JP5605127B2

JP5605127B2 - 軸トルク制御装置

Info

Publication number: JP5605127B2
Application number: JP2010215210A
Authority: JP
Inventors: 岳夫秋山; 昌克野村; 裕吾只野
Original assignee: Meidensha Corp
Current assignee: Meidensha Corp
Priority date: 2010-09-27
Filing date: 2010-09-27
Publication date: 2014-10-15
Anticipated expiration: 2030-09-27
Also published as: JP2012068199A

Description

本発明は、２慣性系または２慣性系に近似可能な動力システムまたはエンジンベンチシステムの軸トルク制御装置に係り、特にエンジンベンチシステムにおけるエンジンの回転数制御に対する動力計の軸トルク制御に関するものである。

産業用ロボットや動力試験システムなど、モータと負荷を軸結合する動力伝達系では、結合軸の捩り振動の抑制と外乱抑圧が課題として挙げられており、この課題を解決する手法として動力伝達システムのモデルを２慣性系として表現し、このモデルを基にモータの軸トルク制御で振動抑制などを図る手法が提案されている。

図１０は一般的なエンジンベンチシステム（エンジンの動力試験システム）の機械系と制御系の構成を示す。機械系は、供試対象となるエンジン１にクラッチ２と変速機（ＭＴ）３およびプロペラシャフト４を結合し、このプロペラシャフト４に軸トルクメータ５を介して動力計６を結合する。動力計６の回転軸にはインクリメンタルエンコーダにした回転数検出器７を結合する。制御系は、エンジン１を制御するエンジン制御器８とスロットルアクチェータ９を設け、動力計６を制御する動力計制御器１０とインバータ（電力変換器）１１を設ける。

動力計制御器１０にはエンコーダ７で検出する回転数や軸トルクメータ５で検出する軸トルクがフィードバックされ、動力計の軸トルクや回転数が制御される。エンジン１もエンジン制御器８により出力などが制御される。

図１０には記載されていないが、エンジン１にはエンジン回転数をアイドル回転数に制御するエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）も設置されている。動力計制御器１０は、軸トルクメータで検出したトルクが「軸トルク指令」と一致するように、インバータ１１へのトルク指令を算出する。

図１１は、図１０に示したエンジンベンチシステムにおいて、エンジン１がアイドル回転数制御され、動力計６を軸トルク制御する場合の機械モデルと制御系構成図を示す。一般的なエンジンベンチシステムでは、プロペラシャフト４の慣性モーメントが動力計６やエンジン１の慣性モーメントと比較して小さく、また、プロペラシャフト４などのねじれ剛性はクラッチ２の捩れ剛性よりも非常に大きいため、図１１のように２慣性系モデル（２個の慣性モーメントとそれらを結合する弾性要素からなるモデル）とみなすことができる。

図１１に示す制御系はエンジンのアイドル回転数制御と動力計の軸トルク制御を行う場合である。エンジンのアイドル回転数制御は、速度制御器８Ａが何らかの手段により検出したエンジン回転数があらかじめ指定されたアイドル回転数指令値に一致するように、エンジンの回転数を制御する。軸トルク制御は、軸トルク制御器１０Ａが軸トルクメータ５により検出される軸トルク（クラッチの捩れトルクにほぼ等しい）をあらかじめ指定した軸トルク指令値に一致するように、動力計６のトルクを制御する。

例えば、特許文献１では、２慣性系とみなすことのできる図１１の機械系構成のエンジンベンチシステムにおいて、動力計６で軸トルク制御をする場合の、動力計トルク制御方法とその装置を提案している。

特許文献１では、図１１に示す２慣性系機械モデルの情報（エンジン慣性Ｊｅ、動力計慣性Ｊｍ、クラッチばね剛性Ｋ１２、エンジン角速度ω１、動力計角速度ω２）を用いて、軸トルク指令Ｔ１２ｒと軸トルク検出値Ｔ１２との偏差でＰＩＤ制御する軸トルク制御器とする。このときの動力計トルク制御信号Ｔ２の演算は、以下の積分要素と比例・微分要素をもつＰＩＤ制御方式とする。

Ｔ２＝（Ｋｉ／ｓ）＊（Ｔ１２ｒ−Ｔ１２）−（Ｋｐ＋ｓ＊Ｋｄ）／（ａ２＊ｓ＊ｓ＋ａ１＊ｓ＋１）＊Ｔ１２
ただし、Ｋｉ：積分係数、Ｔ１２ｒ：軸トルク指令値、Ｔ１２：軸トルク検出値、Ｋｐ：比例係数、Ｋｄ：微分係数、ａ１、ａ２：比例・微分要素のフィルタ係数
さらに、特許文献１では、エンジンと動力計の結合シャフトが非線形バネ特性をもつ場合、共振周波数が軸トルクの大きさによって変化するのを補償できるよう、軸トルク制御器のＰＩＤ制御の積分、比例、微分の各要素の係数（積分係数Ｋｉ、比例係数Ｋｐ、微分係数Ｋｄ、フィルタ係数ａ１，ａ２）を軸トルク検出値Ｔ１２を基に自動調整できるようにしている。

特開２００８−７０１１９号公報

特許文献１では、図１０の軸トルク制御器１０Ａの構成方法を提案するものであるが、その制御方法の適用時にエンジンがアイドル回転数制御されていることを想定していない。

一般に、エンジン始動時にはエンジンがアイドル回転数になるようにエンジン制御器（ＥＣＵ）８Ａにより制御されている。そこで、エンジン制御器（ＥＣＵ）８Ａによりアイドル回転数制御されているエンジンに特許文献１の軸トルク制御手法を適用した場合、アイドル回転数制御と軸トルク制御が干渉し、軸トルクが振動することがある。

図１２は、上記の軸トルク制御がされている状態において、エンジンを始動した場合のシミュレーション波形である。ただし、軸トルク指令値は０［Ｎｍ］、エンジン回転数指令値は５００［ｒｐｍ］としている。

図１２では、軸トルク、及び、エンジン回転数が約１［Ｈｚ］で大きく振動している。実車に搭載されているエンジンでは、通常、このような振動は発生せず、この振動現象は、特許文献１の軸トルク制御方式をエンジンベンチシステムの動力計制御へ適用した場合に発生する。このような振動が発生すると、エンジンの燃費、排ガスが実車でのそれらと大きく異なるようになり、エンジンベンチシステムでのエンジンの試験を適切に実施することが困難となる。

次に、特許文献１では、前記のように、エンジンからガタをもつクラッチを介して動力計に軸結合するエンジンベンチシステムに適用可能としている。図１３はガタの大きなクラッチの特性例である。

図１４、図１５、図１６は、図１３の特性を持つクラッチを使用したエンジンベンチシステムに特許文献１の手法を適用した場合のシミュレーション波形を示す。各図は、図１３のばね剛性が柔らかい部分（ガタ部）の剛性、硬い部分の剛性、両者の中間的な剛性に合わせて特許文献１の手法でＰＩＤ制御のゲイン調整を行った場合のシミュレーション結果である。いずれの場合においても、軸トルクやエンジン回転数が振動し、エンジン試験を適切に実施することができない。

本発明の目的は、２慣性系または２慣性系に近似可能な動力システムまたはエンジンベンチシステムにおいて、負荷側モータ（エンジン）の回転数制御と駆動モータ（動力計）の軸トルク制御の干渉を抑制した軸トルク制御ができ、特にエンジンからガタをもつクラッチを介して動力計に軸結合したシステムの軸トルクやエンジン回転数の振動も抑制できる軸トルク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、負荷側モータ（エンジン）が速度制御されている場合に駆動モータ（動力計）に対するトルク外乱を外乱オブザーバにより推定して駆動モータのトルク指令値にフィードバックすることにより駆動モータの加速度制御系を構成し、さらに、軸トルク検出値または軸トルク推定値を共振比制御理論に基づいて決定されるゲインで駆動モータの加速度指令値にフィードバックし、さらにまた、駆動モータの速度検出値を所定の共振抑制効果が得られるように決定したゲインで駆動モータの加速度指令値にフィ−ドバックし、及び、軸トルク指令値に軸トルク検出値が追従するように比例積分制御系を構成するものであり、以下の構成を特徴とする。

（１）負荷側モータと駆動モータを軸結合した機械系と、前記負荷側モータの回転数制御と前記駆動モータの軸トルク制御を行う制御系とを備えた２慣性系または２慣性系に近似可能な動力システムの軸トルク制御装置であって、
前記駆動モータに対するトルク外乱を外乱オブザーバにより推定して該駆動モータのトルク指令値にフィードバックする駆動モータの加速度制御系と、
前記駆動モータの軸トルク指令値と軸トルク検出値との偏差を比例積分演算して該駆動モータの加速度指令値を得る比例積分制御系と、
前記駆動モータの軸トルク検出値を共振比制御理論に基づいて決定したゲインで該駆動モータの加速度指令値にフィードバックする手段と、
前記駆動モータの速度検出値を所定のゲインで該駆動モータの加速度指令値にフィ−ドバックする手段と、
を備えたことを特徴とする。

（２）前記駆動モータが軸トルク検出器をもたない場合、該駆動モータの回転数とトルク指令値とから軸トルクオブザーバで推定して前記軸トルク検出値とすることを特徴とする。

（３）エンジンと動力計を軸結合した機械系と、前記エンジンの回転数制御と前記動力計の軸トルク制御を行う制御系とを備えた２慣性系または２慣性系に近似可能なエンジンベンチシステムの軸トルク制御装置であって、
前記動力計に対するトルク外乱を外乱オブザーバにより推定して該動力計のトルク指令値にフィードバックする駆動モータの加速度制御系と、
前記動力計の軸トルク指令値と軸トルク検出値との偏差を比例積分演算して該動力計の加速度指令値を得る比例積分制御系と、
前記動力計の軸トルク検出値を共振比制御理論に基づいて決定したゲインで該動力計の加速度指令値にフィードバックする手段と、
前記動力計の速度検出値を所定のゲインで該動力計の加速度指令値にフィ−ドバックする手段と、
を備えたことを特徴とする。

（４）前記動力計が軸トルク検出器をもたない場合、該動力計の回転数とトルク指令値とから軸トルクオブザーバで推定して前記軸トルク検出値とすることを特徴とする。

以上のとおり、本発明によれば、負荷側モータ（エンジン）が速度制御されている場合に駆動モータ（動力計）に対するトルク外乱を外乱オブザーバにより推定して駆動モータのトルク指令値にフィードバックすることにより駆動モータの加速度制御系を構成し、さらに、軸トルク検出値または軸トルク推定値を共振比制御理論に基づいて決定されるゲインで駆動モータの加速度指令値にフィードバックし、さらにまた、駆動モータの速度検出値を所定の共振抑制効果が得られるように決定したゲインで駆動モータの加速度指令値にフィ−ドバックし、及び、軸トルク指令値に軸トルク検出値が追従するように比例積分制御系を構成するため、負荷側モータ（エンジン）の回転数制御と駆動モータ（動力計）の軸トルク制御の干渉を抑制した軸トルク制御ができ、特にエンジンからガタをもつクラッチを介して動力計に軸結合したシステムの軸トルクやエンジン回転数の振動も抑制できる。

本発明の実施形態（１）を動力計の軸トルク制御器として適用する場合の構成図。実施形態（１）の軸トルク制御器のブロック構成図。実施形態（１）の外乱オブザーバの回路構成図。実施形態（１）のシミュレーション波形。ガタをもつクラッチを使用した場合のシミュレーション波形。実施形態（２）の軸トルク制御器のブロック構成図。実施形態（２）の軸トルクオブザーバの回路構成図。実施形態（２）のシミュレーション波形。ガタをもつクラッチを使用した場合のシミュレーション波形。エンジンベンチシステムの機械系と制御系の構成図。エンジンベンチシステムの機械モデルと制御系構成図。従来システムのシミュレーション波形。ガタの大きなクラッチの特性例。ガタの大きなクラッチをもつシステムのシミュレーション波形。ガタの大きなクラッチをもつシステムのシミュレーション波形。ガタの大きなクラッチをもつシステムのシミュレーション波形。

実施形態（１）
図１は動力計の軸トルク制御装置の構成を示し、エンジンベンチシステムに適用した場合である。５０は、図１１に示すエンジンベンチシステムの２慣性系機械モデルであり、エンジンのアイドル回転数制御要素５０Ａと、クラッチの非線形特性要素５０Ｂを含めた機械モデルとし、エンジンが回転数制御され、エンジンからガタをもつクラッチを介して動力計に軸結合したシステムの軸トルク制御を可能とする。

このモデルにおけるエンジン１、クラッチ２および動力計６における定数等は、図１１中に示すように、以下のものとする。なお、ｓはラプラス演算子である。

Ｊｅ＝エンジン慣性モーメント、Ｊｍ＝動力計慣性モーメント、Ｋ１２＝クラッチばね剛性、ＴＩ＝エンジントルク、Ｔ２＝動力計トルク、ω１＝エンジン角速度、ω２＝動力計角速度
図１に示す軸トルク制御器１０Ａは、軸トルク指令（Ｔ１２ｒ）と軸トルク検出値（Ｔ１２）と動力計回転数検出値（ω２）を基に動力計トルク指令を求める。ここで、軸トルク制御器１０Ａは、図２に示すブロック構成とする。図２において、外乱オブザーバ２１は、動力計の慣性モーメントＪｍに回転数ω２を疑似微分した加速度（ｄω２／ｄｔ）を乗じてトルクＪｍ（ｄω２／ｄｔ）を求め、このトルクＪｍ（ｄω２／ｄｔ）と動力計トルク指令Ｔｒｅｆから動力計の外乱トルク（エンジンのアイドル回転により動力計に発生するトルク）を推定し、そのトルクＴｄｉｓｍを動力計トルク指令にフィードバックすることにより動力計の加速度制御系を構成し、軸トルク振動を抑制した軸トルク制御を得る。

図３は外乱オブザーバ２１の回路構成図を示す。同図中、「ｇｄｉｓ」は外乱オブザーバの応答速度を決める定数（単位：１／秒）であり、乗算器２１Ａは動力計回転数ω２に「ｇｄｉｓ」を乗じて加速度を求め、これに動力計慣性モーメントＪｍを乗じてトルクに変換する。加算器２１Ｂは動力計トルク指令Ｔｒｅｆと乗算器２１Ａの出力トルクの加算値を求める。低域通過フィルタ（ＬＰＦ）２１Ｃは加算器２１Ｂの出力について、定数「ｇｄｉｓ」をもつ伝達関数を有して直流成分を抽出する。減算器２１Ｄは低域通過フィルタ（ＬＰＦ）２１Ｃの出力から乗算器２１Ａの出力を減じて外乱トルク推定値Ｔｄｉｓｍを得る。

次に、図２において、軸トルク制御器１０Ａの軸トルク検出器２２は、軸トルクメータのトルク検出信号を軸トルク検出値に換算し、比例積分（ＰＩ）制御器２３は軸トルク検出値と軸トルク指令との偏差を比例積分（ＰＩ）演算して動力計の加速度指令を求める。乗算器２４は、加速度指令に動力計の慣性モーメントＪｍを乗じることで動力計トルク指令を求める。加算器２５は、乗算器２４からの動力計トルク指令に外乱オブザーバ２１で求めた外乱トルク推定値を加算することで、エンジンのアイドル回転数制御と動力計の軸トルク制御の干渉を抑制するための動力計トルク指令を得る。

係数器２６、２８と減算器２７、２９は、動力計トルク指令にフィードバックする外乱オブザーバの推定値のフィードバック量を変える共振比制御を行うものであり、係数「Ｋｖ」は所定の共振抑制効果が得られるように決定した動力計回転数のフィードバックゲイン、係数「Ｋｒ」は軸トルク検出値を共振比制御理論に基づいて決定した軸トルクフィードバックゲインであり、これら係数「Ｋｖ」、「Ｋｒ」によるフィードバックにより振動抑制効果を得ると共に、ロバストな加速度制御系を構成する。

図４は、図１に示す構成で軸トルク制御がされている状態において、エンジンを始動した場合のシミュレーション波形である。ただし、軸トルク指令値は０［Ｎｍ］、エンジン回転数指令値は５００［ｒｐｍ］としている。従来の軸トルク制御では、図１２に例を示すように、軸トルク、エンジン回転数が大きく振動していたが、本実施形態による軸トルク制御では振動が抑制され、軸トルク、エンジン回転数ともに指令値に追従している。

図５は、図１３に示したガタの大きなクラッチを使用したエンジンベンチシステムに本実施形態を適用した場合のシミュレーション結果である。本実施形態によれば、ガタの大きなクラッチを使用したエンジンベンチシステムにおいても軸トルクやエンジン回転数が大きく振動することなく制御されている。

実施形態（２）
図６は図１における軸トルク制御器１０Ａのブロック構成を示す。図６のブロック構成が図２の構成と異なる部分は、軸トルク検出器が適用できないシステムに適用する場合、軸トルクメータ５による軸トルク検出に代えて、軸トルクオブザーバ３０により軸トルクを推定する点にある。

図７は軸トルクオブザーバ３０の回路構成図を示し、図３の外乱オブザーバと同等の構成とするが、「ｇｒｅａｃ」は軸トルクオブザーバの応答速度を決める定数（単位：１／秒）である。

図８は、図６の軸トルク制御器により軸トルク制御がされている状態において、エンジンを始動した場合のシミュレーション波形である．ただし、軸トルク指令値は０［Ｎｍ］、エンジン回転数指令値は５００［ｒｐｍ］としている。本実施形態においても軸トルク制御で振動が抑制され、軸トルク、エンジン回転数ともに指令値に追従している。

図９は、図１３に示したガタの大きなクラッチを使用したエンジンベンチシステムに本実施形態を適用した場合のシミュレーション結果である。本実施形態においても、ガタの大きなクラッチを使用したエンジンベンチシステムにおいても軸トルクやエンジン回転数が大きく振動することなく制御されている。

以上までの実施形態（１）、（２）では、エンジンベンチシステムに適用した動力計の軸トルク制御装置であるが、産業用ロボットなどに見られる２慣性系動力システムまたは３慣性系以上のシステムを２慣性系に近似可能な動力システムにおける軸トルク制御に適用して同等の作用効果を得ることができる。

これらのシステムの場合、負荷側モータをエンジンとみなし、駆動モータを動力計とみなし、負荷側モータが速度制御されている場合に駆動モータに対するトルク外乱を「外乱オブザーバ」により推定して駆動モータのトルク指令値にフィードバックすることにより駆動モータの加速度制御系を構成する。さらに、軸トルク検出器により検出された軸トルク検出値を共振比制御理論に基づいて決定されるゲインで駆動モータの加速度指令値としてフィードバックし、さらにまた、駆動モータの速度検出値を所定の共振抑制効果が得られるように決定したゲインで駆動モータの加速度指令値にフィ−ドバックし、及び、軸トルク指令値に軸トルク検出値が追従するように比例積分制御系を構成する。

また、システムが「軸トルク検出器」を適用できない場合において、実施形態（２）と同様に、外乱オブザーバ理論により軸トルクを推定する軸トルクオブザーバを設け、その軸トルク推定値を軸トルク検出値として利用する。

１エンジン
２クラッチ
５軸トルクメータ
６動力計
７回転数検出器
８エンジン制御器
１０動力計制御器
１０Ａ軸トルク制御器
１１インバータ
２１外乱オブザーバ
２２軸トルク検出器
２３比例積分制御器
２６，２８係数器
３０軸トルクオブザーバ
５０エンジンベンチシステムの機械モデル

Claims

負荷側モータと駆動モータを軸結合した機械系と、前記負荷側モータの回転数制御と前記駆動モータの軸トルク制御を行う制御系とを備えた２慣性系または２慣性系に近似可能な動力システムの軸トルク制御装置であって、
前記駆動モータに対するトルク外乱を外乱オブザーバにより推定して該駆動モータのトルク指令値にフィードバックする駆動モータの加速度制御系と、
前記駆動モータの軸トルク指令値と軸トルク検出値との偏差を比例積分演算して該駆動モータの加速度指令値を得る比例積分制御系と、
前記駆動モータの軸トルク検出値を共振比制御理論に基づいて決定したゲインで該駆動モータの加速度指令値にフィードバックする手段と、
前記駆動モータの速度検出値を所定のゲインで該駆動モータの加速度指令値にフィ−ドバックする手段と、
を備えたことを特徴とする軸トルク制御装置。
前記駆動モータが軸トルク検出器をもたない場合、該駆動モータの回転数とトルク指令値とから軸トルクオブザーバで推定して前記軸トルク検出値とすることを特徴とする請求項１に記載の軸トルク制御装置。
エンジンと動力計を軸結合した機械系と、前記エンジンの回転数制御と前記動力計の軸トルク制御を行う制御系とを備えた２慣性系または２慣性系に近似可能なエンジンベンチシステムの軸トルク制御装置であって、
前記動力計に対するトルク外乱を外乱オブザーバにより推定して該動力計のトルク指令値にフィードバックする駆動モータの加速度制御系と、
前記動力計の軸トルク指令値と軸トルク検出値との偏差を比例積分演算して該動力計の加速度指令値を得る比例積分制御系と、
前記動力計の軸トルク検出値を共振比制御理論に基づいて決定したゲインで該動力計の加速度指令値にフィードバックする手段と、
前記動力計の速度検出値を所定のゲインで該動力計の加速度指令値にフィ−ドバックする手段と、
を備えたことを特徴とする軸トルク制御装置。
前記動力計が軸トルク検出器をもたない場合、該動力計の回転数とトルク指令値とから軸トルクオブザーバで推定して前記軸トルク検出値とすることを特徴とする請求項３に記載の軸トルク制御装置。