JP5541314B2 - ダイナモメータシステムの制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、ダイナモメータシステムの制御装置に関する。

揺動式のダイナモメータを搭載したエンジンダイナモメータシステムやシャシダイナモメータシステムでは、その制御及び計測に係るトルクを検出するためのセンサとしてロードセルが用いられる。ロードセルは、ダイナモメータの揺動子に作用するトルクを、揺動子から延びるトルクアームを介して検出する（特許文献１参照）。このような構造上、ロードセルの出力信号は、実際にダイナモメータで検出されるトルク以外に、揺動子の固有振動に伴うトルク変動成分が重畳されたものとなるが、この変動成分は、システムの制御や計測において本来は不要な成分である。そこで従来、ロードセルの出力信号から、不要なトルク変動成分を除去する技術が提案されている（特許文献１及び２参照）。

特許文献１及び２の技術では、揺動子やトルクアームに、ロードセルとは別に加速度センサを設けておき、この加速度センサの出力信号とロードセルの出力信号とを所定の手順で合成することによって、ロードセルの出力信号から揺動子の固有振動に伴う変動を除去する。

特開２００６−１８４１３５号公報 特開昭５８−９０１３５号公報 特開平１−１３８８３６号公報

以上のように、揺動式のダイナモメータを備えた従来のシステムでは、ロードセルの出力信号に含まれる変動成分は、揺動子の固有振動に伴うノイズとしてこれを除去する場合が多い。しかしながら従来のシステムでは、揺動子の固有振動自体を抑制するようにはしていないことから、特に制御応答を高めようとしたときに、この固有振動に起因する共振によってハンチングや発散などの不安定現象が発生するおそれがある。このため、従来の揺動式ダイナモメータシステムでは、高応答かつ安定した制御が困難である。

本発明は、高応答かつ安定した制御が可能なダイナモメータシステムの制御装置を提供することを目的とする。

（１）上記目的を達成するため本発明は、負荷に接続された揺動式のダイナモメータ（例えば、後述のダイナモメータ２）と、当該ダイナモメータに電力を供給するインバータ（例えば、後述のインバータ３）と、前記ダイナモメータの揺動子に発生するトルクを、当該揺動子から延びるトルクアーム（例えば、後述のトルクアーム２７）を介して検出するロードセル（例えば、後述のロードセル２６）と、を備えたダイナモメータシステム（例えば、後述のダイナモメータシステム１）の制御装置（例えば、後述の制御装置５，５Ａ，５Ｂ，５Ｃ，５Ｄ）を提供する。この制御装置は、前記ロードセルの出力信号に基づいて主信号（Ｔｄｙ＿ｒｅｆ）を出力する主制御装置（例えば、後述のトルク制御装置６）と、前記揺動子の固有振動が抑制されるように前記主信号を補正し、制御入力信号（Ｔｄｙ＿ｒｅｆ’）として前記インバータに入力する固有振動抑制手段（例えば、後述の固有振動抑制回路７）と、を備え、前記固有振動抑制手段は、前記ロードセルの出力信号（ＬＣ＿ｄｅｔ）又は所定の近似式を用いて算出された前記ロードセルの近似信号（Ｐｍｄｌ＿ｄｅｔ）に微分演算を施す微分補償器（例えば、後述の微分補償器７１）と、前記主信号から前記微分補償器の出力信号を減算することによって当該主信号を補正する減算器（例えば、後述の減算器７２）とを備えることを特徴とする。

（１）揺動子を備えたダイナモメータにおいて、インバータへの入力からロードセルの出力までの伝達関数は２次遅れ標準形によって近似的に表現されるところ、本発明では、このような制御対象への制御入力信号を微分補償器で補正することにより、揺動子の固有振動を抑制するように制御対象にダンピングを与えることができる。本発明の制御装置では、このような微分補償器を備えた固有振動抑制手段を設けることにより、揺動子の固有振動そのものを抑制し、ひいてはロードセルの出力信号から不要なトルク変動成分を除去できる。したがって本発明によれば、従来では必要であった加速度センサを機械装置に設けることなくロードセルから安定した出力信号を得ることができる。また、このような固有振動抑制手段によって揺動子の固有振動を抑制することにより、主制御装置では安定かつ高応答なダイナモメータの制御が可能になる。

（２）この場合、前記制御装置は、前記インバータに入力される制御入力信号又はこれに比例した信号と所定のフィードバック信号との和を入力として、前記インバータの入力から前記ロードセルの出力までを所定のダンピング係数及び前記揺動子の固有振動数によって特徴付けられる近似式に基づいて前記近似信号を出力する振動出力演算部（例えば、後述の振動出力演算部８１Ａ）と、前記近似信号を所定の無駄時間だけ遅らせる無駄時間遅れ要素（例えば、後述のｅ^{−Ｌｍｄｌ・ｓ}）を備えた遅れ補償器（例えば、後述の遅れ補償器８２Ａ，８２Ｂ）と、前記遅れ補償器の出力信号（ＬＣｍｃｌ＿ｄｅｔ）と前記ロードセルの出力信号（ＬＣ＿ｄｅｔ）との偏差（ｅｒｒ）が最小になるように前記振動出力演算部へ前記フィードバック信号を出力する偏差補償器（例えば、後述の偏差補償器８３Ａ）と、をさらに備え、前記微分補償器は、前記遅れ補償器に入力される前記近似信号を入力とすることが好ましい。

（２）インバータの入力からロードセルの出力までの系には、様々な遅れが含まれる。本発明では、揺動子の固有振動数及びダンピング係数によって特徴付けられた近似式に基づいて近似信号を出力する振動出力演算部を設けた上、遅れ補償器及び偏差補償器によって所定の無駄時間分の位相進み補償した近似信号を微分補償器に入力することにより、外乱及び遅れの影響を低減しながら揺動子の固有振動をより確実に抑制できる。

（３）この場合、前記遅れ補償器は、前記無駄時間遅れ要素（例えば、後述のｅ^{−Ｌｍｄｌ・ｓ}）と、前記近似信号からノイズを除去するローパスフィルタ要素（例えば、後述のＰ_{Ｆ＿ｍｄｌ}（ｓ））とを接続して構成されることが好ましい。

（３）インバータの入力からロードセルの出力までの系には、高域の周波数領域のノイズを除去するためのフィルタが設けられる場合がある。本発明では、遅れ補償器を、無駄時間遅れ要素及びローパスフィルタ要素を接続して構成することにより、無駄時間分の位相進み補償、及び実際のロードセルの検出特性を補償した近似信号を微分補償器に入力できる。これにより、より確実に揺動子の固有振動を抑制できる。

（４）この場合、前記制御装置は、前記インバータに入力される制御入力信号に所定の係数を乗算する比例要素（例えば、後述の比例要素８４Ｃ）と、当該比例要素の出力信号と前記フィードバック信号との和を前記振動出力演算部に入力する加算器（例えば、後述の加算器８５Ｃ）と、をさらに備えることが好ましい。

（４）インバータの入力からロードセルの出力までの系には、その直流ゲイン特性を適正なものに補正するために、制御入力信号に所定の係数を乗算した信号をインバータに入力する場合がある。本発明では、インバータに入力される制御入力信号に所定の係数を乗算したものとフィードバック信号との和を振動出力演算部に入力することにより、上記直流ゲイン特性の補正を考慮した近似信号を微分補償器に入力できる。これにより、より確実に揺動子の固有振動を抑制できる。

（５）この場合、前記近似式は、ωｎを前記揺動子の固有振動数とし、ζをダンピング係数とし、ｓをラプラス演算子とし、下記伝達関数Ｐ_ｍｄｌ（ｓ）で定義され、前記微分補償器の伝達関数は、Ｋを０より大きく１より小さい任意の定数とし、１／Ｇ_ＬＰＦ（ｓ）を相対次数１以上の任意の伝達関数とし、擬似微分特性を有する下記伝達関数Ｈ_ＬＰＦ（ｓ）で定義されることが好ましい。

（５）上記Ｐ_ｍｄｌ（ｓ）とＨ_ＬＰＦ（ｓ）をフィードバック結合して構成される系の閉ループ伝達関数Ｇ（ｓ）は、高周波数域における検出ノイズを低減するために導入される１／Ｇ_ＬＰＦ（ｓ）を近似的に１とすると、下記式（２）のようになる。したがって本発明によれば、微分補償器の係数Ｋの大きさを調整することによって、固有振動数における共振点を抑制するように好ましい周波数応答特性を容易に実現することができる。

本発明によれば、加速度センサを機械装置に設けることなくロードセルから安定した出力信号を得ることができる。また、このような固有振動抑制手段によって揺動子の固有振動を抑制することにより、主制御装置では安定かつ高応答なダイナモメータの制御が可能になる。

本発明の一実施形態に係るダイナモメータシステムの構成を模式的に示す図である。 実施例１の制御装置の構成を示すブロック図である。 インバータへの入力からロードセルの出力までの伝達関数のステップ応答例を示す図である。 閉ループ伝達関数のボード線図である。 実施例２の制御装置の構成を示すブロック図である。 実施例３の制御装置の構成を示すブロック図である。 実施例４の制御装置の構成を示すブロック図である。 実施例５の制御装置の構成を示すブロック図である。

以下、本発明の一実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１は、揺動式のダイナモメータシステム１の構成を模式的に示す図である。
システム１は、揺動式のダイナモメータ２と、トルク電流指令信号に応じた電力をダイナモメータ２に供給するインバータ３と、これらの図示しない制御装置と、を含んで構成される。

ダイナモメータ２は、円筒状の固定子２１と、この固定子２１に回転可能に支持された回転子２２と、これら固定子２１及び回転子２２で構成される揺動子２３を基台２４上で揺動可能に支持するペデスタル２５と、揺動子２３に発生するトルクを検出するロードセル２６と、を備える。

回転子２２の回転軸には、図示しない負荷が接続されている。揺動子２３には、略水平に延びるトルクアーム２７が設けられている。ロードセル２６は、基台２４上に設けられる。また、トルクアーム２７とロードセル２６は、トルクアーム２７の先端部に設けられた連結部材２８を介して接続される。負荷からの駆動力が回転軸に伝達すると、回転子２２にトルクが発生しその反作用として固定子２１にトルクが発生する。これら揺動子２３に発生するトルクは、トルクアーム２７及び連結部材２８を介してロードセル２６により検出される。

以下、ロードセル２６を備えたダイナモメータシステム１の制御装置の構成について、実施例ごとに説明する。

図２は、実施例１のダイナモメータシステムの制御装置５の構成を示すブロック図である。
図２において、制御対象９は、図１を参照して説明したインバータ、ダイナモメータ、及びロードセルなどを含んで構成される。制御装置５は、図２に示す制御系におけるメジャーループを構成する主制御装置としてのトルク制御装置６と、マイナーループを構成する固有振動抑制回路７と、を備える。

トルク制御装置６は、ロードセルの出力信号ＬＣ＿ｄｅｔ及びその目標値ＬＣ＿ｄｅｔ＿ｔｒｇｔなどの入力に基づいて、トルク電流指令信号Ｔｄｙ＿ｒｅｆを出力する。なお、主制御装置としては、制御入力信号としてのトルク電流指令信号Ｔｄｙ＿ｒｅｆを出力するものであれば、トルクを制御するものに限らず、位置、速度、走行抵抗などを制御するものに置き換えてもよい。

固有振動抑制回路７は、ダイナモメータの揺動子の固有振動が抑制されるようにトルク電流指令信号Ｔｄｙ＿ｒｅｆを補正し、これを制御入力信号Ｔｄｙ＿ｒｅｆ’として制御対象９に入力する。固有振動抑制回路７は、ロードセルの出力信号ＬＣ＿ｄｅｔに微分演算を施す微分補償器７１と、トルク制御装置６のトルク電流指令信号Ｔｄｙ＿ｒｅｆから微分補償器７１の出力信号を減算することによって、トルク電流指令信号Ｔｄｙ＿ｒｅｆを補正する減算器７２と、を備える。

図３は、インバータへの入力からロードセルの出力までの伝達関数Ｐ（ｓ）のステップ応答例を示す図である。図３に示すように、ロードセルの出力信号は、揺動子の固有振動によって振動的な挙動を示す。そこで、この伝達関数Ｐ（ｓ）を、揺動子の固有振動数ωｎ及びダンピング係数ζによって、下記式（３）で示すような２次遅れ標準形で近似する。

また、微分補償器７１の伝達関数をＨ（ｓ）とすると、入力Ｔｄｔ＿ｒｅｆと出力ＬＣ＿ｄｅｔとの比、すなわち閉ループ伝達関数Ｇ（ｓ）は、下記式（４）のように表される。

このとき、微分補償器７１の伝達関数Ｈ（ｓ）を、任意の係数Ｋ（例えば、０＜Ｋ＜１）及び固有振動数ωｎによって下記式（５−１）のように定義すると、伝達関数Ｇ（ｓ）に対し、下記式（５−２）が導出される。

上記式（５−２）は、微分補償器７１を設けることによってωｎの固有振動を抑制するように制御対象９にダンピングを与えることができることを意味する。したがって本実施例の制御装置５によれば、微分補償器７１を設けた上、その係数Ｋの値を０から１の範囲内で適切な値に調整することにより、ダンピング項の係数Δζを調整し、揺動子の固有振動を抑制することができる（図４のボード線図参照）。

なお、微分補償器７１の伝達関数は、上記式（５−１）で定義されるような完全微分特性を有する伝達関数Ｈ（ｓ）に限らない。この他、微分補償器７１の伝達関数は、高域の周波数帯域における検出ノイズを低減すべく、下記式（６）で定義されるような擬似微分特性を有する伝達関数Ｈ_ＬＰＦ（ｓ）を用いてもよい。下記式（６）において、伝達関数１／Ｇ_ＬＰＦ（ｓ）は、相対次数１以上の任意の関数である。

図５は、実施例２のダイナモメータの制御装置５Ａの構成を示すブロック図である。
本実施例の制御装置５Ａは、実施例１の制御装置５と比較してオブザーバ演算部８Ａをさらに備える点で異なる。以下の制御装置５Ａの説明において、実施例１の制御装置５と同じ構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。

オブザーバ演算部８Ａは、振動出力演算部８１Ａと、遅れ補償器８２Ａと、偏差補償器８３Ａと、を備える。
振動出力演算部８１Ａは、インバータに入力されるトルク電流指令信号Ｔｄｙ＿ｒｅｆ’と偏差補償器８３Ａから出力される後述のフィードバック信号との和を入力として、下記式（７）に示す近似式に基づいて近似信号Ｐｍｄｌ＿ｄｅｔを出力する。振動出力演算部８１Ａから出力される近似信号Ｐｍｄｌ＿ｄｅｔは、遅れ補償器８２Ａ及び微分補償器７１に入力される。

遅れ補償器８２Ａは、近似信号Ｐｍｄｌ＿ｄｅｔを所定の無駄時間Ｌｍｄｌだけ遅らせる無駄時間遅れ要素ｅ^{−Ｌｍｄｌ・ｓ}を備える。
偏差補償器８３Ａは、遅れ補償器８２Ａの出力信号ＬＣｍｄｌ＿ｄｅｔからロードセルの出力信号ＬＣ＿ｄｅｔを減算して得られる偏差ｅｒｒが最小になるようにフィードバック信号を出力する。この偏差補償器８３Ａの伝達関数Ｆ（ｓ）は、例えば、係数ＫＧを調整ゲイン（０＜ＫＧ＜１）とし、１／Ｆ_ＬＰＦ（ｓ）を相対次数１以上の任意の伝達関数として、下記式（８）で表される。

図５に示すように、制御対象９Ａには無駄時間Ｌに相当する遅れがあるところ、上述のような振動出力演算部８１Ａ及び遅れ補償器８２Ａを設けることにより、微分補償器７１には、ロードセル出力ＬＣ＿ｄｅｔに対し無駄時間分の位相進み補償した近似信号Ｐｍｄｌ＿ｄｅｔを入力できる。また、負荷側から制御対象９Ａに外乱トルクＤｉｓが加わると、この外乱の影響は偏差ｅｒｒを介して振動出力演算部８１Ａに入力される。したがって、本実施例の制御装置５Ａによれば、外乱及び遅れの影響を低減しながら揺動子の固有振動を確実に抑制できる。

図６は、実施例３のダイナモメータシステムの制御装置５Ｂの構成を示すブロック図である。
本実施例の制御装置５Ｂは、実施例２の制御装置５Ａと比較してオブザーバ演算部８Ｂの構成が異なる。以下の制御装置５Ｂの説明において、実施例２の制御装置５Ｂと同じ構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。

オブザーバ演算部８Ｂの遅れ補償器８２Ｂは、近似信号Ｐｍｄｌ＿ｄｅｔを所定の無駄時間Ｌｍｄｌだけ遅らせる無駄時間遅れ要素ｅ^{−Ｌｍｄｌ・ｓ}と、近似信号Ｐｍｄｌ＿ｄｅｔからノイズを除去するローパスフィルタ要素Ｐ_{Ｆ＿ｍｄｌ}（ｓ）と、を接続して構成される。

制御対象９Ｂには高域の周波数領域のノイズを除去するためのフィルタＰ_Ｆ（ｓ）が設けられる場合ある。本実施例によれば、遅れ補償器８２Ｂを、無駄時間遅れ要素ｅ^{−Ｌｍｄｌ・ｓ}及びローパスフィルタ要素Ｐ_{Ｆ＿ｍｄｌ}（ｓ）を接続して構成することにより、無駄時間分の位相進み補償、及びフィルタを備えた実際のロードセルの検出特性を補償した近似信号Ｐｍｄｌ＿ｄｅｔを微分補償器７１に入力できる。これにより、より確実に揺動子の固有振動を抑制できる。

図７は、実施例４のダイナモメータシステムの制御装置５Ｃの構成を示すブロック図である。
本実施例の制御装置５Ｃは、実施例２の制御装置５Ａと比較してオブザーバ演算部８Ｃの構成が異なる。以下の制御装置５Ｃの説明において、実施例２の制御装置５Ａと同じ構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。

インバータに入力されるトルク電流指令と実際に発生するトルクとの間で僅かながら定常的なずれが生じる場合がある。そこで、実際のダイナモメータシステムでは、このずれを無くすために直流ゲイン特性が補正される場合がある。この直流ゲイン特性の補正を考慮すると、インバータへの入力からロードセルの出力までの伝達関数Ｐｄｃ（ｓ）は、係数ＫＣを導入して、上記式（３）に替えて下記式（９）で近似される。

オブザーバ演算部８Ｃは、この直流ゲイン特性を補償するため、制御入力信号Ｔｄｙ＿ｒｅｆ’に直流ゲインＫｄｃを乗算する比例要素８４Ｃをさらに備える。加算器８５Ｃは、この比例要素８４Ｃの出力信号と偏差補償器８３Ａからのフィードバック信号との和を振動出力演算部８１Ａに入力する。

本実施例によれば、直流ゲインＫｄｃを乗じた制御入力信号Ｔｄｙ＿ｒｅｆ’を振動出力演算部８１Ａに入力することにより、無駄時間の位相進み補償、直流ゲイン特性補償した近似信号Ｐｍｄｌ＿ｄｅｔを微分補償器７１に入力できる。これにより、より確実に揺動子の固有振動を抑制できる。

図８は、実施例５のダイナモメータシステムの制御装置５Ｄの構成を示すブロック図である。
本実施例の制御装置５Ｄは、実施例４の制御装置５Ｃと比較してオブザーバ演算部８Ｃの構成が異なる。以下の制御装置５Ｄの説明において、実施例４の制御装置５Ｃと同じ構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。

オブザーバ演算部８Ｄの遅れ補償器８２Ｂは、近似信号Ｐｍｄｌ＿ｄｅｔを所定の無駄時間Ｌｍｄｌだけ遅らせる無駄時間遅れ要素ｅ^{−Ｌｍｄｌ・ｓ}と、近似信号Ｐｍｄｌ＿ｄｅｔからノイズを除去するローパスフィルタ要素Ｐ_{Ｆ＿ｍｄｌ}（ｓ）と、を接続して構成される。
本実施例によれば、無駄時間分の位相進み補償、実際のロードセルの検出特性補償、及び直流ゲイン特性補償した近似信号Ｐｍｄｌ＿ｄｅｔを微分補償器７１に入力できる。これにより、より確実に揺動子の固有振動を抑制できる。

１…ダイナモメータシステム
２…ダイナモメータ
２３…揺動子
２６…ロードセル
２７…トルクアーム
３…インバータ
５，５Ａ，５Ｂ，５Ｃ，５Ｄ…制御装置
６…トルク制御装置（主制御装置）
７…固有振動抑制回路（固有振動抑制手段）
７１…微分補償器
７２…減算器
８Ａ，８Ｂ，８Ｃ，８Ｄ…オブザーバ演算部
８１Ａ…振動出力演算部
８２Ａ，８２Ｂ…遅れ補償器
８３Ａ…偏差補償器
８４Ｃ…比例要素
８５Ｃ…加算器

Claims (4)

1. 負荷に接続された揺動式のダイナモメータと、
   当該ダイナモメータに電力を供給するインバータと、
   前記ダイナモメータの揺動子に発生するトルクを、当該揺動子から延びるトルクアームを介して検出するロードセルと、を備えたダイナモメータシステムの制御装置であって、
   前記ロードセルの出力信号に基づいて主信号を出力する主制御装置と、
   前記揺動子の固有振動が抑制されるように前記主信号を補正し、制御入力信号として前記インバータに入力する固有振動抑制手段と、を備え、
   前記固有振動抑制手段は、前記ロードセルの出力信号又は所定の近似式を用いて算出された前記ロードセルの近似信号に微分演算を施す微分補償器と、前記主信号から前記微分補償器の出力信号を減算することによって当該主信号を補正する減算器と、
   前記インバータに入力される制御入力信号又はこれに比例した信号と所定のフィードバック信号との和を入力として、前記インバータの入力から前記ロードセルの出力までを所定のダンピング係数及び前記揺動子の固有振動数によって特徴付けられる近似式に基づいて前記近似信号を出力する振動出力演算部と、
   前記近似信号を所定の無駄時間だけ遅らせる無駄時間遅れ要素を備えた遅れ補償器と、
   前記遅れ補償器の出力信号と前記ロードセルの出力信号との偏差が最小になるように前記振動出力演算部へ前記フィードバック信号を出力する偏差補償器と、備え、
   前記微分補償器は、前記遅れ補償器に入力される前記近似信号を入力とすることを特徴とするダイナモメータシステムの制御装置。
2. 前記遅れ補償器は、前記無駄時間遅れ要素と、前記近似信号からノイズを除去するローパスフィルタ要素とを接続して構成されることを特徴とする請求項１に記載のダイナモメータシステムの制御装置。
3. 前記インバータに入力される制御入力信号に所定の係数を乗算する比例要素と、
   当該比例要素の出力信号と前記フィードバック信号との和を前記振動出力演算部に入力する加算器と、をさらに備えることを特徴とする請求項１又は２に記載のダイナモメータシステムの制御装置。
4. 前記近似式は、ωｎを前記揺動子の固有振動数とし、ζをダンピング係数とし、ｓをラプラス演算子とし、下記伝達関数Ｐ_ｍｄｌ（ｓ）で定義され、
   前記微分補償器の伝達関数は、Ｋを０より大きく１より小さい任意の定数とし、１／Ｇ_ＬＰＦ（ｓ）を相対次数１以上の任意の伝達関数とし、擬似微分特性を有する下記伝達関数Ｈ_ＬＰＦ（ｓ）で定義されることを特徴とする請求項１から３の何れかに記載のダイナモメータの制御装置。
   

   

Images