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公開番号2023075875
公報種別公開特許公報(A)
公開日2023-05-31
出願番号2021201221
出願日2021-11-19
発明の名称走行制御装置
出願人個人
代理人
主分類A63H 18/12 20060101AFI20230524BHJP(スポーツ;ゲーム;娯楽)
要約【課題】本発明は、直流モーターを用いて走行する模型車両の走行制御方法に関し、より詳細には模型車両の超低速走行を実現する直流モーターへの電圧印加制御方法に関する。
【解決手段】本発明は、模型車両の直流モーターへの印加電圧に適切な頻度(例えば1秒間に10回から100回の範囲の頻度)で高電圧パルスを挿入することで、その都度、静摩擦やコギングトルクを超えるトルクを発生させてわずかに前記モーターを回転させることにより、通常の印加電圧方法では模型車両が走行しない場合でも超低速走行を実現する。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
直流モーターを用いて走行する模型車両の走行制御装置において、
前記走行制御装置は前記モータへの印加電圧を決定する制御部を含み、
前記制御部は走行速度電圧設定手段と、低速強化電圧設定手段と、低速強化周期設定手段と、低速強化パルス幅設定手段と、を含み、
前記走行速度電圧設定手段で定められる電圧を前記モーターに印加するが、
前記走行速度電圧設定手段で定められる電圧が０ボルトより大きく、かつ前記低速強化電圧設定手段で定められる電圧よりも小さい場合には、
前記低速強化周期設定手段で定められる周期で前記低速強化電圧設定手段で定められる電圧を前記低速強化パルス幅設定手段で定められるパルス幅で挿入することにより、
前記走行速度電圧設定手段で定められる電圧が低電圧の場合でも
前期模型車両を走行可能にすることを特徴とする
模型車両の走行制御装置。
続きを表示（約 350 文字）【請求項２】
請求項１において、
モーターへの印加電圧をＰＷＭ方式で制御することを特徴とする
模型車両の走行制御装置。
【請求項３】
請求項１または２において、
前記制御部が前記低速強化電圧設定手段と、前記低速強化周期設定手段と、前記低速強化パルス幅設定手段と、を具備して設定値を定める代わりに、それらの一部または全部をそれぞれ、事前定義された値、前記走行速度電圧設定手段で定められる電圧値に応じて決まる値、疑似乱数による値、のいずれかを設定値とする特徴とする
模型車両の走行制御装置。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１項に記載の
模型車両の走行制御装置としてコンピュータを機能させるためのプログラム。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、直流モーターを用いて走行する模型車両の走行制御方法に関し、より詳細には模型車両の超低速走行を実現するモーターへの電圧印加制御方法に関する。
続きを表示（約 2,800 文字）【背景技術】
【０００２】
模型車両の運転における低速走行は、趣味性の高い玩具において実感性の高さを実現する観点で重要である。例えば、鉄道模型による模型車両の低速走行は、駅ホーム等での発車や停車の実感性の高さを決める重要な役割を果たしているため、その実現は長年に渡る技術的課題のひとつに挙げられる。本発明は直流モーターを用いて走行する鉄道模型車両を主な対象とし、超低速走行を実現する直流モーターへの電圧印加制御方法に関する。なお本発明における超低速走行とは、通常の電圧の印加方法では機構の摩擦等の要因で模型車両が走行できない程度の速度での走行を指すものとする。以降では主に鉄道模型を対象として本発明を説明するが、本発明の適用対象はそれに限定されるものではなく、例えば戦車、自動車、工事車両等の模型車両にも適用可能である。
【０００３】
本発明はモーターの回転速度の制御に関するものであり、モーターへの印加電圧の波形の違いにより、アナログ電圧を印加する方式（以降ではアナログ印加方式と呼ぶ）とＰＷＭ（ＰｕｌｓｅＷｉｔｈＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ）波による電圧を印加する方式（以降ではＰＷＭ印加方式と呼ぶ）の２通りの制御方式を対象として説明をする。なおアナログ印加方式とは時間変化のない電圧がモーターに印加され、その値の大小に従ってモーターの回転速度が加減される制御方式である。またＰＷＭ印加方式とは電圧の高速なオン・オフの形でモーターに電圧が印加され、そのオン・オフの時間比率、すなわちデューティー比で決まる実効電圧値の大小に従ってモーターの回転速度が加減される制御方式である。本発明はアナログ印加方式とＰＷＭ印加方式の２方式に限定するものではなく、他の印加方式にも適用可能である。
【０００４】
模型車両の超低速走行を困難とする主要因は、モーターのコギングトルクや線路・車輪・ギア・モーターによる摩擦と、モーターの出力トルクとの関係にある。モーターへの印加電圧が低いときはモーターの出力トルクは小さいため、静摩擦やコギングトルクを超えずモーターは回転しない。印加電圧を次第に高くしてゆきモーターの出力トルクが静摩擦を超えた途端にモーターは急に回転を始め、模型車両は急発進をしてしまう。
【０００５】
模型車両が急発進する振る舞いを鉄道模型分野においては特にラピッドスタート（ｒａｐｉｄｓｔａｒｔ）と俗称しており、走行の実感性を大きく損なうことから様々な対策が考えられてきた。以降での本発明を説明では主に鉄道模型を対象とすることから、鉄道模型の主な車両走行制御方式であるアナログ制御方式とデジタル制御方式それぞれの概略と関連する用語を説明する。アナログ制御方式とは、線路に電圧を印加し、その電圧がそのまま模型車両内のモーターに印加されることで、線路への印加電圧の加減により走行速度を制御する方式である。この印加電圧の加減をして模型車両の走行速度の制御を行う装置はパワーパックと呼ばれている。デジタル制御方式とは、走行制御をデジタル制御司令信号により行う方式であり、模型車両に搭載のデコーダー（Ｄｅｃｏｄｅｒ）装置内のマイクロコントローラがデジタル制御司令信号を受信・解釈し、モータードライバを制御してモーターへの印加電圧を加減し、走行速度を制御する方式である。代表的な規格のひとつがＤＣＣ（ＤｉｇｉｔａｌＣｏｍｍａｎｄＣｏｎｔｒｏｌ）であり、線路を介して電力の供給とデジタル制御司令信号が模型車両に伝えられる。
【０００６】
これまでに提案されている模型車両の超低速走行の実現手法は以下の通りであり、アナログ制御方式の走行制御に適応する際の欠点を述べる。
【０００７】
第１の手法は、例えば非特許文献１で採用されているように、ＰＷＭ印加方式において、ＰＷＭ周波数を低くすることにより静摩擦を超えるトルクを発生させるものである。ＰＷＭ周波数が高い場合はパルスひとつ当たりの時間幅が短いため、モーター軸の慣性により回転を始める前にパルス期間が終了し、実際には回転が起きない。しかしＰＷＭ周波数が低い場合には、パルスの時間幅はモーター軸がわずかに回転するに足る長さのため、超低速走行が可能となる。
【０００８】
この手法の欠点は、低周波数のＰＷＭ波を用いているために低速走行時のモーターの出力トルクの加減はＰＷＭ周波数の加減でしか行えず、模型車両の個体それぞれに適切な出力トルク増強は限定的にしか設定できない点にある。さらに、十分な出力トルクを得るためのＰＷＭ周波数は、人間の可聴域の周波数（例えば１００ヘルツ程度）まで低くせざるを得ないことが多い。するとモーターはその周波数で振動し、不快な音が発生して模型の実感性が大きく損なわれてしまう。
【０００９】
第２の手法は、例えば特許文献１、非特許文献２、非特許文献３、非特許文献４で述べられている通り、モーターのＢＥＭＦ（ＢａｃｋＥｌｅｃｔｒｏ－ＭｏｔｉｖｅＦｏｒｃｅ、逆起電力）を測定し、ＰＩＤ制御法等の閉ループ制御によりモーターへの実際の印加電圧を加減するものである。これはモーターへの電圧印加を停止しても慣性によりモーターの軸は回転を続け、モーターは逆に発電機として働いて回転速度に応じた電圧（逆起電力）が発生することを利用するものである。具体的には、１秒間に１０から１００回程度の周期でモーターへの電圧印加を短時間の停止をし、その時間内にモーターの逆起電力を測定を行う。そしてこの逆起電力の値から実際の走行速度を推定し、目標値との差分がゼロになるように制御器はモーターへの実際の印加電圧を加減する。すなわちモーターの実際の回転速度が目標値と比較して低速の場合には印加電圧を上げ、高速の場合には印加電圧を下げる閉ループ制御を行う。この手法は主としてデジタル制御方式のＤＣＣデコーダー内のマイクロコントローラの制御ソフトウエアで実現されている。ＤＣＣデコーダの出力にはモーターだけを接続して、逆起電力を測定する際に誤差のもととなるもの、例えば室内灯やヘッドライト等の電力を消費するものは接続しないことで、逆起電力を正確に測定可能な構造をなしている。
【００１０】
この手法の欠点は、アナログ制御方式の鉄道模型で採用する場合、モーターの逆起電力の正確な測定が困難であり、正確な制御が行えない点にある。その理由は、パワーパックはモーター以外に室内灯やヘッドライト等の電流を消費する他の機器も接続されてることに加え、パワーパックからモーターまでの間に存在する電線及び線路による抵抗・インダクタンス・コンダクタンス各成分の影響も受けるからである。
（【００１１】以降は省略されています）

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