JP5200715B2

JP5200715B2 - 動力計システムの電気慣性制御装置

Info

Publication number: JP5200715B2
Application number: JP2008181011A
Authority: JP
Inventors: 利道高橋; 岳夫秋山
Original assignee: Meidensha Corp
Current assignee: Meidensha Corp
Priority date: 2008-07-11
Filing date: 2008-07-11
Publication date: 2013-06-05
Anticipated expiration: 2028-07-11
Also published as: JP2010019713A

Description

本発明は、動力計システムの電気慣性制御装置に関するものである。

図６は特許文献１などによって公知となっているシャシーダイナモメータシステムの構成図を示したもので、Ｄｙは動力計、Ｒは動力計Ｄｙに連結されたローラ、ＩＶはインバータ、ＲＰは電気慣性制御回路、ＴＭは軸トルクメータ、ＥＣ１は動力計の回転数を検出するためのエンコーダ、ＥＣ２はローラ回転数を検出するためのエンコーダで、これら軸トルクメータＴＭ、エンコーダＥＣ１，ＥＣ２によって検出された各検出信号は電気慣性制御回路ＲＰに入力されてトルク電流指令が演算される。
特開２００４−３６１２５５

特許文献１で示すように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成分を電気的に補償する電気慣性制御方式が採られており、軸トルク検出をフィードバックすることが記載されている。特許文献１で示すような制御方式では、動力計の機械系モデルは共振特性を持つ２慣性系としているが、電気慣性制御ではその機械系の共振特性は考慮されていない。また、動力計システムには、軸トルクの検出遅れやインバータのトルク応答遅れも存在することから
電気慣性制御応答を高めようとしたときに、機械系の共振特性に起因するハンチングや発散等の不安定現象が発生し、高応答で安定した制御が困難となっている。

そこで、本発明が目的とするとこは、高応答で安定な電気慣性制御装置を提供することにある。

本発明は、シャフトを介してローラと動力計を連結し、オブザーバ部、慣性部、速度制御部、軸トルク制御部を有する電気慣性制御回路に、動力計回転信号、軸トルク信号、ローラ回転信号を入力してトルク電流指令を演算し、求めたトルク電流指令によりインバータを介して電気慣性制御を行うものにおいて、
前記オブザーバ部は軸トルク検出値、ローラもしくは動力計角速度検出値を入力してローラ表面駆動力推定値を算出すると共に、このオブザーバの出力と走行抵抗値との差信号を前記慣性部を介し入力してローラもしくは動力計角速度検出値とのＰＩＤ演算を実行する速度制御コントローラで構成され、前記速度制御コントローラの出力と軸トルク検出値との偏差信号、動力計角速度検出値、及びローラ角速度検出値を入力してトルク電流指令を生成する軸トルク制御コントローラは、ＡＴＲ一般化プラントモデルに基づき、Ｈ∞制御、・設計法と呼称されるコントローラ設計手法により設計された軸トルク制御コントローラとを備えたことを特徴としたものである。

また、本発明は、前記ローラ表面駆動力推定値を算出するオブザーバ部は、オブザーバ一般化プラントモデルに基づき、Ｈ∞制御、・設計法と呼称されるコントローラ設計手法により設計された回路で構成したことを特徴としたものである。

以上のとおり本発明は、電気慣性制御回路を構成するＡＴＲコントローラをＨ∞制御、・設計法と呼称されるコントローラ設計手法により設計し、機械系の共振特性、軸トルク検出特性、動力計角速度検出特性、ローラ角速度検出特性、及びインバータ応答特性を考慮して構成したものである。これにより、各特性の考慮されたトルク電流指令を得ることができる。したがって、共振特性が抑制され、より高応答で安定な動力計システムの電気慣性制御が可能となるものである。また、走行抵抗値を加算する場合や、設定慣性量を変更する場合でも、容易に対応することが可能となる。

本発明の電気慣性制御装置に、ローラ表面駆動力推定値を算出するオブザーバ、慣性部、ＡＳＲ（速度制御）コントローラ、及びＡＴＲ（軸トルク制御）コントローラを設け、ＡＴＲコントローラをＡＴＲ一般化プラントモデルに基づき、Ｈ∞制御、・設計法と呼称されるコントローラ設計手法により設計する。このＡＴＲコントローラには、ＡＳＲコントローラの出力信号と軸トルク検出値との差信号、
動力計角速度検出値、及びローラ角速度検出値を入力してトルク電流指令を生成するように構成したものである。以下実施例に基づいて説明する。

図１は、本発明の実施例を示す電気慣性制御回路の構成図で、オブザーバ（ローラ表面駆動力推定）１０１、慣性部１０２、ＡＳＲコントローラ１０３、及びＡＴＲコントローラ１０４を有し、電気慣性制御の設定慣性量はEIC_ーJである。

本発明は、このようなシャシーダイナモメータシステムの電気慣性制御回路におけるオブザーバ部１０１とＡＴＲコントローラ１０４は、Ｈ∞制御、・設計法と呼称されるコントローラ設計手法により設計し、ＡＳＲコントローラと慣性部を組合わせることにより車体相当の慣性モーメントが設計される。オブザーバ１０１には軸トルク検出と動力計角速度検出が入力されてローラ表面駆動力推定値が演算される。このローラ表面駆動力推定値は、減算部１０５で走行抵抗値との差が求められて慣性部１０２に入力され、この慣性部１０２で１／EIC_ーJの設定慣性を設定し積分する。積分された信号はＡＳＲコントローラ１０３に入力される。ＡＳＲコントローラ１０３には動力計角速度検出値も入力されてＰＩＤ演算を実行し、トルク設定Trefを求めて減算部１０６に出力する。減算部１０６では、トルク設定Trefと軸トルク検出との差演算を実行し、その偏差信号を軸トルク指令SHT.eとしてＡＴＲコントローラ１０４に入力する。このＡＴＲコントローラ１０４にはローラ角速度検出w_-roller.detと動力計角速度検出w_-dy.detも入力され、こられ各入力信号に基づいてトルク電流指令を算出する。

図２は、本発明に使用されるオブザーバの一般化プラントモデルの例を示したものであり、図３は、このオブザーバ一般化プラントモデル内の機械系モデルの伝達関数を示したものである。
図２で示すオブザーバの一般化プラントモデルには、その外乱としてローラ表面駆動力ｗ１、動力計トルク指令ｗ２、軸トルク観測ノイズｗ３、及び動力計角速度観測ノイズｗ４が入力され、観測量Ａ，Ｂがコントローラ１０に入力される。外乱信号は、実際にシャシーダイナモメータシステムが駆動されていることを想定し、その時の制御ループに発生するノイズが外乱信号となり、ここではｗ１〜ｗ４の４つになっている。コントローラ１０では、オブザーバの状態方程式のパラメータを設定し、ゲインが小さくなるようアルゴリズムに基づいてパラメータを決定するための所定の演算を実行する。また、一般化プラントモデルでは、制御量としてｚ１〜ｚ４が生成される。

入力された外乱には、それぞれは重み係数付加手段１（Ow1(s)）〜４（Ow4(s)）、及び１１（Oz1(s)）〜１４（Oz4(s)）において各別に重み付けされ、求める特性が得られるようになっている。すなわち、手段１では、車両駆動力にかける重みで、ある定数がかけられてローラの回転モーメントトルクJ1.Tとし機械系モデル２０（Omec(s)）に出力されると共に、減算手段７に出力される。手段２では、動力計のトルク指令にかける重みで、ある定数がかけられてその出力はJ2.Tとして機械系モデル２０に出力される。手段３では、軸トルクの検出誤差にかける重みで、ある定数、または、高域でゲインが高くなるような特性にされ、加算手段５に出力される。手段４では、動力計角速度検出誤差にかける重みで、ある定数、または、高域でゲインが高くなるような特性にされて、加算手段６に出力される。

８（Otm(s)）は軸トルクを検出するトルクメータ特性生成手段（トルクメータ特性モデル）で、機械モデル２０からの結合シャフトの軸トルクK12.Tを入力して所定のトルクメータ特性として加算手段５に出力する。加算手段５では、重み付けされた軸トルクの検出誤差信号とトルクメータ特性を加算して軸トルク検出値を生成して観測量Ａとしてコントローラ１０に入力される。９（Oenc(s)）はエンコーダ特性生成手段（エンコーダ特性モデル）で、機械モデル２０からの動力計角速度Ｊ2.wを入力して所定のエンコーダ特性を生成し、加算部６に出力する。加算部６では、重み付けされた動力計角速度検出誤差信号とエンコーダ特性を加算して動力計角速度検出値を生成し、観測量Ｂとしてコントローラ１０に出力する。コントローラ１０では入力された信号に基づいて所定の演算を実行する。その演算信号は減算手段７に出力してローラの回転モーメントトルクJ1.Tとの減算が行われ、手段１１に出力される。

手段１１（Oz1(s)）は、ローラ表面駆動力推定の偏差値に重み付けをする手段で、積分特性、または、高域でゲインが低くなるような所定の特性にして重みつきローラ表面駆動力推定値ｚ１とし出力する。手段１２（Oz2(s)）は、軸トルクに重みをかける手段で、機械系モデル２０からの軸トルクK12.Tを入力してある定数、または、高域でゲインが高くなるような所定の特性にして軸トルク信号ｚ２とし出力する。手段１３（Oz3(s)）は、機械系モデル２０からの動力計角速度J2.wに重みをかける手段で、ある定数、または、高域でゲインが高くなるような所定の特性にして重み付けされた動力計角速度信号ｚ3とし出力する。手段１４（Oz4(s)）は機械系モデル２０からのローラ角速度検出に重みをかける手段で、ある定数、または、高域でゲインが高くなる特性として重みつきローラ角速度信号ｚ４として出力する。

図３で示すオブザーバの機械系モデル２０は、動力計の機械特性を伝達関数で表現したもので、２慣性機械系のモデルである。この実施例の機械系モデルは、J1.TとJ2.Tを入力として持ち、J1.w、K12.T、及びJ2.wを出力として持つ。
同図において、２１はローラ慣性モーメント要素で、その出力はローラ角速度J1.wとして一般化プラントへ出力すると共に、減算手段２６に出力する。２２はばね剛性要素で、減算手段２６により演算された動力計角速度とローラ角速度の差信号が入力されてシャフト捩れトルクK12.T信号として一般化プラントへ出力すると共に、加算手段２４と減算手段２５に出力する。加算手段２４では、ローラ表面にかかる車両駆動力によるローラの回転モーメントJ1.Tとシャフト捩れトルクK12.Tが加算されてローラ慣性モーメント要素２１に入力される。また、減算手段２５では、入力された動力計トルク信号J2.Tとシャフト捩れトルクK12.Tの差信号が求められて動力計慣性モーメント要素２３に出力され、この動力計慣性モーメント要素２３において動力計角速度J2.wを演算して一般化プラントへ出力すると共に、減算手段２６に出力される。

図４は本発明に使用されるＡＴＲ部１０４の一般化プラントモデルの例を示したものである。
図４で示すＡＴＲ一般化プラントモデルは、その外乱としてローラ表面駆動力ｗ１１、インバータトルク制御誤差ｗ１２、軸トルク指令ｗ１３、ローラ角速度観測ノイズｗ１４、軸トルク観測ノイズｗ１５、及び動力計角速度観測ノイズｗ１６が入力され、制御量としてｚ１１〜ｚ１５が出力される。３０はＡＴＲコントローラで、観測量c_-in1、c_-in2、及びc_-in3が入力される。ＡＴＲコントローラ３０では軸トルク制御のための状態方程式のパラメータを設定し、ゲインが小さくなるようアルゴリズムに基づいてパラメータを決定するための所定の演算を実行し、動力計のトルク指令c_-outを生成する。ここで、c_-in1はローラ角速度検出、 c_-in2は軸トルク制御偏差、c_-in3は動力計角速度検出である。また、一般化プラントモデルでは、制御量としてｚ１１〜ｚ１５が生成される。

入力された外乱には、それぞれは重み係数付加手段３１（Gw1(s)）〜３６（Gw6(s)）、及び４７（Gz1(s)）〜５１（Gz5(s)）において各別に重み付けされ、求める特性が得られるようになっている。すなわち、手段３１は車両駆動力に重み付けされ、ある定数、または、高域でゲインが高くなるような特性となってローラの回転モーメントトルクJ1.Tとし機械系モデル６０（Gmec(s)）に入力される。手段３２では、インバータのトルク電流制御誤差に重み付けし、ある定数、または、高域でゲインが高くなるような特性にする。手段３３では、軸トルク指令に重み付けし、ある定数、または、高域でゲインが高くなるような特性にされて減算部４２に出力する。手段３４では、ローラ角速度観測ノイズに重み付けし、ある定数、または、高域でゲインが高くなるような特性にする。手段３５では、軸トルク観測ノイズに重み付けてある定数、または、高域でゲインが高くなるような特性とし、加算部４１に出力する。手段３６では、動力計角速度観測ノイズに重み付けし、ある定数、または、高域でゲインが高くなるような特性にして加算部４５に出力する。

３７はインバータ特性モデル部で、ＡＴＲコントローラ３０の出力c_-outに基づいてインバータの応答特性信号を生成し、手段３２において重み付けされた信号と加算部４３で加算され、動力計トルクJ2.Tとして機械系モデル６０に入力される。
３８は第１のエンコーダ特性モデルで、機械系モデル６０で算出されたローラ角速度と、手段３４においてローラ角速度観測ノイズｗ１４に重み付けし、ある定数、または、高域でゲインが高くなるような特性にされたローラ角速度信号との和（加算部４４で）が入力されてローラ角速度を検出する。この信号はローラ角速度検出c_-in1の観測量としてＡＴＲコントローラ３０に入力される。また、加算部４４でのローラ角速度検出信号は手段５１に出力されて重み付けされ、ある定数、または、高域でゲインが高くなるような特性にされて、重み付きローラ角速度信号ｚ１５にされる。

３９は軸トルクを検出するトルクメータ特性モデルで、機械系モデル６０からの軸トルクK12.Tと、手段３５で重み付けされた軸トルク観測ノイズとの和信号（加算部４１での）に基づいてトルクメータ特性信号を生成して減算部４２に出力する。減算部４２では手段３３で重み付けされた軸トルク指令との差演算が実行され、その差信号が軸トルク制御偏差c_-in2としてＡＴＲコントローラ３０に出力すると共に、手段４６にも出力される。手段４６では入力された軸トルク制御偏差に積分特性を持つ重み関数を付加し、ある定数、または、高域でゲインが低くなるような特性にされて、重み付き軸トルク制御信号ｚ１３となる。また、加算部４１で求められた軸トルク観測誤差信号は、手段４８に入力されて重み付けされ、ある定数、または、高域でゲインが高くなるような特性にされて、重み付き軸トルク信号ｚ１２となる。

４０は動力計角速度を検出する第２のエンコーダ特性モデルで、機械系モデル６０からの動力計角速度Ｊ2.wと、手段３６で重み付けされた動力計角速度観測誤差との和信号（加算部４５にて）に基づいてエンコーダ特性信号を生成し、この信号は動力計角速度c_-in3の観測量としてＡＴＲコントローラ３０に入力される。また、加算部４５での和信号は手段５０で重み付けされ、ある定数、または、高域でゲインが高くなるような特性にされて、重み付き動力計角速度信号ｚ１４となる。

ＡＴＲコントローラ３０では、入力された観測量c_-in1， c_-in2，及びc_-in3に基づき軸トルク制御のための状態方程式のパラメータを設定し、ゲインが小さくなるようアルゴリズムに基づいてパラメータを決定するための所定の演算を実行し、演算された動力計トルク指令c_-outを生成してインバータ特性モデル部３７に出力すると共に、手段４７に出力する。手段４７ではインバータのトルク電流指令に重み付けをし、ある定数、または、高域でゲインが高くなるような特性にして重み付トルク電流指令信号ｚ１１として出力する。
なお、ＡＴＲ一般化プラントモデルに使用される機械系モデルは、図３と同様に構成される。

また、図２、及び図４で示す一般化プラントモデルにおいて、入力される各観測ノイズは任意に選択される。例えば、動力計角速度観測ノイズが省かれるばあいには、この動力計角速度観測ノイズに重み付けする手段以降の関連する各主段、もしくは機能部分は除去される。

この実施例によれば、電気慣性制御回路を構成するオブザーバとＡＴＲコントローラをＨ∞制御、・設計法と呼称されるコントローラ設計手法により設計し、機械系の共振特性、軸トルク検出特性、動力計角速度検出特性、ローラ角速度検出特性、及びインバータ応答特性を考慮した設計が可能となり、これら各特性の考慮されたトルク電流指令を得ることができる。したがって、共振特性が抑制され、より高応答で安定なシャシーダイナモメータシステムの電気慣性制御が可能となるものである。また、走行抵抗値を加算する場合や、設定慣性量を変更する場合でも、容易に対応が可能となるものである。

図５は本発明に使用されるオブザーバの他の例である。上記では、図2で示すコントローラ設計手法により設計され一般化プラントモデルを用いることで説明してきたが、図５のように構成してローラ表面駆動力推定値を得るようにしてもよい。すなわち、動力計角速度検出値、若しくはローラ角速度検出値と軸トルク検出値から駆動力相当の信号を推定（ローラ表面駆動力推定）し、その推定値を減算部１０５に出力するように構成される。ここで、Ｇ(s)はローパスフィルタにおける相対次数１次以上の任意の伝達関数、Jrollerはローラの慣性モーメント、ｓは微分演算をラプラス演算子ｓにより表現したものである。

本発明の実施形態を示す電気慣性制御装置の構成図。オブザーバ一般化プラントモデルの構成図。機械系モデル図。ＡＴＲ一般化プラントモデルの構成図。ローラ表面駆動力推定部（オブザーバ）の構成図。電気慣性制御装置の構成図。

符号の説明

１０１… オブザーバ
１０２… 慣性部
１０３…ＡＳＲ部
１０４… ＡＴＲ部
１０５、１０６…減算部
１０… コントローラ
２０，６０… 機械系モデル
３０… ＡＴＲコントローラ
Ｄｙ…動力計
ＩＶ…インバータ
ＲＰ…電気慣性制御回路
Ｒ…ローラ
ＥＣ（ＥＣ１，ＥＣ２）…エンコーダ
ＴＭ…トルクメータ

Claims

シャフトを介してローラと動力計を連結し、オブザーバ部、慣性部、速度制御部、軸トルク制御部を有する電気慣性制御回路に、動力計回転信号、軸トルク信号、ローラ回転信号を入力してトルク電流指令を演算し、求めたトルク電流指令によりインバータを介して電気慣性制御を行うものにおいて、
前記オブザーバ部は軸トルク検出値、ローラもしくは動力計角速度検出値を入力してローラ表面駆動力推定値を算出すると共に、このオブザーバの出力と走行抵抗値との差信号を前記慣性部を介し入力してローラもしくは動力計角速度検出値とのＰＩＤ演算を実行する速度制御コントローラで構成され、前記速度制御コントローラの出力と軸トルク検出値との偏差信号、動力計角速度検出値、及びローラ角速度検出値を入力してトルク電流指令を生成する軸トルク制御コントローラは、ＡＴＲ一般化プラントモデルに基づき、Ｈ∞制御、μ設計法と呼称されるコントローラ設計手法により設計された軸トルク制御コントローラとを備えたことを特徴とした動力計システムの電気慣性制御装置。
前記ローラ表面駆動力推定値を算出するオブザーバ部は、オブザーバ一般化プラントモデルに基づき、Ｈ∞制御、μ設計法と呼称されるコントローラ設計手法により設計された回路で構成したことを特徴とした請求項1記載の動力計システムの電気慣性制御装置。