JP6820801B2 - 作業車両 - Google Patents

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Description

本発明は、駆動輪を駆動させる走行モータユニットに供給する電流を、インバータ回路を用いて調節する人為操作具を備えた作業車両に関する。
特許文献1には、運転者が左右一対の操縦レバーを操作することにより、左右の車輪用モータの回転数が調節され、電動芝刈機が直進及び旋回することが開示されている。操縦角検出センサによって検出された操縦レバーの操作量に基づいて、速度演算部は、車輪の回転速度値、つまり、モータの回転速度値を求める。速度演算部によって求められたモータの回転速度値がインバータに与えられると、この回転速度値を実現するために必要な電力が生成され、モータに送られる。
駆動源がバッテリである作業車両の場合、バッテリ切れや、モータ温度の異常上昇などのトラブルは、事前に回避しなければ、作業途中で作業車両が停止してしまう不都合が生じる。従来から、芝刈機のような作業車両には、運転者がチェックしなければならないトラブル情報を報知する機能が備えられている。例えば、特許文献2による芝刈機には、フラットパネルディスプレイが備えられており、ここに、バッテリチャージ、パーキングブレーキ、ヘッドランプ、PTOクラッチ、冷却水温、燃料残量などの状態がLEDで表示される。例えば、燃料残量が低下すれば、燃料残量警告が表示される。
特許文献3には、複数のインバータ部と、複数の電源リレーと、制御部とを備えた電動パワーステアリング装置が開示されている。制御部は、第1系統に故障が生じていると判断された後、モータの出力トルクに振動が生じるように、正常系統である第2系統の第2インバータ部を制御し、出力トルクを徐々に増加変化させる。これにより、第2系統によるモータの駆動を継続しつつ、装置に故障が生じていることを運転者に感知させる。
特開2016−198056号公報 特開2013−253510号公報 特開2013−251936号公報
特許文献1に示すような作業車両において、車両トラブルが生じた場合、特許文献2の作業車両のように、LEDやランプで車両トラブルを警告することは周知である。また、ブザーで警告することや、音声で警告報知することも知られている。しかしながら、芝刈機などの作業車両では、警告音や警告音声は作業音にかき消される可能性がある。また、LEDやランプなどによる視覚的な警告は、作業状態などを注視している運転者には、見落とされる可能性がある。このため、特許文献3に示されたような警告システムを導入することが考えられる。しかしながら、この警告システムでは、インバータの制御系において加振信号を付加するので、インバータ制御系を変更する必要がある。一般的に、インバータ制御系は、インバータ駆動モジュールとして、ユニット化されているので、そのような変更は、コスト負担が大きい。
上述した実情に鑑み、本発明の目的は、冒頭部に述べた作業車両に適用可能で、インバータ制御系を変更することなく、運転者の聞き逃しや見落としの問題を解消し、車両トラブルを体感で運転者に認識させることである。
本発明による作業車両は、駆動輪に回転力を供給する走行モータユニットと、インバータ駆動信号に基づいて前記走行モータユニットに電流を供給するインバータ回路と、前記走行モータユニットの回転力を調節する人為操作具と、前記人為操作具の操作量を検出して操作検出信号を出力する操作量検出センサと、前記操作検出信号に基づいて前記インバータ回路への制御目標信号を生成する目標信号生成部と、前記制御目標信号に基づいて前記インバータ駆動信号を生成して前記インバータ回路に出力するインバータ駆動信号生成部と、車両状態を検出して状態検出信号を出力する車両状態検出部と、前記状態検出信号に基づいて車両トラブルを検知するトラブル検知部と、前記トラブル判定部が前記車両トラブルを検知した場合、前記制御目標信号に対して、脈動信号を重畳する信号重畳部と、前記脈動信号の振幅及び周期を調節する脈動調節部と、作業装置として駆動刈刃を有するモーアユニットとを備え、前記脈動調節部は、前記人為操作具の操作量が大きくなると、前記脈動信号の振幅が大きくなるように、前記脈動信号を調節し、前記脈動調節部は、前記モーアユニットの駆動時には、前記人為操作具の操作量に応じて調整された前記脈動信号の前記制御目標信号に対する割合を高くする。
なお、本願発明で用いられている「脈動信号」は、基準となる信号の少なくとも一部に重畳することで、当該信号上に凸状部分または凹状部分あるいは凹凸を作り出す広義な意味で用いられている。そのような脈動信号の形状として、三角関数波、のこぎり波、矩形波などが含まれ、その周期性は一定でもよいし、不定でもよい。
この構成では、トラブル検知部によって検知された車両トラブルを運転者に感知させるために、運転者による人為操作具に対する操作に基づく車両挙動が通常時と異なったもの違ったものとなる。より具体的には、警告すべき車両トラブルが検知されると、人為操作具による操作量に応じて出力される操作検出信号から生成される制御目標信号に脈動信号が重畳される。これにより、インバータ回路の制御目標値となる制御目標信号が脈打っているため、インバータ回路から出力されるインバータ駆動信号も脈打つことになる。その結果、モータの回転に脈動が発生し、車両挙動に通常の操作時にはない不自然さが生じる。これにより、運転者は、何らかの車両トラブルが発生していることを感知する。人為操作具の操作に基づく制御目標信号に脈動信号を重畳して、インバータ回路に与えるという構成であるので、インバータ回路にはなんら手を加える必要がない。つまり、直接インバータ制御系を変更することなく、運転者の聞き逃しや見落としの問題を解消し、体感で警告を認識させる車両トラブル警告技術が実現する。
本発明では、前記脈動信号の振幅及び周期を調節する脈動調節部が備えられている。この構成によれば、運転者が、脈動信号を重畳することによる車両の不自然な挙動を感知しにくい状況下、例えば、作業振動が大きな作業の実施中や凸凹路面の走行中などにおいても、運転者が違和感を確実に感知できるように、脈動信号の振幅や周期を適切に調節することで、運転者に車両トラブルの警告を確実に認識させることができる。
人為操作具の操作量が大きくなって、車速が速くなれば、車両振動も増加するので、運転者は脈動信号の重畳による車両挙動を体感しづらくなる。このため、本発明では、前記脈動調節部は、前記人為操作具の操作量が大きくなると、前記脈動信号の振幅を大きくする。
駆動刈刃を有するモーアユニットを備え、走行しながら刈刃を駆動することで草刈を行う草刈機がある。このような草刈機の場合、刈刃の駆動している作業走行時では、運転者は、刈刃が駆動していない非作業走行時に比べて大きな振動や騒音を受ける。このため、作業走行時では非作業走行時に比べて、車両トラブル発生時に重畳される脈動信号は、車両挙動の不自然さがより目立たせるようなものであることが好ましい。つまり、作業走行時では非作業走行時に比べて、重畳される脈動信号をより効果的なものにすることが好適である。このため、本発明では、作業装置として駆動刈刃を有するモーアユニットが備えられており、前記脈動調節部は、前記モーアユニットの駆動または非駆動に応じて前記振幅または前記周期あるいはその両方を調節するように構成されている。
電動作業車両の場合、バッテリ切れやモータのオーバヒートは、車両の突然停止を伴うので、そのような事態になる前に運転者に警告すること必要である。このため、本発明の好適な実施形態の1つでは、前記車両トラブルには、バッテリ残量低下及びモータ温度上昇が含まれており、前記バッテリ残量低下及び前記モータ温度上昇の度合が高いほど、前記脈動調節部は、前記振幅を大きくする。これにより、バッテリ切れやモータのオーバヒートによる車両の突然停止は、回避される可能性が高くなる。
本発明の好適な実施形態の1つでは、前記走行モータユニットには、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が含まれており、かつ、前記人為操作具には、前記左モータの回転力を調節する左操縦レバーと前記右モータの回転力を調節する右操縦レバーとが含まれている。この構成の作業車両では、車両トラブル発生時には、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の両方に脈動が生じさせることで、車両挙動の不自然さを作りだし、運転者が車両トラブル発生に気づく可能性を高める。もちろん、左モータと右モータのどちらか一方だけに、つまり左操縦レバーと右操縦レバーとのどちらか一方による制御目標信号にだけ、脈動信号を重畳するような構成を採用してもよい。
作業車両の実施形態の1つである草刈機の側面図である。 草刈機の電気系統及び動力系統を示す系統図である。 車両トラブルを運転者に気づかせる警告制御の基本的な流れを示す説明図である。 草刈機の制御系の機能ブロック図である。
次に、図面を用いて、本発明による作業車両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、作業車両は、モーアユニット3を車体10に装備している乗用電動草刈機(以下、単に草刈機と称する)である。図1は、草刈機の側面図である。図2は、草刈機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、左後車輪(左側の駆動輪)2aと右後車輪(右側の駆動輪)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車体10、車体10の後部に配置されたバッテリ20、バッテリ20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、を備えている。モーアユニット3は、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から吊り下げられている。
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とからなる人為操作具15が設けられている。
図2に示すように、左後車輪2aと右後車輪2bとに回転力を供給する走行モータユニットを構成する左モータ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駆動モジュール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、左後車輪2aと右後車輪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機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と左後車輪2aとの間及び右モータ22と右後車輪2bとの間の動力伝達を行うために、それぞれ走行用の駆動機構23が設けられている。左モータ21と右モータ22とがインホイールモータである場合、駆動機構23を省略することが可能である。
この実施形態では、モーアユニット3は、図2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用の駆動機構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。
刈刃30を回転させながら草刈機を走行させることで刈刃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する風とバッフルプレートとによってモーアデッキ3aの内部を排出口の位置する横一端側に搬送されて、横一端側に設けられた排出口からモーアデッキ3aの横外側に放出される。
図2に示すように、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への給電は、インバータ駆動モジュール4によって行われる。このため、インバータ駆動モジュール4は、バッテリ20に接続されている。なお、この実施形態では、刈刃モータ32への給電もインバータ駆動モジュール4によって行われる。
インバータ駆動モジュール4は、入力信号処理ユニット5からの制御目標信号に基づいて、左モータ21と右モータ22とに駆動電流を出力する。制御目標信号を生成するために、インバータ駆動モジュール4には、左操縦レバー15aの揺動角を検出する左操縦角検出センサ(操作量検出センサ80の一例)80aからの操作検出信号、及び、右操縦レバー15bの揺動角を検出する右操縦角検出センサ(操作量検出センサの1つ)80bからの操作検出信号が入力する。さらに、インバータ駆動モジュール4には、左モータ21及び右モータ22のモータ温度を検出する温度検出部71やバッテリ残量を検出するバッテリ残量検出部72などの車両状態検出部7からの状態検出信号が入力する。
この草刈機は、車両状態検出部7からの状態検出信号に基づいて検知された車両トラブルを運転者に知らせるために、所定の車両トラブルの発生時には、人為操作具15である左操縦レバー15a及び右操縦レバー15bを操作することによって現出する車両挙動(草刈機の動き)が通常時とは異なるものとなる。例えば、異なる車両挙動の一例は、草刈機の走行に脈動が生じて、ぎくしゃくしたものとなることである。このような違和感のある車両挙動を体感することで、運転者は、両トラブルを認識する。
このような、運転者に車両トラブルを体感によって認識させる制御の基本的な流れが、図3に示されている。図3を用いて、車両トラブルの体感認識の流れを概略的に説明する。
この草刈機では、人為操作具15の操作量に基づいて、左モータ21と右モータ22からなる走行モータユニットの回転力が調整される。操作量検出センサ80(図4で示された実施形態に図では、左右一対の操作量検出センサ80a、80bとして示されている)は、人為操作具15の操作量を検出して得られた操作検出信号を、入力信号処理ユニット5に与える。入力信号処理ユニット5は、操作検出信号に基づいて、左モータ21と右モータ22とに対する制御目標信号を生成して、インバータ駆動モジュール4に与える。インバータ駆動モジュール4は、入力された制御目標信号に基づいて、インバータを制御して駆動電流を左モータ21と右モータ22とに供給し、左モータ21と右モータ22とを駆動する。
草刈機で発生する車両トラブルは、車両状態検出部7から出力された状態検出信号に基づいて、入力信号処理ユニット5が検知する。入力信号処理ユニット5は、車両トラブルを検知すると、脈動信号を生成し、この脈動信号を、操作検出信号に基づいて生成されている制御目標信号に重畳する。これにより、インバータ駆動モジュール4は、脈動信号が重畳されている制御目標信号を入力信号として、インバータ制御を行い、インバータ出力された駆動電流を左モータ21と右モータ22とに供給する。この駆動電流には、脈動信号成分が含まれている。したがって、この駆動電流で駆動された左モータ21と右モータ22との回転には、つまり、左後車輪2aと右後車輪2bの回転には、脈動信号成分が含まれることになり、草刈機の動きがぎこちなくなる。運転者は、このような不自然な草刈機の動きを体感して、車両トラブルが発生していることを認識する。
次に、この草刈機の制御系に構築されている機能部を説明する。図4の機能ブロック図は、図3を用いて説明した車両トラブル時制御を実現する制御系の一例を示している。
この制御系は、入力信号処理ユニット5とインバータ駆動モジュール4とからなる。入力信号処理ユニット5は、センサやスイッチからの検出信号を処理し、所定の信号フォーマットに変換し、インバータ駆動モジュール4に与える。
入力信号処理ユニット5は、左操縦レバー15aの操作量を検出して、操作検出信号を出力する操作量検出センサ80a、及び、右操縦レバー15bの操作量を検出して、操作検出信号を出力する操作量検出センサ80bと接続している。さらに、入力信号処理ユニット5は、車両状態検出部7や刈刃SW73と接続している。車両状態検出部7には、左モータ21及び右モータ22のモータ温度を検出して、状態検出信号として出力する温度検出部71と、バッテリ20の残り充電量であるバッテリ残量を検出して、状態検出信号として出力するバッテリ残量検出部72とが含まれている。刈刃SW73は、刈刃モータ32の駆動のONとOFFとを切り替えるスイッチである。
入力信号処理ユニット5には、目標信号生成部51、刈刃駆動指令生成部52、トラブル検知部53、脈動発生部54、脈動調節部55、信号重畳部56が備えられている。目標信号生成部51は、操作量検出センサ80a、80bからの操作検出信号に基づいてインバータ駆動モジュール4に与える制御目標信号を生成する。刈刃駆動指令生成部52は、刈刃SW73からのON・OFF信号に基づいて、インバータ駆動モジュール4に与える刈刃駆動指令(回転指令・停止指令)を生成する。
トラブル検知部53は、車両状態検出部7からの状態検出信号に基づいて、バッテリ残量低下やモータ温度上昇などの車両トラブルを検知する。脈動発生部54は、脈動信号を発生させる。この実施形態では、脈動信号は、振幅が時間経過とともに増大する三角関数波であり、A(t)×sin(ωt)で表すことができる。もちろん、振幅は一定であってもよいし、周期を時間経過とともに変化してもよい。脈動調節部55は、脈動発生部54から与えられる基本的な脈動信号を調整し、信号重畳部56によって利用できるようなフォーマットに変換する。また、トラブル検知部53によって検知された車両トラブルの種類によって脈動信号の形態が異なるように、脈動調節部55が脈動信号を調整することも可能である。例えば、脈動調節部55は、バッテリ残量低下やモータ温度上昇などの車両トラブルの発生時には、バッテリ残量低下及びモータ温度上昇の度合が高いほど、振幅を大きくすることができる。
さらに、脈動調節部55は、左操縦レバー15a及び右操縦レバー15bの操作量が大きくなると、脈動信号の振幅を大きくするように、脈動信号を調整することができる。また、脈動調節部55は、モーアユニット3の駆動(刈刃SW73のON操作)または非駆動(刈刃SW73のOFF操作)に応じて、振幅や周期を調節することができる。実用的には、モーアユニット3の駆動時には、モーアユニット3で発生した振動が車体10に伝わるので、制御目標信号に対する脈動信号の割合を高くすることが好ましい。なお、脈動発生部54から出力された脈動信号をそのまま信号重畳部56が利用する場合には、脈動調節部55は、省略される。
トラブル検知部53によって車両トラブルが検知され、当該車両トラブル発生情報が出力されると、信号重畳部56は、目標信号生成部51から出力された制御目標信号に、脈動信号を重畳する。これにより、車両トラブルの発生時には、制御目標信号として、脈動信号が重畳された制御目標信号がインバータ駆動モジュール4に入力する。
インバータ駆動モジュール4には、インバータ駆動信号生成部41と、インバータ回路42が含まれている。インバータ駆動信号生成部41は、入力信号処理ユニット5から送られてくる制御目標信号に基づいて、インバータ回路42を駆動するためのインバータ駆動信号を生成する。制御目標信号に脈動信号が重畳されている場合には、インバータ駆動信号にも脈動信号成分が含まれることになる。インバータ回路42は、インバータ駆動信号に基づいて、インバータ動作を行い、駆動電流を作り出す。なお、制御目標信号、インバータ駆動信号は、左モータ21用の信号と右モータ22用の信号とが互いに独立して取り扱われ、それぞれの駆動電流が左モータ21及び右モータ22に供給される。これにより、左後車輪2aと右後車輪2bが、左操縦レバー15a及び右操縦レバー15bの操作量に対応するように、回転する。なお、インバータ駆動モジュール4による左モータ21及び右モータ22の駆動制御としては、速度制御またはトルク制御、あるいはその両方を採用することができる。
刈刃駆動指令生成部52からの刈刃駆動指令もインバータ駆動モジュール4に与えられる。インバータ駆動信号生成部41は、刈刃駆動指令に応答してインバータ駆動信号を生成し、インバータ回路42を動作させる。インバータ回路42で作り出された駆動電流が刈刃モータ32に供給され、刈刃モータ32が回転する。なお、車両トラブル発生時には、刈刃モータ32のためのインバータ駆動信号に、脈動信号を重畳させる構成を採用することも可能である。
〔別実施の形態〕(1)上述した実施形態では、車両トラブル発生時に脈動信号が重畳される走行モータユニットとして、左後車輪2aを駆動する左モータ21及び右後車輪2bを駆動する右モータ22が備えられていた。この構成に代えて、走行モータユニットを単一のモータで構成し、当該モータの出力ラインを左右に分岐し、そのそれぞれに無段変速装置を有する駆動機構23を配置してもよい。この構成では、各無段変速装置の変速位置は左操縦レバー15a及び右操縦レバー15bで調節されることで、草刈機は操縦される。
(2)上述した実施形態では、駆動輪ユニット2の左後車輪2aと右後車輪2bとが独立して駆動可能な、いわゆるゼロターン型作業車両であったが、左後車輪2aと右後車輪2bとが差動機構によって連結されている作業車両であってもよい。この場合でも、走行モータユニットは単一のモータで構成され、操作検出信号や制御目標信号も単一となる。その場合、一般的には、人為操作具15としてステアリングホイールが用いられる。
(3)図3や図4で示された機能ブロック図における各機能部の区分けは、説明を分かりやすくするための一例であり、種々の機能部を統合したり、単一の機能部を複数に分割したりすることは自由である。
(4)上述した実施形態では、作業車両は、モーアユニット3を前車輪と後車輪との間に配置するミッドマウント型の草刈機であったが、モーアユニット3を前車輪の前方に配置するフロントモーア型の草刈機であってもよい。さらには、トラクタ、コンバイン、田植機などの農作業機や建機などにも本発明は適用可能である。
なお、上記実施形態(別実施形態を含む、以下同じ)で開示される構成は、矛盾が生じない限り、他の実施形態で開示される構成と組み合わせて適用することが可能であり、また、本明細書において開示された実施形態は例示であって、本発明の実施形態はこれに限定されず、本発明の目的を逸脱しない範囲内で適宜改変することが可能である。
本発明は、駆動輪に回転力を供給する走行モータユニットに供給する電流を、インバータ回路を用いて調節する作業車両に適用可能である。
1 :前車輪ユニット
15 :人為操作具
15a :左操縦レバー
15b :右操縦レバー
2 :駆動輪ユニット(駆動輪)
2a :左後車輪(駆動輪)
2b :右後車輪(駆動輪)
20 :バッテリ
21 :左モータ(走行モータユニット)
22 :右モータ(走行モータユニット)
4 :インバータ駆動モジュール
41 :インバータ駆動信号生成部
42 :インバータ回路
5 :入力信号処理ユニット
51 :目標信号生成部
52 :刈刃駆動指令生成部
53 :トラブル検知部
54 :脈動発生部
55 :脈動調節部
56 :信号重畳部
7 :車両状態検出部
71 :温度検出部
72 :バッテリ残量検出部
80a :操作量検出センサ
80b :操作量検出センサ

Claims (3)

  1. 駆動輪に回転力を供給する走行モータユニットと、
    インバータ駆動信号に基づいて前記走行モータユニットに電流を供給するインバータ回路と、
    前記走行モータユニットの回転力を調節する人為操作具と、
    前記人為操作具の操作量を検出して操作検出信号を出力する操作量検出センサと、
    前記操作検出信号に基づいて前記インバータ回路への制御目標信号を生成する目標信号生成部と、
    前記制御目標信号に基づいて前記インバータ駆動信号を生成して前記インバータ回路に出力するインバータ駆動信号生成部と、
    車両状態を検出して状態検出信号を出力する車両状態検出部と、
    前記状態検出信号に基づいて車両トラブルを検知するトラブル検知部と、
    前記トラブル検知部が前記車両トラブルを検知した場合、前記制御目標信号に対して、脈動信号を重畳する信号重畳部と、
    前記脈動信号の振幅及び周期を調節する脈動調節部と、
    作業装置として駆動刈刃を有するモーアユニットとを備え、
    前記脈動調節部は、前記人為操作具の操作量が大きくなると、前記脈動信号の振幅が大きくなるように、前記脈動信号を調節し、
    前記脈動調節部は、前記モーアユニットの駆動時には、前記人為操作具の操作量に応じて調整された前記脈動信号の前記制御目標信号に対する割合を高くする作業車両。
  2. 前記車両トラブルには、バッテリ残量低下及びモータ温度上昇が含まれており、前記バッテリ残量低下及び前記モータ温度上昇の度合が高いほど、前記脈動調節部は、前記振幅を大きくする請求項に記載の作業車両。
  3. 前記走行モータユニットには、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が含まれており、かつ、
    前記人為操作具には、前記左モータの回転力を調節する左操縦レバーと前記右モータの回転力を調節する右操縦レバーとが含まれている請求項1または2に記載の作業車両。
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