JP6479627B2

JP6479627B2 - 電動作業車

Info

Publication number: JP6479627B2
Application number: JP2015213093A
Authority: JP
Inventors: 寛和伊東; 和晃松田
Original assignee: Kubota Corp
Current assignee: Kubota Corp
Priority date: 2015-10-29
Filing date: 2015-10-29
Publication date: 2019-03-06
Anticipated expiration: 2035-10-29
Also published as: US10029571B2; JP2017085814A; US20170120755A1

Description

本発明は、左右一対のモータによってそれぞれ独立して駆動される左右一対の駆動輪を備えた電動作業車に関する。

特許文献１による電動芝刈車両は、左右一対の駆動前車輪に回転動力を分配するモータと、モータの回転数を検出する第１センサと、モータに流れる電流の電流値を検出する第２センサとを備えている。第１センサと第２センサとの少なくとも一方の検出結果に基づいて車輪がスリップ状態であるか否かが判定され、車輪がスリップ状態であると判定された場合にモータのトルクを減ずる制御が行われる。これにより、車輪のスリップを抑制して、芝の損傷を防止することが意図されている。

特開２０１２―７５２５４号公報

特許文献１による電動芝刈車両では、モータの回転数またはモータの電流値に変化によってスリップが検出されるが、車輪が完全に空転しているような状態では、モータの回転数またはモータの電流値が大きく変化するので、スリップ判定が容易であるが、車輪が草や泥等による負荷によってスリップしているような場合では、モータの回転数やモータの電流値の変化が比較的小さく、スリップ判定の精度が悪くなる。
このような事情から、左右一対のモータによってそれぞれ独立して駆動される左右一対の駆動輪を備えた電動作業車において、車輪のスリップを適切に判定する技術が望まれている。

本発明の電動作業車は、操縦操作ユニットを備えた走行車体と、前記走行車体を対地支持する左駆動輪に回転動力を供給する左モータと、前記走行車体を対地支持する右駆動輪に回転動力を供給する右モータと、前記操縦操作ユニットに対する操作に基づいて、前記左モータと前記右モータとに独立した駆動信号を与え、方向転換の際には前記左駆動輪と前記右駆動輪とに回転速度差を与えるモータ制御ユニットと、前記走行車体の実ヨーレートを検出するヨーレート検出器と、前記左モータから前記左駆動輪に供給される前記回転動力の回転数と前記右モータから前記右駆動輪に供給される前記回転動力の回転数とから演算ヨーレートを導出する演算ヨーレート算出部と、前記演算ヨーレートと前記実ヨーレートとからスリップの発生を判定するスリップ検出部とを備えている。

このような作業車では、左右のモータの回転数（回転速度）に差、結果的には左右の駆動輪の回転数に差を作り出すことで、旋回を行う。旋回時に駆動輪にスリップが生じると、スリップが生じた駆動輪による地面走行力（地面をとらえて走行車体を動か力）が低下し、走行車体は、理論的に得られるヨーレートとは異なるヨーレートで旋回する。つまり、スリップが生じると、左右のモータの回転数（結果的には左右の駆動輪の回転数）に基づく計算上の走行車体のヨーレートである演算ヨーレート（左右の駆動輪の回転数から算定する理論上のヨーレート）と、実際の走行車体のヨーレートである実ヨーレート（ヨーレート検出器等によって計測される）との間で差が生じる。また、直線走行する場合には、左右のモータの回転数を等しくする。しかしながら、この直線走行時においても、片方の駆動輪にスリップが生じると、スリップが生じた駆動輪による地面走行力（地面をとらえて走行車体を動か力）が低下し、走行車体は、理論的に得られるヨーレートゼロであっても、実際はスリップが生じている駆動輪側へのヨーイングが生じる（実際に測定されたヨーレートはゼロでない値をもつ）。これらのことを利用して、駆動輪のスリップの判定、さらにはスリップ量の推定が可能となる。スリップの発生が判定されると、スリップ発生の報知やスリップを抑制するためのモータ制御などの対処策が実行される。また、左駆動輪と右駆動輪との回転数、つまり左モータと前記右モータの回転数を検出する検出ユニットは、モータ制御のために元々備わっているので、新たにヨーレート検出器を装備さえすれば、あとは、相応なコンピュータプログラムをインストールするだけで、スリップ検出が可能となる。

演算ヨーレートと実ヨーレートとの差に基づいて、スリップの発生を判定するための簡単な方法の１つは、演算ヨーレートと実ヨーレートの差（差分値）を求め、この差を予め実験等を通じて決定したしきい値と比較することである。したがって、本発明の好適な実施形態の１つでは、前記スリップ検出部は、前記実ヨーレートと前記演算ヨーレートとの差を演算し、この差が、上限しきい値以上の場合にスリップの発生を判定するように構成されている。

ヨーレートは時間当たりのヨーイング（走行車体の鉛直線回りの揺動）であるので、方向性つまりその値は正負の符号を有する。このことから、実ヨーレートと演算ヨーレートとの差（差分値）の符号（正負）を考慮すれば、駆動輪の回転が正確に地面に伝達されていない方の駆動輪、つまりスリップしている方の駆動輪を特定することができる。このことから、本発明の好適な実施形態の１つでは、前記スリップ検出部は、前記実ヨーレートと前記演算ヨーレートとの差の符号に基づいて、スリップが発生している駆動輪を特定するように構成されている。この構成では、実ヨーレートと演算ヨーレートとを求めて演算するだけで、スリップが発生している方の駆動輪を特定することができ、好都合である。

左駆動輪と右駆動輪の両者がほぼ同じ程度にスリップしている場合、いわゆる両輪スリップが発生している場合には、車速は変化するが、ヨーイングはほとんど生じない。このため、ヨーレートを利用したスリップ検出は不可能となる。このような状況においては、左駆動輪及び右駆動輪に対する駆動状況と走行車体の実際の速度変化とを評価することで、両輪スリップを検出することができる。したがって、本発明の好適な実施形態の１つとして、前記左駆動輪に供給される前記回転動力の回転数および前記右駆動輪に供給される前記回転動力の回転数の変化量に基づいて演算加速度を算出し、前記実ヨーレートと前記演算ヨーレートとが下限しきい値以下の場合（実質的に直線走行が意図されている場合）、前記走行車体の加速度を検出する加速度センサの検出結果と、前記演算加速度とを比較することにより前記左駆動輪及び前記右駆動輪にスリップが発生していることを判定することが提案される。

通常の走行状態では、一方の駆動輪にスリップが生じている場合、スリップしている駆動輪の地面走行力が弱まるので、演算ヨーレートと実ヨーレートとに差が生じる。また、傾斜地の走行では、左駆動輪と右駆動輪との回転数を同一にして直線走行しようとしても、重力加速度の影響で、演算ヨーレートと実ヨーレートとの間に差が生じる。このことを利用することで、斜面走行であることを検知することも可能となる。したがって、本発明の好適な実施形態の１つでは、前記左駆動輪に供給される前記回転動力の回転数と前記右駆動輪に供給される前記回転動力の回転数とが同一であり、前記実ヨーレートが前記演算ヨーレートを超える場合に、斜面走行の可能性が判定されるように構成されている。

本発明に関係する電動作業車に採用されているスリップ判定の基本原理を示す説明図である。本発明に関係する電動作業車の実施形態の１つである電動草刈作業車の側面図である。電動草刈作業車の電気系統及び動力系統を示す系統図である。電動草刈作業車の制御系の機能ブロック図である。

本発明に関係する電動作業車の具体的な実施形態を説明する前に、図１を用いて、この電動作業車に採用されているスリップ判定の基本原理を説明する。

この電動作業車（以下、単に作業車と略称する）は、左駆動輪２ａに回転動力を供給する左モータ２１と、右駆動輪２ｂに回転動力を供給する右モータ２２とを備えている。左モータ２１と右モータ２２には、運転者の操縦操作に基づいてモータ制御ユニット６が互いに独立して生成して駆動信号が送られ、この駆動信号により左モータ２１と右モータ２２が回転することで、左駆動輪２ａ及び右駆動輪２ｂが回転して、作業車が走行する。左駆動輪２ａと右駆動輪２ｂとに回転差を作り出すことにより作業車は任意に旋回可能である。例えば、左旋回する場合には、左駆動輪の回転数を右駆動輪の回転数より低くし、右旋回する場合には、左駆動輪の回転数を右駆動輪の回転数より高くする。

左モータ２１の回転数（回転速度）、結果的には左駆動輪２ａの回転数（回転速度）は左回転数計測部によって検出され、右モータ２２の回転数、結果的には右駆動輪２ｂの回転数（回転速度）は検出する右回転数計測部によって検出される。以下、左モータ２１の回転数または左駆動輪２ａの回転数を左車輪回転数と称し、右モータ２２の回転数または右駆動輪２ｂの回転数を右車輪回転数と称する。左車輪回転数及び右車輪回転数は、左モータ２１及び右モータ２２の回転数制御のためにモータ制御ユニット６で利用されるが、この作業車では、理論的なヨーレートである演算ヨーレートを算出する演算ヨーレート算出部５１でも利用される。

演算ヨーレート算出部５１は、左車輪回転数と右車輪回転数とから演算ヨーレートを導出する機能を有する。つまり、左車輪回転数をＲ１、右車輪回転数をＲ２とし、演算ヨーレートをＹｃとすると、Ｙｃ＝Ｆ（Ｒ１，Ｒ２）で表される変換式：Ｆが、演算ヨーレート算出部５１に構築されている。この変換式：Ｆは、実験等を通じて求めることが可能であり、演算ヨーレート算出部５１内で、関数ないしはテーブルで構築することができる。

作業車の走行車体中心周りの実際のヨーイングを検出して実ヨーレートを出力するヨーレート検出器７０が備えられている。さらに、左駆動輪２ａと右駆動輪２ｂとにおけるスリップを検出（推定）するスリップ検出部５０が備えられている。スリップ検出部５０には、ヨーレート検出器７０によって検出された実ヨーレート及び、演算ヨーレート算出部５１で算出された演算ヨーレートが入力される。左駆動輪２ａと右駆動輪２ｂのどちらか一方にスリップが発生すると、左右の駆動輪の地面走行力に差が発生して、その差の分だけ走行車体が旋回する。このことを利用して、スリップ検出部５０は、スリップの発生を検出する。例えば、スリップ検出部５０は、演算ヨーレートと実ヨーレートとの差が、予め設定されているしきい値を超えた場合スリップが発生していると判定することができる。演算ヨーレートと実ヨーレートとの差を求める際に、符号付引き算を行えば、その符号（正または負）によって、左駆動輪２ａと右駆動輪２ｂのどちらにスリップが発生しているのかを特定することができる。

ただし、左駆動輪２ａと右駆動輪２ｂの両方にスリップが発生している場合、両方の駆動輪の地面走行力が減少して左右の駆動輪の地面走行力に差が発生しないので、地面走行力の差に基づくスリップは発生せず、単に速度が低下する。このような、左駆動輪２ａと右駆動輪２ｂの両方におけるスリップ発生を判定するために、走行車体に加速度センサ７３が設けられ、加速度センサ７３によって検出された検出信号（加速度）がスリップ検出部５０に入力される。スリップ検出部５０は、車速変更操作がされていないにもかかわらず、演算ヨーレートと実ヨーレートとの差がゼロないしは非常に小さく、かつ走行車体の減速状態が検出された場合、左駆動輪２ａと右駆動輪２ｂの両方におけるスリップ発生を判定することができる。

草刈作業車などの作業車は、一般には定速作業走行するので、走行時には加速度が減少する。このことから、走行時には加速度が減少し（定速）、走行開始時には正の加速度（増速）が増加して、走行停止時には、負の加速度（減速）が生じることを考慮し、判定アルゴリズムには、操縦レバー、アクセルレバー、ブレーキレバーなどの操縦操作機構の状態を、左駆動輪２ａと右駆動輪２ｂの両方におけるスリップ発生の判定に作業車の状態を組み込むことが好ましい。

スリップ検出部５０は、Ｙｃ：実ヨーレートとＹｓ：演算ヨーレート、さらには必要に応じて、加速度：α、左回転数：Ｒ１、右回転数：Ｒ２を用いて、スリップ検出を行うことができる。例えば、その際、実験的に求められたテーブルや、ティーチングによって構築されたニューラルネットワークなどを採用することも可能である。

次に、上述したスリップ検出の基本原理を採用した電動作業車の具体的な実施形態を以下に説明する。この実施形態では、電動作業車は、モーアユニット３を車体に装備している乗用電動草刈作業車（以下、単に草刈作業車と称する）であり、ゼロターンモーアとも呼ばれる。図２は、草刈作業車の側面図である。図３は、草刈作業車の電気系統図及び動力系統図を模式的に示している。

この草刈作業車は、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、左後車輪として機能する左駆動輪２ａと右後車輪として機能する右駆動輪２ｂとからなる後輪ユニット２、前車輪ユニット１と後輪ユニット２とによって支持される走行車体１０を備えている。走行車体１０の後部にはバッテリ２０が配置され、バッテリ２０の前方には運転座席１１が配置されている。転倒保護フレーム１２が運転座席１１の後方に立設されている。前車輪ユニット１と後輪ユニット２との間で走行車体１０の下方空間に、昇降機構１３としての昇降リンク機構を介して昇降可能に走行車体１０から吊り下げられたモーアユニット３が備えられている。昇降リンク機構の昇降動作は、この実施形態では、電気アクチュエータである電動式の昇降シリンダの伸縮動作によって行われる。

運転座席１１の前方には運転者の足載せ場であるフロアプレートが設けられており、そこからブレーキペダル１４が突き出している。運転座席１１の両側には、車体横断方向の水平揺動軸回りに揺動する左操縦レバー１５ａと右操縦レバー１５ｂとからなる操縦操作ユニット１５が配置されている。さらに、運転座席１１の周辺には、刈刃操作レバー（スイッチタイプでもよい）９１、モーアユニット昇降レバー（ペダルタイプでもよい）９２、刈取り高さを調整する刈高さ調整ダイヤル９３が配置されている。

図３に示すように、左駆動輪２ａと右駆動輪２ｂとをそれぞれ回転駆動する電気アクチュエータである左モータ２１と右モータ２２が装備されている。左モータ２１と右モータ２２はそれぞれ独立的にインバータ４を介して供給される電力量によってその回転速度が変化する。したがって、左駆動輪２ａと右駆動輪２ｂの回転速度を相違させることができ、この左右後車輪速度差によって草刈作業車の方向転換が行われる。なお、この実施形態では、左モータ２１と左駆動輪２ａとの間及び右モータ２２と右駆動輪２ｂとの間の動力伝達のために、それぞれ走行駆動機構２３が設けられている。

左モータ２１ないしは左駆動輪２ａの回転数（回転速度）を検出する左回転数計測部として機能する左回転検出センサ７１及び右モータ２２ないしは右駆動輪２ｂの回転数（回転速度）を検出する右回転数計測部として機能する右回転検出センサ７２が配置されている。また、走行車体１０には、走行車体１０のヨーイングを検出するヨーレート検出器７０、及び、走行車体１０の加速状態を検出する加速度センサ７３も配置されている。

この実施形態では、モーアユニット３は、図３に示すように、３枚刈刃（ブレード）のサイドディスチャージタイプであり、モーアデッキ３ａと、３枚の回転式の刈刃３０が備えられている。刈刃３０を回転駆動させる刈刃駆動機構３１は、電気アクチュエータである刈刃モータ３２と刈刃モータ３２の動力を刈刃３０に伝達する刈刃動力伝達機構３３とからなる。

モーアユニット３のモーアデッキ３ａは、天井面と、この天井面の前縁部から下方向きに延出した縦壁とによって構成されている。３枚の刈刃３０はモーアデッキ３ａに回転可能に支持されている。刈刃３０のそれぞれは、その両端部に切断刃先を形成しており、さらに各切断刃先の背後側に形成された起風羽根を形成している。草刈り作業走行時には、刈刃３０によって切断処理された刈草は、刈刃３０の起風羽根によって発生した風により、バッフルプレートに案内されてモーアデッキ３ａの内部を排出口の位置する横一端側に搬送されて、排出口からモーアデッキ３ａの横外側に放出される。

走行のための左モータ２１と右モータ２２、及び草刈りのための刈刃モータ３２へのインバータ４を通じての給電は、ＥＣＵとも呼ばれるコントローラ５によるインバータ制御によって行われる。

図４には、草刈作業車の制御系の機能ブロック図が示されている。制御系の状態検出機器として、左回転数計測部として左モータ２１の回転数を検出する左回転検出センサ７１と、右回転数計測部として右モータ２２の回転数を検出する右回転検出センサ７２が備えられている。さらに、走行車体１０のヨーイングを検出してヨーレートを出力するヨーレート検出器７０と、走行車体１０の加速度を検出する加速度センサ７３とが備えられている。これらの状態検出機器からの信号は、センサ情報処理部５ａを介してコントローラ５に入力される。図４では、手動操作入力デバイス群９として総括的に扱われている、左操縦レバー１５ａと右操縦レバー１５ｂなどの操作状態を検出する各種センサ、ボタン、スイッチからの信号は、操作入力処理部５ｂを介してコントローラ５に入力される。

制御系の中核部材であるコントローラ５には、本発明に特に関係する機能部として、スリップ検出部５０、演算ヨーレート算出部５１、モータ制御ユニット６、刈刃駆動制御部５２が備えられており、これらの機能部は実質的にはプログラムの実行によって実現するが、必要に応じて、ハードウエアによって構築してもよい。センサ情報処理部５ａは、ヨーレート検出器７０、左回転検出センサ７１、右回転検出センサ７２や加速度センサ７３から入力された信号を処理して、コントローラ５の内部で利用可能な情報に変換する。操作入力処理部５ｂは、手動操作入力デバイス群９から入力されたセンサ信号を処理して、コントローラ５の内部で利用可能な情報に変換する。

スリップ検出部５０と演算ヨーレート算出部５１とは、図１を用いて説明された機能の少なくとも一部を採用している。この実施形態でのスリップ検出部５０は、第１スリップ判定部５０１と第２スリップ判定部５０２を有する。演算ヨーレート算出部５１は、左回転検出センサ７１からの信号に基づく左モータ２１の回転数（左駆動輪２ａの回転数）と右回転検出センサ７２からの信号に基づく左モータ２１の回転数（右駆動輪２ｂの回転数）との符号付の差を求め、その差から演算ヨーレートを算出して、スリップ検出部５０に出力する。

スリップ検出部５０には、演算ヨーレート以外に、ヨーレート検出器７０からの信号である実ヨーレート及び加速度センサ７３からの走行車体１０の加速度が入力されている。
第１スリップ判定部５０１は、演算ヨーレートと実ヨーレートとの符号付の差（ヨーレート差）を求め、このヨーレート差に基づいて、左駆動輪２ａまたは右駆動輪２ｂにおけるスリップを検出する。この実施形態では、ヨーレート差が予め設定されているしきい値を超えた場合、左駆動輪２ａまたは右駆動輪２ｂにスリップが発生していると判定するとともに、ヨーレート差の符号に基づいてスリップが発生している方の駆動輪を判定し、スリップ発生信号を出力する。第２スリップ判定部５０２は、ヨーレート差が小さい場合で、かつ駆動輪の回転数に基づく加速度に比べて加速度センサ７３による加速度が小さい場合、左駆動輪２ａと右駆動輪２ｂとの両方にスリップが発生していると判定して、スリップ発生信号を出力する。

モータ制御ユニット６には、左輪速度演算部６１、右輪速度演算部６２、走行制御部６３が含まれている。左輪速度演算部６１は、運転者による左操縦レバー１５ａの操作量を検出する左操縦角検出センサ７４ａを通じての操作情報に基づいて左駆動輪２ａの回転速度（回転数）、つまり左モータ２１の回転速度（回転数）を求める。右輪速度演算部６２も、運転者による右操縦レバー１５ｂの操作量を検出する右操縦角検出センサ７４ｂを通じての操作情報に基づいて右駆動輪２ｂの目標回転速度（回転数）、つまり右モータ２２の目標回転速度（回転数）を求める。

走行制御部６３は、左輪速度演算部６１及び右輪速度演算部６２によって求められた左モータ２１の目標回転速度と右モータ２２の目標回転速度を実現するために必要な電力を左モータ２１及び右モータ２２送るための制御信号を、インバータ４を構成する左輪給電部４１及び右輪給電部４２に与える。さらに、左輪速度演算部６１及び右輪速度演算部６２は、スリップ検出部５０からのスリップ発生信号に応答して、スリップしていると判定された左駆動輪２ａまたは右駆動輪２ｂあるいはその両方に対して、スリップを抑制する制御、例えば、モータトルクの増大、回転数の低減などを実行する。なお、このインバータ４は、刈刃モータ３２に給電する刈刃給電部４０も備えている。インバータ４は、バッテリ２０に接続されており、左モータ２１、右モータ２２、刈刃モータ３２に適切な電力を供給する。

〔別実施の形態〕
（１）上述した実施形態では、草刈走行車両は、モーアユニット３を前輪と後輪との間に配置するミッドマウント型であったが、モーアユニット３を前輪の前方に配置するフロントモーア型であってもよい。
（２）上述した実施形態では、後輪ユニット２の左駆動輪２ａと右駆動輪２ｂとが独立して駆動可能な、いわゆるゼロターン型車両であったが、左駆動輪２ａと右駆動輪２ｂとが差動機構によって連結されている車両であってもよい。
（３）上述した実施形態では、作業車は完全電動式の作業車として構成されていたが、ハイブリッド方式を採用してもよい。

本発明は、左右の駆動輪を電動式で駆動する電動作業車に適用することができる。

１：前車輪ユニット
１ａ：左前車輪
１ｂ：右前車輪
２：後輪ユニット
２ａ：左駆動輪
２ｂ：右駆動輪
４：インバータ
５：コントローラ
５ａ：センサ情報処理部
５ｂ：操作入力処理部
６：モータ制御ユニット
９：手動操作入力デバイス群
１０：走行車体
１５：操縦操作ユニット
１５ａ：左操縦レバー
１５ｂ：右操縦レバー
２０：バッテリ
２１：左モータ
２２：右モータ
２３：走行駆動機構
４１：左輪給電部
４２：右輪給電部
５０：スリップ検出部
５１：演算ヨーレート算出部
５２：刈刃駆動制御部
６１：左輪速度演算部
６２：右輪速度演算部
６３：走行制御部
７０：ヨーレート検出器
７１：左回転検出センサ
７２：右回転検出センサ
７３：加速度センサ
５０１：第１スリップ判定部
５０２：第２スリップ判定部

Claims

操縦操作ユニットを備えた走行車体と、
前記走行車体を対地支持する左駆動輪に回転動力を供給する左モータと、
前記走行車体を対地支持する右駆動輪に回転動力を供給する右モータと、
前記操縦操作ユニットに対する操作に基づいて、前記左モータと前記右モータとに独立した駆動信号を与え、方向転換の際には前記左駆動輪と前記右駆動輪とに回転速度差を与えるモータ制御ユニットと、
前記走行車体の実ヨーレートを検出するヨーレート検出器と、
前記左モータから前記左駆動輪に供給される前記回転動力の回転数と前記右モータから前記右駆動輪に供給される前記回転動力の回転数とから演算ヨーレートを導出する演算ヨーレート算出部と、
前記演算ヨーレートと前記実ヨーレートとからスリップの発生を判定するスリップ検出部と、を備えた電動作業車。
前記スリップ検出部は、前記実ヨーレートと前記演算ヨーレートとの差を演算し、前記差が、上限しきい値以上の場合にスリップの発生を判定する請求項１に記載の電動作業車。
前記スリップ検出部は、前記実ヨーレートと前記演算ヨーレートとの差の符号に基づいて、スリップが発生している駆動輪を特定する請求項１または２に記載の電動作業車。
前記左駆動輪に供給される前記回転動力の回転数および前記右駆動輪に供給される前記回転動力の回転数の変化量に基づいて演算加速度を算出し、
前記実ヨーレートと前記演算ヨーレートとが下限しきい値以下の場合、前記走行車体の加速度を検出する加速度センサの検出結果と、前記演算加速度とを比較することにより前記左駆動輪及び前記右駆動輪にスリップが発生していることを判定する請求項１から３のいずれか一項に記載の電動作業車。
前記左駆動輪に供給される前記回転動力の回転数と前記右駆動輪に供給される前記回転動力の回転数とが同一であり、前記実ヨーレートが前記演算ヨーレートを超える場合に、斜面走行が判定される請求項１から４のいずれか一項に記載の電動作業車。