(57)【要約】【課題】船舶のハイブリッド推進において、主機関出力の現在値と目標値の偏差をＰＩＤ演算して得たアシストトルク指令値でモータをアシストし、ガバナ制御される主機関を効率よく運転する。【解決手段】船舶推進装置１は、プロペラ９と、ガバナ３で制御される主機関２と、インバータ１２でトルク制御されるモータ１４と、コントローラ４を有する。コントローラのＰＩＤレギュレータ２５は、主機関出力の現在値と目標値の偏差をＰＩＤ演算して得たアシストトルク指令値でインバータを制御するので、主機関出力とモータアシスト量の配分を最適化でき、ガバナ制御される主機関を効率よく運転することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガバナにより制御される主機関と、インバータによりトルク制御されるモータとによりプロペラを回転させて船舶を推進させるハイブリッド推進におけるモータの制御方法であって、
現在主機関出力を取得する現在主機関出力取得工程と、
現在のプロペラ回転速度から目標主機関出力を算出する目標主機関出力算出工程と、
前記目標主機関出力と前記現在主機関出力の偏差を使用したＰＩＤ演算式によりアシストトルク指令値を算出して前記インバータに指示するモータトルク制御工程と、
を備えたことを特徴とするモータの制御方法。
【請求項２】
前記目標主機関出力が前記現在主機関出力を上回る場合は、前記アシストトルク指令値を減少させ、前記目標主機関出力が前記現在主機関出力を下回る場合は、前記アシストトルク指令値を増加させることを特徴とする請求項１に記載のモータの制御方法。
【請求項３】
前記現在主機関出力が前記目標主機関出力を下回る場合に、前記アシストトルク指令値をインバータに指示するに際して下限値を定めることを特徴とする請求項１又は２に記載のモータの制御方法。
【請求項４】
前記目標主機関出力算出工程は、前記目標主機関出力と前記プロペラ回転速度の関係を示すデータと、現在の前記プロペラ回転速度から算出することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のモータの制御方法。
【請求項５】
ガバナにより制御される主機関と、インバータによりトルク制御されるモータとによってプロペラを回転させるハイブリッド推進に用いるモータの制御装置であって、
現在主機関出力を取得する現在主機関出力取得部と、
現在の前記プロペラ回転速度から目標主機関出力を算出する目標主機関出力算出部と、
前記目標主機関出力と前記現在主機関出力の偏差を算出する偏差算出部と、
前記偏差算出部が算出した偏差に基づきアシストトルク指令値を算出して前記インバータに出力するＰＩＤレギュレータと、
を備えたことを特徴とするモータの制御装置。
【請求項６】
前記現在主機関出力が前記目標主機関出力を下回る場合に、アシストトルク指令値をインバータに指示する際に下限値を定めることを特徴とする請求項５記載のモータの制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガバナにより制御される主機関と、インバータによりトルク制御されるモータで船舶のプロペラを回転させるハイブリッド推進におけるモータの制御方法及び制御装置に係り、特に、プロペラ回転速度の現在値と目標値の偏差をＰＩＤ演算して得たアシストトルク指令値によりモータをアシストし、ガバナ制御される主機関を効率よく運転することができるモータの制御方法及び制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１に記載された発明は、主機関とモータを備え、低回転域ではモータ推進し、高回転域では主機関をモータがアシストするハイブリッド推進を行なうハイブリッドタイプの舶用推進装置に関するものであり、構成のコンパクト化と高効率の駆動制御による低燃費を目指したものである。この船舶推進装置によれば、モータ推進領域では、モータジェネレータを回転数制御モードで制御し、ハイブリッド推進においては、モータジェネレータをトルク制御モードで行っている。【０００３】
また、上記特許文献１の明細書の段落[0055]には、次のような記載がある。
『また、負荷が主機関５の舶用３乗特性より高い場合は、コントローラ４０で「負荷出力−主機関の出力」を演算してプラス（＋）側になるので、プラストルク指令であるインバータ指令信号を双方向インバータ２７に出力すればモータジェネレータ２０は「電動機」となり、主機関５による推進出力に対してトルクアシストをすることができる。』
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−６３２５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載された発明によれば、ハイブリッドタイプの舶用推進装置において、目標機関出力と現在主機関出力の差分に基づいてモータのアシストトルク指令値を算出し、モータをトルク制御してはいるが、単に機関出力の差分に対応した量をモータのアシストトルク指令値に上乗せしているだけにすぎず、主機関の運転状態に応じたアシストトルク指令値の精妙な演算手法が確立していなかった。すなわち、主機関の回転速度に対応した目標機関出力に沿って主機関が運転できるようなモータのアシストが実現しておらず、このようなモータの制御上の問題から、ハイブリッド推進では主機関が荒い運転になりがちで経済性に問題があった。【０００６】
本発明は、上述した問題点を解決することを目的としており、船舶のハイブリッド推進において、主機関出力の現在値と目標値の偏差をＰＩＤ演算して得たアシストトルク指令値でモータをアシストし、ガバナ制御される主機関を効率よく運転できるようにすることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１に記載されたモータの制御方法は、
ガバナにより制御される主機関と、インバータによりトルク制御されるモータとによりプロペラを回転させて船舶を推進させるハイブリッド推進におけるモータの制御方法であって、
現在主機関出力を取得する現在主機関出力取得工程と、
現在のプロペラ回転速度から目標主機関出力を算出する目標主機関出力算出工程と、
前記目標主機関出力と前記現在主機関出力の偏差を使用したＰＩＤ演算式によりアシストトルク指令値を算出して前記インバータに指示するモータトルク制御工程と、
を備えたことを特徴としている。【０００８】
請求項２に記載されたモータの制御方法は、請求項１に記載のモータの制御方法において、
前記目標主機関出力が前記現在主機関出力を上回る場合は、前記アシストトルク指令値を減少させ、前記目標主機関出力が前記現在主機関出力を下回る場合は、前記アシストトルク指令値を増加させることを特徴としている。【０００９】
請求項３に記載されたモータの制御方法は、請求項１又は２に記載のモータの制御方法において、
前記現在主機関出力が前記目標主機関出力を下回る場合に、前記アシストトルク指令値をインバータに指示するに際して下限値を定めることを特徴としている。【００１０】
請求項４に記載されたモータの制御方法は、請求項１〜３のいずれか１項に記載のモータの制御方法において、
前記目標主機関出力算出工程は、前記目標主機関出力と前記プロペラ回転速度の関係を示すデータと、現在の前記プロペラ回転速度から算出することを特徴としている。【００１１】
請求項５に記載されたモータの制御装置は、
ガバナにより制御される主機関と、インバータによりトルク制御されるモータとによってプロペラを回転させるハイブリッド推進に用いるモータの制御装置であって、
現在主機関出力を求める現在主機関出力取得部と、
現在の前記プロペラ回転速度から目標主機関出力を算出する目標主機関出力算出部と、
前記目標主機関出力と前記現在主機関出力の偏差を算出する偏差算出部と、
前記偏差算出部が算出した偏差に基づきアシストトルク指令値を算出して前記インバータに出力するＰＩＤレギュレータと、
を備えたことを特徴としている。【００１２】
請求項６に記載されたモータの制御装置は、請求項５記載のモータの制御装置において、
前記現在主機関出力が前記目標主機関出力を下回る場合に、アシストトルク指令値をインバータに指示する際に下限値を定めることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１３】
請求項１に記載されたモータの制御方法及び請求項５に記載されたモータの制御装置によれば、ガバナにより制御される主機関と、インバータによりトルク制御されるモータとを用いてプロペラを回転させる船舶のハイブリッド推進において、ＰＩＤ演算でモータアシスト量を制御している為、モータアシスト量をスムーズに変化させる事ができ、従って主機関出力とモータアシスト量の配分を最適化することができ、ガバナ制御される主機関を効率よく運転することができる。さらに、ＰＩＤ演算パラメータを調整する事で、ハイブリッド推進におけるモータの応答性について多用なユーザーのニーズに対応することができる。例えば、ＰＩＤ演算パラメータを調整する事で、モータの応答性を遅くできるので、モータ回生電力の発生電力を急激に増加させず徐々に増加させる事が出来る。すなわち、モータ回生電力をバッテリに充電できるタイプのハイブリッドシステムの場合には、バッテリ充電可能電力に合致するようにモータ回生電力量を調整することができる。【００１４】
請求項２に記載されたモータの制御方法によれば、目標主機関出力が現在主機関出力を上回る場合であっても、また逆に下回る場合であっても、アシストトルク指令値を適宜に調整してモータアシスト量を最適な状態に変化させることにより、現在主機関出力を可及的に目標主機関出力に合致させることができ、これによりガバナ制御される主機関を効率よく運転することができる。【００１５】
請求項３に記載されたモータの制御方法及び請求項６に記載されたモータの制御装置によれば、現在主機関出力が目標主機関出力を下回る場合に、アシストトルク指令値をインバータに指示するに際して下限値をゼロ以上とすると、モータに回生電力が発生しない。従って、回生電力を熱にして逃がす抵抗装置、或いは蓄電池が不要になる。また、下限値をゼロ未満とすると、トルク指令値（ｎ）が０未満になる事があり、その際にはモータ回生電力が発生する為、発生した電力を蓄電池に充電させることができる。つまり、下限リミッタパラメータαを設定することで、ハイブリッド装置の実際のシステム構成（蓄電池の有無、制動抵抗器の有無）に合わせることが可能となる。【００１６】
請求項４に記載されたモータの制御方法によれば、目標主機関出力とプロペラ回転速度の関係を示すデータに、現在のプロペラ回転速度を照らして目標主機関出力を算出することができ、その際の前記データとしては、目標主機関出力とプロペラ回転速度の関係を示すグラフや、複数点の各々において互いに対応する目標主機関出力とプロペラ回転速度の各数値を表形式で示した２点間直線補間テーブル等を用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】実施形態の船舶推進装置の制御ブロック図である。
【図２】実施形態の船舶推進装置のコントローラにおいて、目標主機関出力を取得するために用いられる目標主機関出力とプロペラ回転速度の関係を示すグラフの一例である。
【図３】実施形態の船舶推進装置のコントローラにおいて、目標主機関出力を取得するために用いられる目標主機関出力とプロペラ回転速度の関係を示す２点間直線補間テーブルの一例である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
実施形態の船舶推進装置を図１〜図３を参照して説明する。この船舶推進装置は、コントローラの制御により、インバータによってモータをトルク制御し、またガバナによって主機関を制御し、これによってプロペラを回転させて船舶を推進させるハイブリッド型の船舶推進装置である。
【００１９】
図１に示すように、船舶推進装置１の主機関２は、例えばディーゼル機関であり、ガバナ３によって制御される。ガバナ３は、後に詳述するコントローラ４からのガバナ指令値（回転数指示）を与えられ、主機関２の回転速度を自律的に指令値に調整する。ガバナ３にはラックセンサ５が設けられており、ラックセンサ５は燃料噴射量を制御するラック位置を検出して前記コントローラ４に出力する。主機関２の出力軸の近傍には第１回転数検出センサ６が設けられており、第１回転数検出センサ６は主機関回転速度を検出して前記コントローラ４に出力する。主機関２の出力軸は、クラッチ７と減速変向機構８を介してプロペラ９に接続されており、主機関２の駆動によりプロペラ９が回転する。減速変向機構８の近傍には、第２回転数検出センサ１０が設けられており、第２回転数検出センサ１０は、プロペラ回転速度を検出して前記コントローラ４に出力する。
【００２０】
図１に示すように、船舶推進装置１のモータ１１は、インバータ１２により制御される。インバータ１２には、図示しないエンジン発電機による系統電力が接続されており、前記コントローラ４からのトルク指令値を受け、モータ電力線１３を介してエンジン発電機からの系統電力をモータ１１に与えてトルク制御する。モータ１１の出力軸は、減速変向機構８を介してプロペラ９に接続されており、モータ１１の駆動によりプロペラ９が回転する。モータ１１には、第３回転数検出センサ１４が設けられており、第３回転数検出センサ１４は、モータ回転速度を検出して前記コントローラ４に出力する。
【００２１】
図１に示すように、モータ１１を制御するインバータ１２と、主機関２を制御するガバナ３は、共通の制御手段であるコントローラ４により制御される。コントローラ４は、特にハイブリッド推進時に主機関２とモータ１１をバランス良く駆動制御するため、以下に説明する構成を備えている。
【００２２】
図１に示すように、コントローラ４は外部信号処理部２０を有している。外部信号処理部２０は、コントローラ４の外部にある各種機器、センサ等から入力された信号を、コントローラ４内での制御に適合した形式で必要なタイミングにおいて出力することができる。まず、外部信号処理部２０には、船舶の運転位置に設置された速度制御ハンドル１５が接続されている。速度制御ハンドル１５は、操縦者によって操作・設定されたハンドル位置に対応する信号を出力する。外部信号処理部２０は、速度制御ハンドル１５からのハンドル位置の信号を受け、これをガバナ指令値算出部２１に出力する。ガバナ指令値算出部２１は、ハンドル位置からガバナ指令値（回転数指示）を算出し、ガバナ指令値をガバナ３に与えて主機関２の制御を行う。
【００２３】
図１に示すように、ラックセンサ５から送られるラック位置の信号と、第１回転数検出センサ６から送られる主機関回転速度と、第２回転数検出センサ１０から送られるプロペラ回転速度と、第３回転数検出センサ１４から送られるモータ回転速度は、コントローラ４の前記外部信号処理部２０に入力される。
【００２４】
図１に示すように、外部信号処理部２０には、現在主機関出力取得部としての現在主機関出力算出部２２が接続されている。現在主機関出力算出部２２は、外部信号処理部２０から入力された主機関回転速度とラック位置から、現在主機関出力を推定値として算出する。
【００２５】
尚、現在主機関出力取得部として、主機関２に軸馬力計を設け、軸馬力計が検出した主機関出力の実測値を、コントローラ４の外部信号処理部２０に出力するようにしてもよい。この場合、現在主機関出力算出部２２は不要であり、外部信号処理部２０から出力された主機関出力の実測値を後述する偏差算出部２４に与えればよい。
【００２６】
図１に示すように、外部信号処理部２０には、目標主機関出力算出部２３が接続されている。目標主機関出力算出部２３は、目標主機関出力とプロペラ回転速度の関係を示す制御用データを予め備えており、この制御用データと、外部信号処理部２０から入力されたプロペラ回転速度から、目標主機関出力を算出する。
【００２７】
前記制御用データは、例えば図２に示すように、目標主機関出力（縦軸、単位［ｋＷ］）とプロペラ回転速度（横軸、単位［ｍｉｎ-1］）の関係を示すグラフとして与えられる。このグラフは、いわゆる「プロペラ性能曲線」、「プロペラ負荷曲線」、「プロペラ特性曲線」、「舶用特性曲線」、「舶用三乗特性」等と称されるグラフである。
【００２８】
目標主機関出力算出部２３は、外部信号処理部２０から入力されたプロペラ回転速度を図２に示す制御用データに適用し、対応する目標主機関出力を算出する。
図２を参照して上記算出の手順の一例をより具体的に説明すれば、例えば、この図２のグラフにおいて、入力されたプロペラ回転速度が450[min -1] である時の目標主機関出力は、
プロペラ回転速度が400 〜500[min -1] での直線の傾きが2.5 なので、
2.5 ×（450[min -1]-400[min -1] ）+500[kW]＝625 [kW]
となる。
【００２９】
図２に例示するようなプロペラ特性曲線は、主機関２の定格状態の軸馬力Ｎｅと回転数ｎが既知であれば、一般にプロペラ９の三乗則を表す式Ｎｅ／ｎ3 ＝Ｋ（比例常数）により得ることができる。このプロペラ特性曲線は、プロペラごと又はプロペラと主機関の組合せごとに定まる。しかしながら、実際には、主機関の陸上試運転における負荷試験のデータと、海上試運転でのデータとに基づいて作成される場合が多い。
【００３０】
しかも、図２に例示するようなプロペラ特性曲線は、上述したように作成されたものから常に一定不変であるとは限らず、次に例示するように、実際にはマージン（余裕分）を見込んで運用される場合が多い。
新造船のとき：回転マージン＋４％曲線
理想的な就航中: 回転マージン+ ２％曲線
トルクリッチ上限作動線：回転マージン−４％曲線
【００３１】
上述のように、船体の使用開始後に生じる船体の傷や汚れ、プロペラ損傷等の経年変化によってマージン（余裕分）の異なる曲線が使用される場合がある。さらに、図２に示したグラフの縦軸、横軸の格子において、プロットされた目標主機関出力の各点の値は、隣接する２点間の直線補間により算出しているので、グラフ全体を１本の右肩上がりの直線で代用することも可能である。
【００３２】
従って、本実施形態における目標主機関出力とプロペラ回転速度の関係を示す制御用データは、グラフ、数値、表といったカテゴリーの相違に係わらず、また各カテゴリー内での表現形式等の相違に係わらず、最も広義に解するものとする。例えば、目標主機関出力とプロペラ回転速度を表した図２に示すグラフは、図３に示すようなデータ表又はテーブル形式のデータとしても表すことができる。
【００３３】
図１に示すように、現在主機関出力算出部２２と目標主機関出力算出部２３の出力側には、偏差算出部２４が接続されている。偏差算出部２４は、現在主機関出力算出部２２と目標主機関出力算出部２３からそれぞれ入力された現在主機関出力と目標主機関出力の偏差を算出し、これを後段のＰＩＤレギュレータ２５に出力する。
【００３４】
図１に示すように、ＰＩＤレギュレータ２５は、偏差算出部２４が出力する前記偏差を使用したＰＩＤ演算式によりアシストトルク指令値を算出する。
【００３５】
より具体的には、偏差算出部２４で算出された前記偏差を基に、下記（式１）又は（式２）に示すＰＩＤ演算式に従い、トルク指令値を算出する。これらの式は、ソフトウエアデジタル演算処理におけるＰＩＤ演算式の代表例である。
【００３６】
速度型ＰＩＤ演算式の場合
トルク指令演算値＝Kp×｛（E(n)−E(n −1)) ＋Δt ／Tl×E(n)
＋Td／Δt （E(n)−2E(n−1)＋E(n −2)) ｝
トルク指令値(n) ＝トルク指令値(n−１) ＋トルク指令演算値    …（式１）
【００３７】
位置型ＰＩＤ演算式の場合
トルク指令演算値＝Kp×｛（E(n)＋Δt ／Tl×ΣEi
＋Td／Δt （E(n)−E(n −1)）｝            …（式２）
【００３８】
上記各式において、
Kp：比例分ゲイン（Ｐ分）、Tl：積分時間（Ｉ分）、Td：微分時間（Ｄ分）、Δｔ：演算周期、E(n)：現在主機関出力−目標主機関出力＝偏差
である。
以下、ＰＩＤパラメータの調整について、各成分ごとに説明する。
【００３９】
Ｐ分パラメータ調整
目標主機関出力と現在主機関出力との偏差が大きく、現在主機関出力が目標機関出力に到達するスピードが遅い、つまりモータ１１のアシストスピードが遅い場合は、Ｐ分パラメータを現状値より大きい値に調整する。反対に、到達スピードが速い場合は、Ｐ分パラメータを現状値より小さい値に調整する。現在主機関出力が目標主機関出力に到達するスピードは、ユーザーの要求又は船舶推進装置１の構成に応じて自由に調整可能。尚、Ｐ分パラメータ調整は、Ｉ分及びＤ分パラメータの調整に影響を与えるので、Ｉ分、Ｄ分パラメータの再調整を行なう。
【００４０】
Ｉ分パラメータ調整
現在主機関出力が目標主機関出力に到達している時、モータ１１の出力が安定しない（ハンチング）時、Ｉ分パラメータを現状値より小さい値に調整する。反対にモータ１１の応答が鈍い場合はＩ分パラメータを現状値より大きい値に調整する。尚、Ｉ分パラメータ調整は、Ｐ分及びＤ分パラメータの調整に影響を与えるので、Ｐ分、Ｄ分パラメータの再調整を行なう。
【００４１】
Ｄ分パラメータ調整
モータ１１がオーバシュート又はアンダーシュートする場合は、Ｄ分パラメータを現状値より小さい値に調整する。尚、Ｄ分パラメータ調整は、Ｐ分及びＩ分パラメータの調整に影響を与えるので、Ｐ分、Ｉ分パラメータの再調整を行なう。
【００４２】
Ｐ分、Ｉ分、Ｄ分パラメータを一応調整した後、実際に作動させてモータ１１の動きを観察し、好みの作動状態や応答性であれば、Ｐ分、Ｉ分、Ｄ分パラメータ調整は終了である。好みの作動状態でない場合は、再度上記指針に沿ってＰ分、Ｉ分、Ｄ分パラメータを調整する。
【００４３】
ここで、ガバナ３を用いたディーゼル機関等の主機関２とモータ１１によりハイブリッド推進を行う本発明のシステムが発明された背景について触れる。自動車のハイブリッドシステムでは、コントローラが電子制御でインジェクタのＯＮ／ＯＦＦ時間を制御して燃料噴射量を調整し、主機関出力を制御しているが、これとは異なり、ディーゼル機関とモータで構成された舶用ハイブリッドシステムでは、従来はガバナがコントローラから主機関回転速度を取得し、主機関回転速度から制御量を算出して主機関の出力を制御している。つまり、主機関の出力は、コントローラからの指令値で直接制御するのではなく、現在主機関負荷に対応する主機関回転速度が一定となるように、ガバナが供給する燃料を増減させて制御している。すなわち、コントローラは主機関の出力を直接的に制御することは出来ず、主機関をアシストするモータのアシスト量の算出は、目標機関出力と現在主機関出力の差分に基づき、モータのアシストトルク指令値を算出してモータをトルク制御しているが、これはＰＩＤ制御ではＰ分制御に当たる。このように、従来の舶用ハイブリッドシステムの制御では、Ｉ分、Ｄ分制御が存在しない状態なので、現在主機関出力が目標主機関出力に到達している場合にはモータのアシストトルク指令値の制御をきめ細かく行えず、モータの精妙な制御ができない。これに対して、本実施形態ではＰＩＤ制御を行うので、スムーズにモータ１１がアシスト作動するため、応答性がよく、滑らかな運転を行うことができる。
【００４４】
図１に示すように、ＰＩＤレギュレータ２５の出力側には、下限リミッタ２６が接続されている。下限リミッタ２６には、ＰＩＤレギュレータ２５で算出された前記トルク指令が入力される。下限リミッタ２６は、モータ出力の瞬間的な変動量が大きくならないように、必要に応じて下記（式３）に従い、ＰＩＤレギュレータ２５で算出された前記トルク指令を制限してインバータ１２に出力する。
【００４５】
下限リミッタパラメータα≦トルク指令値  …（式３）
【００４６】
下限リミッタ２６における下限リミッタパラメータαの設定を変えることで、モータ回生電力量を任意に制限する事ができる。すなわち、下限リミッタパラメータαを０未満とすると、モータ回生電力量を有りに設定できる。この場合、モータ回生電力が発生してエネルギを回収しているため、その分だけモータ回転速度は落ちている。
【００４７】
下限リミッタパラメータαを０以上とすると、モータ回生電力量を無しに設定できる。モータ出力は力行又は０であるため、船舶の進行にはブレーキがかからず、その分だけ、モータ回転速度は落ち方が遅い。
【００４８】
図１に示すように、下限リミッタ２６の出力側はインバータ１２に接続されており、下限リミッタ２６で必要に応じて下限リミットが与えられたアシストトルク指令が、インバータ１２に与えられる。
【００４９】
次に、以上説明した実施形態の船舶推進装置１における制御手順を、図１を参照しつつ各制御工程ごとに説明する。
１．制御動作が開始された後、船舶の乗組員等が速度制御ハンドル１５を操作してある位置に設定すると、ハンドル位置を示す信号がコントローラ４の外部信号処理部２０に送られ、外部信号処理部２０はハンドル位置の信号を処理してガバナ指令値算出部２１に送る。ガバナ指令値算出部２１は、外部信号処理部２０から送られた信号からガバナ指令値（回転数指示）を算出し、ガバナ３に指令する。ガバナ３は、ガバナ指令値（回転数指示）に基づいて主機関２の制御を行う。
【００５０】
ラックセンサ５から送られるラック位置の信号と、第１回転数検出センサ６から送られる主機関回転速度と、第２回転数検出センサ１０から送られるプロペラ回転速度と、第３回転数検出センサ１４から送られるモータ回転速度は、それぞれコントローラ４の外部信号処理部２０に入力され、いずれも外部信号処理部２０で処理され、コントローラ４における後段の各機能ブロックに送られて制御のための演算等に供される。
【００５１】
２．現在主機関出力取得工程
現在主機関出力算出部２２には、外部信号処理部２０で処理された主機関回転速度とラック位置の各信号が入力される。現在主機関出力算出部２２は、これら各信号から主機関出力を推定値として演算する。前述したように、現在主機関出力取得部として主機関２に軸馬力計を設け、軸馬力計が検出した主機関出力の実測値を、コントローラ４の外部信号処理部２０に出力してもよい。この場合、現在主機関出力算出部２２は不要であり、外部信号処理部２０から出力された処理済みの主機関出力の実測値を後述する偏差算出部２４に与える。
【００５２】
３．目標主機関出力算出工程
目標主機関出力算出部２３には、外部信号処理部２０で処理された現在のプロペラ回転速度が入力される。目標主機関出力算出部２３は、目標主機関出力とプロペラ回転速度の関係を示す前記制御用データ（図２に例示した）を予め備えており、この制御用データとプロペラ回転速度から、目標主機関出力を算出する。
【００５３】
４．モータトルク制御工程
偏差算出部２４は、現在主機関出力算出部２２が出力した現在主機関出力と、目標主機関出力算出部２３が算出した目標機関出力の偏差を算出する。そして、ＰＩＤレギュレータ２５は、この偏差と、ＰＩＤ演算式（前記式１、式２）からモータ１１のアシストトルク指令を算出する。この場合、現在主機関出力と目標主機関出力の大小関係に対応して、モータ１１の状態がモータ力行又はモータ回生に分かれるので、それぞれ次のように制御を行う。
【００５４】
（１）現在主機関出力＞目標機関出力の場合
この場合は、図２に例示した「プロペラ性能曲線」のとある回転速度において、同グラフよりも上の位置に現在主機関出力がプロットされる状態であり、船舶が向かい風を受けながら航行しモータ１１が動力を生み出している状態（モータ力行）であり以下のような制御を行う。
【００５５】
１）ＰＩＤレギュレータ２５が次式のようにＰＩＤ演算でトルク指令を算出する。
トルク指令（ｎ）＝トルク指令（ｎ−１）＋ＰＩＤ演算値
このトルク指令（ｎ）をインバータ１２に指令する。トルク指令は増加する。
２）その結果、モータ出力が増加し、モータ１１と軸で直結している主機関２の回転速度が増加する。
３）ガバナ３は主機関２の回転速度を維持しようとする為、主機関２に供給する燃料を絞り、主機関出力が低下する。
４）主機関出力と目標機関出力の偏差が小さくなる。
５）主機関出力と目標機関出力の偏差が０より大きい時は、１）に戻り制御を続行する。主機関出力と目標機関出力の偏差が０の時は、現在主機関出力と目標機関出力が一致し、ガバナ３による主機関２の制御及びインバータ１２によるモータ１１の制御は、現時点での状態を維持する。
【００５６】
（２）現在主機関出力＜目標機関出力の場合
この場合は、図２に例示した「プロペラ性能曲線」のとある回転速度において同グラフよりも下の位置に現在主機関出力がプロットされる状態であり、船舶が追い潮に乗って航行しモータ１１が発電している状態（モータ回生）であり以下のような制御を行う。
【００５７】
１）ＰＩＤレギュレータ２５が次式のようにＰＩＤ演算でトルク指令を算出し、下限リミッタ２６が下限リミッタパラメータαで下限を設定する。
トルク指令（ｎ）＝トルク指令（ｎ−１）−ＰＩＤ演算値≧下限リミッタパラメータα  このトルク指令（ｎ）をインバータ１２に指令する。トルク指令は減少する。
下限リミッタパラメータαが≧０の時は、トルク指令値（ｎ）を０以上に制限する為、モータ１１は回生電力を発生しない。
一方、下限リミッタパラメータαが＜０の時は、トルク指令値（ｎ）が０未満になる場合もあり、トルク指令値（ｎ）が０未満になった時はモータ１１から回生電力が発生する。
【００５８】
このように、トルク指令が下限リミッタパラメータα以上である場合には、トルク指令演算値をトルク指令値とし、トルク指令演算値が下限リミッタパラメータα未満である場合には、下限リミッタパラメータαをトルク指令値とするので、下限リミッタパラメータαの設定を変えることでモータ回生電力量を任意に制限する事ができる。
【００５９】
２）その結果、モータ出力が減少する為、モータ１１と軸で直結している主機関２の回転速度が低下する。
３）ガバナ３は主機関２の回転速度を維持しようとする為、主機関２に供給する燃料を増加させ、主機関出力が増加する。
４）主機関出力と目標機関出力の偏差が小さくなる。
５）主機関出力と目標機関出力の偏差が０より小さい時は、１）に戻り制御を続行する。主機関出力と目標機関出力の偏差が０の時は、現在主機関出力と目標機関出力が一致し、ガバナ３による主機関２の制御及びインバータ１２によるモータ１１の制御は、現時点での状態を維持する。
【００６０】
次に、以上説明した実施形態におけるＰＩＤパラメータの調整について、さらに詳しい具体例を挙げて説明する。
ＰＩＤパラメータの値は各機器の出力、特性等によって変動する。この例では、各機器の仕様を以下のように設定する。
モータ１１の容量：２９５ＫＷ
インバータ１２の容量：３１５ＫＷ
エンジン発電機の容量：４００ＫＷ
【００６１】
また、モータ目標回転速度は、図２に示す「プロペラ性能曲線」のデータ又は図３に示す２点間直線補間テーブルにより決定される。
【００６２】
ＰＩＤ演算パラメータ（速度型）は以下の通りとなる。
Ｐ分は１．３００、Ｉ分は０．５００、Ｄ分は０．０００となる。
【００６３】
以上説明した実施形態の説明から理解されるように、本発明は、ガバナ３により制御される主機関２と、インバータ１２によりトルク制御されるモータ１１とによりプロペラ９を回転させて船舶を推進させるハイブリッド推進の船舶推進装置１に広く適用が可能である。
【００６４】
すなわち本発明の実施形態によれば、ガバナ３を用いたディーゼル機関のハイブリッドシステムにおいて、主機関２のアシストをモータ１１で行なう際の主機関出力とモータアシスト量の配分を、図２に例示したような「プロペラ特性曲線」や図３に例示したような「 ２点間直線補間テーブル」を利用することで最適にする事が可能になる。
【００６５】
また、下限リミッタパラメータαを０以上に設定した時はトルク指令値（ｎ）が０以上に制限される為、モータ回生電力を発生させない設定にできる。従って、回生電力を熱にして逃がす抵抗装置又は蓄電池が不要になる。一方、下限リミッタパラメータαを０未満に設定した時はトルク指令値（ｎ）が０未満になる事がある。トルク指令値（ｎ）が０未満の時、モータ回生電力が発生する為、発生した電力を蓄電池に充電させることができる。つまり、下限リミッタパラメータαを設定することで、ハイブリッド装置の実際のシステム構成（蓄電池の有無、制動抵抗器の有無）に合わせることができる。
【００６６】
また、ＰＩＤ演算パラメータを調整する事で、モータ１１の応答性を遅くする事が出来るので、モータ回生電力の発生電力を急激に増加させず徐々に増加させる事が出来る。すなわち、モータ回生電力をバッテリに充電可能なハイブリッドシステムの場合には、バッテリ充電可能電力に適合するようにモータ回生電力の発生量を調整することができる。
【符号の説明】
【００６７】
１…船舶推進装置
２…主機関
３…ガバナ
４…コントローラ
９…プロペラ
１１…モータ
１２…インバータ
２２…現在主機関出力取得部としての現在主機関出力算出部
２３…目標主機関出力算出部
２４…偏差算出部
２５…ＰＩＤレギュレータ
２６…下限リミッタ
【図１】
2017149590.tif 000003
【図２】
2017149590.tif 000004
【図３】
2017149590.tif 000005
【手続補正書】
【提出日】平成28年10月11日(2016.10.11)
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００１】
技術分野
［０００１］
本発明は、ガバナにより制御される主機関と、インバータによりトルク制御されるモータで船舶のプロペラを回転させるハイブリッド推進におけるモータの制御方法及び制御装置に係り、特に、現在のプロペラ回転速度から算出した目標主機関出力と、現在の主機関出力との偏差からＰＩＤ演算して得たアシストトルク指令値によりモータをアシストし、ガバナ制御される主機関を効率よく運転することができるモータの制御方法及び制御装置に関するものである。
背景技術
［０００２］
特許文献１に記載された発明は、主機関とモータを備え、低回転域ではモータ推進し、高回転域では主機関をモータがアシストするハイブリッド推進を行なうハイブリッドタイプの舶用推進装置に関するものであり、構成のコンパクト化と高効率の駆動制御による低燃費を目指したものである。この船舶推進装置によれば、モータ推進領域では、モータジェネレータを回転数制御モードで制御し、ハイブリッド推進においては、モータジェネレータをトルク制御モードで行っている。
［０００３］
また、上記特許文献１の明細書の段落［００５５］には、次のような記載がある。
『また、負荷が主機関５の舶用３乗特性より高い場合は、コントローラ４０で「負荷出力−主機関の出力」を演算してプラス（＋）側になるので、プラストルク指令であるインバータ指令信号を双方向インバータ２７に出力すればモータジェネレータ２０は「電動機」となり、主機関５による推進出力に対してトルクアシストをすることができる。』
先行技術文献
特許文献
［０００４］
特許文献１：特開２０１１−６３２５６号公報
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００４】
前記現在主機関出力が前記目標主機関出力を下回る場合に、アシストトルク指令値をインバータに指示する際に下限値を定めることを特徴としている。
発明の効果
［００１３］
請求項１に記載されたモータの制御方法及び請求項５に記載されたモータの制御装置によれば、ガバナにより制御される主機関と、インバータによりトルク制御されるモータとを用いてプロペラを回転させる船舶のハイブリッド推進において、現在のプロペラ回転速度から算出した目標主機関出力と、現在の主機関出力との偏差からＰＩＤ演算でモータアシストトルク量を制御している為、モータアシストトルク量をスムーズに変化させる事ができ、従って主機関出力とモータアシスト量の配分を最適化することができ、ガバナ制御される主機関を効率よく運転することができる。さらに、ＰＩＤ演算パラメータを調整する事で、ハイブリッド推進におけるモータの応答性について多用なユーザーのニーズに対応することができる。例えば、ＰＩＤ演算パラメータを調整する事で、モータの応答性を遅くできるので、モータ回生電力の発生電力を急激に増加させず徐々に増加させる事が出来る。すなわち、モータ回生電力をバッテリに充電できるタイプのハイブリッドシステムの場合には、バッテリ充電可能電力に合致するようにモータ回生電力量を調整することができる。
［００１４］
請求項２に記載されたモータの制御方法によれば、目標主機関出力が現在主機関出力を上回る場合であっても、また逆に下回る場合であっても、アシストトルク指令値を適宜に調整してモータアシスト量を最適な状態に変化させることにより、現在主機関出力を可及的に目標主機関出力に合致させることができ、これによりガバナ制御される主機関を効率よく運転することができる。
［００１５］
請求項３に記載されたモータの制御方法及び請求項６に記載されたモータの制御装置によれば、現在主機関出力が目標主機関出力を下回る場合に、アシストトルク指令値をインバータに指示するに際して下限値をゼロ以上とすると、モータに回生電力が発生しない。従って、回生電力を熱にして逃がす抵抗装置、或いは蓄電池が不要になる。また、下限値をゼロ未満とすると、
【手続補正書】
【提出日】平成29年2月7日(2017.2.7)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００１】
本発明は、ガバナにより制御される主機関と、インバータによりトルク制御されるモータで船舶のプロペラを回転させるハイブリッド推進におけるモータの制御方法及び制御装置に係り、特に、現在のプロペラ回転速度から算出した目標主機関出力と、現在の主機関出力との偏差からＰＩＤ演算して得たアシストトルク指令値によりモータをアシストし、ガバナ制御される主機関を効率よく運転することができるモータの制御方法及び制御装置に関するものである。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１３】
請求項１に記載されたモータの制御方法及び請求項５に記載されたモータの制御装置によれば、ガバナにより制御される主機関と、インバータによりトルク制御されるモータとを用いてプロペラを回転させる船舶のハイブリッド推進において、現在のプロペラ回転速度から算出した目標主機関出力と、現在の主機関出力との偏差からＰＩＤ演算でモータアシストトルク量を制御している為、モータアシストトルク量をスムーズに変化させる事ができ、従って主機関出力とモータアシスト量の配分を最適化することができ、ガバナ制御される主機関を効率よく運転することができる。さらに、ＰＩＤ演算パラメータを調整する事で、ハイブリッド推進におけるモータの応答性について多用なユーザーのニーズに対応することができる。例えば、ＰＩＤ演算パラメータを調整する事で、モータの応答性を遅くできるので、モータ回生電力の発生電力を急激に増加させず徐々に増加させる事が出来る。すなわち、モータ回生電力をバッテリに充電できるタイプのハイブリッドシステムの場合には、バッテリ充電可能電力に合致するようにモータ回生電力量を調整することができる。
【国際調査報告】
2017149590.tif 000006
2017149590.tif 000007
2017149590.tif 000008
2017149590.tif 000009