JP2011257205A - ダイナモメータシステムの軸トルク制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】少ない可調整パラメータで機械系の共振ゲインを抑制し、安定で高応答な軸トルク制御が可能なダイナモメータシステムの軸トルク制御装置を提供する。
【解決手段】ダイナモメータの電動機の駆動トルクＴ１，負荷側電動機の慣性１／ＪＬ・ｓ、電動機慣性と負荷側電動機慣性のバネ剛性Ｋ１２／ｓおよび電動機の慣性１／Ｊｓｈ・ｓに基づいて２慣性機械系モデル１８を構成し、軸トルクの検出値Ｔｓｈを求め、減算器１１でトルク指令Ｔｒｅｆから前記Ｔｓｈを減算し、減算器１１の出力に積分要素ＫＩ／ｓを乗じた値と、前記Ｔｓｈに比例ゲインＫを乗じた値とを加算器１４で加算し、加算器１４の加算出力Ｔ２に、前記電動機駆動用のインバータの周波数応答を１次遅れとして近似した伝達関数１／（ＡＣＲｆｃ・ｓ＋１）を乗じた値を前記２慣性機械系モデル１８に導入し、ＫＩ＝（１−Ｋ）・２・π・ｆｃを用いて２慣性の軸トルク制御を行なう。
【選択図】図４

Description

本発明は、ダイナモメータシステムの軸トルク制御装置に関し、特に、ダイナモメータを構成する電動機に負荷側機器（電動機やローラ、フライホイール等）が結合されたシステムにおいて、電動機と負荷側機器の間の捩れトルク（軸トルク）を制御する軸トルク制御に関するものである。

ダイナモメータにおいては、自動車の変速機や動力伝達装置の各種性能試験を行なっている。従来、例えば下記特許文献１に記載のシャシーダイナモメータでは、軸トルク制御の応答性を高めながら高い精度と高い安定性のトルク制御を目的としている。

軸トルク制御においては、機械系の共振により必要以上に軸トルクが生じてしまい安定性を損なうため、共振を抑える必要がある。また、機械系の共振により機械を破損する場合があり、その機械共振を抑制する方式として、例えば下記非特許文献１に記載の共振比制御が提案されている。

特開平８−１３６４０８号公報

「ＰＩＤ制御のみによる２慣性系の制御」、堀洋一、平成６年電気学会全国大会、ＮＯ．６７０，１９９４

しかし、負荷側機器の慣性値などが未知の場合、機械系の共振により、高応答な軸トルク制御を実現することは困難である。また、特許文献１においては、Ｐ（比例ゲイン）、Ｔｉ（積分時定数）、ローパスフィルタのカットオフ周波数、慣性比率などの可調整パラメータが多く、調整を困難としている。

本発明は上記課題を解決するものであり、その目的は、少ない可調整パラメータにより機械系の共振ゲインを抑制し、安定で高応答な軸トルク制御が可能となるダイナモメータシステムの軸トルク制御装置を提供することにある。

上記課題を解決するための本発明のダイナモメータシステムの軸トルク制御装置は、負荷側機器と、前記負荷側機器と共通な軸を回転させることで該負荷側機器を回転させるダイナモメータと、前記軸の捩れトルクを検出する軸トルク検出器と、前記ダイナモメータの角速度を検出する角速度検出器と、前記ダイナモメータを駆動制御するインバータの制御を行う制御手段とを備え、ＰＩ制御によって前記ダイナモメータの軸トルク制御を行うダイナモメータシステムの軸トルク制御装置であって、
前記制御手段は、トルク指令Ｔｒｅｆから前記軸トルク検出器により検出された軸トルク検出値Ｔｓｈを第１の減算器によって減算し、該減算出力に、前記ＰＩ制御の積分ゲインをＫＩ、ラプラス演算子をｓとしたときのＫＩ／ｓで定義される積分要素を乗算し、該乗算値（ＫＩ／ｓ）・（Ｔｒｅｆ−Ｔｓｈ）に、前記軸トルク検出値ＴｓｈとＰＩ制御の比例ゲインＫを乗じた値Ｋ・Ｔｓｈを比例ゲイン補償値として加算器によって加算し、該加算値Ｔ２から前記軸トルク検出値Ｔｓｈを第２の減算器によって減算し、該減算出力Ｔ２−Ｔｓｈとダイナモメータの慣性の伝達関数とに基づいてダイナモメータの角速度ω２を演算し、ＫＩ＝（１−Ｋ）・２・π・ｆｃ（ただしｆｃは所望の周波数応答を決めるカットオフ周波数）を用いてダイナモメータの軸トルク制御を行うことを特徴としている。

また、前記軸トルク検出値Ｔｓｈは、前記ダイナモメータの駆動トルクＴ１と、前記ダイナモメータの慣性、前記負荷側機器の慣性、前記ダイナモメータの慣性と負荷側機器の慣性のバネ剛性の各伝達関数とに基づいて得られた検出値であり、前記制御手段は、前記ダイナモメータの慣性および負荷側機器の慣性の２慣性の軸トルク制御を行うことを特徴としている。

また、前記比例ゲイン補償値は、前記ＴｓｈとＫを乗じた値に代えて、Ｔｓｈと（１−Ｋ）を乗じた値を用い、ＫＩ＝（１−Ｋ）・２・π・ｆｃに代えてＫＩ＝Ｋ・２・π・ｆｃを用いて軸トルク制御を行なうことを特徴としている。

上記構成において、比例ゲイン補償値を決める比例ゲインＫと所望の周波数応答を決めるカットオフ周波数ｆｃ（の角周波数ωｃ）のみを設定するだけで、機械系の共振ゲインを抑制し安定で高応答な軸トルク制御が可能となる。

また、前記軸トルク検出値Ｔｓｈの高調波成分を除去するローパスフィルタを備えたことを特徴としている。

上記構成において、軸トルク検出値Ｔｓｈの高調波成分はローパスフィルタによって除去される。

また、前記軸トルク検出値Ｔｓｈは、前記ダイナモメータの駆動トルクＴ１と、前記ダイナモメータの慣性、前記負荷側機器の慣性、前記軸トルク検出器と負荷側機器の間の中間軸慣性、前記ダイナモメータの慣性と中間軸慣性のバネ剛性、前記負荷側機器の慣性と中間軸慣性のバネ剛性の各伝達関数とに基づいて得られた検出値であり、前記軸トルク検出値Ｔｓｈの位相進み補償を行う１次進み補償器を備え、前記制御手段は、前記ダイナモメータの慣性、負荷側機器の慣性および中間軸慣性の３慣性の軸トルク制御を行うことを特徴としている。

上記構成において、インバータ周波数応答より高い共振周波数についても共振ゲインが抑制される。

また、角速度指令を一方の入力とし、前記演算されたダイナモメータの角速度ω２を他方の入力とし、出力を前記トルク指令Ｔｒｅｆとする速度制御器を備えたことを特徴としている。

上記構成において、前記軸トルク制御を行う装置をマイナーループとする速度制御装置が構成される。

また、前記トルク指令Ｔｒｅｆ、前記演算されたダイナモメータの角速度ω２、ダイナモメータの慣性の伝達関数Ｊｓｈ・ｓおよび相対次数１次以上の任意の伝達関数Ｇｆｃ（ｓ）に基づいて、トルクＴｏｂｓ＝{Ｔｒｅｆ−（Ｊｓｈ・ω２・ｓ）}／Ｇｆｃ（ｓ）を演算して求める外乱オブザーバを備え、前記第１の減算器は、トルク指令Ｔｒｅｆから、前記軸トルク検出値Ｔｓｈに代えて前記トルクＴｏｂｓを減算し、前記加算器は、前記第１の減算器の減算出力Ｔｒｅｆ−Ｔｏｂｓと前記積分要素ＫＩ／ｓの乗算値（ＫＩ／ｓ）・（Ｔｒｅｆ−Ｔｏｂｓ）と、前記Ｋ・Ｔｓｈに代えて、トルクＴｏｂｓに比例ゲインＫを乗じたＫ・Ｔｏｂｓとを加算することを特徴としている。

上記構成において、軸トルク検出系を備えなくても、高応答で安定な速度制御装置が実現される。

（１）請求項１〜６に記載の発明によれば、負荷側の慣性値やバネ剛性が未知の場合であっても、従来の制御方式よりも少ない可調整パラメータにより、機械系の共振ゲインを抑制し、安定で高応答な軸トルク制御が可能となる。
（２）請求項４に記載の発明によれば、高調波成分による悪影響を受けることなく軸トルク制御を行うことができる。
（３）請求項５に記載の発明によれば、インバータ周波数応答より高い共振周波数についても共振ゲインを抑制することができる。
（４）請求項６に記載の発明によれば、請求項１ないし５のいずれか１項に記載の効果を備えた速度制御装置を構成することができ、高応答な角速度制御が可能となる。
（５）請求項７に記載の発明によれば、軸トルク検出系を備えない場合でも、高応答で安定な角速度制御が可能となる。

本発明の実施例１〜４におけるダイナモメータシステムの構成図。 図１のシステムの２慣性系モデル図。 本発明の実施例１における１慣性系の軸トルクの制御構成図。 本発明の実施例２における２慣性系の軸トルクの制御構成図。 本発明の実施例１、２におけるトルク指令から軸トルク検出までのボード線図。 本発明の実施例３における２慣性系の軸トルクの制御構成図。 本発明の実施例４における２慣性系の軸トルクの制御構成図。 本発明の実施例５におけるダイナモメータシステムの構成図。 本発明の実施例５における３慣性系の軸トルクの制御構成図。 本発明の実施例４、５におけるトルク指令から軸トルク検出までのボードゲイン線図。 本発明の実施例６における軸トルクの制御構成図。 本発明の実施例６における角速度指令から角速度検出までのボードゲイン線図。 本発明の実施例７における軸トルクの制御構成図。

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明するが、本発明は下記の実施形態例に限定されるものではない。

図１は、負荷側機器が電動機である場合のダイナモメータシステムの構成を示している。当該システムは、ダイナモメータとしての電動機１、電動機１の回転数を検出するエンコーダ２（角速度検出器）、電動機１の、負荷側電動機５と共通となる軸３、軸トルクメータ４（軸トルク検出器）、負荷側電動機５、前記エンコーダ２で検出された電動機回転数（角速度）および軸トルクメータ４で検出された軸トルクに基づいてインバータ７を制御する軸トルク制御回路６（制御手段）、および電動機１を駆動制御するインバータ７を備えている。

エンコーダ２は電動機１の回転数を検出するものであり、単位時間当たりの回転数から角速度が求められる。

軸３に取付けられる軸トルクメータ４は、軸３に働く軸トルクを、例えばねじれ方向の歪量から検出する軸トルク計である。

軸トルク制御回路６は、エンコーダ２からの電動機回転数（角速度）、軸トルクメータ４からの軸トルク検出値Ｔｓｈ、トルク指令Ｔｒｅｆ等に基づいて、後述の図３、図４、図６、図７に示す軸トルク制御回路の演算を行い、その結果をインバータ７に対する制御信号（トルク電流指令（電動機１の角速度ω２、負荷側電動機５の角速度ω１を含む指令））として出力するものである。

軸トルク制御回路６により制御されるインバータ７は、図示省略の直流電源からの直流電力を、図示省略の例えばＩＧＢＴ等のスイッチング素子を用いて交流電力に変換し電動機１に供給する。

図２は図１のダイナモメータシステムの２慣性系モデルを表している。図２において、Ｔ１は電動機１の駆動トルク、ω２は電動機１の角速度、Ｊｓｈは電動機１の慣性、８は負荷側のバネ、Ｋ１２はバネ８のバネ剛性（バネ係数）、Ｔｓｈは軸トルク検出値、ＪＬは負荷側電動機５の慣性、ω１は負荷側電動機５の角速度、ＴＬは負荷側電動機５の駆動トルクを各々示している。

２慣性系の場合は共振比制御のように、見かけ上の慣性を可変させることにより共振周波数を移動できる。これに対し本発明では負荷側の慣性値やバネ剛性が未知の場合であっても、従来の例えば特許文献１の制御方式よりも少ない可調整パラメータで、機械系の共振ゲインを抑制した、高応答で安定な軸トルク制御を提案する。

図３はダイナモメータシステムにおいて、電動機１の慣性のみ（１慣性系の制御）である場合に、制御手段（軸トルク制御回路６）が外乱（Ｔｓｈ）を制御する制御構成を示している。

尚図３では、１慣性系の外乱トルクを軸トルク検出値と等価としてＴｓｈで表している。

図３において１１は、トルク指令Ｔｒｅｆから外乱トルクＴｓｈを減算する第１の減算器である。

１２は、ＫＩ／ｓ（ＫＩはＰＩ制御の積分ゲイン、ｓはラプラス演算子）で定義される積分要素である。

１３は比例ゲイン補償器であり、Ｋで表されるＰＩ制御の比例ゲインを有している。

１４は、第１の減算器１１の減算出力に積分要素ＫＩ／ｓを乗算した乗算値（ＫＩ／ｓ）・（Ｔｒｅｆ−Ｔｓｈ）に、外乱トルクＴｓｈと比例ゲインＫを乗じた値Ｋ・Ｔｓｈを比例ゲイン補償値として加算する加算器である。

１５は、インバータ７の周波数応答を１次遅れとして近似したＡＣＲｆｃの伝達関数１／（ＡＣＲｆｃ・ｓ＋１）である。

１６は、加算器１４の加算出力Ｔ２に前記伝達関数１５を乗じたものから、外乱トルクＴｓｈを減算する第２の減算器である。

１７は電動機１の慣性Ｊｓｈの伝達関数１／Ｊｓｈ・ｓである。

前記減算器１６の減算出力に伝達関数１７を乗ずることによって電動機１の角速度ω２が求められる。

上記構成において、伝達関数１５のＡＣＲｆｃは、周波数応答が制御帯域より十分に高いものとするため、下記の計算では省略する。上記の制御構成から、
Ｊｓｈ・ω２・ｓ＝Ｔ２−Ｔｓｈ…（１）
Ｔ２＝{（ＫＩ／ｓ）・（Ｔｒｅｆ−Ｔｓｈ）}＋（Ｋ・Ｔｓｈ）…（２）
が導かれる。上記式（１）、（２）の制御則をＴｓｈ／Ｔｒｅｆについて解くことにより、

となる。

ここで、一次遅れのローパスフィルタは、

となり、ｆｃは所望の周波数応答カットオフ周波数である。式（３）と式（４）とを係数比較すると、

式（５）をＫＩについてまとめると、
ＫＩ＝（１−Ｋ）・２・π・ｆｃ…（６）
となる。ここで、任意に設定できるパラメータは比例ゲインＫおよび所望の周波数応答ｆｃ（カットオフ周波数）である。

このように本実施例によれば、比例ゲインＫおよび所望の周波数応答を決めるカットオフ周波数ｆｃ（の角周波数ωｃ）だけの、少ない可調整パラメータによって安定で高応答な軸トルク制御が可能となる。

図４は、図１のダイナモメータシステムにおいて、電動機１および負荷側電動機５の２慣性系の制御の場合の制御構成図である。図３との相違点は、２慣性であるため、図１に示すような電動機１と負荷側電動機５との間に軸トルク検出が構成されている機械系を２慣性機械系モデル１８として設けていることであり、その他の部分は図３と同一に構成されている。

２慣性機械系モデル１８は、加算器１８ａ，減算器１８ｂ、１８ｃおよび伝達関数１８ｄ〜１８ｆからなる。

加算器１８ａは、電動機１の駆動トルクＴ１と後述する伝達関数１８ｅからの信号とを加算し伝達関数１８ｄに出力する。

伝達関数１８ｄは負荷側電動機５の慣性ＪＬの伝達関数１／ＪＬ・ｓで表される。

減算器１８ｂは、前記伝達関数１５の出力信号から後述する伝達関数１８ｅの出力信号を減算し伝達関数１８ｆに出力する。

伝達関数１８ｆは、前述した伝達関数１７と同様に１／Ｊｓｈ・ｓで表される伝達関数である。

減算器１８ｃは、前記減算器１８ｂの出力に伝達関数１／Ｊｓｈ・ｓを乗じた値から、前記加算器１８ａの出力に伝達関数１／ＪＬ・ｓを乗じた値を減算する。

伝達関数１８ｅは電動機１の慣性と負荷側電動機５の慣性のバネ剛性（軸３のバネ剛性）Ｋ１２の伝達関数Ｋ１２／ｓで表される。

前記減算器１８ｃの減算出力に伝達関数Ｋ１２／ｓを乗じた値が２慣性系の軸トルク検出値Ｔｓｈ（軸３の捩れトルクに相当する信号）として出力される。

また前記伝達関数１８ｆの出力が電動機１の角速度ω２となり、伝達関数１８ｄの出力が負荷側電動機５の角速度ω１となる。

図４の制御構成から、前記実施例１の１慣性の場合と同様に式（６）が導出される。ｆｃに所望の周波数を設定し、比例ゲイン補償器を「Ｋ」として、０＜Ｋ＜１の範囲にてＫを適切に設定することにより機械共振も抑制され、安定で高応答な軸トルク制御が実現される。

ここで図５に、図１のシステムの制御系におけるトルク指令から軸トルク検出までのボード線図を示す。１〜５００Ｈｚにおけるゲインを図５（ａ）に示し、位相を図５（ｂ）に示している。

図５の実線は軸トルク制御を行わない場合（オープンループ）の周波数特性であり、約１９０Ｈｚ付近に共振周波数がある。その他の線は、実施例１，２の軸トルク制御におけるＫ＝０．１、Ｋ＝０．３、Ｋ＝０．６、Ｋ＝０．９の場合の各周波数特性であり、いずれも約１９０Ｈｚ付近の共振ゲインが抑制されている。また、Ｋ＝０．６の場合が最も良好な周波数特性となっている。

図６に本実施例の制御構成を示す。図６において、図４の制御構成と相違するのは、前記比例ゲイン補償器１３の代わりに、１−Ｋを備えた比例ゲイン補償器２１を設けたことである。その他の部分については図４と同一に構成されている。

図６の構成において、前記図３で説明した式（１）〜式（６）と同様の手順により、
ＫＩ＝Ｋ・２・π・ｆｃ…（７）
が導出される。式（７）において、比例ゲインであるＫを０＜Ｋ＜１の範囲で適切に調整することにより実施例２と同様に機械共振は抑制され、安定で高応答な軸トルク制御が可能となる。

尚、本実施例３は図６のように構成するに限らず、図３において比例ゲイン補償器１３の代わりに比例ゲイン補償器２１を設けるように構成しても良い。

図７に本実施例の制御構成を示す。図７において、軸トルク検出値Ｔｓｈには高調波周波数やノイズが含まれるので、それらを除去するため、軸トルク検出値Ｔｓｈに、１／ＧＬＰＦ（ｓ）を伝達関数とするローパスフィルタ３１を挿入するように構成しており、その他の部分は図４と同一に構成されている。

前記ＧＬＰＦ（ｓ）は相対次数１次以上の任意の伝達関数とし、ＧＬＰＦ（ｓ）のカットオフ周波数は、共振周波数＜ＧＬＰＦ（ｓ）とする。

本実施例４によれば、前記Ｋ，ωｃ，ＧＬＰＦ（ｓ）を適切に設定することにより、実施例３と同一の効果が得られるとともに、さらに、軸トルク検出値Ｔｓｈの高調波成分による悪影響を受けることなく軸トルク制御を行うことができる。尚ローパスフィルタ３１は図３、図６の回路に設けても良い。

本実施例では、図１の軸トルクメータ４と負荷側電動機５間の中間軸の慣性が大きく２慣性に近似できない場合、３慣性系として近似する。また、インバータ周波数応答より高い周波数に共振周波数がある場合に、軸トルク検出の位相進み補償を実施する。

図８は軸トルクメータ４と負荷側電動機５間の中間軸慣性が大きい場合のダイナモメータシステムの構成図である。図８において、４１は軸トルクメータ４と負荷側電動機５の間の慣性の大きい中間軸であり、その他の部分は図１と同一に構成されている。

図９は、図８のダイナモメータシステムにおいて、電動機１の慣性、負荷側電動機５の慣性および中間軸４１の慣性の３慣性系の場合の制御構成図である。

図９において図７と異なる点は、２慣性機械系モデル１８の代わりに３慣性機械系モデル５２を設けたことと、ローパスフィルタ３１の代わりに、

を伝達関数とする１次進み補償器５１を設けたことにあり、その他は図７と同一に構成されている。

３慣性機械系モデル５２は、加算器５２ａ，減算器５２ｂ〜５２ｅおよび伝達関数５２ｆ〜５２ｊからなる。

加算器５２ａは、電動機１の駆動トルクＴ１と後述の伝達関数５２ｇからの信号とを加算し、負荷側電動機５の慣性ＪＬの１／ＪＬ・ｓで表される伝達関数５２ｆに出力する。

減算器５２ｂは前記伝達関数１５の出力信号から後述の伝達関数５２ｉの出力信号を減算し、電動機１の慣性Ｊｓｈの１／Ｊｓｈ・ｓで表される伝達関数５２ｊに出力する。

伝達関数５２ｈは中間軸４１の慣性ＪＭの伝達関数１／ＪＭ・ｓで表される。

伝達関数５２ｇは、負荷側電動機５の慣性と中間軸４１の慣性のバネ剛性Ｋ１３の伝達関数Ｋ１３／ｓで表され、伝達関数５２ｉは中間軸４１の慣性と電動機１の慣性のバネ剛性Ｋ２３の伝達関数Ｋ２３／ｓで表される。

減算器５２ｃは、伝達関数５２ｈの出力から伝達関数５２ｆの出力を減算し伝達関数５２ｇに出力する。

減算器５２ｅは、伝達関数５２ｉの出力から伝達関数５２ｇの出力を減算し伝達関数５２ｈに出力する。

減算器５２ｄは、伝達関数５２ｊの出力から伝達関数５２ｈの出力を減算し伝達関数５２ｉに出力する。

前記減算器５２ｄの減算出力に伝達関数Ｋ２３／ｓを乗じた値が３慣性系の軸トルク検出値Ｔｓｈとして出力される。

また、前記伝達関数５２ｊの出力が電動機１の角速度ω２となり、伝達関数５２ｆの出力が負荷側電動機５の角速度ω１となる。

前記１次進み補償器５１のＧＬＰＦ（ｓ）は相対次数１次以上の任意の伝達関数とし、ＧＬＰＦ（ｓ）のカットオフ周波数は、共振周波数＜ＧＬＰＦ（ｓ）とする。

上記のように、１次進み補償器５１を軸トルク検出値Ｔｓｈに挿入し、Ｋ，ωｃ，ＧＬＰＦ（ｓ），ＡＣＲｆｃを適切に設定することにより、インバータ周波数応答より高い共振周波数の共振ゲインも抑制可能となる。図１０は、図８のシステムの制御系における、トルク指令から軸トルク検出までのボードゲイン線図である。

図１０の実線は軸トルク制御を行わない場合（オープンループ）の周波数特性であり、約１１０Ｈｚ付近に第１共振周波数があり、約３６０Ｈｚ付近に第２共振周波数がある。

図１０の破線は前記実施例４の場合の周波数特性であり、第１共振周波数と第２共振周波数の各共振ゲインが抑制され、高応答で安定な軸トルク制御が可能となっている。

図１０の１点鎖線は本実施例５の場合の周波数特性であり、第１共振周波数と第２共振周波数の各共振ゲインが抑制され、さらに第２共振周波数の共振ゲインは実施例４よりも抑制され、高応答で安定な軸トルク制御が可能となっている。

本実施例では、前記実施例１〜５の軸トルク制御をマイナーループに持ち、速度制御や位置制御のメジャーループを形成し、機械共振の影響を小さくし、安定で高応答なシステムを構成した。

図１１は、実施例２の軸トルク制御（図４の制御構成）を速度制御のマイナーループとして持たせた実施例の制御構成を示しており、図４と同一部分は同一符号をもって示している。

図１１において、６１は比例要素、積分要素、微分要素を組み合わせた速度制御器（ＡＳＲ）である。この速度制御器６１は、角速度指令ωｒｅｆを一方の入力とし、図４の軸トルク制御回路の伝達関数１８ｆの出力、すなわち電動機１の角速度ω２を他方の入力とし、出力Ｔを、トルク指令Ｔｒｅｆとして前記減算器１１に導入している。

尚、マイナーループとしては図４に限らず、図３、図６、図７、図９の回路を持たせても良い。また、速度制御器６１に限らず位置制御器を用いても良い。

本実施例によれば、前記Ｋ，ωｃを適切に設定することにより、共振ゲインを抑制し、安定で高応答な速度制御や位置制御が可能となる。

図１２は図１１の制御系における角速度指令から電動機の角速度検出までのボードゲイン線図である。図１２によれば、軸トルク制御をマイナーループに持たない場合の従来の周波数特性（図示「マイナーループなし」）に比べて、本実施例６の軸トルク制御方式をマイナーループに持つ場合の周波数特性（図示「マイナーループあり」）の方が、共振ゲインを抑制し高応答な角速度制御が可能であることがわかる。

本実施例では、図１３に示す、軸トルク制御をマイナーループに持つ速度制御システムにおいて、軸トルク検出が無い場合（Ｔｓｈを減算器１１、加算器１４に導入しない場合）に、その代わりとして外乱オブザーバを用いて安定で高応答なシステムを構成した。

図１３は本実施例７の制御構成を示しており、図１１と同一部分は同一符号をもって示している。外乱オブザーバ７０は、前記比例ゲイン補償器１３、Ｊｓｈ・ｓ／Ｇｆｃで表される伝達関数７１、１／Ｇｆｃで表される伝達関数７２および減算器７３を備えている。

減算器７３は、トルク指令Ｔｒｅｆに伝達関数１／Ｇｆｃを乗じた値から、角速度ω２に伝達関数Ｊｓｈ・ｓ／Ｇｆｃを乗じた値を減算しトルクＴｏｂｓを出力する。

このトルクＴｏｂｓは、

である。

式（９）において、Ｇｆｃ（ｓ）は相対次数１次以上の任意の伝達関数とし、Ｇｆｃ（ｓ）のカットオフ周波数は、共振周波数＜Ｇｆｃ（ｓ）とする。

前記Ｔｏｂｓは減算器１１に導入され、Ｔｏｂｓに比例ゲインＫを乗じた値は加算器１４に導入される。

図１３のように外乱オブザーバ７０を用いた場合も図１１と同様の動作となり、図１２で述べたように共振ゲインを抑制し高応答な角速度制御が可能となる。

１…電動機
２…エンコーダ
３…軸
４…軸トルクメータ
５…負荷側電動機
６…軸トルク制御回路
７…インバータ
８…バネ
１１，１６，１８ｂ，１８ｃ，５２ｂ〜５２，７３…減算器
１２…積分要素
１３，２１…比例ゲイン補償器
１４，１８ａ，５２ａ…加算器
１５，１７，１８ｄ〜１８ｆ，５２ｆ〜５２ｊ，７１，７２…伝達関数
１８…２慣性機械系モデル
３１…ローパスフィルタ
５１…１次進み補償器
５２…３慣性機械系モデル
６１…速度制御器
７０…外乱オブザーバ

Claims (7)

1. 負荷側機器と、前記負荷側機器と共通な軸を回転させることで該負荷側機器を回転させるダイナモメータと、前記軸のトルクを検出する軸トルク検出器と、前記ダイナモメータの角速度を検出する角速度検出器と、前記ダイナモメータを駆動制御するインバータの制御を行う制御手段とを備え、ＰＩ制御によって前記ダイナモメータの軸トルク制御を行うダイナモメータシステムの軸トルク制御装置であって、
   前記制御手段は、
   トルク指令Ｔｒｅｆから前記軸トルク検出器により検出された軸トルク検出値Ｔｓｈを第１の減算器によって減算し、該減算出力に、前記ＰＩ制御の積分ゲインをＫＩ、ラプラス演算子をｓとしたときのＫＩ／ｓで定義される積分要素を乗算し、該乗算値（ＫＩ／ｓ）・（Ｔｒｅｆ−Ｔｓｈ）に、前記軸トルク検出値ＴｓｈとＰＩ制御の比例ゲインＫを乗じた値Ｋ・Ｔｓｈを比例ゲイン補償値として加算器によって加算し、該加算値Ｔ２から前記軸トルク検出値Ｔｓｈを第２の減算器によって減算し、該減算出力Ｔ２−Ｔｓｈとダイナモメータの慣性の伝達関数とに基づいてダイナモメータの角速度ω２を演算し、ＫＩ＝（１−Ｋ）・２・π・ｆｃ（ただしｆｃは所望の周波数応答を決めるカットオフ周波数）を用いてダイナモメータの軸トルク制御を行うことを特徴とするダイナモメータシステムの軸トルク制御装置。
2. 前記軸トルク検出値Ｔｓｈは、前記ダイナモメータの駆動トルクＴ１と、前記ダイナモメータの慣性、前記負荷側機器の慣性、前記ダイナモメータの慣性と負荷側機器の慣性のバネ剛性の各伝達関数とに基づいて得られた検出値であり、
   前記制御手段は、前記ダイナモメータの慣性および負荷側機器の慣性の２慣性の軸トルク制御を行う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軸トルク制御装置。
3. 前記比例ゲイン補償値は、前記ＴｓｈとＫを乗じた値に代えて、Ｔｓｈと（１−Ｋ）を乗じた値を用い、ＫＩ＝（１−Ｋ）・２・π・ｆｃに代えてＫＩ＝Ｋ・２・π・ｆｃを用いて軸トルク制御を行なう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軸トルク制御装置。
4. 前記軸トルク検出値Ｔｓｈの高調波成分を除去するローパスフィルタを備えていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載のダイナモメータシステムの軸トルク制御装置。
5. 前記軸トルク検出値Ｔｓｈは、前記ダイナモメータの駆動トルクＴ１と、前記ダイナモメータの慣性、前記負荷側機器の慣性、前記軸トルク検出器と負荷側機器の間の中間軸慣性、前記ダイナモメータの慣性と中間軸慣性のバネ剛性、前記負荷側機器の慣性と中間軸慣性のバネ剛性の各伝達関数とに基づいて得られた検出値であり、
   前記軸トルク検出値Ｔｓｈの位相進み補償を行う１次進み補償器を備え、
   前記制御手段は、前記ダイナモメータの慣性、負荷側機器の慣性および中間軸慣性の３慣性の軸トルク制御を行う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軸トルク制御装置。
6. 角速度指令を一方の入力とし、前記演算されたダイナモメータの角速度ω２を他方の入力とし、出力を前記トルク指令Ｔｒｅｆとする速度制御器を備えていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載のダイナモメータシステムの軸トルク制御装置。
7. 前記トルク指令Ｔｒｅｆ、前記演算されたダイナモメータの角速度ω２、ダイナモメータの慣性の伝達関数Ｊｓｈ・ｓおよび相対次数１次以上の任意の伝達関数Ｇｆｃ（ｓ）に基づいて、トルクＴｏｂｓ＝{Ｔｒｅｆ−（Ｊｓｈ・ω２・ｓ）}／Ｇｆｃ（ｓ）を演算して求める外乱オブザーバを備え、
   前記第１の減算器は、トルク指令Ｔｒｅｆから、前記軸トルク検出値Ｔｓｈに代えて前記トルクＴｏｂｓを減算し、
   前記加算器は、前記第１の減算器の減算出力Ｔｒｅｆ−Ｔｏｂｓと前記積分要素ＫＩ／ｓの乗算値（ＫＩ／ｓ）・（Ｔｒｅｆ−Ｔｏｂｓ）と、前記Ｋ・Ｔｓｈに代えて、トルクＴｏｂｓに比例ゲインＫを乗じたＫ・Ｔｏｂｓとを加算することを特徴とする請求項６に記載のダイナモメータシステムの軸トルク制御装置。

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