JP2012167974A

JP2012167974A - 回転体速度／加速度の計測・制御装置

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Publication number: JP2012167974A
Application number: JP2011028120A
Authority: JP
Inventors: Toshimitsu Maruki; 利光丸木
Original assignee: Meidensha Corp; Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Meidensha Corp; Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2011-02-14
Filing date: 2011-02-14
Publication date: 2012-09-06
Anticipated expiration: 2031-02-14
Also published as: JP5830870B2

Abstract

【課題】軸結合される２慣性系または３慣性系以上の多慣性系の回転体における結合軸の捻り振動による計測・制御への影響を取り除く。
【解決手段】供試車両の駆動輪で駆動されるローラと、これに軸結合されたダイナモメータとした２慣性系のダイナモメータシステムにおいて、ローラとダイナモメータの速度Ｎ₁とＮ₂を速度検出器２７₁，２７₂で速度検出し、加速度検出器１７で加速度検出し、これら速度と加速度から駆動力オブザーバを使ってトルク制御するときに、速度加重平均演算部２５は、ローラとダイナモメータの各慣性値（Ｊ₁，Ｊ₂）と速度（Ｎ₁，Ｎ₂）または加速度の各検出値を使って、速度または加速度の加重平均処理を行ってダイナモメータの速度検出値または加速度検出値として求める。
なお、３慣性系以上のダイナモメータシステムにおいても同じ手法とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、軸結合された２慣性系や３慣性系以上の多慣性系の１つの回転体の速度や加速度を計測、さらには回転体の速度やトルクを制御する回転体速度／加速度の計測・制御装置に係り、特に結合軸（カップリング）の捻り振動による計測・制御への影響を取り除いた計測・制御装置に関する。

回転体の速度や加速度を計測、さらには制御する装置としては、例えば、供試車両で駆動されるローラにダイナモメータを軸結合し、ダイナモメータの速度・加速度を検出してその速度やトルクを制御するダイナモメータシステムがある。

このダイナモメータシステムは、例えば図５に示すシステム構成にされる。同図において、供試車両１の駆動輪１Ａによってローラ２を駆動し、ローラ２に軸結合されたダイナモメータ３はトルクコントローラ４によってトルク制御される。このトルク制御は、車速検出を基にした供試車両の走行抵抗設定器５で設定する走行抵抗分とされ、さらには検出車速から求めた加速度を用いて電気慣性設定回路６で設定する電気慣性分を加算したものにされる。

車速制御系は、車速指令と速度検出器７の検出速度との偏差を基に速度コントローラ８に加減速指令を求め、この出力の正負で切替部９が加速制御指令と減速制御指令に切り替え、加速制御指令には供試車両１のエンジンアクセル（スロットル）開度を制御し、減速制御指令には供試車両１のブレーキペダルの踏力を制御する。

ここで、車両の走行抵抗は、車速を変数とするタイヤ転り抵抗と空気抵抗からなる平坦路定常走行抵抗に登降坂抵抗を加え合わせたものになる。この走行抵抗のうち、慣性抵抗は実車と等価な慣性分に設定されるフライホイール１０を使用することがあるが、フライホイールは設置スペースが大きくなることや高価になることから、電気慣性設定回路６によりダイナモメータ３の吸収トルク分として設定し、トルク制御する。さらに、フライホイールで慣性分を大まかに設定し、設定しようとする慣性分との差分を電気慣性制御する併用方式もある。

トルクコントローラ４による従来の電気慣性制御は、例えば、図６に示す等価ブロック構成にされる（特許文献１参照）。図中、１１〜１４は、マイナループに電流制御系を持つダイナモメータのトルク制御系であり、吸収トルク指令Ｆｍｓとトルク検出部１４の検出トルクとの偏差をトルク制御アンプ１１で比例積分演算し、この演算結果を電流制御系（電力変換器としてインバータを使用する）１２の電流指令とし、この電流制御系１２の出力電流Ｉｏによってダイナモメータ（誘導電動機）１３に吸収トルクＦ_Mの機械出力として取り出される。

Ｆ_Rは、供試車両１のエンジンからクラッチ及び変速機を介したエンジン駆動トルクであり、ダイナモメータの吸収トルクＦ_Mとの差分Ｆα（＝Ｆ_R−Ｆ_M）がローラとダイナモメータの加速力になる。

この加速力になるトルクは、ローラやダイナモメータ等が持つ機械慣性Ｊ₀の積分になる積分要素１５を通して速度Ｎ₀として表れる。

速度検出器１６はダイナモメータの速度Ｎ₀を検出速度Ｎとして検出し、加速度検出器１７は速度検出器１６の検出速度Ｎの微分により加速度ｄＮ／ｄｔを検出する。

走行抵抗設定器１８（図５の５）は、車両の走行抵抗から慣性抵抗を除いた走行抵抗Ｆ_RLを検出速度Ｎに応じて求める。電気慣性設定器１９（図５の６）は車両の重量に相当する慣性Ｊから機械慣性Ｊ₀を差し引いた電気慣性Ｊ_E（＝Ｊ−Ｊ₀）を設定し、掛算器２０は検出加速度ｄＮ／ｄｔに電気慣性Ｊ_Eを掛算することで慣性抵抗（Ｊ_E×ｄＮ／ｄｔ）を求める。これら走行抵抗Ｆ_RLと慣性抵抗（Ｊ_E×ｄＮ／ｄｔ）を加算して上記の吸収トルク指令Ｆｍｓを得る。

特許第３６８７３０５号公報

前記のダイナモメータシステムにおける供試車両の動力伝達系の試験において、駆動輪１で駆動されるローラ２からダイナモメータ３には比較的長い結合軸を通して動力伝達され、さらにローラ２からフライホイール１０には比較的長い結合軸を通して動力伝達される。

これらローラ２，ダイナモメータ３およびフライホイール１０は大重量で慣性も大きく、しかも駆動トルクも大きくなるため、これらを結合する軸には捻り振動が発生し易い。この捻り振動の発生は、図６の速度検出器１６による検出速度や加速度検出器１７による検出加速度の波形がシステムの固有振動周波数を持った速度、加速度検出値になり、さらにこれら速度や加速度等の検出値を使った速度制御やトルク制御の精度低下や不安定にする要因となり、高い精度の計測と安定した制御を難しくすることになる。

このダイナモメータシステムにおける結合軸の捻り振動を抑制する手法として、以下の手法が考えられるが、いずれの手法も結合軸の大型化、コストアップ、検出遅れによる応答性の低下などの問題が発生する。

（ａ）シャフトの剛性を高くする(材料の変更)。

（ｂ）軸径の拡大と軸長の短縮。

（ｃ）カップリングの剛性アップ
（ｄ）カップリングを使わない構成にする。例えば、４８インチオーバーハングシャシーダイナモメータのようにする。

（ｅ）ノイズフィルタにより検出信号から高周波振動成分やノイズ成分を除去する。

以上のような課題は、ダイナモメータシステムにおいて軸結合されるローラとダイナモメータおよびフライホイールの速度／加速度の計測・制御に限らず、例えば精密工作機械やロボットなど、軸結合された２慣性系または３慣性系の回転体を装備する計測・制御装置にも存在する。

本発明の目的は、軸結合される２慣性系または３慣性系以上の多慣性系の回転体における結合軸の捻り振動による計測・制御への影響を取り除くことができる回転体速度／加速度の計測・制御装置を提供することにある。

本発明は、前記の課題を解決するため、結合軸の捻り振動による速度や加速度の検出波形への影響は、結合軸で結合された回転体が持つ慣性値の相対的な違いによって大きく変化することに着目し、軸結合される回転体の各慣性値と速度または加速度の各検出値を使って、速度または加速度の加重平均処理を行って回転体の速度または加速度を計測し、これら速度または加速度の計測値により回転体の速度やトルクを制御するようにしたもので、以下の構成を特徴とする。

（１）軸結合された２慣性系または３慣性系以上の１つの回転体の速度または加速度を計測し、これら速度または加速度の計測値を使って回転体の速度やトルクを制御する計測・制御装置であって、
前記軸結合された複数の回転体の各慣性値と速度または加速度の各検出値を使って、速度または加速度の加重平均処理を行って１つの回転体の速度検出値または加速度検出値を求める加重平均処理手段を備えたことを特徴とする。

（２）前記加重平均処理手段は、第１の回転体と第２の回転体が軸結合された２慣性系の回転体の速度の加重平均は、
（Ｊ１・Ｎ１＋Ｊ２・Ｎ２）／（Ｊ１＋Ｊ２）
ただし、Ｊ１，Ｊ２は第１，第２の回転体の慣性値、
Ｎ１，Ｎ２は第１，第２の回転体の速度、
の演算で求めることを特徴とする。

（３）前記加重平均処理手段は、第１の回転体と第２の回転体が軸結合された２慣性系の回転体の加速度の加重平均は、
（Ｊ１・ｄＮ１／ｄｔ＋Ｊ２・ｄＮ２／ｄｔ）／（Ｊ１＋Ｊ２）
ただし、Ｊ１，Ｊ２は第１，第２の回転体の慣性値、
ｄＮ１／ｄｔ，ｄＮ２／ｄｔは第１，第２の回転体の加速度、
の演算で求めることを特徴とする。

（４）前記加重平均処理手段は、第１の回転体と第２の回転体と第３の回転体が軸結合された３慣性系の回転体の速度の加重平均は、
（Ｊ１・Ｎ１＋Ｊ２／Ｎ２＋Ｊ３／Ｎ３）／（Ｊ１＋Ｊ２＋Ｊ３）
ただし、Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３は第１，第２，第３の回転体の慣性値、
Ｎ１，Ｎ２，Ｎ３は第１，第２，第３の回転体の速度、
の演算で求めることを特徴とする。

（５）前記加重平均処理手段は、第１の回転体と第２の回転体と第３の回転体が軸結合された３慣性系の回転体の加速度の加重平均は、
（Ｊ１・ｄＮ１／ｄｔ＋Ｊ２・ｄＮ２／ｄｔ＋Ｊ３・ｄＮ３／ｄｔ）／（Ｊ１＋Ｊ２＋Ｊ３）
ただし、Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３は第１，第２，第３の回転体の慣性値、
ｄＮ１／ｄｔ，ｄＮ２／ｄｔ，ｄＮ３／ｄｔは第１，第２，第３の回転体の加速度、
の演算で求めることを特徴とする。

（６）前記加重平均処理手段は、第１の回転体〜第Ｐの回転体が軸結合されたＰ慣性系の回転体の加速度の加重平均は、
（Ｊ１・ｄＮ１／ｄｔ＋Ｊ２・ｄＮ２／ｄｔ＋…＋ＪＰ・ｄＮＰ／ｄｔ）／（Ｊ１＋Ｊ２＋…＋ＪＰ）
ただし、Ｊ１，Ｊ２，…，ＪＰは第１〜第Ｐの回転体の慣性値、
ｄＮ１／ｄｔ，ｄＮ２／ｄｔ，…，ｄＮＰ／ｄｔは第１〜第Ｐの回転体の加速度、
の演算で求めることを特徴とする。

（７）供試車両の駆動輪で駆動されるローラを前記第１の回転体とし、この第１の回転体に軸結合されたダイナモメータを前記第２の回転体とした２慣性系のダイナモメータシステム、さらにローラに軸結合されたフライホイールを前記第３の回転体とした３慣性系のダイナモメータシステムとし、供試車両の慣性抵抗分の一部または全部をダイナモメータが発生するトルクで制御する制御装置とし、
前記加重平均処理手段は、前記ローラとダイナモメータおよびフライホイールの各慣性値と速度または加速度の各検出値を使って、速度または加速度の加重平均処理を行ってダイナモメータの速度検出値または加速度検出値として求めることを特徴とする。

以上のとおり、本発明によれば、軸結合される回転体の各慣性値と速度または加速度の各検出値を使って、速度または加速度の加重平均処理を行って回転体の速度または加速度を計測し、これら速度または加速度の計測値により回転体の速度やトルクを制御するようにしたため、軸結合される２慣性系または３慣性系以上の多慣性系の回転体における結合軸の捻り振動による計測・制御への影響を取り除くことができる。

これにより、ダイナモメータにおける速度や加速度等の検出値を使った速度制御やトルク制御の精度低下や不安定にすることがなくなり、高い精度の計測と安定した制御を容易にする。

また、速度又は加速度の加重平均処理により、結合軸の捻り振動による計測・制御への影響を取り除くことができ、結合軸の剛性を高くするなどに比べて演算処理のみで簡単に実現できる。

実施形態１のダイナモメータの電気慣性制御装置のブロック図。２慣性系での加速度の慣性値加重平均処理の演算ブロック。２慣性系で慣性値加重平均処理が無い場合と有る場合の波形図。３慣性系での加速度の慣性値加重平均処理の演算ブロック。ダイナモメータシステムの構成例。トルクコントローラの電気慣性制御の等価ブロック図。

（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態を示すダイナモメータの電気慣性制御装置のブロック図であり、駆動力オブザーバにより加速度検出値などから車両発生駆動力Ｆ_R ^*を推定し、この推定した駆動力Ｆ_R ^*を使って電気慣性制御を行うシステムであり、図６と同等の部分は同一符号で示す。

図５に示すシステムで、フライホイール１０による慣性抵抗分の全てを電気慣性制御するローラ２とダイナモメータ３の２慣性系システムにおいて、推定する車両発生駆動力Ｆ_R ^*は、ローラ２が駆動輪１Ａで駆動される駆動トルクであり、ローラ２とダイナモメータ３の機械慣性トルクとダイナモメータの制動トルクとの和としてオブザーバが推定するもので、このうち制動トルクはトルク検出器１４による検出トルクＦ_M ^*となり、機械慣性トルクは加速度検出器１７で検出する加速度ｄＮ／ｄｔに設定器２１で設定するローラ２とダイナモメータ３の機械慣性分Ｊ₀を掛算器２２で乗じることで求める。電気慣性分トルクＦ_Eは、車両発生駆動力Ｆ_R ^*から走行抵抗Ｆ_RLを差し引いた値Ｆα（設定慣性加速トルク）に、設定器２３で設定する電気慣性Ｊ_Eと設定慣性Ｊの比（Ｊ_E／Ｊ）を掛算器２４で乗じることで求める。

これら演算によって電気慣性トルク分が求められるのは、実車の走行運動とダイナモメータ上の運動が等しいとする関係式（Ｆ_R−Ｆ_RL）／Ｊ＝（Ｆ_R−Ｆ_M）／Ｊ₀を変形したＦ_M＝（Ｊ−Ｊ₀）／Ｊ×Ｆ_R＋Ｊ₀／Ｊ×Ｆ_RLとなる。

ここで、Ｊ₀／Ｊ×Ｆ_RL＝−Ｆ_RL＋Ｊ₀／Ｊ×Ｆ_RL＋Ｆ_RLとすると、上記のＦ_MはＦ_M＝Ｊ_E／Ｊ×（Ｆ_R−Ｆ_RL）＋Ｆ_RLの関係になる。

以上の構成になる駆動力オブザーバによるダイナモメータの電気慣性制御装置において、本実施形態では、ダイナモメータ３とローラ２の慣性値を使った速度加重平均処理によって速度検出を行い、さらにはこの検出速度から加速度を求めることで、ダイナモメータ３とローラ２の結合軸の捻り振動による速度、加速度検出への影響を取り除き、さらにはダイナモメータの安定したトルク制御を実現する。

速度加重平均処理は、速度加重平均演算部２５によって演算し、この演算に必要なダイナモメータの慣性Ｊ₁とローラの慣性Ｊ₂は２慣性系２６がもつ慣性値として設定し、ダイナモメータの速度Ｎ₁およびローラ速度Ｎ₂は２慣性系２６のダイナモメータまたはローラの近くに設けた速度検出器２７₁，２７₂の検出値として取り込む。速度加重平均演算部２５の演算は、（Ｊ₁・Ｎ₁＋Ｊ₂・Ｎ₂）／（Ｊ₁＋Ｊ₂）となる。

以上の速度加重平均処理によって、速度Ｎの検出波形、さらにはこの速度検出波形から得る加速度ｄＮ／ｄｔの検出波形にはダイナモメータ３とローラ２の結合軸の捻り振動による高周波成分およびノイズ成分を縮減した検出値を得ることができる。

（実施形態２）
上記の速度加重平均処理は２慣性系のダイナモメータシステムでの結合軸の捻り振動による計測・制御への影響を取り除く場合を示すが、慣性分の一部をフライホイール１０で設定する３慣性系の電気慣性制御装置（例えば図５の構成）に適用して同等の効果を得ることができる。

この３慣性系での速度加重平均処理は、フライホイール１０の慣性Ｊ₃と速度検出値Ｎ₃を加えた、（Ｊ₁・Ｎ₁＋Ｊ₂・Ｎ₂＋Ｊ₃・Ｎ₃）／（Ｊ₁＋Ｊ₂＋Ｊ₃）となる。

（実施形態３）
図１では、速度加重平均処理によって結合軸の捻り振動による影響を取り除く場合を示すが、加速度の加重平均処理により結合軸の捻り振動による加速度検出波形への影響を取り除くことができる。

この加速度加重平均処理は、２慣性系では、図２に加速度の慣性値加重平均処理演算を示すように、ダイナモメータ３の慣性をＪ１，加速度検出値をｄＮ１／ｄｔとし、ローラ２の慣性をＪ２、加速度検出値をｄＮ２／ｄｔとすると、下記式の演算で求められる。

（Ｊ１・ｄＮ１／ｄｔ＋Ｊ２・ｄＮ２／ｄｔ）／（Ｊ１＋Ｊ２）
図３は、その（ａ）に２慣性系での加速度加重平均処理を設けていない場合の速度検出波形と加速度検出波形を示し、（ｂ）に２慣性系での加速度加重平均処理を設けた場合の速度検出波形と加速度検出波形波形を示す。これら波形図からも明らかなように、加速度加重平均処理を設けていない場合には速度検出波形には高周波振動波形が重畳して検出されるのに対し、加速度加重平均処理を行うことで振動振幅および脈動が極めて小さくなる。

具体的には、図３の（ａ）と（ｂ）とでは、加速度検出は共振点で１．３ｍ／ｓ²→０．３ｍ／ｓ²まで低減し、減速時は１．４ｍ／ｓ²→０．２ｍ／ｓ²まで減らすことができた。

同様にして、３慣性系での加速度加重平均処理は、図４に加速度の慣性値加重平均処理演算を示すように、フライホイール１０の慣性をＪ３，加速度検出値をｄＮ３／ｄｔとすると、下記式の演算で求められる。

（Ｊ１・ｄＮ１／ｄｔ＋Ｊ２・ｄＮ２／ｄｔ＋Ｊ３・ｄＮ３／ｄｔ）／（Ｊ１＋Ｊ２＋Ｊ３）
この３慣性系での加速度加重平均処理によって振動振幅および脈動が一層小さくなる。実験によれば、３慣性系での加速度加重平均処理を設けていない場合と加速度加重平均処理を設けた場合の加速時および減速時に振動振幅および脈動を低減することができた。

なお、上記までの２慣性系、３慣性系以上の多慣性系についても理論上は上記と同様に慣性値の加重平均処理を行うことにより、捻り振動の影響のない速度・加速度検出および制御を得ることができる。例えば、加重平均処理手段は、第１の回転体〜第Ｐの回転体が軸結合されたＰ慣性系の回転体の加速度の加重平均は、
（Ｊ１・ｄＮ１／ｄｔ＋Ｊ２・ｄＮ２／ｄｔ＋…＋ＪＰ・ｄＮＰ／ｄｔ）／（Ｊ１＋Ｊ２＋…＋ＪＰ）
ただし、Ｊ１，Ｊ２，…，ＪＰは第１〜第Ｐの回転体の慣性値、
ｄＮ１／ｄｔ，ｄＮ２／ｄｔ，…，ｄＮＰ／ｄｔは第１〜第Ｐの回転体の加速度、
の演算で求める。

１供試車両
２ローラ
３ダイナモメータ
４トルクコントローラ
１０フライホイール
１６速度検出器
１７加速度検出器
１８走行抵抗設定器
２５速度加重平均演算部
２６２慣性系
２７₁、２７₂ 速度検出器

Claims

軸結合された２慣性系または３慣性系以上の１つの回転体の速度または加速度を計測し、これら速度または加速度の計測値を使って回転体の速度やトルクを制御する計測・制御装置であって、
前記軸結合された複数の回転体の各慣性値と速度または加速度の各検出値を使って、速度または加速度の加重平均処理を行って１つの回転体の速度検出値または加速度検出値を求める加重平均処理手段を備えたことを特徴とする回転体速度／加速度の計測・制御装置。
前記加重平均処理手段は、第１の回転体と第２の回転体が軸結合された２慣性系の回転体の速度の加重平均は、
（Ｊ１・Ｎ１＋Ｊ２・Ｎ２）／（Ｊ１＋Ｊ２）
ただし、Ｊ１，Ｊ２は第１，第２の回転体の慣性値、
Ｎ１，Ｎ２は第１，第２の回転体の速度、
の演算で求めることを特徴とする請求項１に記載の回転体速度／加速度の計測・制御装置。
前記加重平均処理手段は、第１の回転体と第２の回転体が軸結合された２慣性系の回転体の加速度の加重平均は、
（Ｊ１・ｄＮ１／ｄｔ＋Ｊ２・ｄＮ２／ｄｔ）／（Ｊ１＋Ｊ２）
ただし、Ｊ１，Ｊ２は第１，第２の回転体の慣性値、
ｄＮ１／ｄｔ，ｄＮ２／ｄｔは第１，第２の回転体の加速度、
の演算で求めることを特徴とする請求項１に記載の回転体速度／加速度の計測・制御装置。
前記加重平均処理手段は、第１の回転体と第２の回転体と第３の回転体が軸結合された３慣性系の回転体の速度の加重平均は、
（Ｊ１・Ｎ１＋Ｊ２／Ｎ２＋Ｊ３／Ｎ３）／（Ｊ１＋Ｊ２＋Ｊ３）
ただし、Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３は第１，第２，第３の回転体の慣性値、
Ｎ１，Ｎ２，Ｎ３は第１，第２，第３の回転体の速度、
の演算で求めることを特徴とする請求項１に記載の回転体速度／加速度の計測・制御装置。
前記加重平均処理手段は、第１の回転体と第２の回転体と第３の回転体が軸結合された３慣性系の回転体の加速度の加重平均は、
（Ｊ１・ｄＮ１／ｄｔ＋Ｊ２・ｄＮ２／ｄｔ＋Ｊ３・ｄＮ３／ｄｔ）／（Ｊ１＋Ｊ２＋Ｊ３）
ただし、Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３は第１，第２，第３の回転体の慣性値、
ｄＮ１／ｄｔ，ｄＮ２／ｄｔ，ｄＮ３／ｄｔは第１，第２，第３の回転体の加速度、
の演算で求めることを特徴とする請求項１に記載の回転体速度／加速度の計測・制御装置。
前記加重平均処理手段は、第１の回転体〜第Ｐの回転体が軸結合されたＰ慣性系の回転体の加速度の加重平均は、
（Ｊ１・ｄＮ１／ｄｔ＋Ｊ２・ｄＮ２／ｄｔ＋…＋ＪＰ・ｄＮＰ／ｄｔ）／（Ｊ１＋Ｊ２＋…＋ＪＰ）
ただし、Ｊ１，Ｊ２，…，ＪＰは第１〜第Ｐの回転体の慣性値、
ｄＮ１／ｄｔ，ｄＮ２／ｄｔ，…，ｄＮＰ／ｄｔは第１〜第Ｐの回転体の加速度、
の演算で求めることを特徴とする請求項１に記載の回転体速度／加速度の計測・制御装置。
供試車両の駆動輪で駆動されるローラを前記第１の回転体とし、この第１の回転体に軸結合されたダイナモメータを前記第２の回転体とした２慣性系のダイナモメータシステム、さらにローラに軸結合されたフライホイールを前記第３の回転体とした３慣性系のダイナモメータシステムとし、供試車両の慣性抵抗分の一部または全部をダイナモメータが発生するトルクで制御する制御装置とし、
前記加重平均処理手段は、前記ローラとダイナモメータおよびフライホイールの各慣性値と速度または加速度の各検出値を使って、速度または加速度の加重平均処理を行ってダイナモメータの速度検出値または加速度検出値として求めることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の回転体速度／加速度の計測・制御装置。