JPWO2015136626A1 - ドライブトレインの試験システム - Google Patents

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。

特開２００２−７１５２０号公報 国際公開第２０１３／１０５３７５号

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。

本発明の一実施形態に係るドライブトレイン（３軸タイプ）の試験システムの構成を示す図である。 ２軸タイプのドライブトレインの試験システムの構成を示す図である。 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。 一般化プラントを用いたＨ∞制御及びμ設計法による制御系設計方法を説明するための図である。 実施例１の一般化プラントの具体的な構成を示す図である。 試験システムの機械系を近似した２慣性系モデルの構成を示す図である。 実施例１の共振抑制制御回路の具体的な構成を示す図である。 実施例１のコントローラＧｃ１の周波数応答特性を示すボード線図である。 実施例１のコントローラＧｃ２の周波数応答特性を示すボード線図である。 実施例１の共振抑制制御回路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までの応答特性を示すボード線図である。

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。

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。

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［ｋｇｍ^２］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

Claims (2)

1. 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。
2. 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。