JP5440619B2 - 供試体のパラメータ推定装置と機械共振周波数の検出方法 - Google Patents

Description

本発明は、動力計による供試体のパラメータ推定装置と機械共振周波数の検出方法に関するものである。

エンジンベンチシステムやドライブベンチシステム等に適用される動力計システムにおいては、エンジンベンチシステムであればエンジン、ドライブベンチシステムであれば変速機、トルコンテスタであればトルクコンバータというように、供試体が変更されたときには、通常、機械共振周波数が変化する。最近の動力計システムでは、機械共振を抑制する共振抑制制御を適用するものが多くなっているが、供試体が換わる都度、機械系パラメータの再設定が必要となり、供試体の機械共振周波数に対応した共振抑制制御を行う必要がある。そのためには、供試体変更時に機械共振周波数を検出しなければならない。この機械系パラメータの検出方法としては特許文献１が公知となっている。

図６は、特許文献１に記載されたエンジンベンチシステムにおける機械系パラメータの推定装置の例で、１は供試体であるエンジン、２は動力計で、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は開度制御部で、開度指令部１３からの指令に基づいて開度信号を演算する。５はスロットルアクチュエータで、開度信号に基づきスロットル開度が制御される。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保存部８によって所定の処理が実行され、その値が保存される。

９はパーソナルコンピュータなどよりなる演算部で、エンジンベンチシステムの各種信号の入力・記録やシステムに対する各種パラメータのダウンロード、及び各種指令値の設定を行うと共に、モデルを構築してそのパラメータ同定を実行するパラメータ同定部を備えている。１０はインバータで、トルク電流制御部１１からの出力に基づいて動力計２に対するトルク・速度制御を実行する。１２はトルク電流指令部で、直流値とランダム値を含む電流指令値を発生してトルク電流制御部１１と検出保存部８に出力する。

特許第４７８８６２７号

図７は２慣性系の機械パラメータ、インバータ特性、及び各種検出遅れ特性を推定するためのモデルで、インバータの一次遅れ要素２１にはトルク電流指令部１２から出力されたトルクＴ2refが入力され、減算部２７においてばね要素２３によって生成されたばねトルクと差演算される。その偏差値は２慣性系における第２（動力計）の慣性モーメント要素２２に出力され、所定の遅れを持って動力計速度の検出無駄時間要素２５を経て出力ω2detとなる。第２の慣性モーメント要素２２の演算値は減算部２８にも出力され、この減算部２８において第１（供試体）の慣性モーメント要素２４の出力値との差演算が実行され差信号をばね要素２３に出力する。ばね要素２３では差信号に基づくＰＩ演算を実行してばねトルクを生成し、その値を軸トルクの検出無駄時間要素２６を経てトルクＴ12detとして出力すると共に、減算部２７と第１の慣性モーメント要素２４に出力する。

図８はパラメータ推定のフローチャートを示したもので、ステップＳ１では、ボード線図データ算出手段によってボード線図データを算出する。そのために演算部９は実測されたボード線図データより（ω、Ｈ_R）を求める。ωは周波数の実測値、Ｈ_Rはωでの周波数応答を表す複素数である。ステップＳ２ではモデルパラメータ初期値設定手段により、モデルに適切なパラメータ初期値Ｐ_MOを設定する。初期値Ｐ_MO設定のためのパラメータ変数としては、インバータ直流ゲイン
Ｋ₁、インバータ応答周波数ω₁、機械系慣性モーメントＪ₁，Ｊ₂、機械系回転損失Ｃ₁，Ｃ₂、機械系ばね定数Ｋ₁₂、機械系ばね損失Ｃ₁₂、軸トルク検出無駄時間Ｔ_T、及び動力計速度検出無駄時間Ｔ_Eである。

ステップＳ３では、モデル関数算出手段によりモデルボード線図の周波数ωと周波数応答Ｈ_Mを計算する。ステップＳ４では、評価関数算出手段により実測されたωとＨ_R及びモデルのＨ_Mを用いて（１）式の計算を実行して評価関数
Ｆ（Ｈ_R、Ｈ_M）を求める。

ここで、関数Ｆの意味は、（Ｈ_M−Ｈ_R）／Ｈ_Rの絶対値をｌｏｇスケールで予め設定した周波数ω₀からω₁まで積分することである。ステップＳ５では、非線形計画法に基づく収束判定を実行し、収束してなかった場合には、ステップＳ６でモデルパラメータ算出手段により非線形計画法によって新たなモデルパラメータ
Ｐ_Mを算出してモデル関数算出手段に創出して新たなＨ_Mを算出する。

上記のような特許文献１によれば、機械系パラメータ及びインバータ特性、各種検出遅れ特性を精度良く推定可能となる。したがって、特許文献１の技術を利用することで動力計の機械系モデルを構築することが可能となり、そのモデルの伝達関数を計算することで、動力計の機械共振周波数の算出も可能となる。
しかし、特許文献１は、図８で示すように、演算部９の内部で収束判定を伴う非線形計画法などを利用した繰返し計算を利用している。このため、供試体の変更時に、当該供試体の機械共振周波数に対応した共振抑制制御を行う場合、短時間で機械系モデルの推定を行うことは困難であり、また、繰返し計算の仕方によっては、有意な制度で計算が収束するとは限らない。

本発明が目的とするとこは、供試体変更時においても慣性モーメントの推定と共に、機械共振周波数の推定も可能とする供試体のパラメータ推定装置と機械共振周波数の検出方法を提供することにある。

本発明の請求項１は、供試体と結合シャフトを介して連結された動力計をインバータで制御し、検出保存された動力計の速度と軸トルクを演算部に取り出して実測した周波数ωでの周波数応答Ｈ_Rから実測ボード線図と、予め設定されたモデルパラメータからモデルボード線図データＨ_Mを求め、求めた周波数応答Ｈ_Rとモデルボード線図データＨ_Mを用いて演算部の評価関数演算手段にて評価関数を演算して動力計システムのパラメータを推定するものにおいて、
前記モデルパラメータのうち、供試体慣性モーメントＪ₁の推定候補値を複数用意し、動力計システムの他のモデルパラメータを設定して前記モデルボード線図データＨ_Mを算出するモデルボード線図算出手段と、
前記評価関数演算手段にて前記モデルボード線図データＨ_Mと前記周波数応答Ｈ_Rを用いて（Ｈ_M−Ｈ_R）／Ｈ_Rの絶対値を対数スケールで予め設定した周波数ω₀からω₁までを積分して評価関数Ｆを算出する評価関数演算手段と、
算出された評価関数Ｆを最小化する前記供試体慣性モーメントＪ₁の推定候補値を求める評価関数最小化手段を備え、
最小化慣性モーメントＪ₁と前記動力計システムの他のモデルパラメータを用いてモデルの伝達関数を算出するよう構成したことを特徴としたものである。

本発明の請求項２は、前記評価関数演算手段による評価関数は、前記モデルボード線図データＨ_Mと前記周波数応答Ｈ_R各々の絶対値の比率の対数関数値の絶対値を、周波数を対数スケールで積分して得るよう構成したことを特徴としたものである。

本発明の請求項３は、供試体と結合シャフトを介して連結された動力計をインバータで制御し、検出保存された動力計の速度と軸トルクを演算部に取り出して実測した周波数ωでの周波数応答Ｈ_Rから実測ボード線図と、予め設定されたモデルパラメータからモデルボード線図データＨ_Mを求め、求めた周波数応答Ｈ_Rとモデルボード線図データＨ_Mを用いて演算部の評価関数演算手段にて評価関数を演算して動力計システムのパラメータを推定するものにおいて、
前記モデルパラメータのうち、供試体慣性モーメントＪ₁の推定候補値を複数用意し、動力計システムの他のモデルパラメータを設定して前記モデルボード線図データＨ_Mを求め、前記評価関数演算手段にてモデルボード線図データＨ_Mと前記周波数応答Ｈ_Rを用いて（Ｈ_M−Ｈ_R）／Ｈ_Rの絶対値を対数スケールで予め設定した周波数ω₀からω₁までを積分して評価関数Ｆを算出し、算出された評価関数を最小化する前記供試体慣性モーメントＪ₁の推定候補値を求め、最小化慣性モーメントＪ₁と前記動力計システムの他のモデルパラメータを用いてモデルの伝達関数を算出し、算出されたモデルの伝達関数から共振周波数を算出することを特徴としたものである。

本発明の請求項４は、前記評価関数演算手段による評価関数は、前記モデルボード線図データＨ_Mと前記周波数応答Ｈ_R各々の絶対値の比率の対数関数値の絶対値を、周波数を対数スケールで積分して得る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、供試体の慣性モーメントＪ₁の推定値候補数であるＮ個の評価関数値について、それを最小とするＪ₁[k]を求めるだけであるので、シーケンシャルな計算が可能となり、共振周波数が短時間に算出可能となるものである。

本発明の実施形態を示す機械モデル図。 本発明によるフローチャート。 本発明による他のフローチャート。 本発明によるシミュレーション結果図。 本発明による共振周波数のシミュレーション結果図。 エンジンベンチシステムのパラメータ推定装置の構成図。 機械モデル図。 従来のパラメータ推定のフローチャート。

本発明は、供試体の機械共振周波数に対応した共振抑制制御を行うとき、供試体の機械系慣性モーメントＪ₁のみを設定変更することで、短時間で機械系モデルのパラメータの推定と、モデルパラメータを用いて伝達関数を算出し、算出されたモデルの伝達関数から共振周波数を算出するものである。以下実施例に基づいて詳述する。

本発明の実施例に用いられる機械系モデルは図１で示すように、図７で示す特許文献１と同様の機械系モデルとされるが、異なる点は、図１で示す機械系モデルにおいて、エンジンなど供試体の機械系慣性モーメントＪ₁以外のパラメータは、動力計システム固有のパラメータであり、一度測定すれば供試体の変更時には算出不要としたものである。したがって、供試体変更時に変化する部分は供試体の機械系慣性モーメントＪ₁のみであることに着目して機械共振周波数を算出するものである。なお、動力計システムとしては、特許文献１と同様に図６で示す動力計システムが適用される。

図２は機械共振周波数を算出するためのフローチャートである。同図におけるステップＳ１１では、ボード線図データ算出手段によってボード線図データを算出する。そのため演算部９では、測定終了後に検出保存部８に保存された実測値によるトルク電流指令と軸トルク検出器を用いて作成したボード線図と、トルク電流指令と動力計の速度検出値を用いて作成したボード線図から演算して（ω、Ｈ_R）を求める。ωは周波数の実測値、Ｈ_Rはωでの周波数応答を表す複素数である。

ステップＳ１２ではモデルパラメータ初期値設定手段により、動力計システム固有のパラメータ、すなわち、動力計慣性モーメントＪ₂、エンジンと動力計の結合シャフトのばね剛性Ｋ₁₂、エンジンと動力計の結合シャフトのばね損失
Ｃ₁₂、軸トルク検出無駄時間Ｔ_T、動力計回転数検出無駄時間Ｔ_E、及び伝達関数Ｋ₁／（Ｓ／ω₁）のモデルに適切なパラメータ初期値を設定する。ステップＳ
１３では供試体となるエンジンの慣性モーメントＪ₁の推定値候補を予め複数（Ｊ₁［k］（k＝１，２，３…Ｎ））用意する。

ステップＳ１４ではモデル関数算出手段によりモデルボード線図の周波数ωと周波数応答Ｈ_Mを計算する。次に、ステップＳ１５で評価関数算出手段により各Ｊ₁［k］の実測されたωとＨ_R及びモデルのＨ_Mを用いて（１）式の計算を実行して評価関数Ｆ（Ｈ_R、Ｈ_M）を求め、ステップＳ１６でその評価関数を最小化するＪ₁［kmin］を求める。ステップＳ１６では、求めたＪ₁［kmin］とステップＳ１２で設定されたパラメータから、図７のモデルの伝達関数を求めて、その伝達関数の共振周波数をステップＳ１７で計算する。

この実施例によれば、ステップＳ１３〜Ｓ１５までの演算をＪ₁の推定値候補数であるＮ回を繰り返して最小とするkを求めるだけであるので、シーケンシャルな計算が可能となり、共振周波数が短時間に算出可能となるものである。

図３は第２の実施例を示す共振周波数算出のためのフローチャートである。
この実施例で図２と異なるところは、ステップＳ１５´での演算式を（２）式に基づいて実行するもので、他は図２と同じである。

実施例１のステップ１５で行う評価関数の演算は、ボード線図の位相によって値が変化する可能性がある。実施例２では、この点を考慮して評価関数をボード線図のゲイン特性のみで決まる値としたものである。すなわち、評価関数Ｆ（Ｈ_R、Ｈ_M）は、複素数で表現されるモデルの周波数応答Ｈ_Mと、同じく複素数で表現される実測した周波数応答Ｈ_Rの絶対値の比率のlog関数（対数関数）値の絶対値を、周波数をlogスケールで積分して得られる。

この実施例によれば、実施例１の効果の他に、何等かの条件により軸トルク検出無駄時間Ｔ_T、動力計回転数検出無駄時間Ｔ_Eが変化した場合においても、適切なエンジンの慣性モーメントＪ₁を算出することができ、結果として適切な共振周波数の算出が可能となるものである。

図４及び図５は、本発明によるシミュレーション結果を示したものである。
図４は、横軸にエンジンの慣性モーメントＪ₁［k］（k＝１，２，３…Ｎ）を表し、縦軸は評価関数の値を示したものである。
また、図５は、図４の縦軸を最小化するＪ₁のときのモデル関数（線Ａ）と、実測の伝達関数（線Ｂ）を示したものである。線Ｂで示す実測では略１００Ｈzの外乱が存在するため、その伝達関数において略１００Ｈzの箇所にピーク状のゲイン変動が発生している。単にピークゲインを捕らえる方法で共振周波数を検出する場合には、図５の例では共振周波数１００Ｈzと誤検出してしまう。

しかし、本発明によれば、線Ｂで示す実測の伝達関数と線Ａで示すモデルの伝達関数が４００Ｈz近辺で両者重なり合うモデルの伝達関数を得ることができ、このモデル伝達関数の共振周波数を計算することで、実測の伝達関数を容易に推定することが可能となる。また、得られたモデル伝達関数から、供試体の慣性モーメントＪ₁の推定も可能となるものである。

以上本発明によれば、供試体の慣性モーメントＪ₁の推定値候補数であるＮ回を繰り返して最小とするkを求めるだけであるので、シーケンシャルな計算が可能となり、共振周波数が短時間に算出可能となるものである。
また、何等かの条件により軸トルク検出無駄時間Ｔ_T、動力計回転数検出無駄時間Ｔ_Eが変化した場合においても、適切なエンジンの慣性モーメントＪ₁を算出することができ、結果として適切な共振周波数の算出が可能となるものである。

１… 供試体
２… 動力計
３… 結合シャフト
４… エンジン開度制御部
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・保存部
９… 演算部
１０… インバータ
１１… トルク電流制御部
１２… トルク電流指令部

Claims (4)

1. 供試体と結合シャフトを介して連結された動力計をインバータで制御し、検出保存された動力計の速度と軸トルクを演算部に取り出して実測した周波数ωでの周波数応答Ｈ_Rから実測ボード線図と、予め設定されたモデルパラメータからモデルボード線図データＨ_Mを求め、求めた周波数応答Ｈ_Rとモデルボード線図データＨ_Mを用いて演算部の評価関数演算手段にて評価関数を演算して動力計システムのパラメータを推定するものにおいて、
   前記モデルパラメータのうち、供試体慣性モーメントＪ₁[k]の推定候補値を複数用意し、動力計システムの他のモデルパラメータを設定して前記モデルボード線図データＨ_Mを算出するモデルボード線図算出手段と、
   前記評価関数演算手段にて前記モデルボード線図データＨ_Mと前記周波数応答Ｈ_Rを用いて（Ｈ_M−Ｈ_R）／Ｈ_Rの絶対値を対数スケールで予め設定した周波数ω₀からω₁までを積分して評価関数Ｆを算出する評価関数演算手段と、
   算出された評価関数Ｆを最小化する前記供試体慣性モーメントＪ₁の推定候補値を求める評価関数最小化手段を備え、
   最小化慣性モーメントＪ₁と前記動力計システムの他のモデルパラメータを用いてモデルの伝達関数を算出するよう構成したことを特徴とする供試体パラメータ推定装置。
2. 前記評価関数演算手段による評価関数は、前記モデルボード線図データＨ_Mと前記周波数応答Ｈ_R各々の絶対値の比率の対数関数値の絶対値を、周波数を対数スケールで積分して得るよう構成したことを特徴とする請求項１記載の供試体パラメータ推定装置。
3. 供試体と結合シャフトを介して連結された動力計をインバータで制御し、検出保存された動力計の速度と軸トルクを演算部に取り出して実測した周波数ωでの周波数応答Ｈ_Rから実測ボード線図と、予め設定されたモデルパラメータからモデルボード線図データＨ_Mを求め、求めた周波数応答Ｈ_Rとモデルボード線図データＨ_Mを用いて演算部の評価関数演算手段にて評価関数を演算して動力計システムのパラメータを推定するものにおいて、
   前記モデルパラメータのうち、供試体慣性モーメントＪ₁の推定候補値を複数用意し、動力計システムの他のモデルパラメータを設定して前記モデルボード線図データＨ_Mを求め、前記評価関数演算手段にてモデルボード線図データＨ_Mと前記周波数応答Ｈ_Rを用いて（Ｈ_M−Ｈ_R）／Ｈ_Rの絶対値を対数スケールで予め設定した周波数ω₀からω₁までを積分して評価関数Ｆを算出し、算出された評価関数を最小化する前記供試体慣性モーメントＪ₁の推定候補値を求め、最小化慣性モーメントＪ₁と前記動力計システムの他のモデルパラメータを用いてモデルの伝達関数を算出し、算出されたモデルの伝達関数から共振周波数を算出することを特徴とした共振周波数の検出方法。
4. 前記評価関数演算手段による評価関数は、前記モデルボード線図データＨ_Mと前記周波数応答Ｈ_R各々の絶対値の比率の対数関数値の絶対値を、周波数を対数スケールで積分して得ることを特徴とした請求項３記載の共振周波数の検出方法。
   

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