KR101548293B1 - 구동 트레인 시험 시스템 - Google Patents

Abstract

엔진을 본뜬 모터를 대경화하지 않고도 큰 구동 토크를 발생시킬 수 있는 구동 트레인의 시험 시스템을 제공한다.
구동 트레인의 시험 시스템(1)은, 가진 주파수의 교류성분을 포함하는 토크 지령에 따라 발생시킨 구동 토크를, 구동 트레인의 일부를 구성하는 워크(W)의 입력축(S1)에 입력함으로써 이 워크(W)의 성능을 평가한다.
이 시스템(1)은 제1 모터(2a)와, 그 구동축의 일단 측에서 제1 모터(2a)의 구동축에 연결되고, 타단 측에서 워크(W)의 입력축(S1)에 연결된 제2 모터(2b)와, 워크-제2 모터 사이의 축에 작용하는 토크를 검출하는 토크미터(6)와, 토크미터(6)의 검출치에 따라 비틀림 공진이 억제되도록, 토크 지령을 제1 모터(2a)에 대한 제1 토크 지령 및 제2 모터(2b)에 대한 제2 토크 지령으로 분담하는 공진억제회로(5)를 포함한다.

Description

구동 트레인 시험 시스템{DRIVE-TRAIN TESTING SYSTEM}

본 발명은 구동 트레인의 시험 시스템에 관한 것이다.

구동 트레인(drive-train)은 엔진에서 발생한 에너지를 구동 바퀴에 전달하기 위한 복수의 장치의 총칭을 말하며, 엔진, 클러치, 변속기(transmission), 구동축(drive shaft), 프로펠러축(propeller shaft), 차동기어(differential gear) 및 구동바퀴 등으로 구성된다. 구동 트레인의 성능 평가 시험에서는, 실제 엔진에서 변속기를 계속 구동함으로써 그 내구성이나 품질 등이 평가된다. 최근에는 이와 같은 구동 트레인의 시험을 수행하는 시스템으로서, 워크(work)에 입력하는 구동 토크를 실제 엔진 대신 모터에서 발생시키는 것이 제안되고 있다.

도 7은 구동 트레인의 시험 시스템(101)의 구성을 모식적으로 나타낸 도면이다. 도 7에서는 FR 구동 방식의 구동 트레인을 공시체(供試體)로 한 예에 대해 설명한다.

구동 트레인의 일부를 구성하는 워크(102)의 입력축에는 엔진을 본뜬 모터(103)의 구동축이 연결되고, 워크(102)의 출력축인 프로펠러축(104)에는 워크(102)의 변속 출력을 흡수하기 위하여 부하에 해당하는 동력계(105)가 연결된다. 시험 시스템(101)에는 워크(102)의 입력축에 작용하는 축 토크를 검출하는 토크미터(torquemeter)(106)와, 워크(102)의 출력축에 작용하는 축 토크를 검출하는 토크미터(107)가 설치되어 있어, 이러한 미터(106, 107)의 검출치에 따라 모터(103)에서 발생시키는 구동 토크 및 동력계(105)에서 발생시키는 흡수 토크가 제어된다.

또한, 실제 엔진에서는 각 기통의 연소 공정에 기인하여 주기적인 토크 변동이 발생하는 결과, 도 7에 나타낸 바와 같은 모터를 이용한 시험 시스템(101)에서도 일정한 구동 토크를 발생시키기 위하여 직류 성분에 정현파에 의한 교류 성분을 합산함으로써, 모터에서 발생하는 구동 토크를 의사적(擬似的)으로 변동시켜 시험의 재현성을 향상시키는 것이 제안된다(예를 들면, 특허문헌 1 참조).

일본 특개2002-71520호공보

그런데 최근에는 보다 다양한 차종에 대응 또는 시험의 재현성 향상을 위하여, 이상과 같은 시험 시스템에 대해 더욱 큰 구동 토크를 발생시키는 것이 바람직하다. 이와 같은 요구에 대해 모터를 보다 큰 직경의 것으로 변경하는 것을 생각할 수 있지만, 이하에서 설명하는 바와 같이 시험 시스템의 레이아웃(layout) 제약으로 모터의 대경화(大徑化)는 곤란하다.

도 8은 상기 도 7의 시험 시스템(101)에서 공시체를 FF 구동 방식의 구동 트레인으로 변경한 것이다.

도 8에 나타낸 바와 같이, FF 구동 방식의 구동 트레인에서는 클러치, 차동기어 및 변속기 등으로 구성된 워크(108)에 대해, 출력축인 구동축(109)은 양측으로 연장되어 있기 때문에, 구동축(109) 또는 구동축(109)의 양단에 연결되는 동력계(110, 111) 및 토크미터(112, 113) 등을 설치할 위치를 확보하면 모터(103)의 대경화에는 한계가 있다.

본 발명은 이상과 같은 과제를 감안하여 이루어진 것으로, 엔진을 본뜬 모터를 대경화하지 않고도 큰 구동 토크를 발생시킬 수 있는 구동 트레인의 시험 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

(1) 상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 가진 주파수의 교류 성분을 포함하는 토크 지령에 따라 발생시킨 구동 토크를 구동 트레인의 일부를 구성하는 워크(예를 들어, 후술하는 워크(W))의 입력축(예를 들어, 후술하는 입력축(S1))에 입력함으로써, 해당 워크의 성능을 평가하는 구동 트레인의 시험 시스템(예를 들어, 후술하는 시험 시스템(1))을 제공한다. 이 시험 시스템은 제1 모터(예를 들어, 후술하는 제1 모터(2a))와, 그 구동축의 일단 측에서 상기 제1 모터의 구동축으로 연결되고, 타단 측에서 상기 워크의 입력축으로 연결된 제2 모터(예를 들어, 후술하는 제2 모터(2b))와, 상기 워크 및 상기 제2 모터 사이의 축에 작용하는 토크를 검출하는 축 토크 검출 수단(예를 들어, 후술하는 토크미터(6))과, 상기 축 토크 검출 수단의 검출치에 따라 상기 제1 모터, 상기 제2 모터, 및 상기 워크를 연결하는 축의 비틀림 공진이 억제되도록, 상기 토크 지령을 상기 제1 모터에 대한 제1 토크 지령 및 상기 제2 모터에 대한 제2 토크 지령으로 분담하는 공진억제회로(예를 들어, 후술하는 공진억제회로(5))를 포함하는 것을 특징으로 한다.

(1)의 발명에서는, 제1 모터와 제2 모터, 2개의 모터의 구동축을 연결한다. 즉, 워크의 입력축에 입력하는 구동 토크를 발생하는 모터를, 2개의 모터를 직렬로 연결한 이른바 탠덤(tandem) 구성에 의해, 개별 모터를 대경화하지 않고도 큰 구동 토크를 발생시킬 수 있다. 따라서 보다 다양한 차종에 대하여 시험을 수행할 수 있으며, 시험의 재현성도 향상시킬 수 있다.

그런데 도 7에 나타낸 종래의 시험 시스템(101)에서, 워크(102)를 단일의 관성모멘트로 특징을 둔 강체로 파악하면, 시험 시스템(101)의 제어 대상은 모터(103)의 관성모멘트 J_MOTOR[kgm²]와, 워크(102)의 관성모멘트 J_WORK[kgm²]와, 이러한 모터(103) 및 워크(102)를 연결하는 비틀림 탄성 축의 스프링 상수 K_tm[Nm/rad] 3개의 파라미터에 특징을 둔 2관성계로 간주할 수 있다(도 9 참조). 이 2관성계는 모터(103) 및 워크(102) 사이의 축의 비틀림 진동에서, 아래의 수학식 (1)로 나타나는 공진 주파수 f_r[Hz]이 존재하는 것은 주지의 사실이다.

이 수학식 1에서 나타낸 공진 주파수는 실제 엔진을 본뜬 모터에서 발생시키는 토크 변동의 주파수(가진 주파수) 대역보다 충분히 낮기 때문에, 종래 시험 시스템(101)에서는 가진 주파수로 토크를 변동시켰다 하더라도 이와 같은 비틀림 공진의 존재가 과제로서 표면화되는 것은 없었다.

그러나 본 발명과 같이, 제1 모터와 제2 모터를 탠덤 구성으로 하여 제어 대상이 종래의 2관성계로부터 3관성계로 됨으로써, 워크와 제2 모터 사이, 제1 모터와 제2 모터 사이의 축의 비틀림 진동에서의 공진 주파수가 상기 가진 주파수 대역 내 또는 그 근방에 존재하게 되어버리기 때문에, 공진 시의 기계계(機械系)의 보호라고 하는 새로운 과제가 발생한다. 이에 대해 (1)의 발명에서는, 모터를 탠덤 구성으로 하여 표면화되는 비틀림 공진의 과제를 고려해, 워크와 제2 모터 사이의 축 토크의 검출에 따라 비틀림 공진이 억제될 수 있도록, 가진 주파수의 교류 성분을 포함하는 토크 지령을 제1 모터에 대한 제1 토크 지령 및 제2 모터에 대한 제2 토크 지령으로 분담하는 공진억제회로를 마련하였다. 이렇게 하면 큰 구동 토크를 발생시키는 동시에 공진으로부터 기계계를 보호할 수 있게 된다.

(2) 이 경우, 상기 제1 모터의 관성모멘트(J1), 상기 제2 모터의 제2 관성모멘트(J2), 상기 워크의 관성모멘트(J3), 상기 제1 모터와 제2 모터를 연결하는 비틀림 축의 스프링 상수(K12), 및 상기 제2 모터와 상기 워크를 연결하는 비틀림 축의 스프링 상수(K23)에 특징을 둔 전달함수를 갖는 3관성계의 기계계 모델을 공칭 플랜트(예를 들어, 후술하는 공칭 플랜트(P))로 한 일반화 플랜트(예를 들어, 후술하는 일반화 플랜트(7, 7A))를 정의하고, 상기 공진억제회로는 상기 일반화 플랜트에 H∞제어 또는 μ설계법으로 불리는 제어계 설계 방법을 적용하여 설계되는 것이 바람직하다.

H∞제어 또는 μ설계법 등의 강건(robust) 제어 이론에 따른 컨트롤러의 설계 방법은, 설계용 모델로서 공칭 플랜트를 선정하고, 이 공칭 플랜트와 실제 제어 대상의 차이인 불확도의 범위를 견적하고, 이 범위 내의 변동을 포함할 것 같은 모델 집합에 대해, 강건 안정성이 보장되고 또한 원하는 제어 목적이 달성되도록 컨트롤러를 설계하는 방법이다. (2)의 발명은 상술한 바와 같은 비틀림 공진이 발생할 수 있는 3관성계의 기계 모델을 공칭 플랜트로 한 일반화 플랜트에 대해, H∞제어 또는 μ설계법을 적용하여 공진억제회로를 설계함으로써, 워크와 제2 모터 사이, 제1 모터와 제2 모터 사이의 비틀림 공진이 억제되도록 제1 모터와 제2 모터에 적절한 토크를 분담시킬 수 있다.

(3) 이 경우, 상기 공진억제회로에 의해 산출된 제1 토크 지령에 따른 전력을 상기 제1 모터에 공급하는 제1 인버터(예를 들어, 후술하는 제1 인버터(3a))와, 상기 공진억제회로에 의해 산출된 제2 토크 지령에 따른 전력을 상기 제2 모터에 공급하는 제2 인버터(예를 들어, 후술하는 제2 인버터(3b))를 더 포함하고, 상기 일반화 플랜트는 상기 제1 인버터의 제어오차(w1)와, 상기 제2 인버터의 제어오차(w2)와, 상기 축 토크 검출 수단의 검출오차(w5)를 외란(disturbance)으로 포함하고, 상기 일반화 플랜트는 가중된 토크 지령과 제1 토크 지령 및 제2 토크 지령의 총계와의 차이에 가중한 것(z1)과, 상기 축 토크 검출 수단의 특성을 갖는 전달함수(Gtm(s))의 출력에 가중한 것(z4)을 제어량으로 포함하는 것이 바람직하다.

(3)의 발명에 의하면, 일반화 플랜트에 있어서, 토크 지령과 제1 토크 지령 및 제2 토크 지령의 총계의 차이와, 축 토크 검출 수단의 특성을 갖는 전달함수의 출력을 제어량으로 하고, 제1 인버터의 제어오차, 제2 인버터의 제어오차, 및 축 토크 검출 수단의 검출오차를 외란으로 함으로써, 이러한 오차의 상기 제어량에 대한 영향을 억제할 수 있다. 즉, 실제 시스템에서 발생하는 상기 오차의 토크 분담이나 공진억제제어의 영향을 억제할 수 있다.

(4) 이 경우, 상기 일반화 플랜트는 상기 공칭 플랜트에서 출력된 상기 제1 모터 및 상기 제2 모터 사이의 축 토크(K12. T)에 가중한 것(z5)을 제어량으로 포함하는 것이 바람직하다.

(4)의 발명에 의하면, 일반화 플랜트에 있어서 제2 모터와 제1 모터 사이의 축 토크를 제어량으로 하고, 이를 명시적으로 평가할 수 있도록 함으로써, 보다 공진억제효과가 높은 공진억제회로를 설계할 수 있다.

(5) 이 경우, 상기 토크 지령을 상기 워크 및 상기 제2 모터 사이의 축 토크에 대한 축 토크 지령으로 정의하고, 상기 공진억제회로는 상기 축 토크 검출 수단의 검출치가 상기 축 토크 지령이 되도록 상기 제1 및 제2 토크 지령을 결정하는 것이 바람직하다.

(5)의 발명에서는, 축 토크 검출 수단의 검출치가 토크 지령이 되도록 제1 및 제2 토크 지령을 결정함으로써, (1)의 발명에서 설명된 공진억제효과를 수반한 축 토크 제어를 수행할 수 있다.

(6) 이 경우, 상기 제1 모터의 관성모멘트(J1), 상기 제2 모터의 관성모멘트(J2), 상기 워크의 관성모멘트(J3), 상기 제1 모터 및 상기 제2 모터를 연결하는 비틀림 축의 스프링 상수(K12), 상기 제2 모터 및 상기 워크를 연결하는 비틀림 축의 스프링 상수(K23)에 특징을 둔 전달함수를 갖는 3관성계의 기계계 모델을 공칭 플랜트(예를 들어, 후술하는 공칭 플랜트(P))로 한 일반화 플랜트(예를 들어, 후술하는 일반화 플랜트(7B, 7C))를 정의하고, 상기 공진억제회로는 상기 일반화 플랜트에 H∞제어 또는 μ설계법으로 불리는 제어계 설계 방법을 적용하여 설계되는 것이 바람직하다.

(6)의 발명에 의하면, 상기 (2)의 발명과 동등한 효과를 얻을 수 있다.

(7) 이 경우, 상기 시험 시스템은 상기 공진억제회로에 의해 산출된 제1 토크 지령에 따른 전력을 상기 제1 모터에 공급하는 제1 인버터(예를 들어, 후술하는 제1 인버터(3a))와, 상기 공진억제회로에 의해 산출된 제2 토크 지령에 따른 전력을 상기 제2 모터에 공급하는 제2 인버터(예를 들어, 후술하는 제2 인버터(3b))를 더 포함하고, 상기 일반화 플랜트(7B, 7C)는 상기 제1 인버터의 제어오차(w1)와, 상기 제2 인버터의 제어오차(w2)와, 상기 축 토크 지령과, 상기 축 토크 검출 수단의 검출오차(w5)를 외란으로 포함하고, 상기 일반화 플랜트는 가중된 축 토크 지령과 상기 축 토크 검출 수단의 특성을 갖는 전달함수의 출력에 가중한 것과의 편차(c_in1)를 컨트롤러(K')에 입력되는 관측량으로 포함하는 것이 바람직하다.

(7)의 발명에 의하면, 상기 (3)의 발명과 거의 동등한 효과 외에도, 축 토크 검출 수단의 출력치가 축 토크 지령이 되는 축 토크 제어가 가능한 컨트롤러를 구성할 수 있다.

(8) 이 경우, 상기 일반화 플랜트(7B, 7C)는, 상기 공칭 플랜트에서 출력된 상기 제1 모터 및 제2 모터 사이의 축 토크(K12. T)에 가중한 것(z5)을 제어량으로 포함하는 것이 바람직하다.

(8)의 발명에 의하면, 상기 (4)의 발명과 동등한 효과를 얻을 수 있다.

본 발명의 구동 트레인의 시험 시스템에 의하면, 2개의 모터를 탠덤 구성으로 하여 레이아웃 상의 제약을 받지 않고 큰 구동 토크를 발생시킬 수 있다. 또한, 이러한 2개의 모터에 대해서는 탠덤 구성으로 하여 표면화되는 비틀림 공진을 억제하도록 토크 지령을 분담함으로써 공진으로부터 기계계를 보호하는 것이 가능해진다.

도 1은 본 발명의 제1 실시형태에 따른 구동 트레인의 시험 시스템의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 2는 실시예 1의 일반화 플랜트의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 3은 상기 실시예의 공칭 플랜트의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 4는 실시예 2의 일반화 플랜트의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 5는 토크 지령과 워크-제2 모터 사이의 축 토크에 대한 주파수 응답(실시예 2)을 나타내는 보드 선도이다.
도 6은 토크 지령과 제1 모터-제2모터 사이의 축 토크에 대한 주파수 응답(실시예 2)을 나타내는 보드 선도이다.
도 7은 FR 구동 방식의 구동 트레인의 종래의 시험 시스템의 구성을 나타내는 도면이다.
도 8은 FF 구동 방식의 구동 트레인의 종래의 시험 시스템의 구성을 나타내는 도면이다.
도 9는 2관성계의 기계계 모델의 구성을 나타내는 도면이다.
도 10은 실시예 3의 일반화 플랜트의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 11은 실시예 4의 일반화 플랜트의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 12는 축 토크 지령과 워크-제2 모터 사이의 축 토크에 대한 주파수 응답(실시예 2)을 나타내는 보드 선도이다.
도 13은 축 토크 지령과 제1 모터-제2 모터 사이의 축 토크에 대한 주파수 응답(실시예 2)을 나타내는 보드 선도이다.

<제1 실시형태>

이하, 본 발명의 제1 실시형태에 따른 구동 트레인의 시험 시스템에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 실시형태에 따른 구동 트레인의 시험 시스템(1)의 구성을 나타내는 블록도이다. 또한 도 1에는 상기 도 8을 참조하여 설명한 FF 구동 방식의 구동 트레인을 시공체로 하여 시험 시스템(1)을 적용한 예를 나타내지만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니다.

시험 시스템(1)은 직렬로 접속된 제1 모터(2a) 및 제2 모터(2b)와, 이러한 모터(2a, 2b)에 대해 전력을 공급하는 제1 인버터(3a) 및 제2 인버터(3b)와, 단일의 토크 지령을 각 모터(2a, 2b)에 대한 토크 지령으로 분담하는 공진억제회로(5)와 토크미터(6)를 포함한다.

제1 모터(2a) 및 제2 모터(2b)는 각각의 구동축을 서로 같은 축으로 연결하여, 워크(W)의 출력축인 구동축(S2)의 근방에 평행하게 설치된다. 제1 모터(2a)의 구동축은 제2 모터(2b)의 구동축의 반대 워크 측에 같은 축으로 연결되어 있으며, 제2 모터(2b)의 구동축의 워크 측은 워크(W)의 입력축(S1)에 같은 축으로 연결되어 있다. 즉, 워크(W)의 입력축(S1)에는 이러한 2개의 모터(2a, 2b)에서 발생한 토크를 합산한 구동 토크가 입력된다. 또한, 워크(W)의 구동축(S2) 양단에는, 도 8을 참조하여 설명한 종래의 시험 시스템과 마찬가지로 변속 출력을 흡수하기 위하여 흡수 토크를 발생하는 동력계(미도시)가 각각 접속된다.

제1 인버터(3a)는 공진억제회로(5)로부터 입력된 후술하는 제1 토크 지령에 따른 모터 토크를 제1 모터(2a)에서 발생시키기 위해, 도시하지 않은 전원으로부터 공급된 전력을 제1 모터(2a)에 공급한다. 제2 인버터(3b)는 공진억제회로(5)로부터 입력된 후술하는 제2 토크 지령에 따른 모터 토크를 제2 모터(2b)에서 발생시키기 위해, 도시하지 않은 전원으로부터 공급된 전력을 제2 모터(2b)에 공급한다.

토크미터(6)는 워크(W)의 입력축(S1), 즉 워크(W) 및 제1 모터(2a) 사이의 축에 작용하는 토크를, 예를 들어 축의 비틀림 방향의 왜곡량으로부터 검출하고, 검출치에 대략 비례하는 신호를 공진억제회로(5)에 송신한다.

공진억제회로(5)는 토크미터(6)의 검출치를 피드백으로 하여, 제1 모터(2a), 제2 모터(2b), 및 워크(W)를 연결하는 축에서 발생할 수 있는 비틀림 공진이 억제되도록, 도시하지 않은 연산 장치에 의해 산출된 토크 지령을 제1 토크 지령과 제2 토크 지령으로 분담한다. 이 토크 지령은 탠덤 구성으로 된 2개의 모터(2a, 2b)에서 발생시키는 구동 토크에 대한 지령에 상응하여, 베이스 토크에 상응하는 직류 성분에 엔진의 토크 맥동을 본뜬 소정의 가진 주파수의 교류 성분을 중첩하여 구성된다.

이 공진억제회로(5)로는, 토크 분담의 연산이나 비틀림 공진의 억제 등 상기 제어 목적이 달성되도록 H∞제어 또는 μ설계법으로 불리는 제어계 설계 방법을 이용하여 설계된 컨트롤러를 전자 계산기에 실장하여 구성된 것이 바람직하게 사용된다. 그 구체적인 예에 대해서는 후술하는 실시예 1, 2에서 설명한다.

이상과 같은 구성에 의해, 시험 시스템(1)에서는 엔진의 토크 맥동을 본뜬 변동을 포함하는 구동 토크가 탠덤 구성으로 한 모터(2a, 2b)에서 발생하고, 이 구동 토크를 워크(W)의 입력축(S1)에 입력함으로써, 이 워크(W)의 내구성능이나 품질 등이 평가된다.

[실시예 1]

다음으로, 상기 실시형태의 실시예 1에 대하여 설명한다. 상기 실시형태에서 설명했듯이 2개의 모터에 대한 토크 분담의 역할을 맡은 공진억제회로(5)는 H∞제어 또는 μ설계법 등의 제어계 설계 방법을 이용하여 설계된 컨트롤러가 바람직하게 사용된다. 이러한 강건 제어 이론에 따른 컨트롤러의 설계는 공칭 플랜트의 선정과, 각종 주파수 가중함수의 설정과, 일반화 플랜트의 설정과, 설정한 일반화 플랜트에 따른 컨트롤러의 계산의 4가지 주요 단계로 구성된다. 이러한 4가지 단계에서 특히 가중함수 및 일반화 플랜트의 설정은 컨트롤러에 제어 사양을 반영하기 위하여 가장 중요한 단계이다.

도 2는 본 실시예의 일반화 플랜트(7)의 구성을 나타내는 블록도이다.

도 2에서 5개의 입력 신호 w1, w2, w3, w4, w5는 각각 일반화 플랜트(7)의 외란을 나타내며, 4개의 출력 신호 z1, z2, z3, z4는 각각 일반화 플랜트(7)의 제어량을 나타낸다. 또한, 2개의 출력 신호 c_out1, c_out2는 각각 컨트롤러(K)로부터 공칭 플랜트(P)에 입력되는 제어입력에 해당하고, 2개의 입력 신호 c_in1, c_in2는 각각 컨트롤러(K)에 입력되는 관측량에 해당한다.

5개의 외란 w1, …, w5는 상기 실시형태로 설명한 실제 시스템(1)에 있어서 큰 영향을 미칠 것으로 보이는 파라미터와, 목표 추종 특성을 갖게 하는 파라미터를 상정하고, 구체적으로는 다음과 같이 정의된다.

w1은 제1 인버터에 의한 제1 모터의 모터 토크의 제어오차로 한다. 즉, w1은 가중함수 Gw1(s)에서 가중된 후, 제1 인버터의 응답 특성을 나타내는 전달함수 Ginv1(s)의 출력과 합산되어 제1 모터의 토크 J1. T로서 공칭 플랜트(P)에 입력된다.

w2는 제2 인버터에 의한 제2 모터의 모터 토크 제어오차로 한다. 즉, w2는 가중함수 Gw2(s)에서 가중된 후, 제2 인버터의 응답 특성을 나타내는 전달함수 Ginv2(s)의 출력과 합산되어 제2 모터의 토크 J2. T로서 공칭 플랜트(P)에 입력된다.

w3은 토크 지령으로 한다. 즉, w3은 가중함수 Gw3(s)에서 가중된 후, 관측량 c_in1로서 컨트롤러(K)에 입력된다.

w4는 그 출력축을 통해 워크에 입력되는 토크로 한다. 즉, w4는 가중함수 Gw4(s)에서 가중된 후, 워크의 토크 J3. T로서 공칭 플랜트(P)에 입력된다.

w5는 토크미터의 검출오차로 한다. 즉, w5는 가중함수 Gw5(s)에서 가중된 후, 토크미터의 응답 특성을 나타내는 전달함수 Gtm(s)으로부터의 출력과 합산되어 관측량 c_in2로서 컨트롤러(K)에 입력된다.

컨트롤러(K)는 토크 지령으로서 입력된 관측량 c_in1과, 토크미터의 검출치로서 입력된 관측량 c_in2에 따라 제어입력 c_out1, c_out2를 출력한다.

제어입력 c_out1은 제1 토크 지령으로서 제1 인버터의 특성을 갖는 전달함수 Ginv1(s)를 가한 후, 상술한 바와 같이 가중된 외란 w1과 합산하여, 제1 모터의 토크 JT. 1로서 공칭 플랜트(P)에 입력된다.

제어입력 c_out2는 제2 토크 지령으로서 제2 인버터의 특성을 갖는 전달함수 Ginv2(s)를 가한 후, 상술한 바와 같이 가중된 외란 w2와 합산하여, 제2 모터의 토크 JT. 2로서 공칭 플랜트(P)에 입력된다.

공칭 플랜트(P)는 제1 모터의 토크 JT. 1, 제2 모터의 토크 JT. 2, 및 워크의 토크 JT. 3이 입력되면, 제1 모터의 각속도 J1. w, 제2 모터의 각속도 J2. w, 워크의 각속도 J3. w, 제1 모터-제2 모터 사이의 축의 비틀림 토크 K12. T, 및 제2 모터-워크 사이의 축의 비틀림 토크 K23. T를 출력한다. 또한, 본 실시예의 일반화 플랜트(7)에서는 공칭 플랜트(P)의 출력 중에 제2 모터-워크 사이의 축의 비틀림 토크 K23. T만 사용하지만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니다.

도 3은 공칭 플랜트(P)의 구성을 나타내는 블록도이다.

공칭 플랜트(P)는 제 1 모터의 관성모멘트 J1[kgm²], 제2 모터의 관성모멘트 J2[kgm²], 워크의 관성모멘트 J3[kgm²], 제1 모터와 제2 모터를 연결하는 비틀림 축의 스프링 상수K12[Nm/rad], 및 제2 모터와 워크를 연결하는 비틀림 축의 스프링 상수 K23[Nm/rad]에 특징을 둔 전달함수 "1/J1·s ","1/J2·s ","1/J3·s ","K12/s"및"K23/s"를 조합하여 도 3에 나타낸 바와 같이 3관성계의 기계계 모델로 표현된다.

도 2로 돌아가, 4개의 제어량 z1, …, z4는 비틀림 공진이 억제되도록 제1 모터와 제2 모터에 적절한 토크를 분담한다는 제어 목적을 상정하여, 구체적으로는 다음과 같이 정의된다.

z1은 가중된 토크 지령과, 제1 토크 지령 및 제2 토크 지령의 총계의 차이에 가중한 것으로 정의된다. 보다 구체적으로는, 컨트롤러(K)의 관측량 c_in1에서 컨트롤러(K)의 2개의 제어입력 c_out1 및 c_out2를 뺀 것에 가중함수 Gz1(s)로 가중한 것을 제어량 z1로 한다.

z2는 가중된 제1 토크 지령으로 정의된다. 보다 구체적으로는, 컨트롤러(K)의 제어입력 c_out1에 가중함수 Gz2(s)로 가중한 것을 제어량 z2로 한다.

z3은 가중된 제2 토크 지령으로 정의된다. 보다 구체적으로는, 컨트롤러(K)의 제어입력 c_out2에 가중함수 Gz3(s)로 가중한 것을 제어량 z3으로 한다.

z4는 가중된 전달함수 Gtm(s)의 출력으로 정의된다. 보다 구체적으로는, 공칭 플랜트(P)에서 출력된 토크 K23. T에 토크미터의 응답 특성을 나타내는 전달함수 Gtm(s)를 곱한 값에 가중함수 Gz4(s)로 가중한 것을 제어량 z4로 한다.

이상과 같은 일반화 플랜트(7)에서 가중함수 Gw1(s), …, Gw5(s) 및 Gz1(s), …, Gz4(s)는 다음과 같이 결정된다.

제1 인버터의 제어오차 w1에 대한 가중함수 Gw1(s)는 예를 들어, 소정의 상수로 설정된다.

제2 인버터의 제어오차 w2에 대한 가중함수 Gw2(s)는 예를 들어, 소정의 상수로 설정된다.

토크 지령 w3에 대한 가중함수 Gw3(s)는 예를 들어, 소정의 상수로 설정된다.

워크 토크 w4에 대한 가중함수 Gw4(s)는 예를 들어, 소정의 상수로 설정된다.

토크미터의 검출오차 w5에 대한 가중함수 Gw5(s)는 예를 들어, 소정의 상수로 설정된다.

토크 지령과 분담 토크 총계의 차이 z1에 대한 가중함수 Gz1(s)는 예를 들어, 소정의 상수 또는 저역 게인(gain)이 높아지도록 설정된다.

제1 토크 지령 z2에 대한 가중함수 Gz2(s)는 예를 들어, 소정의 상수 또는 고역 게인이 높아지도록 설정된다.

제2 토크 지령 z3에 대한 가중함수 Gz3(s)은 예를 들어, 소정의 상수 또는 고역 게인이 높아지도록 설정된다.

토크미터의 검출치 z4에 대한 가중함수 Gz4(s)는 예를 들어, 소정의 상수로 설정된다.

또한, 각 가중함수의 구체적인 값은 원하는 제어 목적이 달성되도록 조정된다. 또한, 제1 인버터의 전달함수 Ginv1(s), 제2 인버터의 전달함수 Ginv2(s), 및 토크미터의 전달함수 Gtm(s)에는 시스템 동정(同定)에 의해 정해진 것이 사용된다.

이상과 같이 구성된 일반화 플랜트(7)에 따라 컨트롤러(K)의 상태 방정식을 특징짓는 복수의 파라미터는 Riccati 방정식에 따른 방법, LMI(선형 행렬 부등식)에 따른 수법, D-K 이터레이션(iteration)에 따른 수법 등 종래 주지의 수법을 적용함으로써 산출된다.

[실시예 2]

다음으로, 상기 실시형태의 실시예 2에 대해 설명한다.

도 4는 본 실시예의 일반화 플랜트(7A)의 구성을 나타내는 블록도이다. 본 실시예의 일반화 플랜트는 공칭 플랜트(P)에서 출력된 제2 모터-제1 모터 사이의 축 토크치 K12. T에 전달함수 Gz5(s)로 가중한 것을 제어량 z5로 더 포함한다는 점에서 실시예 1의 일반화 플랜트(7)와 다르다.

다음으로, 본 실시예의 일반화 플랜트에 따라 설계된 공진억제회로의 효과에 대해 설명한다.

도 5는 토크 지령과 워크-제2 모터 사이의 축 토크에 대한 주파수 응답을 나타내는 보드 선도이다.

도 6은 토크 지령과 제1 모터-제2 모터 사이의 축 토크에 대한 주파수 응답을 나타내는 보드 선도이다. 이 도 5, 6에서 굵은 선은 공진억제제어가 있는 시험 시스템의 예이고, 보다 구체적으로는 본 실시예의 일반화 플랜트에 따라 설계된 컨트롤러를 공진억제회로에 적용한 시험 시스템의 예를 나타낸다. 가는 선은 공진억제제어가 없는 시험 시스템의 예이고, 보다 구체적으로는 일정 비율로 제1 모터와 제2 모터에 토크를 분담한 시험 시스템의 예를 나타낸다.

도 5에 나타낸 바와 같이, 공진억제제어가 없는 시스템에서는 150~200[Hz] 사이에서 워크-제2 모터 사이의 축 토크에 비틀림 공진이 발생하는 곳이며, 본 발명의 시스템에 의하면 이와 같은 공진은 억제될 수 있다는 것이 검증된다. 또한, 도 6에 나타낸 바와 같이, 공진억제제어가 없는 시스템에서는 150~250[Hz] 사이에 공진 및 반공진이 발생하는 곳이며, 본 발명의 시스템에 의하면 이와 같은 공진 및 반공진은 모두 억제될 수 있다는 것이 검증된다.

본 실시예에 의하면, 워크-제2 모터 사이의 축 토크 외에도, 제2 모터-제1 모터 사이의 축 토크를 제어량으로서 명시적으로 평가할 수 있도록 일반적 플랜트(7A)를 구성함으로써, 실시예 1과 비교하여 제2 모터-제1 모터 사이의 공진 특성을 가미한 공진억제회로를 설계할 수 있다.

또한 도 5, 6은 실시예 2에 의한 공진억제효과를 나타내는 것이지만, 이것은 실시예 1에 공진억제효과가 없는 것을 나타내는 것은 아니고, 실시예 1도 도 5, 6과 동질의 공진억제효과를 나타낸다. 특히, 비틀림 진동은 축의 길이 방향으로 전파하기 위하여 실시예 2의 일반화 플랜트와 같이 제2 모터-제1 모터 사이의 축 토크를 제어량으로서 평가하지 않아도, 즉 상기 실시예 1에서도, 도 6에 나타낸 바와 같은 제2 모터-제1 모터 사이의 비틀림 진동을 억제하는 효과를 나타낸다.

<제2 실시형태>

이하, 본 발명의 제2 실시형태에 따른 구동 트레인의 시험 시스템에 대하여 도면을 참조하면서 상세히 설명한다. 또한, 이하의 설명에서 상기 제1 실시형태와 동일한 구성에 대해서는 설명을 생략한다.

본 실시형태의 시험 시스템은 공진억제회로의 구성이 상술한 제1 실시형태의 공진억제회로(5)(도 1 참조)와 다르다. 보다 구체적으로는, 토크 지령을 워크(W) 및 제2 모터(2b) 사이의 축 토크에 대한 축 토크 지령으로 정의하고, 본 실시형태의 공진억제회로는 상술한 공진억제기능 이외에 토크미터(6)의 검출치가 축 토크 지령이 되도록 제1 토크 지령 및 제2 토크 지령을 결정하는 축 토크 제어 기능을 더 포함한다. 이하, 이와 같은 축 토크 제어 기능을 더 포함한 컨트롤러의 구체적인 예를 실시예 3, 4로서 설명한다.

[실시예 3]

도 10은 본 실시예의 일반화 플랜트(7B)의 구성을 나타내는 블록도이다.

도 10에서 5개의 입력 신호 w1, w2, w3, w4, w5는 각각 일반화 플랜트(7B)의 외란을 나타내며, 3개의 출력 신호 z1, z2, z3는 각각 일반화 플랜트(7)의 제어량을 나타낸다. 또한, 2개의 출력 신호 c_out1, c_out2는 각각 컨트롤러(K)에서 공칭 플랜트(P)에 입력되는 제어 입력에 해당하고, 2개의 입력 신호 c_in1, c_in2는 각각 컨트롤러(K')에 입력되는 관측량에 해당한다.

w1은 제1 인버터에 의한 제1 모터의 모터 토크의 제어오차로 한다. 즉, w1은 가중함수 Gw1(s)에서 가중된 후, 제1 인버터의 응답 특성을 나타내는 전달함수 Ginv1(s)의 출력과 합산되어, 제1 모터의 토크 J1. T로서 공칭 플랜트(P)에 입력된다.

w2는 제2 인버터에 의한 제2 모터의 모터 토크의 제어오차로 한다. 즉, w2는 가중함수 Gw2(s)에서 가중된 후, 제2 인버터의 응답 특성을 나타내는 전달함수 Ginv2(s)의 출력과 합산되어, 제2 모터의 토크 J2. T로서 공칭 플랜트(P)에 입력된다.

w3은 축 토크 지령으로 한다. w3은 가중함수 Gw3(s)에서 가중된다.

w4는 워크의 발생 토크로 한다. 즉, w4는 가중함수 Gw4(s)에서 가중된 후, 워크의 토크 J3. T로서 공칭 플랜트(P)에 입력된다.

w5는 토크미터의 검출오차로 한다. w5는 가중함수 Gw5(s)에서 가중된다.

컨트롤러(K')는 관측량 c_in1, c_in2에 따라 제어 입력 c_out1, c_out2를 출력한다.

관측량 c_in2는 검출오차를 포함하는 토크미터의 출력이고, 보다 구체적으로는 토크미터의 응답 특성을 나타내는 전달함수 Gtm(s)로부터의 출력에 Gw5(s)로 가중된 토크미터의 검출오차 w5를 더한 것으로 한다.

또한, 컨트롤러(K')에 축 토크 제어 기능을 부여하기 위하여, 관측량 c_in1은 Gw3(s)로 가중된 축 토크 지령과 상기 관측량 c_in2의 편차로 한다.

제어 입력 c_out1은 제1 토크 지령으로서 제1 인버터의 특성을 갖는 전달함수 Ginv1(s)를 가한 후, 상술한 바와 같이 가중된 외란 w1과 합산하여 제1 모터의 토크 JT. 1로서 공칭 플랜트(P)에 입력된다.

제어 입력 c_out2는 제2 토크 지령으로서 제2 인버터의 특성을 갖는 전달함수 Ginv2(s)를 가한 후, 상술한 바와 같이 가중된 외란 w2와 합산하여 제2 모터의 토크 JT. 2로서 공칭 플랜트(P)에 입력된다.

3개의 제어량 z1, …, z3는 비틀림 공진이 억제되도록 제1 모터와 제2 모터에 적절한 토크를 분담한다는 제어 목적을 상정하여 구체적으로는 다음과 같이 정의된다.

z1은 가중된 제1 토크 지령으로 정의된다. 보다 구체적으로는, 컨트롤러(K)의 제어 입력 c_out1에 가중함수 Gz1(s)로서 가중한 것을 제어량 z1로 한다.

z2은 가중된 제2 토크 지령으로 정의된다. 보다 구체적으로는, 컨트롤러(K)의 제어 입력 c_out2에 가중함수 Gz2(s)로서 가중한 것을 제어량 z2로 한다.

z3은 가중된 전달함수 Gtm(s)의 출력으로 정의된다. 보다 구체적으로는, 공칭 플랜트(P)에서 출력된 토크 K23. T에 토크미터의 응답 특성을 나타내는 전달함수 Gtm(s)를 곱한 값에, 가중함수 Gz3(s)로서 가중한 것을 제어량 z3으로 한다.

이상과 같은 일반화 플랜트(7B)에서 가중함수 Gw1(s), …, Gw5(s) 및 Gz1(s), …, Gz3(s)는 다음과 같이 결정된다.

제1 인버터의 제어오차 w1에 대한 가중함수 Gw1(s)는 예를 들어, 소정의 상수로 설정된다.

제2 인버터의 제어오차 w2에 대한 가중함수 Gw2(s)는 예를 들어, 소정의 상수로 설정된다.

축 토크 지령 w3에 대한 가중함수 Gw3(s)는 예를 들어, 소정의 상수로 설정된다.

축 토크 w4에 대한 가중함수 Gw4(s)는 예를 들어, 소정의 상수로 설정된다.

토크미터의 검출오차 w5에 대한 가중함수 Gw5(s)는 예를 들어, 소정의 상수로 설정된다.

제1 토크 지령 z1에 대한 가중함수 Gz1(s)는 예를 들어, 소정의 상수 또는 고역 게인이 높아지도록 설정된다.

제2 토크 지령 z2에 대한 가중함수 Gz2(s)는 예를 들어, 소정의 상수 또는 고역 게인이 높아지도록 설정된다.

토크미터의 검출치 z3에 대한 가중함수 Gz3(s)는 예를 들어, 소정의 상수로 설정된다.

[실시예 4]

다음으로, 상기 실시형태의 실시예 4에 대해 설명한다.

도 11은 본 실시예의 일반화 플랜트(7C)의 구성을 나타내는 블록도이다. 본 실시예의 일반화 플랜트는 공칭 플랜트(P)에서 출력된 제2 모터-제1 모터 사이의 축 토크치 K12. T에 전달함수 Gz4(s)로 가중한 것을 제어량 z4로서 더 포함하는 점에서 실시예 3의 일반화 플랜트(7B)와 다르다.

다음으로, 본 실시예의 일반화 플랜트를 따라 설계된 공진억제회로의 효과에 대해 설명한다.

도 12는 축 토크 지령과 워크-제2 모터 사이의 축 토크에 대한 주파수 응답을 나타내는 보드 선도이다. 도 13은 축 토크 지령과 제1 모터-제2 모터 사이의 축 토크에 대한 주파수 응답을 나타내는 보드 선도이다. 이 도 12, 13에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 시스템에 의하면, 약 200[Hz] 근방에 존재하고 있던 공진은 억제되는 것으로 검증된다.

또한, 본 실시예에 의하면 워크-제2 모터 사이의 축 토크 외에도, 제2 모터-제1 모터 사이의 축 토크를 제어량으로서 명시적으로 평가할 수 있도록 일반화 플랜트(7C)를 구성함으로써, 실시예 3과 비교하여 제2 모터-제1 모터 사이의 공진 특성을 가미한 공진억제회로를 설계할 수 있다. 또한 도 12, 13은 실시예 4에 의한 공진억제효과를 나타내는 것이지만, 이것은 실시예 3에 공진제어효과가 없는 것을 나타내는 것이 아니다. 실시예 2에서 설명한 것과 같은 이유로, 실시예 3도 도 12, 13과 동질의 공진억제효과를 나타낸다.

1: 구동 트레인의 시험 시스템
2a, 2b: 제1 모터, 제2 모터
3a, 3b: 제1 인버터, 제2 인버터
5: 공진억제회로
6: 토크미터
W: 워크
S1: 입력축
S2: 구동축
7, 7A, 7B, 7C: 일반화 플랜트
P: 공칭 플랜트
K, K': 컨트롤러

Claims (8)

1. 가진 주파수의 교류성분을 포함하는 토크 지령에 따라 발생시킨 구동 토크를 구동 트레인의 일부를 구성하는 워크의 입력축에 입력함으로써, 해당 워크의 성능을 평가하는 구동 트레인의 시험 시스템에 있어서,
   제1 모터와,
   그 구동축의 일단 측에서 상기 제1 모터의 구동축에 연결되고, 타단 측에서 상기 워크의 입력축으로 연결된 제2 모터와,
   상기 워크 및 상기 제2 모터 사이의 축에 작용하는 토크를 검출하는 축 토크 검출 수단과,
   상기 축 토크 검출 수단의 검출치에 따라 상기 제1 모터, 상기 제2 모터, 및 상기 워크를 연결하는 축의 비틀림 공진이 억제되도록, 상기 토크 지령을 상기 제1 모터에 대한 제1 토크 지령 및 상기 제2 모터에 대한 제2 토크 지령으로 분담하는 공진억제회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 구동 트레인의 시험 시스템.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 제1 모터의 관성모멘트, 상기 제2 모터의 관성모멘트, 상기 워크의 관성모멘트, 상기 제1 모터와 제2 모터를 연결하는 비틀림 축의 스프링 상수, 및 상기 제2 모터와 상기 워크를 연결하는 비틀림 축의 스프링 상수에 특징을 둔 전달함수를 갖는 3관성계의 기계계 모델을 공칭 플랜트로 한 일반화 플랜트를 정의하고,
   상기 공진억제회로는, 상기 일반화 플랜트에 H∞제어 또는 μ설계법으로 불리는 제어계 설계 방법을 적용하여 설계되는 것을 특징으로 하는 구동 트레인의 시험 시스템.
   
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 공진억제회로에 의해 산출된 제1 토크 지령에 따른 전력을 상기 제1 모터에 공급하는 제1 인버터와,
   상기 공진억제회로에 의해 산출된 제2 토크 지령에 따른 전력을 상기 제2 모터에 공급하는 제2 인버터를 더 포함하고,
   상기 일반화 플랜트는, 상기 제1 인버터의 제어오차와, 상기 제2 인버터의 제어오차와, 상기 축 토크 검출 수단의 검출오차를 외란으로 포함하고,
   상기 일반화 플랜트는, 가중된 토크 지령과 제1 토크 지령 및 제2 토크 지령의 총계와의 차이에 가중한 것과, 상기 축 토크 검출 수단의 특성을 갖는 전달함수의 출력에 가중한 것을 제어량으로 포함하는 것을 특징으로 하는 구동 트레인의 시험 시스템.
   
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 일반화 플랜트는, 상기 공칭 플랜트에서 출력된 상기 제1 모터와 제2 모터 사이의 축 토크에 가중한 것을 제어량으로 포함하는 것을 특징으로 하는 구동 트레인의 시험 시스템.
   
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 토크 지령을 상기 워크 및 상기 제2 모터 사이의 축 토크에 대한 축 토크 지령으로 정의하고,
   상기 공진억제회로는, 상기 축 토크 검출 수단의 검출치가 상기 축 토크 지령이 되도록 상기 제1 및 제2 토크 지령을 결정하는 것을 특징으로 하는 구동 트레인의 시험 시스템.
   
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 제1 모터의 관성모멘트, 상기 제2 모터의 관성모멘트, 상기 워크의 관성모멘트, 상기 제1 모터와 상기 제2 모터를 연결하는 비틀림 축의 스프링 상수, 및 상기 제2 모터와 상기 워크를 연결하는 비틀림 축의 스프링 상수에 특징을 둔 전달함수를 갖는 3관성계의 기계계 모델을 공칭 플랜트로서 포함하고, 외란 및 제어 입력을 입력으로 하여 제어량 및 관측량을 출력하는 일반화 플랜트와, 상기 관측량으로부터 상기 제어 입력을 출력하는 컨트롤러를 포함하는 제어계를 정의하고,
   상기 공진억제회로는, 상기 제어계에 H∞제어 또는 μ설계법으로 불리는 제어계 설계 방법을 이용하여 소정의 제어 사양이 반영되도록 설계된 상기 컨트롤러를 포함하는 것을 특징으로 하는 구동 트레인의 시험 시스템.
   
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 공진억제회로에 의해 산출된 제1 토크 지령에 따른 전력을 상기 제1 모터에 공급하는 제1 인버터와,
   상기 공진억제회로에 의해 산출된 제2 토크 지령에 따른 전력을 상기 제2 모터에 공급하는 제2 인버터를 더 포함하고,
   상기 외란은, 상기 제1 인버터의 제어오차와, 상기 제2 인버터의 제어오차와, 상기 축 토크 지령과, 상기 축 토크 검출 수단의 검출오차를 포함하고,
   상기 관측량은, 가중된 축 토크 지령과 상기 축 토크 검출 수단의 특성을 갖는 전달함수의 출력에 가중한 것과의 편차를 포함하는 것을 특징으로 하는 구동 트레인의 시험 시스템.
   
8. 제 7 항에 있어서,
   상기 제어량은, 상기 공칭 플랜트에서 출력된 상기 제1 모터와 제2 모터 사이의 축 토크에 가중한 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 구동 트레인의 시험 시스템.

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