JP5292922B2 - ローラ表面駆動力の推定方法とその装置 - Google Patents

Description

本発明は、動力計システムにおけるローラ表面駆動力の推定方法とその装置に関するものである。

動力計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ために電気慣性制御方式が採られている。この電気慣性制御方式としては、特許文献１が公知となっている。この特許文献１には、設置された軸トルクメータにより車両の動力伝達軸に発生する軸トルクを検出する。動力計は、軸トルクの検出値と、機械慣性分を除いた走行抵抗分のトルク設定値と、動力計の機械慣性及び設定慣性から電気慣性トルク設定値を求め、この電気慣性トルク設定値と走行抵抗分のトルク設定値との和で吸収トルクを制御する。そして、電気慣性制御のための加速度検出を不要としたことにより、電気慣性制御の応答性を高めかつ安定化した制御を可能としたことが記載されている。
特開２００４−３６１２５５

特許文献１では、動力計の機械系モデルを共振特性を持つ２慣性系としている。特許文献１のものは、機械系の共振特性が考慮されていないため、電気慣性制御応答を高めようとすると、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する。また、シャシーダイナモメータシステムやドライブトレインベンチシステムの動力計システムでは、機械系の共振特性以外の軸トルク検出特性、動力計角速度検出特性及びインバータ応答特性なども存在し、これらによる軸トルクの検出遅れやインバータのトルク応答遅れ要素なども考慮しないと、より高応答で安定した制御ができない。

より高応答で安定した制御を実施するために、ローラ表面駆動力推定装置の高精度が要求されている。また、試験車両にホイールトルクメータや六分力計等による駆動力測定のための計測機器が無い場合でも、高精度なローラ表面駆動力計測を要求されている。
図６はシャシーダイナモメータシステムの概略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は制御部に設けられるローラ表面駆動力推定部、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及びエンコーダＥＣ１，ＥＣ２によって検出された各検出信号はローラ表面駆動力推定部ＲＰに入力される。
図７はローラ表面駆動力推定部ＲＰの構成図を示したもので、１次のローパスフィルターを１／Ｔｄ・ｓ＋１として１次のローパスフィルターの時定数Ｔｄを設定し、ローラ慣性Ｊrollerに角速度ｄｔ／ｄωを掛けた出力にローパスフィルターを通し、軸トルク検出を減算してローラ表面駆動力推定値として算出している。
しかし、動力計には軸トルクの検出遅れや速度検出遅れが存在しているため、ローラ表面駆動力推定値の評価や、高応答なローラ表面駆動力推定を施すことが困難となっている。

そこで、本発明が目的とするところは、ローラ表面駆動力推定値の評価や高応答を可能とするローラ表面駆動力の推定方法とその装置を提供することにある。

本発明の請求項１は、シャフトを介してローラと連結された動力計を、制御部の出力によりインバータによって制御するシャシーダイナモメータシステムであって、制御部に有するオブザーバー部でローラ表面駆動力推定するものにおいて、
前記オブザーバー部と、このオブザーバー部に設けられるローラ表面駆動力推定のための機械系モデルを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オブザーバー一般化プラントモデルを作成し、
前記オブザーバー部の一般化プラントモデルは、それぞれ重み付けされたローラ表面駆動力信号と動力計トルク指令を入力してローラ角速度信号とシャフトの軸トルク信号及び動力計角速度信号を演算する機械系モデル、この機械系モデルからの軸トルク信号を入力して軸トルクの検出信号を出力するトルクメータ特性モデル、機械系モデルにより演算されたローラ角速度信号を入力してローラ角速度信号を出力するエンコーダ特性モデルを有し、
前記トルクメータ特性モデルを介して生成されたトルク検出信号と重み付された軸トルク検出誤差信号の和を軸トルク検出信号としてコントローラへの観測信号として入力し、且つ前記エンコーダ特性モデルを介して検出されたローラ角速度信号と重みつけされた動力計角速度観測ノイズとの和を動力計角速度の検出信号としてコントローラへの観測信号として入力し、このコントローラの出力と前記重み付けされたローラ表面駆動力信号と差信号を重みつきのローラ表面駆動力推定信号とすることを特徴としたものである。

本発明の請求項２は、前記ローラ表面駆動力推定のための機械系モデルは、入力された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トルクとシャフト捩れトルク信号の和でローラ角速度信号を算出するローラ慣性モーメント要素と、入力された動力計トルク信号とシャフト捩れトルク信号の差で動力計の角速度信号を演算する動力計慣性モーメント要素と、この動力計の角速度信号と前記ローラ角速度信号の差でシャフト捩れトルク信号を演算するばね剛性要素の各伝達関数を有することを特徴としたものである。

本発明の請求項３は、シャフトを介してローラと連結された動力計を、ローラ表面駆動力推定のオブザーバー部と加振指令発生部を有する制御部からの制御信号に基づいてインバータで制御するシャシーダイナモメータシステムにおいて、
前記オブザーバー部で、シャシーダイナモメータシステムの検出された角速度信号とシャフトの軸トルク信号を入力してローラ表面駆動力推定値を算出し、前記加振指令発生部からの加振指令をトルク電流指令に重畳し、この重畳トルク電流指令からオブザーバー出力の周波数特性や伝達関数を求めるよう構成すると共に、
前記オブザーバー部と、このオブザーバー部に設けられるローラ表面駆動力推定のための機械系モデルは、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作成されたオブザーバー一般化プラントモデルとし、
オブザーバー部の一般化プラントモデルは、それぞれ重み付けされたローラ表面駆動力信号と動力計トルク指令を入力してローラ角速度信号とシャフトの軸トルク信号及び動力計角速度信号を演算する機械系モデル、この機械系モデルからの軸トルク信号を入力して軸トルクの検出信号を出力するトルクメータ特性モデル、機械系モデルからの動力計角速度を入力して動力計角速度信号を出力するエンコーダ特性モデルを有し、
且つ一般化プラントモデルは、前記トルクメータ特性モデルを介して生成されたトルク検出信号と重み付された軸トルク検出誤差信号の和を軸トルク検出信号としてコントローラへの観測信号として入力すると共に、前記エンコーダ特性モデルを介して検出された動力計角速度信号と重みつけされた動力計角速度観測ノイズとの和を動力計角速度の検出信号としてコントローラへの観測信号として入力し、このコントローラの出力と前記重み付けされたローラ表面駆動力信号と差信号を重みつきのローラ表面駆動力推定信号とするよう構成したことを特徴とした
ものである。

以上のとおり、本発明によれば、ローラ表面駆動力推定を実行するオブザーバー部を、Ｈ∞制御、μ設計法と呼称されるコントローラ設計手法を用いて設計したものである。これにより、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など、動力計システムの制御応答性能に影響する各特性を考慮したオブザーバー部の設計が可能となると共に、動力計システムにおける高応答なローラ表面駆動力推定が可能となるものである。
また、このオブザーバー部を動力計システムの制御部に組み込むことにより、動力計のトルク電流指令からローラ表面駆動力推定の周波数特性や伝達関数を求めることが出来る。また、試験車両にホイールトルクメータや六分力計等による駆動力測定のための計測機器が無い場合でも、高精度なローラ表面駆動力計測することが出来る。

本発明は、特許文献１のように電気慣性制御回路そのものを提供するものではなく、ローラ表面駆動力推定回路のオブザーバー（ローラ表面駆動力推定）部を
「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作成し、状態方程式のパラメータを算出してローラ表面駆動力推定値とするものである。
なお、「Ｈ∞制御」「μ設計法」「一般化プラント」については、例えば、劉康志著、「線形ロバスト制御」、コロナ社、２００２年などにおいて、ロバスト制御の一般的な教科書で説明されている。

本発明は、上記手法を用いて設計された一般化プラントモデルを用いて図６で示すシャシーダイナモメータシステムに使用される。以下、実施例に基づいて説明する。

図１は、ローラ表面駆動力推定回路のオブザーバーを、また、図２はオブザーバーの機械系モデルをそれぞれ一般化プラントに基づき「Ｈ∞制御」または、「μ設計法」にて状態方程式のパラメータを算出するものである。
図１で示すローラ表面駆動力推定のためのオブザーバー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が検出されてコントローラ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、ローラ表面駆動力推定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。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)）に出力すると共に、減算手段７に出力する。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に出力する。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に出力する。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、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に出力する。

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制御指令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指令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指令ｚ４として出力する。

図２で示すローラ表面駆動力推定のためのオブザーバーの機械系モデル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。この実施例での機械系モデルは、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３は図１のようにして設計されたオブザーバー部を、図６で示すシャシーダイナモメータシステムに適用してローラ表面駆動力推定するための装置で、このオブザーバー部は、エンコーダにより検出された角速度信号と、軸トルクメータによって検出された軸トルク信号を入力して所定の演算を実行し、ローラ表面駆動力推定値として出力する。

この実施例によれば、オブザーバー部は、機械系の共振特性、軸トルク検出特性、及び動力計角速度検出特性などを考慮したことにより、動力計システムにおける高応答なローラ表面駆動力推定が可能となるものである。

図４は第２の実施例を示すローラ表面駆動力推定のオブザーバー一般化プラントモデルを示したもので、図１のオブザーバー一般化プラントモデルと相違する点は、エンコーダ特性生成手段９に入力される信号は機械系モデル２０が出力するローラ角速度J1.wとなっていることである。したがって、エンコーダ特性生成手段９が出力するエンコーダの特性は、ローラの角速度に基づいて生成されて加算手段６に出力される。また、ローラ角速度観測ノイズｗ４が入力される手段４では、ローラ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。加算手段６では、この信号と手段４からの信号が加算され、ローラ角速度制御偏差の観測量Ｂとしてコントローラ１０に入力される。他は実施例１と同様である。

この実施例によれば、一般化プラントにおける観測量を軸トルク検出（観測量Ａ）とローラ角速度制御偏差（観測量Ｂ）としたものである。これにより、実施例１と同等の効果が得られる。

図５はオブザーバーの評価装置を示す構成図である。３０はローラ上に被試験車両が載置されたシャシーダイナモメータの実機で、その動力計はインバータＩＶの出力により制御される。４０は制御部で、この制御部４０には、図１又は図４で示した一般化プラントを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作成したオブザーバー部４１と加振指令部４２等を有している。オブザーバー部４１には、実機３０の軸トルク検出値と角速度検出値がそれぞれ無駄時間を要して入力され、ローラ表面駆動力推定値として出力する。加振指令部４２では、ランダム加振指令などの加振指令が重畳されて動力計のトルク電流指令としてインバータＩＶの制御回路に出力される。
したがって、ローラ上に試験車両を載せた状態にて、加振指令部４２による加振指令が重畳されたトルク電流指令を入力値とし、オブザーバー部４１によるローラ表面駆動力推定値を出力値とした場合、入力と出力の関係から周波数特性や伝達関数を求めることで、動力計からローラ表面駆動力の伝達特性が把握できる。
すなわち、加振指令部４２からの加振指令を可変することで、検出される軸トルク信号、角速度信号は各検出無駄時間を経てオブザーバー部４１に入力され、その結果は縦軸にゲイン、位相、横軸に周波数を表したボード線図とした入力動力計トルク指令から出力Fｘ．OBSの特性が観測される。
このとき、例えば、周波数を増加させていったとき、或る周波数となったときにゲインや位相が急変するという挙動が発生する。その挙動発生時点をオブザーバー４１の出力で観測することによりローラ表面駆動力推定値の評価が可能となる。

この実施例によれば、試験車両にホイールトルクメータや六分力計等による駆動力測定のための計測機器が無い場合でも、オブザーバー４１を制御部４０に追加することでローラ表面駆動力推定値の評価が可能となり、動力計のトルク電流指令からローラ表面駆動力推定の周波数特性や伝達関数を求めることが出来る。

本発明のオブザーバーの一般化プラントモデルの模式図。 オブザーバーの一般化プラントモデルに適用される機械系モデル図。 オブザーバーのブロック図。 本発明のオブザーバーの一般化プラントモデルの模式図。 動力計システムへのオブザーバー適用による構成図。 シャシーダイナモメータシステムの構成図。 従来のローラ表面駆動力推定回路のブロック図。

符号の説明

Ｄｙ…動力計
ＩＶ…インバータ
ＲＰ…ローラ表面推定駆動力推定回路
Ｒ…ローラ
ＥＣ（ＥＣ１，ＥＣ２）…エンコーダ
ＴＭ…トルクメータ
１０…コントローラ
２０…機械系モデル
３０…実機（動力計システム）
４０…制御部

Claims (3)

1. シャフトを介してローラと連結された動力計を、制御部の出力によりインバータによって制御するシャシーダイナモメータシステムであって、制御部に有するオブザーバー部でローラ表面駆動力推定するものにおいて、
   前記オブザーバー部と、このオブザーバー部に設けられるローラ表面駆動力推定のための機械系モデルを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オブザーバー一般化プラントモデルを作成し、
   前記オブザーバー部の一般化プラントモデルは、それぞれ重み付けされたローラ表面駆動力信号と動力計トルク指令を入力してローラ角速度信号とシャフトの軸トルク信号及び動力計角速度信号を演算する機械系モデル、この機械系モデルからの軸トルク信号を入力して軸トルクの検出信号を出力するトルクメータ特性モデル、機械系モデルにより演算されたローラ角速度信号を入力してローラ角速度信号を出力するエンコーダ特性モデルを有し、
   前記トルクメータ特性モデルを介して生成されたトルク検出信号と重み付された軸トルク検出誤差信号の和を軸トルク検出信号としてコントローラへの観測信号として入力し、且つ前記エンコーダ特性モデルを介して検出されたローラ角速度信号と重みつけされた動力計角速度観測ノイズとの和を動力計角速度の検出信号としてコントローラへの観測信号として入力し、このコントローラの出力と前記重み付けされたローラ表面駆動力信号と差信号を重みつきのローラ表面駆動力推定信号とすることを特徴としたローラ表面駆動力推定方法。
2. 前記ローラ表面駆動力推定のための機械系モデルは、入力された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トルクとシャフト捩れトルク信号の和でローラ角速度信号を算出するローラ慣性モーメント要素と、入力された動力計トルク信号とシャフト捩れトルク信号の差で動力計の角速度信号を演算する動力計慣性モーメント要素と、この動力計の角速度信号と前記ローラ角速度信号の差でシャフト捩れトルク信号を演算するばね剛性要素の各伝達関数を有することを特徴とした請求項１記載のローラ表面駆動力推定方法。
3. シャフトを介してローラと連結された動力計を、ローラ表面駆動力推定のオブザーバー部と加振指令発生部を有する制御部からの制御信号に基づいてインバータで制御するシャシーダイナモメータシステムにおいて、
   前記オブザーバー部で、シャシーダイナモメータシステムの検出された角速度信号とシャフトの軸トルク信号を入力してローラ表面駆動力推定値を算出し、前記加振指令発生部からの加振指令をトルク電流指令に重畳し、この重畳トルク電流指令からオブザーバー出力の周波数特性や伝達関数を求めるよう構成すると共に、
   前記オブザーバー部と、このオブザーバー部に設けられるローラ表面駆動力推定のための機械系モデルは、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作成されたオブザーバー一般化プラントモデルとし、
   オブザーバー部の一般化プラントモデルは、それぞれ重み付けされたローラ表面駆動力信号と動力計トルク指令を入力してローラ角速度信号とシャフトの軸トルク信号及び動力計角速度信号を演算する機械系モデル、この機械系モデルからの軸トルク信号を入力して軸トルクの検出信号を出力するトルクメータ特性モデル、機械系モデルからの動力計角速度を入力して動力計角速度信号を出力するエンコーダ特性モデルを有し、
   且つ一般化プラントモデルは、前記トルクメータ特性モデルを介して生成されたトルク検出信号と重み付された軸トルク検出誤差信号の和を軸トルク検出信号としてコントローラへの観測信号として入力すると共に、前記エンコーダ特性モデルを介して検出された動力計角速度信号と重みつけされた動力計角速度観測ノイズとの和を動力計角速度の検出信号としてコントローラへの観測信号として入力し、このコントローラの出力と前記重み付けされたローラ表面駆動力信号と差信号を重みつきのローラ表面駆動力推定信号とするよう構成したことを特徴としたローラ表面駆動力推定装置。

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