JP6324335B2 - モータ制御装置及びモータ制御方法 - Google Patents
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Description
(1)人力を動力とする車両10の走行を補助する駆動車輪14のモータ制御装置であって、
前記駆動車輪14のモータ12の端子間電圧Uを前記車両10の目標速度Vrefに応じて速度制御する速度制御部30と、
前記速度制御部30が出力する端子間電圧Uと前記モータ12を流下する電流値Iとを取得して前記駆動車輪14の角速度ωを算出する速度オブザーバ部32と、
前記速度オブザーバ部32が算出した角速度ωと前記電流値Iとに基づいて前記車両10に働く人力の値Fxsを推定する外乱オブザーバ部34と、
前記外乱オブザーバ部34が推定した人力の値Fxsに基づいて前記車両10の目標速度Vrefを設定し前記速度制御部30にフィードバックするアドミッタンス制御部36と、を有し、
前記速度オブザーバ部32が、端子間電圧Uと電流値Iと、予め取得されたモータ12の減速ギアのギア比grと前記モータ12の巻線抵抗Rと前記モータ12の逆起電力定数Keとから下記[数1]式に基づいて前記駆動車輪の角速度ωを算出し、
前記外乱オブザーバ部34が、前記角速度ωと端子間電圧Uと、予め取得されたモータ12の半径rと車両の粘性抵抗係数Dwと減速ギアのギア比grと前記モータ12のトルク定数Kτと前記モータの慣性モーメントJと前記モータの粘性抵抗係数Dmと重力加速度gと、入力もしくは予め設定された車両10と積載物とを合わせた重量mと車両10の転がり摩擦定数cと斜面の角度θと、から下記[数7]式に基づいて前記人力の値Fxsを推定し、
前記アドミッタンス制御部36が、前記外乱オブザーバ部34が推定した人力の値Fxsと、任意に設定され人への負荷及び駆動車輪14への応答速度に関与する仮想質量Mと仮想ダンピング係数Dとから下記[数10]式に基づいて前記車両10の目標速度Vrefを設定することを特徴とするモータ制御装置80を提供することにより、上記課題を解決する。
(2)外乱オブザーバ部34が出力した人力の値Fxsの急激な変動成分を除去するフィルタ部38をさらに有することを特徴とする上記(1)記載のモータ制御装置80を提供することにより、上記課題を解決する。
(3)人力を動力とする車両10の走行を補助する駆動車輪14のモータ制御方法であって、
前記駆動車輪14のモータ12の端子間電圧Uと前記モータ12を流下する電流値Iとを取得するVI取得ステップと、
前記VI取得ステップで取得した端子間電圧Uと前記電流値Iとに基づいて前記駆動車輪14の角速度ωを算出する角速度算出ステップと、
前記角速度算出ステップで算出した角速度ωと前記電流値Iとに基づいて前記車両10に働く人力の値Fxsを推定する人力推定ステップと、
前記人力推定ステップで推定された人力の値Fxsに基づいて前記車両10の目標速度Vrefを設定する目標速度設定ステップと、
前記目標速度設定ステップで設定された目標速度Vrefに基づいて前記モータ12の端子間電圧Uを速度制御する制御ステップと、を有し、
前記角速度算出ステップが、端子間電圧Uと電流値Iと、予め取得されたモータ12の減速ギアのギア比grと前記モータ12の巻線抵抗Rと前記モータ12の逆起電力定数Keとから下記[数1]式に基づいて前記駆動車輪の角速度ωを算出し、
前記人力推定ステップが、前記角速度ωと端子間電圧Uと、予め取得されたモータ12の半径rと車両の粘性抵抗係数Dwと減速ギアのギア比grと前記モータ12のトルク定数Kτと前記モータ12の慣性モーメントJと前記モータ12の粘性抵抗係数Dmと重力加速度gと、入力もしくは予め設定された車両10と積載物とを合わせた重量mと車両10の転がり摩擦定数cと斜面の角度θと、から下記[数7]式に基づいて前記人力の値Fxsを推定し、
前記目標速度設定ステップが、前記人力推定ステップが推定した人力の値Fxsと、任意に設定され人への負荷及び駆動車輪14への応答速度に関与する仮想質量Mと仮想ダンピング係数Dとから下記[数10]式に基づいて前記車両10の目標速度Vrefを設定することを特徴とするモータ制御方法を提供することにより、上記課題を解決する。
(4)人力推定ステップで得られた人力の値Fxsの急激な変動成分を除去するフィルタステップをさらに有することを特徴とする上記(3)記載のモータ制御方法を提供することにより、上記課題を解決する。
(5)仮想ダンピング係数Dを、順次入力する人力の値Fxs(n)と目標負荷Fxdとの差E(n)と学習ゲインで構成し、前記差E(n)が小さくなるように前記学習ゲインを順次変化させ、前記仮想ダンピング係数Dを最適化する学習ステップをさらに有することを特徴とする上記(3)または(4)に記載のモータ制御方法。
Ue=Ke・ωm
また、小型なモータ12のインダクタンスは小さく、このインダクタンスを無視すると、モータ12の端子間電圧Uは逆起電力Ueとモータ12の巻線抵抗R[Ω]とモータ12の電流値Iとから次のように表される。
U=R・I+Ue
よって、モータ12の角速度ωmは次のように表される。
ωm=(U−R・I)/Ke
そして、モータ12の減速ギアのギア比をgrとすると、駆動車輪14の角速度ωは次のように表される。
ω=ωm/gr
よって、モータ12のインダクタンスを無視すると、駆動車輪14の角速度ωは次のように表される。
F=Fx+FL−Fr
ここで、モータ12のトルクTmは電流値Iを用いて次のように表される。尚、Kτはモータ12のトルク定数[NmA]である。
Tm=Kτ・I
また、モータ12のトルクTmは次のようにも表される。ここで、TLは駆動車輪14のトルクであり、J[Kgm2]はモータの慣性モーメントであり、Dmはモータの粘性抵抗係数[Nm・rad/s]である。また、ωmは前述のモータ12の角速度である。
Fr=c・m・g
また、車両10に掛かる力Fは運動方程式によって次のように表される。尚、Dwは車両10の粘性抵抗係数である。
Fs=Fxs+FLs−Frs
ここで、FLs=FL −m・g・sinθ であり、
Frs=c・m・g・cosθ であるから、これと上記の[数6]式とから、斜面における人力Fxsは次の式で表される。
また、定常状態のとき駆動車輪14の速度はV=F/D となる。これにより人の負荷感覚Fは次の式のようになる。
F=V・D
この式から、定常状態においては仮想ダンピング係数Dによって人の負荷感覚を設定することが出来る。以上がアドミッタンス制御を用いた人力補助の原理である。
12 モータ
14 駆動車輪
30 速度制御部
32 速度オブザーバ部
34 外乱オブザーバ部
36 アドミッタンス制御部
38 フィルタ部
80 モータ制御装置
Claims (5)
- 人力を動力とする車両の走行を補助する駆動車輪のモータ制御装置であって、
前記駆動車輪のモータの端子間電圧を前記車両の目標速度に応じて速度制御する速度制御部と、
前記速度制御部が出力する端子間電圧と前記モータを流下する電流値とを取得して前記駆動車輪の角速度を算出する速度オブザーバ部と、
前記速度オブザーバ部が算出した角速度と前記電流値とに基づいて前記車両に働く人力の値を推定する外乱オブザーバ部と、
前記外乱オブザーバ部が推定した人力の値に基づいて前記車両の目標速度を設定し前記速度制御部にフィードバックするアドミッタンス制御部と、を有し、
前記速度オブザーバ部が、端子間電圧Uと電流値Iと、予め取得されたモータの減速ギアのギア比grと前記モータの巻線抵抗Rと前記モータの逆起電力定数Keとから下記式に基づいて前記駆動車輪の角速度ωを算出し、
- 外乱オブザーバ部が出力した人力の値Fxsの急激な変動成分を除去するフィルタ部をさらに有することを特徴とする請求項1記載のモータ制御装置。
- 人力を動力とする車両の走行を補助する駆動車輪のモータ制御方法であって、
前記駆動車輪のモータの端子間電圧と前記モータを流下する電流値とを取得するVI取得ステップと、
前記VI取得ステップで取得した端子間電圧と前記電流値とに基づいて前記駆動車輪の角速度を算出する角速度算出ステップと、
前記角速度算出ステップで算出した角速度と前記電流値とに基づいて前記車両に働く人力の値を推定する人力推定ステップと、
前記人力推定ステップで推定された人力の値に基づいて前記車両の目標速度を設定する目標速度設定ステップと、
前記目標速度設定ステップで設定された目標速度に基づいて前記モータの端子間電圧を速度制御する制御ステップと、を有し、
前記角速度算出ステップが、端子間電圧Uと電流値Iと、予め取得されたモータの減速ギアのギア比grと前記モータの巻線抵抗Rと前記モータの逆起電力定数Keとから下記式に基づいて前記駆動車輪の角速度ωを算出し、
- 人力推定ステップで得られた人力の値Fxsの急激な変動成分を除去するフィルタステップをさらに有することを特徴とする請求項3記載のモータ制御方法。
- 仮想ダンピング係数Dを、順次入力する人力の値Fxs(n)と目標負荷Fxdとの差E(n)と学習ゲインで構成し、前記差E(n)が小さくなるように前記学習ゲインを順次変化させ、前記仮想ダンピング係数Dを最適化する学習ステップをさらに有することを特徴とする請求項3または請求項4に記載のモータ制御方法。
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