KR101784166B1 - 요동식 다이나모미터 시스템 및 그의 제어 방법 - Google Patents

Abstract

다이나모미터의 설치면을 기준으로 한 로터의 각속도를 검출하는 속도 검출기를 이용하면서, 높은 정밀도의 토크 제어가 가능한 요동식 다이나모미터 시스템을 제공한다.
요동식 다이나모미터 시스템은, 설치면에 대하여 요동 가능하게 지지된 스테이터 및 이 스테이터에 회전 가능하게 지지된 로터를 구비한 다이나모미터와, 설치면을 기준으로 한 로터의 속도를 검출하는 엔코더와, 스테이터에서 반경방향으로 연장되는 토크 암과 설치면 사이에 작용하는 하중을 검출하는 로드셀과, 엔코더의 출력(ω_DR) 및 로드셀의 출력(T_R)을 이용하여 스테이터를 기준으로 한 로터의 속도 인 스테이터 기준 속도(ω_D)를 추정하고, 이 추정된 스테이터 기준 속도(ω_D)를 이용하여 다이나모미터의 토크 제어를 수행하는 토크 제어기(5)를 구비한다.

Description

요동식 다이나모미터 시스템 및 그의 제어 방법{WOBBLE-TYPE DYNAMOMETER SYSTEM AND METHOD OF CONTROLLING SAME}

본 발명은 요동식 다이나모미터 시스템 및 그의 제어 방법에 관한 것이다.

차량이나 차량의 엔진 등의 성능을 측정하는 시험 장치로서, 샤시 다이나모미터 시스템이나 엔진 다이나모미터 시스템이 알려져 있다. 이러한 다이나모미터 시스템에는, 차량이나 엔진에 주는 부하를 발생하는 다이나모미터로서, 이를바 요동(搖動) 기구를 구비한 것이 이용되는 경우가 있다. 이하에서는, 이와 같은 요동식의 다이나모미터를 이용한 시험 장치를 특히 요동식 다이나모미터 시스템이라 한다. 요동식의 다이나모미터에서는, 로터를 회전 가능하게 지지하는 스테이터는 설치면에 대하여 고정되어 있지 않고 예를 들어 유압에 의해 부양되도록 지지되어 있으며, 설치면에 대하여 요동한다.

이와 같은 요동식 다이나모미터 시스템에서는, 그의 제어 및 계측에 관한 토크를 검출하기 위한 센서로서, 스테이터에서 연장되는 토크 암에 설치된 로드셀이 이용된다. 다이나모미터의 토크 제어기는 속도 검출기에 의해 검출되는 로터의 속도를 이용하여, 로드셀에 의해 검출되는 토크가 미리 정해진 토크 지령이 되도록 인버터의 벡터 제어를 수행한다(특허문헌 1, 2 참조).

일본 특개 2013-148485호공보 일본 특개 2013-246152호공보

그런데 벡터 제어에서는 스테이터의 회전 주파수에 대한 로터의 회전 주파수의 지연에 해당하는 「슬립(slip)」을 파악할 필요가 있다. 이와 같은 슬립을 정확하게 파악하기 위해서는, 토크 제어기에서는 요동하는 스테이터를 기준으로 한 로터의 속도를 파악할 필요가 있다. 한편, 상술한 속도 검출기는 구조상의 이유로 설치면에 대해 정지하도록 설치될 수밖에 없는 경우가 많다. 바꾸어 말하면, 종래의 속도 검출기에서는 스테이터를 기준으로 한 속도를 검출할 수 없어, 설치면을 기준으로 한 속도밖에 검출할 수 없다. 이 때문에, 종래의 요동식 다이나모미터 시스템에서는 다이나모미터의 슬립을 정확하게 파악할 수 없어, 높은 정밀도의 토크 제어에 지장이 생긴다. 이것은 암의 강성(剛性)이 낮을수록 현저해진다.

본 발명은 다이나모미터의 설치면을 기준으로 한 로터의 속도를 검출하는 속도 검출기를 이용하면서, 높은 정밀도의 토크 제어가 가능한 요동식 다이나모미터 시스템 및 그의 제어 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

(1) 본 발명에 따른 요동식 다이나모미터 시스템(예를 들어, 후술하는 다이나모미터 시스템(1))은, 설치면(예를 들어, 후술하는 설치면(6))에 대하여 요동 가능하게 지지된 스테이터(예를 들어, 후술하는 스테이터(21)) 및 상기 스테이터에 회전 가능하게 지지된 로터(예를 들어, 후술하는 로터(22))를 구비한 다이나모미터(예를 들어, 후술하는 다이나모미터(2))와, 상기 설치면을 기준으로 한 상기 로터의 속도를 검출하는 로터 속도 검출기(예를 들어, 후술하는 엔코더(29))와, 상기 스테이터에서 반경방향으로 연장되는 암(예를 들어, 후술하는 토크 암(26))과 상기 설치면 사이에 작용하는 하중을 검출하는 하중 검출기(예를 들어, 후술하는 로드셀(28))와, 상기 로터 속도 검출기 및 상기 하중 검출기의 출력(ω_DR, T_R)을 이용하여 상기 스테이터를 기준으로 한 상기 로터의 속도인 스테이터 기준 속도를 추정하고, 상기 추정된 스테이터 기준 속도(ω_D)를 이용하여 상기 다이나모미터를 제어하는 제어수단(예를 들어, 후술하는 토크 제어기(5))을 구비한다.

(2) 요동식 다이나모미터 시스템(예를 들어, 후술하는 다이나모미터 시스템(1))은, 설치면(예를 들어, 후술하는 설치면(6))에 대하여 요동 가능하게 지지된 스테이터(예를 들어, 후술하는 스테이터(21)) 및 상기 스테이터에 회전 가능하게 지지된 로터(예를 들어, 후술하는 로터(22))를 구비한 다이나모미터(예를 들어, 후술하는 다이나모미터(2))와, 상기 로터의 상기 설치면을 기준으로 한 속도를 검출하는 로터 속도 검출기(예를 들어, 후술하는 엔코더(29))와, 상기 스테이터에서 반경방향으로 연장되는 암(예를 들어, 후술하는 토크 암(26))과 상기 설치면 사이에 작용하는 하중을 검출하는 하중 검출기(예를 들어, 후술하는 로드셀(28))를 구비한다. 본 발명에 따른 요동식 다이나모미터 시스템의 제어 방법은, 상기 로터 속도 검출기 및 상기 하중 검출기의 출력(ω_DR, T_R)을 이용하여 상기 스테이터를 기준으로 한 상기 로터의 속도인 스테이터 기준 속도를 추정하고, 상기 추정된 스테이터 기준 속도(ω_D)를 이용하여 상기 다이나모미터를 제어한다.

(1) 본 발명에서는, 로터 속도 검출기에 의해 설치면을 기준으로 한 로터의 속도를 검출하고, 하중 검출기에 의해 스테이터에서 연장되는 암과 설치면 사이에 작용하는 하중을 검출한다. 그리고 제어수단은, 이러한 로터 속도 검출기 및 하중 검출기의 출력을 이용하여 스테이터를 기준으로 한 로터의 속도인 스테이터 기준 속도를 산출하고, 이 스테이터 기준 속도를 이용하여 다이나모미터를 제어한다. 본 발명에 의하면, 설치면을 기준으로 한 로터 속도 검출기를 이용하면서, 제어수단에서는 다이나모미터의 슬립을 정확하게 파악할 수 있으므로, 높은 정밀도로 다이나모미터의 토크 제어를 수행할 수 있다.

(2) 본 발명에 의하면, 상기 (1)과 동일한 이유로, 설치면을 기준으로 한 로터 속도 검출기를 이용하면서 높은 정밀도로 다이나모미터의 토크 제어를 수행할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 요동식 다이나모미터 시스템의 구성을 나타낸 도면이다.
도 2는 토크 제어기에 의한 토크 제어의 제어계 구성을 나타낸 블록도이다.
도 3은 본 발명의 실시예의 시뮬레이션 결과이다.
도 4는 비교예의 시뮬레이션 결과이다.

이하, 본 발명의 일 실시형태에 대하여 도면을 참조하면서 설명한다.

도 1은 요동식 다이나모미터 시스템(1)의 구성을 나타낸 도면이다.

요동식 다이나모미터 시스템(1)은, 요동식의 다이나모미터(2)와, 다이나모미터(2)에 전력을 공급하는 인버터(3)와, 다이나모미터(2)의 출력 토크를 제어하는 토크 제어기(5)를 구비한다.

다이나모미터(2)는 원통형의 스테이터(21)와, 이 스테이터(21) 내에 회전 가능하게 지지된 로터(22)와, 이러한 로터(22) 및 스테이터(21)로 구성되는 요동자(23)를 설치면(6)에 고정된 기대(基臺, 24) 상에서 둘레방향(周方向)을 따라 요동 가능하게 지지하는 페데스탈(pedestal, 25)과, 스테이터(21)에 발생하는 토크를 검출하는 하중 검출기로서의 로드셀(28)과, 로터(22)의 회전수를 검출하는 로터 속도 검출기로서의 엔코더(29)를 구비한다.

로터(22)에는 시험 대상인 공시체(미도시)가 접속된다. 스테이터(21)의 측부(側部)에는 반경방향을 따라 외측으로 연장되는 토크 암(26)이 설치되어 있다. 로드셀(28)은 토크 암(26)의 선단부와 설치면(6) 사이에 설치된다. 로드셀(28)은 토크 암(26)과 설치면(6) 사이에 작용하는 하중(다이나모미터(2)의 출력 토크)을 검출하고, 검출값에 대략 비례한 신호를 토크 제어기(5)에 송신한다.

엔코더(29)는 로터(22)의 회전에 따라 펄스 신호를 발생한다. 토크 제어기(5)에서는 이 엔코더(29)로부터의 펄스 신호에 기초하여 로터(22)의 각속도 또는 속도가 산출된다. 그런데 엔코더(29)는 설치면(6) 또는 설치면(6)에 대해 고정된 기대(24)에 고정되어 설치되어 있다. 엔코더(29)의 펄스 신호에 기초하여 파악되는 로터(22)의 각속도는 설치면(6)을 기준으로 한 각속도가 된다.

토크 제어기(5)는 로드셀(28) 및 엔코더(29)의 출력 신호를 이용하여, 로드셀(28)에 의해 검출되는 다이나모미터(2)의 출력 토크가 미리 정해진 토크 지령이 되도록 다이나모미터(2)의 토크 제어를 수행한다.

도 2는 토크 제어기(5)에 의한 토크 제어의 제어계 구성을 나타낸 블록도이다. 이 제어계는, 각속도 보정부(51)와, 벡터 제어부(52)와, 제어 대상인 다이나모미터 시스템(P)을 포함하여 구성된다.

도 2에서, "T_L"은 다이나모미터의 로터에 연결된 공시체를 구동함으로써, 로터에 발생하는 토크(이하, 「공시체 토크」라 함)이다. "T_D"는 다이나모미터의 출력 토크(이하, 「다이나모미터 토크」라 함)이다. "T_{D_REF}"는 토크 지령이며, 상기 다이나모미터 토크에 대한 지령값에 해당한다. "T_R"은 로드셀의 검출 토크이며, 다이나모미터의 실제 출력 토크에 해당한다.

"J_R"은 로터의 관성 모멘트이고, "J_S"는 스테이터의 관성 모멘트이다. "K"는 토크 암의 강성을 나타내는 상수이고, "D"는 토크 암의 감쇠 상수이다. 이러한 상수 K, D의 값은 토크 암의 형상이나 재질 등에 의해 정해지는 값이며, 실험을 행함으로써 특정할 수 있다. "ω_DR"은 엔코더의 출력이며, 설치면을 기준으로 한 로터의 각속도에 해당한다. "ω_DS"는 설치면을 기준으로 한 스테이터의 각속도이다. "ω_D"는 각속도 보정부(51)의 출력이며, 후술하는 바와 같이 스테이터를 기준으로 한 로터의 각속도에 해당한다.

도 2에 나타낸 바와 같이, 공시체에 접속된 로터에는 공시체 토크 T_L과 다이나모미터 토크 T_D를 합산한 토크가 작용한다. 이 작용 하에 로터는 각속도 ω_DS로 회전한다.

한편, 로터를 회전 가능하게 지지하는 스테이터는, 반작용으로서 로터와는 역방향의 다이나모미터 토크 T_D가 작용한다. 또한, 도 1을 참조하여 설명한 바와 같이, 스테이터는 요동 가능하게 지지되어 있는 동시에, 토크 암 및 로드셀을 통해 설치면에 구속되어 있다. 따라서, 스테이터가 요동하면 스테이터에는 이 요동을 억제하려고 하는 토크가 작용한다. 그리고 이 스테이터의 요동을 억제하려고 하는 토크의 크기는 로드셀의 검출 토크 T_R과 동일하다. 따라서, 스테이터에는 로드셀의 검출 토크 T_R에서 동력계 토크 T_D를 감산한 토크가 작용하고, 이 작용 하에 스테이터는 각속도 ω_DS로 요동한다.

또한, 도 2에 나타낸 바와 같이, 로드셀의 검출 토크 T_R은 토크 암의 강성을 나타내는 상수 K와 감쇠 상수 D와 스테이터의 각속도 ω_DS를 이용하면, 하기 식 (1)로 표현된다. 하기 식에서 "s"는 라플라스 연산자이다.

[수학식 1]

(1)

각속도 보정부(51)는 로드셀의 검출 토크 T_R을 이용하여, 설치면을 기준으로 한 로터의 각속도 ω_DR(즉, 엔코더의 출력에 해당)을 보정해서, 스테이터를 기준으로 한 로터의 각속도 ω_D를 산출한다.

상술한 바와 같이, 로드셀의 검출 토크 T_R은 토크 암을 특징짓는 강성 상수 K 및 감쇠 상수 D와, 설치면을 기준으로 한 스테이터의 각속도 ω_DS를 이용하여 산출할 수 있다. 따라서, 상기 식 (1)을 역으로 풀음으로써 설치면을 기준으로 한 스테이터의 각속도에 대한 추정값 ω_{DS _hat}의 연산식이 얻어진다(하기 식 (2) 참조).

[수학식 2]

(2)

각속도 보정부(51)는 설치면을 기준으로 한 로터의 각속도 ω_DR에서 설치면을 기준으로 한 스테이터의 각속도의 추정값 ω_{DS _hat}을 감산함으로써, 스테이터를 기준으로 한 로터의 각속도 ω_D를 산출한다(하기 식 (3) 참조).

[수학식 3]

(3)

벡터 제어부(52)는 로드셀의 검출 토크 T_R이 도시되지 않은 처리에 의해 정해진 토크 지령 T_{D_REF}가 되도록, 상기 각속도 보정부(51)에 의해 산출된 로터의 각속도 ω_D를 이용하여 인버터의 벡터 제어를 수행한다.

다음으로, 도 3 및 도 4를 참조하면서, 이상과 같은 요동식 다이나모미터 시스템의 효과에 대해 설명한다.

도 3은 엔코더에 의해 검출된 각속도를 각속도 보정부에 의해 보정하고, 이 보정된 각속도를 이용하여 토크 제어를 수행한 경우(이하, 단지 「실시예」라 함)의 시뮬레이션 결과이다.

도 4는 상술한 바와 같은 보정을 거치지 않고 엔코더에 의해 검출된 각속도를 그대로 이용하여 토크 제어를 수행한 경우(이하, 단지 「비교예」라 함)의 시뮬레이션 결과이다.

이러한 도 3 및 도 4에 나타낸 시뮬레이션에서는, 시각 0.1[s] 부근에서 토크 지령을 0부터 스텝 형상으로 변화시켰을 때의 다이나모미터의 출력 토크(로드셀의 검출 토크)의 변화를 측정하였다. 이 시뮬레이션에서는 다이나모미터로서 유도기를 이용하고, 슬립 주파수형(周波數型) 벡터 제어에 의해 토크 제어를 수행하였다.

비교예에서는 설치면을 기준으로 한 로터의 각속도를 벡터 제어에 이용하고 있기 때문에, 스테이터가 요동하면 토크 제어에 동요가 생긴다. 이 때문에, 도 4에 나타낸 바와 같이, 스텝 형상으로 변화하는 토크 지령에 대해, 다이나모미터의 출력 토크는 오버슈트(overshoot) 또는 진동적인 거동을 나타낸다.

실시예에서는 엔코더에 의해 검출되는 각속도를 보정하여 스테이터를 기준으로 한 로터의 각속도를 산출하고, 이를 벡터 제어에 이용하고 있다. 이 때문에, 도 3과 도 4를 비교하여 알 수 있듯이, 다이나모미터의 출력 토크의 변동은 비교예보다 작게 억제된다. 즉, 실시예에 의하면, 설치면을 기준으로 한 로터의 각속도를 검출하는 엔코더를 이용하면서, 높은 정밀도의 토크 제어가 가능하다는 것이 밝혀졌다.

1: 다이나모미터 시스템
2: 다이나모미터
21: 스테이터
22: 로터
26: 토크 암
28: 로드셀(하중 검출기)
29: 엔코더(로터 속도 검출기)
5: 토크 제어기(제어수단)
6: 설치면

Claims (2)

1. 설치면(6)에 대하여 요동 가능하게 지지된 스테이터(21) 및 상기 스테이터(21)에 회전 가능하게 지지된 로터(22)를 구비한 다이나모미터(2);
   상기 설치면(6)을 기준으로 한 상기 로터(22)의 속도(ω_DR)를 검출하는 로터 속도 검출기(29); 및
   상기 스테이터(21)에서 반경방향으로 연장되는 암(26)과 상기 설치면(6) 사이에 작용하는 하중(T_R)을 검출하는 하중 검출기(28)를 구비한 요동식 다이나모미터 시스템(1)으로서,
   상기 로터 속도 검출기(29)에 의해 검출되는 상기 로터(22)의 속도(ω_DR)에서, 상기 하중 검출기(28)의 출력(T_R)에 기초하여 산출되는 상기 설치면(6)을 기준으로 한 상기 스테이터(21)의 속도(ω_DS)를 감산함으로써, 상기 스테이터(21)를 기준으로 한 상기 로터(22)의 속도인 스테이터 기준 속도(ω_D)를 추정하고, 상기 추정된 스테이터 기준 속도(ω_D)를 이용하여 상기 다이나모미터(2)를 제어하는 제어수단(5)을 구비하는 것을 특징으로 하는 요동식 다이나모미터 시스템.
   
2. 설치면(6)에 대하여 요동 가능하게 지지된 스테이터(21) 및 상기 스테이터(21)에 회전 가능하게 지지된 로터(22)를 구비한 다이나모미터(2);
   상기 로터(22)의 상기 설치면(6)을 기준으로 한 속도(ω_DR)를 검출하는 로터 속도 검출기(29); 및
   상기 스테이터(21)에서 반경방향으로 연장되는 암(26)과 상기 설치면(6) 사이에 작용하는 하중(T_R)을 검출하는 하중 검출기(28)를 구비한 요동식 다이나모미터 시스템(1)의 제어 방법으로서,
   상기 로터 속도 검출기(29)에 의해 검출되는 상기 로터(22)의 속도(ω_DR)에서, 상기 하중 검출기(28)의 출력(T_R)에 기초하여 산출되는 상기 설치면(6)을 기준으로 한 상기 스테이터(21)의 속도(ω_DS)를 감산함으로써, 상기 스테이터(21)를 기준으로 한 상기 로터(22)의 속도인 스테이터 기준 속도(ω_D)를 추정하고, 상기 추정된 스테이터 기준 속도(ω_D)를 이용하여 상기 다이나모미터(2)를 제어하는 것을 특징으로 하는 요동식 다이나모미터 시스템의 제어 방법.

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