JP2015066965A - Control method of 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８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 reduced in size, it 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).
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、バッテリ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 on the basis of the above-described knowledge, and provides an inverted moving body control method capable of suppressing a decrease in the output voltage of the battery and improving the continuity of the inverted control. Objective.
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、前記モータの回転数及び出力トルクと、前記バッテリの残量、温度、及び劣化度の少なくとも１つを検出する工程と、前記モータの回転数及び出力トルクに基づく動作点が、力行領域にあり、且つ、前記バッテリの残量、温度、及び劣化度の少なくとも１つによって特定される出力可能領域を超えている場合、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、前記動作点が前記出力可能領域に含まれるように前記モータの回転数及び出力トルクを制限する工程と、を有することを特徴とするものである。 A method for controlling an inverted moving body according to a first aspect of the present invention is 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. And at least one of the output torque, the remaining amount of the battery, the temperature, and the degree of deterioration, and the operating point based on the rotational speed and the output torque of the motor is in the power running region, and the battery When the output possible range specified by at least one of the remaining amount, the temperature, and the deterioration degree is exceeded, the operating point is determined based on at least one of the remaining amount, the temperature, and the deterioration degree of the battery. And limiting the rotational speed and output torque of the motor so as to be included in the possible region.
上述した本発明の各態様によれば、バッテリ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 a control method for an inverted moving body that can suppress a decrease in the output voltage of the battery and improve the continuity of the inverted control.
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。
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の動作点が取り得る範囲となる。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.
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のモータ出力抑制処理について説明する。図７は、本実施の形態に係る倒立型移動体１のモータ出力抑制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、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が、ＥＣＵ１２、回転角センサ１７、１８、バッテリ２０、電流センタ２３、２４、及びジャイロセンサ２６に置き換わることになる。
Then, with reference to FIG. 7, the motor output suppression process of the inverted moving
ＥＣＵ１１は、モータ１３、１４のそれぞれの回転数及び出力トルク、バッテリ１９の残量、温度、及び劣化度を監視する（Ｓ１）。具体的には、ＥＣＵ１１は、回転角センサ１５、１６のそれぞれから出力された回転角信号を取得し、取得した回転角信号が示す回転角に基づいて、モータ１３、１４のそれぞれの回転数を算出する。また、ＥＣＵ１１は、電流センサ２１から出力された電流量信号が示す電流量に基づいて、モータ１３の出力トルクを算出する。また、ＥＣＵ１１は、電流センサ２２から出力された電流量信号が示す電流量に基づいて、モータ１４の出力トルクを算出する。また、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。
The ECU 11 monitors the rotation speed and output torque of each of the
ＥＣＵ１１は、現在のモータ１３、１４の動作点が力行領域であるか否かを判定する（Ｓ２）。具体的には、ＥＣＵ１１は、算出したモータ１３、１４の出力トルクと、算出したモータ１３、１４の回転数との符号が同一であるか否かを判定する。ＥＣＵ１１は、出力トルクと回転数の符号が同一である場合、モータの出力が力行領域であると判定し、出力トルクと回転数の符号が異なる場合、モータの出力が力行領域でない（回生領域である）と判定する。
The ECU 11 determines whether or not the current operating point of the
現在のモータ１３、１４の動作点が力行領域であると判定した場合（Ｓ２：Ｙｅｓ）、ＥＣＵ１１は、現在のモータ出力が出力可能領域であるか否かを判定する（Ｓ３）。具体的には、ＥＣＵ１１は、算出したモータ１３、１４の出力トルクと、算出したモータ１３、１４の回転数とに基づく動作点が、図６に示すような出力可能領域内に位置するか否かを判定する。
When it is determined that the current operating point of the
現在のモータ１３、１４の動作点が出力可能領域であると判定した場合（Ｓ３：Ｙｅｓ）、ＥＣＵ１１は、現在のモータ出力での倒立型移動体１の制御を開始（継続）する（Ｓ４）。
When it is determined that the current operating point of the
現在のモータ１３、１４の動作点が出力可能領域でないと判定した場合（Ｓ３：Ｎｏ）、ＥＣＵ１１は、バッテリ１９から０系の制御系への供給電圧Ｖｉｎが制限電圧未満となるように、モータ出力を制限する（Ｓ５）。すなわち、ＥＣＵ１１は、上述したように、バッテリ１９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。そして、ＥＣＵ１１は、制限したモータ出力での倒立型移動体１の制御を開始（継続）する（Ｓ４）。
When it is determined that the current operating point of the
現在のモータ１３、１４の動作点が力行領域でない（回生領域である）と判定した場合（Ｓ２：Ｎｏ）、ＥＣＵ１１は、回生動作（回生ブレーキ）が許容されるか否かを判定する（Ｓ６）。すなわち、本実施の形態に係る倒立型移動体１では、回生動作を実施するようにしてもよい。回生動作として、回生領域での動作時にモータ１３、１４で発生する電力をバッテリ１９に充電する充電方式としてもよく、倒立型移動体１に回生抵抗を備えるようにして回生領域での動作時にモータで発生する電力を回生抵抗によって熱に変換して放電する放電方式としてもよく、それらの方式を組み合わせた方式としてもよい。例えば、ＥＣＵ１１は、充電方式を実施するときには、バッテリ１９の充電量が所定の閾値よりも多くなり、充電限界に達していると判定した場合に、回生が許容されないと判定する。なお、バッテリ１９の充電量は、バッテリ１９からの残量信号が示す残量に基づいて特定すればよい。また、ＥＣＵ１１は、放電方式を実施するときには、放電熱により倒立型移動体１内の温度が所定の閾値よりも高くなり、これ以上の高温化が好ましくない状態に達していると判定した場合に、回生が許容されないと判定する。倒立型移動体１内の温度として、バッテリ１９からの温度信号が示す温度を利用するようにしてもよく、別途、倒立型移動体１内（例えば回生抵抗付近）に温度センサを備えるようにして、その温度センサで検出した温度を利用するようにしてもよい。
When it is determined that the current operating point of the
回生動作が許容されると判定した場合（Ｓ６：Ｙｅｓ）、ＥＣＵ１１は、現在のモータ出力での倒立型移動体１の制御を開始（継続）する（Ｓ４）。
If it is determined that the regenerative operation is allowed (S6: Yes), the ECU 11 starts (continues) the control of the inverted moving
回生動作が許容されないと判定した場合（Ｓ６：Ｎｏ）、ＥＣＵ１１は、充電量又は放電量を制限する（Ｓ７）。例えば、ＥＣＵ１１は、モータ１３、１４からの回生電流の流入先がバッテリ１９又は回生抵抗とならないように、回路的にパスを切り替えることで、それ以上に充電又は放電が実施されないようにする。そして、ＥＣＵ１１は、現在のモータ出力での倒立型移動体１の制御を開始（継続）する（Ｓ４）。
If it is determined that the regenerative operation is not allowed (S6: No), the ECU 11 limits the charge amount or the discharge amount (S7). For example, the ECU 11 switches the path in a circuit so that the inflow destination of the regenerative current from the
以上に説明したように、本実施の形態では、モータ１３、１４の回転数及び出力トルクに基づく動作点が、力行領域にあり、且つ、バッテリ１９、２０の残量、温度、及び劣化度の少なくとも１つによって特定される出力可能領域を超えている場合、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、動作点が出力可能領域に含まれるようにモータ１３、１４の回転数及び出力トルクを制限するようにしている。
As described above, in the present embodiment, the operating point based on the rotation speed and the output torque of the
これによれば、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。
According to this, current consumption 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及びモータ１３、１４の出力可能領域を、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 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)
前記モータの回転数及び出力トルクと、前記バッテリの残量、温度、及び劣化度の少なくとも１つを検出する工程と、
前記モータの回転数及び出力トルクに基づく動作点が、力行領域にあり、且つ、前記バッテリの残量、温度、及び劣化度の少なくとも１つによって特定される出力可能領域を超えている場合、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、前記動作点が前記出力可能領域に含まれるように前記モータの回転数及び出力トルクを制限する工程と、
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 rotational speed and output torque of the motor, the remaining amount of the battery, the temperature, and the degree of deterioration;
When the operating point based on the rotational speed and output torque of the motor is in the power running region and exceeds the output possible region specified by at least one of the remaining amount, temperature, and deterioration degree of the battery, Limiting the rotational speed and output torque of the motor so that the operating point is included in the output possible region based on at least one of the remaining battery level, temperature, and degree of deterioration;
A method for controlling an inverted moving body comprising:
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