JP3914999B2 - 変速制御方法および変速制御装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、変速制御方法および変速制御装置に関する。さらに詳しくは、航空機および自動車などで利用されるトラクションドライブ式の無段変速機の出力回転数をより安価な機構で高精度に制御するための変速制御方法および変速制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、トラクションドライブ式の無段変速機（以下、単にトラクション無段変速機ということもある）の中で比較的大動力の伝達に利用されるものとして、ドーナッツ形状の内面を摩擦面として利用するトロイダル型無段変速機が用いられている。このトロイダル型無段変速機は、入出力の２枚のディスクそれぞれの摩擦面と接触しつつ回転するパワーローラの傾転角を調節することによって変速比を連続的に可変制御するものである。
【０００３】
従来、このようなトロイダル型無段変速機の変速制御の制御特性を高めるために、その出力回転数のみを検出して傾転角を調節するのではなく、傾転角そのもの、もしくはこれと直接的に係わるパラメータを何らかの方法で検出しローカルなフィードバック制御で傾転角を調節する方式が一般的になされている。
【０００４】
図９に、このような従来の変速制御の基本概念を示す。
【０００５】
いま、航空機エンジンの回転出力１０１をトロイダル型無段変速機１０２を含む無段変速機構１０３により変速して一定回転数の回転駆動力１０４に変換し、この回転駆動力１０４を発電機１０５に入力して所定周波数の交流電流を発電する発電システム１００を考える。この発電システム１００は、トロイダル型無段変速機１０２のパワーローラ１１０の傾転角を操作するアクチュエータとして例えば油圧シリンダ１１１を用いており、この油圧シリンダ１１１によりパワーローラ１１０の回転軸の位置（以下、パワーローラ位置という）を偏位させてパワーローラ１１０の傾転角を操作するものとされる。
【０００６】
この発電システム１００において、回転駆動力１０４の回転数を制御する制御システムは、回転駆動力１０４の目標回転数１０６から回転駆動力１０４の回転数検出値１０７を減算して回転数偏差１０８として出力する回転数減算器１０９と、回転数減算器１０９からの回転数偏差１０８を値零とするようなパワーローラ位置を指示するパワーローラ位置指令１１２を生成する回転数制御器１１３と、パワーローラ位置の検出値１１５がパワーローラ位置指令１１２と一致するようパワーローラ１１０の傾転角をフィードバック制御する傾転角制御ループ１１４とから構成される。
【０００７】
傾転角制御ループ１１４は、パワーローラ位置の検出値１１５をパワーローラ位置指令１１２から減算して位置偏差１１６として出力する位置減算器１１７と、位置偏差１１６を値零とするような油圧シリンダ１１１への給油流量を制御する制御弁（不図示である）の弁開度を指示する弁開度指令１１８を生成する位置制御器１１９とから構成される。
【０００８】
すなわち、発電システム１００においては、ローカルなフィードバック制御系である傾転角制御ループ１１４によって、パワーローラ位置検出値１１５に基づいてパワーローラ１１０の傾転角、つまり変速比が制御されるものとされる。
【０００９】
図１０に、このようなローカルなフィードバック制御系を有する制御機構の一提案例を示す（特許第２５６８６８４号公報参照）。
【００１０】
この制御機構２００は、パワーローラ２０１の傾転角変化量φgをプリセスカムを用いて機械的に検出し、それによりパワーローラ位置を変位させて傾転角をフィードバック制御するものとされる。すなわち、制御機構２００は、パワーローラ位置を変位させるアクチュエータとしての油圧シリンダ２０２と、油圧シリンダ２０２への給油流量を調節する制御弁機構２０３と、傾転角変化量φgを機械的に検出しそれに応じて制御弁機構２０３の弁開度を操作する傾転角変化量検出機構２０４とから構成される。
【００１１】
制御弁機構２０３は、変速モータ２０５の回転により軸方向に変位するスリーブ２０６と、このスリーブ２０６の内径部にはめ合わされるとともにスプリング２０７により弁の開側に付勢されるスプール２０８と、スプール２０８により開閉される油路ポート２０９とから構成される。
【００１２】
この制御機構２００においては、変速モータ２０５の回転位置により変速機構における目標変速比を指示する変速指令が与えられ、傾転角変化量検出機構２０４により機械的に検出される傾転角変化量φgに応じて制御弁機構２０３の弁開度が操作される。これにより、油圧シリンダ２０２への給油流量が調節されてパワーローラ位置指令が与えられる。この給油流量の変化に応じて油圧シリンダ２０２のピストン２１３の位置２１４が変位されパワーローラ位置が調節される。
【００１３】
図１１に、他の提案例を示す（特開２０００−２５７６８６号公報参照）。
【００１４】
この制御機構３００は、パワーローラ３０１の傾転角変化量φgを検出するための検出機構として、差動変圧器ＬＶＤＴ（Ｌｉｎｅａｒ Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ）（以下、ＬＤＶＴという）などの位置センサ３０２を設けて、その検出結果によりパワーローラ３０１の傾転角をフィードバック制御するようにしている。すなわち位置センサ３０２は、例えばパワーローラ位置を操作するアクチュエータとしての油圧シリンダ３０３のピストン３０４の位置を検出することによって、パワーローラ位置を検出するものとされ、その検出値３０５が位置制御器３０６に入力される。位置制御器３０６は、パワーローラ位置検出値３０５および変速指令３０７に基づき制御弁機構３０８の弁開度を指示する弁開度指令３０９を生成し、これによって油圧シリンダ３０３への給油流量が調節されてパワーローラ位置指令が与えられる。
【００１５】
このように、従来、トラクション無段変速機における変速制御の制御特性を高めるために、パワーローラ位置を機械的・電気的に検出しその検出結果に基づきパワーローラの傾転角すなわち、変速比をフィードバック制御する方式が種々提案されている。
【００１６】
しかしながら、前掲の特許第２５６８６８４号公報のようにパワーローラの傾転角変化量を機械的に検出する方法では、そのような検出機構の加工誤差、組み立て誤差、および遊びやガタによる誤差の影響を要求精度以内に抑える必要がある。ところが、高精度の変速制御が要求される場合にはそのような検出機構の各部品をさらに高精度なものに形成する必要があり、加工・組み立てが非常に困難なものになるという問題がある。
【００１７】
また、そのような機械的検出機構は高精度の構成部品を多数組み合わせて構成されるため、機構の大型化・大重量化が避け難く特に航空機に搭載するものとしては不適格である上、コストも高くなるという問題がある。さらに、機械的検出機構に関しては、構成部品精度の経年劣化の影響が顕著であり、ガタの拡大やたわみの発生などを原因とする制御精度の低下が、全システムの安定性や性能の劣化を招くという問題がある。
【００１８】
一方、特開２０００−２５７６８６号公報のように、ＬＶＤＴなどの高精度の位置センサを用いてパワーローラ位置を検出する構成においても、位置センサを設けることによる機構の大型化および重量の増大は避けられず、特に航空機の発電システムなどに利用する場合は設置に困難をきたすことがあるとともに、そのような高精度の位置センサは高価でありコスト増大が避けられないという問題がある。
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はかかる従来技術の課題に鑑みなされたものであって、良好な制御特性を維持しつつ、トラクション無段変速機を用いた無段変速機構構の小型化、低重量化および低コスト化を図ることができる変速制御方法および変速比制御装置を提供することを目的としている。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
本発明の変速制御方法の第１形態は、エンジンからの入力がパワーローラを有するトラクション無段変速機と遊星歯車変速機構とに分流される、パワースプリット方式の変速機構を備える発電機用無段変速機構の変速比を前記パワーローラの傾転角推定値を用いて制御する変速制御方法であって、前記発電機用無段変速機構の出力軸回転数は、一定回転数とされ、エンジン回転数と発電機回転数とに基づいて前記パワーローラの傾転角を推定し、前記推定された傾転角と、前記パワーローラの傾転角を調整する駆動装置への指令値とに基づいて、傾転角と駆動装置モデルとを用いて構成された最小次元オブザーバにより同パワーローラの位置を推定し、パワーローラ位置指令値と前記パワーローラの推定位置との偏差を解消するよう前記パワーローラの位置制御をなすことを特徴とする。
【００２１】
また、本発明の変速制御方法の第２形態は、エンジンからの入力がパワーローラを有するトラクション無段変速機と遊星歯車変速機構とに分流される、パワースプリット方式の変速機構を備える発電機用無段変速機構の出力回転数が一定回転数となるように、前記無段変速機の変速比を前記パワーローラの傾転角推定値を用いて制御する変速制御方法であって、エンジン回転数と発電機回転数とに基づいて前記無段変速機のパワーローラの傾転角を推定し、前記推定された傾転角と、前記パワーローラの傾転角を調整する駆動装置への指令値とに基づいて、傾転角と駆動装置モデルとを用いて構成された最小次元オブザーバにより同パワーローラの位置を推定し、パワーローラ位置指令値と前記パワーローラの推定位置との偏差を解消するよう前記パワーローラの位置制御をなすことを特徴とする。
【００２３】
一方、本発明の変速制御装置は、エンジンからの入力がパワーローラを有するトラクション無段変速機と遊星歯車変速機構とに分流される、パワースプリット方式の変速機構を備える発電機用無段変速機構の出力回転数が一定回転数となるように、前記無段変速機の変速比を前記パワーローラの傾転角推定値を用いて制御する変速制御装置であって、エンジン回転数と発電機回転数とに基づいて前記無段変速機のパワーローラの傾転角を推定する傾転角推定手段と、前記推定された傾転角と、前記パワーローラの傾転角を調整する駆動装置への指令値とに基づいて、同パワーローラの位置を推定する傾転角と駆動装置モデルとを用いて構成された最小次元オブザーバからなるパワーローラ位置推定手段とを備え、パワーローラ位置指令値と前記パワーローラの推定位置との偏差を解消するよう前記パワーローラの位置制御をなすように構成されてなることを特徴とする。
【００２５】
ここで、駆動装置は例えば油圧シリンダとされる。
【００２６】
【作用】
本発明は前記の如く構成されているので、位置センサなどの検出機構を特別に設けることなく、各回転数センサの検出値のみを用いてパワーローラ位置を精確に推定しパワーローラの傾転角をフィードバック制御することができる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照しながら本発明を実施形態に基づいて説明するが、本発明はかかる実施形態のみに限定されるものではない。
【００２８】
図１に、本発明の一実施形態に係る変速制御方法を用いた変速制御装置が適用される発電システムの概略構成を示し、この発電システムＡは、例えば航空機のメインエンジンの回転出力を利用して所定周波数の交流電流を発電するための発電システムとされる。
【００２９】
発電システムＡは、具体的には、発電機１０と、エンジンＥからの回転出力を所定回転数に変速して発電機１０に出力する無断変速機構２０と、無断変速機構２０の入力回転数、つまりエンジンＥの出力回転数（以下、エンジン回転数という）Ｎ1を検出するエンジン回転数センサ３０と、無断変速機構２０の出力回転数、つまり発電機１０に入力される回転駆動力の回転数（以下、発電機駆動回転数という）Ｎ2を検出する発電機駆動回転数センサ４０と、エンジン回転数センサ３０および発電機駆動回転数センサ４０の出力信号に基づき、発電機駆動回転数Ｎ2が一定回転数となるよう無断変速機構２０の変速比を制御する変速制御器５０とを主要構成要素として備えてなる。
【００３０】
発電機１０は、航空機の照明、空調および防氷装置などの各種電気機器で用いられる電力を供給するため、一定回転数（例えば、２４０００ｒｐｍ）で駆動されて規定の周波数（例えば、４００Ｈｚ）の交流電流を発電するものとされる。なお、発電機１０の構成は、公知の発電機と同様のものとされているので、その詳細な説明は省略する。
【００３１】
無段変速機構２０は、図２に示すように、トラクションドライブ式のトロイダル型無段変速機（以下、トラクション無段変速機という）２１と遊星歯車機構２２とを含み、エンジン回転数Ｎ1が所定範囲内（例えば、４５００〜９２００ｒｐｍ）にあるときに、エンジン回転数Ｎ1を前記一定回転数に変速して発電機１０に出力するものとされる。また、無段変速機構２０は、その入力軸２３から入力される回転駆動力を全てトラクション無段変速機２１を介して発電機１０に伝達するのではなく、遊星歯車機構２２との間で動力を分流して伝達するパワースプリット方式の変速機構とされる。
【００３２】
具体的には、無段変速機構２０の入力軸２３にはギヤ２３ａが設けられる一方、トラクション無段変速機２１にはこのギヤ２３ａと噛合するギヤ２５ａが設けられ、これによりトラクション無段変速機２１の入力軸２５が無段変速機構２０の入力軸２３に接続されるとともに、アイドラ２４、つまり動力分流軸２４の一端にも前記ギヤ２３ａと噛合するギヤ２４ａが設けられるとともに、その他端にもギヤ２４ｂが設けられていて、このギヤ２４ｂがリングギヤ２２ｂと噛合し、それにより遊星歯車変速機構２２に無段変速機構２０の入力軸２３が接続されている。これにより、無段変速機構２０の入力軸２３からの回転駆動力がトラクション無段変速機２１および遊星歯車変速機構２２に分流可能とされる。
【００３３】
次に、トラクション無段変速機２１の構成について説明する。
【００３４】
トラクション無段変速機２１は、いわゆるハーフトロイダル型とされ、その入力軸２５と連動して回転する入力ディスク２１ａと、トラクション無段変速機２１の出力軸２６と連動して回転する出力ディスク２１ｂと、入力ディスク２１ａおよび出力ディスク２１ｂの間に介在する複数のパワーローラ２１ｃと、パワーローラ２１ｃの押付力を発生するための軸力発生機構２１ｄなどで構成される。
【００３５】
図３に示すように、入力ディスク２１ａおよび出力ディスク２１ｂそれぞれは摩擦面２１ｅ、２１ｆを有し、これら摩擦面２１ｅ、２１ｆは、各ディスク２１ａ、２１ｂをその回転軸Ｉを含む平面で切断したときにその断面形状が回転軸Ｉを中心に対称に配される各１／４の円弧となるように形成されている。
【００３６】
各パワーローラ２１ｃは、スラスト軸受け２１ｇと、公知のトラニオン（不図示である）と呼ばれる支持部材によって、ローラ軸２１ｈ回りの回転を許容し、かつローラ軸２１ｈおよびディスク回転軸Ｉを含む平面内で傾転自在に支持されている。
【００３７】
入力ディスク２１ａ、出力ディスク２１ｂおよびパワーローラ２１ｃという３つの転動体は高圧で押付けられて、その接触部に生じる高粘度潤滑油膜の剪断抵抗によって動力が伝達される。また、その変速方法は、パワーローラ２１ｃの傾転角Φ、すなわちパワーローラ２１ｃと入力ディスク２１ｂの接点Ｑと摩擦面２１ｅの断面円弧に対する中心Ｏとを結ぶ線分ＯＱが点Ｏを通りディスク回転軸Ｉに垂直な直線Ｒとなす角を変化させることによって、変速比を所定範囲内、例えば０．５〜２．０の範囲内で任意に変化させるものである。
【００３８】
ここで、この傾転角Φの変化は次のようにしてなされる。
【００３９】
図４に示すように、後出の駆動装置、例えばアクチュエータ８０によりローラ回転軸２１ｈを距離ｘオフセットさせると、パワーローラ側速度ｕpとディスク側速度ｕdとの間に方向のずれが生じ、下記式（１）で表されるサイドスリップ速度ｖsが生じることになる。
【００４０】
ｖs＝ｕd−ｕp （１）
【００４１】
これにより、サイドスリップ速度ｖsが値零になるようにパワーローラ２１ｃの傾転角Φが変化する。したがって、アクチュエータ（油圧シリンダ）８０のピストンロッド８１の進出量を適宜調節することにより、傾転角Φを所望角度とすることができ、それにより所望の変速となし得る。すなわち、パワーローラ２１ｃの回転軸２１ｈの偏位量（以下、パワーローラ位置という）を操作することによって傾転角Φを所望角度に調節して所望の変速制御がなし得る。
【００４２】
ただし、傾転角Φがあまり大きくなりすぎると、過大スピンが生じて良好な動力伝達特性が得られなくなる。そのため、傾転角Φは一定の範囲に制限され、またこの傾転角Φを一定の範囲に制限するため、図示はされていないが、メカニカルストッパーが設けられている。
【００４３】
ここで、図３に示すように、パワーローラ２１ｃと入力ディスク２１ａとが接触する位置をディスク回転軸から測った距離を入力側接触半径Ｒiとし、パワーローラ２１ｃと出力ディスク２１ｂとが接触する位置をディスク回転軸から測った距離を出力側接触半径Ｒoとし、入力軸および入力ディスク２１ａの回転数をＮiとし、出力軸および出力ディスク２１ｂの回転数をＮoとすると、変速比ＲCVT＝Ｎo／Ｎi＝Ｒi／Ｒoという関係が成立する。そこで、各パワーローラ２１ｃの傾転角Φを制御することによって、各接触半径Ｒi、Ｒoが連続的に変化するため、変速比Ｎo／Ｎiを連続的に変化させることが可能になる。
【００４４】
すなわち、入力ディスク２１ａとパワーローラ２１ｃの接点までの軸心からの距離Ｒiと出力ディスク２１ｂとパワーローラ２１ｃの接点までの軸心からの距離Ｒoとの比（Ｒi／Ｒo）で変速比は決まる。したがって、パワーローラ２１ｃの傾転角Φを変化させることによって、変速比を無段階に変えることが可能となる。
【００４５】
次に、遊星歯車変速機構２２の構成について説明する。
【００４６】
遊星歯車変速機構２２は、前述したように、無段階変速機構２０の入力軸２３にアイドラ（動力分流軸）２４を介して接続されるリングギヤ２２ｂと、トラクション無段変速機２１の出力軸２６に固定あるいは一体化して形成されているサンギヤ２２ａと、リングギヤ２２ｂとサンギヤ２２ａとの間に嵌めこまれる複数の遊星歯車機構２２ｃと、これら遊星歯車機構２２ｃのサンギヤ２２ａ軸回りの回転に応じて回転するキャリア２２ｄとから構成されている。
【００４７】
すなわち、遊星歯車変速機構２２は、各遊星歯車機構２２ｃが自由に回転できる状態でキャリア２２ｄに固定されている他、リングギヤ２２ｂおよびサンギヤ２２ａがそれぞれ回転可能とされた２自由度を有するとともにアイドラ２４、つまり動力分流軸２４を有する構成とされている。これによって、トラクション無段変速機２１と動力分流軸２４との間で、発電機１０を駆動する回転駆動力を分流して伝達することが可能となる。
【００４８】
また、サンギヤ２２ａの回転速度を入力軸２３の回転速度、つまりエンジン回転数Ｎ1の変化に応じてトラクション無段変速機２１により変化させることによって、キャリア２２ｄの回転速度を一定（例えば６２５５ｒｐｍ）に保つことが可能となる。このキャリア２２ｄの回転出力は、アイドラ２７でさらに増速され、発電機１０を例えば２４０００ｒｐｍ一定で駆動する。
【００４９】
このように、発電機１０に入力される回転駆動力を、トラクション無段変速機２１を介して全て伝達するのではなく、トラクション無段変速機２１と動力分流軸２４とに分流させて伝達しているので、トラクション無段変速機２１の寿命を伸ばすことができるとともに、トラクション無段変速機２１を小型化してトラクション無段変速機２１自体の重量を軽減できる。また、一般的に無段階変速機構により伝達可能な動力の上限は比較的低いが、動力分流軸２４との間で動力を分流させることによって、無段変速機構２０における伝達可能な動力の上限を引き上げることが容易となるとともに、ギヤ部すなわち遊星歯車変速機構１２の効率が９９％以上であるので、定速駆動機構全体の動力伝達効率を９５％程度に向上できる。
【００５０】
次に、エンジン回転数センサ３０および発電機駆動回転数センサ４０の構成について説明する。
【００５１】
エンジン回転数センサ３０および発電機駆動回転数センサ４０は、例えばパルスジェネレータとカウンタ（ともに不図示である）との組み合わせからなり、パルスジェネレータが所定時間内に発生するパルス数をカウンタにより計測することによってエンジン回転数Ｎ1および発電機駆動回転数Ｎ2を検出し、その検出値を表す信号を出力するものとされる。
【００５２】
変速比制御機構５０は、図５に示すように、パワーローラ位置指令生成ブロック６０とパワーローラ位置制御ブロック７０とから構成される。
【００５３】
パワーローラ位置指令生成ブロック６０は、発電機駆動回転数Ｎ2の目標値である発電機駆動回転数指令ｙから発電機駆動回転数Ｎ2の検出値を減算して、その偏差信号である回転数偏差ｅを出力する回転数減算器６１と、回転数偏差ｅを値零とするようなパワーローラ位置を指示するためのパワーローラ位置指令ｘPRcを生成する回転数制御器６２とを備えてなるものとされる。
【００５４】
パワーローラ位置制御ブロック７０は、回転数制御器６２からのパワーローラ位置指令ｘPRc、エンジン回転数検出値Ｎ1および発電機駆動回転数検出値Ｎ2に基づき制御入力信号としてのアクチュエータ作動指令ｉを生成してアクチュエータ８０に出力するものとされる。
【００５５】
ここで、アクチュエータ８０はそのピストンロッド８１の位置を制御可能に構成された油圧シリンダとされる。この場合、ピストンロッド８１の位置は、油圧シリンダ８０への給油流量を制御する制御弁８２の弁開度を調節することによって操作される。この場合、アクチュエータ作動指令ｉは、後で述べるようにして演算されるパワーローラ位置推定値YｘPRとパワーローラ位置指令ｘPRcとを一致させるよう制御弁８２の弁開度を指示する弁開度指令とされる。
【００５６】
次に、パワーローラ位置制御ブロック７０の詳細構成を説明する。
【００５７】
図６に示すように、パワーローラ位置制御ブロック７０は、所定のパワーローラ位置推定処理によりパワーローラ位置を推定しその推定結果をパワーローラ位置推定値YｘPRとして出力するオブザーバ７１と、パワーローラ位置指令ｘPRcからパワーローラ位置推定値YｘPRを減算しその減算結果を位置偏差ｅPとして出力する位置減算器７２と、位置偏差ｅPを値零とするような弁開度指令ｉを生成し出力する位置制御器７３と、所定の傾転角推定処理によりパワーローラ２１ｃの傾転角を推定しその推定結果を傾転角推定値YΦとして出力する傾転角演算部７４とから構成されてなる。ここで、YｘPRはｘPRの予測推定値を示し、YΦはΦの予測推定値を示す。
【００５８】
次に、オブザーバ７１が実施するパワーローラ位置推定処理を説明する。
【００５９】
回転角Φおよびパワーローラ位置ｘPRの制御特性を下記式（２）、（３）の数式モデルでそれぞれ表すものとする。
【００６０】
Φ＝（Ｋ2／ｓ（１＋Ｔ2ｓ））ｘPR （２）
【００６１】
ｘPR＝（Ｋ1／ｓ）ｉ （３）
【００６２】
但し、式（２）、（３）において、Ｋ1，Ｋ2はそれぞれ比例ゲインを表し、Ｔ2は時定数を表す。また、ｓはラプラス演算子を表す。
【００６３】
式（２）、（３）からオブザーバ７１の設計用モデルは下記式（４）のように表せることがわかる。
【００６４】
ｘPR≒（Ｋ／ｓ2）ｉ （４）
【００６５】
但し、Ｋ＝Ｋ1Ｋ2であり、Ｔ2≒０である。
【００６６】
ここで、状態空間表現された行列Ａ、Ｂを下記式（５）、（６）、（７）のように分割する。
【００６７】
ｄｘ／ｄｔ＝Ａｘ＋Ｂｉ （５）
【００６８】
ｘPR＝Ｃｘ （６）
【００６９】
【数１】
【００７０】
但し、式（５）、（６）で、ｘは状態変数を表す。このとき、下記式（８）、（９）の関係が成り立つ。
【００７１】
【数２】
【００７２】
【数３】
【００７３】
したがって、Ａ11＝Ａ21＝Ａ22＝Ｂ1＝０、Ａ12＝１、Ｂ2＝Ｋが成り立つ。
【００７４】
ここで、設計パラメータＬを導入して、オブザーバの極、すなわち下記式（１０）で表される予測推定行列YＡの固有値が安定になるようにパラメータＬを調整する。
【００７５】
YＡ＝Ａ22−ＬＡ12 （１０）
【００７６】
これにより、行列Ｌを用いて各行列YＢ、Ｇ、YＣおよびYＤを下記式（１１）、（１２）、（１３）、（１４）のように求めることが可能である。
【００７７】
YＢ＝−ＬＢ1＋Ｂ2 （１１）
【００７８】
Ｇ＝YＡＬ＋Ａ21−ＬＡ21 （１２）
【００７９】
【数４】
【００８０】
【数５】
【００８１】
したがって、傾転角Φおよびパワーローラ位置ｘPRのモデルからオブザーバ７１を下記式（１５）、（１６）により示されるような最小次元オブザーバとして設計することができる。
【００８２】
ｄω／ｄｔ＝YＡω＋YＢｉ＋ＧYΦ （１５）
【００８３】
YｘPR＝YＣω＋YＤYΦ （１６）
【００８４】
ここで、ωは最小次元オブザーバの状態を表す。
【００８５】
次に、傾転角演算部７４が実施する傾転角推定処理を説明する。
【００８６】
無段変速機構２０の変速比ｅSにつき下記式（１７）の関係がある。
【００８７】
【数６】
【００８８】
但し、ｒ1〜ｒ14は、歯車の半径を示す。
【００８９】
したがって、傾転角推定値YΦは下記式（１８）により演算することが可能である。
【００９０】
【数７】
【００９１】
但し、
【００９２】
【数８】
【００９３】
【００９４】
このように、実施形態の変速制御装置は、傾転角演算部７４がエンジン回転数Ｎ1および発電駆動回転数Ｎ2に基づき傾転角推定値YΦを演算し、オブザーバ７１が傾転角推定値YΦおよび制御入力信号としての弁開度指令ｉに基づきパワーローラ位置を推定するので、後述の実施例で示すように、制御精度を維持しつつ位置センサなどの位置検出機構を省略して変速制御装置を構成することが可能となる。
【００９５】
したがって、例えば航空機に搭載されるような発電システムの無段変速機構およびその変速制御装置において、部品点数を大幅に削減することも可能であり、システムを小型化・軽重量化することができるとともに、装置の保守を容易とすることも可能である。さらには、コストを大幅に抑制することも可能となる。
【００９６】
また、オブザーバの設計・調整は非常に容易である上、オブザーバの特徴としてのノイズ除去効果も期待できるので、外乱がある場合にも制御性の顕著な低下を招くことがないシステムを構築することも可能となる。
【００９７】
【実施例】
図７および図８に、実施形態のオブザーバ７１を用いた変速制御系と位置センサを設けた変速制御系の特性を対比して示す。
【００９８】
図７は、オブザーバ７１のパワーローラ位置推定値YｘPRを用いて無段変速機構２０の変速制御を行う制御系において入力回転数を４５００ｒｐｍから４８００ｒｐｍにステップ状に変化させたときの応答を示す。同図（ａ）は無段変速機構２０の入力回転数、つまりエンジン回転数Ｎ1の変化の様子を示し（横軸は時間（秒）を示す）、同図（ｂ）はそれに対する無段変速機構２０の出力回転数、つまり発電機駆動回転数Ｎ2の変化の様子を示す。また、同図（ｃ）は別途検出された実際のパワーローラ位置の変化を示す。
【００９９】
図８は、位置センサによるパワーローラ位置検出値を用いて無段変速機構２０の変速制御を行う制御系において入力回転数を４５００ｒｐｍから４８００ｒｐｍにステップ状に変化させたときの応答を示す。同図（ａ）は無段変速機構２０の入力回転数、つまりエンジン回転数Ｎ1の変化の様子を示し（横軸は時間（秒）を示す）、同図（ｂ）はそれに対する無段変速機構２０の出力回転数、つまり発電機駆動回転数Ｎ2の変化の様子を示す。また、同図（ｃ）は検出されたパワーローラ位置の変化を示す。
【０１００】
図７と図８とを比較すれば明らかなように、オブザーバを用いることによって位置センサを用いた場合とほぼ同等の性能を発揮できることが分かる。
【０１０１】
以上、本発明を実施形態および実施例に基づいて説明してきたが、本発明はかかる実施形態および実施例に限定されるものではなく、種々改変が可能である。例えば、実施形態においては、オブザーバ７１を最小次元オブザーバとして構成したが、全次元オブザーバ、あるいは非線形なオブザーバ（特願２０００−０７５５６６）として構成することも可能である。
【０１０２】
また、無段変速機はハーフトロイダル型に限らず、オブザーバの導入により制御特性の向上が可能な全ての無段変速機について適用可能であることはいうまでもない。
【０１０３】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、無段変速機構の入力回転数および出力回転数を用いてパワーローラの傾転角を推定し、さらにこの推定された傾転角とこのパワーローラを駆動する駆動装置の指令値とによりパワーローラの位置を推定し、この推定値に基づいてパワーローラの傾転角をフィードバック制御するので、パワーローラ位置を検出するための高精度の位置センサを省略した場合にも同程度の精度で変速比制御を実施することが可能となるという優れた効果を奏する。これにより、無段変速機構およびその変速制御装置からなるシステムを小型化・軽量化でき、さらには低コスト化できるという効果も奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る変速制御装置を含む発電システムの概略構成を示すブロック図である。
【図２】同発電システムの無段変速機構の概略構成を示す模式図である。
【図３】トラクション無段変速機の詳細を示す模式図である。
【図４】トラクション無段変速機の変速原理を説明するための模式図である。
【図５】変速制御器の概略構成を示すブロック図である。
【図６】パワーローラ位置制御ブロックの概略構成を示すブロック図である。
【図７】実施例におけるオブザーバを用いたときの応答を示すグラフ図であり、同（ａ）は入力回転数の変化を示し、同（ｂ）は出力回転数の変化を示し、同（ｃ）はパワーローラ位置の変化を示す。
【図８】実施例における位置センサを用いたときの応答を示すグラフ図であり、同（ａ）は入力回転数の変化を示し、同（ｂ）は出力回転数の変化を示し、同（ｃ）はパワーローラ位置の変化を示す。
【図９】トラクション無段変速機における変速制御の基本概念を説明するための模式図である。
【図１０】従来提案の変速制御の一例を示す模式図である。
【図１１】従来提案の変速制御の他の例を示す模式図である。
【符号の説明】
１０ 発電機
２０ 無段変速機構
２１ トラクション無段変速機
２１ｃ パワーローラ
３０ エンジン回転数センサ
４０ 発電機駆動回転数センサ
５０ 変速制御器
７１ オブザーバ
７４ 傾転角演算部
【発明の属する技術分野】
本発明は、変速制御方法および変速制御装置に関する。さらに詳しくは、航空機および自動車などで利用されるトラクションドライブ式の無段変速機の出力回転数をより安価な機構で高精度に制御するための変速制御方法および変速制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、トラクションドライブ式の無段変速機（以下、単にトラクション無段変速機ということもある）の中で比較的大動力の伝達に利用されるものとして、ドーナッツ形状の内面を摩擦面として利用するトロイダル型無段変速機が用いられている。このトロイダル型無段変速機は、入出力の２枚のディスクそれぞれの摩擦面と接触しつつ回転するパワーローラの傾転角を調節することによって変速比を連続的に可変制御するものである。
【０００３】
従来、このようなトロイダル型無段変速機の変速制御の制御特性を高めるために、その出力回転数のみを検出して傾転角を調節するのではなく、傾転角そのもの、もしくはこれと直接的に係わるパラメータを何らかの方法で検出しローカルなフィードバック制御で傾転角を調節する方式が一般的になされている。
【０００４】
図９に、このような従来の変速制御の基本概念を示す。
【０００５】
いま、航空機エンジンの回転出力１０１をトロイダル型無段変速機１０２を含む無段変速機構１０３により変速して一定回転数の回転駆動力１０４に変換し、この回転駆動力１０４を発電機１０５に入力して所定周波数の交流電流を発電する発電システム１００を考える。この発電システム１００は、トロイダル型無段変速機１０２のパワーローラ１１０の傾転角を操作するアクチュエータとして例えば油圧シリンダ１１１を用いており、この油圧シリンダ１１１によりパワーローラ１１０の回転軸の位置（以下、パワーローラ位置という）を偏位させてパワーローラ１１０の傾転角を操作するものとされる。
【０００６】
この発電システム１００において、回転駆動力１０４の回転数を制御する制御システムは、回転駆動力１０４の目標回転数１０６から回転駆動力１０４の回転数検出値１０７を減算して回転数偏差１０８として出力する回転数減算器１０９と、回転数減算器１０９からの回転数偏差１０８を値零とするようなパワーローラ位置を指示するパワーローラ位置指令１１２を生成する回転数制御器１１３と、パワーローラ位置の検出値１１５がパワーローラ位置指令１１２と一致するようパワーローラ１１０の傾転角をフィードバック制御する傾転角制御ループ１１４とから構成される。
【０００７】
傾転角制御ループ１１４は、パワーローラ位置の検出値１１５をパワーローラ位置指令１１２から減算して位置偏差１１６として出力する位置減算器１１７と、位置偏差１１６を値零とするような油圧シリンダ１１１への給油流量を制御する制御弁（不図示である）の弁開度を指示する弁開度指令１１８を生成する位置制御器１１９とから構成される。
【０００８】
すなわち、発電システム１００においては、ローカルなフィードバック制御系である傾転角制御ループ１１４によって、パワーローラ位置検出値１１５に基づいてパワーローラ１１０の傾転角、つまり変速比が制御されるものとされる。
【０００９】
図１０に、このようなローカルなフィードバック制御系を有する制御機構の一提案例を示す（特許第２５６８６８４号公報参照）。
【００１０】
この制御機構２００は、パワーローラ２０１の傾転角変化量φgをプリセスカムを用いて機械的に検出し、それによりパワーローラ位置を変位させて傾転角をフィードバック制御するものとされる。すなわち、制御機構２００は、パワーローラ位置を変位させるアクチュエータとしての油圧シリンダ２０２と、油圧シリンダ２０２への給油流量を調節する制御弁機構２０３と、傾転角変化量φgを機械的に検出しそれに応じて制御弁機構２０３の弁開度を操作する傾転角変化量検出機構２０４とから構成される。
【００１１】
制御弁機構２０３は、変速モータ２０５の回転により軸方向に変位するスリーブ２０６と、このスリーブ２０６の内径部にはめ合わされるとともにスプリング２０７により弁の開側に付勢されるスプール２０８と、スプール２０８により開閉される油路ポート２０９とから構成される。
【００１２】
この制御機構２００においては、変速モータ２０５の回転位置により変速機構における目標変速比を指示する変速指令が与えられ、傾転角変化量検出機構２０４により機械的に検出される傾転角変化量φgに応じて制御弁機構２０３の弁開度が操作される。これにより、油圧シリンダ２０２への給油流量が調節されてパワーローラ位置指令が与えられる。この給油流量の変化に応じて油圧シリンダ２０２のピストン２１３の位置２１４が変位されパワーローラ位置が調節される。
【００１３】
図１１に、他の提案例を示す（特開２０００−２５７６８６号公報参照）。
【００１４】
この制御機構３００は、パワーローラ３０１の傾転角変化量φgを検出するための検出機構として、差動変圧器ＬＶＤＴ（Ｌｉｎｅａｒ Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ）（以下、ＬＤＶＴという）などの位置センサ３０２を設けて、その検出結果によりパワーローラ３０１の傾転角をフィードバック制御するようにしている。すなわち位置センサ３０２は、例えばパワーローラ位置を操作するアクチュエータとしての油圧シリンダ３０３のピストン３０４の位置を検出することによって、パワーローラ位置を検出するものとされ、その検出値３０５が位置制御器３０６に入力される。位置制御器３０６は、パワーローラ位置検出値３０５および変速指令３０７に基づき制御弁機構３０８の弁開度を指示する弁開度指令３０９を生成し、これによって油圧シリンダ３０３への給油流量が調節されてパワーローラ位置指令が与えられる。
【００１５】
このように、従来、トラクション無段変速機における変速制御の制御特性を高めるために、パワーローラ位置を機械的・電気的に検出しその検出結果に基づきパワーローラの傾転角すなわち、変速比をフィードバック制御する方式が種々提案されている。
【００１６】
しかしながら、前掲の特許第２５６８６８４号公報のようにパワーローラの傾転角変化量を機械的に検出する方法では、そのような検出機構の加工誤差、組み立て誤差、および遊びやガタによる誤差の影響を要求精度以内に抑える必要がある。ところが、高精度の変速制御が要求される場合にはそのような検出機構の各部品をさらに高精度なものに形成する必要があり、加工・組み立てが非常に困難なものになるという問題がある。
【００１７】
また、そのような機械的検出機構は高精度の構成部品を多数組み合わせて構成されるため、機構の大型化・大重量化が避け難く特に航空機に搭載するものとしては不適格である上、コストも高くなるという問題がある。さらに、機械的検出機構に関しては、構成部品精度の経年劣化の影響が顕著であり、ガタの拡大やたわみの発生などを原因とする制御精度の低下が、全システムの安定性や性能の劣化を招くという問題がある。
【００１８】
一方、特開２０００−２５７６８６号公報のように、ＬＶＤＴなどの高精度の位置センサを用いてパワーローラ位置を検出する構成においても、位置センサを設けることによる機構の大型化および重量の増大は避けられず、特に航空機の発電システムなどに利用する場合は設置に困難をきたすことがあるとともに、そのような高精度の位置センサは高価でありコスト増大が避けられないという問題がある。
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はかかる従来技術の課題に鑑みなされたものであって、良好な制御特性を維持しつつ、トラクション無段変速機を用いた無段変速機構構の小型化、低重量化および低コスト化を図ることができる変速制御方法および変速比制御装置を提供することを目的としている。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
本発明の変速制御方法の第１形態は、エンジンからの入力がパワーローラを有するトラクション無段変速機と遊星歯車変速機構とに分流される、パワースプリット方式の変速機構を備える発電機用無段変速機構の変速比を前記パワーローラの傾転角推定値を用いて制御する変速制御方法であって、前記発電機用無段変速機構の出力軸回転数は、一定回転数とされ、エンジン回転数と発電機回転数とに基づいて前記パワーローラの傾転角を推定し、前記推定された傾転角と、前記パワーローラの傾転角を調整する駆動装置への指令値とに基づいて、傾転角と駆動装置モデルとを用いて構成された最小次元オブザーバにより同パワーローラの位置を推定し、パワーローラ位置指令値と前記パワーローラの推定位置との偏差を解消するよう前記パワーローラの位置制御をなすことを特徴とする。
【００２１】
また、本発明の変速制御方法の第２形態は、エンジンからの入力がパワーローラを有するトラクション無段変速機と遊星歯車変速機構とに分流される、パワースプリット方式の変速機構を備える発電機用無段変速機構の出力回転数が一定回転数となるように、前記無段変速機の変速比を前記パワーローラの傾転角推定値を用いて制御する変速制御方法であって、エンジン回転数と発電機回転数とに基づいて前記無段変速機のパワーローラの傾転角を推定し、前記推定された傾転角と、前記パワーローラの傾転角を調整する駆動装置への指令値とに基づいて、傾転角と駆動装置モデルとを用いて構成された最小次元オブザーバにより同パワーローラの位置を推定し、パワーローラ位置指令値と前記パワーローラの推定位置との偏差を解消するよう前記パワーローラの位置制御をなすことを特徴とする。
【００２３】
一方、本発明の変速制御装置は、エンジンからの入力がパワーローラを有するトラクション無段変速機と遊星歯車変速機構とに分流される、パワースプリット方式の変速機構を備える発電機用無段変速機構の出力回転数が一定回転数となるように、前記無段変速機の変速比を前記パワーローラの傾転角推定値を用いて制御する変速制御装置であって、エンジン回転数と発電機回転数とに基づいて前記無段変速機のパワーローラの傾転角を推定する傾転角推定手段と、前記推定された傾転角と、前記パワーローラの傾転角を調整する駆動装置への指令値とに基づいて、同パワーローラの位置を推定する傾転角と駆動装置モデルとを用いて構成された最小次元オブザーバからなるパワーローラ位置推定手段とを備え、パワーローラ位置指令値と前記パワーローラの推定位置との偏差を解消するよう前記パワーローラの位置制御をなすように構成されてなることを特徴とする。
【００２５】
ここで、駆動装置は例えば油圧シリンダとされる。
【００２６】
【作用】
本発明は前記の如く構成されているので、位置センサなどの検出機構を特別に設けることなく、各回転数センサの検出値のみを用いてパワーローラ位置を精確に推定しパワーローラの傾転角をフィードバック制御することができる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照しながら本発明を実施形態に基づいて説明するが、本発明はかかる実施形態のみに限定されるものではない。
【００２８】
図１に、本発明の一実施形態に係る変速制御方法を用いた変速制御装置が適用される発電システムの概略構成を示し、この発電システムＡは、例えば航空機のメインエンジンの回転出力を利用して所定周波数の交流電流を発電するための発電システムとされる。
【００２９】
発電システムＡは、具体的には、発電機１０と、エンジンＥからの回転出力を所定回転数に変速して発電機１０に出力する無断変速機構２０と、無断変速機構２０の入力回転数、つまりエンジンＥの出力回転数（以下、エンジン回転数という）Ｎ1を検出するエンジン回転数センサ３０と、無断変速機構２０の出力回転数、つまり発電機１０に入力される回転駆動力の回転数（以下、発電機駆動回転数という）Ｎ2を検出する発電機駆動回転数センサ４０と、エンジン回転数センサ３０および発電機駆動回転数センサ４０の出力信号に基づき、発電機駆動回転数Ｎ2が一定回転数となるよう無断変速機構２０の変速比を制御する変速制御器５０とを主要構成要素として備えてなる。
【００３０】
発電機１０は、航空機の照明、空調および防氷装置などの各種電気機器で用いられる電力を供給するため、一定回転数（例えば、２４０００ｒｐｍ）で駆動されて規定の周波数（例えば、４００Ｈｚ）の交流電流を発電するものとされる。なお、発電機１０の構成は、公知の発電機と同様のものとされているので、その詳細な説明は省略する。
【００３１】
無段変速機構２０は、図２に示すように、トラクションドライブ式のトロイダル型無段変速機（以下、トラクション無段変速機という）２１と遊星歯車機構２２とを含み、エンジン回転数Ｎ1が所定範囲内（例えば、４５００〜９２００ｒｐｍ）にあるときに、エンジン回転数Ｎ1を前記一定回転数に変速して発電機１０に出力するものとされる。また、無段変速機構２０は、その入力軸２３から入力される回転駆動力を全てトラクション無段変速機２１を介して発電機１０に伝達するのではなく、遊星歯車機構２２との間で動力を分流して伝達するパワースプリット方式の変速機構とされる。
【００３２】
具体的には、無段変速機構２０の入力軸２３にはギヤ２３ａが設けられる一方、トラクション無段変速機２１にはこのギヤ２３ａと噛合するギヤ２５ａが設けられ、これによりトラクション無段変速機２１の入力軸２５が無段変速機構２０の入力軸２３に接続されるとともに、アイドラ２４、つまり動力分流軸２４の一端にも前記ギヤ２３ａと噛合するギヤ２４ａが設けられるとともに、その他端にもギヤ２４ｂが設けられていて、このギヤ２４ｂがリングギヤ２２ｂと噛合し、それにより遊星歯車変速機構２２に無段変速機構２０の入力軸２３が接続されている。これにより、無段変速機構２０の入力軸２３からの回転駆動力がトラクション無段変速機２１および遊星歯車変速機構２２に分流可能とされる。
【００３３】
次に、トラクション無段変速機２１の構成について説明する。
【００３４】
トラクション無段変速機２１は、いわゆるハーフトロイダル型とされ、その入力軸２５と連動して回転する入力ディスク２１ａと、トラクション無段変速機２１の出力軸２６と連動して回転する出力ディスク２１ｂと、入力ディスク２１ａおよび出力ディスク２１ｂの間に介在する複数のパワーローラ２１ｃと、パワーローラ２１ｃの押付力を発生するための軸力発生機構２１ｄなどで構成される。
【００３５】
図３に示すように、入力ディスク２１ａおよび出力ディスク２１ｂそれぞれは摩擦面２１ｅ、２１ｆを有し、これら摩擦面２１ｅ、２１ｆは、各ディスク２１ａ、２１ｂをその回転軸Ｉを含む平面で切断したときにその断面形状が回転軸Ｉを中心に対称に配される各１／４の円弧となるように形成されている。
【００３６】
各パワーローラ２１ｃは、スラスト軸受け２１ｇと、公知のトラニオン（不図示である）と呼ばれる支持部材によって、ローラ軸２１ｈ回りの回転を許容し、かつローラ軸２１ｈおよびディスク回転軸Ｉを含む平面内で傾転自在に支持されている。
【００３７】
入力ディスク２１ａ、出力ディスク２１ｂおよびパワーローラ２１ｃという３つの転動体は高圧で押付けられて、その接触部に生じる高粘度潤滑油膜の剪断抵抗によって動力が伝達される。また、その変速方法は、パワーローラ２１ｃの傾転角Φ、すなわちパワーローラ２１ｃと入力ディスク２１ｂの接点Ｑと摩擦面２１ｅの断面円弧に対する中心Ｏとを結ぶ線分ＯＱが点Ｏを通りディスク回転軸Ｉに垂直な直線Ｒとなす角を変化させることによって、変速比を所定範囲内、例えば０．５〜２．０の範囲内で任意に変化させるものである。
【００３８】
ここで、この傾転角Φの変化は次のようにしてなされる。
【００３９】
図４に示すように、後出の駆動装置、例えばアクチュエータ８０によりローラ回転軸２１ｈを距離ｘオフセットさせると、パワーローラ側速度ｕpとディスク側速度ｕdとの間に方向のずれが生じ、下記式（１）で表されるサイドスリップ速度ｖsが生じることになる。
【００４０】
ｖs＝ｕd−ｕp （１）
【００４１】
これにより、サイドスリップ速度ｖsが値零になるようにパワーローラ２１ｃの傾転角Φが変化する。したがって、アクチュエータ（油圧シリンダ）８０のピストンロッド８１の進出量を適宜調節することにより、傾転角Φを所望角度とすることができ、それにより所望の変速となし得る。すなわち、パワーローラ２１ｃの回転軸２１ｈの偏位量（以下、パワーローラ位置という）を操作することによって傾転角Φを所望角度に調節して所望の変速制御がなし得る。
【００４２】
ただし、傾転角Φがあまり大きくなりすぎると、過大スピンが生じて良好な動力伝達特性が得られなくなる。そのため、傾転角Φは一定の範囲に制限され、またこの傾転角Φを一定の範囲に制限するため、図示はされていないが、メカニカルストッパーが設けられている。
【００４３】
ここで、図３に示すように、パワーローラ２１ｃと入力ディスク２１ａとが接触する位置をディスク回転軸から測った距離を入力側接触半径Ｒiとし、パワーローラ２１ｃと出力ディスク２１ｂとが接触する位置をディスク回転軸から測った距離を出力側接触半径Ｒoとし、入力軸および入力ディスク２１ａの回転数をＮiとし、出力軸および出力ディスク２１ｂの回転数をＮoとすると、変速比ＲCVT＝Ｎo／Ｎi＝Ｒi／Ｒoという関係が成立する。そこで、各パワーローラ２１ｃの傾転角Φを制御することによって、各接触半径Ｒi、Ｒoが連続的に変化するため、変速比Ｎo／Ｎiを連続的に変化させることが可能になる。
【００４４】
すなわち、入力ディスク２１ａとパワーローラ２１ｃの接点までの軸心からの距離Ｒiと出力ディスク２１ｂとパワーローラ２１ｃの接点までの軸心からの距離Ｒoとの比（Ｒi／Ｒo）で変速比は決まる。したがって、パワーローラ２１ｃの傾転角Φを変化させることによって、変速比を無段階に変えることが可能となる。
【００４５】
次に、遊星歯車変速機構２２の構成について説明する。
【００４６】
遊星歯車変速機構２２は、前述したように、無段階変速機構２０の入力軸２３にアイドラ（動力分流軸）２４を介して接続されるリングギヤ２２ｂと、トラクション無段変速機２１の出力軸２６に固定あるいは一体化して形成されているサンギヤ２２ａと、リングギヤ２２ｂとサンギヤ２２ａとの間に嵌めこまれる複数の遊星歯車機構２２ｃと、これら遊星歯車機構２２ｃのサンギヤ２２ａ軸回りの回転に応じて回転するキャリア２２ｄとから構成されている。
【００４７】
すなわち、遊星歯車変速機構２２は、各遊星歯車機構２２ｃが自由に回転できる状態でキャリア２２ｄに固定されている他、リングギヤ２２ｂおよびサンギヤ２２ａがそれぞれ回転可能とされた２自由度を有するとともにアイドラ２４、つまり動力分流軸２４を有する構成とされている。これによって、トラクション無段変速機２１と動力分流軸２４との間で、発電機１０を駆動する回転駆動力を分流して伝達することが可能となる。
【００４８】
また、サンギヤ２２ａの回転速度を入力軸２３の回転速度、つまりエンジン回転数Ｎ1の変化に応じてトラクション無段変速機２１により変化させることによって、キャリア２２ｄの回転速度を一定（例えば６２５５ｒｐｍ）に保つことが可能となる。このキャリア２２ｄの回転出力は、アイドラ２７でさらに増速され、発電機１０を例えば２４０００ｒｐｍ一定で駆動する。
【００４９】
このように、発電機１０に入力される回転駆動力を、トラクション無段変速機２１を介して全て伝達するのではなく、トラクション無段変速機２１と動力分流軸２４とに分流させて伝達しているので、トラクション無段変速機２１の寿命を伸ばすことができるとともに、トラクション無段変速機２１を小型化してトラクション無段変速機２１自体の重量を軽減できる。また、一般的に無段階変速機構により伝達可能な動力の上限は比較的低いが、動力分流軸２４との間で動力を分流させることによって、無段変速機構２０における伝達可能な動力の上限を引き上げることが容易となるとともに、ギヤ部すなわち遊星歯車変速機構１２の効率が９９％以上であるので、定速駆動機構全体の動力伝達効率を９５％程度に向上できる。
【００５０】
次に、エンジン回転数センサ３０および発電機駆動回転数センサ４０の構成について説明する。
【００５１】
エンジン回転数センサ３０および発電機駆動回転数センサ４０は、例えばパルスジェネレータとカウンタ（ともに不図示である）との組み合わせからなり、パルスジェネレータが所定時間内に発生するパルス数をカウンタにより計測することによってエンジン回転数Ｎ1および発電機駆動回転数Ｎ2を検出し、その検出値を表す信号を出力するものとされる。
【００５２】
変速比制御機構５０は、図５に示すように、パワーローラ位置指令生成ブロック６０とパワーローラ位置制御ブロック７０とから構成される。
【００５３】
パワーローラ位置指令生成ブロック６０は、発電機駆動回転数Ｎ2の目標値である発電機駆動回転数指令ｙから発電機駆動回転数Ｎ2の検出値を減算して、その偏差信号である回転数偏差ｅを出力する回転数減算器６１と、回転数偏差ｅを値零とするようなパワーローラ位置を指示するためのパワーローラ位置指令ｘPRcを生成する回転数制御器６２とを備えてなるものとされる。
【００５４】
パワーローラ位置制御ブロック７０は、回転数制御器６２からのパワーローラ位置指令ｘPRc、エンジン回転数検出値Ｎ1および発電機駆動回転数検出値Ｎ2に基づき制御入力信号としてのアクチュエータ作動指令ｉを生成してアクチュエータ８０に出力するものとされる。
【００５５】
ここで、アクチュエータ８０はそのピストンロッド８１の位置を制御可能に構成された油圧シリンダとされる。この場合、ピストンロッド８１の位置は、油圧シリンダ８０への給油流量を制御する制御弁８２の弁開度を調節することによって操作される。この場合、アクチュエータ作動指令ｉは、後で述べるようにして演算されるパワーローラ位置推定値YｘPRとパワーローラ位置指令ｘPRcとを一致させるよう制御弁８２の弁開度を指示する弁開度指令とされる。
【００５６】
次に、パワーローラ位置制御ブロック７０の詳細構成を説明する。
【００５７】
図６に示すように、パワーローラ位置制御ブロック７０は、所定のパワーローラ位置推定処理によりパワーローラ位置を推定しその推定結果をパワーローラ位置推定値YｘPRとして出力するオブザーバ７１と、パワーローラ位置指令ｘPRcからパワーローラ位置推定値YｘPRを減算しその減算結果を位置偏差ｅPとして出力する位置減算器７２と、位置偏差ｅPを値零とするような弁開度指令ｉを生成し出力する位置制御器７３と、所定の傾転角推定処理によりパワーローラ２１ｃの傾転角を推定しその推定結果を傾転角推定値YΦとして出力する傾転角演算部７４とから構成されてなる。ここで、YｘPRはｘPRの予測推定値を示し、YΦはΦの予測推定値を示す。
【００５８】
次に、オブザーバ７１が実施するパワーローラ位置推定処理を説明する。
【００５９】
回転角Φおよびパワーローラ位置ｘPRの制御特性を下記式（２）、（３）の数式モデルでそれぞれ表すものとする。
【００６０】
Φ＝（Ｋ2／ｓ（１＋Ｔ2ｓ））ｘPR （２）
【００６１】
ｘPR＝（Ｋ1／ｓ）ｉ （３）
【００６２】
但し、式（２）、（３）において、Ｋ1，Ｋ2はそれぞれ比例ゲインを表し、Ｔ2は時定数を表す。また、ｓはラプラス演算子を表す。
【００６３】
式（２）、（３）からオブザーバ７１の設計用モデルは下記式（４）のように表せることがわかる。
【００６４】
ｘPR≒（Ｋ／ｓ2）ｉ （４）
【００６５】
但し、Ｋ＝Ｋ1Ｋ2であり、Ｔ2≒０である。
【００６６】
ここで、状態空間表現された行列Ａ、Ｂを下記式（５）、（６）、（７）のように分割する。
【００６７】
ｄｘ／ｄｔ＝Ａｘ＋Ｂｉ （５）
【００６８】
ｘPR＝Ｃｘ （６）
【００６９】
【数１】
但し、式（５）、（６）で、ｘは状態変数を表す。このとき、下記式（８）、（９）の関係が成り立つ。
【００７１】
【数２】
【数３】
したがって、Ａ11＝Ａ21＝Ａ22＝Ｂ1＝０、Ａ12＝１、Ｂ2＝Ｋが成り立つ。
【００７４】
ここで、設計パラメータＬを導入して、オブザーバの極、すなわち下記式（１０）で表される予測推定行列YＡの固有値が安定になるようにパラメータＬを調整する。
【００７５】
YＡ＝Ａ22−ＬＡ12 （１０）
【００７６】
これにより、行列Ｌを用いて各行列YＢ、Ｇ、YＣおよびYＤを下記式（１１）、（１２）、（１３）、（１４）のように求めることが可能である。
【００７７】
YＢ＝−ＬＢ1＋Ｂ2 （１１）
【００７８】
Ｇ＝YＡＬ＋Ａ21−ＬＡ21 （１２）
【００７９】
【数４】
【数５】
したがって、傾転角Φおよびパワーローラ位置ｘPRのモデルからオブザーバ７１を下記式（１５）、（１６）により示されるような最小次元オブザーバとして設計することができる。
【００８２】
ｄω／ｄｔ＝YＡω＋YＢｉ＋ＧYΦ （１５）
【００８３】
YｘPR＝YＣω＋YＤYΦ （１６）
【００８４】
ここで、ωは最小次元オブザーバの状態を表す。
【００８５】
次に、傾転角演算部７４が実施する傾転角推定処理を説明する。
【００８６】
無段変速機構２０の変速比ｅSにつき下記式（１７）の関係がある。
【００８７】
【数６】
但し、ｒ1〜ｒ14は、歯車の半径を示す。
【００８９】
したがって、傾転角推定値YΦは下記式（１８）により演算することが可能である。
【００９０】
【数７】
但し、
【００９２】
【数８】
このように、実施形態の変速制御装置は、傾転角演算部７４がエンジン回転数Ｎ1および発電駆動回転数Ｎ2に基づき傾転角推定値YΦを演算し、オブザーバ７１が傾転角推定値YΦおよび制御入力信号としての弁開度指令ｉに基づきパワーローラ位置を推定するので、後述の実施例で示すように、制御精度を維持しつつ位置センサなどの位置検出機構を省略して変速制御装置を構成することが可能となる。
【００９５】
したがって、例えば航空機に搭載されるような発電システムの無段変速機構およびその変速制御装置において、部品点数を大幅に削減することも可能であり、システムを小型化・軽重量化することができるとともに、装置の保守を容易とすることも可能である。さらには、コストを大幅に抑制することも可能となる。
【００９６】
また、オブザーバの設計・調整は非常に容易である上、オブザーバの特徴としてのノイズ除去効果も期待できるので、外乱がある場合にも制御性の顕著な低下を招くことがないシステムを構築することも可能となる。
【００９７】
【実施例】
図７および図８に、実施形態のオブザーバ７１を用いた変速制御系と位置センサを設けた変速制御系の特性を対比して示す。
【００９８】
図７は、オブザーバ７１のパワーローラ位置推定値YｘPRを用いて無段変速機構２０の変速制御を行う制御系において入力回転数を４５００ｒｐｍから４８００ｒｐｍにステップ状に変化させたときの応答を示す。同図（ａ）は無段変速機構２０の入力回転数、つまりエンジン回転数Ｎ1の変化の様子を示し（横軸は時間（秒）を示す）、同図（ｂ）はそれに対する無段変速機構２０の出力回転数、つまり発電機駆動回転数Ｎ2の変化の様子を示す。また、同図（ｃ）は別途検出された実際のパワーローラ位置の変化を示す。
【００９９】
図８は、位置センサによるパワーローラ位置検出値を用いて無段変速機構２０の変速制御を行う制御系において入力回転数を４５００ｒｐｍから４８００ｒｐｍにステップ状に変化させたときの応答を示す。同図（ａ）は無段変速機構２０の入力回転数、つまりエンジン回転数Ｎ1の変化の様子を示し（横軸は時間（秒）を示す）、同図（ｂ）はそれに対する無段変速機構２０の出力回転数、つまり発電機駆動回転数Ｎ2の変化の様子を示す。また、同図（ｃ）は検出されたパワーローラ位置の変化を示す。
【０１００】
図７と図８とを比較すれば明らかなように、オブザーバを用いることによって位置センサを用いた場合とほぼ同等の性能を発揮できることが分かる。
【０１０１】
以上、本発明を実施形態および実施例に基づいて説明してきたが、本発明はかかる実施形態および実施例に限定されるものではなく、種々改変が可能である。例えば、実施形態においては、オブザーバ７１を最小次元オブザーバとして構成したが、全次元オブザーバ、あるいは非線形なオブザーバ（特願２０００−０７５５６６）として構成することも可能である。
【０１０２】
また、無段変速機はハーフトロイダル型に限らず、オブザーバの導入により制御特性の向上が可能な全ての無段変速機について適用可能であることはいうまでもない。
【０１０３】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、無段変速機構の入力回転数および出力回転数を用いてパワーローラの傾転角を推定し、さらにこの推定された傾転角とこのパワーローラを駆動する駆動装置の指令値とによりパワーローラの位置を推定し、この推定値に基づいてパワーローラの傾転角をフィードバック制御するので、パワーローラ位置を検出するための高精度の位置センサを省略した場合にも同程度の精度で変速比制御を実施することが可能となるという優れた効果を奏する。これにより、無段変速機構およびその変速制御装置からなるシステムを小型化・軽量化でき、さらには低コスト化できるという効果も奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る変速制御装置を含む発電システムの概略構成を示すブロック図である。
【図２】同発電システムの無段変速機構の概略構成を示す模式図である。
【図３】トラクション無段変速機の詳細を示す模式図である。
【図４】トラクション無段変速機の変速原理を説明するための模式図である。
【図５】変速制御器の概略構成を示すブロック図である。
【図６】パワーローラ位置制御ブロックの概略構成を示すブロック図である。
【図７】実施例におけるオブザーバを用いたときの応答を示すグラフ図であり、同（ａ）は入力回転数の変化を示し、同（ｂ）は出力回転数の変化を示し、同（ｃ）はパワーローラ位置の変化を示す。
【図８】実施例における位置センサを用いたときの応答を示すグラフ図であり、同（ａ）は入力回転数の変化を示し、同（ｂ）は出力回転数の変化を示し、同（ｃ）はパワーローラ位置の変化を示す。
【図９】トラクション無段変速機における変速制御の基本概念を説明するための模式図である。
【図１０】従来提案の変速制御の一例を示す模式図である。
【図１１】従来提案の変速制御の他の例を示す模式図である。
【符号の説明】
１０ 発電機
２０ 無段変速機構
２１ トラクション無段変速機
２１ｃ パワーローラ
３０ エンジン回転数センサ
４０ 発電機駆動回転数センサ
５０ 変速制御器
７１ オブザーバ
７４ 傾転角演算部
Claims (5)
- エンジンからの入力がパワーローラを有するトラクション無段変速機と遊星歯車変速機構とに分流される、パワースプリット方式の変速機構を備える発電機用無段変速機構の変速比を前記パワーローラの傾転角推定値を用いて制御する変速制御方法であって、
前記発電機用無段変速機構の出力軸回転数は、一定回転数とされ、
エンジン回転数と発電機回転数とに基づいて前記パワーローラの傾転角を推定し、
前記推定された傾転角と、前記パワーローラの傾転角を調整する駆動装置への指令値とに基づいて、傾転角と駆動装置モデルとを用いて構成された最小次元オブザーバにより同パワーローラの位置を推定し、
パワーローラ位置指令値と前記パワーローラの推定位置との偏差を解消するよう前記パワーローラの位置制御をなす
ことを特徴とする変速制御方法。 - エンジンからの入力がパワーローラを有するトラクション無段変速機と遊星歯車変速機構とに分流される、パワースプリット方式の変速機構を備える発電機用無段変速機構の出力回転数が一定回転数となるように、前記無段変速機の変速比を前記パワーローラの傾転角推定値を用いて制御する変速制御方法であって、
エンジン回転数と発電機回転数とに基づいて前記無段変速機のパワーローラの傾転角を推定し、
前記推定された傾転角と、前記パワーローラの傾転角を調整する駆動装置への指令値とに基づいて、傾転角と駆動装置モデルとを用いて構成された最小次元オブザーバにより同パワーローラの位置を推定し、
パワーローラ位置指令値と前記パワーローラの推定位置との偏差を解消するよう前記パワーローラの位置制御をなす
ことを特徴とする変速制御方法。 - 駆動装置が油圧シリンダとされてなることを特徴とする請求項１または２記載の変速制御方法。
- エンジンからの入力がパワーローラを有するトラクション無段変速機と遊星歯車変速機構とに分流される、パワースプリット方式の変速機構を備える発電機用無段変速機構の出力回転数が一定回転数となるように、前記無段変速機の変速比を前記パワーローラの傾転角推定値を用いて制御する変速制御装置であって、
エンジン回転数と発電機回転数とに基づいて前記無段変速機のパワーローラの傾転角を推定する傾転角推定手段と、
前記推定された傾転角と、前記パワーローラの傾転角を調整する駆動装置への指令値とに基づいて、同パワーローラの位置を推定する傾転角と駆動装置モデルとを用いて構成された最小次元オブザーバからなるパワーローラ位置推定手段
とを備え、
パワーローラ位置指令値と前記パワーローラの推定位置との偏差を解消するよう前記パワーローラの位置制御をなすように構成されてなることを特徴とする変速制御装置。 - 駆動装置が油圧シリンダとされてなることを特徴とする請求項４記載の変速制御装置。
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