KR101503387B1

KR101503387B1 - 다이나모미터 시스템

Info

Publication number: KR101503387B1
Application number: KR1020147026112A
Authority: KR
Inventors: 토시미치 타카하시
Original assignee: 메이덴샤 코포레이션
Priority date: 2012-03-02
Filing date: 2013-02-27
Publication date: 2015-03-18
Also published as: JP2013181904A; KR20140135764A; CN104204760A; WO2013129533A1; JP5304913B2; CN104204760B; US9255856B2; US20150039246A1

Abstract

본 발명은 축토크 미터를 구비한 다이나모미터 시스템에 있어서, 로드셀을 구비한 시스템과 등가치의 평가가 가능한 다이나모미터 시스템을 제공하기 위한 것이다. 다이나모미터 시스템은, 다이나모미터 각속도를 검출하는 인코더; 부하 기기 및 다이나모미터 간의 축토크를 검출하는 축토크 미터; 및상기 다이나모미터 각속도 ωM 및 축토크 미터 검출값 Tsh를 바탕으로 다이나모미터를 제어하는 제어장치(6A);를 구비한다. 토크 제어장치(6A)는, 다이나모미터의 각가속도 ωM·s에 관성 모멘트 JM을 곱한 값과 축토크 미터 검출값 Tsh를 합산함으로써 연산 토크값 Tcal을 산출하는 연산 토크 산출부(61A); 및 외부로부터 입력되는 지령값 Tref와 연산 토크값 Tcal을 바탕으로 인버터에 대한 입력이 되는 토크 전류 지령값 Tdyref를 산출하는 연산 토크 콘트롤러(62A);를 구비한다.

Description

다이나모미터 시스템{DYNAMOMETER SYSTEM}

본 발명은 다이나모미터 시스템에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 다이나모미터의 각속도를 검출하는 인코더 및 부하 기기와 다이나모미터 간의 축토크를 검출하는 축토크 미터를 구비하여, 이들의 검출값을 바탕으로 다이나모미터를 제어하는 다이나모미터 시스템에 관한 것이다.

다이나모미터 시스템에서는, 전동기, 엔진, 롤러 등의 부하 기기와 상기 부하 기기에서 발생한 동력을 흡수하는 다이나모미터를 공통 축으로 연결함과 동시에, 각속도 또는 토크 등을 검출하는 각종 센서의 검출 신호를 바탕으로 다이나모미터를 제어하여, 부하 기기에 적당한 부하를 주면서 부하 기기의 출력을 제어함으로써 각종 성능 시험을 실시한다.

이러한 다이나모미터 시스템은 토크 검출 수단의 차이에 따라 크게 2 종류로 나눌 수 있다.

하나는, 특허 문헌 1에 나타내는 바와 같은 요동식 다이나모미터를 구비한 시스템이다. 이 시스템에서는, 다이나모미터에 설치된 요동자가 기대(基臺)상에 부양 베어링을 통해 자유롭게 요동 가능하도록 지지되어 있으며, 상기 요동자의 토크 암의 선단과 기대 사이를 로드셀로 연결하고, 상기 로드셀에서 검출한 왜곡으로부터 토크를 검출하여 이를 제어량으로 한 제어계가 구축된다.

다른 하나는, 비요동식, 즉 상술한 바와 같이 다이나모미터를 요동시키지 않도록 기대상에 설치한 시스템이다. 이 시스템에서는 상기 로드셀을 이용한 토크의 검출이 어려우므로, 특허 문헌 2에 나타내는 바와 같이 축토크 미터로 다이나모미터와 부하 기기 사이의 축토크를 검출하여 이를 제어량으로 한 제어계가 구축된다.

특허 문헌 1 일본특허공개 제2009－109309호 공보 특허 문헌 2 일본특허공개 제2011－257205호 공보

상기와 같이 로드셀을 이용한 시스템 및 축토크 미터를 이용한 시스템에서는, 토크 검출 수단의 차이로 인해 가속, 감속 중의 성능 시험 결과에 차가 생기는 경우가 있어, 두 시스템에서의 통일된 평가가 어렵다는 과제가 있었다.

본 발명은 축토크 미터를 구비한 다이나모미터 시스템에서, 로드셀을 구비한 시스템과 동가치의 평가가 가능한 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

(1) 상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 부하 기기(예를 들어 후술하는 전동기(9))와 공통의 축(예를 들어 후술하는 축(S))으로 연결된 다이나모미터(예를 들어 후술하는 다이나모미터(2)); 해당 다이나모미터에 전력을 공급하는 인버터(예를 들어 후술하는 인버터(3)); 해당 다이나모미터의 각속도를 검출하는 인코더(예를 들어 후술하는 인코더(4)); 상기 부하 기기 및 상기 다이나모미터 간의 축토크를 검출하는 축토크 미터(예를 들어 후술하는 축토크 미터(5)); 및 상기 인코더의 검출값 및 상기 축토크 미터의 검출값을 바탕으로 상기 다이나모미터를 제어하는 제어장치(예를 들어 후술하는 토크 제어장치(6, 6A, 6B, 6B', 6C, 6C'));를 구비한 다이나모미터 시스템을 제공한다. 상기 제어장치는, 상기 인코더의 검출값(ωM)으로부터 산출된 상기 다이나모미터의 각가속도(ωM·s)에 해당 다이나모미터의 관성 모멘트(JM)를 곱한 값과 상기 축토크 미터의 검출값(Tsh)을 합산함으로써 연산 토크값(Tcal)을 산출하는 연산 토크 산출부(예를 들어 후술하는 연산 토크 산출부(61A)); 및 외부로부터 입력되는 상기 연산 토크값에 대한 지령값(Tref)과 상기 연산 토크값(Tcal)을 바탕으로 상기 인버터에 대한 입력이 되는 토크 전류 지령값(Tdyref, T1)을 산출하는 연산 토크 콘트롤러(예를 들어 후술하는 연산 토크 콘트롤러(62A));를 구비하는 것을 특징으로 한다.

(1) 본 발명에 따르면, 인코더의 검출값으로부터 산출된 다이나모미터의 각가속도에 다이나모미터의 관성 모멘트를 곱한 값과 축토크 미터의 검출값을 합산함으로써, 상술한 로드셀의 검출값에 상당하는 연산 토크값을 산출하고, 연산 토크 콘트롤러에서는, 외부로부터 입력되는 지령값에 따라 상기 연산 토크값을 제어량으로 하여 토크 전류 지령값을 산출한다. 이로써, 축토크 미터를 구비한 시스템에서 로드셀의 검출값을 제어량으로 한 토크 제어와 동등한 제어(연산 다이나모 토크 제어)를 실시할 수 있기 때문에, 로드셀을 구비한 시스템과 동가치의 평가를 실시할 수 있다.

(2) 이 경우, 상기 연산 토크 산출부는, 상기 축토크 미터의 검출값을 Tsh, 상기 다이나모미터의 관성 모멘트를 JM, 상기 인코더의 검출값을 ωM, 라플라스 연산자(Laplacian operator)를 s, 컷오프 주파수를 ωcL, 1이상의 임의의 양의 정수를 n, 소정의 저역통과 필터 특성 정수를 a_n이라 할때, 하기 식(1)에 따라 연산 토크값을 산출하는 것이 바람직하다.

[수학식 1]

(2) 본 발명에서는, 상기 식(1)에 나타내는 바와 같이, 로드셀의 검출값에 상당하는 연산 토크의 이상값(Tsh＋JM·ωM·s)에 n차의 버터워스(Butterworth)형 필터를 곱한 것으로 연산 토크값 Tcal을 정의함으로써, 연산 토크값 Tcal을 로드셀의 특성에 맞출 수 있는 동시에, 완전 미분(exact differential)항을 포함하지 않는 바람직한 성질의 것으로 할 수 있다.

(3) 이 경우, 상기 연산 토크 콘트롤러는 비례 게인 KP 및 적분 시정수 Ti로 특정지어진 PI 제어 구조를 가지며, 상기 비례 게인 KP 및 적분 시정수 Ti는, 상기 연산 토크 산출부의 컷오프 주파수 ωcL, 및 0에서 상기 컷오프 주파수 ωcL의 사이에서 정해진 임의의 주파수 응답 설정값 ωc를 이용하여 하기 식(2)에 따라 결정되는 것이 바람직하다.

[수학식 2]

(3) 일반적으로는 비례 게인이나 적분 시정수 등 콘트롤러의 가조정 파라미터가 상호 작용하므로 그 조정에 시간이 걸리며, 또한 조정하는 사람에 따라 조정 결과에 차이가 생길 뿐 아니라 시스템에 따른 평가 결과에도 차이가 생길 우려가 있다. 본 발명에서는, 연산 토크 콘트롤러의 비례 게인 KP 및 적분 시정수 Ti를 상기 식(2)에 나타내는 바와 같이, 연산 토크값에 도입한 컷오프 주파수 ωcL 및 0에서 ωcL의 사이에서 설정된 임의의 주파수 응답 설정값 ωc를 이용해 정함으로써, 가조정 파라미터의 조정을 용이하게 하는 동시에, 조정하는 사람에 따른 불확실성을 최대한 해소할 수 있기 때문에 더욱 통일된 평가가 가능해진다. 또한, 가조정 파라미터를 이와 같이 정함으로써, 설정대로 제어하여 안정된 결과가 얻어지지 않았을 경우, 반대로 시스템에 이상이 있는 것으로 추정할 수도 있다.

(4) 이 경우, 상기 연산 토크 콘트롤러는 비례 게인 KP 및 적분 시정수 Ti로 특정지어진 PI 제어 구조를 가지며, 상기 인버터에 대한 입력(Tdyref)으로부터 상기 연산 토크 산출부의 출력(Tcal) 까지의 주파수 응답 특성은, 상기 컷오프 주파수 ωcL로 특정지어진 1차 지연 저역통과 필터의 주파수 응답 특성과 등가(等價)(예를 들어 후술하는 식(9))인 동시에, 개방 루프 전달 함수(Go)가 0에서 상기 컷오프 주파수 ωcL의 사이에서 정해진 임의의 주파수 응답 설정값 ωc로 특정지어진 적분 특성을 갖는다(예를 들어 후술하는 식(10), (11))는 조건하에서, 상기 비례 게인 KP 및 적분 시정수 Ti는 상기 컷오프 주파수 ωcL 및 상기 주파수 응답 설정값 ωc에 의해 정해지는 것이 바람직하다.

(4) 본 발명에 따르면, 연산 토크 콘트롤러의 가조정 파라미터의 조정을 용이하게 하는 동시에, 조정하는 사람에 따른 불확실성을 최대한 해소할 수 있기 때문에, 더욱 통일된 평가가 가능해진다.

(5) 이 경우, 상기 제어장치는, 상기 축토크 미터의 검출값에 필터 전달 함수 및 억제 게인을 곱해서 수득되는 보상량을 상기 연산 토크 콘트롤러에 의해 산출된 토크 전류 지령값에 가산하여 해당 토크 전류 지령값을 보정하는 축토크 검출 보상부를 더 구비하고, 상기 축토크 검출 보상부의 필터 전달 함수는, 상기 부하 기기 및 상기 다이나모미터로 이루어지는 기계계(機械系)의 공진 주파수 및 그 근방만을 통과 대역으로 하여 설정되는 것이 바람직하다.

(5) 본 발명에서는, 연산 토크 콘트롤러에 의해 산출된 토크 전류 지령값을, 축토크 미터의 검출값에 억제 게인을 곱한 것으로 축토크 검출 보상부에 의해 보정함으로써, 부하 기기와 다이나모미터로 이루어지는 기계계의 공진 게인을 억제하고, 높은 응답의 연산 다이나모 토크 제어가 가능해진다.

그런데 축토크 미터의 노이즈를 고려하면, 축토크 미터의 검출값을 이용한 상기 축토크 검출 보상부만으로는 전 주파수 영역에 걸친 적절한 보정이 어렵기 때문에, 외란 옵저버(disturbance observer) 등의 다른 보상기와 조합하는 것이 바람직한 경우도 있을 수 있다. 이에 본 발명에서는, 축토크 검출 보상부에서, 부하 기기 및 다이나모미터로 이루어지는 기계계의 공진 주파수 및 그 근방만을 통과 대역으로 하여 설정된 필터 전달 함수를 축토크 미터의 검출값에 곱한다. 즉, 축토크 검출 보상부에서는 기계계의 공진 주파수대역만을 보상하도록 함으로써, 다른 보상기와 조합하여 이용할 경우, 이와의 간섭을 억제하여 결과적으로 전 주파수 영역에 걸쳐 안정적인 토크 제어가 가능해진다.

(6) 이 경우, 상기 축토크 검출 보상부의 필터 전달 함수는 그 대역폭 내에 상기 기계계의 공진 주파수가 포함되도록 설정된 대역통과 필터인 것이 바람직하다.

(6) 본 발명에 따르면, 필터 전달 함수를 그 대역폭 내에 공진 주파수가 포함되도록 설정된 대역통과 필터로 함으로써 상기(5)의 효과를 보다 확실히 달성할 수 있다.

(7) 이 경우, 상기 축토크 검출 보상부의 필터 전달 함수는, 상기 공진 주파수보다 높은 컷오프 주파수를 갖는 저역통과 필터와 상기 공진 주파수보다 낮은 컷오프 주파수를 갖는 고역통과 필터를 직렬로 결합하여 구성되는 것이 바람직하다.

(7) 본 발명에서는, 저역통과 필터와 고역통과 필터를 직렬로 결합하여 대역통과 필터의 특성을 갖는 필터 전달 함수를 구성함으로써, 상기 (6)과 유사한 효과를 달성할 수 있다. 아울러, 저역통과 필터와 고역통과 필터를 조합한 것이 대역통과 필터에 비해 대역폭을 넓게 설정할 수 있기 때문에, 상기 (6)의 발명에 비해 축토크 검출 보상부의 설계 자유도를 향상시킬 수 있다.

(8) 이 경우, 상기 축토크 검출 보상부는, 상기 기계계의 복수의 공진 주파수에 대해, 해당 공진 주파수 마다 설정된 필터 전달 함수 및 그 억제 게인을 복수로 병렬 접속하여 구성되는 것이 바람직하다.

(8) 일반적으로는 복수의 공진 주파수가 존재하는데, 본 발명에서는 각각의 공진 주파수 마다 설정된 필터 전달 함수 및 그 억제 게인을 병렬로 접속함으로써, 각 공진 게인을 적절히 억제할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 다이나모미터 시스템의 구성을 나타내는 블럭도이다.
도 2는 2관성계 모델의 구성을 나타내는 도면이다.
도 3은 실시예 1의 제어계 전체를 나타내는 블럭도이다.
도 4는 실시예 2의 제어계 전체를 나타내는 블럭도이다.
도 5는 실시예 2의 필터 전달 함수 G_BPF의 주파수 특성을 나타내는 도면이다.
도 6은 실시예 2의 변형예의 제어계 전체를 나타내는 블럭도이다.
도 7은 실시예 3의 제어계 전체를 나타내는 블럭도이다.
도 8은 실시예 3의 필터 전달 함수 G_LPF·G_HPF의 주파수 특성을 나타내는 도면이다.
도 9는 실시예 3의 변형예의 제어계 전체를 나타내는 블럭도이다.

이하, 본 발명의 일 실시형태에 따른 다이나모미터 시스템에 대해 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 실시형태의 다이나모미터 시스템(1)의 구성을 나타내는 블럭도이다.

다이나모미터 시스템(1)은, 부하 기기로서의 전동기(9)와 공통의 축(S)으로 연결된 다이나모미터(2), 상기 다이나모미터(2)에 대해 전력을 공급하는 인버터(3), 다이나모미터(2)의 각속도를 검출하는 인코더(4), 전동기(9) 및 다이나모미터(2) 간의 축토크를 검출하는 축토크 미터(5), 및 이들 인코더(4) 및 축토크 미터(5)의 검출값을 바탕으로 다이나모미터(2)의 토크를 제어하는 토크 제어장치(6)를 구비한다.

인코더(4)는 다이나모미터(2)의 각속도를 검출하여, 검출값에 대략 비례하는 신호를 토크 제어장치(6)로 송신한다. 축토크 미터(5)는 전동기(9) 및 다이나모미터(2) 간의 축(S)에 작용하는 축토크를 예를 들어 축의 비틀림 방향의 왜곡량으로부터 검출하여, 검출값에 대략 비례하는 신호를 토크 제어장치(6)로 송신한다.

인버터(3)는 도시하지 않은 직류 전원으로부터 공급된 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 다이나모미터(2)에 공급한다. 토크 제어장치(6)는 인코더(4)의 검출값, 축토크 미터(5)의 검출값 및 외부로부터 입력되는 토크 지령값을 바탕으로 인버터(3)에 대한 입력인 토크 전류 지령값을 결정한다. 이러한 토크 제어장치(6)의 상세한 구성에 대해서는 이후 각 실시예에서 설명한다.

다이나모미터 시스템(1)에서는, 상기 토크 제어장치(6)를 이용해 다이나모미터(2)의 토크를 제어하여, 전동기(9)에 적당한 부하를 주면서 전동기(9)의 출력을 제어함으로써 각종 성능 시험을 실시한다.

실시예 1

다음으로, 상기 실시형태의 속도 제어장치의 실시예 1에 대해 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이하의 실시예의 설명에서, 다이나모미터 시스템의 기계계의 구성을 도 2에 나타내는 바와 같은 2관성계(two-inertia system) 모델로 한다.

도 2에서, “JM”은 다이나모미터의 관성 모멘트［kgm²］이다.

“JL”은 전동기(부하 기기)의 관성 모멘트［kgm²］이다.

“Ksh”는 다이나모미터와 전동기 사이의 축의 스프링 강성［Nm/rad］이다.

“ωM”은 다이나모미터의 각속도［rad/s］이며, 인코더의 검출값에 상당한다. 이하, 다이나모미터 각속도라 한다.

“ωL”은 전동기의 각속도［rad/s］이다.

“TL”은 전동기의 구동 토크［Nm］이다.

“Tsh”는 다이나모미터와 전동기 사이의 축에 작용하는 축토크［Nm］이며, 축토크 미터의 검출값에 상당한다. 이하, 축토크 미터 검출값이라 한다.

“Tdyref”는 다이나모미터의 구동 토크［Nm］이며, 인버터에 대한 입력에 상당한다. 이하, 토크 전류 지령값이라고 한다. 아울러, 상술한 요동식 다이나모미터 및 로드셀을 구비한 시스템에서, 다이나모미터의 구동 토크는 근사적으로 로드셀의 검출값에 상당하는 것으로 생각된다.

이하의 설명에서, 회전 손실［Nms/rad］ 또는 스프링 손실［Nms/rad］에 대해서는 생략하고 설명하지만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.

도 2에 나타내는 2관성계 모델의 운동 방정식을 라플라스 변환(Laplace transform)하면 하기 식 (3－1)~(3－3)이 도출된다.

[수학식 3]

도 3은 본 실시예의 토크 제어장치(6A)를 적용한 제어계 전체를 나타내는 블럭도이다. 아울러, 도 3에서 두꺼운 파선으로 나타내는 부분은, 상기 식 (3－1)~(3－3)에 나타낸 2관성계 모델의 운동 방정식을 전달 함수로 표현한 것이다.

도 3에 나타내는 제어계에서, 조작량은 다이나모미터의 구동 토크 Tdyref로, 관측량은 다이나모미터 각속도 ωM 및 축토크 미터 검출값 Tsh로, 제어량은 후술하는 연산 토크값 Tcal로, 구동 토크 TL이 외란으로서 전동기 측에 가해지도록 되어 있다.

실시예 1의 토크 제어장치(6A)는 연산 토크 산출부(61A) 및 연산 토크 콘트롤러(62A)를 포함하여 구성된다. 토크 제어장치(6A)에는, 연산 토크값 Tcal에 대한 지령값으로 연산 토크 지령값 Tref［Nm］이 외부로부터 입력된다.

연산 토크 산출부(61A)는 상술한 요동식 다이나모미터 시스템의 로드셀의 검출값에 상당하는 연산 토크값 Tcal을, 축토크 미터 검출값 Tsh 및 다이나모미터 각속도 ωM 을 이용하여 하기 식(4)를 바탕으로 산출한다. 여기서, 'ωcL'은 컷오프 주파수다.

[수학식 4]

이하, 상기 식(4)을 도출하는 순서에 대해 설명한다. 먼저, 상술한 바와 같이, 식(3－3) 중 'Tdyref'는 로드셀을 구비한 시스템의 로드셀의 검출값에 상당하는 것으로 생각된다. 이에, 하기 식(5)에 나타내는 바와 같이, 로드셀의 검출값에 상당하는 연산 토크의 이상값 Tcal＿ide를, 다이나모미터 각속도 ωM으로부터 산출된 다이나모미터의 각가속도 ωM·s에 다이나모미터의 관성 모멘트 JM을 곱한 값과 축토크 미터 검출값 Tsh를 합산한 것으로 정의한다.

[수학식 5]

또한, 이러한 연산 토크 이상값 Tcal＿ide를 로드셀의 특성에 맞추기 위해, 하기 식(6)에 나타내는 바와 같이, 컷오프 주파수 ωcL로 특정지어진 1차 지연 저역통과 필터를 양변에 곱한 것으로 연산 토크값을 정의한다. 이로써, 상기 식(4)가 도출된다. 아울러, 상기 식(5)에 따른 연산 토크의 이상값의 정의에는 완전 미분항(JM·ωM·s)이 포함되어 있으나, 하기 식(6)에 나타내는 바와 같이 저역통과 필터를 곱해 의사 미분으로 함으로써, 노이즈가 제거된 바람직한 성질의 것으로 할 수 있다.

[수학식 6]

아울러 본 실시예에서는, 상기 식(5)의 이상값 Tcal＿ide에 1차 지연 저역통과 필터를 곱한 것으로 연산 토크값을 정의했지만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 하기 식(7)에 나타내는 바와 같이, 이상값에 n차로 일반화한 버터워스형 필터를 곱한 것으로 연산 토크값을 정의할 수도 있다. 하기 식(7)에서, n은 1이상의 임의의 양의 정수이며, a_n은 소정의 저역통과 필터 특성 정수이다.

[수학식 7]

연산 토크 콘트롤러(62A)는 외부로부터 입력되는 연산 토크 지령값 Tref와 연산 토크값 Tcal을 바탕으로 인버터에 대한 입력이 되는 토크 전류 지령값 Tdyref를 산출한다. 이러한 연산 토크 콘트롤러(62A)는 도 3에 나타내는 바와 같이, 비례 게인 KP 및 적분 시정수 Ti로 특징지어지는 PI 제어 구조를 갖는다. 이들 비례 게인 KP 및 적분 시정수 Ti는 상기 연산 토크 산출부(61A)에서 도입된 컷오프 주파수 ωcL, 및 0에서 컷오프 주파수 ωcL의 사이에서 정해진 임의의 주파수 응답 설정값 ωc를 이용하여, 하기 식(8)에 따라 일의적으로 정해진다.

[수학식 8]

이하, 파라미터 KP, Ti를 상기 식(8)과 같이 정하는 순서에 대해 설명한다. 먼저, 본 발명에서는, 상기 식(4) 또는 (7)에 나타내는 바와 같이, 로드셀의 특성을 고려하여 컷오프 주파수 ωcL로 특정지어진 저역통과 필터 특성을 수반하는 연산 토크값 Tcal을 도입하는데, 이 때 도입되는 저역통과 필터 특성이 제어 대역에 영향을 주기 때문에, 인버터에 대한 입력(토크 전류 지령값 Tdyref)으로부터 연산 토크 산출부의 출력(연산 토크값 Tcal)까지의 주파수 응답 특성이, 근사적으로 하기 식(9)로 나타내는 1차 지연 저역통과 필터의 특성과 등가가 된다.

[수학식 9]

따라서, 연산 토크 콘트롤러(62A)의 전달 함수 G_PI=KP(1＋1/Ti·s)를 이용하면, 개방 루프 전달 함수 Go는 하기 식(10)으로 나타낼 수 있다.

[수학식 10]

다음으로, 개방 루프 전달 함수 Go가 Go=ωc/s의 적분 특성을 갖는다고 가정하면, 하기 식(11)의 항등식이 도출된다. 여기서, 'ωc'는 0에서 ωcL의 사이(0＜ωc＜ωcL)에서 정해진 임의의 주파수 응답 설정값이다.

[수학식 11]

또한, 상기 식(11)에서 계수를 비교함으로써, 상기 식(8)에 나타내는 바와 같이 비례 게인 KP 및 적분 시정수 Ti가 일의적으로 정해진다.

본 실시예에 따르면, 이하의 효과를 달성할 수 있다.

(1) 본 실시예에서는, 연산 토크 산출부(61A)에서는, 로드셀의 검출값에 상당하는 연산 토크값 Tcal을 산출하고, 연산 토크 콘트롤러(62A)에서는, 외부로부터 입력되는 지령값 Tref에 따라 연산 토크값 Tcal을 제어량으로 하여 토크 전류 지령값 Tdyref를 산출한다. 이로써, 축토크 미터를 구비한 시스템에서 로드셀의 검출값을 제어량으로 한 토크 제어와 동등한 제어를 실시할 수 있기 때문에, 로드셀을 구비한 시스템과 등가치의 평가를 실시할 수 있다.

(2) 본 실시예에서는, 연산 토크의 이상값 Tcal＿ide에 n차의 버터워스형 필터를 곱한 것으로 연산 토크값 Tcal을 정의함으로써, 연산 토크값을 로드셀의 특성에 맞출 수 있는 동시에, 완전 미분항을 포함하지 않는 양호한 성질의 것으로 할 수 있다.

(3) 본 실시예에서는, 연산 토크 콘트롤러(62A)의 비례 게인 KP 및 적분 시정수 Ti를 상기 식(8)에 나타내는 바와 같이, 연산 토크값 Tcal에 도입한 컷오프 주파수 ωcL 및 0에서 ωcL의 사이에서 설정된 임의의 주파수 응답 설정값 ωc를 이용해 정함으로써, 가조정 파라미터의 조정을 용이하게 하는 동시에, 조정하는 사람에 따른 불확실성을 최대한 해소할 수 있기 때문에, 더욱 통일된 평가가 가능해진다. 또한, 가조정 파라미터를 이와 같이 정함으로써, 설정 대로 제어하여 안정적인 결과가 얻어지지 않았을 경우에, 반대로 시스템에 이상이 있는 것으로 추정하는 것도 가능해진다.

실시예 2

다음으로, 상기 실시형태의 토크 제어장치의 실시예 2에 대해 도면을 참조하여 설명한다.

도 4는 본 실시예의 토크 제어장치(6B)의 구성을 나타내는 블럭도이다. 본 실시예의 토크 제어장치(6B)는 상기 실시예 1과 비교해, 축토크 검출 보상부(63B)를 더 구비하는 점에서 차이가 있다.

축토크 검출 보상부(63B)는 축토크 미터 검출값 Tsh에 필터 전달 함수 GBPF 및 억제 게인 K1을 곱함으로써 축토크 검출 보상량 Tsh＿K를 산출하고, 이를 연산 토크 콘트롤러(62A)에 의해 산출된 토크 전류 지령값 T1에 가산하여 토크 전류 지령값 T1을 보정한다. 본 실시예에서는, 연산 토크 콘트롤러(62A)에 의해 산출된 토크 전류 지령값 T1에 축토크 검출 보상부(63B)에 의해 산출된 축토크 검출 보상량 Tsh＿K를 가산한 것이 최종적인 토크 전류 지령값 Tdyref가 된다.

억제 게인 K1은 0보다 크고 1보다 작은 값 사이에서 조정된다. 필터 전달 함수 G_BPF(s)는 하기 식(12)로 나타내는 바와 같은 대역통과 필터가 이용된다. 하기 식(12)에서, Bω1은 중심 주파수［rad/s］이며, Pg1은 피크 게인이다. BQ1은 Q값이며, 중심 주파수 Bω1로부터 ±3dB폭(대역폭)을 Bwidth1이라 하면, Q값 BQ1은 Bω1/Bwidth1로 나타낼 수 있다.

[수학식 12]

여기서, 상기 식(12)에 나타낸 필터 전달 함수 G_BPF(s)에서, 피크 게인 Pg1은 예를 들어 1로 설정되며, 중심 주파수 Bω1 및 대역폭 Bwidth1은 대역폭 Bwidth1 내에 기계계의 공진 주파수가 포함되도록 설정된다.

도 5는 필터 전달 함수 G_BPF의 주파수 특성을 나타내는 도면이다. 도 5는 100［Hz］ 근방에 기계계의 공진점이 있다는 상정하에서, Bω1=100［Hz］, Bwidth1=50［Hz］, Pg1=1로 설정된 필터 전달 함수 G_BPF의 일예를 나타낸 것이다. 이와 같이, 축토크 검출 보상부(63B)의 필터 전달 함수 G_BPF는 미리 구해지는 기계계의 공진 주파수에 맞추어 해당 공진 주파수 및 그 근방만을 통과 대역으로 하여 설정된다.

본 실시예에 따르면, 상기 (1)~(3)의 효과에 더해 이하의 효과를 달성할 수 있다.

(4) 본 실시예에서는, 연산 토크 콘트롤러(62A)에 의해 산출된 토크 전류 지령값 T1을 축토크 검출 보상부(63B)로 보정함으로써, 부하 기기와 다이나모미터로 이루어지는 기계계의 공진 게인을 억제하고, 높은 응답의 연산 다이나모 토크 제어가 가능해진다. 또한, 축토크 검출 보상부(63B)에서는 기계계의 공진 주파수대역만을 보상하도록 함으로써, 외란 옵저버 등의 다른 보상기와 조합하여 이용하는 경우, 이와의 간섭을 억제하고 결과적으로 전 주파수 영역에 걸쳐 안정적인 토크 제어가 가능해진다.

＜실시예 2의 변형예＞

다음으로, 실시예 2의 변형예에 대해 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 6은 본 변형예의 토크 제어장치(6B')를 적용한 제어계 전체를 나타내는 블럭도이다. 상기 도 4에 나타낸 실시예 2와 비교해, 축토크 검출 보상부(63B')의 구성에 차이가 있다.

상기 실시예에서는 2관성계 모델로 간략화했지만, 일반적으로는 복수의 공진점이 존재한다. 본 변형예의 축토크 검출 보상부(63B')는 복수의 공진점이 존재하는 것을 상정하여, 공진 주파수 마다 설정된 필터 전달 함수 GBPFn 및 억제 게인 Kn을 복수로 병렬 접속하여 구성된다. 보다 구체적으로, 축토크 검출 보상부(63B')는 공진 주파수 마다 상술한 바와 같이 필터 전달 함수 G_BPFn 및 억제 게인 Kn을 설정하고, 축토크 미터 검출값 Tsh를 각 필터 전달 함수 G_BPFn 및 억제 게인 Kn에 곱해서 수득되는 보상량 Tsh＿Kn을 합산한 것을 축토크 검출 보상량 Tsh＿K로 한다.

n번째의 공진점에 대응하는 n번째의 억제 게인 Kn은 0보다 크고 1보다 작은 값 사이에서 설정되며, n번째의 필터 전달 함수 G_BPFn은, 하기 식(13)과 같이 중심 주파수 Bωn, 피크 게인 Pgn, Q값 BQn(=Bωn/Bwidthn), 및 대역폭 Bwidthn으로 특징지어지는 대역통과 필터가 이용된다. 중심 주파수 Bωn 또는 대역폭 Bwidthn은, 상술한 바와 같이 대역폭 Bwidthn 내에 대응하는 공진 주파수가 포함되도록 설정된다.

[수학식 13]

본 변형예에 따르면, 상기 (1)~(4)의 효과에 더해 이하의 효과가 있다.

(5) 일반적으로는 복수의 공진 주파수가 존재하는데, 본 실시예에서는 각각의 공진 주파수 마다 설정된 필터 전달 함수 G_BPFn 및 그 억제 게인 K1을 병렬로 접속함으로써, 각 공진 게인을 적절히 억제할 수 있다.

실시예 3

다음으로, 상기 실시형태의 토크 제어장치의 실시예 3에 대해 도면을 참조하여 설명한다.

도 7은 본 실시예의 토크 제어장치(6C)를 적용한 제어계 전체를 나타내는 블럭도이다. 아울러, 본 실시예의 토크 제어장치(6C)는 상기 실시예 2와 비교해, 축토크 검출 보상부(63C)의 구성에 차이가 있다.

축토크 검출 보상부(63C)는, 축토크 미터 검출값 Tsh에 필터 전달 함수 G_LFP(s), G_HPF(s) 및 억제 게인 K1을 곱함으로써 축토크 검출 보상량 Tsh＿K를 산출하고, 이를 연산 토크 콘트롤러(62A)에 의해 산출된 토크 전류 지령값 T1에 가산하여 토크 전류 지령값 T1을 보정한다.

억제 게인 K1은 0보다 크고 1보다 작은 값 사이에서 조정된다. 필터 전달 함수 G_LFP(s) 및 필터 전달 함수 G_HFP(s)는, 각각 예를 들어 하기 식(14)에 나타내는 바와 같이, 컷오프 주파수 LPFωc로 특정지어진 저역통과 필터 및 컷오프 주파수 HPFωc로 특정지어진 고역통과 필터가 이용된다.

[수학식 14]

여기서, 저역통과 필터와 고역통과 필터를 직렬 결합한 것을 이용하여 상기 식(12)에 나타낸 대역통과 필터와 거의 같은 특성을 실현하기 위해, 컷오프 주파수 LPFωc는 컷오프 주파수 HPFωc보다 큰 값으로 설정된다. 또한, 실시예 2에서 대역통과 필터의 대역폭 내에 기계계의 공진 주파수를 설정한 것과 마찬가지로, 필터 전달 함수 G_LFP·G_HFP는 그 컷오프 주파수 HPFωc와 LPFωc 사이의 대역폭 내에 상기 공진 주파수가 포함되도록 설정된다.

도 8은 필터 전달 함수 G_LPF·G_HPF의 주파수 특성을 나타내는 도면이다. 도 8은 도 5와 마찬가지로, 100［Hz］ 근방에 기계계의 공진점이 있다는 상정하에서 설정된 필터 전달 함수 G_LPF·G_HPF의 일예를 나타낸 것이다.

본 실시예에 따르면, 상기 (1)~(4)의 효과에 더해 이하의 효과를 달성할 수 있다.

(6) 도 8에 나타낸 필터 전달 함수 G_LPF·G_HPF의 주파수 특성과 도 5에 나타낸 필터 전달 함수 G_LPF·G_HPF의 주파수 특성을 비교하면 명백한 바와 같이, 저역통과 필터와 고역통과 필터를 직렬 결합하여 구성한 것이 피크 게인 근방의 대역폭을 넓게 설정하기 쉽다. 때문에, 상기 실시예 2에 비해 축토크 검출 보상부의 설계 자유도를 향상시킬 수 있다.

＜실시예 3의 변형예＞

다음으로, 실시예 3의 변형예에 대해 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 9는 본 변형예의 토크 제어장치(6C')를 적용한 제어계 전체를 나타내는 블럭도이다. 상기도 7에 나타낸 실시예 3과 비교해, 축토크 검출 보상부(63C')의 구성에 차이가 있다.

본 변형예의 축토크 검출 보상부(63C')는 복수의 공진점이 존재하는 것을 상정하여, 공진 주파수 마다 설정된 필터 전달 함수 G_LPFn·G_HPFn 및 억제 게인 Kn을 복수로 병렬 접속하여 구성된다. 보다 구체적으로, 축토크 검출 보상부(63C')는, 공진 주파수 마다 상기 실시예 2에서 설명한 바와 같이 필터 전달 함수 G_LPFn·G_HPFn 및 억제 게인 Kn을 설정하고, 축토크 미터 검출값 Tsh를 각 필터 전달 함수 G_LPFn·G_HPFn 및 억제 게인 Kn에 곱하여 수득된 보상량 Tsh＿Kn을 합산한 것을 축토크 검출 보상량 Tsh＿K로 한다.

본 변형예에 따르면, 상기 (1)~(6)의 효과와 거의 같은 효과를 달성할 수 있다.

1 다이나모미터 시스템
2 다이나모미터
3 인버터
4 인코더
5 축토크 미터
6, 6A, 6A', 6B, 6B', 6C, 6C' 토크 제어장치(제어장치)
61A 연산 토크 산출부
62A 연산 토크 콘트롤러
63B, 63B', 63C, 63C' 축토크 검출 보상부

Claims

부하 기기와 공통의 축으로 연결된 다이나모미터;
해당 다이나모미터에 전력을 공급하는 인버터;
해당 다이나모미터의 각속도를 검출하는 인코더;
상기 부하 기기 및 상기 다이나모미터 간의 축토크를 검출하는 축토크 미터; 및
상기 인코더의 검출값 및 상기 축토크 미터의 검출값을 바탕으로 상기 다이나모미터를 제어하는 제어장치;를 구비한 다이나모미터 시스템에 있어서,
상기 제어장치는,
상기 인코더의 검출값으로부터 산출된 상기 다이나모미터의 각가속도에 해당 다이나모미터의 관성 모멘트를 곱한 값과 상기 축토크 미터의 검출값을 합산함으로써 연산 토크값을 산출하는 연산 토크 산출부; 및
외부로부터 입력되는 상기 연산 토크값에 대한 지령값과 상기 연산 토크값을 바탕으로 상기 인버터에 대한 입력이 되는 토크 전류 지령값을 산출하는 연산 토크 콘트롤러;를 구비하는 것을 특징으로 하는 다이나모미터 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 연산 토크 산출부는, 상기 축토크 미터의 검출값을 Tsh, 상기 다이나모미터의 관성 모멘트를 JM, 상기 인코더의 검출값을 ωM, 라플라스 연산자를 s, 컷오프 주파수를 ωcL, 1이상의 임의의 양의 정수를 n, 소정의 저역통과 필터 특성 정수를 a_n이라 할 때, 하기 식에 따라 연산 토크값을 산출하는 것을 특징으로 하는 다이나모미터 시스템.
[수학식 1]
제 2 항에 있어서,
상기 연산 토크 콘트롤러는 비례 게인 KP 및 적분 시정수 Ti로 특정지어진 PI 제어 구조를 가지며,
상기 비례 게인 KP 및 적분 시정수 Ti는, 상기 연산 토크 산출부의 컷오프 주파수 ωcL, 및 0에서 상기 컷오프 주파수 ωcL의 사이에서 정해진 임의의 주파수 응답 설정값 ωc를 이용하여 하기 식에 따라 정해지는 것을 특징으로 하는 다이나모미터 시스템.
[수학식 2]
제 2 항에 있어서,
상기 연산 토크 콘트롤러는 비례 게인 KP 및 적분 시정수 Ti로 특정지어진 PI 제어 구조를 가지며,
상기 인버터에 대한 입력으로부터 상기 연산 토크 산출부의 출력까지의 주파수 응답 특성은, 상기 컷오프 주파수 ωcL로 특정지어진 1차 지연 저역통과 필터의 주파수 응답 특성과 등가인 동시에, 개방 루프 전달 함수가 0에서 상기 컷오프 주파수 ωcL의 사이에서 정해진 임의의 주파수 응답 설정값 ωc로 특정지어진 적분 특성을 갖는다는 조건하에서, 상기 비례 게인 KP 및 적분 시정수 Ti는 상기 컷오프 주파수 ωcL 및 상기 주파수 응답 설정값 ωc에 의해 정해지는 것을 특징으로 하는 다이나모미터 시스템.
제 1 항 내지 제 4 항의 어느 한 항에 있어서,
상기 제어장치는, 상기 축토크 미터의 검출값에 필터 전달 함수 및 억제 게인을 곱해서 수득되는 보상량을 상기 연산 토크 콘트롤러에 의해 산출된 토크 전류 지령값에 가산하여 해당 토크 전류 지령값을 보정하는 축토크 검출 보상부를 더 구비하며,
상기 축토크 검출 보상부의 필터 전달 함수는, 상기 부하 기기 및 상기 다이나모미터로 이루어지는 기계계의 공진 주파수 및 그 근방만을 통과 대역으로 하여 설정되는 것을 특징으로 하는 다이나모미터 시스템.
제 5 항에 있어서,
상기 축토크 검출 보상부의 필터 전달 함수는 그 대역폭 내에 상기 기계계의 공진 주파수가 포함되도록 설정된 대역통과 필터인 것을 특징으로 하는 다이나모미터 시스템.
제 5 항에 있어서,
상기 축토크 검출 보상부의 필터 전달 함수는, 상기 공진 주파수보다 높은 컷오프 주파수를 갖는 저역통과 필터와 상기 공진 주파수보다 낮은 컷오프 주파수를 갖는 고역통과 필터를 직렬로 결합하여 구성되는 것을 특징으로 하는 다이나모미터 시스템.
제 6 항에 있어서,
상기 축토크 검출 보상부는,
상기 기계계의 복수의 공진 주파수에 대해, 해당 공진 주파수 마다 설정된 필터 전달 함수 및 그 억제 게인을 복수로 병렬 접속하여 구성되는 것을 특징으로 하는 다이나모미터 시스템.
제 7 항에 있어서,
상기 축토크 검출 보상부는,
상기 기계계의 복수의 공진 주파수에 대해, 해당 공진 주파수 마다 설정된 필터 전달 함수 및 그 억제 게인을 복수로 병렬 접속하여 구성되는 것을 특징으로 하는 다이나모미터 시스템.