JP6569579B2 - 車両用走行モータの制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、車両用走行モータの制御装置に関するものである。

バッテリフォークリフト等の車両において走行モータとして直流分巻モータを使用して回生制動する技術が知られている（例えば特許文献１）。

特許第３６２６８９３号公報

ところで、走行モータに回転センサが付いていない車両において、乗員（オペレータ）の操作に伴うスイッチバック時に回生制動モードにおいて回生電流を大きくして制動トルクを大きくする場合（回生制動モードでの目標アーマチャ電流を大きくする回生ブースト制動モードに切り替える場合）、制動トルクを平坦路での減速度が適切になるように調整すると、坂路では制動トルクが不足して制動距離が伸びる。つまり、車体を回生制動するとき負荷状態によって必要な回生力が異なるので平坦路と坂路を判別して回生力を調整する必要がある。

本発明の目的は、車両への負荷状態が異なる状況でも適切に回生電流を大きくするモードに切り替えることができる車両用走行モータの制御装置を提供することにある。

請求項１に記載の発明では、走行モータとして直流分巻モータを用い、前記直流分巻モータのアーマチャを通電する回路としてアーマチャ通電用スイッチング素子のブリッジ構成とするとともに、前記直流分巻モータのフィールドコイルを通電する回路としてフィールドコイル通電用スイッチング素子のブリッジ構成とした車両用走行モータの制御装置であって、アクセル開度が大きいほどアーマチャ電流が大きくなるように前記アーマチャ通電用スイッチング素子及び前記フィールドコイル通電用スイッチング素子をデューティ制御する制御部を備え、前記制御部は、回生制動モードから回生制動モードでの目標アーマチャ電流を大きくする回生ブースト制動モードに切り替え可能に構成され、前記制御部は、前記アーマチャ通電用スイッチング素子のデューティの変化量に基づいて回生制動モードから前記回生ブースト制動モードに切り替える切替手段を有することを要旨とする。

請求項１に記載の発明によれば、切替手段により、アーマチャ通電用スイッチング素子のデューティの変化量に基づいて回生制動モードから回生ブースト制動モードに切り替えられる。このように、アーマチャ通電用スイッチング素子のデューティの変化量を切替タイミングの検出要素として捉えることにより車両への負荷状態が異なる状況でも適切に回生電流を大きくするモードに切り替えることができる。

請求項２に記載のように、請求項１に記載の車両用走行モータの制御装置において、前記切替手段は、前記アーマチャ通電用スイッチング素子のデューティの変化量が閾値よりも大きいと、回生制動モードから前記回生ブースト制動モードに切り替えるとよい。

請求項３に記載のように、請求項１または２に記載の車両用走行モータの制御装置において、フォークリフトに搭載されるものであるとよい。

本発明によれば、車両への負荷状態が異なる状況でも適切に回生電流を大きくするモードに切り替えることができる。

フォークリフトの概略側面図。 フォークリフト用走行モータの制御装置の回路図。 作用を説明するためのフローチャート。 （ａ），（ｂ）は作用を説明するためのタイムチャート。 （ａ），（ｂ）はタイムチャート。 （ａ），（ｂ）はタイムチャート。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
図１に示すように、フォークリフト１０はバッテリフォークリフトであって、電動モータにて搬送・荷役作業を行うフォークリフトである。フォークリフト１０の車体１１の前側下部には駆動輪（前輪）１２ａが設けられ、車体１１の後側下部には操舵輪（後輪）１２ｂが設けられている。車体１１の前部には荷役装置１３が設けられている。

荷役装置１３を構成するマスト１４は車体１１の前部に立設されている。マスト１４は車体１１に対して前後に傾動可能に支持された左右一対のアウタマスト１４ａと、これにスライドして昇降するインナマスト１４ｂとからなる。各アウタマスト１４ａの後部にはリフトシリンダ１５が配設されている。インナマスト１４ｂの内側にはフォーク１６を備えたリフトブラケット１７が昇降可能に支持されている。そして、リフトシリンダ１５の伸縮作動によりフォーク１６がリフトブラケット１７とともに昇降される。

左右一対のティルトシリンダ１８は、その基端側が車体（車体フレーム）１１に対して回動可能に連結されるとともに、先端側がアウタマスト１４ａの側面に回動可能に連結されている。マスト１４はティルトシリンダ１８が伸縮駆動されることで前後に傾動する。

運転室１９には運転者が着座可能な運転シート２０が設けられている。運転シート２０の前方には、ハンドルコラム２１が設けられ、ハンドルコラム２１には、操舵輪１２ｂの舵角を変更するための操舵ハンドル２２が装着されている。運転室１９の前側にリフトレバー２３およびティルトレバー２４が装備されている。リフトレバー２３はフォーク１６を昇降させるためのレバーであり、ティルトレバー２４はマスト１４を前後方向に傾動させるためのレバーである。運転席の床面にはアクセルペダル２５が設けられ、アクセルペダル２５の操作量（アクセル開度）に応じた車速にされる。

また、ハンドルコラム２１の側面にはディレクションレバー（前後進レバー）２６が設けられ、ディレクションレバー２６は車両の走行方向（進行方向）を指示するためのものである。

車体１１にはバッテリ２７、走行モータ（走行用電動モータ）２８および荷役モータ（荷役用電動モータ）２９が搭載されている。走行モータ２８として直流分巻モータを用いている。バッテリ２７により走行モータ２８を駆動させ、駆動輪１２ａが駆動されるようになっている。詳しくは、走行モータ２８の出力軸が駆動輪１２ａの回転軸と減速機を介して連結されており、走行モータ２８の駆動により出力軸が回転するとその回転に伴って駆動輪１２ａの回転軸が回転して駆動輪１２ａが駆動される。

また、バッテリ２７により荷役モータ２９が駆動され、この荷役モータ２９の駆動により油圧ポンプ（図示略）が駆動される。この油圧ポンプの駆動に基づいてリフトシリンダ１５やティルトシリンダ１８を伸縮動作してフォーク１６の上下動やティルト動作を行うことができるようになっている。

図２に示すように、フォークリフト１０には走行モータ２８の制御装置３０が搭載されている。直流分巻モータである走行モータ２８は、アーマチャ（電機子）３２とフィールドコイル（界磁コイル）３３を有する。アーマチャ３２はロータに設けられ、フィールドコイル３３はステータに設けられる。

制御装置３０はブリッジ回路３１を有する。ブリッジ回路３１は６つのスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６を有する。走行モータ（直流分巻モータ）のアーマチャ３２を通電する回路としてアーマチャ通電用スイッチング素子Ｑ５，Ｑ６のブリッジ構成としている。走行モータ（直流分巻モータ）のフィールドコイル３３を通電する回路としてフィールドコイル通電用スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４のブリッジ構成としている。

詳しくは、直流電源としてのバッテリ２７の正極に正極母線Ｌｐが接続されるとともにバッテリ２７の負極に負極母線Ｌｎが接続されている。正極母線Ｌｐと負極母線Ｌｎとの間にスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２が直列接続されている。正極母線Ｌｐと負極母線Ｌｎとの間にスイッチング素子Ｑ３，Ｑ４が直列接続されている。スイッチング素子Ｑ１とスイッチング素子Ｑ２の間の中点とスイッチング素子Ｑ３とスイッチング素子Ｑ４の間の中点との間にフィールドコイル３３（ステータコイル）が接続されている。

正極母線Ｌｐと負極母線Ｌｎとの間にスイッチング素子Ｑ５，Ｑ６が直列接続されている。スイッチング素子Ｑ５とスイッチング素子Ｑ６の間の中点と負極母線Ｌｎ（グランド）との間にアーマチャ３２（ロータコイル）が接続されている。即ち、スイッチング素子Ｑ６に対し並列にアーマチャ３２が接続されている。

各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６には、パワーＭＯＳＦＥＴが使用されている。なお、スイッチング素子としてＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラ型トランジスタ）を使用してもよい。各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６には、それぞれ帰還ダイオードＤ１〜Ｄ６が逆並列接続されている。

アーマチャ３２に対し直列に電流センサ３４が設けられ、電流センサ３４によりアーマチャ３２に流れる電流（アーマチャ電流）Ｉａが検出される。フィールドコイル３３に対し直列に電流センサ３５が設けられ、電流センサ３５によりフィールドコイル３３に流れる電流（フィールド電流）Ｉｆが検出される。

正極母線Ｌｐにおけるバッテリ２７側には主回路コンタクタ３６が設けられている。
制御装置３０は、コントローラ３７を備えている。コントローラ３７はマイコンとメモリ等を有し、メモリには走行モータ２８を駆動するのに必要な各種制御プログラムおよびその実行に必要な各種データやマップが記憶されている。制御プログラムには、走行モータ２８を回転駆動させるための制御プログラム等が含まれ、回生制動や回生ブースト制動（回生制動での目標アーマチャ電流を大きくする制御）を実行することができる。

図２においてコントローラ３７は各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６のゲートに接続されている。制御部としてのコントローラ３７は、アーマチャ通電用スイッチング素子Ｑ５，Ｑ６及びフィールドコイル通電用スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４をデューティ制御する。

コントローラ３７には電流センサ３４，３５が接続されている。そして、コントローラ３７は、各センサ３４，３５の検出信号に基づいて、走行モータ２８を目標出力となるように制御する制御信号を各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６に出力する。

コントローラ３７は、乗員（オペレータ）による操作に伴い操作センサから出力される操作信号を入力して車両動作を制御する。より具体的には、コントローラ３７にはディレクションスイッチ３８と、アクセルセンサ３９が電気的に接続されている。ディレクションスイッチ３８は、ハンドルコラム２１に配設されており、ディレクションレバー２６の操作位置（前進位置又は後進位置）を検出する。ディレクションスイッチ３８は、ディレクションレバー２６の操作位置に応じた検出信号をコントローラ３７に出力する。そして、コントローラ３７は、ディレクションスイッチ３８からの検出信号を入力することによりディレクションレバー２６の操作位置が前進位置又は後進位置であることを検知する。

アクセルセンサ３９はアクセルペダル２５の操作量を検出する。コントローラ３７はアクセルセンサ３９からの信号を入力することによりアクセルペダル２５の操作の有無および操作量（アクセル開度）を検知する。このアクセル開度に応じてトルクが決められ、アーマチャ３２の回生電流を制御して回生トルクがアクセル開度に応じて決められる。即ち、アクセルペダル２５を踏むとアーマチャ電流を多く流すようにしており、この電流を制御するためにデューティが決められる。

コントローラ３７は各種の操作を検知してアクセルペダル２５の操作量に応じた走行モータ２８の回転速度となるように走行モータ２８を制御して車両速度を調整する。
また、コントローラ３７は電流センサ３４，３５からの信号によりアーマチャ３２に流れる電流（アーマチャ電流）Ｉａ及びフィールドコイル３３に流れる電流（フィールド電流）Ｉｆを検知する。コントローラ３７は、回生制動モードから回生制動モードでの目標アーマチャ電流を大きくする回生ブースト制動モードに切り替え可能に構成されている。フォークリフト１０においては走行モータ２８に回転センサが付いていない。

次に、フォークリフト１０の走行モータ２８の制御装置３０の作用について説明する。
コントローラ３７は、ディレクションレバー２６がスイッチバック操作（前進から後進に操作、または、後進から前進に操作）されるとともにアクセルペダル２５が踏み込まれていると回生制動モードを設定するとともに必要に応じて回生制動モードから回生ブースト制動モードに移行する。以下の説明では前進から後進に切り替えた場合を想定している。コントローラ３７は図３に示す処理を実行して回生制動モードから回生ブースト制動モードに切り替える。

図３に示すように、コントローラ３７はステップＳ１００でディレクションレバー２６の操作により車両の走行方向（進行方向）が変わったか否か判定する。コントローラ３７は車両の走行方向（進行方向）が変わると、ステップＳ１０１に移行して回生制動モードを設定する。回生制動モードにおいては、コントローラ３７は例えば図２のスイッチング素子Ｑ１，Ｑ４，Ｑ５をデューティ制御して図２において破線で示す電流経路でフィールドコイル３３とアーマチャ３２を通電する。

つまり、アーマチャ３２に発生する逆起電力でアーマチャ３２→スイッチング素子Ｑ５→スイッチング素子Ｑ１→フィールドコイル３３→スイッチング素子Ｑ４→アーマチャ３２の経路でフィールドコイル３３を通電する。また、アーマチャ３２に発生する逆起電力による電流を、アーマチャ３２→スイッチング素子Ｑ５→バッテリ２７→アーマチャ３２の経路で流してアーマチャ３２に発生する逆起電力をバッテリ２７に戻す。

コントローラ３７は図３のステップＳ１０２でアクセル開度に応じて、実際のアーマチャ電流Ｉａが、目標のアーマチャ電流Ｉａとなるようにアーマチャ通電用スイッチング素子Ｑ５（Ｑ６）のデューティ、即ち、アーマチャデューティを決定する。コントローラ３７はステップＳ１０３でアーマチャデューティの変化量に基づいて回生制動モードから回生ブースト制動モードに切り替える。

詳しくは、コントローラ３７は、ステップＳ１０３において、デューティの変化量が閾値よりも大きいか否か判定する。より詳しくは、今回のデューティ（ｎ）から前回のデューティ（ｎ−１）を減算した値の絶対値が所定の閾値Ｘよりも大きいか否か判定する。そして、コントローラ３７は、デューティの変化量が閾値よりも小さいとステップＳ１０６で回生制動モードを継続する。一方、コントローラ３７は、ステップＳ１０３でデューティの変化量が閾値よりも大きいと、ステップＳ１０４に移行する。コントローラ３７はステップＳ１０４で回生ブースト制動モードを設定して、ステップＳ１０５で、実際のアーマチャ電流が、目標アーマチャ電流に所定値αを加算した値となるように制御する。つまり、回生制動モードでの目標アーマチャ電流を大きくする。

アーマチャデューティ（アーマチャ通電用スイッチング素子Ｑ５，Ｑ６のデューティ）の変化量がゼロの場合は、デューティ１００％でトルク最大ならばスイッチバック操作に伴い回生制動に入った瞬間、もし回転数が高いと、ある時間だけデューティ１００％出力するので、デューティが変化しない。この場合には、回生制動モードから回生ブースト制動モードに切り替えない。

このように、モータが発生する誘起電圧は回転数に比例するのでアーマチャデューティの変化量が閾値より大きければ、減速していないことを判別して回生ブースト制動モードに切り替える（遷移する）。

図５，６を用いて一般的な減速時におけるアーマチャ電流Ｉａ、フィールド電流Ｉｆの挙動について言及する。
図５（ａ）、図６（ａ）には、フィールドコイル３３に流れる電流（フィールド電流）Ｉｆ、アーマチャ３２に流れる電流（アーマチャ電流）Ｉａ、アーマチャデューティを示す。図５（ｂ）、図６（ｂ）には、アーマチャデューティの変化を示す。図５（ａ），（ｂ）は平坦路を走行した時の挙動を示し、図６（ａ），（ｂ）は坂路を走行した時の挙動を示す。

図５（ａ）、図６（ａ）において横軸に時間をとり、縦軸にフィールドコイル３３に流れる電流（フィールド電流）Ｉｆ、アーマチャ３２に流れる電流（アーマチャ電流）Ｉａ、アーマチャデューティをとっている。コントローラ３７は、アクセル開度に応じたアーマチャ電流Ｉａを流すべくアクセル開度に応じたアーマチャデューティを設定する。図５（ｂ）、図６（ｂ）において横軸に時間をとり、縦軸にアーマチャデューティの変化量をとっている。なお、図５、図６及び後記する図４においてはフィールド電流Ｉｆはアクセル全開に対応する値としている。

図５，６においてｔ１のタイミングでアーマチャ電流Ｉａが正から負になり回生制動モードが開始される。
図５（ａ），（ｂ）に示すように、平坦路走行時の回生制動ではスイッチバック操作後の回生制動の開始のｔ１のタイミング以降において目標電流を保持すべくアーマチャデューティを下げるが、この際、機台が減速するときにアーマチャデューティがゼロに向かって低下していき機台停止に伴ってアーマチャデューティはゼロとなる。この際、アーマチャデューティの低下に伴いアーマチャデューティの変化量が閾値よりも小さく、平坦路特有の挙動を示す。

一方、図６（ａ），（ｂ）に示すように、坂路走行時の回生制動ではスイッチバック操作後の回生制動の開始のｔ１のタイミング以降において目標電流を保持すべくアーマチャデューティを下げるが、この際、機台が減速するときにアーマチャデューティがゼロに向かって低下する際、アーマチャデューティは低下しなくなる。なぜなら、目標電流にするのに回転数が低下しないから、その分、デューティを落とす必要が無く、回生する制動力が今のフォークリフトの負荷状態よりも小さく制動力が小さいゆえにデューティがなかなか低下しない。いつまでも回生制動モードを抜けないと、制動距離が長くなり、アーマチャデューティの変化量は閾値より大きく、坂路特有の挙動を示す。

これに対し本実施形態では図４（ａ），（ｂ）に示すように、坂路走行時の回生制動では機台が減速するときにアーマチャデューティがゼロに向かって低下する際、アーマチャ通電用スイッチング素子Ｑ５，Ｑ６のデューティの変化量が閾値よりも大きいと、回生制動モードから回生ブースト制動モードに切り替える。つまり、坂路においては、機台減速に伴ってアーマチャデューティが低下するが制動力と外力とが釣り合って低下しなくなるので、アーマチャデューティの変化量が閾値より大きいと減速していないことを判別して回生ブースト制動モードに切り替える。即ち、コントローラ３７が、このアーマチャデューティの変化をモニタすることにより回生制動モードから抜ける処理を開始して回生ブースト制動にて回生力が引き上げられる。

なお、図４，５，６は本発明者らが実測により得たものであり、車両の重量や積載物の有無によって変わり得るものである。また、図４（ａ），（ｂ）において、回生制動の初期の期間Ｔ１においては図３のステップＳ１０３の処理は実行しない。

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）制御部としてのコントローラ３７は、回生制動モードから回生制動モードでの目標アーマチャ電流を大きくする回生ブースト制動モードに切り替え可能に構成され、コントローラ３７は、アーマチャ通電用スイッチング素子Ｑ５，Ｑ６のデューティの変化量に基づいて回生制動モードから回生ブースト制動モードに切り替える切替手段（切替機能）を有する。よって、アーマチャ通電用スイッチング素子のデューティの変化量を切替タイミングの検出要素として捉えることにより坂路での減速状態といった車両への負荷状態が異なる状況でも適切に回生電流を大きくするモードに切り替えることができる。具体的には、坂路でも適切に回生制動モードから回生ブースト制動モードに切り替えることができる。

（２）切替手段（切替機能）は、アーマチャ通電用スイッチング素子Ｑ５，Ｑ６のデューティの変化量が閾値よりも大きいと、回生制動モードから回生ブースト制動モードに切り替える。よって、坂路でも適切に回生制動モードから回生ブースト制動モードに切り替えることができる。

（３）フォークリフトに搭載されるものであるので、実用的である。
実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
・フォークリフトに適用したが、これに限らない。例えば、フォークリフト以外の産業車両でもよいし、産業車両以外の車両であってもよい。

１０…フォークリフト、２８…走行モータ、３０…制御装置、３４…電流センサ、３７…コントローラ、Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４…フィールドコイル通電用スイッチング素子、Ｑ５，Ｑ６…アーマチャ通電用スイッチング素子。

Claims (3)

1. 走行モータとして直流分巻モータを用い、前記直流分巻モータのアーマチャを通電する回路としてアーマチャ通電用スイッチング素子のブリッジ構成とするとともに、前記直流分巻モータのフィールドコイルを通電する回路としてフィールドコイル通電用スイッチング素子のブリッジ構成とした車両用走行モータの制御装置であって、
   アクセル開度が大きいほどアーマチャ電流が大きくなるように前記アーマチャ通電用スイッチング素子及び前記フィールドコイル通電用スイッチング素子をデューティ制御する制御部を備え、
   前記制御部は、回生制動モードから回生制動モードでの目標アーマチャ電流を大きくする回生ブースト制動モードに切り替え可能に構成され、
   前記制御部は、前記アーマチャ通電用スイッチング素子のデューティの変化量に基づいて回生制動モードから前記回生ブースト制動モードに切り替える切替手段を有することを特徴とする車両用走行モータの制御装置。
2. 前記切替手段は、前記アーマチャ通電用スイッチング素子のデューティの変化量が閾値よりも大きいと、回生制動モードから前記回生ブースト制動モードに切り替えることを特徴とする請求項１に記載の車両用走行モータの制御装置。
3. フォークリフトに搭載されるものであることを特徴とする請求項１または２に記載の車両用走行モータの制御装置。

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