JP6826938B2

JP6826938B2 - 制御装置

Info

Publication number: JP6826938B2
Application number: JP2017076249A
Authority: JP
Inventors: 祐介五十嵐; 博信小林
Original assignee: Toyo Electric Manufacturing Ltd
Current assignee: Toyo Electric Manufacturing Ltd
Priority date: 2017-04-06
Filing date: 2017-04-06
Publication date: 2021-02-10
Anticipated expiration: 2037-04-06
Also published as: JP2018179622A

Description

本発明は、供試体の駆動軸の回転数を制御する制御装置に関する。

従来、自動車のエンジンで発生したエネルギーを駆動輪に伝達するトランスミッションなどの駆動伝達系（ドライブトレイン）を試験する台上試験装置では、駆動伝達系（以下、供試体と称する）の入力軸にエンジンを接続して駆動トルクをかけ、出力軸にモータを接続して負荷トルクをかけるエンジン駆動方式が用いられていた。しかしながら、エンジン駆動方式は、付帯設備が多くなり、手間がかかるため、昨今では、エンジンの代わりにモータを用いて供試体の入力軸に駆動トルクをかけるモータ駆動方式が用いられている。

供試体の耐久性評価の場合には、入力軸への入力は一定の条件下で行われるが、供試体の性能評価の場合には、エンジンの挙動を模擬して評価が行われることがある。エンジンの挙動（回転数やトルク）には、エンジンの回転数や気筒数に応じた周期的な変動（正弦波状の脈動）が生じるという特性があるため、耐久性評価の場合のように、入力軸への入力を一定とすると、性能評価を正確に行うことができない。

そこで、エンジンの挙動を模擬するために、特許文献１には、モータ駆動方式の試験システムにおいて、モータの回転数指令に、回転数を周期的に変動させるための正弦波加振指令を加算し、回転数指令と正弦波加振指令との和と実回転数との偏差がなくなるように制御する技術が開示されている。

特開２０１３−２５７２３４号公報

特許文献１に開示されているように、回転数指令と正弦波加振指令との和と実回転数との偏差がなくなるように制御（加振回転数制御）しても、台上試験装置を構成する機械装置の伝達関数のずれ、制御演算の遅れなどに起因して、正弦波加振指令の周波数に対して、モータの実回転数の回転加振周波数（加振回転数制御による実回転数の変動の周波数）の位相ずれが発生してしまう。

本発明の目的は、上述した課題を解決し、供試体の駆動軸をモータにより回転させる台上試験における試験精度の低下の抑制を図ることができる制御装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明に係る制御装置は、供試体の駆動軸の回転数を制御する制御装置であって、前記駆動軸を回転させるモータの回転数の変動の振幅を指示する加振回転数指令を、前記回転数の変動の周波数を指示する加振周波数指令に応じた周波数および前記回転数の変動の位相を指示する加振位相指令に応じた位相を有する正弦波に乗算した正弦波信号を生成する正弦波生成部と、前記モータの回転数として一定の回転数を指示する回転数指令と、前記正弦波生成部が生成した正弦波信号との和と、前記モータの実回転数との偏差に基づき、前記モータのトルク指令を生成する回転数制御部と、前記加振回転数指令を、前記加振周波数指令に応じた周波数および前記加振位相指令に応じた位相を有する余弦波に乗算し、前記加振回転数指令を乗算した余弦波に、前記モータの慣性モーメントに応じた所定値を乗算してトルク値に変換した余弦波信号を生成する余弦波生成部と、を備え、前記回転数制御部により生成されたトルク指令を前記余弦波生成部により生成された余弦波信号に基づき補正する。

本発明に係る制御装置によれば、供試体の駆動軸をモータにより回転させる台上試験における試験精度の低下の抑制を図ることができる。

本発明の一実施形態に係る制御装置の構成例を示す図である。従来の制御装置の構成例を示す図である。図２に示す制御装置における、回転数指令に対する実回転数のシミュレーション結果を示す図である。図１に示す制御装置における、回転数指令に対する実回転数のシミュレーション結果を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る制御装置１００の構成例を示す図である。本実施形態に係る制御装置１００は、モータ駆動方式の台上試験装置において、供試体の入力軸（駆動軸）の回転数を制御するために、駆動軸を回転させるモータの出力トルクを指示するトルク指令を出力するものである。

図１に示す制御装置１００は、加振角度変換部１０１と、正弦波発生器１０２と、乗算器１０３，１０４，１０６と、余弦波発生器１０５と、加算器１０７，１１０と、減算器１０８と、回転数制御部１０９とを備える。

加振角度変換部１０１は、加振回転数制御によるモータの回転数の周期的な変動の周波数である加振周波数ｆ（加振周波数指令）が入力され、入力された加振周波数ｆを加振角度θ（＝２πｆｔ）に変換する。そして、加振角度変換部１０１は、加振角度θを正弦波発生器１０２および余弦波発生器１０５に出力する。

正弦波発生器１０２は、加振回転数制御によるモータの回転数の周期的な変動の位相αを指示する加振位相指令が入力され、また、加振角度変換部１０１から加振角度θが入力される。正弦波発生器１０２は、加振角度θおよび加振位相指令で指示される位相αに応じた正弦波（ｓｉｎ（θ＋α））を乗算器１０３に出力する。

乗算器１０３は、モータの回転数の振幅の周期的な変動を指示する加振回転数片振幅値Ｎ（加振回転数指令）が入力され、また、正弦波発生器１０２から正弦波が入力される。乗算器１０３は、加振回転数片振幅値Ｎを、正弦波発生器１０２から入力された正弦波に乗算し、正弦波加振指令として加算器１０７に出力する。

正弦波発生器１０２および乗算器１０３は、正弦波生成部１１１を構成する。上述したように、θ＝２πｆｔである。したがって、正弦波発生器１０２および乗算器１０３から構成される正弦波生成部１１１は、加振回転数片振幅値Ｎ（加振回転数指令）を、加振周波数ｆ（加振周波数指令）および加振位相指令に応じた位相αを有する正弦波に乗算した正弦波加振指令（正弦波信号）を出力する。

乗算器１０４は、加振回転数片振幅値Ｎと、加振周波数ｆと、モータの慣性モーメントＪを１．５２で除算した値とを乗算し、乗算器１０６に出力する。

余弦波発生器１０５は、加振位相指令と、加振角度変換部１０１から出力された加振角度θとが入力され、加振角度θおよび加振位相指令で指示される位相αに応じた余弦波（ｃｏｓ（θ＋α））を乗算器１０６に出力する。

乗算器１０６は、余弦波発生器１０５から出力された余弦波と、乗算器１０４の乗算結果とを乗算し、加算器１１０に出力する。

乗算器１０４、余弦波発生器１０５および乗算器１０６は、余弦波生成部１１２を構成する。

ここで、モータの慣性モーメントをＪ［ｋｇｍ^２］、モータの角速度をω［ｒａｄ／ｓｅｃ］、モータのトルクをＴ［Ｎｍ］とすると、以下の式（１）が成立する。

式（１）において、加振トルクを正弦波とし、角速度ωを回転数で表現すると、以下の（２）となる。ただし、式（２）では、加振トルクの波高値をＴ_０［Ｎｍ］とし、トルクの加振周波数をｆ［Ｈｚ］とし、モータの回転数をＮ［ｒｐｍまたはｍｉｎ^−１］とする。

式（２）の両辺を時間で積分すると、以下の式（３）となる。

式（３）を回転数と加振周波数との関係として表現すると、以下の式（４）となる。

式（４）において、回転数の片振幅最大値Ｎ_ｏは｜ｃｏｓ（２πｆｔ）｜＝１のとき、以下の（５）で表わされる。

式（５）を整理すると、以下の式（６）となる。

式（６）より、加振トルクの波高値をＴ_０は以下の（７）で表わされる。

式（７）より、モータの回転数に加振周波数ｆおよび１．５２／Ｊを乗算することで、モータの回転数がトルク値に変換されることが分かる。

上述したように、乗算器１０４は、加振回転数片振幅値Ｎと加振周波数ｆとの乗算値にＪ／１．５２を乗算して、乗算器１０６に出力する。また、余弦波発生器１０５は、加振角度θおよび加振位相指令で指示される位相αに応じた余弦波を発生する。そして、乗算器１０６は、乗算器１０４から出力された乗算結果と、余弦波発生器１０５から出力された余弦波とを乗算して出力する。したがって、乗算器１０４、余弦波発生器１０５および乗算器１０６から構成される余弦波生成部１１２は、加振回転数片振幅値Ｎ（加振回転数指令）を、加振周波数ｆ（加振周波数指令）および加振位相指令に応じた位相αを有する余弦波に乗算し、乗算後の余弦波に、モータの慣性モーメントＪに応じた所定値（Ｊ／１．５２）を乗算してトルク値に変換した余弦波信号を出力する。

加算器１０７は、一定の回転数を指示する回転数指令と、乗算器１０３から出力された正弦波加振指令とを加算し、減算器１０８に出力する。

減算器１０８は、加算器１０７の出力（回転数指令と正弦波加振指令との和）からモータの実回転数を減算し、回転数制御部１０９に出力する。

回転数制御部１０９は、減算器１０８の出力（回転数指令と正弦波加振指令との和と、実回転数との偏差）に基づきトルク指令を生成し、加算器１１０に出力する。

加算器１１０は、回転数制御部１０９から出力されたトルク指令と、乗算器１０６から出力された余弦波信号とを加算し、モータを駆動するインバータの制御器に出力する。すなわち、回転数制御部１０９から出力されたトルク指令が、乗算器１０６の出力に基づき補正され、補正後のトルク指令が、モータを駆動するインバータの制御器に出力される。

ここで、従来のトルク指令の補正方法としては、正弦波加振指令をトルク値に変換し、このトルク値を用いてトルク指令を補正する方法がある。図２は、このような方法を適用した従来の制御装置２００の構成例を示す図である。なお、図２において、図１と同様の構成については同じ符号を付し、説明を省略する。

図２に示す制御装置２００は、図１に示す制御装置１００と比較して、余弦波生成部１１２を削除した点と、フィードフォワード（ＦＦＷＤ：Ｆｅｅｄｆｏｗａｒｄ）部２０１を追加した点と、加算器１１０を加算器２０２に変更した点とが異なる。

ＦＦＷＤ部２０１は、乗算器１０３から正弦波加振指令が入力され、フィードフォワード制御（比例制御）により、トルク指令を補正する補正値を正弦波加振指令に基づき生成し、加算器２０２に出力する。ここで、ＦＦＷＤ部２０１は、乗算器１０３から出力された正弦波加振指令（速度加振成分）をトルク値に換算するために、正弦波加振指令を微分する。したがって、ＦＦＷＤ部２０１の出力は、正弦波加振指令を微分した余弦波となる。

加算器２０２は、回転数制御部１０９から出力されたトルク指令と、ＦＦＷＤ部２０１の出力とを加算してトルク指令を補正し、モータを駆動するインバータの制御器に出力する。

ここで、制御装置２００の制御周期などの影響で、乗算器１０３から出力された正弦波加振指令の位相と、ＦＦＷＤ部２０１の出力（余弦波）の位相とにずれが生じてしまうことがある。そのため、図２に示す制御装置２００においては、ＦＦＷＤ部２０１の出力によりトルク指令を補正しても、正弦波加振指令の周波数に対して、モータの実回転数の回転加振周波数の位相ずれが発生してしまう。

一方、本実施形態においては、加振回転数片振幅値Ｎ（加振回転数指令）を、加振周波数ｆ（加振周波数指令）および加振位相指令に応じた位相αを有する余弦波に乗算し、乗算後の余弦波に、モータの慣性モーメントＪに応じた所定値（Ｊ／１．５２）を乗算することでトルク値に変換した余弦波信号を用いて、トルク指令を補正する。すなわち、本実施形態においては、速度成分の微分を行うことなく、正弦波加振指令と同じ位相および周波数を有する余弦波をトルク値に変換し、そのトルク値を用いてトルク指令を補正する。

そのため、正弦波加振指令と同じ位相および周波数を有する余弦波信号を用いてトルク指令を補正することができるので、正弦波加振指令の周波数に対する、モータの実回転数の回転加振周波数の位相ずれの発生を抑制し、試験精度の低下の抑制を図ることができる。

図３は、図２に示す従来の制御装置２００における、回転数指令に対する実回転数のシミュレーション結果を示す図である。また、図４は、本実施形態に係る制御装置１００における、回転数指令に対する実回転数のシミュレーション結果を示す図である。なお、図３，４においては、回転数指令とは、加算器１０７の出力、すなわち、図１，２に示す回転数指令と乗算器１０３から出力された正弦波加振指令とを加算したものを指す。

図３に示すように、従来の制御装置２００においては、回転数指令と実回転数とに位相ずれが生じている。一方、図４に示すように、本実施形態に係る制御装置１００においては、回転数指令と実回転数とが略一致し、位相ずれが抑制されている。

このように本実施形態においては、制御装置１００は、駆動軸を回転させるモータの回転数の変動の振幅を指示する加振回転数指令（加振回転数片振幅値）を、回転数の変動の周波数を指示する加振周波数指令（加振周波数）に応じた周波数ｆおよび回転数の変動の位相を指示する加振位相指令に応じた位相αを有する正弦波に乗算した正弦波信号を生成する正弦波生成部１１１と、モータの回転数として一定の回転数を指示する回転数指令と、正弦波生成部１１１が生成した正弦波信号との和と、モータの実回転数との偏差に基づき、モータのトルク指令を生成する回転数制御部１０９と、加振回転数指令を、加振周波数指令に応じた周波数ｆおよび加振位相指令位相に応じた位相αを有する余弦波に乗算し、加振回転数指令を乗算した余弦波に、モータの慣性モーメントＪに応じた所定値を乗算してトルク値に変換した余弦波信号を生成する余弦波生成部１１２とを備え、回転数制御部１０９により生成されたトルク指令を余弦波生成部１１２により生成された余弦波信号に基づき補正する。

加振回転数指令（加振回転数片振幅値Ｎ）を、加振周波数ｆ（加振周波数指令）および加振位相指令に応じた位相αを有する余弦波に乗算し、乗算後の余弦波に、モータの慣性モーメントＪに応じた所定値（Ｊ／１．５２）を乗算することでトルク値に変換することで、余弦波をトルク値に変換することができる。そして、トルク値に変換した余弦波信号を用いて、トルク指令を補正する。そのため、速度成分の微分を行うことなく、正弦波加振指令と同じ位相および周波数を有する余弦波をトルク値に変換し、そのトルク値を用いてトルク指令を補正することができるので、正弦波加振指令の周波数に対する、モータの実回転数の回転加振周波数の位相ずれの発生を抑制し、試験精度の低下の抑制を図ることができる。

本発明を図面および実施形態に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形または修正を行うことが容易であることに注意されたい。したがって、これらの変形または修正は本発明の範囲に含まれることに留意されたい。例えば、各ブロックなどに含まれる機能などは論理的に矛盾しないように再配置可能であり、複数のブロックを１つに組み合わせたり、或いは分割したりすることが可能である。

１００制御装置
１０１加振角度変換部
１０２正弦波発生器
１０３，１０４，１０６乗算器
１０５余弦波発生器
１０７，１１０加算器
１０８減算器
１０９回転数制御部
１１１正弦波発生部
１１２余弦波発生部

Claims

供試体の駆動軸の回転数を制御する制御装置であって、
前記駆動軸を回転させるモータの回転数の変動の振幅を指示する加振回転数指令を、前記回転数の変動の周波数を指示する加振周波数指令に応じた周波数および前記回転数の変動の位相を指示する加振位相指令に応じた位相を有する正弦波に乗算した正弦波信号を生成する正弦波生成部と、
前記モータの回転数として一定の回転数を指示する回転数指令と、前記正弦波生成部が生成した正弦波信号との和と、前記モータの実回転数との偏差に基づき、前記モータのトルク指令を生成する回転数制御部と、
前記加振回転数指令を、前記加振周波数指令に応じた周波数および前記加振位相指令に応じた位相を有する余弦波に乗算し、前記加振回転数指令を乗算した余弦波に、前記モータの慣性モーメントに応じた所定値を乗算してトルク値に変換した余弦波信号を生成する余弦波生成部と、を備え、
前記回転数制御部により生成されたトルク指令を前記余弦波生成部により生成された余弦波信号に基づき補正することを特徴とする制御装置。