JP6156019B2 - 倒立型移動体の制御方法 - Google Patents

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。

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。

特開２０１０−１４９５７６

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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前記境界における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。

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。

実施の形態に係る倒立型移動体の外部構成を示す図である。 実施の形態に係る倒立型移動体の内部構成を示すブロック図である。 バッテリの開放端電圧特性を示す図である。 バッテリの内部抵抗特性を示す図である。 バッテリ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。 実施の形態に係るモータの出力特性を示す図である。 実施の形態に係る回生領域における動作点のとり得る領域を示す図である 実施の形態に係る倒立型移動体のギャップ解消処理を示すフローチャートである。 他の実施の形態に係る回生領域における動作点のとり得る領域を示す図である。 他の実施の形態に係る回生領域における動作点のとり得る領域を示す図である。 他の実施の形態に係る回生領域における動作点のとり得る領域を示す図である。 モータの出力特性を示す図である。 回生領域と力行領域との間でギャップが生じた場合におけるモータ特性を示す図である。

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。

＜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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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）

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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

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。

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。

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。

＜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。

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。

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。

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。

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

Claims (1)

1. 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前記境界における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。

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