JP4123145B2

JP4123145B2 - 電動車輛の速度制御装置

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Publication number: JP4123145B2
Application number: JP2003402484A
Authority: JP
Inventors: 重理山口
Original assignee: Meidensha Corp
Current assignee: Meidensha Corp
Priority date: 2003-12-02
Filing date: 2003-12-02
Publication date: 2008-07-23
Anticipated expiration: 2023-12-02
Also published as: JP2005168152A

Description

本発明は、電動車輌の速度制御装置に関し、荷役操作等により、電動車輌が停止中にピッチングしても、ピッチング現象を迅速・確実に抑制することができるように工夫したものである。なお、荷役操作とは、例えば電動式フォークリフトにおいてフォークに積んだ荷物を昇降させて荷物を移載すること等をいう。

電動式フォークリフトや電気自動車等の電動車輌では、バッテリの直流電圧をインバータにより交流電圧に変換して交流電動機を駆動し、この交流電動機を駆動源として走行時の駆動力を得ている。この種の駆動電動機には誘導電動機が多用されており、誘導電動機の速度制御方式としてベクトル制御方式が採用されている（例えば特許文献１参照）。図６は、従来技術に係る、ベクトル制御方式を用いた電動車輌の速度制御装置を示すブロック図である。

図６に示すように、この速度制御装置は、速度指令制御部１００と、ベクトル制御部２００とモータ駆動指令制御部３００を主要構成としている。

この速度制御装置の制御動作を概説すると、次の通りとなる。即ち、速度指令制御部１００は、アクセル１０の踏込量に応じた（比例）した速度指令ω^＊を出力する。ベクトル制御部２００は、電動車輌の実際の速度（検出速度）ωを速度指令ω^＊にするための、二相のトルク電流指令Ｉｑ^＊と励磁電流指令Ｉ₁ｄ^＊を出力する。モータ駆動指令制御部３００は、電流指令Ｉｑ^＊，Ｉ₁ｄ^＊に応じた三相の電圧指令（モータ駆動指令）Ｖｕ^＊，Ｖｖ^＊，Ｖｗ^＊を出力する。

インバータ２０は、電圧指令（モータ駆動指令）Ｖｕ^＊，Ｖｖ^＊，Ｖｗ^＊に応じて、バッテリＢの直流電流を三相交流電流に変換して、走行用の誘導電動機３０に供給する。これにより、誘導電動機３０を駆動して、電動車輌を走行させる。この結果、アクセル１０の踏込量に応じた電動車輌の速度制御をすることができる。

なお、誘導電動機３０の回転速度は、回転数センサ（パルスピックアップ）４０により検出されており、回転数センサ４０からは回転速度を示すパルス信号Ｐが出力されており、このパルス信号Ｐを基に、電動車輛の実際の速度である検出速度ωが求められる。

次に、上述した速度制御装置の各制御部１００，２００，３００の詳細構成及び動作を説明する。

速度指令制御部１００は、アクセル入力処理部１０１と、クッション処理部１０２とトルク電流指令リミット処理部１０３を有している。

アクセル入力処理部１０１には、アクセル１０の踏込量に応じたアクセル電圧Ｖｉｎが入力される。そうすると、アクセル入力処理部１０１は、アクセル電圧Ｖｉｎに応じた速度指令ω^＊を出力する。
クッション処理部１０２は、アクセル１０が踏み込まれてから、一定時間遅れてから速度指令ω^＊を出力する。
トルク電流指令リミット処理部１０３は、検出速度ωに応じたトルク電流指令リミット値Ｉｑ−limを出力する。このトルク電流指令リミット値Ｉｑ−limの最大値はＩｑ０となっている。なお、ωｂは基底速度である。

ベクトル制御部２００は、ＰＩ（比例積分）演算部２０１と磁束指令部２０２とすべり演算部２０３と速度演算部２０４などを有している。

ＰＩ演算部２０１は、速度指令ω^＊と検出速度ωとの偏差である偏差速度Δωと、速度ＰＩゲインＫｐ，Ｋｉを基に、ＰＩ演算をすることによりトルク電流指令Ｉｑ^＊を求める。ただし、トルク電流指令Ｉｑ^＊の値は、トルク電流指令リミット値Ｉｑ−limを上限としてリミットされる。また、速度ＰＩゲインＫｐ，Ｋｉは、検出速度ωが基底速度ωｂを越えると、後述するように、乗算器２０５，２０６により所定倍される。

磁束指令部２０２は、検出速度ωに応じた磁束指令λ^＊を出力する。この磁束指令λ^＊の最大値はλｏとなっている。なお、ωｂは基底速度である。

磁束指令λ^＊は、励磁電流指令Ｉ_1d ^＊の応答性を高めるためゲインＧ倍される。そして、Ｍ（相互インダクタンス）変動補償テーブル２０７及び割算器２０８を経て、励磁電流指令Ｉ_1d ^＊が得られる。
また、磁束指令λ^＊は、一次遅れ部２０９を経て、磁束指令λ₁ ^＊となる。なお、τ₂ は二次時定数である。

乗算ゲイン演算器２１０は、固定値であるＩｄｏ（＝Ｍλｏ）を、Ｉｄ（＝Ｍλ₁ ^＊）で除算することにより、乗算ゲインを求め、この乗算ゲインは、乗算器２０５，２０６により速度ＰＩゲインＫｐ，Ｋｉに乗算される。なお、乗算ゲインは、検出速度ωが基底速度ωｂよりも小さいときには、λ₁ ^＊＝λｏとなるため、１となり、検出速度ωが基底速度ωｂよりも大きいときには、λ₁ ^＊＜λｏとなるため、１よりも大きくなる。

すべり演算部２０３は、励磁電流指令Ｉ₁ｄ^＊に対応した磁束指令λ₁ ^＊と、トルク電流指令Ｉｑ^＊から、滑り速度ωｓを求める。速度演算部２０４は、パルス信号Ｐから検出速度ωを求める。そして、滑り速度ωｓと検出速度ωを加えることにより、一次角速度ωｏが得られる。

モータ駆動指令制御部３００は、電流制御部３０１と座標変換部３０２，３０３と積分器３０４と速度推定部３０５などを有している。

電流制御部３０１は、励磁電流指令Ｉ₁ｄ^＊及びトルク電流指令Ｉｑ^＊に対してゲインＫｉｄ及びゲインＫｌｑを乗算した値と、励磁電流検出値Ｉ₁ｄ及びトルク電流検出値Ｉ₁ｑとの偏差、並びに、一次角速度ωｏを用いて、二相の励磁電圧指令Ｖｄ^＊及びトルク電圧指令Ｖｑ^＊を求める。二相の励磁電圧指令Ｖｄ^＊及びトルク電圧指令Ｖｑ^＊は、座標変換器３０３により、三相の電圧指令（モータ駆動指令）Ｖｕ^＊，Ｖｖ^＊，Ｖｗ^＊となる。
なお、励磁電流検出値Ｉ₁ｄ及びトルク電流検出値Ｉ₁ｑは、検出三相電流Ｉｕ，Ｉｗを座標変換器３０２にて座標変換することにより得られる。

積分器３０４は、一次角速度ωｏから座標変換に必要な位相角θ（ｄ軸と回転子のなす角）を求める。

速度推定部３０５は、励磁電圧指令Ｖｄ^＊，トルク電圧指令Ｖｑ^＊，検出三相電流Ｉｕ，Ｉｗを基に、誘導電動機３０の回転速度を推定する。回転数センサ４０を用いないときには、この速度推定部３０５にて推定した推定速度が、検出速度ωの代わりに使用される。

図６に示す速度制御装置において、アクセル１０の踏込量（操作量）が最大のときには、速度指令ω^＊も最大となり、誘導電動機３０の検出速度ωが指令速度指令ω^＊に一致するように、ＰＩ演算によりトルク電流指令Ｉｑ^＊が演算される。

アクセル１０の踏込量（操作量）が最大で速度指令ω^＊も最大となったときにおいて電動車輌を無負荷走行（荷物を積載しない状態で走行）させた場合や、アクセル１０の踏込量（操作量）を小さくして速度指令ω^＊を低速として走行させた場合には、誘導電動機３０のモータトルク特性は走行負荷トルクに対して十分余裕があるため、速度指令ω^＊と検出速度（実際の速度）ωは略一致して走行が行われる。

アクセル１０の踏込量（操作量）が最大で速度指令ω^＊も最大となったときにおいて電動車輌を負荷走行（荷物を積載した状態で走行）させた場合には、誘導電動機３０のモータトルク特性は走行負荷トルク特性と釣り合った点で走行することとなり、検出速度（実際の速度）ωが速度指令ω^＊よりも低くなった状態で走行が行われる。

また、電動車輛が停止しているときには、アクセル１０が踏み込まれていないため速度指令ω^*はゼロとなる。従来技術では速度指令ω^*がゼロになるとＰＩ演算部２０１では制御演算をやめ、つまり速度制御を遮断し、誘導電動機３０をフリー状態にしている。換言すると誘導電動機３０には電流供給がされず、外部から力が作用すると、外力により誘導電動機３０が比較的容易に回転する状態（フリー状態）になっている。

特開2000-308399 号公報

電動車輛が停止中に荷役操作（リフト上昇／下向、チルト前傾／後傾）した場合には、電動車輛の持つ固有振動により共振し電動車輛は上下・前後に揺れる（ピッチング動作をする）。このようにピッチングが発生すると、電動車輛全体としては停止しているにもかかわらず、誘導電動機（走行用モータ）３０のモータ回転軸がピッチングに応じて回転してしまう。つまり電動車輛の車輪が地面に設置している位置は一定でも、停止している車輪に対して電動車輛がピッチング（相対的に回転）するため、誘導電動機３０のモータ回転軸は電動車輛のピッチングに併せて回転（回動：つまり小さい回転角度で正逆回転）してしまうのである。

前述したように電動車輛の停止中には、誘導電動機３０はモータフリー状態になっているため、ピッチング現象は抑制されず振動（ピッチング）が継続してしまう。ピッチングが大きくなると、運転者は恐怖を感じるため、実際には慎重に荷役操作を行ってピッチングが大きくならないようにしているのが現状である。

本発明は、上記従来技術に鑑み、電動車輛が停止中に荷役操作をしても、ピッチング現象を迅速・確実に抑制することができる電動車輛の速度制御装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決する本発明の構成は、アクセルの踏込量に応じた速度指令と電動車輛の実際の速度である検出速度との偏差である偏差速度を比例積分演算してなる比例積分指令を基に、走行用の電動機の回転駆動を制御する電動車輛の走行制御装置であって、
アクセルの踏込量に応じた速度指令を発生するアクセル入力処理部と、
電動車輛の実際の速度である検出速度及び前記アクセル入力処理部にて発生した速度指令が、予め設定した設定速度以下のときに、予め決めたサンプリング期間毎に検出速度をサンプリングし、各サンプリング期間の最大検出速度と最小検出速度との差が予め決めたピッチング検出レベルよりも大きいときには、ピッチング現象が発生していると検出するピッチング検出部と、
前記ピッチング検出部がピッチング現象を検出していないときには、前記アクセル入力処理部にて発生した前記速度指令を出力する一方、前記ピッチング検出部がピッチング現象を検出したときには、前記アクセル入力処理部にて発生した前記速度指令の代わりに、値がゼロとなっている速度指令を出力する速度指令調整部と、
前記速度指令調整部から出力された速度指令と、電動車輛の実際の速度である検出速度との偏差である偏差速度を比例積分演算してなる比例積分指令を求めるとともに、前記ピッチング検出部がピッチング現象を検出しなくなった時点から設定時間経過したら比例積分演算を停止する比例積分演算部とを有することを特徴とする。

本発明の電動車輛の速度制御装置では、ピッチング現象を検出したときに、速度指令ω^*をゼロにした状態で、ＰＩ演算部によりトルク電流指令Ｉｑ^*を求めて電動機制御をするため、電動機ではピッチングを相殺する力が発生し、ピッチングを迅速・確実に抑制することができる。

以下に本発明の実施の形態を実施例に基づき説明する。なお、従来技術と同一機能を果たす部分には同一符号を付し、重複する部分の説明は簡略化する。

図１は、本発明の実施例に係る、ベクトル制御方式を用いた電動車輌の速度制御装置を示すブロック図である。

図１に示すように、この速度制御装置は、速度指令制御部１００Ａと、ベクトル制御部２００とモータ駆動指令制御部３００を主要構成としている。

ベクトル制御部２００、モータ駆動指令制御部３００や、アクセル１０，インバータ２０，走行用モータである誘導電動機３０，回転数センサ４０，バッテリＢは、図６に示す従来技術と同一の機能を有している。

即ち、ベクトル制御部２００は、電動車輌の実際の速度（検出速度）ωを速度指令ω^＊にするための、二相のトルク電流指令Ｉｑ^＊と励磁電流指令Ｉ₁ｄ^＊を出力する。モータ駆動指令制御部３００は、電流指令Ｉｑ^＊，Ｉ₁ｄ^＊に応じた三相の電圧指令（モータ駆動指令）Ｖｕ^＊，Ｖｖ^＊，Ｖｗ^＊を出力する。

そして、インバータ２０は、電圧指令（モータ駆動指令）Ｖｕ^＊，Ｖｖ^＊，Ｖｗ^＊に応じて、バッテリＢの直流電流を三相交流電流に変換して走行用の誘導電動機３０に供給する。これにより、誘導電動機３０を駆動して、電動車輌を走行させる。また、誘導電動機３０の回転速度は、回転数センサ（パルスピックアップ）４０により検出されており、回転数センサ４０からは回転速度を示すパルス信号Ｐが出力されており、このパルス信号Ｐを基に検出速度ωが求められる。

ベクトル制御部２００のＰＩ演算部（比例積分演算部）２０１は、速度指令ω^＊と検出速度ωとの偏差である偏差速度Δωと、速度ＰＩゲインＫｐ，Ｋｉを基に、ＰＩ演算をすることによりトルク電流指令（比例積分指令）Ｉｑ^＊を求める。このようなＰＩ演算部２０１の機能は従来技術と同じであるが、本実施例では、速度指令ω^*がゼロになっても、ＰＩ演算部２０１は上記のＰＩ演算を行うようになっている。つまり、詳細は後述するが、速度指令ω^*がゼロになっていても、偏差速度Δωをゼロとするようなトルク電流指令Ｉｑ^＊が求められて、電流指令Ｉｑ^＊，Ｉ₁ｄ^＊に応じた三相の電圧指令（モータ駆動指令）Ｖｕ^＊，Ｖｖ^＊，Ｖｗ^＊が出力されてインバータ２０から誘導電動機３０に電流供給が行われるようになっている。

速度指令制御部１００Ａは、アクセル入力処理部１０１と、クッション処理部１０２と、トルク電流指令リミット処理部１０３の他に、新たに、ピッチング検出部１０４と速度指令調整部１０５を有している。

このうち、アクセル入力処理部１０１と、クッション処理部１０２と、トルク電流指令リミット処理部１０３は、図６に示す従来技術と同様な機能を有している。

即ち、アクセル入力処理部１０１には、アクセル１０の踏込量に応じたアクセル電圧Ｖｉｎが入力される。そうすると、アクセル入力処理部１０１は、アクセル電圧Ｖｉｎに応じた速度指令ω^＊を出力する。
クッション処理部１０２は、アクセル１０が踏み込まれてから、一定時間遅れてから速度指令ω^＊を出力する。
トルク電流指令リミット処理部１０３は、検出速度ωに応じたトルク電流指令リミット値Ｉｑ−limを出力する。このトルク電流指令リミット値Ｉｑ−limの最大値はＩｑ０となっている。なお、ωｂは基底速度である。

ピッチング検出部１０４は、アクセル入力処理部１０１から出力されてクッション処理部１０２を通ってきた速度指令ω^＊と、検出速度（実際の速度）ωを基に、図２のフローチャートで示す処理をすることにより、ピッチングの発生を検出する。

まず、速度指令ω^＊及び検出速度ωが、共に設定速度（例えば１０Ｋｍ／ｈ）以下であることを条件（図２のステップ１）に、ピッチング検出動作を開始する。

ピッチング検出動作は予め決めたサンプリング期間毎（例えば１秒毎）に連続して行う。つまり、先行するサンプリング期間（例えば１秒間）でピッチング検出動作を行うと共に、このサンプリング期間の直後の後行するサンプリング期間（例えば１秒間）においてもピッチング検出動作を行う。このピッチング検出動作では、まず、１秒間の各サンプリング期間において連続して検出速度ωをサンプリングし、このサンプリング期間中における最大検出速度ωｍａｘと最小検出速度ωｍｉｎを抽出する（ステップ２）。そして、最大検出速度ωｍａｘと最小検出速度ωｍｉｎとの差が、予め決めたピッチング検出レベルよりも大きいときには（ステップ３）、ピッチングが発生したと判定する（ステップ４）。

ピッチングが発生したと判定したら、ピッチング検出信号αを速度指令調整部１０５及びＰＩ演算部２０１に向けて出力する。ピッチング検出信号αは、各サンプリング期間においてピッチングを検出する毎に出力される。

また、サンプリング期間は例えば１秒間としているが、この期間は、各種の電動車輌をピッチング走行させたときの振動周波数より決定した。このサンプリング期間は、速度の山（速度が上昇した後に下降する部分）が少なくとも２つ存在し、かつ、速度の谷（速度が下降した後に上昇する部分）が少なくとも２つ存在することを条件として決定したものである。

速度指令調整部１０５は、ピッチング検出信号αが入力されていないときには、アクセル出力処理部１０１から出力された速度指令ω^＊をそのまま通過させて、ベクトル制御部２００に送る。

一方、ピッチング検出信号αが入力されたときには、速度指令調整部１０５は、アクセル出力処理部１０１から出力された速度指令ω^＊をそのまま通過させることなく、値がゼロとなっている速度指令ω^＊を、ベクトル制御部２００に送る（図３のステップ１１，１２参照）。

ＰＩ演算部２０１は、ピッチング検出信号αが入力されると、速度指令ω^＊の値がゼロであっても、入力時点から予め設定した時間（例えば１０秒）は、継続してＰＩ演算を継続する。したがって、ピッチング検出信号αが次々と入力されてきた場合には、一番最後にピッチング検出信号αが入力された時点から予め設定した時間まで、ＰＩ演算をしてトルク電流指令Ｉｑ^*を継続して出力する。一番最後にピッチング検出信号αが入力された時点から予め設定した時間が経過した後は、ＰＩ演算部２０１は、ＰＩ演算を停止し、ＰＩ制御が遮断され（図３のステップ１３）、誘導電動機３０はフリー状態となる。

したがって、電動車輛が停止し荷役操作等をして電動車輛がピッチングした場合には、電動車輛は全体としては停止しているにもかかわらず誘導電動機３０の回転軸が回転（回動）するため、指令速度ω^*（＝ゼロ）と検出速度ωとの偏差である偏差速度Δωがある値となり、この偏差速度ΔωをＰＩ演算してなるトルク電流指令Ｉｑ^*がＰＩ演算部２０１から出力される。

この結果、ベクトル制御部２００からは、ピッチングに起因する検出速度ωを速度指令ω^*（＝ゼロ）にするための、二相のトルク電流指令Ｉｑ^＊と励磁電流指令Ｉ₁ｄ^＊が出力される。モータ駆動指令制御部３００は、電流指令Ｉｑ^＊，Ｉ₁ｄ^＊に応じた三相の電圧指令（モータ駆動指令）Ｖｕ^＊，Ｖｖ^＊，Ｖｗ^＊を出力する。このため、誘導電動機３０は、ピッチングによりモータ回転軸が回転するのを阻止するようなモータ駆動力を発生する。このため、ピッチング現象が迅速かつ確実に抑制される。

図４は、本実施例を適用した電動式フォークリフトにおいて、フォークに積載した１トンの荷物を高さ２ｍの位置から３０ｃｍ降下させて停止させたときにおける、検出速度ωとトルク電流指令Ｉｑ^*の特性を示している。同図に示すように、ピッチング検出をするとピッチングを抑制するようなトルク電流指令Ｉｑ^*が出力されるため、ピッチングに起因する検出速度ωが短時間で抑制されてゼロになる。

図５は、従来の電動式フォークリフトにおいて、フォークに積載した１トンの荷物を高さ２ｍの位置から３０ｃｍ降下させて停止させたときにおける、検出速度ωとトルク電流指令Ｉｑ^*の特性を示している。図５から分かるように、従来ではピッチングに起因する検出速度ωが長時間にわたり発生していた。

本発明は、電動式フォークリフトや電気自動車等の電動車輛に利用することがでる。

本発明の実施例に係る電動車輛の速度制御装置を示すブロック構成図である。ピッチング検出動作を示すフローチャートである。ピッチング抑制制御を示すフローチャートである。ピッチング抑制制御をしたときの検出速度とトルク電流指令との関係を示す特性図である。ピッチング抑制制御をしないときの検出速度とトルク電流指令との関係を示す特性図である。従来技術に係る電動車輛の速度制御装置を示すブロック構成図である。

符号の説明

１０アクセル
２０インバータ
３０誘導電動機
４０回転数センサ
１００，１００Ａ速度指令制御部
１０１アクセル入力処理部
１０２クッション処理部
１０３トルク電流指令リミット処理部
１０４ピッチング検出部
１０５速度指令調整部
２００ベクトル制御部
２０１ＰＩ演算部
３００モータ駆動指令制御部
Ｂバッテリ

Claims

アクセルの踏込量に応じた速度指令と電動車輛の実際の速度である検出速度との偏差である偏差速度を比例積分演算してなる比例積分指令を基に、走行用の電動機の回転駆動を制御する電動車輛の走行制御装置であって、
アクセルの踏込量に応じた速度指令を発生するアクセル入力処理部と、
電動車輛の実際の速度である検出速度及び前記アクセル入力処理部にて発生した速度指令が、予め設定した設定速度以下のときに、予め決めたサンプリング期間毎に検出速度をサンプリングし、各サンプリング期間の最大検出速度と最小検出速度との差が予め決めたピッチング検出レベルよりも大きいときには、ピッチング現象が発生していると検出するピッチング検出部と、
前記ピッチング検出部がピッチング現象を検出していないときには、前記アクセル入力処理部にて発生した前記速度指令を出力する一方、前記ピッチング検出部がピッチング現象を検出したときには、前記アクセル入力処理部にて発生した前記速度指令の代わりに、値がゼロとなっている速度指令を出力する速度指令調整部と、
前記速度指令調整部から出力された速度指令と、電動車輛の実際の速度である検出速度との偏差である偏差速度を比例積分演算してなる比例積分指令を求めるとともに、前記ピッチング検出部がピッチング現象を検出しなくなった時点から設定時間経過したら比例積分演算を停止する比例積分演算部とを有することを特徴とする電動車輛の走行制御装置。