JP6948936B2

JP6948936B2 - 電動作業車

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Publication number: JP6948936B2
Application number: JP2017244804A
Authority: JP
Inventors: 上村　勝彦; 勝彦上村; 寛和伊東
Original assignee: Kubota Corp
Current assignee: Kubota Corp
Priority date: 2017-12-21
Filing date: 2017-12-21
Publication date: 2021-10-13
Anticipated expiration: 2037-12-21
Also published as: EP3501947A1; US20190193783A1; EP3501947B1; JP2019115097A; US10967903B2

Description

本発明は、左駆動輪を駆動する左モータと、右駆動輪を駆動する右モータと、ステアリングホイールによる操舵操作量及びアクセル操作具によるアクセル操作量に基づいて左モータと右モータとを独立して制御する走行モータ制御部とを備えた電動作業車に関する。

特許文献１による作業車は、２個の走行用モータによってそれぞれ独立に走行駆動される左右の駆動輪と、前進側または後進側に車体を加速させるアクセルペダルと、車体を左右に旋回させるステアリングホイールとを備えている。この作業車は、アクセルペダルとステアリングホイールとを用いて運転者が指示する加速指示(車速指示)及び旋回指示に基づいて左右の走行用モータの目標回転速度指令値を算出する指令値算出手段と、加速指示及び旋回指示に基づいて目標ヨーレートを算出する目標ヨーレート算出手段と、この目標ヨーレートとヨーレート検出手段によって検出されたヨーレート検出値との偏差に基づいて、左右の走行用モータのための補正係数を取得する補正係数取得手段と、制御手段とを備えている。制御手段は、左右の目標回転速度指令値のそれぞれを補正係数により補正し、補正後の目標回転速度指令値に基づいて、左右の走行用モータの駆動を制御する。これにより、車両が傾斜面上を走行する場合でも、運転者が意図する方向に車両が走行することを実現している。

特開２０１１−１１５００６号公報

特許文献１による作業車では、アクセルペダルによる加速指示（車速指示）に基づいて算出されるモータ回転数を、ステアリングホイールによる旋回指示に基づいて算出される左右モータの回転比によって調整することで、左右のモータの回転速度指令値が作成される。さらに、加速指示と旋回指示とに基づいて、目標旋回角速度が算出され、この目標旋回角速度と角速度センサによって検出された実旋回角速度との偏差に基づいて、補正係数が算出される。さらに、この補正係数によって補正された、左右のモータの回転速度指令値に基づいて左右のモータの駆動が制御される。このように、アクセルペダルによる加速指示とステアリングホイールによる旋回指示とを組み合わせて算出された左右のモータ回転速度指令値が、フィードバック制御される旋回角速度の情報に基づいて補正されるので、傾斜地及び平坦地にかかわらず、一体感のある操縦が可能となる。しかしながら、特許文献１によるモータ制御は、制御系を複雑にするだけでなく、旋回制御と車速制御とが一体化されていることの弊害として、キレのよい運転を好む運転者にとって、直進走行に比べて旋回走行が鈍重に感じられる問題が生じうる。
このような実情に鑑み、モータ制御系が簡単で、かつ機敏な旋回走行が可能なステアリングホイールタイプの電動作業車が要望されている。

本発明による電動作業車は、車体と、前記車体に支持された左駆動輪及び右駆動輪と、前記左駆動輪を駆動する左モータ及び前記右駆動輪を駆動する右モータと、前記車体を操舵するためのステアリングホイールと、前記車体の走行速度を調節するためのアクセル操作具と、前記ステアリングホイールの操舵操作量を検出する操舵検出器と、前記アクセル操作具のアクセル操作量を検出するアクセル検出器と、前記操舵操作量のみに基づいて旋回指令を算出する旋回指令算出部と、前記旋回指令に基づいて旋回トルクを算出する旋回トルク算出部と、前記アクセル操作量のみに基づいて車速指令を算出する車速指令算出部と、前記車速指令に基づいて車速トルクを算出する車速トルク算出部と、前記旋回トルクと前記車速トルクとに基づいて左モータ速度指令と右モータ速度指令とを算出する速度指令算出部とを備えている。
また、本発明による電動作業車は、車体と、前記車体に支持された左駆動輪及び右駆動輪と、前記左駆動輪を駆動する左モータ及び前記右駆動輪を駆動する右モータと、前記車体を操舵するためのステアリングホイールと、前記車体の走行速度を調節するためのアクセル操作具と、前記ステアリングホイールの操舵操作量を検出する操舵検出器と、前記アクセル操作具のアクセル操作量を検出するアクセル検出器と、前記操舵操作量に基づいて旋回指令を算出する旋回指令算出部と、前記旋回指令に基づいて旋回トルクを算出する旋回トルク算出部と、前記アクセル操作量に基づいて車速指令を算出する車速指令算出部と、前記車速指令に基づいて車速トルクを算出する車速トルク算出部と、前記旋回トルクと前記車速トルクとに基づいて左モータ速度指令と右モータ速度指令とを算出する速度指令算出部と、を備え、前記旋回トルク算出部は、前記旋回指令から算出された旋回角速度に基づいて、前記旋回トルクを算出し、前記旋回トルク算出部は、左モータ速度指令と右モータ速度指令とから推定される前記車体の実旋回角速度と、前記旋回角速度とに基づいて、前記旋回トルクを算出する。

この構成では、一方ではステアリングホイールによる旋回指令に基づいて旋回トルクが算出され、他方ではアクセル操作具による車速指令に基づいて車速トルクが算出される。
別系統で算出された旋回トルクと車速トルクとから、それぞれ左モータ速度指令と右モータ速度指令とが算出され、左モータ及び右モータが制御される。つまり、旋回指令から旋回トルクを算出するトルク変換度を、車速指令から車速トルクを算出するトルク変換度に比べて強くすることが、可能となる。これにより、直進走行時の操縦安定性と旋回走行時の機敏な旋回性とが得られる。

本発明の好適な実施形態の１つでは、前記旋回トルク算出部は、前記旋回指令から算出された旋回角速度に基づいて、前記旋回トルクを算出する。この構成では、運転者のステアリングホイール操作による左旋回または右旋回がその角速度として求められるので、ステアリングホイール操作が旋回速度に対応することになり、機敏な旋回を実現させることができる。特に、舗装されていない路面を走行する作業車では、旋回時の車速は、走行面の状態や積載重量などの影響を受けて変動する可能性がある。しかしながら、旋回速度を制御目標とすることにより、旋回抵抗を受ける悪路であっても、運転者の操作感覚に反するような旋回のキレの悪化といった問題が抑制される。

特に、好適な実施形態の１つでは、前記旋回トルク算出部は、角速度センサの検出信号から算出される前記車体の実旋回角速度と前記旋回角速度とに基づいて、前記旋回トルクを算出する。角速度センサを設けることで、より正確に、車体の実旋回角速度を算出することができる。これにより、運転者の操作感覚に合った旋回が可能となる。

角度センサが装備されていない場合でも、左モータ速度及び右モータ速度と、車体の固有の仕様、特に旋回特性とから、実際の旋回角速度を推定することが可能である。この推定された実旋回角速度を用いて制御量としての旋回トルクを算出することにより、運転者の操作感覚に合った旋回が可能となる。したがって、本発明による好適な実施形態の１つでは、前記旋回トルク算出部は、左モータ速度指令と右モータ速度指令とから推定される前記車体の実旋回角速度と、前記旋回角速度とに基づいて、前記旋回トルクを算出する。

本発明による電動作業車の一例であるミッドマウント型乗用電動草刈機の側面図である。モーアユニットの平面図である。電動草刈機の動力系統及び制御系統を示す模式図である。制御系の機能ブロック図である。走行モータ制御に関するデータの流れを示すブロック図である。

次に、図面を用いて、本発明による電動作業車の具体的な実施形態の１つを説明する。
この実施形態では、電動作業車はミッドマウント型電動草刈機である。なお、本明細書では、特に断りがない限り、「前」は車体前後方向（走行方向）に関して前方を意味し、「後」は車体前後方向（走行方向）に関して後方を意味する。また、左右方向または横方向は、車体前後方向に直交する機体横断方向（機体幅方向）を意味する。「上」または「下」は、車体の鉛直方向（垂直方向）での位置関係であり、地上高さにおける関係を示す。

図１は電動草刈機（以下単に草刈機と略称する）の側面図である。この草刈機は、遊転自在なキャスタ型の左前車輪１ａと右前車輪１ｂとからなる前車輪ユニット１、左駆動輪２ａと右駆動輪２ｂとからなる駆動輪ユニット２、前車輪ユニット１と駆動輪ユニット２とによって支持されるフレーム状の車体１０、車体１０の後部に配置されたバッテリ７、バッテリ７の前方に配置された運転座席１１、運転座席１１の後方から立設された転倒保護フレーム１２、前車輪ユニット１と駆動輪ユニット２との間で車体１０の下方空間に昇降リンク機構１３を介して昇降可能に車体１０から吊り下げられたモーアユニット３を備えている。

運転座席１１の前方には、ハンドルポスト１５ａに支持されたステアリングホイール１５が、車体１０の操舵のために備えられている。ハンドルポスト１５ａの周辺には、運転者の足載せ場であるフロアプレート１４が設けられている。ハンドルポスト１５ａの左右方向で一方側にブレーキペダル１６が配置されている。その他方側には、車体１０の走行速度(車速)を調節するアクセル操作具の一例であるアクセルペダル１７が配置されている。この実施形態では、アクセルペダル１７は、運転者の足による踏み込みによって、中立位置からの前方揺動で前進速度を調整するとともに中立位置からの後方揺動で後進速度を調整する、ワンペダルタイプである。このワンペダルタイプに代えて、前進速度を調整する前進用ペダルと、後進速度を調整する後進ペダルとからなるツーペダルタイプを採用してもよい。また、手動操作のアクセル操作具を採用してもよい。

アクセルペダル１７に対する操作量（アクセル操作量）は、左駆動輪２ａと右駆動輪２ｂの回転速度から算定される、車体１０の前進及び後進における速度（車速）を決定する。ステアリングホイール１５は、中立位置からの左右方向の回動角が大きくなるにしたがって、左駆動輪２ａの回転速度と右駆動輪２ｂの回転速度の差が大きくなる。つまり、左駆動輪２ａと右駆動輪２ｂとが異なる回転速度で駆動されることで車体１０が旋回する。
左駆動輪２ａと右駆動輪２ｂとの回転方向が逆になれば急旋回が実現する。このことから、この草刈機は、ステアリングホイールタイプのゼロターンモーアとも呼ばれる。

モーアユニット３は、図２に示すように、サイドディスチャージタイプであり、モーアデッキ３０と、２枚の回転式の刈刃２０が備えられている。左側の刈刃２０と右側の刈刃２０とが車体横断方向に横並びしている。モーアデッキ３０は、天壁３１とこの天壁３１の外周縁から下方に延びた側壁３２を備えている。側壁３２の右端領域は欠如されており、カバー３４で覆われた刈草排出口３５が作り出されている。各刈刃２０は、天壁３１と側壁３２ととによって作り出されるモーアデッキ３０の内部空間に配置される。

刈刃２０は帯板状であり、その両端部に切断刃先が形成され、さらにこの切断刃先の背後側に起風羽根が形成されている。刈刃２０は、モーアデッキ３０の天壁３１を貫通して下方に延びている刈刃回転軸２１の下端に取り付けられている。草刈り作業時には、刈刃２０が回転しながら草刈機が走行することで刈刃２０によって切断処理された刈草は、刈刃２０の起風羽根によって発生した搬送風により、モーアデッキ３０の内部に設けられたバッフルプレートに案内されてモーアデッキ３０の内部を通り抜けて、刈草排出口３５からモーアデッキ３０の横外側に放出される。刈刃２０に動力を供給するモーアモータ４は、側壁３２から水平に突き出した装着台４０に装着されている。モーアモータ４の回転軸４１からの回転動力は、ベルト伝動機構によって、各刈刃２０の刈刃回転軸２１に伝達される。

図３には、電動草刈機の動力系統及び制御系統が示されている。左駆動輪２ａと右駆動輪２ｂとをそれぞれ回転させる走行モータである左モータ８１と右モータ８２、及び刈刃２０を回転させるモーアモータ４には、インバータ７０から電力が供給される。インバータ７０は、左モータ８１と右モータ８２とに電力を供給する走行モータ用インバータ７１と、モーアモータ４に電力を供給するモーアモータ用インバータ７２とを含む。インバータ７０は、制御装置５からの制御信号に基づいて駆動する。インバータ７０は、電力源としてのバッテリ７と接続されている。

制御系の機能ブロック図である図４に示すように、制御装置５には、操縦状態検出部９１と走行状態検出部９２とから検出信号が入力される。操縦状態検出部９１には、操舵検出器９１ａとアクセル検出器９１ｂとが含まれる。走行状態検出部９２には、左モータ回転検出センサ９２ａと右モータ回転検出センサ９２ｂと、角速度センサ９２ｃとが含まれる。

操舵検出器９１ａは、ステアリングホイール１５の回動角を検出して、その検出信号を操舵操作量として出力する。アクセル検出器９１ｂは、アクセルペダル１７の揺動角（踏み込み角）を検出して、その検出信号をアクセル操作量として出力する。左モータ回転検出センサ９２ａは左モータ８１の回転数を検出する。右モータ回転検出センサ９２ｂは右モータ８２の回転数を検出する。モーアモータ回転検出センサ９３はモーアモータ４の回転数を検出する。角速度センサ９２ｃは、車体１０のヨー角の速度（旋回角速度）を検出するセンサであり、この検出信号により、ステアリングホイール１５の回動操作に基づく車体１０の実際の旋回状態が制御装置５に入力される。

制御装置５には、機能部として、入力信号処理部５１、旋回指令算出部５２、車速指令算出部５３、実旋回角速度算出部５４、走行モータ制御部５５、モーアモータ制御部５７が備えられており、これらの機能部は、ハードウエアやソフトウエアによって構築される。入力信号処理部５１には、センサ情報処理機能や操作入力処理機能が含まれている。入力信号処理部５１は、走行状態検出部９２、操縦状態検出部９１などの外部からの信号を処理して、制御装置５の内部で利用可能な情報に変換する。

図５に示すように、旋回指令算出部５２は、操舵検出器９１ａからの操舵操作量を受け取って、ステアリングホイール１５が中立位置（直進状態）からどちらか一方に回動されている場合、その回動角に応じた左回り旋回度または右回り旋回度を示す旋回指令を算出する。車速指令算出部５３は、アクセル検出器９１ｂからのアクセル操作量を受け取って、アクセル操作量に対応する車速指令を算出する。実旋回角速度算出部５４は、角速度センサ９２ｃの検出信号から実旋回角速度を算出する。

図４に示すように、走行モータ制御部５５は、旋回トルク算出部５５１、車速トルク算出部５５２、速度指令算出部５６を有する。図５に示すように、旋回トルク算出部５５１は、旋回指令算出部５２からの旋回指令から旋回角速度を算出し、実旋回角速度算出部５４によって算出された実旋回角速度をフィードバック量として、旋回トルクを算出する。
車速トルク算出部５５２は、車速指令算出部５３からの車速指令に基づいて車速トルクを算出する。

速度指令算出部５６は、旋回トルク算出部５５１からの旋回トルクと車速トルク算出部５５２からの車速トルクとに基づいて、ステアリングホイール１５及びアクセル検出器９１ｂに対する運転者の操作に適応する車体１０の旋回を実現するために、速度指令を算出する。速度指令には、左駆動輪２ａの回転速度（回転数）、つまり左モータ８１の回転速度（回転数）を作り出すための左モータ速度指令、及び右駆動輪２ｂの回転速度（回転数）、つまり右モータ８２の回転速度（回転数）を作り出すための右モータ速度指令が含まれている。このため、速度指令算出部５６には、左モータ速度指令を算出する左モータ速度指令算出部５６ａと、右モータ速度指令を算出する右モータ速度指令算出部５６ｂとが含まれている。

左モータ８１及び右モータ８２はインバータ制御されるので、左モータ速度指令及び右モータ速度指令は走行モータ用インバータ７１に与えられる。走行モータ用インバータ７１には、左輪給電部７１ａ及び右輪給電部７１ｂが含まれている。左モータ８１と右モータ８２とはそれぞれ独立的に左輪給電部７１ａと右輪給電部７１ｂとによって供給される電力量によってその回転速度が変化する。左駆動輪２ａと右駆動輪２ｂの回転速度を相違させることで、車体１０の旋回が行われる。

モーアモータ制御部５７は、制御装置５にモーアモータ４の駆動を指令する操作指令が入力されると、モーアモータ用インバータ７２のモーアモータ給電部７２ａを制御して、モーアモータ４を駆動する。

制御装置５に備えられている、各種データを算出する機能部の少なくともいくつかは、予め作成された、入力データから出力データを導出するルックアップテーブルとして構成される。また、そのようなルックアップテーブルは、運転者によって、あるいは作業によって変更可能に構成することもできる。これにより、運転者の好みに合った旋回性を作り出すことが可能となる。

〔別実施の形態〕
（１）上述した実施形態では、車体１０の実旋回角速度を求めるために角速度センサ９２ｃが用いられた。これに代えて、角速度センサ９２ｃを装備せずに、左モータ速度及び右モータ速度を入力値として実旋回角速度を導出する実旋回角速度推定ルックアップテーブルを用いることも可能である。このような実旋回角速度推定ルックアップテーブルは、車体の固有の仕様（特に旋回特性）基づいて、作成することができる。

（２）図４及び図５で示された機能ブロックは主に説明目的で区分けされており、示された機能ブロック同士を統合したり、各機能ブロックをさらに分割したりすることは、自由である。

（３）上述した実施形態での電動作業車は、草刈機であったが、噴霧車、除雪車、運搬車などにも、本発明は適用可能である。

本発明は、ステアリングホイールによる操舵操作量及びアクセル操作具によるアクセル操作量に基づいて、左駆動輪と右駆動輪とを各モータで駆動する電動作業車に適応可能である。

２ａ：左駆動輪
２ｂ：右駆動輪
１０：車体
１５：ステアリングホイール
１７：アクセルペダル
５：制御装置
５１：入力信号処理部
５２：旋回指令算出部
５３：車速指令算出部
５４：実旋回角速度算出部
５５：走行モータ制御部
５５１：旋回トルク算出部
５５２：車速トルク算出部
５６：速度指令算出部
５６ａ：左モータ速度指令算出部
５６ｂ：右モータ速度指令算出部
５７：モーアモータ制御部
７１ａ：左輪給電部
７１ｂ：右輪給電部
８１：左モータ
８２：右モータ
９１：操縦状態検出部
９１ａ：操舵検出器
９１ｂ：アクセル検出器
９２：走行状態検出部
９２ａ：左モータ回転検出センサ
９２ｂ：右モータ回転検出センサ
９２ｃ：角速度センサ
９３：モーアモータ回転検出センサ

Claims

車体と、
前記車体に支持された左駆動輪及び右駆動輪と、
前記左駆動輪を駆動する左モータ及び前記右駆動輪を駆動する右モータと、
前記車体を操舵するためのステアリングホイールと、
前記車体の走行速度を調節するためのアクセル操作具と、
前記ステアリングホイールの操舵操作量を検出する操舵検出器と、
前記アクセル操作具のアクセル操作量を検出するアクセル検出器と、
前記操舵操作量のみに基づいて旋回指令を算出する旋回指令算出部と、
前記旋回指令に基づいて旋回トルクを算出する旋回トルク算出部と、
前記アクセル操作量のみに基づいて車速指令を算出する車速指令算出部と、
前記車速指令に基づいて車速トルクを算出する車速トルク算出部と、
前記旋回トルクと前記車速トルクとに基づいて左モータ速度指令と右モータ速度指令とを算出する速度指令算出部と、を備えた電動作業車。
前記旋回トルク算出部は、前記旋回指令から算出された旋回角速度に基づいて、前記旋回トルクを算出する請求項１に記載の電動作業車。
前記旋回トルク算出部は、角速度センサの検出信号から算出される前記車体の実旋回角速度と前記旋回角速度とに基づいて、前記旋回トルクを算出する請求項２に記載の電動作業車。
前記旋回トルク算出部は、左モータ速度指令と右モータ速度指令とから推定される前記車体の実旋回角速度と、前記旋回角速度とに基づいて、前記旋回トルクを算出する請求項２に記載の電動作業車。
車体と、
前記車体に支持された左駆動輪及び右駆動輪と、
前記左駆動輪を駆動する左モータ及び前記右駆動輪を駆動する右モータと、
前記車体を操舵するためのステアリングホイールと、
前記車体の走行速度を調節するためのアクセル操作具と、
前記ステアリングホイールの操舵操作量を検出する操舵検出器と、
前記アクセル操作具のアクセル操作量を検出するアクセル検出器と、
前記操舵操作量に基づいて旋回指令を算出する旋回指令算出部と、
前記旋回指令に基づいて旋回トルクを算出する旋回トルク算出部と、
前記アクセル操作量に基づいて車速指令を算出する車速指令算出部と、
前記車速指令に基づいて車速トルクを算出する車速トルク算出部と、
前記旋回トルクと前記車速トルクとに基づいて左モータ速度指令と右モータ速度指令とを算出する速度指令算出部と、を備え、
前記旋回トルク算出部は、前記旋回指令から算出された旋回角速度に基づいて、前記旋回トルクを算出し、
前記旋回トルク算出部は、左モータ速度指令と右モータ速度指令とから推定される前記車体の実旋回角速度と、前記旋回角速度とに基づいて、前記旋回トルクを算出する電動作業車。