JP2009145364A - 動力伝達系の試験装置とその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】動力源を含む動力伝達系に対し適正なダイナモメータの発生トルクを与えて試験を行うことを可能とする。
【解決手段】ダイナモメータと、動力伝達系とダイナモメータとを接続する軸と、ダイナモメータの実速度ωを検出する速度検出手段と、発生トルクを制御するトルク指令値をダイナモメータに出力する制御手段５とを備え、制御手段５は、一慣性系をモデルとしてダイナモメータの速度を推定し実速度ωとの偏差にオブザーバゲインを積算して軸トルクを推定する軸トルク推定手段６と、推定された軸トルク並びに予め設定されたダイナモメータ側の慣性量Ｊ_Ｌ及び模擬する慣性量の目標値ＪＸに基づいてトルク指令値を演算してダイナモメータに出力するトルク指令値演算部とを有し、軸トルク推定手段６は、推定された軸トルクの値とトルク指令値との偏差及びダイナモメータ側の慣性量に基づいてダイナモメータの速度を推定する動力伝達系の試験装置を提供する。
【選択図】図３

Description

本発明は、動力伝達系の試験装置とその制御方法に関する。

従来、動力伝達系の試験装置としては、例えば、特許文献１に開示されているものがある。
この試験装置は、車両の性能試験や耐久試験を室内で行うために動力伝達系に動力吸収手段として接続されるダイナモメータを備え、該ダイナモメータの発生トルクを制御することにより、動力伝達系に、実際の車両と等価な慣性を負荷して、実車走行を模擬した試験を可能としている。

特許第３１５８４６１号公報

しかしながら、特許文献１に示す試験装置においては、ダイナモメータの発生トルクを制御するために、ダイナモメータの速度を検出し、その速度の微分値を計算することにより、ダイナモメータの加速度を求めている。このため、得られるダイナモメータの加速度値にノイズが発生しやすく高精度にダイナモメータの発生トルクを制御することが困難であった。

また、ダイナモメータの速度検出をエンコーダやレゾルバのような位置検出手段によって行う場合には、ダイナモメータの加速度値を得るために、検出した位置情報を２階微分しなければならず、さらに精度が低下するという問題がある。
これらの場合に、検出期間を長くすれば、ある程度の精度・分解能の向上を図ることができるものの、検出に遅れを生ずることになるので、好ましくない。
また、ダイナモメータの出力軸にトルク変換器を取り付けることにより、発生トルクを直接的に検出することも考えられるが、軸の剛性等の影響によって過渡的に振動や誤差が発生する等の問題も考えられる。

一方、試験対象となる装置、例えば、車両（供試体側）の慣性量が制御時に必要となる。この場合、エンジン、トランスミッション、ディファレンシャルギア等は慣性量が不明なことが多い。
また、トランスミッション等、ギアのかけかえをするものは、車両（供試体側）とダイナモメータとを接続する軸から見た車両（供試体側）の慣性量が変化するために、制御設定を切り替えることが必要となるが、制御設定のタイミングが難しく、また制御遅れが問題となる。
このように、車両（供試体側）の慣性量を正確に把握し、これに基づいてダイナモメータの発生トルクを制御することは困難である。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、供試体側の慣性量が判らなくても、動力源を含む動力伝達系に対して、適正なダイナモメータの発生トルクを与えて試験を行うことを可能とする動力伝達系の試験装置とその制御方法を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、動力源を含む動力伝達系の試験装置であって、前記動力伝達系に接続されたダイナモメータと、前記動力伝達系と前記ダイナモメータとを接続する軸と、前記ダイナモメータの実速度を検出する速度検出手段と、前記ダイナモメータの前記軸に対する発生トルクを制御するトルク指令値を前記ダイナモメータに出力する制御手段とを備え、前記制御手段は、一慣性系をモデルとして前記ダイナモメータの速度を推定し、その推定速度と前記実速度との偏差にオブザーバゲインを積算することにより、前記軸の軸トルクを推定する軸トルク推定手段と、該推定された軸トルク、並びに、予め設定された前記ダイナモメータ側の慣性量及び模擬する慣性量の目標値に基づいて前記トルク指令値を演算し、該トルク指令値を前記ダイナモメータに出力するトルク指令値演算部とを有し、前記軸トルク推定手段は、前記推定された軸トルクの値と前記ダイナモメータに入力された前記トルク指令値との偏差及び前記ダイナモメータ側の慣性量に基づいて前記ダイナモメータの速度を推定することを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、動力伝達系の動力源を模擬して前記動力伝達系に接続されたダイナモメータと、前記動力伝達系と前記ダイナモメータとを接続する軸と、前記ダイナモメータの実速度を検出する速度検出手段と、前記ダイナモメータの前記軸に対する発生トルクを制御するトルク指令値を前記ダイナモメータに出力する制御手段とを備え、前記制御手段は、一慣性系をモデルとして前記ダイナモメータの速度を推定し、その推定速度と前記実速度との偏差にオブザーバゲインを積算することにより、前記軸の軸トルクを推定する軸トルク推定手段と、該推定された軸トルク、並びに、予め設定された前記ダイナモメータ側の慣性量及び模擬する慣性量の目標値に基づいて前記トルク指令値を演算し、該トルク指令値を前記ダイナモメータに出力するトルク指令値演算部とを有し、前記軸トルク推定手段は、前記推定された軸トルクの値と前記ダイナモメータに入力された前記トルク指令値との偏差及び前記ダイナモメータ側の慣性量に基づいて前記ダイナモメータの速度を推定することを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、動力源を含む動力伝達系に軸を介して接続され、該軸に軸トルクを発生するダイナモメータを有する動力伝達系の試験装置の制御方法であって、前記ダイナモメータの実速度を検出するステップと、一慣性系をモデルとして、推定された軸トルクの値と前記ダイナモメータに入力されたトルク指令値との偏差及び予め設定された前記ダイナモメータ側の慣性量に基づいて前記ダイナモメータの速度を推定し、その推定速度と前記実速度との偏差にオブザーバゲインを積算することにより、前記軸トルクを推定するステップと、該推定された軸トルク、並びに、予め設定された前記ダイナモメータ側の慣性量及び模擬する慣性量の目標値に基づいて前記トルク指令値を演算し、該トルク指令値を前記ダイナモメータに出力するステップとを含むことを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、動力伝達系の動力源を模擬して前記動力伝達系に軸を介して接続され、前記軸に軸トルクを発生するダイナモメータを有する動力伝達系の試験装置の制御方法であって、前記ダイナモメータの実速度を検出するステップと、一慣性系をモデルとして、推定された軸トルクの値と前記ダイナモメータに入力されたトルク指令値との偏差及び予め設定された前記ダイナモメータ側の慣性量に基づいて前記ダイナモメータの速度を推定し、その推定速度と前記実速度との偏差にオブザーバゲインを積算することにより、前記軸トルクを推定するステップと、該推定された軸トルク、並びに、予め設定された前記ダイナモメータ側の慣性量及び模擬する慣性量の目標値に基づいて前記トルク指令値を演算し、該トルク指令値を前記ダイナモメータに出力するステップとを含むことを特徴とする。

以上説明したように、請求項１または２に記載の発明によれば、動力源を含む動力伝達系の試験装置であって、前記動力伝達系に軸を介して接続され該軸にトルクを発生するか、又は前記動力源を模擬して前記動力源の出力軸にトルクを発生するダイナモメータと、該ダイナモメータの実速度を検出する速度検出手段と、一慣性系をモデルとして前記ダイナモメータの速度を推定し、その推定速度と前記実速度との偏差にオブザーバゲインを積算することにより、前記軸又は前記出力軸の軸トルクを推定し、該推定された軸トルクに基づいて前記動力源から見たダイナモメータの慣性量、またはダイナモメータで模擬する動力源の慣性量を所望の慣性量となるように前記ダイナモメータの発生トルクを制御する制御手段とを有するので、供試体側の慣性量が判らなくても、動力源を含む動力伝達系に対して、適正なダイナモメータの発生トルクを与えて試験を行うことが可能となる。

すなわち、動力源とダイナモメータ、または動力源を模擬するダイナモメータ出力と動力伝達系とを接続する軸の軸トルクあるいはダイナモメータの加速度を用いることなく、ダイナモメータの慣性量と、設定慣性量のみに基づいてダイナモメータの発生トルクを制御することが可能となり、供試体である動力源の慣性量が判らなくても、動力伝達系のシミュレーションを適正に行うことができるという利便性が有る。

また、請求項３または４に記載の発明によれば、動力源を含む動力伝達系に軸を介して接続され該軸にトルクを発生するか、又は前記動力源を模擬して前記動力源の出力軸にトルクを発生するダイナモメータを有する動力伝達系の試験装置の制御方法であって、前記ダイナモメータの実速度を検出するとともに、一慣性系をモデルとして前記ダイナモメータの速度を推定し、検出された実速度と前記推定された推定速度ととの偏差にオブザーバゲインを積算することにより、前記軸又は前記出力軸の軸トルクを推定し、該推定された軸トルクに基づいて前記動力源から見たダイナモメータの慣性量、またはダイナモメータで模擬する動力源の慣性量を所望の慣性量となるように前記ダイナモメータの発生トルクを制御するようにしたので、供試体側の慣性量が判らなくても、動力源を含む動力伝達系に対して、適正なダイナモメータの発生トルクを与えて試験を行うことが可能となる。

すなわち、動力源とダイナモメータ、または動力源を模擬するダイナモメータ出力と動力伝達系とを接続する軸の軸トルク、あるいはダイナモメータの加速度を用いることなく、ダイナモメータの慣性量と、設定慣性量のみに基づいてダイナモメータの発生トルクを制御することが可能となり、供試体である動力源の慣性量が判らなくても、動力伝達系のシミュレーションを適正に行うことができるという利便性が有る。

この発明の一実施形態に係るエンジンの試験装置の基本構成を示すブロック図。 供試体側と、試験装置のダイナモメータ側とが軸を介して接続された状態における各々の発生トルクと、慣性量との関係を示す説明図。 図１に示したエンジンの試験装置におけるトルクオブザーバを用いた電気慣性制御の制御系の基本構成を示すブロック図。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。本発明の実施形態に係る動力伝達系の試験装置の構成を図１に示す。本発明の実施形態に係る動力伝達系の試験装置は、例えば、車両用エンジンの試験装置１であって、同図に示されるように、動力源であるエンジン２に軸１０１を介して接続されるダイナモメータ３と、ダイナモメータ３の実速度ωを検出する速度センサ４と、ダイナモメータ３の発生トルクを制御する制御装置５とを備えている。

前記ダイナモメータ３は発電機／電動機であって、その発生トルクを制御することによって、エンジン２にかける負荷を調整することにより、実際に走行する車両の走行抵抗負荷と加減速時の車重相当の慣性負荷によってエンジン２に加えられるトルク負荷を模擬することができるようになっている。すなわち、ダイナモメータ３は、動力伝達系の動力源であるエンジン２の出力側、車両でいうと、タイヤ側にダイナモメータ３を設置して電気慣性制御する場合は、発電機として機能し、動力伝達系の駆動側、すなわち、エンジン２の代わりにダイナモメータ３を設置してダイナモメータ３の慣性量をエンジン２相当に見せかける電気慣性制御を行う場合は電動機として機能する。
また、前記速度センサ４は、例えば、タコジェネレータである。なお、パルスエンコーダ、レゾルバ等の角度検出器を用いて速度を検出する場合でも同様である。

制御装置５は、供試体であるエンジン２とダイナモメータ３を接続する軸１０１に発生する軸トルクを推定する軸トルクオブザーバ６を備えている。この軸トルクオブザーバは、以下の考え方に基づいている。
図２は、実車におけるエンジン、すなわち供試体側１００と、試験装置のダイナモメータ側１０２とが軸１０１を介して接続された状態における各々の発生トルクと、慣性量との関係を図示している。
同図において、供試体（エンジン）側１００の慣性量をＪＤ、供試体側トルクをτＤ、軸１０１の軸トルクをτ_Ｓ、 ダイナモメータ側の慣性量をＪ_Ｌ、ダイナモメータ１０２のトルク、すなわちダイナモメータ３の発生トルクをτ_Ｌとする。

軸１０１からダイナモメータ１０２側を見た場合におけるダイナモメータ３の加速度αmは、

となる。
また、ダイナモメータ３の慣性量が電気慣性制御における目標値Ｊxとなったときのダイナモメータ３の加速度αm’は、

となる。
ダイナモメータ３によって車両の慣性を模擬するには、条件αm＝αm’が成立すればよい。そこで、αm＝αm’を条件として、上記式（１），（２）から加速度を消去すると、

となり、軸トルクτ_Ｓを知ることができれば、上記式（３）によってダイナモメータ３の発生トルクτ_Ｌを制御することが可能となることがわかる。
次に、本発明の実施形態に係る動力伝達系の試験装置における軸トルクオブザーバを用いた電気慣性制御の制御系の基本構成を図３に示す。
同図において、２０は、ダイナモメータ３を含む試験装置の機械装置部分（慣性）である。
電気慣性制御を行う制御装置５は、軸トルクオブザーバ６と、ダイナモメータトルク指令値を演算するトルク指令値演算部１０とを有している。

本実施形態においては、軸トルクオブザーバ６は、加速度推定部７と、速度推定部８と、軸トルク推定部９とを有している。
加速度推定部７は、軸トルクτ_Ｓに対してダイナモメータ３のトルクτ_Ｌが変動したときのダイナモメータ３の加速度を推定する部分であって、一慣性系をモデルとしている。

速度推定部８は、軸トルクτ_Ｓに対してダイナモメータ３のトルクτ_Ｌが変動したときのダイナモメータ３の速度を推定する部分であって、一慣性系をモデルとしている。
また、軸トルク推定部９は、比例要素のみからなるオブザーバゲインＧにより構成されている。その結果、この軸トルクオブザーバ６は最小次元オブザーバとなっている。

また、加速度推定部７は、前記ダイナモメータ３と等価な対象を表す一慣性系モデルであり、ダイナモメータ３の慣性量の目標値Ｊx及び実際の慣性量Ｊ_Ｌに基づいて算出されたダイナモメータ３のトルクτ_Ｌと推定された軸トルクτ_Ｓ＾（図３等の中において、ωまたはτ_Ｓの上に「＾」を付した推定値を示す記号を、文章中では便宜上、ωまたはτ_Ｓの右側に「＾」を付すことにより示すことにする。）との偏差を入力することにより、ダイナモメータ３の推定加速度α＾を出力することができるようになっている。

さらに、速度推定部８は、加速推定部７により推定された推定加速度α＾を積分演算することにより推定速度ω＾を出力することができるようになっている。
また、トルク推定部９には、上記のようにして得られたダイナモメータ３の推定速度ω＾に、前記速度センサ４により検出されたダイナモメータ３の実速度ωを負帰還することによって得られた速度偏差が入力され、軸トルク推定値τ_Ｓ＾が出力されるようになっている。

上記構成において、ダイナモメータ３は、直結されているエンジン２から軸１０１を介して軸トルクτ_Ｓを供給されるとともに、制御装置５からダイナモメータ３の発生トルク指令τ_Ｌを入力される。
ダイナモメータ３は、慣性量Ｊ_Ｌを備える一慣性系と考えられ、該一慣性系に軸トルクτ_Ｓと発生トルク指令τ_Ｌとが入力され、速度センサ４によって検出された実速度ωが出力される。

また、制御装置５は、軸トルクオブザーバ６により推定された軸トルク推定値τ_Ｓ＾に基づいて、上記式（３）によりダイナモメータ３の発生トルクτ_Ｌを指令値演算部１０より出力する。指令値演算部１０からの出力は、軸トルクオブザーバ６に戻されるようになっている。

図３において、軸トルクオブザーバ６内の軸トルク推定部９により、軸トルク推定値τ_Ｓ＾が得られると、軸トルク推定値τ_Ｓ＾と、指令値演算部１０により演算されたダイナモメータ３の発生トルクτ_Ｌとの偏差が加速度推定部７に入力される。
加速度推定部７では、次式により、推定加速度α＾を求める。

上式（４）で求められた推定加速度α＾は、速度推定部８に入力され、次式により推定加速度α＾を積分することにより、推定速度ω＾を得る。

次いで、速度センサ４により検出されたダイナモメータの実速度ωと速度推定部８により推定された推定速度ω＾との偏差が軸トルク推定部９に入力される。
軸トルク推定部９では、次式により軸トルク推定値τ_Ｓ＾を求める。

ここで、Ｇはオブザーバゲインであり、例えば、比例ゲインである。尚、オブザーバゲインＧは、比例ゲインに限らず、比例要素、積分要素、あるいは微分要素を組み合せたものであってもよい。
軸トルク推定部９で求められた軸トルク推定値τ_Ｓ＾は、指令値演算部１０に入力され、指令値演算部１０は次式によりダイナモメータ３の発生トルクτ_Ｌを求める。

指令値演算部１０は、上式（７）により求めた発生トルクτ_Ｌをトルク指令値τ_Ｌとして機械装置部分２０内のダイナモメータ３に入力する。
なお、ダイナモメータ３からは、軸トルクτ_Ｓと指令値演算部１０により算出されたトルク指令値τ_Ｌの偏差に基づいて次式により得られる加速度αが出力される。

ダイナモメータ３から出力された加速度は、速度センサ４により入力され、速度センサ４は、次式により実速度ωを求める。

以上のようにして、制御装置５によりダイナモメータ３の発生トルクを制御することにより、ダイナモメータ３の慣性量Ｊ_Ｌを制御設定値である目標値Ｊｘになるように制御することができる。
尚、以上の説明では、ダイナモメータ３を動力伝達系の出力側（動力源であるエンジン２の出力側）、すなわち、車両でいうと、タイヤ側にダイナモメータ３を設置して電気慣性制御する場合について述べたが、これに限らず動力伝達系の駆動側に適用する場合、すなわち、車両でいうと、エンジン２の代わりにダイナモメータ３を設置してダイナモメータ３の慣性量をエンジン２相当に見せかける電気慣性制御を行う場合も同様である。

このように構成された本実施形態に係る車両エンジン２の試験装置１によれば、ダイナモメータの実速度を検出するとともに、一慣性系をモデルとして前記ダイナモメータの速度を推定し、検出された実速度と前記推定された推定速度との偏差に比例ゲインを積算することにより、前記軸の軸トルクを推定し、該推定された軸トルクに基づいて前記動力源から見たダイナモメータの慣性量を所望の慣性量となるように前記ダイナモメータの発生トルクを制御するようにしたので、供試体側の慣性量が判らなくても、動力源を含む動力伝達系に対して、適正なダイナモメータの発生トルクを与えて試験を行うことが可能となる。

すなわち、動力源とダイナモメータとを接続する軸の軸トルク、あるいはダイナモメータの加速度を用いることなく、ダイナモメータの慣性量と、設定慣性量のみに基づいてダイナモメータの発生トルクを制御することが可能となり、供試体である動力源の慣性量が判らなくても、動力伝達系のシミュレーションを適正に行うことができるという利便性が有る。

１…試験装置
２…エンジン
３…ダイナモメータ
４…速度センサ（速度検出手段）
５…制御装置（制御手段）
６…軸トルクオブザーバ
１０…指令値演算部

Claims (4)

1. 動力源を含む動力伝達系の試験装置であって、
   前記動力伝達系に接続されたダイナモメータと、
   前記動力伝達系と前記ダイナモメータとを接続する軸と、
   前記ダイナモメータの実速度を検出する速度検出手段と、
   前記ダイナモメータの前記軸に対する発生トルクを制御するトルク指令値を前記ダイナモメータに出力する制御手段とを備え、
   前記制御手段は、
   一慣性系をモデルとして前記ダイナモメータの速度を推定し、その推定速度と前記実速度との偏差にオブザーバゲインを積算することにより、前記軸の軸トルクを推定する軸トルク推定手段と、
   該推定された軸トルク、並びに、予め設定された前記ダイナモメータ側の慣性量及び模擬する慣性量の目標値に基づいて前記トルク指令値を演算し、該トルク指令値を前記ダイナモメータに出力するトルク指令値演算部とを有し、
   前記軸トルク推定手段は、前記推定された軸トルクの値と前記ダイナモメータに入力された前記トルク指令値との偏差及び前記ダイナモメータ側の慣性量に基づいて前記ダイナモメータの速度を推定することを特徴とする動力伝達系の試験装置。
2. 動力伝達系の動力源を模擬して前記動力伝達系に接続されたダイナモメータと、
   前記動力伝達系と前記ダイナモメータとを接続する軸と、
   前記ダイナモメータの実速度を検出する速度検出手段と、
   前記ダイナモメータの前記軸に対する発生トルクを制御するトルク指令値を前記ダイナモメータに出力する制御手段とを備え、
   前記制御手段は、
   一慣性系をモデルとして前記ダイナモメータの速度を推定し、その推定速度と前記実速度との偏差にオブザーバゲインを積算することにより、前記軸の軸トルクを推定する軸トルク推定手段と、
   該推定された軸トルク、並びに、予め設定された前記ダイナモメータ側の慣性量及び模擬する慣性量の目標値に基づいて前記トルク指令値を演算し、該トルク指令値を前記ダイナモメータに出力するトルク指令値演算部とを有し、
   前記軸トルク推定手段は、前記推定された軸トルクの値と前記ダイナモメータに入力された前記トルク指令値との偏差及び前記ダイナモメータ側の慣性量に基づいて前記ダイナモメータの速度を推定することを特徴とする動力伝達系の試験装置。
3. 動力源を含む動力伝達系に軸を介して接続され、該軸に軸トルクを発生するダイナモメータを有する動力伝達系の試験装置の制御方法であって、
   前記ダイナモメータの実速度を検出するステップと、
   一慣性系をモデルとして、推定された軸トルクの値と前記ダイナモメータに入力されたトルク指令値との偏差及び予め設定された前記ダイナモメータ側の慣性量に基づいて前記ダイナモメータの速度を推定し、その推定速度と前記実速度との偏差にオブザーバゲインを積算することにより、前記軸トルクを推定するステップと、
   該推定された軸トルク、並びに、予め設定された前記ダイナモメータ側の慣性量及び模擬する慣性量の目標値に基づいて前記トルク指令値を演算し、該トルク指令値を前記ダイナモメータに出力するステップとを含むことを特徴とする動力伝達系の試験装置の制御方法。
4. 動力伝達系の動力源を模擬して前記動力伝達系に軸を介して接続され、前記軸に軸トルクを発生するダイナモメータを有する動力伝達系の試験装置の制御方法であって、
   前記ダイナモメータの実速度を検出するステップと、
   一慣性系をモデルとして、推定された軸トルクの値と前記ダイナモメータに入力されたトルク指令値との偏差及び予め設定された前記ダイナモメータ側の慣性量に基づいて前記ダイナモメータの速度を推定し、その推定速度と前記実速度との偏差にオブザーバゲインを積算することにより、前記軸トルクを推定するステップと、
   該推定された軸トルク、並びに、予め設定された前記ダイナモメータ側の慣性量及び模擬する慣性量の目標値に基づいて前記トルク指令値を演算し、該トルク指令値を前記ダイナモメータに出力するステップとを含むことを特徴とする動力伝達系の試験装置の制御方法。

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