JP5414662B2 - ダイナモメータの特性マップ作成方法及びダイナモメータ - Google Patents

Description

本発明は、ダイナモメータの特性マップを作成する技術に関するものである。

被試験体に出力トルクを作用させるモータを備えたダイナモメータの制御技術としては、モータの出力トルクをフィードフォワード制御する技術が知られている（特許文献１）。
この技術では、予め、モータの制御電流と出力トルクとの関係を求めておき、出力トルクが目標トルクと一致する制御電流をモータに出力することにより、モータの出力トルクのフィードフォワード制御を実現している。

特開平８-１３６４０８号公報

上述したダイナモメータの制御技術によれば、予め、モータの制御電流と出力トルクとの関係、すなわち、出力特性を求めておく必要があるところ、当該関係を適正に算出することは必ずしも容易ではない。
すなわち、たとえば、同じ制御電流に対する出力トルクが回転速度に応じて変化するモータの制御電流と出力トルクと回転速度とのデータを実測し、実測したデータを解析して出力特性を算出する場合には、当該データにダイナモメータの共振成分やリップルなどの不要成分が含まれるため、出力特性を適正に算出することができない。一方で、データの実測時に、適当なフィルタを用いて平滑化を行って共振成分やリップルを除去するものとすると、当該平滑化は、出力特性とは無関係の時間軸方向について行われるため、算出される出力特性を歪ませてしまうこととなる。

そこで、本発明は、より容易に、ダイナモメータのモータの出力特性を適正に算出できるようにすることを課題とする。

前記課題達成のために、本発明は、モータと、電流指令値に従って前記モータをACR制御するインバータとを備えたダイナモメータの、前記電流指令値と前記モータの回転速度と前記モータの出力トルクとの関係を表す特性マップを作成する特性マップ作成方法として、前記ダイナモメータの、前記電流指令値と前記回転速度と前記出力トルクとの組み合わせの実績値の各々を計測データとして取得する計測データ取得ステップと、各電流指令値毎に、当該電流指令値における、前記回転速度と前記出力トルクとの関係を表す曲線を、当該電流指令値に対応する特性曲線として算出する特性曲線算出ステップと、前記算出された各電流指令値に対応する特性曲線より表される特性マップを生成して保存する特性マップ生成ステップとを備えた方法を提供する。ただし、前記特性曲線算出ステップは、前記特性曲線を作成する電流指令値を、対象電流指令値として、当該対象電流指令値に一致する電流指令値を含む計測データを、対象計測データとして抽出する対象計測データ抽出ステップと、対象計測データを用いた最小二乗法によって、前記回転速度と前記出力トルクとの関係を表すｎ次元近似曲線を作成するｎ次元近似曲線作成ステップと、前記ｎ次元近似曲線、もしくは、当該ｎ次元近似曲線を近似した曲線を、当該対象電流指令値に対応する特性曲線として保存する特性曲線生成ステップとを含むものである。

このような特性マップ作成方法によれば、電流指令値毎に、前記回転速度と前記出力トルクとの関係を表す特性曲線を作成する際に、特性曲線を作成する電流指令値を、対象電流指令値として、当該対象電流指令値に一致する電流指令値を含む計測データを用いた最小二乗法によって、前記回転速度と前記出力トルクとの関係を表すｎ次元近似曲線を作成し、当該ｎ次元近似曲線に基づいて当該対象電流指令値の特性曲線を生成する。

ここで、このような最小二乗法によって作成したｎ次元近似曲線は、計測データに表れるダイナモメータの共振成分やリップルなどの不要成分が除去された、対象電流指令値を含む計測データ分布のおよそ中央を通る曲線となる。
したがって、本発明によれば、計測データから、容易に、電流指令値とモータの出力トルクと回転速度と関係を表す出力特性を適正に算出できるようになる。
ここで、このような特性マップ作成方法は、前記特性曲線生成ステップにおいて、前記ｎ次元近似曲線上に、複数の代表点を設定し、設定した代表点を直線で結んだ曲線を、前記特性曲線として保存するように構成することも、特性マップ利用時の処理の容易性や高速性を担保する上で好ましい。

また、本発明は、併せて、以上の特性マップ作成方法で保存された特性マップと、前記モータと、前記インバータと、前記特性マップを用いて前記モータの出力トルクを制御する制御手段とを有するダイナモメータも提供する。
ここで、このようなダイナモメータは、前記モータに連結された、自動車のタイヤが載置されるローラを備えたシャシーダイナモメータであってもよい。または、当該ダイナモメータは、前記モータに自動車のエンジンまたはパワーユニットの出力軸が連結されるエンジンダイナモメータであってもよい。

以上のように、本発明によれば、より容易に、ダイナモメータのモータの出力特性を適正に算出できるようになる。

本発明の実施形態に係るシャシーダイナモメータの構成を示す図である。 本発明の実施形態に係るダイナモメータと制御装置の構成を示す図である。 本発明の実施形態に係るダイナモメータのデータ計測時の構成を示す図である。 本発明の実施形態に係る特性マップ算出処理を示すフローチャートである。 本発明の実施形態に係る特性マップ算出処理の処理例を示す図である。

以下、本発明の実施形態について、シャシーダイナモメータへの適用を例にとり説明する。
図１に、本実施形態に係るシャシーダイナモメータの構成を模式的に示す。
ここで、図１ａはシャシーダイナモメータの上面模式図を、図１ｂはシャシーダイナモメータの側面模式図を示している。
図示するように、このシャシーダイナモメータは、自動車用のシャシーダイナモメータであり、ピット１と、ピット１内に配置されたダイナモメータ２と、制御装置３とを備えている。
ここで、ダイナモメータ２は、図２に示すように、インバータ２０、ベース２１、左右一対の円筒形状のローラ２２、ベース２１に固定されたモータ２３を有している。そして、各ローラ２２の中心軸２４は、ベース２１に固定された二つの支柱２５によって回動可能に支持されている。また、左側のローラ２２の中心軸２４の右端は、左軸トルク計２６を介在して、モータ２３のモータ軸２７の左端に連結し、右側のローラ２２の中心軸２４の左端は、右軸トルク計２８を介在して、モータ２３のモータ軸２７の右端に連結している。また、モータ２３には、モータ軸２７の回転速度を検出し、検出した回転速度を回転速度Rvとして制御装置３に出力する回転速度計２９が設けられている。

このような構成において、インバータ２０は、制御装置３から出力される電流指令値ACR(%)に従って、電流指令値ACR(%)で示される電流をPWM信号等によってモータ２３に供給するACR制御をモータ２３に対して行い、ACR制御によって駆動されたモータ２３の出力トルクによって各ローラ２２の回転の動力の供給または吸収が行われる。なお、電流指令値ACR(%)は、電流指令値を、電流指令値の最大値に対する比率（％）で表したものであり、100％から-100％の値をとる。

また、左軸トルク計２６、右軸トルク計２８は、たとえば歪みゲージであり、左軸トルク計２６は、モータ２３のモータ軸２７と左側のローラ２２の中心軸２４との間に働く軸トルクをねじれ方向の歪み量より検出し、右軸トルク計２８は、モータ２３のモータ軸２７と右側のローラ２２の中心軸２４との間に働く軸トルクを、たとえば、ねじれ方向の歪み量より検出する。そして、左軸トルク計２６が検出した軸トルクと、右軸トルク計２８が検出した軸トルクとを加算した値が、出力トルクFo(N)として制御装置３に出力される。なお、「(N)」は、当該信号が力（ニュートン）を表す信号であることを表している。

ここで、図１に示すように、このようなダイナモメータ２はローラ２２の頂部がピット１上面に設けられた開口から露出するように配置されている。そして、自動車の試験は、図示するように、ピット１に試験する自動車である試験車両５を進行させ、左右の駆動輪のタイヤをダイナモメータ２の左右のローラ２２の頂上にそれぞれ位置決めした上で、試験車両５をピット１に対して固定して行う。

さて、図２に戻り、制御装置３は、目標トルク設定部３１とフィードバック制御系３２とフィードフォワード制御系３３と重み付加算器３４とを備えている。
そして、フィードバック制御系３２は、減算器３２１、フィードバック制御部３２２とを備えている。また、フィードフォワード制御系３３は、フィードフォワード制御部３３１と、特性マップ３３２とを備えている。
目標トルク設定部３１は、予め定義された目標トルクの付与スケジュールや、回転速度と目標トルクとの対応などに従って、回転速度計２９の出力する回転速度Rvなどの必要に応じて参照しつつ、現時点の目標トルクFtrg(N)を出力する。
フィードバック制御系３２において、減算器３２１は、目標トルクFtrg(N)と出力トルクFo(N)の差分ΔＦ(N)を算出し、フィードバック制御部３２２は、差分ΔＦ(N)に基づいてＰＩＤ制御を行って、差分ΔＦ(N)を０とするための第１電流指令値ACR(%)を出力する。

一方、フィードフォワード制御系３３において、特性マップ３３２は、電流指令値ACR(%)と、モータ２３の出力トルクと、モータ２３の回転速度との関係を表したマップである。そして、フィードフォワード制御部３３１は、回転速度計２９の出力している現在の回転速度Rvにおいて、モータ２３の出力トルクFoを目標トルクFtrg(N)と等しい値とするための、電流指令値ACR(%)を、特性マップ３３２を参照して求め、第２電流指令値ACR(%)として出力する。

そして、重み付加算器３４は、フィードバック制御系３２から出力される第１電流指令値ACR(%)とフィードフォワード制御系３３から出力される第２電流指令値ACR(%)とに所定の係数K1,K2をそれぞれを乗じた上で加算し、電流指令値ACR(%)としてインバータ２０に出力する。

ただし、制御装置３は、フィードバック制御系３２と重み付加算器３４を設けずに、フィードフォワード制御系３３の出力第２電流指令値ACR(%)を、そのまま電流指令値ACR(%)としてインバータ２０に出力するように構成してもよい。
以下、このように制御装置３において用いられる特性マップ３３２の作成の詳細について説明する。
特性マップ３３２の作成は、計測データの取得と、計測データに基づき特性マップ３３２を作成する特性マップ作成処理の実行によって行われる。
まず、計測データの取得について説明する。
計測データの測定は、次のように行う。
すなわち、まず、図３に示すように、右軸トルク計２８、左軸トルク計２６を介してモータ２３のモータ軸２７に任意の負荷トルクを加える負荷装置２０１を設ける。
そして、計測データを蓄積するデータ記録部４１とデータ計測を制御する測定制御部４２とインバータ２０に電流指令値ACR(%)を出力するACR制御部４３とを備えたデータ計測装置４を、ダイナモメータ２と負荷装置２０１に接続する。
そして、測定制御部４２は、予め定めておいた電流指令値ACR(%)の複数の計測ポイントであるACR計測ポイントの各々について以下の処理を行う。
すなわち、ACR制御部４３を制御して、インバータ２０に出力する電流指令値ACR(%)を、ACR計測ポイントと同じ値とする。そして、ACR計測ポイントと等しい電流指令値ACR(%)をインバータ２０に出力している期間中に、負荷装置２０１を制御してモータ軸２７に与える負荷を所定の負荷範囲において漸次的に変化させならが、各時点における電流指令値ACR(%)の値（ACR計測ポイント）と、ダイナモメータ２から出力される回転速度Rvと出力トルクFo(N)とを取得し、データ記録部４１に計測データとして記録する。

ここで、上述した電流指令値ACR(%)の複数のACR計測ポイントは、たとえば、-100％から100％までの間の10％おきの各値、すなわち、-100％、-90％、-80％、...-20％、-10％、10％、20％、...80％、90％、100％とする。
次に、計測データに基づき特性マップ３３２を作成する特性マップ作成処理について説明する。
特性マップ作成処理は、図３に示すようにデータ計測装置４に接続した特性マップ作成装置６で実行される処理であり、特性マップ作成装置６は、特性マップ作成処理において、データ計測装置４のデータ記録部４１に蓄積された計測データを用いて、特性マップ３３２を作成する。

図４に、この特性マップ作成処理の手順を示す。
図示するように、この処理では、上述した電流指令値ACR(%)のｑ個のACR計測ポイントの各々を着目ACR計測ポイント（i番目のACR計測ポイント）として（ステップ４０２、４１２、４１４）、以下の処理を行う。なお、ACR計測ポイントの数ｑは、上述のように、-100％、-90％、-80％、...-20％、-10％、10％、20％、...80％、90％、100％をACR計測ポイントとした場合は20となる。
すなわち、まず、着目ACR計測ポイントの電流指令値ACR(%)を含む計測データの全てを計測データ記録部から抽出する（ステップ４０４）。
そして、抽出した計測データから最小二乗法により、y=Fo、x=Rvとして式１に示すｎ次元近似曲線y=H(x)を算出する（ステップ４０６）。次元数ｎは、必要とする精度に応じて適当な値を設定する。

なお、最小二乗法とは、式２で示す誤差Eが最小となるｎ次元近似曲線を算出するものである。ただし、Fomは、抽出した計測データのうちのm番目の計測データに含まれる出力トルクFoの値、Rvmは、抽出した計測データのうちのm番目の計測データに含まれる回転速度Rvの値を表す。

そして、次に、予め定めた回転速度Rv複数のサンプルポイントRvjの各々について、ｎ次元近似曲線上の代表点Pj=（Rvj、Ｈ（Rvj））を算出する（ステップ４０８）。
ここで、回転速度Rv複数のサンプルポイントRvjは、ｎ次元近似曲線の形状の変化が滑らかな回転速度Rvの範囲では間隔を大きく定間隔に、ｎ次元近似曲線の形状の変化が大きい回転速度Rvの範囲では間隔を小さくとるようにするのがよい。
そして、代表点Pjを直線で結んだ曲線を求め、求めた曲線を着目ACR計測ポイント（i番目のACR計測ポイント）の特性曲線とする（ステップ４１０）。ここで、代表点Pjを直線で結んだ曲線、すなわち、特性曲線は、ｎ次元近似曲線を近似した曲線となる。
そして、各ACR計測ポイントの各々について以上の処理を行ったならば（ステップ４１２）、各ACR計測ポイントの各々について求めた特性曲線の集合を特性マップ３３２として保存し（ステップ４１６）、特性マップ作成処理を終了する。
以上、特性マップ作成処理の手順について説明した。
ここで、このような特性マップ作成処理の処理例を図５に示す。
図５ａは、同じACR計測ポイントの計測データに対応するFo-Rv空間上の各ポイントを回転速度Rvの小さいものより順に結んだ曲線によって、Fo-Rv空間上の計測データの分布を示したものであり、各曲線は、下のものより順次、-100％、-90％、-80％、...-20％、-10％、10％、20％、...80％、90％、100％のACR計測ポイントに対応する曲線である。

次に、図５ｂは、各ACR計測ポイントについて求めたｎ次元近似曲線を示したものであり、各ｎ次元近似曲線は、下のものより順次、-100％、-90％、-80％、...-20％、-10％、10％、20％、...80％、90％、100％のACR計測ポイントに対応するｎ次元近似曲線である。

図５ｂに示するように、最小二乗法により求めたｎ次元近似曲線は、図５ａの計測データの曲線に現れているダイナモメータ２の共振成分やリップルなどの不要成分が除去された、計測データ分布のおよそ中央を通る曲線となっている。
そして、図５ｃは各ACR計測ポイントについて求めた代表点Ｐｊを表し、図５ｄは各ACR計測ポイントについて求めた代表点Ｐｊを直線で結んだ各ACR計測ポイントの特性曲線を表している。ここで、図５ｄの各特性曲線は、下のものより順次、-100％、-90％、-80％、...-20％、-10％、10％、20％、...80％、90％、100％のACR計測ポイントに対応する特性曲線である。

そして、これら各ACR計測ポイントの特性曲線の集合、すなわち、図５ｄのグラフが特性マップ３３２となる。
ここで、前述した制御装置３のフィードフォワード制御部３３１における、特性マップ３３２を用いた電流指令値ACR(%)は、より具体的には、たとえば、次のように行う。
すなわち、目標トルクFtrg(N)と回転速度計２９の出力している現在の回転速度Rvの座標（Ftrg(N)、Rv）がいずれかの特性曲線上にあれば、その特性曲線に対応するACR計測ポイントを、電流指令値ACR(%)として算出する。
一方、座標（Ftrg(N)、Rv）がいずれかの特性曲線上に無い場合には、特性曲線からの補間によって電流指令値ACR(%)を算出する。すなわち、たとえば、座標（Ftrg(N)、Rv）がACR計測ポイントＡの特性曲線ＬＡとACR計測ポイントＢの特性曲線Ｂの間にあり、座標（Ftrg(N)、Rv）からFo方向の特性曲線ＬＡまでの距離をａ、座標（Ftrg(N)、Rv）からFo方向の特性曲線ＬＢまでの距離をｂとして、
（ｂ×Ａ+ａ×Ｂ）/（a+b）を、電流指令値ACR(%)として算出するようにする。

なお、以上の実施形態において、ｎ次元近似曲線ではなく、ｎ次元近似曲線上の代表点Ｐｊを直線で結んで得られる、ｎ次元近似曲線を近似した曲線を特性曲線として用いているのは、制御装置３のフィードフォワード制御部３３１において、特性マップ３３２から、目標トルクFtrg(N)に対応する電流指令値ACR(%)を算出する処理の容易化、高速化などを考慮したものである。したがって、そのような考慮の必要のない場合には、ｎ次元近似曲線を、そのまま特性曲線として特性マップを作成するようにしてもよい。

以上、本発明の実施形態について説明した。
なお、以上で示したシャシーダイナモメータの制御装置３は、四輪駆動車や自動二輪車用のシャシーダイナモメータにも同様に適用することができる。
また、以上のシャシーダイナモメータでは、ダイナモメータ２として軸トルク計でトルクを測定するタイプのダイナモメータを用いたが、ダイナモメータ２としては、軸周りに揺動可能に設けたモータ２３と、モータ２３の揺動に伴いモータ２３に固定したアームから加わる荷重をトルクとして計測するロードセルとを備えた、揺動式のダイナモメータ２を用いるようにしてもよい。

また、以上に示したシャシーダイナモメータの制御装置３は、エンジン、または、エンジンとトランスミッションよりなるパワーユニットの出力軸に連結し、当該出力軸にトルクを付与/吸収するモータと、モータを駆動するインバータと、エンジンの出力軸とモータ間に作用する軸トルクを計測する軸トルク計と、モータの回転速度を計測する回転速度計とを備えたエンジンダイナモメータの制御装置としても同様に用いることができる。

１…ピット、２…ダイナモメータ、３…制御装置、４…データ計測装置、５…試験車両、６…特性マップ作成装置、２０…インバータ、２１…ベース、２２…ローラ、２３…モータ、２４…中心軸、２５…支柱、２６…左軸トルク計、２７…モータ軸、２８…右軸トルク計、２９…回転速度計、３１…目標トルク設定部、３２…フィードバック制御系、３３…フィードフォワード制御系、３４…重み付加算器、４１…データ記録部、４２…測定制御部、４３…ACR制御部、２０１…負荷装置、３２１…減算器、３３１…フィードフォワード制御部、３３２…特性マップ、３２２…フィードバック制御部。

Claims (5)

1. モータと、電流指令値に従って前記モータをACR制御するインバータとを備えたダイナモメータにおいて、目標トルクと前記モータの回転速度に基づいて前記モータの出力トルクを前記目標トルクとするための前記電流指令値を算出するために用いられる、前記電流指令値と前記モータの回転速度と前記モータの出力トルクとの関係を表す特性マップを作成する特性マップ作成方法であって、
   前記ダイナモメータの、前記電流指令値と前記回転速度と前記出力トルクとの組み合わせの実績値の各々を計測データとして取得する計測データ取得ステップと、
   各電流指令値毎に、当該電流指令値における、前記回転速度と前記出力トルクとの関係を表す曲線を、当該電流指令値に対応する特性曲線として算出する特性曲線算出ステップと、
   前記算出された各電流指令値に対応する特性曲線より表される特性マップを生成して保存する特性マップ生成ステップとを有し、
   前記特性曲線算出ステップは、
   前記特性曲線を作成する電流指令値を、対象電流指令値として、当該対象電流指令値に一致する電流指令値を含む計測データを、対象計測データとして抽出する対象計測データ抽出ステップと、
   対象計測データを用いた最小二乗法によって、前記回転速度と前記出力トルクとの関係を表すｎ次元近似曲線を作成するｎ次元近似曲線作成ステップと、
   前記ｎ次元近似曲線、もしくは、当該ｎ次元近似曲線を近似した曲線を、当該対象電流指令値に対応する特性曲線として保存する特性曲線生成ステップとを有することを特徴とする特性マップ作成方法。
2. 請求項１記載の特性マップ作成方法であって、
   前記特性曲線生成ステップにおいて、前記ｎ次元近似曲線上に、複数の代表点を設定し、設定した代表点を直線で結んだ曲線を、前記特性曲線として保存することを特徴とする特性マップ作成方法。
3. 請求項１または２記載の特性マップ作成方法で保存された特性マップと、
   前記モータと、
   前記インバータと、
   前記モータの回転速度を検出する回転速度検出手段と、
   前記目標トルクと前記回転速度検出手段が検出したモータの回転速度に基づいて、前記特性マップを用いて前記電流指令値を算出することにより、前記モータの出力トルクを制御する制御手段とを有することを特徴とするダイナモメータ。
4. 請求項３記載のダイナモメータであって、
   当該ダイナモメータは、前記モータに連結された、自動車のタイヤが載置されるローラを備えたシャシーダイナモメータであることを特徴とするダイナモメータ。
5. 請求項３記載のダイナモメータであって、
   当該ダイナモメータは、前記モータに自動車のエンジンまたはパワーユニットの出力軸が連結されるエンジンダイナモメータであることを特徴とするダイナモメータ。