JP4321124B2 - 動力計測システムの電気慣性制御方式 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、動力計測システムの負荷側または駆動側で、動力計測対象の機械慣性分を電気的に補償した試験をするための電気慣性制御方式に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ダイナモメータは、車両の動力伝達系やエンジン単体での性能試験や耐久試験を屋内で可能とするもので、動力伝達系の試験には、例えば、図３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および変速機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。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に実車と等価な慣性を負荷し、実車走行を模擬した変速機試験が行われる。クラッチ２はコントローラ７によって変速時および発進時に断から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。
【０００４】
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。
【０００５】
ここで、車両の走行抵抗は、タイヤ転が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を加えたもの、さらには登降坂抵抗を加えたものになり、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。
【０００６】
上記の走行抵抗のうち、慣性抵抗は、実車と等価な慣性分を設定するフライホイールが使用されていたが、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方法が提案されている（例えば、特許文献１、特許文献２を参照）。
【０００７】
特許文献１の電気慣性制御方法では、図４に示す等価ブロック構成にされる。図中、要素Ａ〜Ｅはエンジンの速度制御系を示し、Ａは速度コントローラ５がもつ比例積分要素、Ｂはスロットル速度制御系（１０、１１）がもつ開度制御遅れ要素、Ｃはスロットル開度θに対するエンジン１の出力トルク特性、Ｄはエンジンと変速機とダイナモメータ等がもつ慣性を合わせた試験装置の慣性要素であり、慣性Ｊは主にエンジン慣性Ｊ_Eとダイナモメータの機械慣性Ｊ_Dの和になる。Ｅは速度検出器９がもつ一次遅れ要素である。これら要素における各記号は次のとおりである。
【０００８】
Ｋ_e：速度コントローラ５のゲイン、Ｔ_e：速度コントローラ５の時定数、Ｋ_s：開度制御系のゲイン、Ｔ_s：開度制御系の時定数、Ｊ：試験装置の機械慣性、Ｋ_v：速度検出器のゲイン、Ｔ_v：速度検出器の時定数。
【０００９】
次に、要素Ｆ〜Ｉはダイナモメータ４のトルク制御系を示し、Ｆはトルク制御系がもつ比例積分要素、Ｇはトルク制御系のマイナループになる電流制御系がもつ電流制御遅れ要素、Ｈはダイナモメータの電動機の電流−トルク変換要素、Ｉはダイナモメータのトルク検出器がもつ一次遅れ要素である。これら要素における各記号は次のとおりである。
【００１０】
Ｋ_d：トルク制御系のゲイン、Ｔ_d：トルク制御系の時定数、Ｋ_c：電流制御系のゲイン、Ｔ_c：電流制御系の遅れ時定数、Ｋ_t：電動機の電流−トルク変換係数、Ｋ_l：トルク検出器のゲイン、Ｔ_l：トルク検出器の遅れ時定数。
【００１１】
次に、要素Ｊ，Ｋ，Ｌは電気慣性補償演算のためのオブザーバ（破線ブロック）の構成要素であり、Ｊは速度検出器９またはダイナモメータ４側に設ける速度検出器がもつ一次遅れ要素、Ｋは要素Ｊの検出速度を微分して加速度を得る加速度演算要素、Ｌは電気慣性設定分Ｊｄから機械慣性分Ｊを減算して電気慣性補償分をトルクとして求める電気慣性分補償要素である。これら要素における各記号は次のとおりである。
【００１２】
Ｋ_v：速度検出器のゲイン、Ｔ_v：速度検出器の遅れ時定数、Ｋ：微分係数。
【００１３】
このような等価ブロックにおいて、オブザーバは要素Ｄの出力になる速度ｎの検出値から要素Ｋによる微分でトルクに比例した値を求め、これを要素Ｌの演算結果になる電気慣性補償分に乗算することで、電気慣性補償分のトルクＴ_cを求める。
【００１４】
【数５】
Ｔ_c＝Ｋ（Ｊ_d−Ｊ）（ｄｎ／ｄｔ）
このトルクＴ_cに対するダイナモメータ４の要素Ｆ〜Ｉによる出力トルクτが、要素Ｃのエンジン出力トルクτ_eから等価的に減算されて電気慣性補償がなされる。
【００１５】
【特許文献１】
特開平４−２７８４３４号公報
【００１６】
【特許文献２】
特開平１１−１０８８０２号公報
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
動力計測システム、特にパワートレインテスタに代表されるシステムでは、動力計などがもつ機械慣性が比較的小さく、この機械慣性を除いて設定する電気慣性の割合が１対１０〜１対２０のように大きなものになる。このため、電気慣性制御の応答性が悪いと、車速に相当する動力計の回転が急上昇して、適切な試験データが収集できないという問題があった。
【００１８】
この対策として、特許文献１や２で提案されるオブザーバによる電気慣性制御方法を適用することで、上記の問題は改善される。
【００１９】
しかし、特許文献１、２では、電気慣性トルクＴ_cを設定するために、動力計の回転速度ｎを微分することで検出する加速度を利用している。このため、動力計にトルク変動が発生すると、回転速度にも僅かながら速度変動が発生し、この速度を微分して求める加速度検出では回転速度の僅かな変動分が増幅されて大きく現れ、これを基にした電気慣性トルク設定が大きく変動してしまい、結果的には動力計のトルク出力に大きな変動が現れるという不安定現象を起こす。
【００２０】
上記の変動分は、機械系によりそのレベルや周波数が異なるものであり、比較的小さなレベルで、高い周波数をもつ変動分は、電気慣性制御のための加速度検出要素Ｋに小型のフィルタを設けることにより除去できる。しかし、比較的大きなレベルで低い周波数をもつ変動分は、大型のフィルタでなければ除去できないし、このフィルタには大きな遅れ時間が発生して、電気慣性制御の応答性を低下させてしまう。
【００２１】
なお、エンジンと同等の出力特性をもたせたモータを駆動側とするトランジェント・ダイナモメータに従来の電気慣性制御方法を適用した場合にも同様の問題がある。
【００２２】
本発明の目的は、電気慣性制御のための加速度検出を不要にし、電気慣性制御の応答性を高めかつ安定化した動力計測ができる電気慣性制御方式を提供することにある。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記の課題を解決するため、動力計の発生トルクを軸トルクメータで検出し、この軸トルクを基にダイナモメータ側または駆動源側の電気慣性トルクを制御する。以下、本発明を原理的に説明する。
【００２４】
図５は、動力計測システムにおける動力伝達系の模式図を示す。駆動側モータ（またはエンジン）ＰＭＤＹとダイナモメータＤＹの間が、変速機等の動力伝達装置（ドライブトレインシステム）ＤＳを介して機械結合され、ＰＭＤＹとＤＹがそれぞれ慣性Ｊ₁，Ｊ₂を有して、トルクτ₁，τ₂、角速度ω₁，ω₂で動力発生と吸収を行い、両者の結合軸には軸トルクτ_pが発生しているとすると、これらの間には以下の（１）式が成り立つ。
【００２５】
【数６】

【００２６】
ここで、図３と同様に、動力吸収側になるダイナモメータを電気慣性制御する場合で、そのときの制動トルク（τ₂＋τ_e）、角速度ω_s、設定慣性Ｊ_sとし、このときの加速度（ｄω／ｄｔ）を（ｄω_s／ｄｔ）とすると、（１）式の右辺の項は、下記（２）式になる。
【００２７】
【数７】

【００２８】
ここで、（１）式の電気慣性制御時のＤＹ制動トルクτ₂を（τ₂＋τ_e）と表し、ｄω₂／ｄｔをｄω_s／ｄｔと置き換えると、（１）、（２）式の関係から、下記の（３）式の関係を得ることができる。
【００２９】
【数８】

【００３０】
この（３）式は、設定慣性Ｊｓに加速トルク（τ_p−τ₂）を加えたときの角加速度（ｄω_s／ｄｔ）と、固定慣性Ｊ₂に加速トルク（τ_p−τ₂）を加えた場合に加速トルクから電気慣性補償トルクτ_eを差し引いた加速トルクを加えたときの角加速度（ｄω_s／ｄｔ）が等しくなるよう、電気慣性補償トルクτ_eを設定すればよいことを示している。
【００３１】
上記の（３）式を変形して、電気慣性補償トルクτ_eを求めると、下記の（４）式になる。
【００３２】
【数９】

【００３３】
または、設定慣性Ｊｓから固定慣性Ｊ₂を差し引いたものを電気慣性Ｊｅとすると、下記の（５）式で表すことができる。
【００３４】
【数１０】

【００３５】
上記のことから、本発明は、ダイナモメータを電気慣性制御する場合には、上記の（４）式を基に、設定慣性分Ｊ_s、ダイナモメータの機械慣性分Ｊ₂、軸トルクτ_p、ダイナモメータの発生トルクτ₂から電気慣性トルクτ_eを設定する。これにより、従来の回転速度ｎを微分することで検出する加速度を利用した電気慣性制御による不都合を解消する。
【００３６】
以上までの説明は、ダイナモメータで電気慣性制御を行う場合であり、これに代えて、駆動側モータを電気慣性制御する場合も同様になり、これを以下に説明する。
【００３７】
図５の動力伝達系の模式図において、駆動側モータによる電気慣性制御時の駆動トルク（τ₁＋τ_e）、角速度ω_s、設定慣性Ｊ_Sとすると、前記（２）式と同様に、下記式が成り立つ。
【００３８】
【数１１】

【００３９】
この式と（１）式から、（３）式と同様に、下記式が成立する。
【００４０】
【数１２】

【００４１】
この（７）式は、設定慣性Ｊｓに加速トルク｛−（τ_p−τ₁）｝を加えたときの角加速度（ｄω_s／ｄｔ）と、固定慣性Ｊ₁に加速トルク｛−（τ_p−τ₁）｝を加えた場合に加速トルクから電気慣性補償トルクτ_eを差し引いた加速トルクを加えたときの角加速度（ｄω_s／ｄｔ）が等しくなるよう、電気慣性補償トルクτ_eを設定すればよいことを示している。
【００４２】
上記の（７）式を変形して、電気慣性補償トルクτ_eを求めると、下記の（８）式になる。
【００４３】
【数１３】

【００４４】
または、設定慣性Ｊｓから固定慣性Ｊ₁を差し引いたものを電気慣性Ｊｅとすると、下記の（９）式で表すことができる。
【００４５】
【数１４】

【００４６】
上記のことから、本発明は、駆動側モータを電気慣性制御する場合には、上記の（８）式を基に、設定慣性分Ｊ_s、モータの機械慣性分Ｊ₁、軸トルクτ_p、モータの発生トルクτ₁から電気慣性トルクτ_eを設定する。これにより、従来の回転速度ｎを微分することで検出する加速度を利用した電気慣性制御による不都合を解消する。
【００４７】
以上までのことから、本発明は以下の構成を特徴とする。
【００４８】
（１）動力計測対象となる車両の走行抵抗に相当する吸収トルクをダイナモメータで発生し、該ダイナモメータは車両がもつ機械慣性分を電気的に補償した吸収トルク制御をする電気慣性制御方式であって、
車両の動力伝達軸に発生する軸トルクτ_pを検出する軸トルクメータを設け、
前記ダイナモメータは、前記軸トルクτ_pの検出値と、前記機械慣性分を除いた走行抵抗分のダイナモメータ発生トルクτ ₂ に相当するトルク設定値τ _2S と、ダイナモメータの機械慣性Ｊ₂および設定慣性Ｊ_sから、次式、
【００４９】
【数１５】

【００５０】
または、次式、
【００５１】
【数１６】

【００５２】
から電気慣性トルク設定値τ_eを求め、この電気慣性トルク設定値τ_eと前記走行抵抗分のトルク設定値τ _2S との和で吸収トルクを制御する手段を備えたことを特徴とする。
【００５３】
（２）動力計測対象となる車両の走行抵抗から機械慣性分を除いた吸収トルクをダイナモメータで発生し、車両の駆動源は車両がもつ機械慣性分を電気的に補償した駆動トルク制御をする電気慣性制御方式であって、
車両の動力伝達軸に発生する軸トルクτ_pを検出する軸トルクメータを設け、
前記車両の駆動源は、前記軸トルクτ_pの検出値と、前記機械慣性分を除いた駆動トルクτ ₁ に相当する駆動トルク設定値τ _1S と、駆動源の機械慣性Ｊ₁および設定慣性Ｊ_sから、次式、
【００５４】
【数１７】

【００５５】
または、次式、
【００５６】
【数１８】

【００５７】
から電気慣性トルク設定値τ_eを求め、この電気慣性トルク設定値τ_eと前記駆動トルク設定値τ _1S との和で駆動トルクを制御する手段を備えたことを特徴とする。
【００５８】
【発明の実施の形態】
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態を示す電気慣性制御の等価ブロック図であり、ダイナモメータ側を電気慣性制御する場合である。
【００５９】
図中、ＰＭＤＹは駆動側のブロック構成であり、モータ（ＰＭ）を駆動手段とした速度制御系と電流制御系によりモータの速度制御を行う。ＤＹは吸収側のブロック構成であり、ダイナモメータによるトルク制御系と電流制御系により電気慣性制御したトルク制御を行う。ＤＳはＰＭＤＹとＤＹとの間を機械結合する変速機などの動力伝達系のブロック構成である。
【００６０】
ＰＭＤＹにおいて、Ａ１は駆動モータの速度指令Ｎ _1S と検出速度Ｎ₁との差分を比例積分演算した速度制御をする速度制御要素、Ｂ１は速度制御要素の出力になる電流指令Ｉ_Oに応じた電流制御を行う電流制御要素、Ｃ１は駆動モータの電流入力Ｉ_Oに応じた出力トルクＴ_Oを得る駆動モータの特性要素である。Ｄ１とＥ１は駆動モータの機械慣性Ｊ₁によってモータ速度（入力軸角速度ω₁）として現れる慣性要素であり、駆動モータのトルク出力τ₁のうち動力伝達系ＤＳへ伝達する軸トルクτ_P分を差し引いたトルクで、駆動モータがもつ機械慣性Ｊ₁によって加速度が変化し、この加速度の積分でモータ速度が変化する。Ｆ１は角速度ω₁を検出して速度Ｎ₁に変換する速度検出要素である。
【００６１】
ＤＹにおいて、Ｇ１はダイナモメータの出力軸検出速度Ｎ₂を基に走行抵抗（慣性分を除く）を求め、この走行抵抗分のトルク指令τ _2S として発生する走行抵抗設定要素である。
【００６２】
Ｈ１は、前記の（４）式に従って、トルク指令τ _2S と軸トルクτ_pとの差分に係数（１−Ｊ₂／Ｊ_S）を乗じて電気慣性トルク設定値τ_esを求める電気慣性トルク演算要素である。
【００６３】
Ｉ１は走行抵抗分のトルク指令τ _2S と電気慣性トルクτ_esを加算したものをトルク指令とし、ダイナモメータの出力トルク（τ₂＋τ_e）との差分を比例積分演算したトルク制御をするトルク制御要素、Ｊ１はトルク制御要素の出力になる電流指令に応じた電流制御を行う電流制御要素である。なお、電流制御指令として、要素Ｉ１からの電流指令に電気慣性トルク設定値τ_esを加算したものとし、応答性を高めるためのフィードフォワード制御を組み込む。
【００６４】
Ｋ１はダイナモメータの電流入力Ｉ_Oに応じた出力トルクＴ_Oを得るダイナモメータの特性要素である。Ｌ１とＭ１はダイナモメータの機械慣性Ｊ₂によってダイナモメータ速度（出力軸角速度ω₂）として現れる慣性要素であり、伝達軸ＤＳから加えられる軸トルクτ_Pからダイナモメータのトルク出力τ₂を差し引いたトルクで、ダイナモメータがもつ機械慣性Ｊ₂によって加速度が変化し、この加速度の積分でダイナモメータ速度が変化する。Ｎ１は角速度ω₂を検出して速度Ｎ₂に変換する速度検出要素である。
【００６５】
ＤＳにおいて、Ｏ１は機械結合軸に加えられる入力角速度ω₁と出力角速度ω₂との差分にバネ定数ｋを乗じて積分する積分要素、Ｐ１は該差分に結合軸がもつダンピング（減衰）係数Ｄ_mを乗じる係数要素であり、これらの出力を加算したものが伝達軸両端に発生する軸トルクτ_pとなる。
【００６６】
以上のように、本実施形態では、軸トルクメータで軸トルクτ_pを検出し、これを基に要素Ｈ１で電気慣性トルク設定値τ_esを求め、これを走行抵抗設定要素Ｇ１で設定する走行抵抗分のトルク設定値τ _2S を加算することで、電気慣性制御が可能となる。
【００６７】
そして、従来のオブザーバにおける加速度検出による電気慣性制御に比べて、加速度検出の変動分を除去するための大型のローパスフィルタを不要にし、しかもその遅れがないために高速の電気慣性制御が可能となる。
【００６８】
また、軸トルクを直接検出して電気慣性制御するため、理論的にも遅れの最も小さい最速の制御が実現できる。例えば、駆動側の速度を変化させたとき、入力軸角速度ω₁が僅かに変化を始めて、ダイナモメータの出力軸角速度ω₂（これはまだ変化していない）との偏差で、軸トルクτ_pが発生する。この軸トルクτ_pを検出して電気慣性制御が開始され、これはダイナモメータの出力軸角速度ω₂が変化する前に行われる。これに対して、従来の電流慣性制御方法では、ダイナモメータの出力角速度ω₂（回転数ｎ）に変化が発生した時点からオブザーバで加速度検出するため、遅れを伴う。
【００６９】
なお、本実施形態は、前記の（５）式に従って電気慣性トルク設定値τ_eを設定した制御ができる。
【００７０】
（実施形態２）
図２は、本発明の実施形態を示す電気慣性制御の等価ブロック図であり、駆動側モータを電気慣性制御する場合であり、図１と同等の要素は同一符号で示す。
【００７１】
図２において、ダイナモメータ側は、走行抵抗設定要素Ｇ１で設定する走行抵抗分トルクをそのままトルク制御要素Ｉ１のトルク指令とし、ダイナモメータの吸収トルクτ₂を発生する。
【００７２】
駆動モータ側では、エンジンの出力トルクを模擬したエンジン特性要素Ｑ１によってトルク設定値τ_1sを発生する。電気慣性トルク設定要素Ｈ１は、前記の（８）式に従って、軸トルクメータで検出する軸トルクτ_pとエンジン出力トルク設定値τ_1sとの差分に係数（１−Ｊ₁／Ｊ_S）を乗じて電気慣性トルク設定値τ_esを求め、これをトルク設定値τ_1sに加算し、電流制御要素Ｂ１の電流指令とする。
【００７３】
以上のように、本実施形態では、軸トルクメータで軸トルクτ_pを検出し、これとエンジン特性要素Ｑ１で設定するエンジン出力トルク設定値τ_1sとの差分を基に電気慣性トルク設定値τ_esを求め、これにエンジン出力トルク設定値τ_1sを加算することで、モータの出力トルクには電流指令に電気慣性分を含めたトルク出力（τ₁＋τ_e）を得ることが可能となる。このときには、実施形態１と同様に、トルク制御（ＰＩ演算）ループを構成してもよい。
【００７４】
本実施形態においても、実施形態１と同様に、従来のオブザーバにおける加速度検出による電気慣性制御に比べて、加速度検出の変動分を除去するための大型のローパスフィルタを不要にし、しかもその遅れがないために高速の電気慣性制御が可能となる。また、軸トルクを直接検出して電気慣性制御するため、理論的にも遅れの最も小さい最速の制御が実現できる。
【００７５】
なお、本実施形態は、前記の（９）式に従って電気慣性トルク設定値τ_eを設定した制御ができる。
【００７６】
【発明の効果】
以上のとおり、本発明によれば、動力計の発生トルクを軸トルクメータで検出し、この軸トルクを基にダイナモメータ側または駆動源側の電気慣性トルクを制御するようにしたため、電気慣性制御のための加速度検出を不要にし、電気慣性制御の応答性を高めかつ安定化した動力計測ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１を示す動力計測システムの等価ブロック図。
【図２】本発明の実施形態２を示す動力計測システムの等価ブロック図。
【図３】ダイナモメータシステムの構成図。
【図４】従来の電気慣性ブロック図。
【図５】動力計測システムの模式図。
【符号の説明】
１…エンジン
４…ダイナモメータ
５〜７…コントローラ

Claims (2)

1. 動力計測対象となる車両の走行抵抗に相当する吸収トルクをダイナモメータで発生し、該ダイナモメータは車両がもつ機械慣性分を電気的に補償した吸収トルク制御をする電気慣性制御方式であって、
   車両の動力伝達軸に発生する軸トルクτ_pを検出する軸トルクメータを設け、
   前記ダイナモメータは、前記軸トルクτ_pの検出値と、前記機械慣性分を除いた走行抵抗分のダイナモメータ発生トルクτ ₂ に相当するトルク設定値τ _2S と、ダイナモメータの機械慣性Ｊ₂および設定慣性Ｊ_sから、次式、
   

   

   または、次式、
   

   

   から電気慣性トルク設定値τ_eを求め、この電気慣性トルク設定値τ_eと前記走行抵抗分のトルク設定値τ _2S との和で吸収トルクを制御する手段を備えたことを特徴とする動力計測システムの電気慣性制御方式。
2. 動力計測対象となる車両の走行抵抗から機械慣性分を除いた吸収トルクをダイナモメータで発生し、車両の駆動源は車両がもつ機械慣性分を電気的に補償した駆動トルク制御をする電気慣性制御方式であって、
   車両の動力伝達軸に発生する軸トルクτ_pを検出する軸トルクメータを設け、
   前記車両の駆動源は、前記軸トルクτ_pの検出値と、前記機械慣性分を除いた駆動トルクτ ₁ に相当する駆動トルク設定値τ _1S と、駆動源の機械慣性Ｊ₁および設定慣性Ｊ_sから、次式、
   

   

   または、次式、
   

   

   から電気慣性トルク設定値τ_eを求め、この電気慣性トルク設定値τ_eと前記駆動トルク設定値τ _1S との和で駆動トルクを制御する手段を備えたことを特徴とする動力計測システムの電気慣性制御方式。

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