Fig. 1 Schematic construction of a PWS vehicle Fig. 2 Main power circuit of an inverter system for two motors drive

505 計測 自動制御学会論文集 Vol.23, No.5 (昭和62年5月)

単 一 イ ンバ ー タ を 用 い た 複 数 誘 導 電 動 機 制 御 の

無 人 車 走 行 へ の 応 用 †

隈 元

昭＊・平 根 喜 久＊

An Application

of Multiple

Induction

Motor Control

with a Single Inverter

to an Unmanned

Vehicle Propulsion

Akira KUMAMOTO*

and Yoshihisa HIRANE*

This paper is concerned with a new scheme

of independent

control of two induction

mo-tors which are connected in parallel to a single

inverter.

This method is developed as an AC

motor alternative

of a currently-used

DC

mo-tor propulsion system for an unmanned ground

carrier vehicle, which is equipped with a pair

of identical motor-wheel

driving mechanisms

at right and left sides of the body. This type

of the ground vehicle, named as a Powered

Wheel Steering (PWS) Vehicle, because it can

be steered

by appropriately

controlling

the

speed difference of each motor together with

attaining the propulsion force by adjusting the

average speed of the two motors, is playing

an important role in the recent factory

automa-tion as a flexible carrier vehicle.

The paper firstly investigates

the required

basic running functions of a PWS vehicle and

the proposed hardware

to realize these

func-tions is described.

Followed

with the above

discussions,

the

speed

control

strategy

to

achieve the independent

control of the two

motors, under the limitation

of the proposed

single inverter

utilization,

is presented.

The

closed loop speed control program of motors is

developed based on this control strategy.

The

experimental

run of the test vehicle, with the

specification which is almost the same as a

cur-rently-adopted

100kg load-weight

carrier

ve-hicle, is executed to examine the effectiveness

of the proposed propulsion method.

The

results,

obtained

for

three

running

functions for a straight course, a curved course with a fixed radius of rotation and a spin-turn which is defined as a turn of the vehicle arround the tread center, indicate that the pre-sented method of induction motor propulsion assures a satisfactory operation for the vehicle control.

Furthermore, a self-sustained steering con-trol, where the vehicle itself estimates the pre-sent position and generates the steering com-mand so that the vehicle follows the pre-deter-mined course on the floor, is tried for the straight course running. The result demon-strates the possibility that the vehicle will be well controlled under the presence of the guid-ance commands.

Key Words: vehicle, inverter, induction motor, motor control 1. ま え が き 工 場 内 に あ って 各 種 素 材 ・工 具 ・製 品 な ど を運 搬 す る無 人 搬 送 車(以 下 無 人 車 とい う)は 最 近 のFA化 に お い て 重 要 な 役 割 を 担 って い る.無 人 車 の車 体 構 造 に は多 くの方 式 が あ るが,よ く用 い られ て い る もの は, 前 輪 で 操 舵 し後 輪 で 駆 動 す る方 式 と車 体 中央 部 の両 側 面 に 一 対 の 電 動 機 ・車 輪 よ りな る走 行 駆 動 系 を 独 立 に 設 置 す る左 右 独 立 輪 駆 動方 式 に大 別 さ れ る1),2).前 者 に比 べ て後 者 の 方式 は構 造 的 に前 後 対 称 とな る た め, 最小 回 転半 径 が小 さ く,前 進 ・後 進 時 の 走行 軌跡 を 同 一 とで きる な ど の 利 点 が あ り,小 形 無 人 車 で 賞 用 さ れ て い る.こ の 方 式 の 無 人車 は,駆 動 ・操 舵 の 両 機能 を 左 右 車 輪 の平 均 回転 数 お よ び 回転 数 差 の 制 御 に よ って いる こ とか らPWS (Powered Wheel Steering)車 と も呼 ば れて い る1).

PWS無 人 車 に 限 らず 一 般 に無 人 車 の 走行 用 電動 機 † International Conference of IECON '84で 発 表

(昭 59・10)

＊ 関 西 大 学 工 学 部 吹 田 市 山 手 町3-3-35 * Faculty of Engineering

, Kansai University, Suita (Received February 12, 1986)

506 昭和62年5月 計 測 自動制 御 学 会 論 文 集 第23巻 第5号 に は 制 御 性 に優 れた 直 流 電 動 機 が 現 在 採 用 さ れ て い る.し か し,直 流電 動 機 は 高 価 で あ り,周 知 のよ うに ブ ラ シ の定 期 的交 換 を 必要 とす る な ど 保 守 性 の悪 い欠 点を 有 す る た め,堅 牢 ・低 価 格 で保 守 性 の よ い誘 導 電 動 機 の 利 用 が望 まれ て い る.誘 導 電 動 機 をPWS無 人 車 に 適 用 す る に 際 して は,左 右 の 電 動 機 を 別 々 に2台 の イ ンバ ー タ で個 別 に独 立 制 御す れ ば 総合 的 な制 御性 は 向 上 す る が,同 一 の複 数 台 イ ンバ ー タ を 必 要 と し, 価格 ・設 置場 所 の空 間 利用 な ど の面 で 不 利 と な る.ま た,イ ンバ ー タを 構 成す る比 較的 信 頼 性 の 低 い電 力用 ス イ ッチ ング素 子 の 必要 個 数 が増 加 し,保 守 性 も低下 す る. こ れ らの観 点 か ら,本 研 究 で は誘 導 電 動 機 を 用 い た PWS無 人 車 の 一制 御 法 と して,必 要 最小 限 の電 力変 換 回 路 によ る単 一 イ ンバ ー タ を用 い た 複 数 誘 導 電 動機 の制 御 方式 を提 案 す る も の で あ る3)∼6).本方 式 で は, 左 右 の 誘導 電 動 機 は基本 的 に は 単 一 の イ ンバ ータ に 並 列 接 続 さ れ,各 電 動 機 の入 力 三相 の う ち の 一 相 に トラ ィ ア ック を挿 入 して これ を位 相 制 御 す る こ とで, 走 行 用 の両 電 動 機 を 制 御 す る.こ こ に 提 案 す る方 式 は,両 電動 機 の駆 動 用主 回路 構 成 が きわ め て 簡 単 で あ り,価 格 ・空 間 利 用 ・保 守 の面 で有 利 な シス テ ム とな る. 以 下,本 文 で は,PWS無 人 車 に望 ま れ る走 行 機能 につ い て述 べ,こ れ を実 現 す る提 案 の ハ ー ドウ ェア の 概 要 を 述べ る.ま た,本 研 究 で用 い た 単 一 イ ンバ ータ 方 式 で は,電 動 機 駆 動 回路 の簡 単 化 に よ って 制 御 の 自 由度 が い くぶ ん 低 下 す るた め,電 動 機 の 速 度 制 御 が線 形 制 御 と な らず 多 少 制約 さ れ る が,速 度 制 御 プ ログ ラ ムの くふ う に よ って 実用 上 十 分 な走 行 機 能 が 実 現 さ れ る こ と を試 作 車 の 走行 実 験 か ら明 らか に して い る. 2. 試 作PWS無 人 車 2.1 PWS無 人 車 と走 行 機 能 PWS無 人 車 の車 体 構 造 をFig. 1に 示 す.通 常, 車体 中 心 軸上 の 前 ・後 キ ャ ス タ は前 進 ・後 進 に応 じて い ず れ か 片方 が 用 い られ,車 体 両 側 面 の 左 右 車 輪 と と もに3点 支持 で車 体 を 支 え る.図 に示 す よ う に,PWS 無 人 車 は前 後 対 称構 造 で あ り,車 軸 中 心 点 を 旋 回中 心 と して 左 右車 輪 を互 い に逆 回 転 させ そ の 場 旋 回(以 下 ス ピ ンタ ー ン とい う)で き る.ま た,こ の 対 称 構 造 の た め に前 進 ・後 進 時 の走 行 軌 跡 を ほ ぼ 同 一 と で き,回 転半 径 も小 さ く,フ レキ シ ブ ル な走 行 経 路 の 設 定 が 可 能 で あ る. こ こで,無 人 車 の走 行 機 能 につ い て 考 え る.理 想 的 には 無 人 車 の 走 行 経 路 に い か な る制 限 も課 せ られ るべ

Fig. 1 Schematic construction of a PWS vehicle

きで はな いが,現 状 で は工 場 内 で利 用 され る無 人車 の 大 半 は平 面 床 を 走 行 し,電 磁 誘導 あ る い は光 学 誘 導 な どの 何 らか の 外 部 誘 導 手 段 によ って,定 め られ た 所定 の 経 路 を 追従 す る よ うに 誘 導 さ れ るの が 普通 で あ る. 設 定 経 路 と して は任 意 形 状 の 経路 が考 え られ る が,基 本 的 に は直 線 走 行 ・所 定 の回 転 半径 で 円 弧 状 に 旋 回 す る 曲線 走 行 に お け る経 路 追 従 性 と,PWS無 人 車 で は前 述 の ス ピ ンタ ー ン走 行 の3機 能 が 重 要 と考 え られ る.ま た,走 行 用 電 動 機 速 度 制 御系 へ の 操 舵指 令 の 与 え 方 に よ り,外 部 誘 導 方 式 の ほか,無 人 車 自体 で車 両 の 床 面 上 の 現 在 位 置 を 判 定 し自己操 舵 す る 自律 走行 方 式7)が あ る.後 者 の方 式 は 現在 研 究 段 階 に あ り,本 研 究 で は無 人車 は 基 本 的 に は外 部誘 導 され る こと を前 提 と し,与 え られ た操 舵 指 令値 す なわ ち両 電 動機 へ の 回 転 数 指 令 値 に対 す る無 人 車 の 走行 ・操 舵 機 能 に着 目 し て,主 と して 電 動 機 制 御 を 中心 に直 線 ・曲線 ・ス ピ ン タ ー ンの 各 走行 につ いて 検 討 した. 2.2 走 行 用 誘 導 電 動 機 の単 一 イ ンバ ー タ制 御 方 式 PWS無 人 車 の 左 右 の 誘 導 電 動機 を 制 御 す る た め の イ ンバ ータ 回 路 と して,本 研 究 で はFig. 2に 示 す 単 一 イ ンバ ー タ方 式 を 提 案 す る.こ こで,Esは 無人 車

Fig. 2 Main power circuit of an inverter system for two motors drive

隈 元 ・平 根:単 一 イ ンバ ー タ を用 いた 複 数 誘 導 電 動 機 制 御 の無 人 車 走 行 へ の応 用 507 塔 載 の蓄 電池,IMA・IMBは 車 体 左 右 に設 けた 誘 導 電 動 機 で あ り,両 電 動 機 を 単 一 の イ ンバ ー タ に並 列 接続 す る.し か しな が ら,イ ンバ ー タ1台 のみ で 複 数 の誘 導 電 動 機 を 独立 制 御 す る こ と は原 理 的 に不 可 能 で あ る か ら,必 要最 小 限 の 電 力 用 素 子 と して 図 の よ う に トラ イ ア ックTRA・TRBを 両 機 のW相 に それ ぞれ 挿 入 し て い る.こ れ よ り,電 動 機 速 度 制 御 時 の 操 作 量 は,イ ンバ ータ 周波 数fINV, TRAお よ びTRBの 位 相 制 御 角 αAお よ び αBと な る.な お ジ本 単 一 イ ンバ ータ方 式 の無 人車 へ の適 用 に先 立 ち,本 回路 の基 礎 特 性 を慣 性 負 荷 を 有 す る ベ ンチ テ ス トで検 討 した3)∼5). 2.3 試作 車 の仕 様 ベ ンチ テ ス トで の実 験 に続 い て,実 験 用PWS無 人 車 を 試 作 した.そ の 主 要 諸 元 をTable 1に 示 す. 本 車 両 は,PWS無 人 車 が一 般 に小 形 ・低 荷 重 の搬 送 用 に用 い られて い る こ と か ら,ほ ぼ100kgま で の搬 送 を前 提 とす る もので,車 両 の 走行 速 度 上 限値60m/ minは 現 用 無 人車 の仕 様 に 合 せ て い る.供 試 イ ン バ ー タ は簡 単 の た め に汎 用 のV/F一 定 制 御 され る も のを 用 い た.イ ンバ ータ 周 波 数 可 変 範 囲 は3∼80Hz で あ り,上 記 の速 度 上 限 値 を十 分 に カバ ー して い る. 試 作 車 は12V蓄 電 池 を4ユ そ ッ ト塔 載 して お り, タ ップ切 換 で12Vお き に最神適 と思 われ る電 池 電 圧 を 実 験 的 に選 定 し,36Vで 使 用 す る こ と に した.エ ン コーダ はゴ ム ロー ラを 介 して 車 輪 に接 触 し電 動 機 回転 数 を間 接 的 に計数 す る方 式 を 用 い て い る.な お,同 規 模 の現 用 無 人車 の 曲線 走 行 時 の最 小 回転 半 径 は ほぼ 0.6mで,回 転 速 度 は15m/minほ ど が標 準 仕 様 で あ

Table 1 Test vehicle specification

る2).後 章 の 曲線 走行 実 験 にお い て もこ れ らの 数値 を 参 考 と した. 3. 走 行 用 電 動 機 の 制 御 系 3.1 電 動 機 駆 動 回路 試 作 車 の 誘 導 電 動 機IMA・IMBの 駆 動 ・制 御 回路 をFig. 3に 示 す.図 で,Es,イ ンバ ータ,ト ラ イ ァ ッ クA∼D, IMA・IMB, TRA・TRBよ り な る部 分 は単 一 イ ンバ ー タ方 式 の誘 導電 動 機 駆 動 回 路 で あ る. Fig. 2の 原 理 図 と比 較 して 追加 したA∼Dの 素 子 は, イ ンバ ータ の 相 回 転 方 向 を順 方 向 と逆方 向 に瞬 時 に切 換 え る 目的 で 用 い た もので あ る.こ れ に よ り,2.2節 で 述 べ た 操 作 量 に イ ンバ ータ 出力 交 流 電 圧 の 相 回 転 方 向 が 追 加 され る.実 験 で 使用 した 汎 用 イ ン バ ー タ で は,電 動 機 を 逆 相 制 動 で 減速 す る に際 して 出 力 の 相 回 転 方 向 を 瞬 時 に切 換 え る ことが で きな い.こ の た め, 便 宜 的 に上 述 の手 法 を 用 い たが,イ ンバ ー タ を 構 成 す る トラ ンジ ス タ ア ーム の ベ ース信 号 の シ ー ケ ンス を直 接 変 更 す れ ば,こ こで 追加 したA∼Dの トライ ア ッ

508 昭 和62年5月 計 測 自動 制御 学会 論 文 集 第23巻 第5号 クは本 質 的 に不 要 で あ り,Fig. 3の 電 動 機 駆 動 回路 は先 の原 理 図 と同 じ構 成 とな る. 3.2 電 動 機速 度制 御 回 路 Fig. 3で 前 節 の 電動 機 駆 動 回路 以 外 の部 分 が 電 動機 制 御 回路 で あ る.本 回路 は汎 用8ビ ッ トCPUと イ ン タ フ ェー ス部 よ りな る.前 進 ・後 退 ・停止 な どの 走行 指 令 と電 動機 の 回 転数 指 令 値NRefA・NRefBに 基 づ き, タ イ マICを 用 い て エ ンコ ーダ パ ル ス を計 数 し電動 機 の 回転 数 偏 差 を得 る.こ れ よ り,次 章 で述 べ る速度 制 御 プ ロ グ ラ ムに よ って,位 相 制 御 角指 令 αA・αB,汎 用 イ ンバ ー タへ の 周波 数 指 令fINV Command,さ らに, イ ンバ ー タへ の 出 力相 回 転 方 向指 令F/R Command を 作 成 す る.イ ンタ フ ェ ー ス部 で は,イ ンバ ータ の 出 力 電 圧 に 同期 した信 号 を も と に,分 解 能1° の 位相 制 御 信 号 を 作 成す る.Forward/Reverse Controllerは イ ンバ ータ の 出力 周 期 に 同 期 して 電 動機 へ 印加 す る交 流 の相 回 転 方 向 を瞬 時 に切 換 え る もの で あ る.な お, エ ンコ ーダ パ ル ス の計 数 お よ び各 操 作 量 の 出力 周 期 は 16msに 設 定 した. 4. 走 行 用 電 動 機 の 速 度 制 御 法 4.1 電 動機 の 速 度 制 御 モ ー ド 2.1 節 で 述 べた よ う に,PWS無 人 車 の基 本 的走 行 機 能 に は直 線 ・曲 線 ・ス ピ ンタ ー ンの各 走 行 が考 え ら れ る.こ の うち,直 線 お よ び曲 線 走 行 につ い て は,左 右 の 電 動 機速 度 制 御 系 へ の 回 転 数 指 令 値 が ほぼ 同一 で あ る か大 き く異 な って い る か の 違 いが あ る もの の,基 本 的 に は 同 じ速 度 制 御 法 で 十 分 と い え る.こ れ に対 し,ス ピ ンタ ー ン走行 で は両 車 輪 の逆 回 転 を 単一 イ ン バ ー タ方 式 で 実 現 す る必 要 が あ り,直 線 ・曲線 走 行 と は異 な る速 度 制 御 法 が必 要 とな る. 4.1.1 直 線 ・曲線 走 行 単一 イ ンバ ータ 方 式で は 両 電 動 機 に対 して 同一 周 波 数 ・同一 相 回 転方 向 の交 流 電 圧 が 印 加 され る.ま た, 位 相 制 御 角 の 調 整 に よ り,両 電 動 機 の 出力 トル クを 制 御 で き るが,一 般 に 回生 制 動 にお いて 位 相 制 御 を併 用 して も,両 電 動機 を独 立 に 制 御 す る こ と はで き な い こ と が ベ ンチテ ス トお よ び試 作車 の 開 ル ープ 走行 実 験 で 判 明 した.し た が って,い ず れ か 片 方 の 電 動機 を大 幅 に減 速 す る必要 の あ る場 合 に は,イ ンバ ータ 出力 の相 回 転 方 向を 反転 し,逆 相 制 動 に よ る減 速 を行 う必 要 が あ る.と ころ で,両 電 動 機 を と も に減 速 す る場 合 は単 に逆 相 制 動 を行 え ば よ い が,い ず れ か 片 方 は大 き く減 速 す る必 要 の な い場 合 に は,逆 相 制 動 に よ る不 必 要 な 制 動 トル クが 減速 を要 しな い 電 動 機 に発 生 す る こと は 好 ま し くな い.そ こで,こ の よ うな 場 合 に は,減 速 を 必 要 と しな い 側 の 電動 機 の 位 相 制 御 角 を180° と し て 単 相 運 転 す る.供 試 電 動 機 の単 相 運 転 時 の 発 生 トル ク は三 相 運転 時 に 比べ て 十 分小 さ いた め,単 相 運 転 期 間 中 は 惰行 運 転 す る こ と にな り,不 必 要 な 急 減 速 を 避 け る こ とが で きる.ま た,回 転 数 指 令 値 と実 際 の 回転 数 の相 対 関係 に よ って,片 方 を加 速 し同 時 に 他 方 は減 速 す る 必 要 が 生 じる場 合 が あ る.回 転 数 偏 差 が 小 さ け れ ば,fINV・ αA・αβ な ど の調 整 で こ とた りる が,偏 差 が 大 き け れ ば 急加 速 と急 減 速 を 同時 に行 う こ と は単 一 イ ンバ ー タ方 式 で は不 可 能 で あ る.そ こで,本 方 式 で は 応 答 性 の優 れ た逆 相 制 動 によ る減 速 を 優 先 させ る こ と と し,い ず れ か一 方 を 大 幅 に減 速 す る必 要 の あ る場 合 に は常 に減 速 を先 行 させ る こと と して い る. 以 上 の こと か ら,直 線 ・曲線 走 行 にお い て は,逆 相 制 動 の 有無 に よ って 電 動 機 の速 度 制 御 モ ー ドが 二 つ に 大 別 さ れ る こと に な る. 4.1.2 ス ピン タ ー ン走 行 単 一 イ ンバ ー タ方 式 で は片 方 の電 動 機 に正 転 トル ク を 与 え,同 時 に他 方 の 電 動機 に逆 転 トル クを 与 え る こ と は 不 可能 で あ る.そ こで ス ピ ンタ ー ン走 行 で は以 下 の手 法 を用 い る. i) モ ー ド1:片 方 を 正転 させ る. ii) モ ー ド2:相 回転 方 向を 反 転 し他 方 を 逆 転 さ せ る.た だ し,こ の 際 も う一 方 の 電 動 機 の 位相 制 御 角 は180° と し単 相 運 転 す る. iii) モ ー ド1と モ ー ド2を 適 宜 交 互 に繰 返 す. こ れ らの モ ー ドを 切 換 え る タ イ ミ ングの 与 え 方 と し て 一 定 時 間 ご と,一 定 走行 距 離 ご と な ど が 考 え ら れ る.前 者 で は,電 動 機-車 輪 駆 動 系 の不 平 衡,車 輪 の ス リ ップ な ど の悪 影 響 が考 え られ る.そ こで,本 研 究 で は,後 者 の方 法 を 改 良 し左 右 輪 の走 行 距 離 を 積 算 し て,そ の偏 差 が あ る一 定値 以 上 にな った 時 点 で モ ー ド 切 換 え した.こ の 方 法 に よ る と,片 方 の 駆 動 輪 の み に 着 目 した一 定 走 行 距 離 切 換方 式 に生 じう る非 駆 動 輪 の 惰 性 に よ る移 動 の累 積 誤 差 を排 除 す る こ とが で き る. また,車 輪 速 度 に上 限 を 設 定 して 実 験 を 行 った. 4.2 速 度 制 御 プ ロ グ ラム 前 節 の方 針 に基 づ い て 作成 した 直 線 ・曲 線 走 行 時 の 速 度 制 御 プ ログ ラムの 概 略 フ ロー チ ャ ー トをFig. 4 に示 す. 図 に示 さ れ る よ う に,逆 相 制動 は両 輪 と も に十 分 減 速 した 時点 で解 除 され る.イ ンバ ー タ の相 回 転 方 向 が 順 方 向 の場 合,い ず れ か の 電 動機 を 大 き く減 速 す る に は,逆 相 制 動 に よ る制 御 を 実施 し,単 相 運 転 を こ こで 併 用 す る.な お,fINVお よ び αA・αβ の決 定 法 に つ い

-88-隈 元 ・平 根:単 一 イ ンバ ー タを 用 い た 複 数 誘 導 電 動 機制 御 の無 人 車 走行 へ の応 用 509 て は,文 献6)を 参 照 さ れ た い.

ス ピ ンタ ー ン走 行 制 御 用 プ ロ グ ラム につ い て は,紙 数 の都 合 上割 愛 す る.

Fig. 4 General flow-chart of speed control in case of either straight or curved course running

(a) V=10m/min (b) V=40m/min (c) V=25m/min 10m/min Fig. 5 Experimental results of straight course running for various vehicle velocity commands (horizontal axis

1s/div) 5. 走 行 実 験 結 果 5.1 直 線 走 行 与 え られ た 無人 車 の速 度 に 対 して両 車 輪 が理 想 的 に 走 行 す る場 合 の 電 動機 換 算 回 転 数 を 指 令 値 ど して これ を メ モ リー に格 納 し,直 線 走 行 を 想 定 した 走行 実 験 を 実 施 した.Fig. 5に 低 速(V=10m/min),中 高 速(V= 40m/min)で の実 験 結 果 を(a), (b)に そ れ ぞ れ 示 す.V=10m/minで の 走 行 時 の理 想 的 電 動 機 回転 数 は260.9rpmで あ るが,両 電 動 機IMA・IMBと もに ほぼ 良 好 に制 御 さ れ て い る こ とが わ か る.ま た,無 人 車 の発 進 時 に は位 相 制 御角 を0° と して大 きな 加 速 ト ル クを 得 て い る こ とが示 さ れ る.高 速 走行 で は イ ンバ ー タ周 波 数 は(b)図 に示 され る よ うに 徐 々 に増 加 さ れ て い る.向(c)図 は25m→10m/minへ の 減 速 の よ う す を 示 す もので,減 速 開始 直 後 の位 相 制 御 角 αAが0° と な って い る期 間 は,逆 相 制 動 が 行 わ れ て い る こと を 示 して い る.以 上,い ず れの 場 合 に も両 電 動 機 の 回転 数 は ほ ぼ指 令 値 に追 従 して お り,十 分 な速 度 制 御 が な さ れ て い る とい え る. 一 般 に_{,車 両 の 走 行速 度 が 低 い場 合,走 行 軌跡 を 円} 弧 状 と 仮 定 して 車 両 の床 面 に対 す る軌 跡 を 算 出 で 幽ぎ る7).そ こで,本 原 理 に よ る位 置計 測 シス テ ム を構 築 し,位 置 計測 情 報 に基 づ いた 簡 単 な 自律 直 線 走行 を試 み た結 果 の一 例 をFig. 6に 示 す.一 定 の 回転 数 指令 を 両 電 動機 速 度 制 御 系 に与 え る の みで な ん らの操 舵 も しな い(a)図 の場 合 で は,床 面 状 況 な ど の 不確 定 性 要 因 に よ り,無 人 車 の 走行 軌 跡 は理 想 的 直 線 経 路(横 軸 方 向)か ら大 き く偏 移す る.こ れ に対 し,な ん らか の 誘 導 を行 え ば(b)図 に示 す よ う に無 人 車 は所 定 の経 路 を追 従 す る.し た が って,操 舵 指 令 を 与 え る誘 導 方 式 を 改良 す る こ と に よ り,本 研 究 で用 い た単 一 イ ンバ ー タ 方 式 によ る誘 導

(a) Without guidance

(b) With self guidance

Fig. 6 Effect of self guidance in case of straight course running (vehicle velocity command V=30m/min)

510 昭 和62年5月 計 測 自動 制 御 学 会 論 文 集 第23巻 第5号 電 動 機 制 御 方 式 をPWS無 人 車 へ 適 用 す る こ と は十 分 に実 用 性 が あ る もの と考 え られ る. 5.2 曲 線 走 行 車 軸 中心 点 の 回転 半 径Rと 無 人 車 の平 均 走 行 速 度V よ り定 ま る両 電動 機 の理 想 的 回転 数 を 指 令 値 と して, 電 動 機 速 度 制 御系 へ 与 え た場 合 の 曲線 走行 実 験結 果 を Fig. 7に 示 す.い ず れ の 場 合 に お いて も旋 回直 前 に お け る無 人 車 の直 線 走 行 速 度 は,旋 回 中 の 平均 走行 速 度 と 同一 と した.(a)・(c)図 で は,旋 回 開 始 と同 時 に逆 相制 動 に よ り内側 車 輪 を大 き く減 速 して い る が (イ ンバ ー タ相 回転 方 向信 号F/Rは この 間Rを 示 す), この 期 間 中 の両 電 動 機 の 位 相 制 御 角 の 設定 の よ うす が よ く示 され て い る.こ こで,減 速 を 要 しな い外 側 車 輪 も一 時 的 に 減 速 す るが,こ の 期 間 は 約1秒 で あ り,走 行 軌 跡 に大 き く影 響 す る こ と はな い.ま た,通 常,旋 回 後 に は直 線 走 行 に移行 す る こ とが 多 く,コ ー スず れ は こ の段 階 で 補 正 で き る.(b)図 の よ うに回 転 半 径 が 大 き く,内 輪 を大 き く減 速 す る必 要 の な い場 合 に は, 逆 相 制 動 は用 い られ て お らず,位 相 制 御 ・周 波 数 制 御 に よ って 旋 回 す る. 曲 線 走 行(た だ し操 舵 せ ず)に お け る無人 車 の 走行 軌跡(実 線)を 理 想 経 路(破 線)と 比 較 し た 結 果 を Fig. 8に 示 す.A点 よ りB点 まで は 直線 走 行 指 令 を, B点 よ りC点 まで は一 定 の 曲 線 走 行 指 令 回転 数 を両 電 動機 に 与 え て い る.一 般 的 に は回転 半径 の大 き い場 合 が両 輪 の 回 転 数 変 動 振 幅 が小 さい た め に良 好 な走 行 軌 跡 が得 られ る もの と考 え られ るが,実 験 結 果 で は操 舵 を行 って い な いた め に 外 乱 を 受 け,必 ず しも 同様 の結 果 は得 られ て いな い.し か しな が ら,走 行 軌 跡 は ほ ぼ (a) V=10m/min, R=0.5m (b) V=10m/min, R=1.5m (c) V=20m/min, R=1.0m Fig. 7 Experimental results of curved course running for

various course patterns (horizontal axis 1s/div)

(a) R=0.5m, V=10m/min

(b) R=1.35m, V=10m/min

Fig. 8 Experimental traces of tread center in case of curved course running

(a) Vlimit=5m/min

(b) Vlimit=l5m/min

Fig. 9 Experimental traces of tread center in case of spin-turn 所 定 の 円形 経 路 を追 従 す る こ とが 確 認 さ れ る. 5.3 ス ピ ンタ ー ン走 行 車 軸 中心 点 を原 点 と して 直 交xy軸 を 床 面 に想 定 し,x軸 方 向か ら180° ス ピ ンタ ー ン を行 った 場 合 の車 軸 中 心 点 の 移 動軌 跡 を測 定 した 結 果 を 神Fig. 9に 示 す.こ こで,Vlimit は上 限車 輪 速 度 で あ る.ま た,しス ピ ンタ ー ン 時 の モ ー ド切 換 え は 車 輪 の累 積 走行 距 離 が 5mmの 偏 差 を両 輪 で生 じる ご とに行 って い る.こ の結 果 か ら,低 速 で ス ピ ンタ ー ンさせ る こと に よ り,方 位 角 ・車 軸 中心 点 と もに 比 較 的良 好 な制 御結 果 が 得 られ る こ とが 示 され る. 6. 本 方 式 の 問 題 点 と 今 後 の 展 開 これ ま で の 議 論 に よ り,本 提 案 の単 一 イ ン バ ータ方 式 の 無 人車 へ の応 用 に つ いて,そ の 基 礎 的 有 効 性 が確 認 さ れ た.こ こで,本 方 式 の 問題 点 と今 後 の展 開 に つ い て 考 察す る.前

隈 元 ・平 根:単 一 イ ンバ ー タを 用 い た 複 数 誘 導 電 動 機 制 御 の 無 人 車 走 行 へ の 応 用 511 者 と して は トラ イ ア ック に よ る イ ンバ ータ の 不 平衡 制 御 お よ び イ ンバ ータ ・電 動機 系 の単 一 イ ンバ ータ方 式 に帰 因 す る非 線 形 制 御 な ど に よ る制 御 性 の 低 下,振 動 の増大 な どが 考 え られ る.ま た,イ ンベ ータ 周 波 数 が 低下 す る につ れ て,位 相 制 御 周 期 が 長 く な る 結 果, 電 動機 制御 を 高 速 に行 え な くな る.こ れ らの 欠 点 は本 方式 で は あ る程 度 や む を 得 な い もので あ るが,本 方 式 が小 形 ・低 価 格 ・簡 易 な無 人 車 の開 発 を 目的 と して い る こ と もあ って,実 用 上 大 きな 障害 と な る こ と はな い もの と 考 え ら れ る.な お,実 際 の走 行 実 験 に際 して は,ス ピ ンタ ー ン走 行 を 除 いて 比 較 的 振 動 も少 な く, 良 好 な 走行 が 確 認 され て い る.ま た,イ ンバ ータ の低 周 波 運 転 は無 人 車 の発 進 ・停 止 時 の み に用 い られ る も ので,こ の 際 に高 速 な 電 動機 制 御 は そ れ ほ ど要 求 さ れ る こ と はな い. 今 後 の展 開 と して は,本 方 式 の解 析 結 果 に基 づ く制 御 プ ロ グ ラム の改 良 と 単 一 イ ンバ ー タ方 式 の 無 人 車以 外 へ の 応用 が考 え られ る.誘 導 電動 機 の単 一 イ ンバ ー タ制 御 時 の特 性 解 析 はパ ワー エ レク トロ ニ クス手 法 を 用 いて 十 分 に可 能 で 毒 ろ う.し か しな が ら,電 動 機 を 制 御 す る理 由 は本 質 的 に は無 人 車 の経 路 に対 す る位 置 を 制 御 した いか らで あ る.ま た,イ ンバ ータ は本 質 的 に は電 動 機発 生 トル ク を 調節 す る も の で あ る.そ こ で,よ り優 れた 無 人 車 シス テ ム の実 現 に は,PWS車 の両 輪 へ の 印加 トル ク を 入 力 と し無 人 車 位 置 を 出 力 と す る無 人車 ダ イ ナ ミク ス を究 明す る必 要 が あ る.イ ン バ ー タ ・電動 機 系 の特 性 解 析 は こ のダ イ ナ ミ クス の究 明 と結 合 して 初 めて そ の 真価 を 発 揮 す る もの で あ る. な お,本 提 案 の方 式 の他 へ の応 用 につ いて は,リ ニ ア誘導 電 動機 方 式 パ レ ッ ト搬 送 シ ス テ ムが あ る.リ ニ ア誘 導 電 動機 を 経 路 沿 い に多 段 設 置す る際,こ れ らを 個 々の イ ンバ ー タで 制 御 す る こ と は コス ト的 に も割 高 にな る.そ こで,い くつ か の電 動 機 を 一 括 し,単 一 イ ンバ ー タ方 式 で 同時 制 御 す る こ とが 考 え られ る.こ の 際 は,近 接 す る2台 の リニ ア誘 導 電 動 機 を互 い に逆 方 向 推進 力 を生 じる よ う に制 御 す る 必 要 が な く,PWS 車 の ス ピ ンタ ー ン走 行 で 採用 した よ う なモ ー ド切 換 え も不 要 とな る.し た が って,単 一 イ ンバ ー タ方 式 に位 相 制 御 を併 用 す る今 回 提 案 の方 式 で 十 分 で あ る と考 え られ,今 後 の検 討 課 題 の一 つ と いえ よ う. 7. あ と が き PWS無 人 車 の 走 行 用 電 動 機 制 御 方 式 と して,現 在 用 い られて い る直 流 電 動 機 に代 って 誘 導 電 動機 を 用 い る際 に,電 動 機 駆 動 回 路 の簡 単 化 が 実 現 さ れ る単 一 イ ンバ ー タ方 式 を 提 案 した.本 方 式 の 電 動 機 制御 方 法 を ベ ン チ テ ス ト な らび に実 規 模 の試 作 車 によ る回 転 数 フ ィー ドバ ック を有 しな い開 ル ー プで の 走 行 実 験 を も と に基 礎 特 性 を 考 察 し,こ れ よ り 閉ル ープ 制 御 プ ログ ラム を作 成 して,各 種 走 行 実 験 に より 提 案 の 方 式 の有 効 性 を 主 と して 電 動 機 制 御 につ いて 確 認 した.本 研 究 で 得 られ た 主 要 な結 論 はつ ぎの とお りで あ る. (1) 単一 イ ン バ ー タ 方 式 複 数 誘 導 電 動 機 制 御 で は,両 電 動 機 を 独 立 制 御 す るた め には,周 波 数 制 御 位 相 制 御 ・イ ンバ ー タ 出力 交 流 の 相 回 転 方 向 制 御 を 行 う必 要 が あ る.ま た,回 生 制 動 に位 相 制 御 を 併 用 す る こ と は必 ず しも電 動 機 の 独 立 制 御 を 保証 しえ な い. (2) 無 人 車 走 行 に あた り基 本 的 走行 機 能 と して 考 え られ る直 線 ・曲線 ・ス ピ ン タ ー ン の 各 走 行 につ い て,試 作 車 を 実 際 に走 行 させ る こ とで,提 案 の 方 式 に よ って十 分 に制 御 で き る こ とが 確 認 され た. (3) 走 行 実 験 は基 本 的 に外 部 誘 導 され る無 人 車 を 想 定 して い る た め 一定 の 回転 数 指 令 値 で 行 った が,一 部 自律 走行 を試 み て本 方 式 の無 人 車 を 上 位 誘 導 制 御 系 で 外 部 誘 導 す る 際 の性 能 の めや す と した.こ れ よ り, 無 人車 の 姿 勢 な ど の制 御 が十 分 に可 能 で あ る ご とが 判 明 した. (4) 実 車 へ の応 用 に 関 して は,誘 導 方 式 の 検 討 と 共 に 停止 精 度 な ど につ いて 検 討 す る必 要 が あ る.こ の た め に は無 人 車 の誘 導 シ ステ ム を 確 立 す る こ とが 要 請 さ れ る が,本 研 究 は主 と して 提 案 の 方 式 に よ る走 行 駆 動 系 の動 作 に重 点 をお いて 検 討 した もの で あ り,こ の 点 につ いて は今 後 の研 究 に待 ち た い. 最 後 に,本 研 究 の遂 行 に 際 し多大 の便 宜 を 仰 い だ 日 立 機 電 工 業(株)の 関係 各 位 な らび に 実験 に協 力 して い た だ いた 岡 部 淳 一 郎 君(現 在 三 菱 電機(株)勤 務)に 深 謝 す る. 参 考 文 献 1) 高野英 彦監修:自 動搬送技 術,252,ト リケ ップ ス (1983) 2) 金沢,山 本,畑,村 田,大 庭,田 中:小 物 搬送無人車 「ミニカ ー ト」,神鋼電機, 26-4, 50/56 (1981) 3) 岡部,隈 元,平 根,田 中:単 一 インバ ータによる複数 誘 導電動 機相互運 転 システム,昭 和58年 電気学会全国大会 講演論文集, 629 (1983) 4) 同上:単 一 インバ ータに よ る複数誘導電動機相互運転 シ ステ ム 〔II〕,昭和58年 電気関係 学会 関西支部連合大会 講演論文集, G92 (1983) 5) 同上:電 気車走行 のための単一 インバータに よ る2機 誘 導電動機 の 制御方式,第7回 ビークル ・オ ー トメー ショ ン ・シンポジウム講演論文 集, 13/16 (1984)

6) J. Okabe, A. Kumamoto, Y. Hirane and H. Tanaka: Independent Closed-Loop Control of Two Induction Motors Paralleled to a Single Inverter and its Application to an Automatically Guided Ground Vehicle, Proceedings of IECON '84, 180/185 (1984)

7) 津 村,藤 原,白 川,岡 崎:地 図上 の コ ース 指 示 に よ る 移 動 体 の 自動 誘 導,シ ス テ ム と制 御, 25-3, 167/174 (1981)