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JP2025028560A - 移動体の制御装置、移動体、移動体の制御方法、およびプログラム - Google Patents

移動体の制御装置、移動体、移動体の制御方法、およびプログラム Download PDF

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Tsuyoshi Wakasa
眞司 有永
Shinji Arinaga
利和 林
Toshikazu Hayashi
篤 湯下
Atsushi Yushimo
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Abstract

Figure 2025028560000001
【課題】移動体に搭載された磁気ギヤードモータの脱調を抑制することができる制御装置を提供する。
【解決手段】移動体の制御装置は、トルク制限値を操作者が手動で設定するマニュアルモードと、前記トルク制限値を自動で設定するオートモードとを切り替える切替部と、前記マニュアルモードに切り替えられた場合に、前記トルク制限値を前記操作者が指定した値に設定する手動設定部と、前記オートモードに切り替えられた場合に、前記推進器から前記磁気ギヤードモータに伝達される負荷トルク、および前記移動体の状態を表す計測データの少なくとも一方に基づいて前記トルク制限値を設定する自動設定部と、前記推進器の回転数を指定する回転数指令と前記推進器の回転数の計測データとの差に基づき前記磁気ギヤードモータの電気トルクを調整するトルク指令を、前記トルク制限値で制限するリミッタと、を備える。
【選択図】図４

Description

本開示は、移動体の制御装置、移動体、移動体の制御方法、およびプログラムに関する。
船舶や車両などの移動体には、移動体を任意の方向、任意の速度で移動させる推進系が搭載されている（例えば、特許文献１を参照）。
近年、船舶や車両などの移動体の推進系の電動化が進んでいる。たとえば、船舶については、既存のディーゼルエンジンや蒸気タービンと比較して、電動機は配置の自由度に優れ、さらに蓄電池と組み合わせることで効率や信頼性の向上が期待できる。
電動機を使用するには、その回転数を推進器の要求範囲に合わせるため、機械式減速機を併用するか、あるいは定格回転数が低くなるように特別に設計した電動機を用いる必要がある。しかしながら、機械式減速機を併用する場合は、振動や騒音の発生や、定期的な保守が必要といったデメリットがある。また、定格回転数を低くした低速の電動機を使用する場合は、極数を増やすため電動機のサイズ（直径）が大きくなるため、設置スペースに制限のある移動体に搭載することが困難となるデメリットがある。
このため、電動機として磁磁気ギヤードモータを用いることが考えられている。磁気ギヤードモータは、高速ロータおよび低速ロータからなる磁気ギヤ部を備える。高速ロータおよび低速ロータは磁気ばねにより非接触でトルクを伝達する。この磁気ばねによって低速ロータは高速ロータと所定の減速比で同期して回転する。つまり、磁気ギヤードモータは、機械式減速機なしで回転数を推進器に合わせて調整することができる。さらに、磁気ギヤードモータは、一般的な電動機（たとえば同期電動機）ほど直径を大きくすることなく、推進器の要求する回転数を出力することができるので、設置スペースに制限のある移動体にも適用可能となる。
特開２０２２－９９７８８号公報
一方で、磁気ギヤードモータは、異物巻き込みなどによる過負荷や、船舶のクラッシュ・アスターンのような急激な反転操作などにより、磁気ばねの最大伝達トルクを超えるトルクが磁気ギヤ部に生じると、高速ロータおよび低速ロータが脱調してトルク伝達機能を喪失する可能性がある。脱調は、入力エネルギが遮断されれば自然に解消されるが、解消されるまでの期間に最大伝達トルクを振幅とし、高速ロータと低速ロータの電気的な速度差に比例する周波数で変動する交番トルクが生じる。この交番トルクは、磁気ギヤードモータの回転軸系の固有振動モードを励起するおそれがある。固有振動モードが励起された場合、回転軸系から騒音が生じる可能性や、さらには回転軸や周辺の機器が損傷する可能性がある。
脱調を抑制する方法の一つとして、最大伝達トルクを大きくすることが挙げられる。これは本質的かつ確実な方法ではあるが、最大伝達トルクを大きくするためには、磁気ギヤ部の磁石量を増やす必要がある。そうすると、磁気ギヤードモータのサイズ、重量、コストの増大を招き、機械式減速機や低速の大径電動機に対する優位性が低下してしまう。
本開示の目的は、移動体に搭載された磁気ギヤードモータの脱調を抑制することができる移動体の制御装置、移動体、移動体の制御方法、およびプログラムを提供することにある。
本開示の一態様によれば、移動体の制御装置は、磁気ギヤードモータに回転駆動される推進器を有する移動体の制御装置であって、前記磁気ギヤードモータの電気トルクを制限するトルク制限値を操作者が手動で設定するマニュアルモードと、前記トルク制限値を自動で設定するオートモードとを切り替える切替部と、前記マニュアルモードに切り替えられた場合に、前記トルク制限値を前記操作者が指定した値に設定する手動設定部と、前記オートモードに切り替えられた場合に、前記推進器から前記磁気ギヤードモータに伝達される負荷トルク、および前記移動体の状態を表す計測データの少なくとも一方に基づいて前記トルク制限値を設定する自動設定部と、前記推進器の回転数を指定する回転数指令と前記推進器の回転数の計測データとの差に基づき前記磁気ギヤードモータの電気トルクを調整するトルク指令を、前記トルク制限値で制限するリミッタと、を備える。
本開示の一態様によれば、移動体の制御装置は、磁気ギヤードモータに回転駆動される推進器を有する移動体の制御装置であって、前記磁気ギヤードモータの電気トルクを制限するトルク制限値を操作者が手動で設定するマニュアルモードと、前記トルク制限値を自動で設定するオートモードとを切り替える切替部と、前記マニュアルモードに切り替えられた場合に、前記トルク制限値を前記操作者が指定した値に設定する手動設定部と、前記オートモードに切り替えられた場合に、前記推進器から前記磁気ギヤードモータに伝達される負荷トルク、および前記移動体の状態を表す計測データの少なくとも一方に基づいて前記トルク制限値を設定する自動設定部と、前記トルク制限値に基づいて、前記推進器の回転数を指定する回転数指令、および前記移動体の舵角を指定する舵角指令の少なくとも一方を制限する制限値を演算する制限値演算部と、前記回転数指令および前記舵角指令の少なくとも一方を前記制限値で制限するリミッタと、を備える。
本開示の一態様によれば、移動体は、低速ロータおよび高速ロータを有する磁気ギヤードモータと、前記磁気ギヤードモータに回転駆動される推進器と、進行方向を変更する舵取機と、上述の態様に係る制御装置と、を備える。
本開示の一態様によれば、移動体の制御方法は、磁気ギヤードモータに回転駆動される推進器を有する移動体の制御方法であって、前記磁気ギヤードモータの電気トルクを制限するトルク制限値を操作者が手動で設定するマニュアルモードと、前記トルク制限値を自動で設定するオートモードとを切り替えるステップと、前記マニュアルモードに切り替えられた場合に、前記トルク制限値を前記操作者が指定した値に設定するステップと、前記オートモードに切り替えられた場合に、前記推進器から前記磁気ギヤードモータに伝達される負荷トルク、および前記移動体の状態を表す計測データの少なくとも一方に基づいて前記トルク制限値を設定するステップと、前記推進器の回転数を指定する回転数指令と前記推進器の回転数の計測データとの差に基づき前記磁気ギヤードモータの電気トルクを調整するトルク指令を、前記トルク制限値で制限するステップと、を有する。
本開示の一態様によれば、プログラムは、磁気ギヤードモータに回転駆動される推進器を有する移動体の制御装置に、前記磁気ギヤードモータの電気トルクを制限するトルク制限値を操作者が手動で設定するマニュアルモードと、前記トルク制限値を自動で設定するオートモードとを切り替えるステップと、前記マニュアルモードに切り替えられた場合に、前記トルク制限値を前記操作者が指定した値に設定するステップと、前記オートモードに切り替えられた場合に、前記推進器から前記磁気ギヤードモータに伝達される負荷トルク、および前記移動体の状態を表す計測データの少なくとも一方に基づいて前記トルク制限値を設定するステップと、前記推進器の回転数を指定する回転数指令と前記推進器の回転数の計測データとの差に基づき前記磁気ギヤードモータの電気トルクを調整するトルク指令を、前記トルク制限値で制限するステップと、を実行させる。
上記態様によれば、移動体に搭載された磁気ギヤードモータの脱調を抑制することができる。
第１の実施形態に係る移動体の全体構成を示す図である。 第１の実施形態に係る制御装置の機能構成を示すブロック図である。 第１の実施形態に係る磁気ギヤ部の模式図である。 第１の実施形態に係る制御装置の制御例を示すブロック線図である。 第１の実施形態に係る切替部の機能を説明するための図である。 第１の実施形態に係るオートモード時の処理例を示すブロック線図である。 第２の実施形態に係るオートモード時の処理例を示すブロック線図である。 第３の実施形態に係る制御装置の機能構成を示すブロック図である。 第３の実施形態に係る制御装置の制御例を示すブロック線図である。 第４の実施形態に係る磁気ギヤードモータの構成を示す第１の図である。 第４の実施形態に係る磁気ギヤードモータの構成を示す第２の図である。 第４の実施形態に係る磁気ギヤードモータの効果を示す図である。 第４の実施形態に係る磁気ギヤードモータの構成を示す第３の図である。
＜第１の実施形態＞
以下、図面を参照しながら実施形態について詳しく説明する。
（移動体の全体構成）
図１は、第１の実施形態に係る移動体の全体構成を示す図である。
移動体１は、たとえば船舶である。また、他の実施形態では、移動体１は飛行機、自動車、鉄道車両などであってもよい。図１に示すように、移動体１は、本体部３と、推進系４と、操舵系５と、操作部１０と、制御装置２とを備える。
本体部３は、移動体１のボディ（船体、機体、車体）である。また、本体部３の各部には複数のセンサ３１が設けられている。各センサ３１は、移動体１（本体部３）の速度、
姿勢角（ロール角、ピッチ角、ヨー角）、加速度（上下方向、左右方向、前後方向の加速度）などを計測する。
推進系４は、移動体１（本体部３）に推力を与える機構である。推進系４は、インバータ制御装置４０と、インバータ４１と、磁気ギヤードモータ４２と、回転軸４３と、推進器４４と、電流センサ４５と、回転角センサ４６とを有する。
インバータ４１は、インバータ制御装置４０の指令（電圧・電流指令）に従い、磁気ギヤードモータ４２に電力を供給する。
磁気ギヤードモータ４２は、高速ロータＨＳＲおよび低速ロータＰＰＲからなる磁気ギヤ部４２Ａを有している。インバータ４１から供給された電流がステータの巻線（不図示）に流れると、巻線の起磁力により高速ロータＨＳＲが回転する。高速ロータＨＳＲに印加された電気トルク（モータトルク）は、磁気ばねを介して低速ロータＰＰＲに伝達される。これにより、低速ロータＰＰＲは、所定の減速比で高速ロータＨＳＲと同期して回転する。
回転軸４３は、磁気ギヤードモータ４２の出力軸であり、継手ＪＴを介して低速ロータＰＰＲと推進器４４とを接続する。
推進器４４は、磁気ギヤードモータ４２から伝達されたトルクにより回転駆動して、移動体１（本体部３）に推力を与える。推進器４４は、たとえばプロペラである。また、他の実施形態では、推進器４４は自動車や鉄道車両の車輪などであってもよい。
インバータ４１と磁気ギヤードモータ４２とを接続する電力線には、電流センサ４５が設けられる。電流センサ４５は、インバータ４１から磁気ギヤードモータ４２に供給される電流（モータ電流）を計測する。また、磁気ギヤードモータ４２には、回転角センサ４６が設けられる。回転角センサ４６は、高速ロータＨＳＲの回転角度および回転数を計測する高速側回転角センサ４６Ａと、低速ロータＰＰＲ（回転軸４３）の回転角度および回転数を計測する低速側回転角センサ４６Ｂとを含む。
インバータ制御装置４０は、磁気ギヤードモータ４２のトルクが後述する制御装置２から要求されたトルク指令と一致するように、モータ電流や回転軸４３の回転数などの計測データに基づいて、インバータ４１が磁気ギヤードモータ４２に印加する電圧および電流をフィードバック制御する。
操舵系５は、移動体１（本体部３）の進行方向を変更可能な舵取機５１を有する。
操作部１０は、操作者による操作指令などの入力を受け付ける。
制御装置２は、操作者による操作指令に基づいて、推進系４や操舵系５の制御を行う。本実施形態では、特に、移動体１の状態や気象・海象条件などを監視して、推進系４の磁気ギヤードモータ４２の脱調を抑制するように、磁気ギヤードモータ４２のトルクを調整する。なお、操舵系５の制御（舵角指令の演算など）については従来技術と同様であるため、詳細な説明を省略する。
（制御装置の機能構成）
図２は、制御装置の機能構成を示すブロック図である。
図２に示すように、制御装置２は、プロセッサ２０と、メモリ２１と、ストレージ２２と、通信インタフェース２３とを備えている。
プロセッサ２０は、所定のプログラムに従って動作することにより、制御部２０１、切替部２０２、手動設定部２０３、自動設定部２０４、推定部２０５、リミッタ２０６としての機能を発揮する。
制御部２０１は、推進器４４（回転軸４３）の回転数の計測データと、回転数指令との差に基づいて、磁気ギヤードモータ４２の電気トルク（モータトルク）を調整するフィードバック制御を行う。
切替部２０２は、磁気ギヤードモータ４２の電気トルクを制限するトルク制限値の設定モードの切り替えをおこなう。設定モードは、トルク制限値を操作者が手動で設定するマニュアルモードと、トルク制限値を自動で設定するオートモードとを含む。
手動設定部２０３は、マニュアルモードに切り替えられた場合に、トルク制限値を操作者が指定した値に設定する。
自動設定部２０４は、オートモードに切り替えられた場合に、推進器４４から磁気ギヤードモータ４２に伝達される負荷トルク、および移動体１の状態を表す計測データの少なくとも一方に基づいてトルク制限値を設定する。
推定部２０５は、移動体１の状態を表す計測データを含む状態変数に基づいて、負荷トルクを推定する。
リミッタ２０６は、制御部２０１が演算したトルク制限値を、手動設定部２０３または自動設定部２０４が設定したトルク制限値で制限した最終トルク指令をインバータ制御装置４０に出力する。
なお、プロセッサ２０が実行する所定のプログラムは、コンピュータ読み取り可能な記録媒体に記憶される。また、コンピュータ読み取り可能な記録媒体とは、磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ－ＲＯＭ、ＤＶＤ－ＲＯＭ、半導体メモリ等をいう。また、このコンピュータプログラムを通信回線によってコンピュータに配信し、この配信を受けたコンピュータが当該プログラムを実行するようにしてもよい。さらに、このプログラムは、上述した機能の一部を実現するためのものであってもよい。さらに、上述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるもの、いわゆる差分ファイル（差分プログラム）であってもよい。
メモリ２１は、プロセッサ２０の動作に必要なメモリ領域を有する。
ストレージ２２は、いわゆる補助記憶装置であって、例えば、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）、ＳＳＤ（Solid State Drive）等である。ストレージ２２には、プロセッサ２０の各部が処理中に取得、生成、参照するデータが格納される。
通信インタフェース２３は、各機器との間で信号（操作指令、計測データなど）の送受信を行う。
（制御装置の処理）
次に、制御装置２の処理の詳細について説明する。本実施形態に係る制御装置２は、磁気ギヤードモータ４２の最大伝達トルクを増やす代わりに、磁気ギヤ部４２Ａに発生するねじれトルクを低減する。ねじれトルクの低減により、磁気ギヤードモータ４２のサイズなどを大きくすることなく、脱調を抑制する。
図３は、第１の実施形態に係る磁気ギヤ部の模式図である。
磁気ギヤ部４２Ａを図３のように簡略化したモデルで表すと、磁気ギヤードモータ４２のステータの巻線（不図示）に電流を印加することにより発生する電気トルク、または、推進器４４のトルクを負荷トルクに合わせて制御することで、磁気ギヤ部４２Ａに発生するねじれトルクを低減することができる。図４から、次式（１）～（４）が成立する。
Figure 2025028560000002
Figure 2025028560000003
Figure 2025028560000004
Figure 2025028560000005
式（１）のθｅは高速ロータＨＳＲと低速ロータＰＰＲの回転角度差を示すねじれ角（電気角）、ωｅは回転速度差を示すねじれ角速度（電気角）である。式（１）のθｅ、ωｅは式（２）より得られる。式（２）のｐｈ、θ０、ω０は、それぞれ高速ロータＨＳＲの極対数、回転角度（機械角）、角速度（機械角）である。式（２）のｎｓ、θ１、ω１は、それぞれ低速ロータＰＰＲのポールピース極数、回転角度（機械角）、角速（機械角）度である。
式（３）の右辺第二項は磁気ギヤ部４２Ａのトルク（磁気ばねトルク）であり、その最大値は最大伝達トルクＴｍａｘとなる。式（３）のＪｒ、Ｔｒは式（４）より得られる。式（４）のＪ０は高速ロータＨＳＲの慣性モーメント、Ｊ１は低速ロータＰＰＲの慣性モーメント、Ｔ０は電気トルク、Ｔ１は負荷トルクである。したがって、式（３）の右辺第一項Ｔｒが最大伝達トルクＴｍａｘを超えると、安定な動作点が消失して脱調に至る。
損失を無視すると、定常状態では式（３）の右辺第一項と第二項は釣り合っており、左辺が０、すなわち回転速度差０で高速ロータＨＳＲおよび低速ロータＰＰＲが完全に同期して回転する。この状態から負荷トルクＴ１がΔＴ１増えると、式（３）からＴｒが増加し、式（３）のバランスが崩れて左辺≠０となり、回転角度差θｅが変化する。このとき、仮に負荷トルクＴ１の変化と全く同じタイミングで、電気トルクＴ０を次式（５）で示すΔＴ０だけ変化させたとする。
Figure 2025028560000006
そうすると、Ｔｒの変化はゼロとなり、高速ロータＨＳＲおよび低速ロータＰＰＲの電気的な回転角度差や回転速度差は生じず、また、最大伝達トルクＴｍａｘを超えることもない。したがって、磁石を増やして最大伝達トルクに余裕を持たせなくても、脱調を抑制することができる。
ただし、実際はいつどのようなタイミングで、どのような負荷が作用するか正確にはわからないのと、遅れゼロで電気トルクを制御することはできない。
簡便で確実なのは過負荷の発生に先立ち電気トルクを下げておく（または制限する）ことである。ただし、電気トルクを常に下げた（制限した）状態にすると、磁気ギヤードモータ４２の出力トルクが低下して、移動体１の移動（航行）に時間を要してしまう。このため、電気トルクの下げ量（制限量）やその継続時間は適切に調整する必要がある。
そこで、本実施形態に係る制御装置２は、手動設定部２０３または自動設定部２０４において、電気トルクを制限する処理を実施する。
図４は、第１の実施形態に係る制御装置の制御例を示すブロック線図である。
制御装置２の制御処理の詳細について、図４を参照しながら説明する。
まず、図４に示すように、切替部２０２は、設定モードをマニュアルモードまたはオートモードに切り替える。
図５は、第１の実施形態に係る切替部の機能を説明するための図である。
切替部２０２は、たとえば図５に示すように、Ｍ１～Ｍ３のうちいずれか一の条件を満たした場合に、設定モードをマニュアルモードに切り替える。また、切替部２０２は、Ａ１～Ａ３の全ての条件を満たした場合に、設定モードをオートモードに切り替える。
設定モードの切り替え条件Ｍ１～Ｍ３、Ａ１～Ａ３は、以下のとおりである。
（Ｍ１）操作者が操作部１０を介してマニュアルモードを選択する操作を行った場合。
（Ｍ２）計測データの信頼性が不十分である場合。
（Ｍ３）環境条件が不良であると予測される場合。
（Ａ１）操作者が操作部１０を介してオートモードを選択する操作を行った場合。
（Ａ２）計測データの信頼性が十分である場合。
（Ａ３）環境条件が良好であると予測される場合。
条件Ｍ１およびＡ１については、たとえば、移動体１の運転計画などに応じて、操作者が設定モードの切り替え操作を行う。たとえば、海上公試などでクラッシュ・アスターンや急旋回などの過酷な運転をする（すなわち、磁気ギヤードモータ４２への過負荷が発生する）ことが事前にわかっている場合、操作者はマニュアルモードを選択する（条件Ｍ１）。一方、このような過酷な運転をしないことが事前にわかっている場合、操作者はオートモードを選択する（条件Ａ１）。
条件Ｍ２およびＡ２の計測データは、自動設定部２０４がトルク制限値の設定に用いる推進器４４（回転軸４３）の回転数の計測データ、センサ３１による移動体１（本体部３）の速度、姿勢角、加速度などの計測データである。たとえば、いずれかのセンサが故障した場合や、データ伝送異常が発生した場合には、計測データの信頼性が不十分であると判断される（条件Ｍ２）。一方、全てのセンサが正常に動作している場合や、データ伝送異常が発生していない場合には、計測データの信頼性が十分であると判断される（条件Ａ２）。
条件Ｍ３およびＡ３の環境条件は、風雨などの気象条件や、波などの海象条件が良好であるか不良であるかを示す情報を含む。制御装置２は、操作部１０または外部のサーバ（不図示）などから、移動体１の移動経路における現在および将来の環境条件（良好／不良）を取得する。なお、環境条件には風速、雨量、波高などの予測値が含まれていてもよく、切替部２０２は、これら予測値のうち何れかが閾値を超えたか否かに基づいて、環境条件が良好であるか不良であるかを判断してもよい。
つまり、マニュアルモードは、荒天時などのように、推定部２０５による負荷トルクの推定が困難であり、ベテランの操作者の判断を重視すべき場合に設定されるモードである。また、オートモードは、晴天時など気象・海象が穏やかで負荷トルクの推定が比較的正確に行える場合に設定されるモードである。移動体１の移動時間（航行時間）の最小化や、燃費最大化を図るためには、トルク制限値をきめ細やかに調整する必要がある。したがって、条件Ａ２～Ａ３を満たす場合には、オートモードを設定して、トルク制限値を移動体１の状態などに応じて調整することが望ましい。
設定モードがマニュアルモードのとき、手動設定部２０３は、操作者が操作部１０を介して入力した値を、トルク制限値として設定する。
図６は、第１の実施形態に係るオートモード時の処理例を示すブロック線図である。
設定モードがオートモードのとき、自動設定部２０４は図６に示すトルク決定ロジックにしたがい、トルク制限値を設定する。オートモードでは、負荷トルクが増大する要因に着目し、それら要因の状態をセンサで計測した計測データや操作指令などから判定する。
自動設定部２０４は、移動体１の状態を示す計測データとトルク制限値との関係を予め定めた第１制限値情報Ｄ１を参照して、移動体１の状態（計測データ）に応じた第１トルク制限値を決定する。移動体の状態を示す計測データは、たとえばセンサ３１が計測した移動体１の本体部３の姿勢角である。移動体１が船舶である場合、荒天時などには船体運動（ピッチング）が大きくなり、船体後部に設けられた推進器４４（プロペラ）が一時的に水面上に露出して空転する（プロペラレーシング）場合がある。そうすると、プロペラの露出の有無により負荷トルクが大きく変動するため、磁気ギヤードモータ４２が脱調する可能性がある。
このように、移動体１の特定の状態が負荷トルクの変動に影響することが分かっている場合には、移動体１の特定の状態（上記した例ではピッチ角）と、脱調しない最大の電気トルク（脱調限界となる電気トルク）であるトルク制限値との関係を定めた第１制限値情報Ｄ１を用意しておく。第１制限値情報Ｄ１は、シミュレーション、模型試験、移動体１自身または類似する他の移動体の実測データなどのデータベースに基づき作成したテーブルであってもよいし、データベースに基づき構築した数学モデルであってもよい。自動設定部２０４は、第１制限値情報Ｄ１を使い、時々刻々と変化する本体部３のピッチ角に応じた第１トルク制限値を求める。
また、図３の磁気ギヤ部４２Ａのモデルから、負荷トルクの急変のみならず、電気トルクの急変によっても脱調が起こり得ることがわかる。たとえばクラッシュ・アスターンのような運転を行うことにより、電気トルクが急変して脱調する可能性がある。つまり、操船に関する操作指令（推進系４への回転数指令、操舵系５への舵角指令など）や実際値（低速ロータＰＰＲの回転数、姿勢や加速度の計測データ）も、トルク制限値の決定に有効と考えられる。したがって、第１制限値情報Ｄ１は、これら操作指令や実際値とトルク制限値との関係を定めたものであってもよい。
さらに、自動設定部２０４は、移動体１の様々な状態や操作指令から推測される負荷トルクに基づいて、トルク制限値を設定してもよい。まず、推定部２０５において、たとえば以下のように負荷トルクの推定を行う。図３の磁気ギヤ部４２Ａの模式図および上式（１）～（４）を参照して、磁気ギヤードモータ４２で駆動される推進系４を以下のようにモデル化する。ここでは理解しやすいよう極めて簡略化したモデルを用いている。また、ここでは移動体１が船舶であり、推進器４４がプロペラであるとする。
Figure 2025028560000007
Figure 2025028560000008
Figure 2025028560000009
Figure 2025028560000010
Figure 2025028560000011
Figure 2025028560000012
Figure 2025028560000013
Figure 2025028560000014
式（６）～（９）のＱｍｏｔｏｒ０は磁気ギヤードモータ４２の電気トルク、Ｑｍｏｔｏｒ１は磁気ギヤードモータの出力トルク（磁気ばねトルク）、Ｑｐは負荷トルク（プロペラトルク）、τｅは電気トルクの応答時定数、Ｑｍｏｔｏｒ０ ＊は電気トルクの指令値（トルク指令）である。式（１０）のｕｐはプロペラの流入速度を時間ｔの一次関数で表したものであり、同次形の微分方程式で表すと式（１１）～（１２）となる。これらの式より、負荷トルクＱｐは式（１３）のモデルで表される。なお、式（１３）のＣ１，Ｃ２，Ｃ３はプロペラの特性で決まる係数である。
また、移動体１の状態変数ｘを式（１４）のようにおく。
Figure 2025028560000015
後述する方法により時々刻々と推定された状態変数ｘ＾を用いて、負荷トルクを式（１５）のように推定する。
Figure 2025028560000016
推定アルゴリズムを構築するため、状態方程式を式（１６）とする。
Figure 2025028560000017
上式（１６）の連続系の状態方程式を演算周期ΔＴで離散化する。たとえば前進オイラー法で近似すると、次式（１７）のような離散系の状態方程式となる。
Figure 2025028560000018
ここで、ｋは演算ステップである。次に、観測（計測）可能な信号を定義する。たとえば高速ロータＨＳＲおよび低速ロータＰＰＲの角速度のみが計測できるとすると、観測方程式は次式（１８）のとおりとなる。Ｈは状態変数を観測変数に変換する関数である。
Figure 2025028560000019
式（１７）の状態方程式と式（１８）の観測方程式を用いて、状態変数を推定する。たとえば、本実施形態では、無香料カルマンフィルタ（Unscented Kalman Filte；UKF）にて状態変数を推定する。なお、他の実施形態では、他の手法を利用して状態変数を推定してもよい。無香料カルマンフィルタを用いた状態の推定では、「１．シグマ点の計算ステップ」、「２．予測ステップ」、「３．更新ステップ」の３つのステップを行う。以下、順に説明する。
１．シグマ点の計算ステップ
状態変数を用いてシグマ点を演算する。なお、最初の演算ステップでは初期値を設定した状態変数を用いる。状態変数の次元をｎとした場合、状態変数一つにつき、２ｎ＋１個のシグマ点を設定する。なお、本例ではｎ＝６とする。ある一つの、ある演算時点ｋでの状態変数（例えばｘ１［ｋ］）を対象としてシグマ点の設定方法を示す。数式を見やすくするため演算時点を示す記号［ｋ］は省略する。
シグマ点の平均値を計算するための重み係数Ｗを以下の式（１９）～（２２）のとおり計算する。α、β、κはパラメータであり、一般的に０≦α≦１，κ＝３－ｎ，β＝２とするのがよいとされている。αはシグマ点の散らばり具合（平均値からの距離）を調整するパラメータであり、大きくするほど散らばりが大きくなる。
Figure 2025028560000020
Figure 2025028560000021
Figure 2025028560000022
Figure 2025028560000023
式（２３）～（２４）のように、シグマ点の一つ（Ｘ０）は重み付きの平均値μとする。
Figure 2025028560000024
Figure 2025028560000025
残りの２ｎ個のシグマ点は上で計算した平均値μと下式（２５）～（２７）を用いて算出する。
Figure 2025028560000026
Figure 2025028560000027
Figure 2025028560000028
全ての状態変数を考慮し、シグマ点の集合を行列で表すと次式（２８）のようになる。上記のとおり、本例ではｎ＝６である。
Figure 2025028560000029
式（２８）の要素Ｘｉ，ｊの添え字ｉ＝０，…，２ｎはシグマ点の番号、ｊ＝１，…，ｎは状態変数の番号である。
２．予測ステップ
次式（２９）にてシグマ点の無香料変換を行う。変換後の集合を行列で表すと式（３０）となる。
Figure 2025028560000030
Figure 2025028560000031
ＸおよびＹは（２ｎ＋１）×ｎ行列である。下式（３１）～（３４）にて平均値ｘ￣と共分散行列Ｐ￣を計算する。
Figure 2025028560000032
Figure 2025028560000033
Figure 2025028560000034
Figure 2025028560000035
式（３４）のＱはプロセスノイズのモデルである。
３．更新ステップ
観測方程式を用いてシグマ点を観測空間に移す。
Figure 2025028560000036
式（３５）の添え字ｉ＝０，…，２ｎはシグマ点の番号、ｊ＝１，…，ｎは状態変数の番号、ｋ＝１，…，ｌは観測点の番号である。ｌは観測点の数である。また、式（３６）～（３８）より、観測空間に移したシグマ点の平均値μＺと共分散行列ＰＺを計算する。式（３８）のＲはｌ×ｌ行列であり、観測ノイズのモデル（共分散行列）である。
Figure 2025028560000037
Figure 2025028560000038
Figure 2025028560000039
式（３５）～（３８）添え字ｉ＝０，…，２ｎはシグマ点の番号、ｊ＝１，…，ｎは状態変数の番号、ｋ＝１，…，ｌは観測点の番号である。また、ｌは観測点の数である。式
また、式（３９）により観測値ｚ＝［ω０，ｍｅａｓ ω１，ｍｅａｓ］Ｔの残差ｙを計算する。
Figure 2025028560000040
次に、カルマンゲインＫを次式（４０）～（４１）にて計算する。
Figure 2025028560000041
Figure 2025028560000042
計算したカルマンゲインを使い、次式（４２）にて状態変数の推定値を更新する。
Figure 2025028560000043
また、計算したカルマンゲインを使い、共分散行列を次式（４３）にて更新する。
Figure 2025028560000044
推定部２０５は、上記した「２．予測ステップ」と「３．更新ステップ」を繰り返し行う。つまり、予測ステップにおいて、前回の時刻（演算ステップ）ｋ－１の状態推定値Ｘｋ－１から、現在時刻ｋの状態の事前分布Ｘ￣ｋを予測する。また、更新ステップにおいて、予測された事前分布Ｘ￣ｔを観測空間に移した値ｚの残差ｙを求め、この残差ｙに基づいて現在時刻ｋの状態変数の推定値を更新した事後分布Ｘ￣ｋ＋Ｋｙを得る。推定部２０５は、このようにして状態変数の推定値ｘ＾を求め、上式（１５）により時々刻々と負荷トルクの推定値Ｑｐ＾を演算する。
次に、自動設定部２０４は、現在時刻の負荷トルク推定値Ｑｐ＾に基づいて、第２トルク制限値を決定する。たとえば、自動設定部２０４は、負荷トルクと脱調しない最大の電気トルク（脱調限界となる電気トルク）であるトルク制限値との関係を定めた第２制限値情報Ｄ２を用意しておく。第２制限値情報Ｄ２は、シミュレーション、模型試験、移動体１自身または類似する他の移動体の実測データなどのデータベースに基づき作成したテーブルであってもよいし、データベースに基づき構築した数学モデルであってもよい。自動設定部２０４は、第２制限値情報Ｄ２に基づいて、推定された負荷トルクに応じた第２トルク制限値を求める。
また、自動設定部２０４は、セレクタ２０４Ａにより、第１トルク制限値と、第２トルク制限値のうち、値が小さい方を選択して、最終的なトルク制限値とする。
たとえば、トルク制限値が急に上昇すると、電気トルクが過剰となり脱調を引き起こす可能性がある。このため、自動設定部２０４は、セレクタ２０４Ａにより選択されたトルク制限値が前回値よりも上昇する（上げ側となる）場合には、レート制限部２０４Ｂによりトルク制限値の時刻ごとの変化量又は変化率を制限する。
自動設定部２０４は、図６に示す処理を時々刻々と繰り返すことにより、移動体１の状態に応じた適切なトルク制限値を設定する。
図４に戻り、制御部２０１は、推進器４４の回転数の計測データと、操作部１０から指示された回転数指令との差に基づいて、磁気ギヤードモータ４２のトルク指令を演算する。
また、リミッタ２０６は、制御部２０１が演算したトルク制限値をトルク制限値で制限した最終トルク指令を決定する。マニュアルモード時は手動設定部２０３が設定したトルク制限値が、オートモード時には自動設定部２０４が設定したトルク制限値がリミッタ２０６に与えられる。最終トルク指令は、インバータ制御装置４０に出力される。インバータ制御装置４０は、磁気ギヤードモータ４２の電気トルクが最終トルク指令と一致するように、インバータ４１の電圧・電流を調整する。
制御装置２は、移動体１の運転中、図４および図６に示す処理を繰り返し実行する。
なお、上記した例では、説明を簡単にするため、プロペラが完全に没水した状態を表すモデルのみを考慮して負荷モデルの推定を行った。実際には、プロペラが水面上に暴露（プロペラレーシング）したあとに再び没水した場合など、プロペラから大きな負荷トルクが作用することとなる。このような動きは、船体の傾斜や上下動（Heave）などの船体運動と相関が強いと考えられる。したがって、推定部２０５は、船体の船体運動に関する計測データ（姿勢角や加速度など）を上述した状態方程式（１７）や観測方程式（１８）に追加して、負荷トルクを推定してもよい。さらに、プロペラに由来する負荷変動は、プロペラレーシング以外にも、舵を切って急旋回する場合にも起こり得る。つまり、操船に関する操作指令（推進系４への回転数指令、操舵系５への舵角指令など）や実際値（低速ロータＰＰＲの回転数、姿勢や加速度の計測データ）も、トルク制限値の決定に有効と考えられる。したがって、推定部２０５は、これら操作指令や実際値を上述した状態方程式（１７）や観測方程式（１８）に追加して、負荷トルクを推定してもよい。これにより、負荷トルクの推定精度を向上させることができる。
また、図６には、自動設定部２０４が第１トルク制限値および第２トルク制限値のうち小さい方をセレクタ２０４Ａにより選択する例が示されているが、これに限られることはない。他の実施形態では、自動設定部２０４は、第１トルク制限値のみ、または第２トルク制限値のみをトルク制限値として求めてもよい。この場合、セレクタ２０４Ａは省略される。
（作用、効果）
以上のように、本実施形態に係る移動体１の制御装置２は、磁気ギヤードモータ４２の電気トルクを制限するトルク制限値を操作者が手動で設定するマニュアルモードと、トルク制限値を自動で設定するオートモードとを切り替える切替部２０２と、マニュアルモードに切り替えられた場合に、トルク制限値を操作者が指定した値に設定する手動設定部２０３と、オートモードに切り替えられた場合に、推進器４４から磁気ギヤードモータ４２に伝達される負荷トルク、または移動体１の状態に応じてトルク制限値を設定する自動設定部２０４と、を備える。
このようにすることで、制御装置２は、マニュアルモード時には、操作者が状況に応じてトルク制限値を調整して、磁気ギヤードモータ４２の脱調を抑制することができる。一方で、制御装置２は、オートモード時には、負荷トルクや移動体１の状態に応じて電気トルクをきめ細やかに調整することにより、脱調を抑制しつつ、磁気ギヤードモータ４２を最大効率で運転することができる。したがって、移動体１の移動時間の最小化、燃費最大化を図ることができる。
また、自動設定部２０４は、移動体１の状態とトルク制限値との関係を予め定めた第１制限値情報Ｄ１を参照して、移動体１の状態に応じた第１トルク制限値をトルク制限値として設定する。
たとえば移動体１が船舶であり、船体の状態（傾斜）の変化によってプロペラレーシングが発生した場合など、磁気ギヤードモータ４２にかかる負荷トルクが大きく変動する可能性がある。制御装置２は、上記したように移動体１の状態に合わせてトルク制限値を設定することにより、移動体１の状態の変化に伴う負荷トルクの変動に合わせて電気トルクを適切に調整し、脱調を抑制することができる。
また、制御装置２は、移動体１の状態を表す計測データ含む状態変数に基づいて、負荷トルクを推定する推定部２０５をさらに備える。自動設定部２０４は、負荷トルクとトルク制限値との関係を予め定めた第２制限値情報Ｄ２を参照して、推定した負荷トルクに応じた第２トルク制限値をトルク制限値として設定する。
このようにすることで、制御装置２は、時々刻々と磁気ギヤードモータ４２にかかる負荷トルクを推定して、負荷トルクの変動に合わせて電気トルクを適切に調整し、脱調を抑制することができる。
また、自動設定部２０４は、第１トルク制限値および第２トルク制限値を決定し、これらのうち値が小さい方をトルク制限値として設定する。
たとえば移動体１の傾斜がなくプロペラレーシングが発生していない場合など、移動体１の状態が安定していることから、第１トルク制限値は電気トルクの制限を緩和するような値となる可能性がある。一方で、移動体１の加速や旋回などにより、負荷トルクが上昇している場合など、第２トルク制限値は電気トルクをより制限するような値となる可能性がある。このような場合であっても、制御装置２は、値の小さい方を最終的なトルク制限値として設定することにより、電気トルクを安全側に調整することができる。これにより、脱調をより確実に抑制することができる。
＜第２の実施形態＞
次に、第２の実施形態について図７を参照しながら説明する。上述の実施形態と共通の構成要素には同一の符号を付して詳細説明を省略する。
第１の実施形態において、オートモード時、制御装置２の推定部２０５は、現在の負荷トルクの推定値Ｑｐ＾を求めた。これに対し、本実施形態に係る推定部２０５は、モデルＭを用いて所定ステップ先の将来の負荷トルクおよび電気トルク（モータトルク）の挙動を予測する。
図７は、第２の実施形態に係るオートモード時の処理例を示すブロック線図である。
具体的には、図７に示すように、推定部２０５は、第１の実施形態処理（図６）に代えて、モデルＭを用いた将来の負荷トルクおよび電気トルクを推定する処理を行う。モデルＭは、過去の数ステップ分の計測データを入力ｘとし、将来の負荷トルクおよび電気トルクの推定値ｙを出力とする。計測データは、移動体１（本体部３）の傾斜や揺れを表す姿勢角および加速度、各ロータの回転角度および回転速度などの計測データを含む。モデルＭは、たとえば、ＲＢＦ（Radial Base Function）－ＡＲＸモデルなどの自己回帰（Auto-Regressive；AR）モデルであってもよい。また、他の実施形態では、モデルＭは、過去の計測データから学習した学習モデルであってもよい。
また、自動設定部２０４は、第１の実施形態の処理（図６）に代えて、予測された将来の負荷トルクおよび電気トルクに基づいて、現在の電気トルクを一定期間制限するようにトルク制限値を設定する処理を行う。たとえば、図７に示すように、自動設定部２０４は、予測された将来の負荷トルクおよび電気トルクを入力として脱調のシミュレーションを行い、将来脱調が発生することが予測される場合に、推定された負荷トルクと第２制限値情報Ｄ２とに基づいてトルク制限値（第２トルク制限値）を決定する。第２トルク制限値の決定の方法は、第１の実施形態と同様である。また、自動設定部２０４は、第１の実施形態と同様に、レート制限部２０４Ｂにより、トルク制限値が上げ側となる場合にのみ、トルク制限値の時刻ごとの変化量又は変化率を制限するようにしてもよい。
以降の制御装置２の処理は第１の実施形態と同様である。すなわち、制御部２０１は、演算したトルク指令を自動設定部２０４が設定したトルク制限値で制限した最終トルク指令を、インバータ制御装置４０に出力する。インバータ制御装置４０は、磁気ギヤードモータ４２の電気トルクが最終トルク指令と一致するように、インバータ４１の電圧・電流を調整する。
このように、本実施形態に係る制御装置２は、将来的に脱調が予測される場合には、事前に電気トルクを制限しておく。このようにすることで、制御装置２は、より確実に磁気ギヤードモータ４２の脱調を抑制することができる。
＜第３の実施形態＞
次に、第３の実施形態について図８～図９を参照しながら説明する。上述の実施形態と共通の構成要素には同一の符号を付して詳細説明を省略する。
図８は、第３の実施形態に係る制御装置の機能構成を示すブロック図である。
図９は、第３の実施形態に係る制御装置の制御例を示すブロック線図である。
上述の実施形態では、制御装置２が磁気ギヤードモータ４２の脱調を抑制するために、磁気ギヤードモータ４２の電気トルク（モータトルク）を制限する例について説明した。これに対し、本実施形態に係る制御装置２は、操舵系５の舵角、および推進器４４の回転数の少なくとも一方を制限して負荷トルクを制御することにより、磁気ギヤードモータ４２の脱調を抑制する。
具体的には、図８および図９に示すように、本実施形態に係る制御装置２は、制限値演算部２０７をさらに備える。制限値演算部２０７は、手動設定部２０３または自動設定部２０４が設定したトルク制限値に基づいて、回転数指令および舵角指令を制限する回転数制限値および舵角制限値を演算する。また、制限値演算部２０７は、第１の実施形態または第２の実施形態に係る推定部２０５が推定した負荷トルク推定値や、第２の実施形態にかかる推定部２０５が推定した将来の負荷トルクおよび電気トルクの推定値をさらに用いて、回転数制限値および舵角制限値を演算してもよい。
また、図９に示すように、リミッタ２０６は、第１リミッタ２０６Ａおよび第２リミッタ２０６Ｂを有する。第１リミッタ２０６Ａは、操作部１０から指定された舵角指令を、制限値演算部２０７が演算した舵角制限値で制限する。第１リミッタ２０６Ａにより補正された最終舵角指令は、舵取機５１に出力される。第２リミッタ２０６Ｂは、操作部１０から指定された回転数指令を、制限値演算部２０７が演算した回転数制限値で制限する。第２リミッタ２０６Ｂにより補正された最終回転数指令は、制御部２０１に出力される。制御部２０１は、最終回転数指令と、推進器４４の回転数との差に基づくフィードバック制御を行い、インバータ制御装置４０に出力するトルク指令を生成する。
なお、図９の例では、制限値演算部２０７が回転数制限値および舵角制限値の両方を演算する例が示されているが、これに限られることはない。他の実施形態では、制限値演算部２０７は回転数制限値のみを演算してもよい。この場合、第１リミッタ２０６Ａは省略してよい。また、さらに他の実施形態では、制限値演算部２０７は舵角制限値のみを演算してもよい。この場合、第２リミッタ２０６Ｂは省略してよい。
磁気ギヤードモータ４２の脱調を抑制するためには、電気トルク（モータトルク）を制限するだけでなく、負荷トルクを制限することも有効である。したがって、本実施形態に係る制御装置２は、上記したように、磁気ギヤードモータ４２の電気トルクに代えて、操舵系５の舵角や、推進器４４の回転数などを制限することにより、負荷トルクを制限する。たとえば、移動体１が船舶である場合、プロペラレーシングなどが発生した場合に、プロペラ（推進器４４）の回転数指令を強制的に低下させることで、再びプロペラが没水した際にプロペラから磁気ギヤードモータ４２に作用する負荷トルクを軽減することができる。したがって、より確実に脱調を回避することができる。
＜第４の実施形態＞
次に、第４の実施形態について図１０～図１３を参照しながら説明する。上述の実施形態と共通の構成要素には同一の符号を付して詳細説明を省略する。
図１０は、第４の実施形態に係る磁気ギヤードモータの構成を示す第１の図である。
図１０に示すように、磁気ギヤードモータ４２は、推進器４４との間に設けられたトルク制限機構４２Ｂをさらに有していてもよい。
トルク制限機構４２Ｂは、いわゆるトルクリミッタであり、たとえば摩擦力を利用したトルクリミッタ（クラッチなど）や、ばね復元力を利用するトルクリミッタなどである。トルク制限機構４２Ｂは、低速ロータＰＰＲと推進器４４とを滑らせながらトルクを伝達する。つまり、トルク制限機構４２Ｂは、磁気ギヤ部４２Ａの最大伝達トルクを超えないように、低速ロータＰＰＲおよび推進器４４の間で伝達されるトルクを制限する。
図１１は、第４の実施形態に係る磁気ギヤードモータの構成を示す第２の図である。
また、図１１に示すように、回転軸４３と推進器４４とを接続する継手ＪＴを弾性継手としてもよい。なお、弾性継手ＪＴの剛性は、磁気ギヤードモータ４２の磁気的なねじり剛性よりも低く設定する。また、弾性継手ＪＴに軸ねじれに対する減衰も付与することで、磁気ギヤードモータ４２の低速ロータＰＰＲへ入力される負荷トルクの変化を緩衝し、より確実に脱調を抑制することができる。
図１２は、第４の実施形態に係る磁気ギヤードモータの効果を示す図である。
図１２のグラフは、過負荷（最大伝達トルクに対して１２０％の負荷トルク）が作用した場合のシミュレーション結果である。たとえば、最大伝達トルクは１ｐｕである。Case 0は、トルク制限機構４２Ｂおよび弾性継手ＪＴのいずれも有していない構成（従来技術）、Case 1は、図１０のトルク制限機構４２Ｂを有している構成、Case 2は図１１のトルク制限機構４２Ｂおよび弾性継手ＪＴを有している構成のシミュレーション結果を表す。Case 0の上段のグラフによれば、ある時刻に過負荷が発生し、低速ロータＰＰＲに負荷トルクがそのまま入力されている。この結果、Case 0の中段のグラフに示すように、高速ロータおよび低速ロータの回転速度が同期しなくなり脱調が発生している。また、Case 0の下段のグラフによれば、脱調により交番トルクが発生していることがわかる。一方で、Case 1およびCase 2の両方とも、上段のグラフに示すように、トルク制限機構４２Ｂや弾性接手ＪＴにより低速ロータＰＰＲに入力される負荷トルクが制限される。そうすると、低速ロータＰＰＲと推進器４４との間に滑りが生じるので、中段のグラフに示すように高速ロータＨＳＲおよび低速ロータＰＰＲの回転速度はCase 0のように大きく乖離せず、同期した状態を維持することができた。つまり、Case 1およびCase 2では脱調を抑制することができた。また、Case 1およびCase 2の下段のグラフに示すように、Case 0と比較して磁気ばねトルクの変動が大きく抑制された。
図１３は、第４の実施形態に係る磁気ギヤードモータの構成を示す第３の図である。
なお、磁気ギヤードモータ４２は、トルク制限機構４２Ｂに代えて、若しくは、トルク制限機構４２Ｂに加えて、フライホイール４２Ｃを有していてもよい。図１３には、磁気ギヤードモータ４２がトルク制限機構４２Ｂおよびフライホイール４２Ｃの両方を有している例が示されている。また、フライホイール４２Ｃは、両側に配置された弾性継手ＪＴ１，ＪＴ２とともにＴＭＤ（Tuned Mass Damper）を構成する。これにより、フライホイール４２Ｃは、低速ロータＰＰＲおよび高速ロータＨＳＲのねじれ角変動に適度な減衰を付与することができるので、より確実に脱調を抑制することができる。
＜その他の実施形態＞
以上、図面を参照して実施形態について詳しく説明してきたが、具体的な構成は上述のものに限られることはなく、様々な設計変更等をすることが可能である。すなわち、他の実施形態においては、上述の処理の順序が適宜変更されてもよい。また、一部の処理が並列に実行されてもよい。
＜付記＞
上述の実施形態に記載の移動体の制御装置、移動体、移動体の制御方法、およびプログラムは、例えば以下のように把握される。
（１）第１の態様によれば、移動体１の制御装置２は、磁気ギヤードモータ４２に回転駆動される推進器４４を有する移動体１の制御装置２であって、磁気ギヤードモータ４２の電気トルクを制限するトルク制限値を操作者が手動で設定するマニュアルモードと、トルク制限値を自動で設定するオートモードとを切り替える切替部２０２と、マニュアルモードに切り替えられた場合に、トルク制限値を操作者が指定した値に設定する手動設定部２０３と、オートモードに切り替えられた場合に、推進器３３から磁気ギヤードモータ４２に伝達される負荷トルク、および移動体１の状態を表す計測データの少なくとも一方に基づいてトルク制限値を設定する自動設定部２０４と、推進器４４の回転数を指定する回転数指令と推進器４４の回転数の計測データとの差に基づき磁気ギヤードモータ４２の電気トルクを調整するトルク指令を、トルク制限値で制限するリミッタ２０６と、を備える。
このようにすることで、制御装置２は、マニュアルモード時には、操作者が状況に応じてトルク制限値を調整して、磁気ギヤードモータ４２の脱調を抑制することができる。一方で、制御装置２は、オートモード時には、負荷トルクや移動体１の状態に応じて電気トルクをきめ細やかに調整することにより、脱調を抑制しつつ、磁気ギヤードモータ４２を最大効率で運転することができる。したがって、移動体１の移動時間の最小化、燃費最大化を図ることができる。
（２）第２の態様によれば、第１の態様に係る移動体１の制御装置２において、自動設定部２０４は、移動体１の状態とトルク制限値との関係を予め定めた第１制限値情報Ｄ１を参照して、移動体１の状態に応じた第１トルク制限値をトルク制限値として設定する。
制御装置２は、このように移動体１の状態に合わせてトルク制限値を設定することにより、移動体１の状態の変化に伴う負荷トルクの変動に合わせて電気トルクを適切に調整し、脱調を抑制することができる。
（３）第３の態様によれば、第１の態様に係る移動体１の制御装置２は、移動体１の状態を表す計測データを含む状態変数に基づいて、負荷トルクを推定する推定部２０５をさらに備え、自動設定部２０４は、負荷トルクとトルク制限値との関係を予め定めた第２制限値情報Ｄ２を参照して、推定した負荷トルクに応じた第２トルク制限値をトルク制限値として設定する。
このようにすることで、制御装置２は、時々刻々と磁気ギヤードモータ４２にかかる負荷トルクを推定して、負荷トルクの変動に合わせて電気トルクを適切に調整し、脱調を抑制することができる。
（４）第４の態様によれば、第１の態様に係る移動体１の制御装置２は、移動体１の状態を表す計測データを含む状態変数に基づいて、負荷トルクを推定する推定部２０５をさらに備え、自動設定部２０４は、移動体１の状態とトルク制限値との関係を予め定めた第１制限値情報Ｄ１を参照して、移動体１の状態に応じた第１トルク制限値を決定し、負荷トルクとトルク制限値との関係を予め定めた第２制限値情報Ｄ２を参照して、推定した負荷トルクに応じた第２トルク制限値を決定し、第１トルク制限値および第２トルク制限値のうち、値が小さい方をトルク制限値として設定する。
たとえば移動体１の状態が安定している場合であっても、実際には移動体１の運転状態により負荷トルクが上昇している可能性がある。このような場合であっても、制御装置２は、移動体の状態に基づき決定した第１トルク制限値と、推定された負荷トルクに基づく決定した第２トルク制限値とを比較して最終的なトルク制限値を選択することにより、電気トルクを安全側に調整することができる。これにより、脱調をより確実に抑制することができる。
（５）第５の態様によれば、第３の態様に係る移動体１の制御装置２において、推定部２０５は、状態変数に基づいて所定時刻先の将来の負荷トルクおよび電気トルクを推定し、自動設定部２０４は、推定した将来の負荷トルクおよび電気トルクに基づいて、トルク制限値を設定する。
このようにすることで、制御装置２は、将来的に脱調が予測される場合には、事前に電気トルクを制限しておくことができる。これにより、制御装置２は、より確実に磁気ギヤードモータ４２の脱調を抑制することができる。
（６）第６の態様によれば、第４の態様に係る移動体１の制御装置２において、推定部２０５は、状態変数に基づいて所定時刻先の将来の負荷トルクおよび電気トルクを推定し、自動設定部２０４は、推定した将来の負荷トルクおよび電気トルクに基づいて、トルク制限値を設定する。
このようにすることで、制御装置２は、将来的に脱調が予測される場合には、事前に電気トルクを制限しておくことができる。これにより、制御装置２は、より確実に磁気ギヤードモータ４２の脱調を抑制することができる。
（７）第７の態様によれば、移動体１の制御装置２は、磁気ギヤードモータ４２に回転駆動される推進器４４を有する移動体１の制御装置２であって、磁気ギヤードモータ４２の電気トルクを制限するトルク制限値を操作者が手動で設定するマニュアルモードと、トルク制限値を自動で設定するオートモードとを切り替える切替部２０２と、マニュアルモードに切り替えられた場合に、トルク制限値を操作者が指定した値に設定する手動設定部２０３と、オートモードに切り替えられた場合に、推進器４４から磁気ギヤードモータ４２に伝達される負荷トルク、および移動体１の状態を表す計測データの少なくとも一方に基づいてトルク制限値を設定する自動設定部２０４と、トルク制限値に基づいて、推進器４４の回転数を指定する回転数指令、および移動体１の舵角を指定する舵角指令の少なくとも一方を制限する制限値を演算する制限値演算部２０７と、回転数指令および舵角指令の少なくとも一方を制限値で制限するリミッタ２０６と、を備える。
このように、制御装置２は、推進器４４の回転数などを制限することにより、負荷トルクを制限することができる。この結果、より確実に脱調を回避することができる。
（８）第８の態様によれば、移動体１は、低速ロータＰＰＲおよび高速ロータＨＳＲを有する磁気ギヤードモータ４２と、磁気ギヤードモータ４２に回転駆動される推進器４４と、進行方向を変更する舵取機５１と、第１から第７のいずれか一の態様に係る制御装置２と、を備える。
（９）第９の態様によれば、第８の態様に係る移動体１は、低速ロータＰＰＲと推進器４４との間に設けられ、高速ロータＨＳＲおよび低速ロータＰＰＲの最大伝達トルクを超えないように、推進器４４および低速ロータの間で伝達されるトルクを制限するトルク制限機構４２Ｂをさらに備える。
このようにすることで、移動体１は、磁気ギヤードモータ４２の脱調をより確実に抑制することができる。
（１０）第１０の態様によれば、第８または第９の態様に係る移動体１は、低速ロータＰＰＲと推進器４４との間に設けられ、高速ロータＨＳＲおよび低速ロータＰＰＲのねじれ角変動を減衰するフライホイール４２Ｃをさらに備える。
このようにすることで、移動体１は、低速ロータＰＰＲおよび高速ロータＨＳＲのねじれ角変動に適度な減衰を付与することができるので、より確実に脱調を抑制することができる。
（１１）第１の態様によれば、移動体１の制御方法は、磁気ギヤードモータ４２に回転駆動される推進器４４を有する移動体１の制御方法であって、磁気ギヤードモータ４２の電気トルクを制限するトルク制限値を操作者が手動で設定するマニュアルモードと、トルク制限値を自動で設定するオートモードとを切り替えるステップと、マニュアルモードに切り替えられた場合に、トルク制限値を操作者が指定した値に設定するステップと、オートモードに切り替えられた場合に、推進器３３から磁気ギヤードモータ４２に伝達される負荷トルク、および移動体１の状態を表す計測データの少なくとも一方に基づいてトルク制限値を設定するステップと、推進器４４の回転数を指定する回転数指令と推進器４４の回転数の計測データとの差に基づき磁気ギヤードモータ４２の電気トルクを調整するトルク指令を、トルク制限値で制限するステップと、を有する。
（１２）第１２の態様によれば、プログラムは、磁気ギヤードモータ４２に回転駆動される推進器４４を有する移動体１の制御装置２に、磁気ギヤードモータ４２の電気トルクを制限するトルク制限値を操作者が手動で設定するマニュアルモードと、トルク制限値を自動で設定するオートモードとを切り替えるステップと、マニュアルモードに切り替えられた場合に、トルク制限値を操作者が指定した値に設定するステップと、オートモードに切り替えられた場合に、推進器３３から磁気ギヤードモータ４２に伝達される負荷トルク、および移動体１の状態を表す計測データの少なくとも一方に基づいてトルク制限値を設定するステップと、推進器４４の回転数を指定する回転数指令と推進器４４の回転数の計測データとの差に基づき磁気ギヤードモータ４２の電気トルクを調整するトルク指令を、トルク制限値で制限するステップと、を実行させる。
１ 移動体
２ 制御装置
２０ プロセッサ
２０１ 制御部
２０２ 切替部
２０３ 手動設定部
２０４ 自動設定部
２０４Ａ セレクタ
２０４Ｂ レート制限部
２０５ 推定部
２０６ リミッタ
２０６Ａ 第１リミッタ
２０６Ｂ 第２リミッタ
２０７ 制限値演算部
２１ メモリ
２２ ストレージ
２３ 通信インタフェース
３ 本体部
３１ センサ
３３ 推進器
４ 推進系
４０ インバータ制御装置
４１ インバータ
４２ 磁気ギヤードモータ
４２Ａ 磁気ギヤ部
４２Ｂ トルク制限機構
４２Ｃ フライホイール
ＨＳＲ 高速ロータ
ＰＰＲ 低速ロータ
ＪＴ，ＪＴ１，ＪＴ２ 継手（弾性継手）
４３ 回転軸
４４ 推進器
４５ 電流センサ
４６ 回転角センサ
５ 操舵系
５１ 舵取機
１０ 操作部

Claims (12)

  1. 磁気ギヤードモータに回転駆動される推進器を有する移動体の制御装置であって、
    前記磁気ギヤードモータの電気トルクを制限するトルク制限値を操作者が手動で設定するマニュアルモードと、前記トルク制限値を自動で設定するオートモードとを切り替える切替部と、
    前記マニュアルモードに切り替えられた場合に、前記トルク制限値を前記操作者が指定した値に設定する手動設定部と、
    前記オートモードに切り替えられた場合に、前記推進器から前記磁気ギヤードモータに伝達される負荷トルク、および前記移動体の状態を表す計測データの少なくとも一方に基づいて前記トルク制限値を設定する自動設定部と、
    前記推進器の回転数を指定する回転数指令と前記推進器の回転数の計測データとの差に基づき前記磁気ギヤードモータの電気トルクを調整するトルク指令を、前記トルク制限値で制限するリミッタと、
    を備える移動体の制御装置。
  2. 前記自動設定部は、前記移動体の状態と前記トルク制限値との関係を予め定めた第１制限値情報を参照して、前記移動体の状態に応じた第１トルク制限値を前記トルク制限値として設定する、
    請求項１に記載の移動体の制御装置。
  3. 前記移動体の状態を表す計測データを含む状態変数に基づいて、前記負荷トルクを推定する推定部をさらに備え、
    前記自動設定部は、前記負荷トルクと前記トルク制限値との関係を予め定めた第２制限値情報を参照して、推定した前記負荷トルクに応じた第２トルク制限値を前記トルク制限値として設定する、
    請求項１に記載の移動体の制御装置。
  4. 前記移動体の状態を表す計測データを含む状態変数に基づいて、前記負荷トルクを推定する推定部をさらに備え、
    前記自動設定部は、
    前記移動体の状態と前記トルク制限値との関係を予め定めた第１制限値情報を参照して、前記移動体の状態に応じた第１トルク制限値を決定し、
    前記負荷トルクと前記トルク制限値との関係を予め定めた第２制限値情報を参照して、推定した前記負荷トルクに応じた第２トルク制限値を決定し、
    前記第１トルク制限値および前記第２トルク制限値のうち、値が小さい方を前記トルク制限値として設定する、
    請求項１に記載の移動体の制御装置。
  5. 前記推定部は、前記状態変数に基づいて所定時刻先の将来の前記負荷トルクおよび前記電気トルクを推定し、
    前記自動設定部は、推定した将来の前記負荷トルクおよび前記電気トルクに基づいて、前記トルク制限値を設定する、
    請求項３に記載の移動体の制御装置。
  6. 前記推定部は、前記状態変数に基づいて所定時刻先の将来の前記負荷トルクおよび前記電気トルクを推定し、
    前記自動設定部は、推定した将来の前記負荷トルクおよび前記電気トルクに基づいて、前記トルク制限値を設定する、
    請求項４に記載の移動体の制御装置。
  7. 磁気ギヤードモータに回転駆動される推進器を有する移動体の制御装置であって、
    前記磁気ギヤードモータの電気トルクを制限するトルク制限値を操作者が手動で設定するマニュアルモードと、前記トルク制限値を自動で設定するオートモードとを切り替える切替部と、
    前記マニュアルモードに切り替えられた場合に、前記トルク制限値を前記操作者が指定した値に設定する手動設定部と、
    前記オートモードに切り替えられた場合に、前記推進器から前記磁気ギヤードモータに伝達される負荷トルク、および前記移動体の状態を表す計測データの少なくとも一方に基づいて前記トルク制限値を設定する自動設定部と、
    前記トルク制限値に基づいて、前記推進器の回転数を指定する回転数指令、および前記移動体の舵角を指定する舵角指令の少なくとも一方を制限する制限値を演算する制限値演算部と、
    前記回転数指令および前記舵角指令の少なくとも一方を前記制限値で制限するリミッタと、
    を備える移動体の制御装置。
  8. 低速ロータおよび高速ロータを有する磁気ギヤードモータと、
    前記磁気ギヤードモータに回転駆動される推進器と、
    進行方向を変更する舵取機と、
    請求項１から７のいずれか一項に記載の制御装置と、
    を備える移動体。
  9. 前記低速ロータと前記推進器との間に設けられ、前記高速ロータおよび前記低速ロータの最大伝達トルクを超えないように、前記推進器および前記低速ロータの間で伝達されるトルクを制限するトルク制限機構をさらに備える、
    請求項８に記載の移動体。
  10. 前記低速ロータと前記推進器との間に設けられ、前記高速ロータおよび前記低速ロータのねじれ角変動を減衰するフライホイールをさらに備える、
    請求項８に記載の移動体。
  11. 磁気ギヤードモータに回転駆動される推進器を有する移動体の制御方法であって、
    前記磁気ギヤードモータの電気トルクを制限するトルク制限値を操作者が手動で設定するマニュアルモードと、前記トルク制限値を自動で設定するオートモードとを切り替えるステップと、
    前記マニュアルモードに切り替えられた場合に、前記トルク制限値を前記操作者が指定した値に設定するステップと、
    前記オートモードに切り替えられた場合に、前記推進器から前記磁気ギヤードモータに伝達される負荷トルク、および前記移動体の状態を表す計測データの少なくとも一方に基づいて前記トルク制限値を設定するステップと、
    前記推進器の回転数を指定する回転数指令と前記推進器の回転数の計測データとの差に基づき前記磁気ギヤードモータの電気トルクを調整するトルク指令を、前記トルク制限値で制限するステップと、
    を有する移動体の制御方法。
  12. 磁気ギヤードモータに回転駆動される推進器を有する移動体の制御装置に、
    前記磁気ギヤードモータの電気トルクを制限するトルク制限値を操作者が手動で設定するマニュアルモードと、前記トルク制限値を自動で設定するオートモードとを切り替えるステップと、
    前記マニュアルモードに切り替えられた場合に、前記トルク制限値を前記操作者が指定した値に設定するステップと、
    前記オートモードに切り替えられた場合に、前記推進器から前記磁気ギヤードモータに伝達される負荷トルク、および前記移動体の状態を表す計測データの少なくとも一方に基づいて前記トルク制限値を設定するステップと、
    前記推進器の回転数を指定する回転数指令と前記推進器の回転数の計測データとの差に基づき前記磁気ギヤードモータの電気トルクを調整するトルク指令を、前記トルク制限値で制限するステップと、
    を実行させるプログラム。
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