JP3687305B2

JP3687305B2 - ダイナモメータシステム

Info

Publication number: JP3687305B2
Application number: JP26598997A
Authority: JP
Inventors: 利光丸木; 康弘山本
Original assignee: Meidensha Corp
Current assignee: Meidensha Corp
Priority date: 1997-09-30
Filing date: 1997-09-30
Publication date: 2005-08-24
Anticipated expiration: 2017-09-30
Also published as: JPH11108802A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ダイナモメータシステムにおける車両の路上走行シミュレーションにおいて、慣性抵抗分をダイナモメータのトルク制御で補償する電気慣性制御補償方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ダイナモメータシステムは、室内で車両の性能試験や耐久試験が可能となり、車両の動力伝達系の試験には例えば図６に示すシステム構成にされる。
【０００３】
エンジン１にクラッチ２及び変速機３を一体にした組立て状態で動力吸収手段としてのダイナモメータ４が結合される。この構成において、エンジン１は速度コントローラ５によって速度制御され、ダイナモメータ４はトルクコントローラ６によって走行抵抗制御が行われることで変速機３に実車と等価な負荷を与え、実走行を模擬した変速機のシミュレーション試験が行われる。
【０００４】
クラッチ２はコントローラ７によって変速時及び発進時に断から接に徐々に自動操作され、変速機３もコントローラ８によって変速時の変速比切換操作がなされる。
【０００５】
エンジン１の速度制御は、速度検出器９からの検出速度と設定速度Ｎ_Sとの比較によりスロットルコントローラ１０にスロットル開度θを指令し、コントローラ１０とアクチェータ１１によるスロットル開度制御を行う。
【０００６】
ここで、車両の走行抵抗は、タイヤ転り抵抗と空気抵抗からなる平坦路定常走行抵抗に慣性抵抗さらには登降坂抵抗を加え合わせたものになり、この走行抵抗（制動抵抗）はダイナモメータでは各抵抗成分の係数変換によってトルクの単位で設定される。
【０００７】
上述の走行抵抗のうち、慣性抵抗は実車と等価な慣性分に設定されるフライホイールを使用することがあるが、フライホイールは設置スペースが大きくなることや高価になることから、ダイナモメータ４の吸収トルク分として制御する電気慣性制御補償方法がある。さらに、フライホイールで慣性分を大まかに設定し、設定しようとする慣性分との差分を電気慣性制御で補償する併用方式もある。
【０００８】
従来の電気慣性制御補償は、図７に示す等価ブロック構成にされる。図中、１１〜１４は、マイナループに電流制御系を持つダイナモメータのトルク制御系であり、コントローラからの吸収トルク指令Ｆ_msとトルク検出部１４の検出トルクとの偏差をトルク制御アンプ１１で比例積分演算し、この演算結果を電流制御系（電力変換器としてインバータを使用する）１２の電流指令とし、この電流制御系１２の出力電流Ｉ₀によってダイナモメータ（誘導電動機）１３に吸収トルクＦ_mの機械出力として取り出される。
【０００９】
Ｆ_Rは、エンジン１からクラッチ２及び変速機３を介したエンジン駆動トルクであり、ダイナモメータの吸収トルクＦ_mとの差分Ｆα（＝Ｆ_R−Ｆ_m）がダイナモメータの加速力になる。
【００１０】
この加速力になるトルクは、エンジンと変速機とダイナモメータ等が持つ機械慣性（試験装置の慣性）Ｊ₀の積分になる積分要素１５を通して実速度Ｎ_Rとして表れる。
【００１１】
速度検出器１６はダイナモメータの実速度Ｎ_Rを検出速度Ｎとして検出し、加速度検出器１７は速度検出器１６の検出速度Ｎの微分により加速度ｄＮ／ｄｔを検出する。
【００１２】
走行抵抗設定器１８は、車両の走行抵抗から慣性抵抗を除いた走行抵抗Ｆ_RLを検出速度Ｎに応じて求める。電気慣性設定器１９は車両の重量に相当する慣性Ｊから機械慣性Ｊ₀を差し引いた電気慣性Ｊ_E（＝Ｊ−Ｊ₀）を設定し、掛算器２０は検出加速度ｄＮ／ｄｔに電気慣性Ｊ_Eを掛算することで慣性抵抗（Ｊ_E×ｄＮ／ｄｔ）を求める。これら走行抵抗Ｆ_RLと慣性抵抗（Ｊ_E×ｄＮ／ｄｔ）を加算してダイナモメータの吸収トルク指令Ｆ_msを得る。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
従来の電気慣性制御補償方法は、電気慣性制御補償分Ｊ_Eを設定器１９で設定することによって電気慣性制御補償トルク（Ｊ_E×ｄＮ／ｄｔ）を求めている。
【００１４】
この方法では、ダイナモメータのトルク制御系（１１〜１４）の応答遅れで試験精度の低下を起こしてしまう。トルク制御系の実際の応答は、ω_C＝１０ｒａｄ／ｓ（０.１秒／６３％加速）程度であり、これに伴い加減速時に実速度と試験速度Ｎとを比較すると、車速の飛び出し現象が発生する。
【００１５】
例えば、加速を行うためにエンジンのスロットル開度をステップ状に上げ、エンジンの軸トルク（駆動トルクＦ_R）が応答性良く急上昇する場合、ダイナモメータのトルク制御系の遅れでその出力トルクＦ_mが比較的緩やかに上昇すると、要素１５に表れる実速度Ｎ_Rは一時的にエンジン速度指令よりも高い速度に飛び出してしまう。
【００１６】
以上の現象から、路上走行シミュレーションを行った場合、車両の発生する動力が実走行時のそれとは異なる結果になり、燃費や排気ガス試験精度を低下させてしまう。
【００１７】
この制御誤差は、従来では計測精度の関係で無視できるレベルと考えられていたが、最近では燃費や排気ガスの計測精度が向上し、評価レベルが非常に高くなってきたため、無視できなくなりつつある。
【００１８】
本発明の目的は、ダイナモメータ制御の応答性及び制御精度を上げることで路上走行シミュレーション試験精度を高めたダイナモメータの電気慣性制御補償方法を提供することにある。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本発明は前記課題の解決を図るため、速度制御系のマイナループに電流制御系を設けてダイナモメータをトルク制御し、電流制御系では外乱トルクオブザーバにより駆動トルクを推定し、この推定値から慣性補償ゲイン調節部によりループゲインを一定にしながら電気慣性制御をし、速度制御系では駆動力オブザーバにより駆動トルクを推定し、この推定値と走行抵抗及び電気慣性から理論速度を求めて速度指令とすることにより、高精度・高速応答の路上走行シミュレーションができるようにしたもので、以下の構成を特徴とする。
【００２０】
車両の動力伝達系に結合され、車両の慣性抵抗を出力トルクの制御で補償する電気慣性制御補償方法にしたダイナモメータシステムにおいて、
速度制御系と、この速度制御系のマイナループにされてダイナモメータの出力トルクを制御する電流制御系とを設け、
ダイナモメータの速度と出力トルクから車両の動力源の駆動トルクの推定値Ｆ_RECを求める外乱トルクオブザーバと、
前記推定値Ｆ_RECに対して次式、
Ｇ＝１−（Ｊ₀／Ｊ）
但し、Ｊ₀：機械慣性
Ｊ：設定慣性制御補償値
で設定するゲインＧを前記推定値Ｆ_RECに乗算して前記電流制御系にダイナモメータの電気慣性制御補償電流Ｉ₀を与える慣性補償ゲイン調整部と、
ダイナモメータのトルク検出値と加速度検出値から前記駆動トルクの推定値Ｆ_REを求める駆動力オブザーバと、
前記推定値Ｆ_REから車両の走行抵抗設定値を減算し、これを設定慣性Ｊで割算して理論加速度αを求め、これを積分して前記速度制御系の理論速度指令Ｎ_Sを求める理論速度演算手段とを備えたことを特徴とする。
【００２１】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の実施形態を示すブロック図であり、図７と同等の部分は同一符号で示す。
【００２２】
ダイナモメータの制御系は、速度制御系とそのマイナループに電流制御系を設ける。このうち、破線ブロックで示す電流制御系は、外乱トルクオブザーバ２１と慣性補償ゲイン調整部２２を設ける。
【００２３】
外乱トルクオブザーバ２１は、実速度Ｎ_Rとダイナモメータの入力電流Ｉ₀からエンジン駆動トルクＦ_Rによる外乱トルク推定値Ｆ_RECを求める。慣性補償ゲイン調整部２２は、オブザーバ２１で推定した外乱トルク推定値Ｆ_RECに電気慣性ゲインを乗算して設定慣性Ｊに応じた電流指令Ｉ_Eを得る。
【００２４】
これらオブザーバ２１と調整部２２は、例えば図２に演算ブロックで示すソフトウェア構成で実現される。同図中、遅れ演算部２１₁は、実速度Ｎ_Rの計測値を入力し、この入力に対して速度検出器１６の検出遅れに合わせた一次遅れを持たせた速度Ｎを求める。
【００２５】
微分演算部２１₂は、遅れ演算部２１₁からの速度信号Ｎを微分し、これに機械慣性（試験装置の慣性）Ｊ₀を乗算することでエンジン駆動トルクＦ_Rとダイナモメータの吸収トルクＦ_mの差分Ｆαの推定値Ｆα_Eを求める。
【００２６】
遅れ演算部２１₃は、電流制御系（ＡＣＲ）の電流出力Ｉ₀を入力し、この入力に対してダイナモメータ１３の応答遅れに合わせた一次遅れを持たせ、ダイナモメータ１３の電流Ｉ₀−トルクＴ₀の変換係数を与えて出力トルクＦ_mの推定値Ｆ_mEを求める。加算器２１₄は、演算部２１₂と２１₃がそれぞれ推定した出力Ｆα_EとＦ_mEを加算することによりエンジン駆動トルクＦ_Rの推定値Ｆ_RECを求める。
【００２７】
慣性補償ゲイン調整部２２は、オブザーバ２１で推定した外乱トルク推定値Ｆ_RECに電気慣性ゲインＧを乗算して電気慣性Ｊ分の電気慣性補償電流Ｉ_Eを求める。
【００２８】
この調整部２２のゲインＧは、Ｇ＝１−（Ｊ₀／Ｊ）とする。このとき、ダイナモメータの出力トルクＦ_m（電流指令Ｉ_E）は、Ｆ_m＝Ｇ×Ｆ_RECとなり、このトルクＦ_mが試験装置の慣性Ｊ₀に作用するトルクは（Ｆ_R−Ｆ_m）となる。したがって、
【００２９】
【数１】
Ｆ_R−Ｆ_m＝Ｆ_R−（Ｇ×Ｆ_REC）
となる。ここで、Ｆ_R＝Ｆ_RECとすると、Ｆ_R−Ｆ_m＝（１−Ｇ）Ｆ_Rとなる。つまり、電気慣性抵抗を変えた試験にはゲインＧを変えることにより、ダイナモメータの出力トルクＦ_mを変えることができる。
【００３０】
ここで、注目すべきことは、設定慣性制御補分Ｊの増減にもＧ＝１−（Ｊ₀／Ｊ）から常にＧ＜１となり、設定慣性Ｊの変更にも系のループゲインを一定にすることができる。
【００３１】
つまり、設定慣性Ｊを単に変更するのでは、電流制御系の後ろ向き伝達関数のゲインの変化でループゲインが大きく変化し、系が不安定になったり試験装置全体の系の過渡的な制御誤差が大きくなるのを防止し、安定かつ制御応答を高めるためのものである。
【００３２】
上記までのように、ダイナモメータの制御に、従来のトルク制御系と電流制御系を持つ構成に代えて、電気慣性を施した電流制御系のみとすることでトルク制御系の遅れを無くすことができる。そして、電流制御系には外乱トルクオブザーバ２１と慣性補償ゲイン調節部２２により系を安定させながら高い制御精度を得ることができる。
【００３３】
この構成によれば、ダイナモメータの制御応答は、従来のω_C＝１０ｒａｄ／ｓに対し、ω_C＝３０〜５０ｒａｄ／ｓ（０.０３３〜０.０２秒／６３％応答）にまで高めることができる。これは、ダイナモメータの場合のベクトル制御の高精度・高速応答化により、電流制御系でありながらトルク制御に近い運転が可能になったことによる。
【００３４】
但し、この電気慣性制御補償方法のみでは、精度的に不十分で、設定慣性Ｊに対して±２％以内を実現できない。
【００３５】
そこで、図１では、電流制御系の外側に、路上での車速に相当する理論速度指令を用いた速度制御ループを構築する。この速度制御系を以下に詳細に説明する。
【００３６】
図１において、速度制御アンプ２３は、理論速度指令Ｎ_Sと速度検出器１６の検出速度Ｎとの偏差を比例積分演算して電流制御系の電流指令とする速度制御系を構成する。このときの理論速度指令Ｎ_Sは、２４〜２７により求める。
【００３７】
駆動力オブザーバ２４は、トルク検出器１４で検出するダイナモメータ１３のトルクＦ_mと、加速度検出器１７で検出する加速度ｄＮ／ｄｔからエンジン駆動トルクＦ_Rの推定値Ｆ_REを求める。この演算は、図２に示す外乱トルクオブザーバ２１と等価になる、以下の演算式で求められる。
【００３８】
【数２】
Ｆ_RE＝Ｆ_mE＋Ｆα_E＝Ｆ_mE＋Ｊ₀×ｄＮ／ｄｔ
次に、減算器２５は、駆動力オブザーバ２４で求めた駆動トルク推定値Ｆ_REから走行抵抗設定器１８で設定する走行抵抗Ｆ_RLを減算することにより、車両の加速力の推定値Ｆα_Eを求める。割算器２６は、減算器２５で求めた加速力Ｆα_Eと設定慣性設定器１９で設定する設定慣性Ｊから理論上の加速度α（＝Ｆα_E／Ｊ）を求める。積分器２７は、割算器２６で求めた理論加速度αを積分することにより理論速度Ｎ_Sを求め、これを速度制御系の速度指令とする。
【００３９】
この理論速度Ｎ_Sは、駆動力に走行抵抗及び電気慣性制御補償を含めたダイナモメータシステムの運転状態を推定した予測値として得るため、トルク検出や加速度検出の誤差や検出遅れ、演算遅れが無視できるほど小さければ、路上での車速に遅れなく一致した値を得ることができる。この理論速度Ｎ_Sを速度制御系の速度指令にすることで、電気慣性制御補償を施した高速応答・高精度の試験が可能となる。
【００４０】
本実施形態に基づいた実験結果を説明する。図３は、図１の構成で速度制御系を切り離し、外乱トルクオブザーバ２１を持つ電流制御系（ＡＣＲ）１２のみで電気慣性制御を行った場合の各量の波形図を示す。この応答波形では、エンジンのスロットル開度θを０％から１４.８％にステップ状に変化させたとき、実速度Ｎ₁は応答性は高いが理論速度指令Ｎ_Sに対して少しの誤差が発生した。
【００４１】
図４は、速度制御系も含めた応答波形である。この図と図３の比較からも明らかなように、実速度Ｎ₁はその立ち上がり及び立ち下がりで理論速度指令Ｎ_Sとの間に僅かの誤差が発生するが、その他の期間では理論速度指令との誤差が殆ど無くなり、理論速度指令による速度制御系を設けることで応答性及び制御精度を極めて高くすることができた。
【００４２】
図５は、図４の場合と同じ構成で、スロットル開度θを０％から１００％にステップ状に変化させた場合である。この場合にも応答性及び制御精度に高いものが得られた。
【００４３】
なお、実施形態ではエンジンを動力源とするダイナモメータシステムに適用する場合を示すが、本発明はエンジンに代えて低慣性電動機とするダイナモメータシステムに適用して同等の作用効果を奏する。
【００４４】
【発明の効果】
以上のとおり、本発明によれば、電流制御系では外乱トルクオブザーバにより駆動トルクを推定し、この推定値から慣性補償ゲイン調節部によりループゲインを一定にしながら電気慣性制御をし、速度制御系では駆動力オブザーバにより駆動トルクを推定し、この推定値と走行抵抗及び設定慣性から理論速度を求めて速度指令とするようにしたため、高精度・高速応答の路上走行シミュレーションができる。具体的には、以下の効果がある。
【００４５】
（１）電流制御系に電気慣性制御ループを設けることで車速の飛び出し現象を小さくして制御精度と応答性を高めた路上走行シミュレーションができる。
【００４６】
（２）電流制御系の外側に理論速度を使った速度制御系を設けることで制御精度と応答性を一層高めた路上走行シミュレーションができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態を示す電気慣性制御ブロック図。
【図２】実施形態における外乱トルクオブザーバと慣性補償ゲイン調整部の回路図。
【図３】実施形態に基づいた試験波形図（その１）。
【図４】実施形態に基づいた試験波形図（その２）。
【図５】実施形態に基づいた試験波形図（その３）。
【図６】ダイナモメータシステムの構成図。
【図７】従来の電気慣性制御ブロック図。
【符号の説明】
１２…電流制御アンプ
１３…ダイナモメータ
２１…外乱トルクオブザーバ
２２…慣性補償ゲイン調整部
２３…速度制御アンプ
２４…駆動力オブザーバ
２６…割算器
２７…積分器

Claims

車両の動力伝達系に結合され、車両の慣性抵抗を出力トルクの制御で補償する電気慣性制御補償方法にしたダイナモメータシステムにおいて、
速度制御系と、この速度制御系のマイナループにされてダイナモメータの出力トルクを制御する電流制御系とを設け、
ダイナモメータの速度と出力トルクから車両の動力源の駆動トルクの推定値Ｆ_RECを求める外乱トルクオブザーバと、
前記推定値Ｆ_RECに対して次式、
Ｇ＝１−（Ｊ₀／Ｊ）
但し、Ｊ₀：機械慣性
Ｊ：設定慣性制御補償値
で設定するゲインＧを前記推定値Ｆ_RECに乗算して前記電流制御系にダイナモメータの電気慣性制御補償電流Ｉ₀を与える慣性補償ゲイン調整部と、
ダイナモメータのトルク検出値と加速度検出値から前記駆動トルクの推定値Ｆ_REを求める駆動力オブザーバと、
前記推定値Ｆ_REから車両の走行抵抗設定値を減算し、これを設定慣性Ｊで割算して理論加速度αを求め、これを積分して前記速度制御系の理論速度指令Ｎ_Sを求める理論速度演算手段とを備えたことを特徴とするダイナモメータシステム。