果を制御部４２に出力する。なお、バッテリ３０の電圧から中点電位を減算することで、アーマチャ４３の両端電圧を算出することができる。本実施形態の制御部４２は、これによりアーマチャ４３の両端電圧を得ている。

図３に示すように、制御部４２は、第１スイッチング素子Ｑ１、及び、第２スイッチング素子Ｑ２のうち、一方がオンのときには、他方はオフとなるように各スイッチング素子のデューティ制御を行う。制御部４２は、両スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２がオンとなり短絡が生じることを防止するため、第１スイッチング素子Ｑ１のオンと、第２スイッチング素子Ｑ２のオンとを切り替える際に、一時的に両スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２がオフとなるように制御を行っている。

第１スイッチング素子Ｑ１のデューティ（１周期におけるオンとなる時間の割合）、第２スイッチング素子Ｑ２のデューティ、及び、１周期における両スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２が共にオフとなる時間の割合は合計で１００％となる。１周期における両スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２が共にオフとなる時間の割合は予め定められているため、第１スイッチング素子Ｑ１のデューティと、第２スイッチング素子Ｑ２のデューティとが合計で何％になるかは予め把握することができる。換言すれば、一方のスイッチング素子のデューティを定めることで、他方のスイッチング素子のデューティも定まる。１周期のうち、両スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２が共にオフとなる時間は僅かである。このため、本実施形態では、説明の便宜上、第１スイッチング素子Ｑ１のデューティと第２スイッチング素子Ｑ２のデューティの合計を１００％とする。すなわち、両スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２が共にオフとなる時間を考慮せずに説明を行う。

制御部４２は、荷役レバー２２の操作により、荷役用モータＭ２の駆動開始が指示された場合、第２スイッチング素子Ｑ２のデューティを初期値から徐々に上昇させるソフトスタートを実行する。なお、この際、第１スイッチング素子Ｑ１のデューティは、第２スイッチング素子Ｑ２のデューティの上昇に伴い、徐々に下降する。

制御部４２は、ソフトスタートを実行するときの第２スイッチング素子Ｑ２のデューティの初期値を、バッテリ３０の電圧に対するアーマチャ４３の両端電圧の比に基づいて設定することで、ソフトスタート実行時に過電流が生じることを抑制している。以下、詳細に説明する。

制御部４２は、荷役レバー２２の操作によって、荷役用モータＭ２の駆動開始が指示された場合、以下の（１）式から算出される値を第２スイッチング素子Ｑ２のデューティとして設定し、設定されたデューティを初期値として徐々にデューティを上昇させていく。

デューティの初期値＝（バッテリの電圧−中点電位）／バッテリの電圧…（１）
（１）式は、バッテリ３０の電圧に対するアーマチャ４３の両端電圧の比を示す。なお、本実施形態では、（１）式から算出された値の近似値をデューティの初期値として設定する。すなわち、（１）式から算出されるデューティは、過電流を抑止できる範囲内での近似値を許容するものである。

次に、本実施形態の制御装置４０の作用について説明する。一例として、電圧が２４［Ｖ］のバッテリ３０を用いた場合について説明する。
まず、アーマチャ４３の回転が完全に停止した状態から荷役用モータＭ２の駆動が開始される場合について説明する。

図４（ｄ）に示すように、時刻Ｔ０では、荷役用モータＭ２の駆動開始が指示されておらず、第２スイッチング素子Ｑ２はオフに維持され、デューティは０％である。また、図４（ｃ）に示すように、中点電位は２４［Ｖ］となっている。中点電位が２４［Ｖ］の場合、バッテリ３０の電圧と同一の値であり、逆起電力が生じていない状態である。

時刻Ｔ１で、荷役レバー２２の操作に伴い、荷役用モータＭ２の駆動開始が指示されると、制御部４２は（１）式からデューティの初期値を算出する。中点電位が２４［Ｖ］の場合、（１）式から求められるデューティは、０％となる。したがって、制御部４２は、０％を初期値として、第２スイッチング素子Ｑ２のデューティを徐々に上昇させていくソフトスタートを実行する。

図４（ｄ）に示すように、第２スイッチング素子Ｑ２のデューティが徐々に上昇していくことで、図４（ａ）に示すように、荷役用モータＭ２のアーマチャ４３に流れる電流も徐々に上昇していく。また、図４（ｃ）に示すように、中点Ｐ１とバッテリ３０の負極との電位差が小さくなっていくことで、第２スイッチング素子Ｑ２の両端電圧（中点電位）は低下していく。

時刻Ｔ２で第２スイッチング素子Ｑ２のデューティが１００％になると、第２スイッチング素子Ｑ２の両端の電位差が０となり、中点電位は０［Ｖ］となる。
次に、アーマチャ４３の回転が停止する前に荷役用モータＭ２の駆動が開始される場合について説明する。

図４（ｄ）に示すように、時刻Ｔ３で荷役用モータＭ２の駆動停止が指示されると、第２スイッチング素子Ｑ２のデューティは０％になる。この際、惰性などの影響により、アーマチャ４３が回転を続けていると、アーマチャ４３の両端に電圧が生じる。第２スイッチング素子Ｑ２のデューティが０％の場合、アーマチャ４３が回転していなければバッテリ３０の電圧と中点電位は同一の値になるが、アーマチャ４３の回転中には、中点電位とバッテリ３０の電圧が異なる値となる。このため、中点電位から逆起電力が生じているか否かを把握することができる。

仮に、常に０％を初期値としてソフトスタートを実行する制御装置を用いる場合、逆起電力が生じている状態で第２スイッチング素子Ｑ２のデューティを０％とすると、第１スイッチング素子Ｑ１のデューティは１００％になる。第１スイッチング素子Ｑ１のデューティが１００％の場合、短絡が生じ、図４（ａ）に二点鎖線で示すように、荷役用モータＭ２に過電流が流れる場合がある。これに対して、本実施形態の制御装置４０は、以下の制御により過電流を抑止している。

時刻Ｔ４で、逆起電力が生じている状態で荷役レバー２２が操作され、荷役用モータＭ２の駆動開始が指示されると、制御部４２は、第２スイッチング素子Ｑ２のデューティの初期値を算出する。図４（ｃ）に示すように、時刻Ｔ４での中点電位は１０［Ｖ］であり、図４（ｂ）に示すように、時刻Ｔ４でのバッテリ３０の電圧は２４［Ｖ］である。これらの値から、第２スイッチング素子Ｑ２のデューティの初期値を（１）式から算出すると、約５８％となる。本実施形態では、この値を近似させた６０％を第２スイッチング素子Ｑ２のデューティの初期値として設定する。これにより、図４（ｄ）に示すように、第２スイッチング素子Ｑ２のデューティの初期値は６０％となり、第１スイッチング素子Ｑ１のデューティの初期値は４０％となる。

ここで、アーマチャ４３の両端電圧は、１４［Ｖ］であり、第１スイッチング素子Ｑ１のデューティを４０％にすると、アーマチャ４３の両端に生じている電圧と、第１スイッチング素子Ｑ１の両端に生じる電圧との差が、第１スイッチング素子Ｑ１のデューティを０％にする場合に比べて小さくなる。

アーマチャ４３の両端に生じている電圧と、第１スイッチング素子Ｑ１の両端に生じる電圧との差が小さいほど、アーマチャ４３に流れる電流は小さくなるため、過電流を抑止することができる。この状態から、第２スイッチング素子Ｑ２のデューティを上昇させていくことで、過電流が生じることを抑制しつつ、ソフトスタートを実行することができる。

なお、本実施形態の制御装置４０は、一方向にのみアーマチャ４３を回転させることができる。したがって、制御装置４０は、リフトシリンダ１７のように、上昇時にのみ荷役用モータＭ２の駆動力を利用し、下降時には重力を利用する昇降装置に用いることができる。また、制御装置４０は、本実施形態のティルトシリンダ１６のように、コントロール弁を利用することで、荷役用モータＭ２が一方向にしか回転できない場合であっても、ボトム室とロッド室への作動油の給排を切り替えることができる装置に用いることができる。

したがって、上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）ソフトスタートを実行する際に、第２スイッチング素子Ｑ２のデューティの初期値を、バッテリ３０の電圧に対するアーマチャ４３の両端電圧の比に基づいて設定している。このため、逆起電力が発生している状態でのソフトスタート実行時に、アーマチャ４３の両端電圧と第１スイッチング素子Ｑ１の両端電圧との差を小さくすることができる。結果として、アーマチャ４３に流れる電流を小さくすることができ、過電流を抑止することができる。

（２）アーマチャ４３の両端電圧は、第１電圧センサ４４と、第２電圧センサ４５との検出結果から算出することができる。このため、アーマチャ４３の両端電圧を検出する電圧センサを設けることなく、アーマチャ４３の両端電圧を検出することができる。

（３）リフトシリンダ１７は、重力を利用して下降動作を行う。このため、アーマチャ４３を一方向のみにしか回転させることができない制御装置４０であっても、上昇動作及び下降動作の両方を行わせることができる。

なお、実施形態は以下のように変更してもよい。
○荷役用モータＭ２は、電磁石式の直流モータであってもよい。この場合、例えば、直巻式や、他励式のモータが用いられる。

○産業車両は、パワーショベルなどの建設機械であってもよい。この場合、直流モータとしては、油圧モータなどの油圧機器に作動油を供給するポンプを駆動するために用いられる。

○アーマチャ４３の両端に接続される電圧センサを用いてアーマチャ４３の両端電圧を検出してもよい。これによれば、より信頼性高くアーマチャ４３にかかる電圧を求めることができる。

○各スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２として、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラ型トランジスタ）やパワーバイポーラトランジスタを使用してもよい。
○リフトシリンダ１７以外の昇降装置に制御装置４０を搭載してもよい。例えば、正転時には駆動に寄与し、逆転時には空回りするような装置に利用可能である。

Ｍ２…荷役用モータ、Ｐ１…中点、Ｑ１…第１スイッチング素子、Ｑ２…第２スイッチング素子、１０…フォークリフト、１６…ティルトシリンダ、１７…リフトシリンダ、２２…荷役レバー、３０…バッテリ、４０…直流モータの制御装置、４１…ハーフブリッジ回路、４２…制御部、４３…アーマチャ、４４…第１電圧センサ、４５…第２電圧センサ。

Claims (6)

1. 指示部材による駆動開始の指示により、直流電源を電力源として駆動する直流モータの制御装置であって、
   互いに直列接続された第１スイッチング素子、及び、第２スイッチング素子を有し、前記第１スイッチング素子に前記直流モータのアーマチャが並列接続されるハーフブリッジ回路と、
   前記第１スイッチング素子、及び、前記第２スイッチング素子のうち一方がオンのときに、他方がオフとなるようにデューティ制御を行う制御部と、
   前記直流電源の電圧を検出する電源電圧検出部と、を備え、
   前記第１スイッチング素子及び第２スイッチング素子は、前記制御部からの入力によってオン又はオフに切り替えられ、
   前記制御部は、前記指示部材により前記直流モータの駆動開始が指示されたときに、前記電源電圧検出部によって検出された前記直流電源の電圧に対する前記アーマチャの両端電圧の比に応じて前記第２スイッチング素子のデューティを設定し、当該デューティを初期値としてソフトスタートを実行する直流モータの制御装置。
2. 前記第１スイッチング素子及び前記第２スイッチング素子は、ＭＯＳＦＥＴ又はＩＧＢＴである請求項１に記載の直流モータの制御装置。
3. 前記第１スイッチング素子と前記第２スイッチング素子との中点の電位を検出する中点電位検出部を備え、
   前記アーマチャの両端電圧は、前記電源電圧検出部により検出された前記直流電源の電圧から前記中点電位検出部によって検出された電位を減算することで得られる請求項１又は請求項２に記載の直流モータの制御装置。
4. 前記直流モータは、前記直流電源と前記中点電位検出部との間に接続されている請求項３に記載の直流モータの制御装置。
5. 前記直流モータは、昇降装置の駆動源である請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の直流モータの制御装置。
6. 請求項１〜請求項５のうちいずれか一項に記載の直流モータの制御装置を備える産業車両。

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