JP2015066966A - Control method for inverted pendulum type moving body - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、倒立型移動体の制御方法に関し、特にバッテリの電力を利用してモータを制御する技術に関する。 The present invention relates to an inverted moving body control method, and more particularly to a technique for controlling a motor by using battery power.
特許文献1に開示されるように、人間を運ぶための倒立型移動体が開示されている。このような倒立型移動体は、バッテリを搭載し、バッテリから供給される電力を利用してモータを駆動することで車輪を回転させて移動する。
As disclosed in
本願出願人は、上述したように、バッテリを搭載し、バッテリの電力を利用して移動する倒立型移動体において、以下に説明する課題を見出した。以下、その課題について説明する。なお、以下に説明する内容は、本願出願人が新たに検討した内容であって、従来技術を説明するものではない。 As described above, the applicant of the present application has found a problem described below in an inverted mobile body that is equipped with a battery and moves using the power of the battery. The problem will be described below. In addition, the content demonstrated below is the content which the applicant of this application examined newly, and does not demonstrate a prior art.
本願出願人は、バッテリを搭載し、バッテリの電力を利用してモータを駆動することで移動する倒立型移動体の小型化・軽量化を実現するための手法として、バッテリを小型化(例えばセルの直列数又は並列数を減らす)することを検討した。しかしながら、バッテリを小型化すると、その分だけバッテリの出力性能も低下することになる。 The applicant of the present application has reduced the size of the battery (for example, a cell) as a technique for realizing a reduction in size and weight of an inverted moving body that is mounted with a battery and moves by driving a motor using the power of the battery. To reduce the number of serial or parallel). However, if the battery is downsized, the output performance of the battery will be reduced accordingly.
ここで、バッテリの出力性能は、バッテリの温度、残量、及び劣化度等の利用条件によって低下してしまうという問題がある。これは、大型のバッテリを搭載して電力的に十分な余力を持って制御を行う倒立型移動体では問題とならないが、小型化・軽量化を実現するために、バッテリを小型化して電気的に十分な余力を持っていない倒立型移動体では問題となる。 Here, there is a problem that the output performance of the battery is deteriorated depending on usage conditions such as the temperature, the remaining amount, and the deterioration degree of the battery. This is not a problem for an inverted moving body that has a large battery and controls with sufficient power, but to make it smaller and lighter, the battery can be made smaller and electrically This is a problem for an inverted mobile body that does not have sufficient capacity.
まず、バッテリを小型化した場合には電気的に十分な余力を持っていないため、利用条件の変動によってバッテリの出力性能が低下してしまうと、図12に示すように、モータの出力可能領域も減少してしまう。その理由は、バッテリには内部抵抗が存在し、より大きなモータ出力でモータを駆動しようとしてバッテリから電流をたくさん引けば引くほど、バッテリの出力電圧が低下してしまうという側面があるからである。すなわち、利用条件の変動によってバッテリの出力性能(出力電圧)が低下した状態でモータ出力を大きくしてしまうと、それにより大きい電流が引かれることでバッテリの出力電圧は非常に低いレベルまで低下してしまう。その結果、モータの駆動を制御するECUにその動作に必要な電圧が供給されなくなり、ECUが動作停止(システム停止)してしまうという問題がある。 First, when the battery is downsized, the battery does not have sufficient electrical capacity. Therefore, if the output performance of the battery decreases due to fluctuations in usage conditions, as shown in FIG. Will also decrease. The reason is that the battery has an internal resistance, and the more the current is drawn from the battery to drive the motor with a larger motor output, the lower the output voltage of the battery is. In other words, if the motor output is increased while the output performance (output voltage) of the battery is reduced due to fluctuations in usage conditions, the output voltage of the battery will drop to a very low level by drawing a larger current. End up. As a result, there is a problem that the voltage required for the operation is not supplied to the ECU that controls the driving of the motor, and the ECU stops operating (system stops).
このような問題を解決するための手法として、出力可能領域の変化に応じて、モータの動作点が出力可能領域に収まるようにモータ出力を制限する手法が考えられる。しかし、この手法をとると次に説明する問題が発生する。 As a method for solving such a problem, a method of limiting the motor output so that the operating point of the motor falls within the output possible region according to the change of the output possible region is conceivable. However, if this method is adopted, the following problem occurs.
まず、ECUの動作停止の回避は、力行領域において、モータの動作点が出力可能領域に収まるようにモータ出力を制限することで達成することができる。一方で、回生領域においては、原則、外力によってモータの動作点が変化することになるため、ECUの動作停止を回避するためにモータ出力を制限することは不要である。しかしながら、モータの動作点がモータの本来の性能でとり得る領域内となるようにモータ出力を与えて制御することは必要である。すなわち、力行領域ではバッテリの出力性能に応じて動作点がとる領域を制限する必要がある。また、バッテリ充電性能もしくは回生抵抗による放電性能等、倒立型移動体に搭載された回生電力の消費特性に応じて動作点がとる領域を制限する必要がある。 First, avoiding the stop of the operation of the ECU can be achieved by limiting the motor output so that the operating point of the motor falls within the output possible region in the power running region. On the other hand, in the regenerative region, since the operating point of the motor changes in principle due to external force, it is not necessary to limit the motor output in order to avoid stopping the operation of the ECU. However, it is necessary to provide and control the motor output so that the operating point of the motor is within the range that can be taken by the original performance of the motor. That is, in the power running region, it is necessary to limit the region taken by the operating point according to the output performance of the battery. In addition, it is necessary to limit the region taken by the operating point according to the consumption characteristics of the regenerative power mounted on the inverted mobile body, such as battery charging performance or discharge performance due to regenerative resistance.
ところが、モータ性能は、温度等により多少の変動は発生するものの、バッテリの出力特性は、バッテリの温度、残量、及び劣化度等によって大きく変動してしまう。言い換えると、力行領域において動作点がとり得る領域の変化量は、回生領域において動作点がとり得る領域の変化量よりも大きい。その結果、図13に示すように、回生領域と力行領域との間では、モータの動作点がとり得る領域にギャップ(不連続点)が生じてしまうという問題がある。そして、回生領域での動作中に、モータの動作点がこのギャップ領域に入り込んでしまうと、そこから力行領域側に抜け出せなくなっしまう。すなわち、この場合には、倒立型移動体のスムーズな動作が阻害されてしまうという問題がある。 However, although the motor performance slightly varies depending on the temperature or the like, the output characteristics of the battery greatly vary depending on the temperature, remaining amount, deterioration degree, and the like of the battery. In other words, the change amount of the region that can be taken by the operation point in the power running region is larger than the change amount of the region that can be taken by the operation point in the regeneration region. As a result, as shown in FIG. 13, there is a problem that a gap (discontinuous point) is generated in a region where the operating point of the motor can take between the regeneration region and the power running region. If the operating point of the motor enters the gap region during the operation in the regeneration region, the motor cannot escape from the gap to the powering region side. That is, in this case, there is a problem that the smooth operation of the inverted moving body is hindered.
本発明は、上述した知見に基づいてなされたものであって、倒立型移動体のスムーズな動作を維持することができる倒立型移動体の制御方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made based on the above-described knowledge, and an object of the present invention is to provide a method for controlling an inverted moving body that can maintain a smooth operation of the inverted moving body.
本発明の第1の態様に係る倒立型移動体の制御方法は、バッテリから供給される電力によってモータを駆動することで倒立移動する倒立型移動体の制御方法であって、前記バッテリの残量、温度、及び劣化度の少なくとも1つを検出する工程と、前記バッテリの残量、温度、及び劣化度の少なくとも1つに基づいて、力行領域における前記モータの動作点の最大値を推定する工程と、前記力行領域におけるモータの動作点の最大値に基づいて、回生領域と力行領域の境界において前記モータの動作点の最大値が連続するように、回生領域における前記モータの動作点の最大値を変動させる工程と、を有することを特徴とするものである。 An inverted moving body control method according to a first aspect of the present invention is an inverted moving body control method in which an inverted moving body is driven by driving a motor with electric power supplied from a battery, and the remaining amount of the battery Detecting at least one of temperature, deterioration, and estimating the maximum value of the operating point of the motor in the powering region based on at least one of the remaining amount of battery, temperature, and deterioration And the maximum value of the operating point of the motor in the regeneration region so that the maximum value of the operating point of the motor is continuous at the boundary between the regeneration region and the powering region based on the maximum value of the operating point of the motor in the powering region. And a step of varying.
上述した本発明の各態様によれば、倒立型移動体のスムーズな動作を維持することができる倒立型移動体の制御方法を提供することができる。 According to each aspect of the present invention described above, it is possible to provide an inverted moving body control method capable of maintaining a smooth operation of the inverted moving body.
以下に図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について説明する。以下の実施の形態に示す具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、それに限定されるものではない。また、以下の記載及び図面では、説明の明確化のため、当業者にとって自明な事項等については、適宜、省略及び簡略化がなされている。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. Specific numerical values and the like shown in the following embodiments are merely examples for facilitating understanding of the invention, and are not limited thereto unless otherwise specified. In the following description and drawings, matters obvious to those skilled in the art are omitted or simplified as appropriate for the sake of clarity.
<発明の実施の形態>
図1を参照して、本実施の形態に係る倒立型移動体1の外部構成について説明する。図1は、本実施の形態に係る倒立型移動体1の外部構成を示す図である。
<Embodiment of the Invention>
With reference to FIG. 1, the external structure of the inverted moving
倒立型移動体1は、ハンドル4を把持してステップカバー3に搭乗した搭乗者が、倒立型移動体1の前後方向に荷重を作用させた際における、前後方向への倒立型移動体1の姿勢角(ピッチ角)をセンサを利用して検出する。そして、倒立型移動体1は、この検出結果に基づいて、倒立型移動体1の倒立状態を維持するように左右の車輪2を回転させるモータを駆動する。すなわち、倒立型移動体1は、ステップカバー3に搭乗した搭乗者が前方に荷重を作用させて倒立型移動体1を前方に傾斜させると、倒立型移動体1の倒立状態を維持するように前方に加速し、搭乗者が後方に荷重を作用させて倒立型移動体1を後方に傾斜させると、倒立型移動体1の倒立状態を維持するように後方に加速するように、左右の車輪2を回転させるモータを駆動する。
The inverted moving
続いて、図2を参照して、本実施の形態に係る倒立型移動体1の内部構成について説明する。図2は、本実施の形態に係る倒立型移動体1の内部構成を示すブロック図である。
Then, with reference to FIG. 2, the internal structure of the inverted
倒立型移動体1は、ECU(Electronic Control Unit)11、12、モータ13、14、回転角センサ15〜18、バッテリ19、20、電流センサ21〜24、及びジャイロセンサ25、26を有する。
The inverted moving
倒立型移動体1は、倒立型移動体1の制御の安定性を確保するために、その制御系を、0系の制御系と1系の制御系とに二重化(冗長化)させた二重系システムとなっている。すなわち、0系の制御系と1系の制御系は、同一構成となっており、その構成要素における動作も同一となっている。よって、0系のECU11と1系のECU12は、原則、同期して(同一の制御内容で)倒立型移動体1の制御を実施することになる。0系の制御系は、ECU11、回転角センサ15、16、バッテリ19、電流センサ21、22、及びジャイロセンサ25を含む。1系の制御系は、ECU12、回転角センサ17、18、バッテリ20、電流センサ23、24、及びジャイロセンサ26を含む。尚、発明の実施の形態においては二重系システムの場合について説明を行うが、単純一重系システム、三重系以上の多重系システムにおいても適用可能である。
The inverted
ECU11、12のそれぞれは、ジャイロセンサ25、26のそれぞれから出力されるピッチ軸周りの角速度信号に基づいて、上述したように、倒立型移動体1の倒立状態を維持するようにモータ13、14を制御する。ECU11、12のそれぞれは、CPU(Central Processing Unit)及び記憶部を有し、記憶部に格納されたプログラムを実行することによって、本実施の形態におけるECU11、12のそれぞれとしての処理を実行する。すなわち、ECU11、12のそれぞれの記憶部に格納されるプログラムは、本実施の形態におけるECU11、12のそれぞれにおける処理を、CPUに実行させるためのコードを含む。なお、記憶部は、例えば、このプログラムや、CPUにおける処理に利用される各種情報を格納することができる任意の記憶装置を含んで構成される。記憶装置は、例えば、メモリ及びハードディスク等の記憶装置のうち、少なくとも1つ以上の任意のものを利用してよい。
Each of the ECUs 11 and 12 is based on the angular velocity signal around the pitch axis output from each of the
ECU11は、モータ13を制御する指令値を算出し、算出した指令値に基づいて、モータ13のPWM(Pulse Width Modulation)制御を行う。具体的には、ECU11は、インバータ(図示せず)を有しており、インバータによって、バッテリ19から供給される電流から、モータ13に対する指令値に基づいた駆動電流を生成してモータ13に供給する。また、ECU11は、モータ14を制御する指令値を算出し、算出した指令値に基づいて、モータ14のPWM制御を行う。具体的には、ECU11は、インバータを有しており、インバータによって、バッテリ19から供給される電流から、モータ14に対する指令値に基づいた駆動電流を生成してモータ14に供給する。
The ECU 11 calculates a command value for controlling the
ECU12は、モータ13を制御する指令値を算出し、算出した指令値に基づいて、モータ13のPWM制御を行う。具体的には、ECU12は、インバータ(図示せず)を有しており、インバータによって、バッテリ20から供給される電流から、モータ13に対する指令値に基づいた駆動電流を生成してモータ13に供給する。また、ECU12は、モータ14を制御する指令値を算出し、算出した指令値に基づいて、モータ14のPWM制御を行う。具体的には、ECU12は、インバータを有しており、インバータによって、バッテリ20から供給される電力から、モータ14に対する指令値に基づいた駆動電流を生成してモータ14に供給する。
The ECU 12 calculates a command value for controlling the
この動作によって、ECU11、12のそれぞれによって、バッテリ19、20のそれぞれから電流が引かれて、駆動電流としてモータ13、14に供給されることになる。
With this operation, current is drawn from each of the
ここで、ECU11、12のそれぞれは、ジャイロセンサ25、26のそれぞれから出力される角速度信号が示す倒立型移動体1のピッチ軸周りの角速度(ピッチ角速度)を積分することで倒立型移動体1の前後方向の姿勢角(ピッチ角)を算出し、算出した姿勢角に基づいて倒立型移動体1の倒立状態を維持するようにモータ13、14を制御する指令値を生成する。
Here, each of the ECUs 11 and 12 integrates the angular velocity (pitch angular velocity) around the pitch axis of the inverted
また、ECU11、12のそれぞれは、回転角センサ15、17のそれぞれから出力される、モータ13の回転角を示す回転角信号に基づいて、モータ13をフィードバック制御するように指令値を生成する。また、ECU11、12のそれぞれは、回転角センサ16、18のそれぞれから出力される、モータ14の回転角を示す回転角信号に基づいて、モータ14をフィードバック制御するように指令値を生成する。
Further, each of the ECUs 11 and 12 generates a command value so as to feedback-control the
モータ13、14のそれぞれは、二重巻線のモータである。モータ13は、ECU11及びECU12から供給される駆動電流によって駆動される。モータ13を駆動することによって、例えば倒立型移動体1の左側の車輪2が回転する。モータ14は、ECU11及びECU12から供給される駆動電流によって駆動される。モータ14を駆動することによって、例えば倒立型移動体1の右側の車輪2が回転する。
Each of the
回転角センサ15は、モータ13の回転角を検出し、検出した回転角を示す回転角信号を生成してECU11に出力する。回転角センサ16は、モータ14の回転角を検出し、検出した回転角を示す回転角信号を生成してECU11に出力する。回転角センサ17は、モータ13の回転角を検出し、検出した回転角を示す回転角信号を生成してECU12に出力する。回転角センサ18は、モータ14の回転角を検出し、検出した回転角を示す回転角信号を生成してECU12に出力する。なお、回転角センサ15〜18として、例えばエンコーダ及びレゾルバ等のモータ13、14の回転角を検出可能なセンサのうち、任意のセンサを利用するようにしてよい。
The
ECU11は、回転角センサ15から出力された回転角信号が示す回転角に基づいてモータ13の回転数を算出し、回転角センサ16から出力された回転角信号が示す回転角に基づいてモータ14の回転数を算出する。ECU12は、回転角センサ17から出力された回転角信号が示す回転角に基づいてモータ13の回転数を算出し、回転角センサ18から出力された回転角信号が示す回転角に基づいてモータ14の回転数を算出する。
The ECU 11 calculates the rotation speed of the
電流センサ21は、ECU11からモータ13に供給される駆動電流を検出し、検出した駆動電流の電流量を示す電流量信号を生成してECU11に出力する。電流センサ22は、ECU11からモータ14に供給される駆動電流を検出し、検出した駆動電流の電流量を示す電流量信号を生成してECU11に出力する。電流センサ23は、ECU12からモータ13に供給される駆動電流を検出し、検出した駆動電流の電流量を示す電流量信号を生成してECU12に出力する。電流センサ24は、ECU12からモータ14に供給される駆動電流を検出し、検出した駆動電流の電流量を示す電流量信号を生成してECU12に出力する。
The current sensor 21 detects a drive current supplied from the ECU 11 to the
一般的にモータの出力トルクは駆動電流に比例する。よって、ECU11は、電流センサ21から出力された電流量信号が示す駆動電流の電流量に基づいてモータ13の出力トルクを算出し、電流センサ22から出力された電流量信号が示す駆動電流の電流量に基づいてモータ14のそれぞれの出力トルクを算出する。また、ECU12は、電流センサ23から出力された電流量信号が示す駆動電流の電流量に基づいてモータ13の出力トルクを算出し、電流センサ24から出力された電流量信号が示す駆動電流の電流量に基づいてモータ14のそれぞれの出力トルクを算出する。
In general, the motor output torque is proportional to the drive current. Therefore, the ECU 11 calculates the output torque of the
ここで、モータ13、14の出力トルクの算出方法は、これに限られない。例えば、ECU11、12は、指令値から出力トルクを算出するようにしてもよい。また、モータ13、14のそれぞれのトルクを検出するトルクセンサを、モータ13、14のそれぞれに対して備えるようにして、ECU11、12は、トルクセンサで検出されたモータ13、14のトルクを出力トルクとして認識するようにしてもよい。
Here, the calculation method of the output torque of the
ジャイロセンサ25、26のそれぞれは、搭乗者がステップカバー3に対して、倒立型移動体1の前後方向に荷重を作用させた際における、倒立型移動体1の前後方向に対する角速度(ピッチ軸周りの角速度、ピッチ角速度)を検出し、検出した角速度を示す角速度信号をECU11、12のそれぞれに出力する。
Each of the
バッテリ19は、0系の制御系の各装置に対して、その動作に必要な電力を供給する。すなわち、この電力は、上述したように、ECU11の動作や、ECU11によるモータ13、14を駆動する駆動電流の生成に利用される。また、この電力は、接続関係の図示を省略しているが、回転角センサ15、16及びジャイロセンサ25等のECU11以外のその動作に電力を要する装置にも供給されることになる。
The
また、バッテリ19は、バッテリ19の残量(例えばSOC:State Of Charge)を示す残量信号を生成し、SM(System Management Bus)バスを介してECU11に出力する。また、バッテリ19は、バッテリ19は、温度センサ(図示せず)を有しており、温度センサによって監視したバッテリ19の温度を示す温度信号を生成し、SMバスを介してECU11に出力する。また、バッテリ19は、バッテリ19の劣化度を示す劣化度信号を生成し、SMバスを介してECU11に出力する。
Further, the
バッテリ20は、1系の制御系の各装置に対して、その動作に必要な電力を供給する。すなわち、この電力は、上述したように、ECU12の動作や、ECU12によるモータ13、14を駆動する駆動電流の生成に利用される。また、この電力は、接続関係の図示を省略しているが、回転角センサ17、18及びジャイロセンサ26等のECU11以外のその動作に電力を要する装置にも供給されることになる。
The
また、バッテリ20は、バッテリ20の残量(例えばSOC:State Of Charge)を示す残量信号を生成し、SM(System Management Bus)バスを介してECU12に出力する。また、バッテリ20は、バッテリ20は、温度センサ(図示せず)を有しており、温度センサによって監視したバッテリ20の温度を示す温度信号を生成し、SMバスを介してECU12に出力する。また、バッテリ20は、バッテリ20の劣化度を示す劣化度信号を生成し、SMバスを介してECU12に出力する。
Further, the
ここで、バッテリ19、20は、CPU(図示せず)を有しており、CPUによって残量及び劣化度の算出や、上記のように信号の生成・出力の制御を行う。また、残量及び劣化度の算出方法は、任意の既知の手法によって行えばよい。例えば、バッテリ19、20の残量は、クローン・カウンタ方式で行うようにしてもよい。
Here, the
本実施の形態では、以上に説明した構成によって、利用条件(バッテリ19、20の温度、残量、及び劣化度)の変化によってバッテリ19、20の出力性能が低下したとしても、そのバッテリ19、20の出力性能で許容されるようにモータ13、14の出力(出力トルク及び回転数)を制限することで、バッテリの19、20の出力電圧の低下及びそれによるECU11、12の動作停止を抑制する。また、本実施の形態では、そのように、バッテリ19、20の出力性能が低下に応じて、力行領域におけるモータ13、14の出力の範囲を制限したとしても、回生領域とのギャップをなくし、倒立型移動体1のスムーズな動作を実現する。
In the present embodiment, even if the output performance of the
続いて、図3〜図5を参照して、本実施の形態に係る倒立型移動体1による出力抑制制御について説明する。図3は、バッテリ19、20の開放端電圧特性を示す図である。図4は、バッテリ19、20の内部抵抗特性を示す図である。図5は、バッテリ19、20のバッテリモデル及びそれによる供給電圧を示す図である。図6は、モータ13、14の出力特性を示す図である。
Next, output suppression control by the inverted moving
図3に示すように、バッテリは、一般的に、バッテリ残量が少なくなるほど、その開放端電圧Vbが低くなり、バッテリの残量が多くなるほど、その開放端電圧Vbが高くなる。また、図4に示すように、バッテリは、一般的に、バッテリの残量が少なくなるほど、その内部抵抗Rbが大きくなり、バッテリ残量が多くなるほど、その内部抵抗Rbが小さくなる。また、図4に示すように、バッテリは、一般的に、バッテリの温度が低くなるほど、その内部抵抗Rbが大きくなり、バッテリの温度が高くなるほど、その内部抵抗Rbが小さくなる。また、バッテリは、一般的に、バッテリの劣化が進むほど、その内部抵抗Rbが大きくなり、バッテリが劣化していないほど、その内部抵抗Rbが小さくなる。 As shown in FIG. 3, the battery generally has a lower open-circuit voltage Vb as the remaining battery level decreases, and the open-circuit voltage Vb increases as the remaining battery level increases. As shown in FIG. 4, the battery generally has an internal resistance Rb that increases as the remaining amount of the battery decreases, and decreases as the battery remaining amount increases. As shown in FIG. 4, the battery generally has an internal resistance Rb that increases as the temperature of the battery decreases, and decreases as the temperature of the battery increases. In general, the battery has a higher internal resistance Rb as the battery deteriorates, and the internal resistance Rb decreases as the battery does not deteriorate.
ここで、バッテリは、図5に示すようにモデル化することができる。よって、このモデルに基づくと、バッテリ19、20のそれぞれから0系の制御系及び1系の制御系のそれぞれに供給される電圧(バッテリ19、20のそれぞれの出力電圧)Vinは、図5にも示すように、次式(1)で算出することができる。
Here, the battery can be modeled as shown in FIG. Therefore, based on this model, the voltages (respective output voltages of the
供給電圧Vin=バッテリ開放端電圧Vb−バッテリ内部抵抗Rb×供給電流I ・・・ (1) Supply voltage Vin = battery open end voltage Vb−battery internal resistance Rb × supply current I (1)
すなわち、バッテリ19の内部抵抗Rbと0系の制御系に供給される電流(バッテリ19の出力電流)Iを乗算した値を、バッテリ19の開放端電圧Vbから減算することで、0系の制御系に供給される電圧Vinを算出することができる。また、バッテリ20の内部抵抗Rbと1系の制御系に供給される電流(バッテリ20の出力電流)Iを乗算した値を、バッテリ20の開放端電圧Vbから減算することで、1系の制御系に供給される電圧Vinを算出することができる。
That is, by subtracting the value obtained by multiplying the internal resistance Rb of the
また、式(1)によれば、バッテリ19、20のそれぞれの開放端電圧Vbが低下するに従って、0系及び1系の制御系のそれぞれに供給される電圧Vinも低下することが分かる。また、式(1)によれば、バッテリ19、20のそれぞれの内部抵抗Rbが大きくなるほど、0系及び1系の制御系のそれぞれに供給される電圧Vinも低下することが分かる。すなわち、図3及び図4に示す特性を考慮して言い換えると、バッテリ19、20のそれぞれの残量が少なくなるほど、0系及び1系の制御系のそれぞれに供給される電圧Vinも低下することになる。また、バッテリ19、20のそれぞれの温度が低下するほど、0系及び1系の制御系のそれぞれに供給される電圧Vinも低下することになる。また、バッテリ19、20のそれぞれの劣化が進むほど、0系及び1系の制御系のそれぞれに供給される電圧Vinも低下することになる。
Further, according to Expression (1), it can be seen that as the open circuit voltage Vb of each of the
よって、バッテリ19、20のそれぞれの残量が少なくなるほど、図6に示すように、モータ13、14の出力可能領域は減少することになる。また、バッテリ19、20のそれぞれの温度が低下するほど、図6に示すように、モータ13、14の出力可能領域は減少することになる。また、バッテリ19、20のそれぞれの劣化が進むほど、図6に示すように、モータ13、14の出力可能領域は減少することになる。言い換えると、モータ13、14の出力可能領域は、バッテリ19、20のそれぞれの残量、温度、及び劣化度から推定することができる。ここで、出力可能領域とは、ECU11、12が動作停止してしまうほどのバッテリ19、20の出力低下が発生せずに、モータ13、14の動作点がとり得る範囲となる。なお、モータ13、14の動作点は、一方の軸を出力トルクとし、他方の軸を回転数とした場合に、その座標系にプロットされる点に相当する。よって、モータ13、14の出力可能領域が減少している場合には、それに応じてモータ13、14の動作点が出力可能領域に位置するように、ECU11、12がバッテリ19、20から駆動電流を生成するために引き込む電流量を制限する必要がある。
Therefore, as the remaining amount of each of the
そこで、本実施の形態では、ECU11、12のそれぞれは、バッテリ19、20のそれぞれの残量、温度、及び劣化度に基づいて、モータの出力(出力トルク及び回転数)が出力可能領域内となるように、モータ13、14に対する駆動電流を生成するためにバッテリ19、20から引き込む電流量を制限する。以下、図5を参照して、より具体的に、その方法について説明する。
Therefore, in the present embodiment, each of the ECUs 11 and 12 is based on the remaining amount, temperature, and degree of deterioration of each of the
バッテリ19、20の電圧低下によるECU11、12の動作停止を抑制するためには、バッテリ19、20からの供給電圧VinがECU11、12が動作停止する電圧とならないようにすればよい。言い換えると、ECU11、12が動作可能な電圧のうち、最も低い電圧(以下、「制限電圧」とも呼ぶ)未満とならないようにすればよい。この制限電圧は、例えば、ECU11、12の仕様又は事前の測定結果等に従って、予め任意の電圧を定めるようにしてよい。
In order to suppress the operation stop of the ECUs 11 and 12 due to the voltage drop of the
よって、ECU11、12は、モータ13、14の動作点が出力可能領域を超えている場合(バッテリ19、20からの供給電圧Vinが制限電圧未満となっている場合)に、上述の式(1)に基づいて、バッテリ19、20からの供給電圧Vinが制限電圧未満とならないように、バッテリ19、20から駆動電流を生成するために引き込む電流量を制限する。すなわち、ECU11、12は、バッテリ19、20からの供給電圧Vinが制限電圧となるように、バッテリ19、20から供給される電流Iを制限する。
Therefore, when the operating points of the
ここで、出力可能領域は、上述したように、バッテリ19、20の残量、温度、及び劣化度から推定することができる。よって、ECU11、12は、バッテリ19、20の残量、温度、及び劣化度に基づいて出力可能領域を推定し、モータ13、14の動作点が、その出力可能領域を超えているか否かを判定するようにすればよい。すなわち、ECU11、12は、バッテリ19、20の残量、温度、及び劣化度の変化に応じて、適宜、出力可能領域を更新して認識する。上述したように、出力トルクは、電流センサ21〜24から出力される電流量信号が示す駆動電流の電流量から算出され、回転数は、回転角センサ15〜18から出力される回転角信号が示す回転角から算出される。
Here, as described above, the output possible region can be estimated from the remaining amount of the
なお、モータ13、14の動作点が出力可能領域を超えているか否かを判定は、任意の具体的手法によって実現するようにしてもよい。例えば、ECU11、12のそれぞれの記憶部において、バッテリ19、20の残量、温度、及び劣化度と、モータ13、14の回転数から、その回転数における出力可能領域の出力トルクの最大値を導出することができる情報(テーブルや算出式など)を予め格納しておくようにし、ECU11、12がその情報を利用して出力トルクの最大値を導出し、モータ13、14の出力トルクがその最大値を超えているか否かを判定するようにしてもよい。
The determination as to whether or not the operating point of the
ECU11、12は、式(1)において、「供給電圧Vin」に、制限電圧を当てはめ、「開放端電圧Vb」に、バッテリ19、20の残量から推定した現在のバッテリ19、20の開放端電圧Vbを当てはめ、「内部抵抗Rb」に、バッテリ19、20の残量、温度、及び劣化度から推定した現在のバッテリ19、20の内部抵抗Rbを当てはめて電流Iを算出する。この算出した電流Iは、バッテリ19、20からの供給電圧Vinが制限電圧未満とならない(バッテリ19、20からの供給電圧Vinが制限電圧となる)電流量となる。そして、ECU11、12は、バッテリ19、20から供給される電流Iが、算出した電流Iとなるように、バッテリ19、20から駆動電流を生成するために引き込む電流量を制限する。
The ECUs 11 and 12 apply the limit voltage to the “supply voltage Vin” in the equation (1), and set the “open end voltage Vb” to the open end of the
例えば、ECU11、12のそれぞれの記憶部において、算出した電流Iから、バッテリ19、20から供給される電流Iが算出した電流Iとなる指令値を導出することができる情報(テーブルや算出式など)を予め格納しておくようにし、ECU11、12がその情報を利用して、算出した電流Iから指令値を導出するようにすればよい。すなわち、この情報は、導出した指令値に基づいてバッテリ19、20から駆動電流を生成するための電流を引き込むことで、バッテリ19、20からの供給電圧Vinが制限電圧未満とならないようにすることができるような指令値が算出される情報とする。また、この情報に対する入力は算出した電流Iのみに限られず、さらにモータ13、14の回転数も加えることで、モータ13、14の回転数に対する逆起電圧も考慮された電流Iとなる指令値が算出されるようにしてもよい。
For example, in each of the storage units of the ECUs 11 and 12, information (tables, calculation formulas, and the like) that can derive a command value that becomes the calculated current I from the current I supplied from the
なお、バッテリ19、20の残量からの現在のバッテリ19、20の開放端電圧Vbの推定は、ECU11、12のそれぞれの記憶部において、バッテリ19、20から出力された残量信号が示すバッテリ19、20の残量から、そのときのバッテリ19、20の開放端電圧Vbを導出することができる情報(テーブルや算出式など)を予め格納しておくようにし、ECU11、12がその情報を利用して残量から開放端電圧Vbを導出するようにすればよい。
The estimation of the current open-circuit voltage Vb of the
また、バッテリ19、20の残量、温度、及び劣化度からの現在のバッテリ19、20の内部抵抗Rbの推定も、ECU11、12のそれぞれの記憶部において、バッテリ19、20から出力された残量信号、温度信号、及び劣化度信号のそれぞれが示すバッテリ19、20の残量、温度、及び劣化度から、そのときのバッテリ19、20の内部抵抗Rbを導出することができる情報(テーブルや算出式など)を予め格納しておくようにし、ECU11、12がその情報を利用して残量、温度、及び劣化度か内部抵抗Rbを導出するようにすればよい。
In addition, the estimation of the current internal resistance Rb of the
なお、これらの記憶部に格納される情報は、事前にそれらの情報における対応関係を計測する等して作成すればよい。 Note that the information stored in these storage units may be created by measuring the correspondence in the information in advance.
本実施の形態では、以上に説明したように出力抑制制御を力行領域で実施することで、モータ13、14を駆動するためのバッテリ19、20の消費電流を、出力可能領域に対応する許容範囲内までに低減することができるようにしている。よって、バッテリ19、20の出力電圧低下を抑制して、倒立制御の継続性を向上することができる。しかしながら、この出力抑制制御を実施すると、図13を参照して説明したように、回生領域と力行領域とでギャップが生じてしまう。そこで、本実施の形態では、次に説明する方法でそのギャップを解消する。
In the present embodiment, as described above, the output suppression control is performed in the powering region, so that the current consumption of the
続いて、図7を参照して、本実施の形態に係る倒立型移動体1のギャップ解消方法について説明する。図7は、本実施の形態に係るギャップ解消方法によるギャップ解消時の回生領域を示す図である。
Next, with reference to FIG. 7, a gap elimination method for the inverted moving
図7に示すように、回生領域と力行領域の境界において、回生領域において動作点がとり得る領域の最大値を、力行領域において動作点がとり得る領域の最大値までに制限することでギャップを解消する。なお、図7は、図13の上部のみを切り出した図となる。また、図7に示すように、力行領域において動作点がとり得る領域(出力可能領域)は、バッテリ19、20の出力性能に応じたTN線と、トルクの軸線との交点を最大値とし、図12に示すように低回転数側においてTN線よりも下方の一定値以下でトルクを制限しないようにする。本来的にはモータ保護の観点から、低回転数側においてはTN線よりも更に低い位置でトルクを制限することが好ましいが、本実施の形態では、回生領域から力行領域に移行可能とする範囲を拡大するために、力行領域において動作点がとり得る領域(出力可能領域)をこのように決定する。
As shown in FIG. 7, at the boundary between the regeneration region and the power running region, the gap is limited by limiting the maximum value of the region that the operating point can take in the regeneration region to the maximum value of the region that the operating point can take in the power running region. Eliminate. 7 is a diagram in which only the upper part of FIG. 13 is cut out. Further, as shown in FIG. 7, the region where the operating point can be taken in the powering region (output possible region) has a maximum value at the intersection of the TN line corresponding to the output performance of the
上述したように、バッテリ19、20の残量、温度、及び劣化度から出力可能領域を推定することができる。よって、ECU11、12は、バッテリ19、20の残量、温度、及び劣化度に基づいて、力行領域において動作点がとり得る領域の最大値(バッテリ19、20の出力特性に応じたTN線と、トルクの軸線との交点)を推定する。
As described above, the output possible region can be estimated from the remaining amount of the
ECU11、12は、式(1)において、「供給電圧Vin」に、制限電圧を当てはめ、「開放端電圧Vb」に、バッテリ19、20の残量から推定した現在のバッテリ19、20の開放端電圧Vbを当てはめ、「内部抵抗Rb」に、バッテリ19、20の残量、温度、及び劣化度から推定した現在のバッテリ19、20の内部抵抗Rbを当てはめて電流Iを算出する。なお、開放端電圧Vb及び内部抵抗Rbの算出方法は、上述した通りである。この算出した電流Iは、モータ13、14の動作点がバッテリ19、20の出力性能に応じたTN線上に位置する電流量となる。
The ECUs 11 and 12 apply the limit voltage to the “supply voltage Vin” in the equation (1), and set the “open end voltage Vb” to the open end of the
ここで、モータ13、14の回転数及び出力トルクは、駆動電流を生成するために引き込む電流量に依存する。また、バッテリ19、20から供給される電流Iは、駆動電流を生成するために引き込む電流量に依存する。これらを考慮すると、モータ13、14の回転数及び出力トルクによって、バッテリ19、20から供給される電流Iを推定することができる。言い換えると、バッテリ19、20から供給される電流Iとモータ13、14の回転数から、モータ13、14の出力トルクを推定することができる。よって、算出した電流Iと、0とした回転数から、出力トルクの最大値を、力行領域の動作点の最大値として推定することができる。
Here, the rotation speed and output torque of the
例えば、ECU11、12のそれぞれの記憶部において、算出した電流Iから、回転数0の場合における出力トルクを導出することができる情報(テーブルや算出式など)を予め格納しておくようにし、ECU11、12がその情報を利用して算出した電流Iから回転数0の場合における出力トルクを導出するようにすればよい。この回転数0の場合における出力トルクは、図7や図13から分かるように、回生領域と力行領域の境界において、力行領域の動作点がとり得る領域の最大値となる。なお、この記憶部に格納される情報は、事前にそれらの情報における対応関係を計測する等して作成すればよい。 For example, in each of the storage units of the ECUs 11 and 12, information (tables, calculation formulas, etc.) that can derive the output torque in the case of the rotational speed 0 from the calculated current I is stored in advance. , 12 may be derived from the current I calculated by using the information, and the output torque in the case of the rotational speed 0 is derived. As can be seen from FIGS. 7 and 13, the output torque in the case of the rotational speed 0 is the maximum value of the region that the operating point of the power running region can take at the boundary between the regeneration region and the power running region. Note that the information stored in the storage unit may be created by measuring the correspondence in the information in advance.
ECU11、12は、このようにして算出した力行領域における動作点の最大値となるように、回生領域と力行領域の境界において、回生領域のモータ13、14の動作点を制限する。これによれば、回生領域と力行領域の境界において、モータ13、14の動作点が連続的になり、ギャップを解消することができる。
The ECUs 11 and 12 limit the operating points of the
なお、具体的な回生領域におけるモータ13、14の動作点を制限方法は、任意の手法により行えばよい。例えば、ECU11、12は、回生領域において動作中に、電流センサ21〜24から出力される電流量信号が示す回線電流の電流量に基づいて算出したトルクが、上記の最大値を超えている場合に、そのトルクを低減するようにモータ13、14を駆動するようにすればよい。
In addition, what is necessary is just to perform the limiting method about the operating point of the
続いて、図8を参照して、本実施の形態に係る倒立型移動体1のギャップ解消処理について説明する。図8は、本実施の形態に係る倒立型移動体1のギャップ解消処理を示すフローチャートである。なお、以下では、ECU11での処理を例に挙げて説明するが、ECU12においても同様の処理が実施される。ECU12における処理も、同様の処理となることは自明であるため、説明は省略する。例えば、以下の説明において、ECU11及びバッテリ19が、ECU12及びバッテリ20に置き換わることになる。
Subsequently, with reference to FIG. 8, the gap elimination processing of the inverted moving
ECU11は、バッテリ19の残量、温度、及び劣化度の監視結果から、回生領域と力行領域の境界において、力行領域の動作点の最大値を推定する(S1)。具体的には、ECU11は、バッテリ19から出力された残量信号が示す残量を、バッテリ19の残量として認識する。また、ECU11は、バッテリ19から出力された温度信号が示す温度を、バッテリ19の温度として認識する。また、ECU11は、バッテリ19から出力された劣化度信号が示す劣化度を、バッテリ19の劣化度として認識する。そして、ECU11は、これらの残量、温度、及び劣化度に基づいて、上述したように、力行領域において動作点がとり得る最大値として算出する。
The ECU 11 estimates the maximum value of the operating point in the power running area at the boundary between the regeneration area and the power running area from the monitoring results of the remaining amount, temperature, and deterioration level of the battery 19 (S1). Specifically, the ECU 11 recognizes the remaining amount indicated by the remaining amount signal output from the
ECU11は、算出した力行領域の動作点の最大値を用いて、回生領域の動作点の制限を変動させる(S2)。すなわち、ECU11は、上述したように、回生領域と力行領域の境界において、回生領域のモータ13、14の動作点がとり得る領域の最大値を、算出した力行領域の動作点の最大値として決定する。
The ECU 11 uses the calculated maximum value of the operating point in the powering region to vary the limit of the operating point in the regeneration region (S2). That is, as described above, the ECU 11 determines the maximum value of the region that can be taken by the operating points of the
ECU11は、ステップS2での決定に従って、モータ13、14の制御を開始する(S3)。すなわち、ECU11は、回生領域での動作において、モータ13、14の動作点が決定した最大値以下となるように、モータ13、14を駆動してモータ13、14のトルクを低減する
The ECU 11 starts controlling the
なお、以上の説明では、回生領域と力行領域の境界において、回生領域の動作点の最大値が、力行領域の動作点の最大値よりも高くなる場合について説明したが、特定の環境下(例えばバッテリ19、20が高温の場合)では、逆転現象が発生する。その場合には、上記の処理と同様にして、回生領域と力行領域の境界において、力行領域の動作点の最大値を、回生領域の動作点の最大値までに制限するようにすればよい。
In the above description, the case has been described where the maximum value of the operating point of the regenerative region is higher than the maximum value of the operating point of the powering region at the boundary between the regenerative region and the powering region. When the
以上に説明したように、本実施の形態では、バッテリ19、20の残量、温度、及び劣化度の少なくとも1つに基づいて、力行領域におけるモータ13、14の動作点の最大値を推定し、推定した力行領域におけるモータ13、14の動作点の最大値に基づいて、回生領域と力行領域の境界においてモータ13、14の動作点の最大値が連続するように、回生領域におけるモータ13、14の動作点の最大値を変動させるようにしている。
As described above, in the present embodiment, the maximum value of the operating points of the
これによれば、回生領域と力行領域の境界におけるギャップが解消されるため、倒立型移動体1のスムーズな動作を維持することができる。
According to this, since the gap at the boundary between the regeneration region and the powering region is eliminated, the smooth operation of the inverted moving
<発明の他の実施の形態>
上記の実施の形態では、回生領域において動作点がとり得る領域を、回生領域と力行領域の境界以外の位置においても、力行領域の動作点の最大値となる一定値以下となるように制限するようにしたが、これに限られない。例えば、図9に示すように、回生領域において動作点がとり得る領域は、TN線を力行領域から延長した線上に対応する各動作点以下とするようにしてもよい。また、図10、図11に示すように、回生領域において動作点がとり得る領域において、力行領域の動作点の最大値に基づいて変動させた範囲が曲線を形成していてもよい。また、曲線を形成する場合には、図10に示すように、その両端の動作点のトルクが同一であってもよく、図11に示すように、その両端の動作点のトルクが異なっていてもよい。すなわち、回生領域と力行領域の境界において、モータ13、14の動作点がとり得る領域の最大値が連続するようにするのであれば、力行領域の動作点の最大値に基づいて変動させた範囲に関し、回生領域における回転数の変化に応じたトルクの最大値は、一定ではなく、任意の変化があってもよい。
<Other embodiments of the invention>
In the above-described embodiment, the region that the operating point can take in the regeneration region is limited to be equal to or less than a certain value that is the maximum value of the operating point in the powering region even at a position other than the boundary between the regeneration region and the powering region. However, it is not limited to this. For example, as shown in FIG. 9, the region where the operating point can be taken in the regeneration region may be equal to or less than each operating point corresponding to a line obtained by extending the TN line from the powering region. Further, as shown in FIGS. 10 and 11, in a region where the operating point can be taken in the regeneration region, a range varied based on the maximum value of the operating point in the powering region may form a curve. Further, when forming a curve, as shown in FIG. 10, the torques at the operating points at both ends thereof may be the same, and as shown in FIG. 11, the torques at the operating points at both ends thereof are different. Also good. That is, if the maximum value of the region that can be taken by the operating points of the
なお、本発明は上記の実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。 Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be modified as appropriate without departing from the spirit of the present invention.
上記の実施の形態では、制御系を0系と1系とに二重化した例について説明したが、これに限られない。制御系は、多重化されていなくてもよく、三重化以上に多重化されていてもよい。 In the above embodiment, the example in which the control system is duplicated into the 0 system and the 1 system has been described, but the present invention is not limited to this. The control system may not be multiplexed and may be multiplexed more than triple.
上記の実施形態では、バッテリ19、20の内部抵抗Rb、モータ13、14の出力可能領域及び力行領域の動作点の最大値を、残量、温度、及び劣化度の全てに基づいて推定するようにしているが、残量、温度、及び劣化度の少なくとも1つから推定するようにしてもよい。しかしながら、好ましくは、上記の実施形態のように、残量、温度、及び劣化度の全てを利用して、内部抵抗Rb及び出力可能領域を推定することで、より高い精度でそれらを推定することができる。
In the above embodiment, the maximum values of the operating points of the internal resistance Rb of the
1 倒立型移動体
2 車輪
3 ステップカバー
4 ハンドル
11、12 ECU
13、14 モータ
15、16、17、18 回転角センサ
19、20 バッテリ
21、22、23、24 電流センサ
25、26 ジャイロセンサ
DESCRIPTION OF
13, 14
Claims (1)
前記バッテリの残量、温度、及び劣化度の少なくとも1つを検出する工程と、
前記バッテリの残量、温度、及び劣化度の少なくとも1つに基づいて、力行領域における前記モータの動作点の最大値を推定する工程と、
前記力行領域におけるモータの動作点の最大値に基づいて、回生領域と力行領域の境界において前記モータの動作点の最大値が連続するように、回生領域における前記モータの動作点の最大値を変動させる工程と、
を有することを特徴とする倒立型移動体の制御方法。 A method for controlling an inverted moving body that moves in an inverted manner by driving a motor with electric power supplied from a battery,
Detecting at least one of the remaining battery level, temperature, and degree of deterioration;
Estimating a maximum value of the operating point of the motor in the power running region based on at least one of the remaining amount of battery, temperature, and degree of deterioration;
Based on the maximum value of the motor operating point in the power running region, the maximum value of the motor operating point in the regeneration region is varied so that the maximum value of the motor operating point continues at the boundary between the regeneration region and the power running region. A process of
A method for controlling an inverted moving body comprising:
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