JP4788543B2

JP4788543B2 - エンジンベンチシステムのパラメータ推定装置

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Publication number: JP4788543B2
Application number: JP2006252144A
Authority: JP
Inventors: 岳夫秋山; 喜正澤田; 利道高橋
Original assignee: Meidensha Corp
Current assignee: Meidensha Corp
Priority date: 2006-09-19
Filing date: 2006-09-19
Publication date: 2011-10-05
Anticipated expiration: 2026-09-19
Also published as: JP2008076061A

Description

本発明は、エンジンベンチシステムにおけるパラメータ推定装置に関するものである。

エンジンベンチシステムによって、ダイナモメータのトルク制御・速度制御を実施しながらエンジンの耐久性や燃費、排ガス計測等の性能試験ECU(Electronic Control unit)適合試験が行われる。その際、予めエンジンの慣性モーメントを測定し、その測定値をパラメータとして使用することが行われるが、エンジンの慣性モーメントの推定方法としては、特許文献１や特許文献２のようなものが公知となっている。

特許文献１では、試供体であるエンジンの慣性モーメントを推定するために、エンジンが一般には回転数に略比例した損失を持つという特性を利用して、回転数に依存した損失を予め測定し、その後、エンジンをある回転数からある回転数まで変化させ、その時に要した加速トルクとエンジンの運動方程式(J(dw／dt)＋c．w=T、ただしJ=慣性モーメント、w=回転数、c=損失、T=加速トルク)からエンジンの慣性モーメントを推定している。

特許文献２では、エンジンベンチシステムのエンジンとダイナモメータを結合するシャフトの捩れ剛性を推定するために、ダイナモメータと固定装置をシャフトを介して固定し、ダイナモメータから加振することにより測定された共振周波数とダイナモメータの慣性モーメント設計値からシャフトの捩れ剛性を算出している。
特開２００３−１２１３０７号公報特開２００３−２０７４２３号公報

特許文献１におけるエンジン慣性モーメントの推定方法は、エンジンの損失を予め測定し、測定された損失トルクを考慮してエンジン慣性モーメントを推定するものであるが、エンジンベンチシステムの機械系によっては、エンジンを含めた機械系の損失が、回転数の定常値のみに依存するだけでなく、回転数の変化の履歴にも依存する場合がある。そのような場合、回転数の定常値に依存した損失トルクのみの補正にとどまっているため、精確なエンジン慣性モーメントを推定することが困難となる。

また、エンジンの慣性モーメントを推定するためには、エンジンをある回転数からある回転数まで変化させる必要がある。このとき、機械系の共振破壊を防ぐために、当該機械系の危険速度、例えば、エンジン脈動トルク周波数が機械系共振周波数と一致するような回転数がエンジン慣性モーメント測定時の速度に入らないようにする必要がある。その場合、エンジン脈動トルクの周波数分布と機械系共振周波数の組み合わせによっては、エンジン速度変化幅を十分にとることができず、エンジンの慣性モーメント測定が精確に実施できないことも考えられる。

特許文献２におけるシャフトの捩れ剛性推定方法では、固定装置を必要とするため捩れ剛性を推定するのに手間がかかる。また、捩れ剛性推定の元になるパラメータとしてのダイナモメータ慣性モーメントの設計値を使用しているが、さまざまなカップリング装置の慣性モーメントなどの影響により、実際の加振装置（ダイナモメータ）の慣性モーメントが必ずしも設計値どおりにはならず、そのため、推定される捩れ剛性にも誤差が発生することになる。

また、これら特許文献１及び２では、慣性モーメントと捩れ剛性の両方のパラメータを同時に推定したい場合には、慣性モーメント測定のための測定試験と、捩れ剛性のための測定試験の２つの試験を経なければ実施できず、試験に要する時間が長時間となっている。

そこで、本発明が目的とするところは、複数のパラメータを１回の測定試験で推定可能としたエンジンベンチシステムのパラメータ推定装置を提供することにある。

本発明の請求項１は、エンジンと動力計を結合シャフトを介して連結し、この動力計をインバータにて制御するよう構成したエンジンベンチシステムであって、検出されたトルク信号、速度信号を用いてエンジンベンチシステムのパラメータを推定するものにおいて、
前記動力計トルクをランダムに加振したときの動力計のトルク、角速度及び結合シャフト捩れトルクを計測し、動力計トルクと動力計角速度間の第１の伝達関数G１と動力計トルクと結合シャフト捩れトルク間の第２の伝達関数G２とを求める伝達関数演算手段と、
この伝達関数演算手段によって算出された伝達関数の比G１／G２を求め、この伝達関数比データの反共振周波数ωaを求める反共振周波数演算手段と、
求められた反共振周波数ωaのデータに任意の定数Ｋを乗算した反共振周波数ωa＊Ｋを求め、伝達関数比の最も低い周波数から乗算された反共振周波数ωa＊Ｋまでの伝達関数比の周波数データを算出し、この算出値を１／Jeg＊sに最小二乗法にてフィッテングさせて前記パラメータであるエンジン慣性モーメントJeg
を演算するエンジン慣性モーメント演算手段を備えたことを特徴としたものである。

本発明の請求項２は、請求項１において、反共振周波数ωaのデータとエンジン慣性モーメントJegのデータを用いてωa²＊Jegの演算を行って前記パラメータである結合シャフト捩れ剛性Kshを求める結合シャフト捩れ剛性演算手段を備えたことを特徴としたものである。

本発明の請求項３は、請求項２において、伝達関数演算手段によって求められた第２の伝達関数Ｇ２の共振周波数ωｃを演算する共振周波数演算手段と、この共振周波数ωｃと前記エンジン慣性モーメントJeg及び結合シャフト捩れ剛性Kshの各データを用いてJdy＝（Jeg＊Ksh）／（−Ksh＋ωc²＊Jeg）の演算を実行して前記パラメータである動力計慣性モーメントJdyを求める動力計慣性モーメント演算手段を備えたことを特徴としたものである。

本発明の請求項４は、請求項３において、伝達関数演算手段によって求められた第２の伝達関数Ｇ２の定常ゲインＧ２Dcを求める定常ゲイン算出手段と、算出された定常ゲインＧ２Dcと前記エンジン慣性モーメントJeg及び動力計慣性モーメントJdyの各データを用いてKinv＝Ｇ２Dc＊（Jdy＋Jeg）／Jegの演算を実行して前記パラメータであるインバータの直流ゲインKinvを求めるインバータ直流ゲイン演算手段を備えたことを特徴としたものである。

以上のとおり、本発明によれば、エンジンベンチシステムにおける複数のパラメータを推定１回の試験のみで比較的精度よく推定可能となるものである。すなわち、請求項１によるエンジン慣性モーメント推定手法によれば、データ収録時にはエンジンの回転数は略一定になっており、エンジンの回転数変化の履歴に依存するような損失があっても、その損失の影響を受けることなくエンジン慣性モーメント測定が可能となり、また、データ収録時にはエンジンの回転数は略一定になっているので、計測対象機械装置の危険回転数などによりエンジンの回転数を大きく変化させることが困難な場合においてもエンジン慣性モーメント測定が可能となるものである。

請求項２の結合シャフト捩れ剛性推定手法によれば、エンジン慣性モーメントの推定に利用したデータを再利用することでシャフト捩れ剛性の推定が可能となり、従来のような固定装置やシャフト捩れ剛性推定のための個別の測定試験が不要となる。また、本発明の結合シャフト捩れ剛性推定手法によれば、全て実測した値に基づいた推定値が得られるので、従来手法での動力計慣性モーメント設計値と真値での差異に起因するシャフト捩れ剛性推定値の誤差は発生しない。

請求項３の動力計慣性モーメント推定手法によれば、従来手法では動力計慣性モーメントを推定する手法は与えられていなかったものが、本発明では容易に動力計慣性モーメントの推定が他のモーメントと同時に可能となるものである。

請求項４のインバータの直流ゲイン推定手法によれば、従来手法ではインバータ直流ゲイン推定手段は与えられていなかったものが、本発明では容易にインバータ直流ゲインの推定が他のモーメントと同時に可能となるものである。

図１は、本発明の機械系パラメータの推定対象としたエンジンベンチシステムの構成図を示したものである。同図において、１は被試験体であるエンジン、２はダイナモメータ(動力計)で、結合シャフト３を介してエンジン１と連結されている。４はエンジン制御部、５はスロットルアクチュエータで、このスロットルアクチュエータによってスロットル開度が制御されるよう構成される。６はトルクメータ、７は速度計で、これら各計測器によって検出されたトルク及び速度信号は検出部８によって所定の処理が実行され演算部９に出力される。１０はインバータで、ダイナモ制御部１１からの出力信号に基づいて動力計２に対するトルク・速度制御を実行する。

本発明では、図１で示したようなエンジンベンチシステムを図２で示す２慣性系のモデルに置き換えてパラメータを推定する。すなわち、図２に示す２慣性系モデルのエンジン慣性モーメント、動力計慣性モーメント、及びシャフト捩れ剛性の３つの機械系パラメータと、図１で示すインバータ１０の直流ゲインを合わせた合計４つのエンジンベンチシステムのパラメータを１回の測定試験で推定するものである。

本発明の具体的な説明に先立って、根拠としている技術内容について説明する。
２慣性系モデルの運動方程式は、Jeg：エンジン慣性モーメント、Jdy：動力計慣性モーメント、Ksh：結合シャフト捩れ剛性、Teg：エンジントルク、Tdy：動力計トルク、Weg：エンジン角速度、Wdy：動力計角速度、Tsh：結合シャフト捩れトルクとすると、式(１)〜(３)となる。

上記式をラプラス変換してエンジン角速度Weg、結合シャフト捩れトルクTsh及び動力計角速度Wdyについて解くと、それぞれは式（４）〜（６）のようになる。

ここで、動力計回転数(エンジン回転数)を略一定とし、且つエンジン開度を略一定として動力計トルクTdyをランダムに加振することにより、動力計トルクTdy →動力計角速度Wdyの伝達関数をG１とし、動力計トルクTdy →結合シャフト捩れトルクTshの伝達関数をG２としたとき、G１,G２は７式及び８式によって推定することができる。

この伝達関数G１,G２推定時に、機械装置の危険回転数がある場合には、当該回転数に達しない回転数に回転数に保持する。なお、伝達関数G１,G２の推定にはWelch法などの一般的な伝達関数推定方法を用いる。

一般に、インバータの電流ートルク特性によって動力計のトルクは必ずしも指令値どおりにはならない。そのため、インバータのトルク出力特性は動力計トルクTdyに含まれると考えて、９式のようにG１とG２の比をとることにより伝達関数が推定できる。

式９において、１／Jeg s²は、ｓの項が小さくなることにより、Jeg．ｓ²の大きさがKshに比べて小さくなることに基づく。

一般には、２慣性系では近似できない機械特性や軸トルク検出及びダイナモ角速度検出のゲイン低下、位相遅れなどの影響により高域での実測値は上記した理論値とは異なるが、低域では２慣性系と近似でき、各種検出特性もゲイン１とみなせるため、例えば、Jeg＝０．６５９７、Ksh＝１２７６とすると、その具体的なＧ１／Ｇ２のボート線図は図３のようになる。

一方、ある実機システムでの実測値によると図４のようになった。実測の伝達関数はwelch法により求めたもので、図中の○印が算出値である。これによると、６ヘルツ近辺の反共振点より高い周波数領域では明らかに特性が異なっているが、
反共振点より低い周波数領域では実測値と図３で示す理論値は略一致する。

Ｇ１／Ｇ２の低域特性は１／Jeg sになるので、Ｇ１／Ｇ２の低域特性からJegの推定が可能となるが、図４でも分かるように反共振点付近では大きなゲイン低下が起こるので、反共振点での影響を受けない範囲をＧ１／Ｇ２の低域特性とみささなければならない。

そこで、反共振点で影響があるＧ１／Ｇ２と、反共振点で影響がない１／Jeg sの比Ｒを考える。

この比Ｒの反共振周波数をωａ、すなわち、９式における分子が０となる周波数
Ksh＋Jeg（ｊω）²＝Ksh−Jeg．ω²＝０
のときの周波数を比Ｒの反共振周波数ωａとする式１１で、そのＫ倍の周波数での値は、１０式に１２式を代入することによって１３式となる。

すなわち、反共振周波数のＫ倍の周波数では、エンジン単体の慣性による特性のように反共振点が無い場合と比較してＫ２のゲインで低下することが分かる。
図１で示すエンジンベンチシステムにおけるエンジン慣性モーメントでは、推定でＫ＝０．３として機械系特性からくる反共振点によるゲイン低下の影響に伴う推定誤差は最大で１０％程度になるようにしている。

１０％という値は、最終的なエンジン慣性モーメントの推定結果が１０％の誤差を持つというわけではなく、welch法により推定される反共振点付近での推定結果が受ける影響があるので、最終的なエンジン慣性モーメントの推定結果は１０％以下になると考えられている。なお、反共振周波数ωａは、Ｇ１／Ｇ２の形状から分かるように、ｓ（Ｇ１／Ｇ２）の伝達関数の最もゲインの低い周波数として求めればよい。以下本発明を実施例に基づいて説明する。

図５は第１の実施例を示したもので、この実施例はパラメータとしてのエンジン慣性モーメントを求めるものである。ステップＳ１では、図１で示すエンジン１の回転数を動力計２を介して略一定とし、且つエンジン制御部４を介して制御されるエンジンのスロットル開度を略一定の状態として動力計トルクをランダムに加振する。このときの動力計トルクTdy、動力計角速度Wdy及び結合シャフト捩れトルクTshをそれぞれステップＳ２で測定して演算部９に出力する。

演算部９は、Ｓ３において１式〜６式を基に７式及び８式の演算、すなわち、Ｇ１＝Wdy／Tdy、Ｇ２＝Tsh／Tdyの演算を実行して各伝達関数のボード線図を求めると共に、求めた伝達関数Ｇ１とＧ２を基にＳ４ではＧ１２＝Ｇ１／Ｇ２の伝達関数を演算する。また、Ｓ５では１１式に基づいて伝達関数Ｇ１２の反共振周波数ωａを求める。

ステップＳ６では、推定のエンジン慣性モーメント定数Ｋを、例えば、
Ｋ＝０．３として伝達関数Ｇ１２の最も低い周波数からＫ＊ωａまでの算出値Ｇ１２を抽出する。Ｓ７では、抜き出したデータを１／Jeg sに最小二乗法でフィッテングさせてパラメータとしてのエンジン慣性モーメントJegの推定値得る。

図６は第２の実施例を示したもので、この実施例はパラメータとしての結合シャフト捩れ剛性Kshを推定するものである。

図６において、ステップＳ１〜Ｓ７までは、図５と同じであるのでその説明は省略する。すなわち、結合シャフト捩れ剛性Kshは、ステップＳ８において、Ｓ５で求められた反共振周波数ωａとＳ７で求められたエンジン慣性モーメントJegを基に、Ksh＝ωａ²＊Jegの演算によって求めることができる。

図７は第３の実施例を示したもので、この実施例はパラメータとしての動力計慣性モーメントJdyを推定するものである。

図７において、ステップＳ９の演算機能を付加し、Ｓ３で求めたボード線図から伝達関数Ｇ２の共振周波数ωｃを１４式に基づいて算出する。

ステップＳ１０では、Ｓ７、Ｓ８及びＳ９においてそれぞれ求められた慣性モーメントJeg、結合シャフト捩れ剛性Ksh及びＧ２の共振周波数ωｃを用いて式１５の演算を実行して動力計慣性モーメントJdyを推定する。

図８は第４の実施例を示したもので、この実施例はパラメータとしてのインバータの直流ゲインKinvを推定するものである。

前述の説明では、伝達関数Ｇ２を式８で表現しているが、インバータの直流ゲインは必ず１ではなく、Kinvの場合がある。その場合の伝達関数Ｇ２は式１６と推定される。

Ｇ２の直流ゲインは、Jeg／（Jdy＋Jeg）＊Kinvであることから、実測したＧ２の定常ゲインＧ２Dc と先に推定したJeg、JdyからKinv＝Ｇ２Dc ＊（Jdy＋Jeg）／Jegとしてインバータの直流ゲインを推定するものである。

すなわち、図８において、ステップＳ１１の演算機能を付加し、Ｓ３で求めた伝達関数Ｇ２の定常ゲインＧ２Dcを求め、ステップｓ１２でＳ７、Ｓ１０及びＳ１１においてそれぞれ求められたJeg、Jdy及びＧ２Dc から上記したインバータの直流ゲインKinvを推定するものである。この直流ゲインKinvが推定できることにより、インバータ特性の測定、トルク・速度制御の応答性向上への使用が可能となるものである。

本発明が適用されるエンジンベチシステムの構成図。エンジンベチシステムの２慣性モデル図。動力計トルク→動力計角速度の伝達関数と動力計トルク→結合シャフト捩れトルクの伝達関数の比の理論値によるボード線図。動力計トルク→動力計角速度の伝達関数と動力計トルク→結合シャフト捩れトルクの伝達関数の比の実測値によるボード線図。エンジン慣性モーメント推定フローチャート図。結合シャフト捩れ剛性推定フローチャート図。動力計慣性モーメント推定フローチャート図。インバータ直流ゲイン推定フローチャート図。

符号の説明

１… エンジン
２… 動力計
３… 結合シャフト
４… エンジン制御部
５… スロットルアクチュエータ
６… トルクメータ
７… 速度計
８… 検出部
９… 演算部
１０… インバータ
１１… ダイナモ制御部

Claims

エンジンと動力計を結合シャフトを介して連結し、この動力計をインバータにて制御するよう構成したエンジンベンチシステムであって、検出されたトルク信号、速度信号を用いてエンジンベンチシステムのパラメータを推定するものにおいて、
前記動力計トルクをランダムに加振したときの動力計のトルク、角速度及び結合シャフト捩れトルクを計測し、動力計トルクと動力計角速度間の第１の伝達関数G１と動力計トルクと結合シャフト捩れトルク間の第２の伝達関数G２とを求める伝達関数演算手段と、
この伝達関数演算手段によって算出された伝達関数の比G１／G２を求め、この伝達関数比データの反共振周波数ωaを求める反共振周波数演算手段と、
求められた反共振周波数ωaのデータに任意の定数Ｋを乗算した反共振周波数ωa＊Ｋを求め、伝達関数比の最も低い周波数から乗算された反共振周波数ωa＊Ｋまでの伝達関数比の周波数データを算出し、この算出値を１／Jeg＊sに最小二乗法にてフィッテングさせて前記パラメータであるエンジン慣性モーメントJeg
を演算するエンジン慣性モーメント演算手段を備えたことを特徴とするエンジンベンチシステムのパラメータを推定装置。
前記反共振周波数ωaのデータとエンジン慣性モーメントJegのデータを用いてωa²＊Jegの演算を行って前記パラメータである結合シャフト捩れ剛性Kshを求める結合シャフト捩れ剛性演算手段を備えたことを特徴とした請求項１記載のエンジンベンチシステムのパラメータを推定装置。
前記伝達関数演算手段によって求められた第２の伝達関数Ｇ２の共振周波数ωｃを演算する共振周波数演算手段と、この共振周波数ωｃと前記エンジン慣性モーメントJeg及び結合シャフト捩れ剛性Kshの各データを用いて
Jdy＝（Jeg＊Ksh）／（−Ksh＋ωc²＊Jeg）の演算を実行して前記パラメータである動力計慣性モーメントJdyを求める動力計慣性モーメント演算手段を備えたことを特徴とした請求項２記載のエンジンベンチシステムのパラメータを推定装置。
前記伝達関数演算手段によって求められた第２の伝達関数Ｇ２の定常ゲインＧ２Dcを求める定常ゲイン算出手段と、算出された定常ゲインＧ２Dcと前記エンジン慣性モーメントJeg及び動力計慣性モーメントJdyの各データを用いてKinv＝Ｇ２Dc＊（Jdy＋Jeg）／Jegの演算を実行して前記パラメータであるインバータの直流ゲインKinvを求めるインバータ直流ゲイン演算手段を備えたことを特徴とした請求項３記載のエンジンベンチシステムのパラメータを推定装置。