JP4933210B2 - クローラ式走行装置 - Google Patents

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Description

本発明は、クローラ式走行装置の技術、特に電動モータを駆動源とする作業車両に適用し、スリップ防止制御を備えたクローラ式走行装置の技術に関する。
従来から、電力を動力源として電動モータを作動させて駆動輪を回動する電気自動車は知られている。該電気自動車の駆動系はさまざまな構成が可能であり、そのうちの一つに左右独立のモータを用いてデファレンシャルギヤを無くす構成が知られている(特許文献1参照)。該電気自動車の車輪のスリップ防止制御方式として、スリップ率制御方式がある。スリップ率λとは、車体速度と車輪速度の差の相対比であり、λ=0が完全粘着、λ=1が完全空転を意味する。スリップ率制御とは、このλを直接制御するフィードバック制御である。一方、モデル追従制御の原理を用いた車輪速度制御によるスリップ防止制御方式がある。モデル追従制御では、車両特性を簡単な慣性モーメントとみなし、スリップが生じればその値が急速に小さくなるものとする。一方、モデルの方は滑らない車体モデル、すなわち、一定の慣性モーメントとして両者の差から演算される補正トルクをドライバのトルク指令から差し引くものとする(特許文献2・3参照)。このモデル追従制御は、空転時にタイヤ慣性を重く見せかける制御であり、速いマイナー制御ループによって初めて得られる効果であるといえる。よって、モデル追従制御は、電気モータの高速で正確なトルク応答(数〜数十[ ms] )があって初めて可能となる制御である。前記モデル追従制御を利用したスリップ防止制御の利点は、実車速を計測することなく、車輪速度のみを用いることにある。これにより、非駆動輪の速度を検出するなどして車体速度を検出することなく制御を行うことが可能となり、四輪の同時制動などを行うことも可能となる。
特開2005−168278号公報 特開平2−299402号公報 特開平8−182119号公報
一方、農業機械の作業環境は、舗装された路面よりも、圃場などの未舗装面が圧倒的に多く、雨天時や路面が浸水している場合には特に車輪若しくは履帯がスリップすることが多かった。また、スリップ制御を行う場合においても、実車速を検出することが難しく、履帯においては非駆動輪が存在しないため、実車速の検出は不可能であった。そこで、本発明は斯かる課題に鑑み、走行車両に適用し、実車速を検出せずにスリップ防止制御を行うクローラ式走行装置を提供する。
本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。
即ち、請求項1においては、クローラ式走行装置は駆動輪(3・3)と従動輪(4・4)との間に履帯(2・2)を巻回し、前記駆動輪(3・3)の駆動軸(5・5)は、直接または減速機構等を介して電動モータ(6・6)と連結し、該電動モータ(6・6)は左右の履帯(2・2)に対してそれぞれ一つずつ独立して設け、デファレンシャルギヤを無くして駆動可能とした作業車両(1)のクローラ式走行装置において、実車速を検出せずにスリップ防止制御を行う制御であって、アクセルレバーまたは変速レバー等の駆動トルク指令設定手段(10)と、それぞれの駆動輪(3・3)に一つづつ設けた、回転数検知手段(8・8)と、モータ駆動回路(12・12)と、これらと接続する制御手段(7・7)を備え、前記駆動トルク指令設定手段(10)からの値を駆動トルク指令値(Fm)としてモータ駆動回路(12)に入力して、電動モータ(6)を駆動し、該駆動トルク指令値(Fm)より駆動輪(3)の理想回転速度(V)を、舗装された路面で走行した際に入力された駆動トルク指令値(Fm)に対する、出力回転速度が理想回転速度(V)となるように記憶された等価慣性モーメント(Js)から、
Figure 0004933210
により演算すると共に、該理想回転速度(V)と、前記回転数検知手段(8)で検知した駆動輪(3)の実回転速度(Vw)との差を算出し、該実回転速度(Vw)が理想回転速度(V)より設定値以上大きくなると、前記駆動輪(3)の駆動トルク指令値(Fm)を減少するように制御し、直進時には前述したスリップ制御を行うと共に、旋回走行時においては、ステアリングハンドルまたは操向レバー等の操向操作手段(13)の操作を検知する手段を配置し、該操作信号を制御装置(7)に入力し、旋回操作時には旋回半径に応じて内側の履帯(2)を駆動する電動モータ(6)に対して直進時の理想回転速度(V)よりも低速の駆動トルク指令値(Fm)を駆動回路(12)に出力し、外側の履帯(2)を駆動する電動モータ(6)に対して直進時の理想回転速度(V)よりも高速の駆動トルク指令値(Fm)を駆動回路(12)に入力し、前記駆動トルク指令設定手段(10)により、内側の履帯を駆動する電動モータ(6)に対する駆動トルク指令値(Fm)が低い値に設定されることにより、クラッチやブレーキを設けることなく旋回することを可能としたものである。
請求項2においては、クローラ式走行装置は駆動輪(3・3)と従動輪(4・4)との間に履帯(2・2)を巻回し、前記駆動輪(3・3)の駆動軸(5・5)は、直接または減速機構等を介して電動モータ(6・6)と連結し、該電動モータ(6・6)は左右の履帯(2・2)に対してそれぞれ一つずつ独立して設け、デファレンシャルギヤを無くして駆動可能とした作業車両(1)のクローラ式走行装置において、実車速を検出せずにスリップ防止制御を行う制御であって、アクセルレバーまたは変速レバー等の駆動トルク指令設定手段(10)と、それぞれの駆動輪(3・3)に一つづつ設けた、回転数検知手段(8・8)と、モータ駆動回路(12・12)と、これらと接続する制御手段(7・7)を備え、前記駆動トルク指令設定手段(10)からの値を駆動トルク指令値(Fm)としてモータ駆動回路(12)に入力して電動モータ(6)を駆動し、該駆動トルク指令値(Fm)より駆動輪(3)の理想回転速度(V)を、舗装された路面で走行した際に入力された駆動トルク指令値(Fm)に対する、出力回転速度が理想回転速度(V)となるように記憶された等価慣性モーメント(Js)から、
Figure 0004933210
により演算すると共に、該理想回転速度(V)と、前記回転数検知手段(8)で検知した駆動輪(3)の実回転速度(Vw)との差を算出し、その差を周波数フィルタに通して特定の周波数領域だけを抽出し、所定の制御ゲイン(K)を乗じて駆動トルク補正量(C)を算出し、前記駆動輪(3)の駆動トルク指令値(Fm)を、該駆動トルク補正量(C)だけ減少するように制御し、直進時には前述したスリップ制御を行うと共に、旋回走行時においては、ステアリングハンドルまたは操向レバー等の操向操作手段(13)の操作を検知する手段を配置し、該操作信号を制御装置(7)に入力し、旋回操作時には旋回半径に応じて内側の履帯(2)を駆動する電動モータ(6)に対して直進時の理想回転速度(V)よりも低速の駆動トルク指令値(Fm)を駆動回路(12)に出力し、外側の履帯(2)を駆動する電動モータ(6)に対して直進時の理想回転速度(V)よりも高速の駆動トルク指令値(Fm)を駆動回路(12)に入力し、前記駆動トルク指令設定手段(10)により、内側の履帯を駆動する電動モータ(6)に対する駆動トルク指令値(Fm)が低い値に設定されることにより、クラッチやブレーキを設けることなく旋回することを可能としたものである。
本発明の効果として、以下に示すような効果を奏する。
請求項1においては、実車速を検出することなくスリップ防止制御を行うことが可能となる。また、それぞれの車輪をモータで駆動することにより、旋回時に制御を行うことが可能となる。また、普通走行時の直進性も向上する。
請求項2においては、実車速を検出することなくスリップ防止制御を行うことが可能となる。また、それぞれの車輪をモータで駆動することにより、旋回時に制御を行うことが可能となる。また、普通走行時の直進性も向上する。
また、請求項1と請求項2において、左右の駆動輪がデファレンシャルギヤを用いなくとも、独立して駆動することができる。また、旋回時や普通走行時に左右それぞれの駆動輪の実回転速度を計測することにより、正確にトラクション制御をすることが可能となる。
次に、発明の実施の形態を説明する。
図1は本発明の一実施例に係る作業車両の動力伝達図、図2は作業車両の制御に係るブロック図、図3は可変油圧モータにより駆動するクローラ式走行装置の一構成例に係る作業車両の動力伝達図である。
図1に示すように、作業車両1は走行装置としてクローラ式走行装置を備えている。該クローラ式走行装置は駆動輪3・3と従動輪4・4との間に履帯2・2が巻回されており、前記駆動輪3・3は駆動軸5・5に軸支されており、前記駆動軸5・5には、直接または減速機構等を介して電動モータ6・6に連結している。該電動モータ6・6は左右の履帯に対してそれぞれ一つずつ設けている。前記電動モータ6・6を左右の駆動輪3・3に対して一つずつ独立に設けることにより、デファレンシャルギヤを無くし独立して駆動可能となっている。このようにクローラ式走行装置では、駆動輪と従動輪との間に履帯が巻回されているために、車体速度を従動輪から検出することができない。そこで、駆動輪の回転速度を利用してトラクション制御を行うこととした。
次に、前記電動モータ6・6の制御系統について、図1及び図2を用いて説明する。前記電動モータ6・6の制御系統は左右のモータそれぞれに独立して存在しており、その構成は同一であるため、ここでは左モータ6について説明する。まず、図示せぬ運転操作部において駆動トルク指令設定手段(速度制御手段)10としてアクセルレバーまたは変速レバー等が配置されており、前記駆動トルク指令設定手段10は制御装置7に接続され速度設定を行えるようにしている。この駆動トルク指令設定手段10によって入力された駆動トルク指令値Fmは、制御手段となる制御装置7及び電動モータ6の駆動回路12に入力される。制御装置7は駆動トルク指令値Fmから次式に従い駆動輪3の回転速度(理想回転速度V)を算出する。
Figure 0004933210
ここでは、舗装された路面で走行した際に入力された駆動トルク指令値Fmに対する出力回転速度が理想回転速度Vとなるような等価慣性モーメントがJsとして記憶されている。
一方、駆動輪3または駆動軸5の近傍には回転数検知手段として回転センサ8が配置され制御装置7と接続されている。該回転センサ8によって実際の駆動輪の回転速度(実回転速度Vw)を検出し、制御装置7へ入力する。制御装置7では前記理想回転速度Vと実回転速度Vwの差を求める。そして、その差を周波数フィルタ(ハイパスフィルタHPS)を通して高周波領域だけを取り出し、その値に制御ゲインKを乗じて駆動トルク補正量を得る。前記補正量と駆動トルク指令値Fmから前記補正量を減じてモータの駆動トルク指令値Fmを補正する。なお、制御ゲインKは、自由に設定できるため、スリップが最小になる値の他に、作業時に最も効率よく牽引力を発揮できる値や、制御が不要な場合に効果を弱くする値に設定することもできる。また、周波数フィルタで補正量の高周波領域だけを取り出すことにより、理想回転と現在回転の定常的な誤差を除外し、スリップ発生の過渡状態のみを制御することができる。
実回転速度Vwが理想回転速度Vよりも大きいということは、実回転速度Vwがスリップして空回りすることにより理想回転速度Vより速くなっている可能性がある。そこでその差に応じた量だけ駆動トルクを減少させ制御するものである。すなわち、理想回転速度Vと実回転速度Vwの差を求め、周波数フィルタにより、スリップを防止するのに有効な高周波成分だけを取り出し、制御ゲインKを乗じて、駆動トルク補正量Cを算出し、電動モータ6へフィードバックして駆動トルク指令値Fmから減算して補正する。これにより、電動モータ6の駆動トルクが低減され、理想回転速度Vでの走行が可能となり、スリップが防止される。
また、旋回走行においては、駆動トルク指令設定手段10により、内側の履帯を駆動する電動モータ6に対する駆動トルク指令値Fmが低い値に設定されることにより、クラッチやブレーキを設けることなく旋回することが可能となる。つまり、ステアリングハンドルまたは操向レバー等の操向操作手段13にその操作を検知する手段を配置し、その操作信号を制御装置7に入力する。直進時には前述したスリップ制御が行われ、旋回操作が行われると、操向操作手段13から操作信号が制御装置7に入力されて、その旋回半径に応じて内側の履帯を駆動する電動モータ6に対して直進時の理想回転速度Vよりも低速の回転速度指令値を駆動回路12に出力し、外側の履帯を駆動する電動モータ6に対して直進時の理想回転速度Vよりも高速の回転速度指令値を駆動回路12に入力するのである。この旋回の際にスリップした場合にもモデル追従制御によってトルク補正をかけることでスリップを事前に防ぐことが可能となる。つまり、前記同様に、回転センサ8から得られる実回転速度Vwが理想回転速度Vよりも大きいと、その差に応じた量だけ駆動トルクを減少させ制御するものである。すなわち、理想回転速度Vと実回転速度Vwの差を求め、周波数フィルタにより、スリップを防止するのに有効な高周波成分だけを取り出し、制御ゲインKを乗じて駆動トルク補正量Cを算出し、電動モータ6へフィードバックして駆動トルク指令値Fmから減算して補正する。これにより、電動モータ6の駆動トルクが低減され、理想回転速度Vで走行するようにしてスリップを防止する構成としている。なお、前記周波数フィルタは、本実施例で用いたハイパスフィルタに限定されるわけでなく、バンドパスフィルタなどを採用することもできる。また、左右の履帯の制御系統はそれぞれが独立して存在しているため、左右のスリップ率に差異が生じている場合にもそれぞれの制御系統によって、理想回転速度での走行を可能とする。つまり、直進操向時で片側のみが滑りやすい地面で走行しているときにおいて、片側のクローラがスリップした時には、両側の電動モータ6の回転数を同数減少させて、直進操向させ、普通の地面を走行しているかのように走行することが可能となる。また、両輪が理想回転速度Vで走行しようとするため、履帯による走行の課題の一つであった直進走行性も向上する。
次に、電動モータ6の代わりに可変油圧モータを用いた構成例について説明する。図3に示すように、可変油圧モータ14・14の出力軸を駆動軸5・5として、該駆動軸5・5上に駆動輪3・3が固設され、該駆動輪3・3と従動輪4・4との間に履帯2・2が巻回されている。前記駆動軸5・5の回転が回転数センサ等よりなる回転数検知手段8・8により回転数が検知され、制御装置7に入力される。該制御装置7は前記同様の構成としている。前記可変油圧モータ14・14の吐出油路及び吸入油路は切換バルブ16を介して油圧ポンプ17と接続され、該油圧ポンプ17はエンジン40により駆動される。前記切換バルブ16は操作手段により前後進が切り換えられる。
また、前記可変油圧モータ14の可動斜板18はモータまたはソレノイド等のアクチュエータ15と連結され、該可動斜板18はアクチュエータ15の作動により傾倒角度が変更され出力軸の回転数を変更可能としている。該アクチュエータ15は制御装置7と接続されている。該制御装置7には前記と同様に駆動トルク指令設定手段10と操向操作手段13が接続されて、走行速度を設定可能とし、可動斜板18はこの設定速度に合わせて回動される。
そして、直進走行時または旋回走行時に、スリップした場合には、前記同様に制御される。つまり、回転センサ8から得られる実回転速度Vwと、駆動トルク指令設定手段10と操向操作手段13から得られる理想回転速度Vとの差の変化量が設定値よりも大きいと、その差に応じた量だけ駆動トルクを減少させ制御するものである。すなわち、理想回転速度Vと実回転速度Vwの差を求め、周波数フィルタにより、スリップを防止するのに有効な高周波成分だけを取り出し、制御ゲインKを乗じて駆動トルク補正量Cを算出し、アクチュエータ15へフィードバックされ、油圧圧力から減算して補正する。これにより、理想回転速度Vで走行するようにしてスリップを防止する構成としている。なお、左右で送油量が負荷や温度等で若干異なることが生じるので、左右の回転センサ8・8からの信号から、直進時には左右同じ出力回転となるようにアクチュエータ15・15は制御されている。旋回時も、理想回転数となるように制御される。
以上のように、クローラ走行装置は、駆動輪3・3と従動輪4・4との間に履帯2・2を巻回し、該駆動輪3・3に電動モータ6を連結したクローラ式走行装置において、駆動トルク指令設定手段10と駆動輪3・3と回転数検知手段8とモータ駆動回路と、これらと接続する制御手段7を備え、前記駆動トルク指令設定手段10からの値を駆動トルク指令値としてモータ駆動回路に入力して電動モータ6を駆動し、該駆動トルク指令値より駆動輪3・3の理想回転速度を演算するとともに、該理想回転速度と前記回転数検知手段8で検知した駆動輪3・3の実回転速度との差を算出し、実回転速度が理想回転速度より設定値以上大きくなると、前記駆動輪3・3の駆動トルク指令値を減少するように制御したものである。このように構成することにより、実車速を検出することなくスリップ防止制御を行うことが可能となる。また、それぞれの車輪をモータで駆動することにより、旋回時に制御を行うことが可能となる。また、普通走行時の直進性も向上する。
また、駆動輪3・3と従動輪4・4との間に履帯2・2を巻回し、該駆動輪3・3に電動モータ6を連結したクローラ式走行装置において、駆動トルク指令設定手段10と駆動輪3・3の回転数検知手段8とモータ駆動回路と、これらと接続する制御手段7を備え、駆動トルク指令値をモータ駆動回路に入力して電動モータ6を駆動し、該電動モータ6の駆動により発生するトルクより駆動輪の理想回転速度を演算するとともに、該理想回転速度と前記回転数検知手段で検知した駆動輪3・3の実回転速度との差を算出し、その値を周波数フィルタに通して特定の周波数領域だけを抽出し、所定のゲインを乗じて駆動トルク補正量Cを算出し、前記駆動輪の駆動トルク指令値を該駆動トルク補正量だけ減少するように制御したものである。このように構成することにより、実車速を検出することなくスリップ防止制御を行うことが可能となる。また、それぞれの車輪をモータで駆動することにより、旋回時に制御を行うことが可能となる。また、普通走行時の直進性も向上する。
また、前記駆動輪3・3の回転数検知手段8及び制御手段7をそれぞれの駆動輪3・3に一つずつ設け、左右の駆動輪3・3を独立して制御したものである。このように構成することにより、左右の駆動輪がデファレンシャルギヤを用いなくとも、独立して駆動することができる。また、旋回時や普通走行時に左右それぞれの駆動輪の実回転速度を計測することにより、正確にトラクション制御をすることが可能となる。
本発明の一実施例に係る作業車両の動力伝達図。 作業車両の制御に係るブロック図。 可変油圧モータにより駆動するクローラ式走行装置の一構成例に係る作業車両の動力伝達図。
1 作業車両
2 履帯
6 電動モータ
7 制御装置

Claims (2)

  1. クローラ式走行装置は駆動輪(3・3)と従動輪(4・4)との間に履帯(2・2)を巻回し、前記駆動輪(3・3)の駆動軸(5・5)は、直接または減速機構等を介して電動モータ(6・6)と連結し、該電動モータ(6・6)は左右の履帯(2・2)に対してそれぞれ一つずつ独立して設け、デファレンシャルギヤを無くして駆動可能とした作業車両(1)のクローラ式走行装置において、実車速を検出せずにスリップ防止制御を行う制御であって、アクセルレバーまたは変速レバー等の駆動トルク指令設定手段(10)と、それぞれの駆動輪(3・3)に一つづつ設けた、回転数検知手段(8・8)と、モータ駆動回路(12・12)と、これらと接続する制御手段(7・7)を備え、前記駆動トルク指令設定手段(10)からの値を駆動トルク指令値(Fm)としてモータ駆動回路(12)に入力して、電動モータ(6)を駆動し、該駆動トルク指令値(Fm)より駆動輪(3)の理想回転速度(V)を、舗装された路面で走行した際に入力された駆動トルク指令値(Fm)に対する、出力回転速度が理想回転速度(V)となるように記憶された等価慣性モーメント(Js)から、
    Figure 0004933210
    により演算すると共に、該理想回転速度(V)と、前記回転数検知手段(8)で検知した駆動輪(3)の実回転速度(Vw)との差を算出し、該実回転速度(Vw)が理想回転速度(V)より設定値以上大きくなると、前記駆動輪(3)の駆動トルク指令値(Fm)を減少するように制御し、直進時には前述したスリップ制御を行うと共に、旋回走行時においては、ステアリングハンドルまたは操向レバー等の操向操作手段(13)の操作を検知する手段を配置し、該操作信号を制御装置(7)に入力し、旋回操作時には旋回半径に応じて内側の履帯(2)を駆動する電動モータ(6)に対して直進時の理想回転速度(V)よりも低速の駆動トルク指令値(Fm)を駆動回路(12)に出力し、外側の履帯(2)を駆動する電動モータ(6)に対して直進時の理想回転速度(V)よりも高速の駆動トルク指令値(Fm)を駆動回路(12)に入力し、前記駆動トルク指令設定手段(10)により、内側の履帯を駆動する電動モータ(6)に対する駆動トルク指令値(Fm)が低い値に設定されることにより、クラッチやブレーキを設けることなく旋回することを可能としたことを特徴とするクローラ式走行装置。
  2. クローラ式走行装置は駆動輪(3・3)と従動輪(4・4)との間に履帯(2・2)を巻回し、前記駆動輪(3・3)の駆動軸(5・5)は、直接または減速機構等を介して電動モータ(6・6)と連結し、該電動モータ(6・6)は左右の履帯(2・2)に対してそれぞれ一つずつ独立して設け、デファレンシャルギヤを無くして駆動可能とした作業車両(1)のクローラ式走行装置において、実車速を検出せずにスリップ防止制御を行う制御であって、アクセルレバーまたは変速レバー等の駆動トルク指令設定手段(10)と、それぞれの駆動輪(3・3)に一つづつ設けた、回転数検知手段(8・8)と、モータ駆動回路(12・12)と、これらと接続する制御手段(7・7)を備え、前記駆動トルク指令設定手段(10)からの値を駆動トルク指令値(Fm)としてモータ駆動回路(12)に入力して電動モータ(6)を駆動し、該駆動トルク指令値(Fm)より駆動輪(3)の理想回転速度(V)を、舗装された路面で走行した際に入力された駆動トルク指令値(Fm)に対する、出力回転速度が理想回転速度(V)となるように記憶された等価慣性モーメント(Js)から、
    Figure 0004933210
    により演算すると共に、該理想回転速度(V)と、前記回転数検知手段(8)で検知した駆動輪(3)の実回転速度(Vw)との差を算出し、その差を周波数フィルタに通して特定の周波数領域だけを抽出し、所定の制御ゲイン(K)を乗じて駆動トルク補正量(C)を算出し、前記駆動輪(3)の駆動トルク指令値(Fm)を、該駆動トルク補正量(C)だけ減少するように制御し、直進時には前述したスリップ制御を行うと共に、旋回走行時においては、ステアリングハンドルまたは操向レバー等の操向操作手段(13)の操作を検知する手段を配置し、該操作信号を制御装置(7)に入力し、旋回操作時には旋回半径に応じて内側の履帯(2)を駆動する電動モータ(6)に対して直進時の理想回転速度(V)よりも低速の駆動トルク指令値(Fm)を駆動回路(12)に出力し、外側の履帯(2)を駆動する電動モータ(6)に対して直進時の理想回転速度(V)よりも高速の駆動トルク指令値(Fm)を駆動回路(12)に入力し、前記駆動トルク指令設定手段(10)により、内側の履帯を駆動する電動モータ(6)に対する駆動トルク指令値(Fm)が低い値に設定されることにより、クラッチやブレーキを設けることなく旋回することを可能としたことを特徴とするクローラ式走行装置。
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