CN104380067A - 测力计系统的控制装置 - Google Patents

Abstract

提供能够实施高响应并且稳定的控制的测力计系统的控制装置。测力计的控制装置5A具备：转矩控制装置6，根据负荷传感器的输出信号LC_det，输出转矩指令信号；以及固有振动抑制电路7，对转矩指令信号进行校正以抑制摇杆的固有振动，并且作为控制输入信号输入到逆变器。固有振动抑制电路7具备：微分补偿器71，对在观测器运算部8A的振动输出运算部81A中使用2次延迟标准形的近似公式而计算出的负荷传感器的近似信号Pmdl_det实施微分运算；以及减法器72，通过从转矩指令信号Tdy_ref减去微分补偿器71的输出信号来校正转矩指令信号。

Description

测力计系统的控制装置

技术领域

本发明涉及测力计系统的控制装置。

背景技术

在搭载了摇动式的测力计的引擎测力计系统、底盘测力计系统中，作为用于检测与其控制以及测量有关的转矩的传感器，使用负荷传感器(load cell)。负荷传感器经由从摇杆延伸的转矩臂检测对测力计的摇杆作用的转矩(参照专利文献1)。在这样的构造上，关于负荷传感器的输出信号，除了实际上由测力计检测的转矩以外，还重叠了与摇杆的固有振动相伴的转矩变动分量，但该变动分量是在系统的控制、测量中本来不需要的分量。因此，以往，提出了从负荷传感器的输出信号去除不需要的转矩变动分量的技术(参照专利文献1以及2)。

在专利文献1以及2的技术中，在摇杆、转矩臂中，在负荷传感器之外另行设置了加速度传感器，按照规定的步骤合成该加速度传感器的输出信号和负荷传感器的输出信号，从而从负荷传感器的输出信号去除与摇杆的固有振动相伴的变动。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2006-184135号公报

专利文献2：日本特开昭58-90135号公报

专利文献3：日本特开平1-138836号公报

发明内容

发明所要解决的技术问题

如以上那样，在具备摇动式的测力计的以往的系统中，关于负荷传感器的输出信号中包含的变动分量，作为与摇杆的固有振动相伴的噪声而将其去除的情况较多。但是，在以往的系统中，由于没有抑制摇杆的固有振动自身，所以特别在想要提高控制响应时，有由于起因于该固有振动的共振而产生振荡、发散等不稳定现象的担心。因此，在以往的摇动式的测力计系统中，高响应并且稳定的控制是困难的。

本发明的目的在于提供一种能够实施高响应并且稳定的控制的测力计系统的控制装置。

解决技术问题的技术方案

(1)为了达成上述目的，本发明提供一种测力计系统(例如后述测力计系统1)的控制装置(例如后述的控制装置5、5A、5B、5C、5D)，该测力计系统具备：摇动式的测力计(例如后述测力计2)，与负荷连接；逆变器(例如后述逆变器3)，对该测力计供给电力；以及负荷传感器(例如后述负荷传感器26)，经由从所述测力计的摇杆延伸的转矩臂(例如后述转矩臂27)检测在该摇杆产生的转矩。其特征在于，该控制装置具备：主控制装置(例如后述转矩控制装置6)，根据所述负荷传感器的输出信号，输出主信号(Tdy_ref)；以及固有振动抑制单元(例如后述固有振动抑制电路7)，对所述主信号进行校正以抑制所述摇杆的固有振动，并且作为控制输入信号(Tdy_ref’)输入到所述逆变器，所述固有振动抑制单元具备：微分补偿器(例如后述微分补偿器71)，对所述负荷传感器的输出信号(LC_det)或者使用规定的近似公式而计算出的所述负荷传感器的近似信号(Pmdl_det)实施微分运算；以及减法器(例如后述减法器72)，通过从所述主信号减去所述微分补偿器的输出信号来校正该主信号。

(1)在具备摇杆的测力计中，从向逆变器的输入到负荷传感器的输出的传递函数通过2次延迟标准形而被近似地表现，但在本发明中，通过用微分补偿器校正向这样的控制对象的控制输入信号，能够以抑制摇杆的固有振动的方式对控制对象提供倾斜(Dumping)。在本发明的控制装置中，通过设置具备这样的微分补偿器的固有振动抑制单元，能够抑制摇杆的固有振动自身，甚至从负荷传感器的输出信号去除不需要的转矩变动分量。因此，根据本发明，不用在机械装置中设置以往必要的加速度传感器就能够从负荷传感器得到稳定的输出信号。另外，通过利用这样的固有振动抑制单元抑制摇杆的固有振动，能够在主控制装置中实施稳定并且高响应的测力计的控制。

(2)在该情况下，所述控制装置还具备：振动输出运算部(例如后述振动输出运算部81A)，将输入到所述逆变器的控制输入信号或者与其成比例的信号与规定的反馈信号之和作为输入，根据对从所述逆变器的输入至所述负荷传感器的输出通过规定的倾斜系数以及所述摇杆的固有振动频率而附加特征的近似公式，输出所述近似信号；延迟补偿器(例如后述延迟补偿器82A、82B)，具备使所述近似信号延迟规定的浪费时间的浪费时间延迟要素(例如后述e^-Lmdl·s)；以及偏差补偿器(例如后述偏差补偿器83A)，以使所述延迟补偿器的输出信号(LCmcl_det)与所述负荷传感器的输出信号(LC_det)的偏差(err)成为最小的方式，向所述振动输出运算部输出所述反馈信号，所述微分补偿器将输入到所述延迟补偿器的所述近似信号作为输入。

(2)在从逆变器的输入到负荷传感器的输出的系统中，包含各种延迟。在本发明中，设置根据以摇杆的固有振动频率以及倾斜系数为特征的近似公式而输出近似信号的振动输出运算部，而且，将通过延迟补偿器以及偏差补偿器实施规定的浪费时间量的相位超前补偿而得到的近似信号输入到微分补偿器，从而能够在降低干扰以及延迟的影响的同时更可靠地抑制摇杆的固有振动。

(3)在该情况下，所述延迟补偿器被构成为连接所述浪费时间延迟要素(例如后述e^-Lmdl·s)、和从所述近似信号去除噪声的低通滤波器要素(例如后述P_{F_mdl}(s))。

(3)有时在从逆变器的输入到负荷传感器的输出的系统中，设置用于去除高频的频率区域的噪声的滤波器。在本发明中，通过连接浪费时间延迟要素以及低通滤波器要素来构成延迟补偿器，能够将浪费时间量的相位超前补偿、以及补偿实际的负荷传感器的检测特性而得到的近似信号输入到微分补偿器。由此，能够更可靠地抑制摇杆的固有振动。

(4)在该情况下，优选的是，所述控制装置还具备：比例要素(例如后述比例要素84C)，对输入到所述逆变器的控制输入信号乘以规定的系数；以及加法器(例如后述加法器85C)，将该比例要素的输出信号与所述反馈信号之和输入到所述振动输出运算部。

(4)有时在从逆变器的输入至负荷传感器的输出的系统中，为了将其直流增益特性校正为适当的特性，将对控制输入信号乘以规定的系数而得到的信号输入到逆变器。在本发明中，通过将对输入到逆变器的控制输入信号乘以规定的系数而得到的结果与反馈信号之和输入到振动输出运算部，能够将考虑了上述直流增益特性的校正的近似信号输入到微分补偿器。由此，能够更可靠地抑制摇杆的固有振动。

(5)在该情况下，将ωn设为所述摇杆的固有振动频率，将ζ设为倾斜系数，将s设为拉普拉斯算子，用下述传递函数P_mdl(s)来定义所述近似公式，将K设为大于0且小于1的任意的常数，将1/G_LPF(s)设为相对次数1以上的任意的传递函数，用具有伪微分特性的下述传递函数H_LPF(s)来定义关于所述微分补偿器的传递函数。

[式1]

$P_{\mathrm{mdl}}\left(s\right)=\frac{\mathrm{\ω}{n}^2}{s^2+2\·\mathrm{\ζ}\·\mathrm{\ωn}\·s+\mathrm{\ω}{n}^2}---(1-1)$

$H_{\mathrm{LPF}}\left(s\right)=\frac{2\·K\·s}{\mathrm{\ωn}}\·\frac{1}{G_{\mathrm{LPF}}\left(s\right)}---(1-2)$

(5)关于将上述P_mdl(s)和H_LPF(s)反馈结合而构成的系统的闭环传递函数G(s)，如果将为了降低高频率域中的检测噪声而导入的1/G_LPF(s)近似地设为1，则如下述式(2)所示。因此，根据本发明，通过调整微分补偿器的系数K的大小，能够以抑制固有振动频率中的共振点的方式，容易地实现优选的频率响应特性。

[式2]

$G\left(s\right)=\frac{\mathrm{\ω}{n}^2}{s^2+2\·(\mathrm{\ζ}+K)\·\mathrm{\ωn}\·s+\mathrm{\ω}{n}^2}---\left(2\right)$

发明效果

根据本发明，不用在机械装置中设置加速度传感器就能够从负荷传感器得到稳定的输出信号。另外，通过利用这样的固有振动抑制单元来抑制摇杆的固有振动，能够在主控制装置中实施稳定并且高响应的测力计的控制。

附图说明

图1是示意地示出本发明的一个实施方式的测力计系统的结构的图。

图2是示出实施例1的控制装置的结构的框图。

图3是示出从向逆变器的输入到负荷传感器的输出的传递函数的阶跃响应例的图。

图4是闭环传递函数的波特线图。

图5是示出实施例2的控制装置的结构的框图。

图6是示出实施例3的控制装置的结构的框图。

图7是示出实施例4的控制装置的结构的框图。

图8是示出实施例5的控制装置的结构的框图。

符号说明

1：测力计系统；2：测力计；23：摇杆；26：负荷传感器；27：转矩臂；3：逆变器；5、5A、5B、5C、5D：控制装置；6：转矩控制装置(主控制装置)；7：固有振动抑制电路(固有振动抑制单元)；71：微分补偿器；72：减法器；8A、8B、8C、8D：观测器运算部；81A：振动输出运算部；82A、82B：延迟补偿器；83A：偏差补偿器；84C：比例要素；85C：加法器。

具体实施方式

以下，参照附图，对本发明的一个实施方式进行说明。

图1是示意地示出摇动式的测力计系统1的结构的图。

系统1构成为包括：摇动式的测力计2、将与转矩电流指令信号对应的电力供给到测力计2的逆变器3、以及它们的未图示的控制装置。

测力计2具备圆筒状的定子21、被该定子21可旋转地支撑的转子22、在基台24上可摇动地支撑由这些定子21以及转子22构成的摇杆23的基座25、和检测在摇杆23中产生的转矩的负荷传感器26。

在转子22的旋转轴上，连接了未图示的负荷。在摇杆23中，设置了大致水平地延伸的转矩臂27。负荷传感器26设置于基台24上。另外，转矩臂27和负荷传感器26经由在转矩臂27的前端部设置的连结部件28而连接。如果来自负荷的驱动力传递到旋转轴，则在转子22中产生转矩而作为其反作用在定子21中产生转矩。经由转矩臂27以及连结部件28，由负荷传感器26检测在这些摇杆23中产生的转矩。

以下，关于具备负荷传感器26的测力计系统1的控制装置的结构，针对每个实施例进行说明。

实施例1

图2是示出实施例1的测力计系统的控制装置5的结构的框图。

在图2中，控制对象9构成为包括参照图1而说明了的逆变器、测力计、以及负荷传感器等。控制装置5具备图2所示的控制系统中的构成主循环的作为主控制装置的转矩控制装置6、和构成副回路的固有振动抑制电路7。

转矩控制装置6根据负荷传感器的输出信号LC_det及其目标值LC_det_trgt等输入，输出转矩电流指令信号Tdy_ref。另外，作为主控制装置，只要是输出作为控制输入信号的转矩电流指令信号Tdy_ref，则不限于控制转矩，也可以置换为控制位置、速度、行驶阻力等。

固有振动抑制电路7以抑制测力计的摇杆的固有振动的方式校正转矩电流指令信号Tdy_ref，将其作为控制输入信号Tdy_ref’输入到控制对象9。固有振动抑制电路7具备：微分补偿器71，对负荷传感器的输出信号LC_det实施微分运算；以及减法器72，通过从转矩控制装置6的转矩电流指令信号Tdy_ref减去微分补偿器71的输出信号，来校正转矩电流指令信号Tdy_ref。

图3是示出从向逆变器的输入到负荷传感器的输出的传递函数P(s)的阶跃响应例的图。如图3所示，负荷传感器的输出信号，根据摇杆的固有振动而表示振动性的行为。因此，通过摇杆的固有振动频率ωn以及倾斜系数ζ，用如下述式(3)所示那样的2次延迟标准形来近似该传递函数P(s)。

[式3]

$P\left(s\right)=\frac{\mathrm{LC}\_\det }{\mathrm{Tdy}\_{\mathrm{ref}}^{\′}}=\frac{\mathrm{\ω}{n}^2}{s^2+2\·\mathrm{\ζ}\·\mathrm{\ωn}\·s+\mathrm{\ω}{n}^2}---\left(3\right)$

另外，如果将微分补偿器71的传递函数设为H(s)，则输入Tdt_ref与输出LC_det之比、即闭环传递函数G(s)如下述式(4)所示。

[式4]

$G\left(s\right)=\frac{\mathrm{LC}\_\det }{\mathrm{Tdy}\_\mathrm{ref}}=\frac{P\left(s\right)}{1+P\left(s\right)\·H\left(s\right)}=\frac{\mathrm{\ω}{n}^2}{s^2+2\·\mathrm{\ζ}\·\mathrm{\ωn}\·s+\mathrm{\ω}{n}^2+H\left(s\right)\·\mathrm{\ω}{n}^2}---\left(4\right)$

此时，如果通过任意的系数K(例如0<K<1)以及固有振动频率ωn，如下述式(5-1)那样定义微分补偿器71的传递函数H(s)，则对于传递函数G(s)导出下述式(5-2)。

[式5]

$H\left(s\right)=\frac{2\&CenterDot;K\&CenterDot;s}{\mathrm{\&omega;n}}---(5-1)$

$G\left(s\right)=\frac{\mathrm{\&omega;}{n}^2}{s^2+2\&CenterDot;(\mathrm{\&zeta;}+K)\&CenterDot;\mathrm{\&omega;n}\&CenterDot;s+\mathrm{\&omega;}{n}^2}=\frac{\mathrm{\&omega;}{n}^2}{s^2+2\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;\&zeta;}\&CenterDot;\mathrm{\&omega;n}\&CenterDot;s+\mathrm{\&omega;}{n}^2}---(5-2)$

上述式(5-2)意思是，通过设置微分补偿器71，能够以抑制ωn的固有振动的方式对控制对象9提供倾斜。因此，根据本实施例的控制装置5，设置微分补偿器71，而且将其系数K的值在0至1的范围内调整为适合的值，从而能够调整倾斜项的系数Δζ，抑制摇杆的固有振动(参照图4的波特线图)。

另外，微分补偿器71的传递函数不限于用上述式(5-1)定义那样的具有完全微分特性的传递函数H(s)。另外，关于微分补偿器71的传递函数，为了降低高频的频率频带中的检测噪声，也可以使用用下述式(6)定义那样的具有伪微分特性的传递函数H_LPF(s)。在下述式(6)中，传递函数1/G_LPF(s)是相对次数1以上的任意的函数。

[式6]

$H_{\mathrm{LPF}}\left(s\right)=\frac{2\&CenterDot;K\&CenterDot;s}{\mathrm{\&omega;n}}\&CenterDot;\frac{1}{G_{\mathrm{LPF}}\left(s\right)}---\left(6\right)$

实施例2

图5是示出实施例2的测力计的控制装置5A的结构的框图。

本实施例的控制装置5A相比于实施例1的控制装置5，在还具备观测器运算部8A这点上不同。在以下的控制装置5A的说明中，对与实施例1的控制装置5相同的结构附加同一符号，省略其说明。

观测器运算部8A具备振动输出运算部81A、延迟补偿器82A、以及偏差补偿器83A。

振动输出运算部81A将输入到逆变器的转矩电流指令信号Tdy_ref’与从偏差补偿器83A输出的后述反馈信号之和作为输入，根据下述式(7)所示的近似公式，输出近似信号Pmdl_det。从振动输出运算部81A输出的近似信号Pmdl_det被输入到延迟补偿器82A以及微分补偿器71。

[式7]

$P_{\mathrm{mdl}}\left(s\right)=\frac{\mathrm{\&omega;}{n}^2}{s^2+2\&CenterDot;\mathrm{\&zeta;}\&CenterDot;\mathrm{\&omega;n}\&CenterDot;s+\mathrm{\&omega;}{n}^2}---\left(7\right)$

延迟补偿器82A具备使近似信号Pmdl_det延迟规定的浪费时间Lmdl的浪费时间延迟要素e^-Lmdl·s。

偏差补偿器83A以使从延迟补偿器82A的输出信号LCmdl_det减去负荷传感器的输出信号LC_det而得到的偏差err成为最小的方式，输出反馈信号。关于该偏差补偿器83A的传递函数F(s)，例如，将系数KG设为调整增益(0<KG<1)，将1/F_LPF(s)设为相对次数1以上的任意的传递函数，用下述式(8)表示。

[式8]

$F\left(s\right)=\mathrm{KG}\&CenterDot;\frac{1}{F_{\mathrm{LPF}}\left(s\right)}---\left(8\right)$

如图5所示，在控制对象9A中有与浪费时间L相当的延迟时，通过设置上述那样的振动输出运算部81A以及延迟补偿器82A，能够向微分补偿器71输入对负荷传感器输出LC_det实施了浪费时间量的相位超前补偿而得到的近似信号Pmdl_det。另外，如果从负荷侧对控制对象9A施加了干扰转矩Dis，则该干扰的影响经由偏差err被输入到振动输出运算部81A。因此，根据本实施例的控制装置5A，能够在降低干扰以及延迟的影响的同时可靠地抑制摇杆的固有振动。

实施例3

图6是示出实施例3的测力计系统的控制装置5B的结构的框图。

本实施例的控制装置5B相比于实施例2的控制装置5A，观测器运算部8B的结构不同。在以下的控制装置5B的说明中，对与实施例2的控制装置5B相同的结构，附加同一符号，省略其说明。

观测器运算部8B的延迟补偿器82B构成为连接使近似信号Pmdl_det延迟规定的浪费时间Lmdl的浪费时间延迟要素e^-Lmdl·s、和从近似信号Pmdl_det去除噪声的低通滤波器要素P_{F_mdl}(s)。

有时在控制对象9B中设置用于去除高频的频率区域的噪声的滤波器P_F(s)。根据本实施例，通过连接浪费时间延迟要素e^-Lmdl·s以及低通滤波器要素P_{F_mdl}(s)而构成延迟补偿器82B，能够将浪费时间量的相位超前补偿、以及补偿具备滤波器的实际的负荷传感器的检测特性而得到的近似信号Pmdl_det输入到微分补偿器71。由此，能够更可靠地抑制摇杆的固有振动。

实施例4

图7是示出实施例4的测力计系统的控制装置5C的结构的框图。

本实施例的控制装置5C相比于实施例2的控制装置5A，观测器运算部8C的结构不同。在以下的控制装置5C的说明中，对与实施例2的控制装置5A相同的结构，附加同一符号，省略其说明。

有时在输入到逆变器的转矩电流指令与实际上产生的转矩之间产生轻微且稳定的偏移。因此，有时在实际的测力计系统中，为了消除该偏移而校正直流增益特性。在考虑该直流增益特性的校正时，关于从向逆变器的输入到负荷传感器的输出的传递函数Pdc(s)，导入系数KC，代替上述式(3)而用下述式(9)来近似。

[式9]

$\mathrm{Pdc}\left(s\right)=\frac{\mathrm{LC}\_\det }{\mathrm{Tdy}\_{\mathrm{ref}}^{\&prime;}}=\frac{\mathrm{Kdc}\&CenterDot;\mathrm{\&omega;}{n}^2}{s^2+2\&CenterDot;\mathrm{\&zeta;}\&CenterDot;\mathrm{\&omega;n}\&CenterDot;s+\mathrm{\&omega;}{n}^2}---\left(9\right)$

观测器运算部8C为了补偿该直流增益特性，还具备对控制输入信号Tdy_ref’乘以直流增益Kdc的比例要素84C。加法器85C将该比例要素84C的输出信号与来自偏差补偿器83A的反馈信号之和输入到振动输出运算部81A。

根据本实施例，通过将乘以直流增益Kdc而得到的控制输入信号Tdy_ref’输入到振动输出运算部81A，能够将实施浪费时间的相位超前补偿、直流增益特性补偿而得到的近似信号Pmdl_det输入到微分补偿器71。由此，能够更可靠地抑制摇杆的固有振动。

实施例5

图8是示出实施例5的测力计系统的控制装置5D的结构的框图。

本实施例的控制装置5D相比于实施例4的控制装置5C，观测器运算部8C的结构不同。在以下的控制装置5D的说明中，对与实施例4的控制装置5C相同的结构，附加同一符号，省略其说明。

观测器运算部8D的延迟补偿器82B构成为连接使近似信号Pmdl_det延迟规定的浪费时间Lmdl的浪费时间延迟要素e^-Lmdl·s、和从近似信号Pmdl_det去除噪声的低通滤波器要素P_{F_mdl}(s)。

根据本实施例，能够将实施浪费时间量的相位超前补偿、实际的负荷传感器的检测特性补偿、以及直流增益特性补偿而得到的近似信号Pmdl_det输入到微分补偿器71。由此，能够更可靠地抑制摇杆的固有振动。

Claims (5)

1.一种测力计系统的控制装置，具备：

摇动式的测力计，与负荷连接；

逆变器，对该测力计供给电力；以及

负荷传感器，经由从所述测力计的摇杆延伸的转矩臂，检测在该摇杆产生的转矩，

所述测力计系统的控制装置的特征在于，具备：

主控制装置，根据所述负荷传感器的输出信号，输出主信号；以及

固有振动抑制单元，对所述主信号进行校正以抑制所述摇杆的固有振动，并且作为控制输入信号输入到所述逆变器，

所述固有振动抑制单元具备：

微分补偿器，对所述负荷传感器的输出信号或者使用规定的近似公式而计算出的所述负荷传感器的近似信号实施微分运算；以及

减法器，通过从所述主信号减去所述微分补偿器的输出信号来校正该主信号。

2.根据权利要求1所述的测力计系统的控制装置，其特征在于，还具备：

振动输出运算部，将输入到所述逆变器的控制输入信号或者与其成比例的信号与规定的反馈信号之和作为输入，根据对从所述逆变器的输入至所述负荷传感器的输出通过规定的倾斜系数以及所述摇杆的固有振动频率而附加特征的近似公式，输出所述近似信号；

延迟补偿器，具备使所述近似信号延迟规定的浪费时间的浪费时间延迟要素；以及

偏差补偿器，以使所述延迟补偿器的输出信号与所述负荷传感器的输出信号的偏差成为最小的方式，向所述振动输出运算部输出所述反馈信号，

所述微分补偿器将输入到所述延迟补偿器的所述近似信号作为输入。

3.根据权利要求2所述的测力计系统的控制装置，其特征在于，

所述延迟补偿器被构成为连接所述浪费时间延迟要素、和从所述近似信号去除噪声的低通滤波器要素。

4.根据权利要求2或者3所述的测力计系统的控制装置，其特征在于，还具备：

比例要素，对输入到所述逆变器的控制输入信号乘以规定的系数；以及

加法器，将该比例要素的输出信号与所述反馈信号之和输入到所述振动输出运算部。

5.根据权利要求2至4中的任意一项所述的测力计系统的控制装置，其特征在于，

将ωn设为所述摇杆的固有振动频率，将ζ设为倾斜系数，将s设为拉普拉斯算子，用下述传递函数P_mdl(s)来定义所述近似公式，

将K设为大于0且小于1的任意的常数，将1/G_LPF(s)设为相对次数1以上的任意的传递函数，用具有伪微分特性的下述传递函数H_LPF(s)来定义所述微分补偿器的传递函数，

[式1]

$H_{\mathrm{LPF}}\left(s\right)=\frac{2\&CenterDot;K\&CenterDot;s}{\mathrm{\&omega;n}}\&CenterDot;\frac{1}{G_{\mathrm{LPF}}\left(s\right)}---(1-2).$