JP5839154B1 - ドライブトレインの試験システム - Google Patents
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Abstract
単一の駆動モータを備えたドライブトレインの試験システムにおいて、供試体に固有の共振振動には影響を与えることなく、試験システムに固有の共振振動のみを抑制できる試験システムを提供すること。ドライブトレインの試験システムは、ドライブトレインである供試体に連結される単一のモータと、供試体−モータ間の軸トルクに応じた信号を発生する軸トルクセンサと、所定の加振周波数の交流成分を含むトルク指令信号と前記軸トルクセンサの軸トルク検出信号とに基づいて、供試体−モータ間の機械共振が抑制されるようなトルク電流指令信号を生成する共振抑制制御回路と、を備える。共振抑制制御回路は、トルク電流指令信号から軸トルク検出信号までの周波数応答特性のうち供試体−モータ間の共振のみを抑制するようにH∞制御又はμ設計法と呼称される制御系設計方法によって設計されたコントローラを備える。
Description
本発明は、ドライブトレインの試験システムに関する。
ドライブトレインとは、エンジンで発生したエネルギーを駆動輪に伝達するための複数の装置の総称をいい、エンジン、クラッチ、トランスミッション、ドライブシャフト、プロペラシャフト、デファレンシャルギヤ、及び駆動輪などで構成される。ドライブトレインの性能評価試験では、実際にエンジンでトランスミッションを駆動し続けることにより、その耐久性能や品質などが評価される。近年では、このようなドライブトレインの試験を行うシステムとして、ワークに入力する駆動トルクを、実エンジンの代わりにモータで発生させるものが提案されている(例えば、特許文献1、2参照)。
実エンジンでは各気筒における燃焼工程に起因して周期的なトルク変動が生じるところ、上記特許文献1、2に示されたシステムでは、一定の駆動トルクを発生させるための直流成分に正弦波による交流成分を合算することにより、モータで発生する駆動トルクを擬似的に変動させている。
しかしながら、モータへのトルク電流指令信号を周期的に変動させると、その周波数が試験システムに固有の共振点を通過するときに、共振振動を起こしてしまうおそれがある。そこで特許文献2の試験システムでは、H∞制御やμ設計などの制御系設計方法を用いて設計された共振抑制制御回路を利用してトルク電流指令信号を発生することによって、このような共振振動の発生を抑制している。
ところで、特許文献2に開示された試験システムでは、主にFF駆動車両に搭載される3軸タイプのドライブトレインを試験対象としており、レイアウト上の制約から、ドライブトレインに入力される駆動トルクを、直列に接続した2つの駆動モータによって発生させている。しかしながら駆動トルク発生源を単一のモータで構成する場合と2つのモータを直列に接続して構成する場合とでは、試験システムにおいて発生する共振現象は異なったものとなることから、特許文献2に開示された共振抑制制御方法を、単一のモータで構成された試験システムにそのまま適用することはできない。
本発明は、単一の駆動モータを備えたドライブトレインの試験システムにおいて、供試体に固有の共振振動には影響を与えることなく、試験システムに固有の共振振動を抑制できる試験システムを提供することを目的とする。
(1)上記目的を達成するため本発明のドライブトレインの試験システム(例えば、後述の試験システム1)は、車両のドライブトレインである供試体(例えば、後述の供試体W,W´)の入力軸に連結される単一のモータ(例えば、後述の駆動モータ2)と、前記供試体と前記モータとの間の軸トルクに応じた信号を発生する軸トルクセンサ(例えば、後述の軸トルクセンサ6)と、所定の加振周波数の交流成分を含むトルク指令信号と前記軸トルクセンサの軸トルク検出信号とに基づいて、前記供試体及び前記モータ間の機械共振が抑制されるようなトルク電流指令信号を生成する共振抑制制御回路(例えば、後述の共振抑制制御回路5)と、前記トルク電流指令信号に応じて前記モータを駆動するインバータ(例えば、後述のインバータ3)と、を備え、前記共振抑制制御回路は、前記トルク電流指令信号から前記軸トルク検出信号までの周波数応答特性のうち前記供試体固有の共振を抑制せずに、当該供試体固有の共振点より高周波数側の前記供試体及び前記モータ間の共振を抑制するようにH∞制御又はμ設計法と呼称される制御系設計方法によって設計されたコントローラ(Gc1,Gc2)を備える。
(2)この場合、前記コントローラは、外部入力及び制御入力から制御量及び観測量を出力する一般化プラント(例えば、後述の一般化プラントP)に対し前記外部入力から前記制御量までの応答を小さくするようにH∞制御又はμ設計法と呼称される制御系設計方法によって設計され、前記外部入力は、前記共振抑制制御回路に入力されるトルク指令信号に相当する信号(w2)を含み、前記制御量は、前記外部入力(w2)と前記共振抑制制御回路から出力されるトルク電流指令信号に相当する制御入力(u)との差に所定の重み関数(Gw1)によって重み付けした信号(z3)を含み、前記重み関数は、入力の周波数が高くなるほどゲインが低下する特性を有する伝達関数であることが好ましい。
(1)ドライブトレインである供試体と単一のモータとを接続した試験システムには、高周波数側と低周波数側とで2種類の共振点が存在する(後述の図3参照)。このうち高周波数側で発生する共振現象は試験対象とは無関係の供試体−モータ間の連結軸固有の現象であり抑制することが好ましい。一方、低周波数側で発生する共振現象は、様々なばね要素を含んだ試験対象である供試体固有の現象であるため抑制することは好ましくない。本発明では、これら2つの共振点のうち、低周波数側の供試体固有の共振現象には影響を及ぼさないようにしながら、高周波数側の供試体−モータ間の機械共振のみを抑制すべく、インバータに入力するトルク電流指令信号を、加振周波数の交流成分を含むトルク指令信号と軸トルク検出信号とに基づいて共振抑制制御回路によって生成する。特に本発明では、このような機能を備える共振抑制制御回路を、トルク電流指令信号から軸トルク検出信号までの周波数応答特性のうち供試体固有の共振を抑制せずに、供試体−モータ間の共振を抑制するようにH∞制御又はμ設計法によって設計する。これにより、供試体固有の共振現象には影響を与えることなく供試体−モータ間の連結軸固有の共振のみを抑制することができる。また本発明では、供試体には単一のモータを接続する。これにより、特許文献2に示す試験システムのように、モータを直列に接続した場合よりも、抑制したい供試体−モータ間の共振点を高くすることができる。すなわち、供試体固有の共振点と供試体−モータ間の共振点との間隔を広げることができる。したがって、本発明によれば、特許文献2に示す試験システムよりも、共振抑制制御が供試体固有の共振現象に及ぼす影響を小さくすることができる。
(2)本発明では、共振抑制制御回路を構成するための一般化プラントにおいて、トルク電流指令信号に相当する制御入力とトルク指令信号に相当する外部入力との差を制御量とし、この制御量に重み関数を設定する。また、この重み関数は、高域でゲインが低下する特性を有する伝達関数とする。本発明によれば、このような重み関数の下でH∞制御又はμ設計法によってコントローラを設計することにより、より低周波数側の供試体固有の共振現象には影響を及ぼさないようにしながら、より高周波数側の供試体−モータ間の共振点の近傍のみのゲインを抑制するように機能する共振抑制制御回路を構築することができる。
以下、本発明の一実施形態に係る試験システムについて、図面を参照しながら詳細に説明する。
図1は、本実施形態の試験システム1の構成を示すブロック図である。なお以下では、図1に示すように供試体WをFF駆動方式の車両に搭載される3軸タイプのドライブトレインをとした場合について説明するが、本発明はこれに限るものではない。例えば、図2に示すように、供試体W´をFR駆動方式の車両に搭載される2軸タイプのドライブトレインとしてもよい。
図1は、本実施形態の試験システム1の構成を示すブロック図である。なお以下では、図1に示すように供試体WをFF駆動方式の車両に搭載される3軸タイプのドライブトレインをとした場合について説明するが、本発明はこれに限るものではない。例えば、図2に示すように、供試体W´をFR駆動方式の車両に搭載される2軸タイプのドライブトレインとしてもよい。
試験システム1は、供試体Wの入力軸に連結される単一の駆動モータ2と、この駆動モータ2に電力を供給するインバータ3と、供試体W−モータ2間の軸トルクを検出する軸トルクセンサ6と、トルク電流指令信号を生成する共振抑制制御回路5と、を備える。
駆動モータ2と供試体Wとは、連結軸S1を介して連結される。また、供試体WのドライブシャフトS2の両端には、それぞれ負荷を発生する回生モータ7L,7Rが接続されている。軸トルクセンサ6は、供試体W−モータ2間の連結軸S1に設けられ、この連結軸S1に発生する軸トルクに応じた軸トルク検出信号を生成し、共振抑制制御回路5に入力する。インバータ3は、共振抑制制御回路5から入力されるトルク電流指令信号に応じて駆動モータ2を駆動する。
共振抑制制御回路5は、外部から入力されるトルク指令信号と軸トルクセンサ6から入力される軸トルク検出信号とに基づいてトルク電流指令信号を生成し、インバータ3に入力する。この共振抑制制御回路5は、供試体Wを含めた試験システム1全体で発生し得る共振現象のうち、試験対象である供試体W固有の共振現象を除いたものを抑制するようなトルク電流指令信号を生成する共振抑制制御機能を備える。また、共振抑制制御回路5に入力されるトルク指令信号は、駆動モータ2で発生させるべく駆動トルクに対する指令に相当し、ベーストルクに相当する所定の大きさの直流成分に、エンジンのトルク脈動を模した所定の加振周波数の交流成分を重畳して構成される。
ここで、図3を参照して共振抑制制御回路5の共振抑制制御機能について説明する。
図3は、共振抑制制御が無い場合におけるトルク電流指令信号から軸トルク検出信号までの応答特性を示すボード線図である。ここで、共振抑制制御が無い場合とは、共振抑制制御回路5を経ずに、直流成分と交流成分とを合成して得られたトルク指令信号をそのままトルク電流指令信号としてインバータ3に入力した場合をいう。また、図3には、回生モータ7L,7Rで発生する負荷の大きさを小、中、大の3段階に分けて変化させた場合について、線種を変えて示す。
図3は、共振抑制制御が無い場合におけるトルク電流指令信号から軸トルク検出信号までの応答特性を示すボード線図である。ここで、共振抑制制御が無い場合とは、共振抑制制御回路5を経ずに、直流成分と交流成分とを合成して得られたトルク指令信号をそのままトルク電流指令信号としてインバータ3に入力した場合をいう。また、図3には、回生モータ7L,7Rで発生する負荷の大きさを小、中、大の3段階に分けて変化させた場合について、線種を変えて示す。
図3に示すように、供試体Wに複数のモータ2,7L,7Rを接続して構成される試験システム1には、比較的低周波数側(数Hz〜数十Hz)で発生する共振と、比較的高周波数側(300Hz以上)で発生する共振との2種類の共振点が存在する。上述のように試験システム1では、供試体Wとして様々なばね要素を含んで構成される車両のドライブトレインを想定している。すなわち、供試体Wの剛性は、連結軸S1の剛性よりも低い。従って、低周波数側で発生する共振は、試験対象である供試体W固有の現象であり、高周波数側で発生する共振は、試験対象でない供試体W−モータ2間の連結軸S1固有の現象である。
このように供試体Wを含めた試験システム1には、大きく分けて2種類の共振点が存在するが、このうち高周波数側で発生する共振は、試験対象である供試体Wの特性とは無関係な試験システム1固有の共振現象である。またこの高周波数側で発生する共振は振動が大きいため、加振周波数がこの共振点を通過する際に装置が破損するおそれもある。従って、この高周波数側で発生する共振は、共振抑制制御回路5の共振抑制機能によって抑制することが好ましい。一方、低周波数側で発生する共振は、試験対象である供試体W固有の現象である。従って、上記共振抑制機能によって、このような低周波数側で発生する共振まで抑制してしまうのは好ましくない。
以上のような共振抑制制御機能を備えた共振抑制制御回路5は、図4に示すような少なくとも1つの外部入力w及び少なくとも1つの制御入力uから、少なくとも1つの制御量z及び少なくとも1つの観測出力yを出力する一般化プラントPを制御対象として定義し、これに対し外部入力wから制御量zまでの応答を小さくするようにH∞制御やμ設計法と呼称されるロバスト制御系設計方法によって設計されたコントローラKを電子計算機に実装して構成されたものが用いられる。
一般化プラントPは、制御対象の動特性モデルと制御仕様を定める重み関数とを備える。H∞制御やμ設計法を利用して、一般化プラントPから所望の制御目的を達成するようなコントローラKを数値的に導出する具体的な手順については、例えば劉康志著、「線形ロバスト制御」、コロナ社、2002年や、野波健蔵編著、西村秀和、平田光男共著、「MATLABによる制御系設計」、東京電機大学出版局、1998年等に詳しく説明されているので、ここでは詳細な説明を省略する。一般化プラントP及びそれによって導出される共振抑制制御回路5の具体的な構成については、後に実施例1として説明する。
以上のような構成により、試験システム1では、エンジンのトルク脈動を模した変動を含む駆動トルクを単一の駆動モータ2で発生し、この駆動トルクを供試体Wに入力することにより、この供試体Wの耐久性能や品質等が評価される。
図5は、実施例1の一般化プラントPの具体的な構成を示す図である。
図5の一般化プラントPにおいて、符号w1,w2,w3を付した入力信号はそれぞれ外部入力を示し、符号uを付した入力信号はコントローラKから出力される制御入力を示し、符号z1,z2,z3を付した出力信号は制御量を示し、符号y1,y2を付した出力信号はコントローラKに入力される観測出力を示す。
図5の一般化プラントPにおいて、符号w1,w2,w3を付した入力信号はそれぞれ外部入力を示し、符号uを付した入力信号はコントローラKから出力される制御入力を示し、符号z1,z2,z3を付した出力信号は制御量を示し、符号y1,y2を付した出力信号はコントローラKに入力される観測出力を示す。
一般化プラントPは、供試体、モータ、インバータ及び軸トルクセンサ等で構成される図1の試験システム1の特性を同定した動特性モデル8と、好ましい制御仕様を実現するための第1重み関数P6及び第2重み関数P7と、を備える。動特性モデル8は、モータと供試体とを連結して構成される2慣性系の特性を同定した機械モデルP1〜P3と、軸トルクセンサによる軸トルク検出特性を同定した軸トルク検出モデルP4と、インバータによるモータのトルク電流制御特性を同定したインバータモデルP5と、を備える。以下、図5に示す一般化プラントP中の各種信号及び伝達関数と図1の試験システムの構成との対応関係について説明する。
供試体Wと組み合わせて構成される試験システム1の機械系の構成は、図6に示すようなそれぞれ固有の慣性モーメントJ1,J2を有する2つの剛体を、ばね定数K1のばね要素で連結して構成される2慣性系モデルで近似できる。図5及び図6において、“J1”は、モータの慣性モーメント[kgm2]に相当し、“J2”は、供試体の慣性モーメントに相当し、“K2”は、モータ−供試体間のばね剛性[Nm/rad]に相当する。
試験システム1の機械系の構成を図6に示すような2慣性系モデルで近似すると、その運動方程式は、“1/J1”、“K1/s”及び“1/J2・s”を図5のP1〜P3に示すように組み合わせて表現される。なお、これら慣性モーメントJ1,J2及びばね定数K1の具体的な値は、例えば、実機で予め測定しておくことによって特定された値が用いられる。
軸トルク検出モデルP4の伝達関数Gy(s)及びインバータモデルP5の伝達関数Gu(s)には、それぞれシステム同定によって予め定められたものが用いられる。
第1外部入力w1は、インバータにおける制御誤差又はノイズによる影響を評価するための信号である。第2外部入力w2は、コントローラKに入力されるトルク指令信号に相当する信号である。第3外部入力w3は、軸トルクセンサにおける検出誤差又はノイズによる影響を評価するための信号である。
制御入力uは、コントローラKから出力されインバータモデルP5に入力される信号、すなわちトルク電流指令信号に相当する信号である。第1観測出力y1は、コントローラKに入力されるトルク指令信号に相当する信号、すなわち第2外部入力w2と等しい。第2観測出力y2は、コントローラKに入力される軸トルク検出信号に相当する信号であり、インバータモデルP5の出力と第3外部入力w3とを合わせた信号が用いられる。第1制御量z1には、軸トルク検出モデルP4の出力が用いられる。
第2制御量z2には、制御入力uに第2重み関数Gw2を乗じたものが用いられる。また、この第2重み関数Gw2には、入力の周波数が高くなるほどゲインが大きくなる特性を有する伝達関数が用いられる。後に図8〜10を参照して説明するように、このような特性を有する重み関数Gw2の下で第2制御量z2を評価することにより、軸トルクセンサのノイズの増大を抑制する機能を有するコントローラが得られる。
第3制御量z3には、第2外部入力w2と制御入力uとの差分に第1重み関数Gw1を乗じたものが用いられる。また、この第1重み関数Gw1には、入力の周波数が高くなるほどゲインが低下する特性を有する伝達関数が用いられる。後に図8〜10を参照して説明するように、このような特性を有する重み関数Gw1の下で第3制御量z3を評価することにより、トルク指令信号から軸トルク検出信号までの特性において、供試体−モータ間の共振点のみのゲインを下げる所望の共振抑制制御機能を備えたコントローラが得られる。
図7は、実施例1の共振抑制制御回路5の具体的な構成を示す図である。この共振抑制制御回路5には、図5に示す一般化プラントPから導出された2つのコントローラGc1及びGc2が用いられる。コントローラGc1は、第1観測出力y1に対応して導出されたものであり、コントローラGc2は第2観測出力y2に対応して導出されたものである。
次に、実施例1の共振抑制制御回路5の効果について図8〜図10を参照して説明する。
図8及び図9は、それぞれ実施例1のコントローラGc1,Gc2の周波数応答特性を示すボード線図である。これら図8及び図9の上段はゲイン特性を示し、下段は位相特性を示す。
図10は、実施例1の共振抑制制御回路5を用いた試験システムにおけるトルク電流指令信号から軸トルク検出信号までの応答特性を示すボード線図である。この図10においても、図3と同様に負荷の大きさを小、中、大の3段階に分けて変化させた場合について、線種を変えて示す。また図10には、実施例1の効果を明確にするため、共振抑制制御が無い場合における応答特性を破線で示す。
図8及び図9は、それぞれ実施例1のコントローラGc1,Gc2の周波数応答特性を示すボード線図である。これら図8及び図9の上段はゲイン特性を示し、下段は位相特性を示す。
図10は、実施例1の共振抑制制御回路5を用いた試験システムにおけるトルク電流指令信号から軸トルク検出信号までの応答特性を示すボード線図である。この図10においても、図3と同様に負荷の大きさを小、中、大の3段階に分けて変化させた場合について、線種を変えて示す。また図10には、実施例1の効果を明確にするため、共振抑制制御が無い場合における応答特性を破線で示す。
図8に示すように、コントローラGc1(s)は、3〜400Hzの間に存在する供試体−モータ間固有の共振点(図3参照)のみを抑制するようにするため、この共振点近傍のみにおいてゲインが低下している。
図9に示すように、コントローラGc2(s)は、6〜700Hz以下の領域では、周波数が低下するに従ってゲインも低下する特性を有する。コントローラGc2(s)のこの低周波数側でのゲイン低下特性は、図5の一般化プラントPにおいて、第1重み関数Gw1(s)として積分特性を有する伝達関数を採用したためである。このようなコントローラGc2(s)を採用することにより、供試体−モータ間の共振点(3〜400Hz)より低い周波数、すなわち供試体固有の共振点(数Hz〜数十Hz)では、軸トルクセンサからの軸トルク検出信号がフィードバックされなくなる。このため、図10に示すように、供試体−モータ間の共振についてはほぼ完全に抑制されるが、供試体固有の共振についてはほとんど影響がない。
また図9に示すように、コントローラGc2(s)は、6〜700Hz以上の領域では、周波数が上昇するに従ってゲインも低下する特性を有する。コントローラGc2(s)のこの高周波数側でのゲイン低下特性は、図5の一般化プラントPにおいて、第2重み関数Gw2(s)として高域で高ゲインとなる特性を有する伝達関数を採用したためである。このような特性を有するコントローラGc2(s)を共振抑制制御回路として採用することにより、軸トルク検出信号のノイズの増大が抑制される。
また、以上のような特性を有する共振抑制制御回路を用いてトルク電流指令信号を生成することにより、図10に示すように、供試体固有の共振現象にはほとんど影響を及ぼすことなく、供試体−モータ間固有の共振のみを抑制することができる。
1…試験システム
2…駆動モータ
3…インバータ
5…共振抑制制御回路
6…軸トルクセンサ
Gc1,Gc2…コントローラ
P…一般化プラント
W,W´…供試体
2…駆動モータ
3…インバータ
5…共振抑制制御回路
6…軸トルクセンサ
Gc1,Gc2…コントローラ
P…一般化プラント
W,W´…供試体
Claims (2)
- 供試体の入力軸に連結される単一のモータと、
前記供試体と前記モータとの間の軸トルクに応じた信号を発生する軸トルクセンサと、
所定の加振周波数の交流成分を含むトルク指令信号と前記軸トルクセンサの軸トルク検出信号とに基づいて、前記供試体及び前記モータ間の機械共振が抑制されるようなトルク電流指令信号を生成する共振抑制制御回路と、
前記トルク電流指令信号に応じて前記モータを駆動するインバータと、を備え、前記供試体は車両のドライブトレインとするドライブトレインの試験システムであって、
前記共振抑制制御回路は、前記トルク電流指令信号から前記軸トルク検出信号までの周波数応答特性のうち前記供試体固有の共振を抑制せずに、当該供試体固有の共振点より高周波数側の前記供試体及び前記モータ間の共振を抑制するようにH∞制御又はμ設計法と呼称される制御系設計方法によって設計されたコントローラを備えることを特徴とするドライブトレインの試験システム。 - 前記コントローラは、外部入力及び制御入力から制御量及び観測量を出力する一般化プラントに対し前記外部入力から前記制御量までの応答を小さくするようにH∞制御又はμ設計法と呼称される制御系設計方法によって設計され、
前記外部入力は、前記共振抑制制御回路に入力されるトルク指令信号に相当する信号を含み、
前記制御量は、前記外部入力と前記共振抑制制御回路から出力されるトルク電流指令信号に相当する制御入力との差に所定の重み関数によって重み付けした信号を含み、
前記重み関数は、入力の周波数が高くなるほどゲインが低下する特性を有する伝達関数であることを特徴とする請求項1に記載のドライブトレインの試験システム。
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