JP6168126B2 - ダイナモメータシステムのダイナモ制御装置及びそのエンジン始動方法 - Google Patents

Description

本発明は、ダイナモメータシステムのダイナモ制御装置及びそのエンジン始動方法に関する。

図６は、ダイナモメータシステム１００の構成を示す図である。
ダイナモメータシステム１００は、供試体としてのエンジンＥと、動力吸収体としてのダイナモメータＤと、これらエンジンＥとダイナモメータＤと結合する結合軸Ｓと、スロットルアクチュエータ１１０を介してエンジンＥを制御するエンジン制御装置１２０と、インバータ１３０を介してダイナモメータＤを制御するダイナモ制御装置１４０と、ダイナモメータＤの出力軸の回転数を検出するエンコーダ１５０と、結合軸ＳとダイナモメータＤの出力軸との結合部の軸トルク（捩れトルク）を検出する軸トルクメータ１６０と、を備える。

エンジン制御装置１２０は、試験項目ごとに予め定められた態様でエンジンＥの出力を制御し、ダイナモ制御装置１４０は、エンコーダ１５０や軸トルクメータ１６０の出力等に基づいて、ダイナモメータＤの回転数やトルクを制御する（例えば、特許文献１参照）。

ところで上記のようなダイナモメータシステム１００では、エンジン始動時のエンジン回転数をエンジン単体始動でのエンジン回転数相当に制御する場合、エンジンＥからみて結合軸Ｓ及びダイナモメータＤが接続されていないかのような無負荷状態に制御する必要がある。特許文献２には、エンジンＥとダイナモメータＤとの間の結合軸Ｓにおける捩れトルクを０［Ｎｍ］に制御し、このような無負荷状態を実現するダイナモ制御装置が示されている。

特開２００３−１４９０８５号公報 特開２０１５−０７５３６１号公報

特許文献２の発明では、ダイナモ制御装置の設計にＨ∞制御やμ設計法を適用しており、これにより所定の機械共振周波数（高剛性のダイナモメータシステムでは、数１０Ｈｚ以上）で発生する共振現象を抑制している。このため、特許文献２のダイナモ制御装置は、その設計段階でダイナモメータの慣性及び結合軸の剛性等のシステムに固有の物理量に加えて、供試体であるエンジンの慣性も同定されている必要がある。このため、システムに初めて搭載するエンジンを供試体とする場合、その慣性を同定する試験を、上記ダイナモ制御装置を用いて行うことができない。

図７〜図９は、上記のようなダイナモ制御装置を用いずに、すなわちトルク電流指令信号を０［Ｎｍ］とし無制御状態のダイナモメータをエンジンに接続したまま、ダイナモメータと別の動力発生源（例えば、エンジンに取り付けられたセルモータ）を用いてエンジンを始動した場合における、始動時のエンジン回転数及び軸トルクの応答波形を示す。図７、図８、及び図９は、それぞれ慣性が０．１［ｋｇ・ｍ^２］、０．３［ｋｇ・ｍ^２］、及び０．５［ｋｇ・ｍ^２］のエンジンを用いて得られた結果である。なお以下において、「エンジン単体」とは、ダイナモメータとエンジンとを切り離した状態でエンジンを始動させた時におけるエンジン回転数の波形を示す。

これら図７〜図９に示すように、無制御状態のダイナモメータを接続した場合、エンジン単体の場合よりもエンジン回転数が低下する。これはセルモータ及びエンジンでダイナモメータの慣性を負担する必要があるためであり、好ましくない。また図７〜図９に示すように、無制御状態のダイナモメータを接続すると、上記共振周波数の近傍でねじれ共振現象が発生し、軸トルクが大きく振動するため、好ましくない。

このため、その慣性が未知であるエンジンが接続された場合であっても、適切に共振現象の発生を抑制しつつ無負荷状態を実現できるダイナモ制御装置及びエンジン始動方法が望まれていた。

本発明は、その慣性が未知であるエンジンが接続された場合であっても、適切に共振現象の発生を抑制しながら無負荷状態を実現できるダイナモメータシステムのダイナモ制御装置並びにエンジン始動方法を提供することを目的とする。

（１）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）は、供試体であるエンジン（例えば、後述のエンジンＥ）の出力と軸（例えば、後述の結合軸Ｓ）で連結されたダイナモメータ（例えば、後述のダイナモメータＤ）と、前記軸の捩れトルクを検出するトルク検出器（例えば、後述の軸トルクメータ７）と、前記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、を備える。ダイナモ制御装置（例えば、後述のダイナモ制御装置６）は、前記トルク検出器のトルク検出信号及び当該トルク検出信号に対する指令に相当するトルク指令信号に基づいて前記インバータへのトルク電流指令信号を生成する。ダイナモ制御装置は、前記トルク指令信号と前記トルク検出信号の差分（例えば、後述の軸トルク差分）に所定のゲイン（例えば、後述の第１ゲインｗＡＴＲ及び第２ゲインＫｉ）を乗算するゲイン演算部（例えば、後述のゲイン演算部６２）と、前記ゲイン演算部の出力信号を積分する積分演算部（例えば、後述の積分演算部６３）と、所定の応答周波数に対して高周波数側の成分のみを通過させると共に、当該応答周波数に対して低周波数側の成分を減衰させるハイパスフィルタ（例えば、後述のハイパスフィルタ６４）と、前記積分演算部の出力信号に、前記トルク検出信号を前記ハイパスフィルタに入力して得られる出力信号を重畳することにより前記トルク電流指令信号を生成するトルク電流指令信号生成部（例えば、後述のトルク電流指令信号生成部６５）と、を備える。

（２）この場合、前記ゲイン演算部は、前記トルク指令信号と前記トルク検出信号の差分に、周波数の次元を有する定数である第１ゲインと無次元の定数である第２ゲインとを乗算することが好ましい。

（３）この場合、前記第１ゲインは前記応答周波数と略等しい値に設定することが好ましい。

（４）この場合、前記第２ゲインは前記ダイナモメータの慣性の設計値と前記供試体の慣性の上限値及び下限値と、を用いて算出される値に設定されることが好ましい。

（５）ダイナモメータシステムのエンジン始動方法は、前記トルク指令信号を０として（１）〜（４）の何れかに記載のダイナモ制御装置を用いて生成したトルク電流指令信号を前記インバータに入力しながら、前記ダイナモメータとは別の電動機を用いて前記エンジンを始動する。

（１）本発明では、トルク指令信号とトルク検出信号との差分に所定のゲインを乗算し、さらにこれを積分することによってトルク電流指令信号を生成することにより、トルク検出信号がトルク指令信号に追従するように制御することができる。従って本発明によれば、トルク指令信号を０とすることにより、その慣性が未知であるエンジンが供試体として接続された場合であっても、容易に無負荷状態を実現しながらエンジンを始動することができる。また本発明では、上記のように積分演算を経て得られた信号に、トルク検出信号をハイパスフィルタに入力して得られる出力信号を重畳してトルク電流指令信号を生成することにより、ダイナモメータと供試体とを接続する軸におけるねじれ共振を抑制できる。また本発明のダイナモ制御装置では、ゲイン乗算部におけるゲインとハイパスフィルタにおける応答周波数の値を設定する必要がある。しかしながら、これらパラメータの値は、システム全体の大まかな共振周波数や慣性の範囲から特定した値を用いても十分な効果を奏するので、予めエンジンの慣性を正確に同定する必要がない。

（２）本発明では、トルク指令信号とトルク検出信号の差分に２つのゲインを乗算することにより、共振現象の発生が十分に抑制されるように、供試体の慣性の大まかな値や供試体とダイナモメータとを軸で連結して構成される機械系の共振周波数の大まかな値等をこれら第１及び第２ゲインに反映させることができる。

（３）本発明では、第１ゲインをハイパスフィルタにおける応答周波数と略等しい値に設定することにより、第１ゲインの設定を容易にできると共に、ねじれ共振を効果的に抑制できる。

（４）本発明では、第２ゲインを、既知であるダイナモメータの慣性の設計値と、未知ではあるが大まかな値を特定できる供試体の慣性の上限値及び下限値と、を用いて算出される値に設定することにより、第２ゲインの設定を容易にできると共に、ねじれ共振を効果的に抑制できる。

（５）本発明のエンジン始動方法では、上記のようなダイナモ制御装置に値０のトルク指令信号を入力して得られるトルク電流指令信号をインバータに入力しながら、ダイナモメータとは別の電動機を用いてエンジンを始動する。これにより、初めて搭載するエンジンを供試体とする場合であっても、ねじれ共振を抑制しかつエンジンから見て無負荷の状態でエンジンを始動することができる。

本発明の一実施形態に係るダイナモ制御装置が用いられたダイナモメータシステムの構成を示す図である。 ダイナモ制御装置の制御回路の構成を示す図である。 本実施形態に係るエンジン始動方法によってエンジンを始動した場合における、エンジン回転数及び軸トルクの応答波形を示す図である（エンジン慣性＝０．１［ｋｇ・ｍ^２］）。 本実施形態に係るエンジン始動方法によってエンジンを始動した場合における、エンジン回転数及び軸トルクの応答波形を示す図である（エンジン慣性＝０．３［ｋｇ・ｍ^２］）。 本実施形態に係るエンジン始動方法によってエンジンを始動した場合における、エンジン回転数及び軸トルクの応答波形を示す図である（エンジン慣性＝０．５［ｋｇ・ｍ^２］）。 ダイナモメータシステムの構成を示す図である。 無制御状態のダイナモメータをエンジンに接続したまま、エンジンを始動した場合における、始動時のエンジン回転数及び軸トルクの応答波形を示す図である（エンジン慣性＝０．１［ｋｇ・ｍ^２］）。 無制御状態のダイナモメータをエンジンに接続したまま、エンジンを始動した場合における、始動時のエンジン回転数及び軸トルクの応答波形を示す図である（エンジン慣性＝０．３［ｋｇ・ｍ^２］）。 無制御状態のダイナモメータをエンジンに接続したまま、エンジンを始動した場合における、始動時のエンジン回転数及び軸トルクの応答波形を示す図である（エンジン慣性＝０．５［ｋｇ・ｍ^２］）。

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本実施形態に係るダイナモ制御装置６が用いられたダイナモメータシステム１の構成を示す図である。ダイナモメータシステム１は、供試体としてのエンジンＥと、このエンジンＥの出力軸であるクランクシャフトと結合軸Ｓを介して連結されたダイナモメータＤと、スロットルアクチュエータ２やセルモータＭを介してエンジンＥを制御するエンジン制御装置５と、ダイナモメータＤに電力を供給するインバータ３と、インバータ３を介してダイナモメータＤを制御するダイナモ制御装置６と、結合軸Ｓの捩れトルクを検出する軸トルクメータ７と、ダイナモメータＤの回転数を検出するエンコーダ８と、を備える。

なお結合軸Ｓには、クラッチ、トランスミッション、及びプロペラシャフト等のエンジンＥと共に車両に搭載されることが予定された機械部品を用いてもよいし、これら車両用の機械部品とは別に準備した高剛性の試験用シャフトを用いてもよい。

軸トルクメータ７は、エンジンＥからダイナモメータＤまで延びる結合軸Ｓのうち、エンジンＥよりもダイナモメータＤに近い部分に作用する捩れトルクを、例えば結合軸Ｓのねじれ方向の歪み量から検出し、検出値に略比例した信号をダイナモ制御装置６に送信する。

エンジン制御装置５は、所定のタイミングでセルモータＭを駆動しエンジンＥを始動した後、予め定められた態様によってスロットルアクチュエータ２を駆動しエンジンＥの出力を制御する。

ダイナモ制御装置６は、エンジンＥで発生した動力が予め定められた態様で吸収されるように、軸トルクメータ７の検出信号やエンコーダ８の検出信号等に基づいてダイナモメータＤで発生させるべきトルク値に相当するトルク電流指令信号を生成し、インバータ３へ入力する。

ダイナモメータシステム１では、エンジン制御装置５を用いてエンジンＥのスロットル開度を制御しながら、ダイナモ制御装置６を用いてダイナモメータＤのトルクや速度を制御することにより、（１）エンジンＥの始動、（２）エンジンＥの慣性モーメントの測定、（３）エンジンＥの耐久性、燃費、及び排気浄化性能等の評価試験等を行う。以下では、このダイナモメータシステム１によって実現される様々な機能のうち、特に（１）のエンジンＥの始動に関する機能を実現するための構成を中心に詳細に説明する。

図２は、本実施形態に係るダイナモ制御装置６の制御回路の構成を示す図である。図２に示す制御回路は、初めてダイナモメータシステムに搭載するエンジンを始動させる際に、特に好ましく用いられる制御回路である。この図２の制御回路を用いてエンジンを始動する方法については、後に説明する。

ダイナモ制御装置６は、差分演算部６１と、ゲイン演算部６２と、積分演算部６３と、ハイパスフィルタ６４と、トルク電流指令信号生成部６５と、を備える。

差分演算部６１は、軸トルクメータのトルク検出信号と、このトルク検出信号に対する指令に相当しかつ図示しない処理によって定められるトルク指令信号との差分（トルク指令信号−トルク検出信号であり、以下では「軸トルク差分」ともいう）を算出する。

ゲイン演算部６２は、差分演算部６１によって算出された軸トルク差分に、制御応答性を決定する第１ゲインｗＡＴＲと、制御安定性を決定する第２ゲインＫｉと、を乗算する。

ここで、第１ゲインｗＡＴＲの値は、例えば、エンジン及びダイナモメータを含む機械系の共振周波数の大まかな値に基づいて定められる。より具体的には、第１ゲインｗＡＴＲの値は、例えば、上記機械系の共振周波数（数１０Ｈｚ程度）の１／１０程度の大きさに設定される。

また第２ゲインＫｉの値は、既知であるダイナモメータの慣性モーメントの値、及び未知であるエンジンの慣性モーメントの大まかな値等に基づいて定められる。より具体的には、第２ゲインＫｉの値は、例えば、供試体として搭載されるエンジンの慣性モーメントとして想定される範囲の下限値Ｊ１ａ及び上限値Ｊ１ｂと、既知であるダイナモメータの慣性モーメントの設計値Ｊ２とを用いて、下記式によって算出される値に設定される。

積分演算部６３は、２つのゲインｗＡＴＲ及びＫｉが乗算された軸トルク差分の積分値を算出することにより、積分操作量を算出する。

ハイパスフィルタ６４は、所定の応答周波数ｗＨＰＦによって特徴付けられたフィルタであり、軸トルクメータのトルク検出信号から応答周波数ｗＨＰＦに対して高周波数側の成分のみを通過させると共に低周波数側の成分を減衰させる。このハイパスフィルタ６４の伝達関数ＧＨＰＦ（ｓ）には、例えば下記式が用いられる。下記式において、ｓはラプラス演算子である。ここで応答周波数ｗＨＰＦの値は、例えば、上述の第１ゲインｗＡＴＲと同じ値、又はエンジン及びダイナモメータを含む機械系の共振周波数の大まかな値に基づいて定められる。

トルク電流指令信号生成部６５は、積分演算部６３によって算出される積分操作量に、トルク検出信号をハイパスフィルタ６４に入力して得られる出力信号を重畳することにより、トルク電流指令信号を生成する。

図１に戻り、ダイナモメータシステム１において、図２の制御回路を用いてエンジンＥを始動する方法について説明する。ダイナモメータシステム１では、その慣性モーメントの値が具体的に同定されていないエンジンＥを初めて始動させる際には、０［Ｎｍ］としたトルク指令信号と軸トルクメータ７のトルク検出信号を、図２に示す制御回路のダイナモ制御装置６に入力することによって生成されるトルク電流指令信号をインバータ３に入力しながら、エンジン制御装置５を用いてセルモータＭを用いてエンジンＥを始動（所謂、クランキング）する。

図３〜図５は、それぞれ上記エンジン始動方法によってエンジンＥを始動した場合における、始動時のエンジン回転数及び軸トルクの応答波形を示す。図３、図４、及び図５は、それぞれ慣性が０．１［ｋｇ・ｍ^２］、０．３［ｋｇ・ｍ^２］、及び０．５［ｋｇ・ｍ^２］のエンジンを用いて得られた結果である。

なお図３〜図５の結果を得るに当り、ダイナモ制御装置の制御回路で定義される複数のパラメータ（ｗＡＴＲ，Ｋｉ，ｗＨＰＦ）の値は、機械系の共振周波数及びエンジンの慣性モーメントは未知であることを想定して、以下のように設定した。すなわち、第１ゲインｗＡＴＲと応答周波数ｗＨＰＦは等しいものとした（ｗＡＴＲ＝ｗＨＰＦ）。またその具体的な値は、共振周波数は大まかには数１０Ｈｚ程度であるという経験に基づき、ｗＡＴＲ＝ｗＨＰＦ＝２×π×５［ｒａｄ／ｓ］とした。またエンジンの慣性モーメントは、概ね０．１〜０．５［ｋｇ・ｍ^２］の範囲内であるという経験に基づき、第２ゲインＫｉの値は上記式（１）に基づいて設定した。より具体的には、Ｊ１ａ＝０．１［ｋｇ・ｍ^２］、Ｊ１ｂ＝０．５［ｋｇ・ｍ^２］、Ｊ２＝０．１２［ｋｇ・ｍ^２］として、Ｋｉ＝１．６５とした。

図３〜図５の結果（図２のダイナモ制御装置を用いた場合）と、図７〜図９の結果（ダイナモメータを無制御状態とした場合）とを比較して明らかな通り、本発明によれば、エンジンとダイナモメータとを結合軸で接続しているにも関わらず、始動時におけるエンジン回転数はエンジン単体の場合とほぼ等しい。また本発明によれば、エンジンとダイナモメータとを接続する結合軸のねじれ共振が抑制され、その値も概ね０［Ｎｍ］に制御される。すなわち、図２のダイナモ制御装置を用いることにより、エンジンの慣性モーメントの値が事前に正確に把握できていなくても、無負荷状態を実現しながら（すなわち、エンジンでダイナモメータの慣性を負うことなく）、エンジン単体と同程度の始動性を得ることができる。

１…ダイナモメータシステム
３…インバータ
６…ダイナモ制御装置
６２…ゲイン演算部
６３…積分演算部
６４…ハイパスフィルタ
６５…トルク電流指令信号生成部
７…軸トルクメータ（トルク検出器）
Ｄ…ダイナモメータ
Ｅ…エンジン（供試体）
Ｓ…結合軸（軸）

Claims (5)

1. 供試体であるエンジンの出力と軸で連結されたダイナモメータと、前記軸の捩れトルクを検出するトルク検出器と、前記ダイナモメータに電力を供給するインバータと、を備えたダイナモメータシステムにおいて、前記トルク検出器のトルク検出信号及び当該トルク検出信号に対する指令に相当するトルク指令信号に基づいて前記インバータへのトルク電流指令信号を生成するダイナモメータシステムのダイナモ制御装置であって、
   前記トルク指令信号と前記トルク検出信号の差分に所定のゲインを乗算するゲイン演算部と、
   前記ゲイン演算部の出力信号を積分する積分演算部と、
   所定の応答周波数に対して高周波数側の成分のみを通過させると共に、当該応答周波数に対して低周波数側の成分を減衰させるハイパスフィルタと、
   前記積分演算部の出力信号に、前記トルク検出信号を前記ハイパスフィルタに入力して得られる出力信号を重畳することにより前記トルク電流指令信号を生成するトルク電流指令信号生成部と、を備えることを特徴とするダイナモメータシステムのダイナモ制御装置。
2. 前記ゲイン演算部は、前記トルク指令信号と前記トルク検出信号の差分に、周波数の次元を有する定数である第１ゲインと無次元の定数である第２ゲインとを乗算す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ダイナモ制御装置。
3. 前記第１ゲインは前記応答周波数と略等しい値に設定することを特徴とする請求項２に記載のダイナモメータシステムのダイナモ制御装置。
4. 前記第２ゲインは前記ダイナモメータの慣性の設計値と前記供試体の慣性の上限値及び下限値と、を用いて算出される値に設定されることを特徴とする請求項２又は３に記載のダイナモメータシステムのダイナモ制御装置。
5. 前記トルク指令信号を０として請求項１から４の何れかに記載のダイナモ制御装置を用いて生成したトルク電流指令信号を前記インバータに入力しながら、前記ダイナモメータとは別の電動機を用いて前記エンジンを始動することを特徴とするダイナモメータシステムのエンジン始動方法。