KR101841134B1 - 다이나모미터의 제어장치 및 이를 이용한 관성 모멘트 추정 방법 - Google Patents

다이나모미터의 제어장치 및 이를 이용한 관성 모멘트 추정 방법 Download PDF

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Abstract

엔진의 관성 모멘트가 미지인 상태에서도 공진 현상이 발생하지 않도록 가진 제어를 수행할 수 있는 다이나모미터의 제어장치를 제공하는 것.
다이나모미터 제어장치(6)는, 무작위 또는 주기적으로 변동하는 가진 신호를 생성하는 가진 신호 생성부(61); 다이나모 회전수가 소정의 다이나모 지령 회전수가 되도록 하는 다이나모미터에 대한 입력 신호를 생성하는 속도 제어기(62); 축 토크 센서의 검출값을 이용하여 엔진과 다이나모미터를 연결하는 축의 진동이 억제되도록 하는 다이나모미터에 대한 입력 신호를 생성하는 축 토크 보상기(64); 가진 신호에 속도 제어기(62)및 축 토크 보상기(64)에 의해 생성된 입력 신호를 가함으로써 토크 전류 지령 신호를 생성하는 가산기(65);를 구비한다.

Description

다이나모미터의 제어장치 및 이를 이용한 관성 모멘트 추정 방법{DYNAMOMETER CONTROL DEVICE AND METHOD FOR ESTIMATING MOMENT OF INERTIA USING SAME}
본 발명은, 다이나모미터의 제어장치 및 이를 이용한 관성 모멘트 추정 방법에 관한 것이다.
도 8은, 다이나모미터(DY)를 이용한 엔진(E)의 시험 시스템(100)의 구성을 나타내는 도면이다.
시험 시스템(100)은, 공시체(供試體)인 엔진(E)과 축(S)으로 연결된 다이나모미터(DY); 엔진(E)의 출력을 제어하는 스로틀 액추에이터(110) 및 엔진 제어장치(120); 다이나모미터(DY)의 출력을 제어하는 인버터(130) 및 다이나모미터 제어장치(140)를 구비한다. 시험 시스템(100)에서는, 엔진 제어장치(120)를 이용하여 엔진(E)의 스로틀 개도(開度)를 제어하면서, 다이나모미터 제어장치(140)를 이용하여 다이나모미터(DY)의 토크나 속도를 제어함으로써, 엔진(E)의 내구성, 연비, 및 배기 정화 성능 등이 평가된다. 시험 시스템(100)에서는, 상기와 같은 성능을 평가하는 시험을 수행하기 전에, 엔진(E)의 관성 모멘트를 측정해 두고, 이것을 다이나모미터 제어장치(140)에서의 토크 제어나 속도 제어의 제어 파라미터로서 이용하는 경우가 있다.
특허문헌 1에는, 상술한 바와 같은 시험 시스템(100)을 구성하는 장치를 이용하여 엔진(E)의 관성 모멘트를 추정하는 방법이 나타나 있다. 특허문헌 1의 방법에서는, 엔진 제어장치(120)를 이용하여 엔진(E)의 회전수를 일정하게 유지하면서, 다이나모미터 제어장치(140)에서는, 축(S)에 작용하는 토크의 가진(加振) 제어를 수행한다. 그리고, 이러한 가진 제어 하에서의 축 토크 센서(160) 및 회전수 검출기(150)의 출력을 연산 장치(170)로 취득하고, 취득한 데이터를 이용함으로써 엔진(E)의 관성 모멘트 값을 추정한다. 일반적으로 엔진(E)에는, 회전수에 따른 기계적인 손실이 있다. 이것에 대해 특허문헌 1의 방법에서는, 엔진(E)의 회전수를 거의 일정하게 한 상태로 관성 모멘트를 추정하기 때문에, 이러한 기계적인 손실을 고려할 필요가 없다.
일본 특개 2006-300683호공보
그런데 엔진 토크는, 그 회전수에 따른 주파수로 진동한다. 예를 들어 일반적인 4 스트로크 엔진에서는, 회전수의 2N(N는 자연수) 배의 주파수의 진동 토크가 발생한다. 한편, 엔진(E)과 다이나모미터(DY)를 연결하여 구성되는 기계계(機械系)에는, 예를 들어 100Hz 정도의 공진 주파수가 존재한다. 이 공진 주파수는 통상적인 회전수 영역(수백~수천 rpm)에서 운전되는 엔진(E)에서 발생하는 진동 토크의 주파수 영역 내에 포함된다. 그러므로 특허문헌 1의 방법을 바탕으로, 다이나모미터 제어장치(140)로 가진 제어를 수행하면서 엔진(E)의 관성 모멘트 값을 추정하고자 하면, 엔진 회전수와 공진 주파수의 조합에 따라서는, 공진 현상에 의해 축 토크나 엔진 회전수의 진동 폭이 필요 이상으로 커져 버려, 관성 모멘트의 추정 정밀도가 저하될 우려가 있다.
그리고 공진 주파수가 미리 파악되어 있으면, 진동 토크의 주파수와 공진 주파수가 충분히 벌어지도록 엔진 회전수를 정함으로써 상기와 같은 공진 현상을 억제할 수 있다. 그러나 엔진의 관성 모멘트 값이 미지(未知)인 경우에는, 공진 주파수도 미지인 경우가 많기 때문에, 관성 모멘트 값을 추정할 때에 적절한 엔진 회전수를 결정할 수는 없다.
그리고 공진 현상을 억제하는 방법으로서, μ설계법이나 H∞제어 등의 로버스트 제어 설계 방법을 이용하여 다이나모미터 제어장치를 설계하는 것이 알려져 있다. 그러나 이러한 제어 설계 방법에서는 설계 단계에서 엔진의 관성 모멘트 값을 필요로 하므로, 관성 모멘트의 추정에 이용되는 다이나모미터 제어장치를 설계하는데 있어 이 방법을 적용하는 것도 불가능하다.
본 발명은, 공시체의 관성 모멘트가 미지인 상태에서도 공진 현상이 발생하지 않도록 가진 제어를 수행할 수 있는 다이나모미터의 제어장치와, 이 제어장치를 이용한 관성 모멘트의 추정 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
(1) 상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 공시체(예를 들어, 후술하는 엔진(E))에 축(예를 들어, 후술하는 축(S))을 통해 접속된 다이나모미터(예를 들어, 후술하는 다이나모미터(D))에 대한 토크 전류 지령 신호를 생성하는 다이나모미터의 제어장치(예를 들어, 후술하는 다이나모미터 제어장치(6))로서, 상기 다이나모미터의 회전수를 검출하는 회전수 검출기(예를 들어, 후술하는 인코더(8)); 상기 축에 작용하는 축 토크를 검출하는 축 토크 센서(예를 들어, 후술하는 축 토크 센서(7)); 무작위 또는 주기적으로 변동하는 가진 신호를 생성하는 가진 신호 생성부(예를 들어, 후술하는 가진 신호 생성부(61)); 상기 회전수 검출기의 검출값이 소정의 지령 회전수가 되도록 하는 상기 다이나모미터에 대한 입력 신호를 생성하는 속도 제어기(예를 들어, 후술하는 속도 제어기(62)); 상기 축 토크 센서의 검출값을 이용하여 상기 축의 진동이 억제되도록 하는 상기 다이나모미터에 대한 입력 신호를 생성하는 축 토크 보상기(예를 들어, 후술하는 축 토크 보상기(64)); 상기 가진 신호에 상기 속도 제어기 및 상기 축 토크 보상기에 의해 생성된 입력 신호를 가함으로써 토크 전류 지령 신호를 생성하는 가산기(예를 들어, 후술하는 가산기(65));를 구비하는 것을 특징으로 한다.
(2) 이 경우, 상기 축 토크 보상기는, 상기 공시체 및 상기 다이나모미터를 포함하는 기계계의 공진 주파수를 통과 대역내에 포함하는 하이 패스 필터 또는 밴드 패스 필터에 상기 축 토크 센서의 검출 신호를 통과시킴으로써 상기 다이나모미터에 대한 입력 신호를 생성하는 것이 바람직하다.
(3) 이 경우, 상기 제어장치는, 상기 속도 제어기의 출력 신호로부터 상기 공시체 및 상기 다이나모미터를 포함하는 기계계의 공진 주파수의 성분을 감쇠하는 로우패스 필터(예를 들어, 후술하는 로우패스 필터(63))를 더 구비하는 것이 바람직하다.
(4) 이 경우, 상기 속도 제어기는, 상기 회전수 검출기의 검출값 및 상기 지령 회전수를 입력으로 하여 비례 이득(Kp) 및 적분 이득(Ki)에 의해 특징지어진 I-P 제어규칙에 따라 상기 다이나모미터에 대한 입력 신호를 생성하고, 상기 로우패스 필터는 컷오프 주파수(ωLPF/2π)에 의해 특징지어지고, 상기 비례 이득(Kp), 상기 적분 이득(Ki), 및 컷오프 주파수(ωLPF/2π)는, 하기 식(1)이 만족되도록 정해지는 것이 바람직하다. 여기서, 하기 식(1)에 있어서, J는 상기 다이나모미터와 상기 공시체의 관성 모멘트의 합계 또는 그 추정값으로 하고, ωc는 양의 실수로 한다.
[수학식 1]
Figure 112017122984480-pct00016
(5) 상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 공시체인 엔진(예를 들어, 후술하는 엔진(E))과 축(예를 들어, 후술하는 축(S))을 통해 접속된 다이나모미터(예를 들어, 후술하는 다이나모미터(D)); 상기 다이나모미터의 출력을 제어하는 다이나모미터 제어장치(예를 들어, 후술하는 다이나모미터 제어장치(6)); 상기 엔진의 출력을 제어하는 엔진 제어장치(예를 들어, 후술하는 엔진 제어장치(5)); 상기 축에 작용하는 축 토크를 검출하는 축 토크 센서(예를 들어, 후술하는 축 토크 센서(7)); 상기 다이나모미터의 회전수를 검출하는 회전수 검출기(예를 들어, 후술하는 인코더(8));를 구비하는 시험 시스템(예를 들어, 후술하는 시험 시스템(1))을 이용하여, 상기 엔진의 관성 모멘트 값을 추정하는 관성 모멘트 추정 방법을 제공한다. 이 추정 방법은, 상기 엔진 제어장치에 의해 상기 엔진의 회전수를 소정의 목표 회전수로 유지하면서, 상기 다이나모미터 제어장치에 의해 상기 다이나모미터의 출력 토크의 가진 제어를 실행하는 가진 제어 공정(예를 들어, 도 3의 S1); 상기 가진 제어 공정을 실행하고 있는 동안에서의 상기 축 토크 센서 및 상기 회전수 검출기의 검출값을 소정 시간에 걸쳐 취득하는 데이터 취득 공정(예를 들어, 도 3의 S1); 상기 데이터 취득 공정에서 취득한 데이터를 이용하여, 상기 축 토크를 입력으로 하고 상기 회전수를 출력으로 한 전달함수를 산출하는 전달함수 산출 공정(예를 들어, 도 3의 S2); 상기 전달함수 산출 공정에서 산출한 전달함수를 이용하여 상기 엔진의 관성 모멘트 값을 추정하는 추정 공정(예를 들어, 도 3의 S3~S5);을 구비한다. 상기 가진 제어 공정에서는, 상기 다이나모미터 제어장치로서 (1) 내지 (4) 중 어느 하나에 따른 제어장치를 이용하여 상기 가진 제어를 실행하는 것을 특징으로 한다.
(1) 본 발명에서는, 무작위 또는 주기적으로 변동하는 가진 신호에, 속도 제어기에 의해 다이나모미터의 회전수가 소정의 지령 회전수가 되도록 생성한 입력 신호와, 축 토크 보상기에 의해 축의 진동이 억제되도록 생성한 입력 신호를 가함으로써 다이나모미터의 가진 제어를 수행하기 위한 토크 전류 지령 신호를 생성한다. 단순히 다이나모미터의 가진 제어를 수행하는 것 뿐이라면, 가진 신호를 다이나모미터에 입력하면 된다. 이것에 대해 본 발명에서는, 속도 제어기와 축 토크 보상기를 이용하여 다이나모미터의 회전수 제어를 수행함으로써, 상술한 바와 같은 공진 현상에 의해 다이나모미터의 회전수나 축 토크가 크게 변동되지 않도록 가진 제어를 수행할 수 있다. 또한 본 발명에서는, 속도 제어기나 축 토크 보상기를 이용함으로써, 공시체의 관성 모멘트를 미리 알 필요없이 공진 현상을 억제할 수 있다.
(2) 본 발명에서는, 공진 주파수를 통과 대역 내에 포함하도록 설정된 하이 패스 필터 또는 밴드 패스 필터에 축 토크 센서의 검출 신호를 통과시킨 것을 다이나모미터에 대한 입력에 중첩시킴으로써, 공진 주파수 근방에서 축 토크가 크게 진동하는 것을 방지할 수 있다. 그리고 상술한 바와 같이 공시체의 관성 모멘트 값이 미지인 경우에는, 진짜 공진 주파수도 미지인 경우가 많다. 그러나 필터의 통과 대역은, 어느 정도 폭의 여유를 갖게 할 수 있으므로, 공진 주파수의 정확한 값이 미지일지라도, 충분한 효과를 나타내는 필터를 설계할 수 있다.
(3) 본 발명에서는, 로우패스 필터를 이용하여 속도 제어기의 출력 신호로부터 공진 주파수의 성분을 감쇠한다. 이것에 의해, 속도 제어기에 의한 다이나모미터의 회전수 제어와 기계계의 공진이 간섭하는 것을 방지할 수 있다.
(4) 본 발명에서는, 속도 제어기에 포함되는 비례 이득(Kp) 및 적분 이득(Ki)과, 로우패스 필터에 포함되는 컷오프 주파수(ωLPF/2π)를, 다이나모미터와 공시체의 관성 모멘트의 합계 또는 그 추정값인 J를 이용하여 상기 식(1)에 의해 연관시킨다. 상기 식(1)은, 공시체와 다이나모미터가 축으로 연결된 기계계를, 관성 모멘트(J)의 강체(剛體)로 모델화했을 때에서의 폐루프(closed loop)계의 전달함수의 특성 다항식의 삼중근으로 되어 있다. 따라서, 상기 식 (1)과 같이 계수(Kp, Ki, ωLPF)를 결정함으로써, 속도 제어기가 진동적으로 동작하지 않도록 할 수 있다.
(5) 본 발명에서는, 가진 제어 공정; 데이터 취득 공정; 전달함수 산출 공정; 추정 공정;을 수행하는 것에 의해 공시체인 엔진의 관성 모멘트 값을 추정한다. 특히 본 발명에서는, 상술한 바와 같은 속도 제어기 및 축 토크 보상기를 구비하는 다이나모미터 제어장치를 이용하여 다이나모미터의 가진 제어를 수행함으로써, 엔진 제어장치측에서의 목표 회전수의 설정에 따르지 않고 공진 현상을 억제할 수 있으므로, 높은 정밀도로 엔진의 관성 모멘트 값을 추정할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시 형태에 따른 시험 시스템의 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 상기 실시 형태의 다이나모미터 제어장치의 제어 회로의 구성을 나타내는 도면이다.
도 3은 엔진의 관성 모멘트를 추정하는 순서를 나타내는 흐름도이다.
도 4는 비교예의 다이나모미터 제어장치를 이용하여 가진 제어를 수행했을 경우에서의 엔진 회전수 등의 타임 차트이다.
도 5는 비교예의 다이나모미터 제어장치를 이용하여 가진 제어를 수행했을 경우에서의 엔진 토크에서 축 토크까지의 전달함수의 보드 선도이다.
도 6은 상기 실시 형태의 다이나모미터 제어장치를 이용하여 가진 제어를 수행했을 경우에서의 엔진 회전수 등의 타임 차트이다.
도 7은 상기 실시 형태의 다이나모미터 제어장치를 이용하여 가진 제어를 수행했을 경우에서의 엔진 토크에서 축 토크까지의 전달함수의 보드 선도이다.
도 8은 종래의 시험 시스템의 구성을 나타내는 도면이다.
이하, 본 발명의 일실시 형태에 대하여, 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다.
도 1은, 본 실시 형태에 따른 시험 시스템(1)의 구성을 나타내는 도면이다.
시험 시스템(1)은, 공시체로서의 엔진(E); 이 엔진(E)과 대략 봉(棒) 형상의 축(S)을 통해 연결된 다이나모미터(D); 스로틀 액추에이터(2)를 통해 엔진(E)의 출력을 제어하는 엔진 제어장치(5); 다이나모미터(D)에 전력을 공급하는 인버터(3); 인버터(3)를 통해 다이나모미터(D)의 출력을 제어하는 다이나모미터 제어장치(6); 축(S)의 비틀림 토크(이하, 「축 토크」라고 한다)를 검출하는 축 토크 센서(7); 다이나모미터(D)의 출력축(SD)의 회전수(이하,「다이나모 회전수」라고 한다)를 검출하는 인코더(8); 축 토크 센서(7) 및 인코더(8)의 출력을 이용하여 각종 연산을 수행하는 연산 장치(9)를 구비한다.
시험 시스템(1)에서는, 엔진 제어장치(5)를 이용하여 엔진(E)의 스로틀 개도를 제어하면서, 다이나모미터 제어장치(6)를 이용하여 다이나모미터(DY)의 토크나 속도를 제어함으로써, 엔진(E)의 내구성, 연비, 및 배기 정화 성능 등을 평가하는 시험이 수행된다. 이하에서는, 이 시험 시스템(1)에 의해 실현되는 여러가지 기능 중, 특히 엔진(E)의 관성 모멘트를 추정하는 기능에 주목하여, 이 관성 모멘트의 추정에 관한 구성을 중심으로 상세하게 설명한다.
엔진 제어장치(5)는, 소정의 타이밍에 엔진(E)을 시동한 후, 미리 정해진 양태로, 스로틀 액추에이터(2)를 통해 엔진(E)의 출력을 제어한다.
다이나모미터 제어장치(6)는, 시험에 따라 정해진 양태로 다이나모미터(D)에 대한 토크 전류 지령 신호를 생성한다. 인버터(3)는, 다이나모미터 제어장치(6)에 의해 생성된 토크 전류 지령 신호를 바탕으로 다이나모미터(D)에 전력을 공급함으로써, 이 지령 신호에 따른 토크를 다이나모미터(D)로 발생시킨다.
연산 장치(9)는, 엔진 제어장치(5)를 이용하여 엔진(E)의 출력을 제어하고, 동시에 다이나모미터 제어장치(6)를 이용하여 다이나모미터(D)의 출력을 제어하고 있을 때에서의 축 토크 센서(7)에 의해 검출되는 축 토크 및 인코더(8)에 의해 검출되는 다이나모 회전수에 관한 데이터를 수록하고, 이 수록한 데이터를 이용하여 엔진(E)의 관성 모멘트를 추정한다. 연산 장치(9)에 있어서 엔진(E)의 관성 모멘트를 추정하는 구체적인 연산의 순서에 대해서는, 이후에 도 3을 참조하여 설명한다.
도 2는, 본 실시 형태에 따른 다이나모미터 제어장치(6)의 제어 회로의 구성을 나타내는 도면이다. 도 2에 나타내는 제어 회로는, 축 토크를 진동시키는 가진 제어를 실행하기 위한 제어 회로로, 특히 엔진(E)의 관성 모멘트 값을 추정할 때에 바람직하게 이용된다.
다이나모미터 제어장치(6)는, 가진 신호 생성부(61); 속도 제어기(62); 로우패스 필터(63); 축 토크 보상기(64); 가산기(65)를 구비한다.
가진 신호 생성부(61)는, 축 토크의 가진 제어를 실행하기 위해 가진 토크 신호를 생성한다. 이 가진 토크 신호에는, 예를 들어, 소정의 표준 편차 하에서 생성되는 정규 분포 난수(亂數)가 이용된다. 또한 이 가진 토크 신호에는, 소정의 진폭 및 주파수 하에서 주기적으로 변동하는 정현파를 이용할 수도 있다.
속도 제어기(62)는, 인코더에 의해 검출되는 다이나모 회전수가 소정의 지령 회전수가 되도록 하는 다이나모미터에 대한 입력 신호를, 이들 다이나모 회전수 및 그 지령 회전수를 이용하여 기존의 제어규칙에 따라 생성한다. 보다 구체적으로는, 속도 제어기(62)는, 도 2에 나타낸 바와 같이, 비례 이득(Kp) 및 적분 이득(Ki)에 의해 특징지어지는 I-P 제어규칙에 따라 입력 신호를 생성하는 것이 바람직하다. 그리고 이들 이득(Kp, Ki)의 구체적인 설정에 대해서는, 이후에 설명한다.
로우패스 필터(63)는, 속도 제어기(62)의 출력 신호로부터, 컷오프 주파수(ωLPF/2π)보다 높은 주파수의 성분을 감쇠시킨다. 로우패스 필터(63)의 전달함수로서는, 예를 들어 도 2에 나타낸 바와 같이, 컷오프 주파수(ωLPF/2π)로 특징지어지는 1차 전달함수가 이용된다. 이 컷오프 주파수(ωLPF/2π)는, 입력 신호로부터 엔진 및 다이나모미터를 포함하는 기계계의 공진 주파수의 성분을 감쇠하도록, 이 공진 주파수(예를 들어, 약 100 Hz)보다 낮아지도록 정해진다. 이것에 의해, 속도 제어기(62)에 의한 다이나모미터의 회전수 제어와 기계계의 공진이 간섭하는 것을 방지할 수 있다. 그리고 이 컷오프 주파수(ωLPF/2π)의 구체적인 설정에 대해서는, 이후에 설명한다.
축 토크 보상기(64)는, 축 토크 센서의 검출값을 이용하여, 엔진과 다이나모미터를 연결하는 축의 진동이 억제되도록 하는 다이나모미터에 대한 입력 신호를 생성한다. 보다 구체적으로는, 이 축 토크 보상기(64)의 전달함수는, 도 2에 나타낸 바와 같이, 컷오프 주파수(ωHPF/2π)로 특징지어지는 1차 하이 패스 필터로 구성된다. 이 컷오프 주파수(ωHPF/2π)는, 축 토크 센서의 검출값으로부터 적어도 상기 공진 주파수의 성분을 통과시키도록, 이 공진 주파수보다 낮아지도록 정해진다. 축 토크 보상기(64)의 컷오프 주파수(ωHPF/2π)는, 예를 들어 1로 설정된다(ωHPF=2π). 그리고 이 축 토크 보상기(64)에는, 상술한 바와 같은 하이 패스 필터에 한정되지 않고, 축 토크 센서의 검출값으로부터 적어도 공진 주파수의 성분을 통과시키도록 설정된 밴드 패스 필터를 이용할 수도 있다.
가산기(65)는, 가진 신호 생성부(61)에 의해 생성되는 가진 토크 신호에, 로우패스 필터(63)를 거친 속도 제어기(62)로부터의 입력 신호와, 축 토크 보상기(64)로부터의 입력 신호를 가함으로써, 다이나모미터에 대한 토크 전류 지령 신호를 생성한다.
다음으로, 속도 제어기(62)의 이득(Kp, Ki) 및 로우패스 필터(63)의 컷오프 주파수(ωLPF/2π)의 구체적인 설정값에 대해 설명한다. 도 2의 다이나모미터 제어장치로부터 가진 신호 생성부(61) 및 축 토크 보상기(64)를 제외한 것에 있어서, 토크 전류 지령 신호가 다이나모미터와 엔진의 관성 모멘트의 합계(J)로 특징지어지는 강체를 구동하고, 이 강체의 회전수가 다이나모 회전수로서 상기 제어 회로에 입력된다고 한다. 그러면, 이 때의 폐루프계의 전달함수의 특성 다항식은 하기 식 (2)가 된다.
[수학식 2]
Figure 112017122984480-pct00017
하기 식(3)으로 정의되는 비례 이득(Kp), 적분 이득(Ki), 및 컷오프 주파수(ωLPF/2π)는, 상기 특성 다항식(2)의 삼중근을 부여한다. 여기서 ωc는 임의의 양(正)의 실수(實數)이며, 예를 들어 2π이다. 즉, 하기 식 (3)과 같이 제어 회로의 파라미터(Kp, Ki, ωLPF)의 값을 설정함으로써, 속도 제어기(62)가 진동적으로 동작하지 않게 할 수 있다.
[수학식 3]
Figure 112017122984480-pct00018
그리고 상술한 바와 같이, 도 2의 다이나모미터 제어장치는, 엔진의 관성 모멘트를 추정할 때에 바람직하게 이용된다. 즉, 이들 이득의 값을 설정할 시에는, 엔진의 관성 모멘트의 진짜 값은 미지라고 상정되고, 따라서 상기 식 (3)에서의 엔진과 다이나모미터의 관성 모멘트의 합계(J)도 미지라고 상정된다. 이 경우, 전체 관성 모멘트(J)는, 예를 들어, 이미 알고 있는 다이나모미터의 관성 모멘트(J2), 상정되는 엔진의 관성 모멘트의 최소값(J1L), 상정되는 엔진의 관성 모멘트의 최대값(J1H)을 이용하여 얻어지는 하기 추정값이 이용된다. 즉, 도 2의 다이나모미터 제어장치의 제어 파라미터는, 엔진의 관성 모멘트를 이용하지 않고 조정할 수 있다.
[수학식 4]
Figure 112017064670533-pct00004
다음으로, 이상과 같이 구성된 시험 시스템(1)을 이용하여, 엔진(E)의 관성 모멘트를 추정하는 순서에 대해 설명한다.
도 3은, 엔진의 관성 모멘트를 추정하는 순서를 나타내는 흐름도이다.
처음에 S1에서는, 엔진 제어장치에 의해 엔진의 회전수를 소정의 목표 회전수로 유지하면서, 동시에 도 2의 다이나모미터 제어장치에 의해 다이나모미터의 출력 토크의 가진 제어를 실행한다(가진 제어 공정). 또 S1에서는, 가진 제어 공정을 실행하고 있는 동안에서의 축 토크 센서에 의해 검출되는 축 토크, 및 인코더에 의해 검출되는 다이나모 회전수를 소정 시간(예를 들어, 수십초)에 걸쳐 취득한다(데이터 취득 공정).
그리고 이 가진 제어 공정에서의 엔진의 목표 회전수는 임의적이다. 또한, 다이나모미터 제어장치의 속도 제어기에 입력하는 다이나모미터의 지령 회전수는, 임의로 정해진 엔진의 목표 회전수와 동일한 값으로 설정된다.
그 후, S2에서는, S1에서 취득한 축 토크 및 다이나모 회전수의 데이터를 이용함으로써, 축 토크를 입력으로 하고 다이나모 회전수를 출력으로 한 전달함수(G(s))를 산출한다(전달함수 산출 공정). 이 전달함수(G(s))는, 다이나모미터 제어장치의 가진 토크 신호를 입력으로 하고 축 토크를 출력으로 한 전달함수(G_SHT(s))와 다이나모미터 제어장치의 가진 토크 신호를 입력으로 하고 다이나모 회전수를 출력으로 한 전달함수(G_DYw(s))를 산출하고, 이들을 나눔으로써 도출된다(G(s)=G_DYw(s)/G_SHT(s)).
그 후, S3에서는, 도출된 전달함수(G(s))의 이득 특성을 나타내는 보드 선도를 플로팅(plot)하고, 해당 보드 선도로부터 엔진의 관성 모멘트의 추정에 이용하는 주파수 영역을 특정한다. 이 관성 모멘트의 추정에 이용하는 주파수 영역은, 이득이 급격하게 감소하는 반공진점(反共振點)의 주파수를 ωARF로 하고, 이 반공진주파수(ωARF)에 소정의 1 이하의 계수(K)(예를 들어, 0.3 정도)를 곱하여 얻어지는 주파수보다 낮은 영역으로 한다.
그 후, S4에서는, 플로팅한 보드 선도 중 S3에서 특정한 주파수 영역 내에서의 이득(g)과 주파수(ω)의 복수의 조합(g,ω)을 이용하여, 하기 식 (5)로 정의되는 계수(b)와, 계수(b)의 전체 조합(g,ω)에 대한 평균값(bm)을 산출한다.
[수학식 5]
Figure 112017064670533-pct00005
그 후, S5에서는, S4에서 산출한 평균값(bm)을 이용하여, 하기 식(6)에 의해 얻어지는 값을 엔진의 관성 모멘트(J1)의 값으로 한다.
[수학식 6]
Figure 112017064670533-pct00006
그리고 상술한 S2~S5의 공정의 상세한 순서나 변형예 등에 대해서는, 본원 출원인에 의한 일본 특개 2006-300683호공보에 기재되어 있으므로, 여기서는 더 이상 상세한 설명을 생략한다.
여기서, 도 3의 순서에 따라 엔진의 관성 모멘트를 추정할 때에, 도 2에 나타내는 다이나모미터 제어장치를 이용하여 가진 제어를 수행하는 것의 효과를 설명한다.
도 4 및 도 5는, 각각, 비교예의 다이나모미터 제어장치를 이용하여 가진 제어를 수행했을 경우에서의 엔진 회전수 등의 시간 변화를 나타내는 타임 차트 및 엔진 토크에서 축 토크까지의 전달함수의 이득 특성을 나타내는 보드 선도이다. 여기서, 비교예의 다이나모미터 제어장치란, 도 2에 나타내는 다이나모미터 제어장치(6) 중, 가진 신호 생성부(61)에 의해 무작위로 생성되는 가진 토크 신호만을 이용하여 토크 전류 지령 신호를 생성하는 장치를 말한다.
도 6 및 도 7은, 각각, 도 2의 본 발명의 다이나모미터 제어장치를 이용하여 가진 제어를 수행했을 경우에서의 엔진 회전수 등의 시간 변화를 나타내는 도면 및 엔진 토크에서 축 토크까지의 전달함수의 이득 특성을 나타내는 보드 선도이다. 그리고 도 6 및 도 7의 예에서는, 다이나모 회전수 지령값은 엔진의 목표 회전수와 동일하게 했다. 또한, 이들 도 4~도 7의 측정에서는, 미지인 엔진의 관성 모멘트를 0. 1~0. 5kgㆍm2 사이에서 3 단계로 구분했다.
도 4 및 도 5에 나타낸 바와 같이, 종래의 다이나모미터 제어장치를 이용하여 가진 제어를 수행했을 경우, 엔진 토크의 진동 주파수와 기계 공진 주파수가 가까워지면, 공진 현상에 의해 엔진 토크가 증폭되어 축 토크 및 엔진 회전수의 진동 폭이 커진다. 이것에 대해, 도 6 및 도 7에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 다이나모미터 제어장치를 이용하여 가진 제어를 수행했을 경우, 가진 토크 신호에 상술한 바와 같은 속도 제어기 및 축 토크 보상기의 신호가 중첩되므로, 이들 기능에 의해 공진 현상이 억제된다. 그러므로 도 4와 도 6을 비교하여 명백한 바와 같이, 축 토크 및 엔진 회전수의 진동 폭이 작아진다. 즉, 본 발명의 다이나모미터 제어장치를 이용함으로써, 엔진의 관성 모멘트를 정밀하게 추정할 수 있다.
1: 시험 시스템
D: 다이나모미터
E: 엔진(공시체)
S: 축
5: 엔진 제어장치
6: 다이나모미터 제어장치(제어장치)
61: 가진 신호 생성부
62: 속도 제어기
63: 로우패스 필터
64: 축 토크 보상기
65: 가산기
7: 축 토크 센서
8: 인코더(회전수 검출기)

Claims (5)

  1. 공시체에 축을 통해 접속된 다이나모미터에 대한 토크 전류 지령 신호를 생성하는 다이나모미터의 제어장치로서,
    상기 다이나모미터의 회전수를 검출하는 회전수 검출기;
    상기 축에 작용하는 축 토크를 검출하는 축 토크 센서;
    무작위 또는 주기적으로 변동하는 가진 신호를 생성하는 가진 신호 생성부;
    상기 회전수 검출기의 검출값이 소정의 지령 회전수가 되도록 하는 상기 다이나모미터에 대한 입력 신호를 생성하는 속도 제어기;
    상기 축 토크 센서의 검출값을 이용하여 상기 축의 진동이 억제되도록 하는 상기 다이나모미터에 대한 입력 신호를 생성하는 축 토크 보상기;
    상기 가진 신호에 상기 속도 제어기 및 상기 축 토크 보상기에 의해 생성된 입력 신호를 가함으로써 토크 전류 지령 신호를 생성하는 가산기;를 구비하는 것을 특징으로 하는 다이나모미터의 제어장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 축 토크 보상기는, 상기 공시체 및 상기 다이나모미터를 포함하는 기계계의 공진 주파수를 통과 대역 내에 포함하는 하이 패스 필터 또는 밴드 패스 필터에 상기 축 토크 센서의 검출 신호를 통과시킴으로써 상기 다이나모미터에 대한 입력 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 다이나모미터의 제어장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어장치는, 상기 속도 제어기의 출력 신호로부터 상기 공시체 및 상기 다이나모미터를 포함하는 기계계의 공진 주파수의 성분을 감쇠하는 로우패스 필터를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 다이나모미터의 제어장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 속도 제어기는, 상기 회전수 검출기의 검출값 및 상기 지령 회전수를 입력으로 하여 비례 이득(Kp) 및 적분 이득(Ki)에 의해 특징지어진 I-P 제어규칙에 따라 상기 다이나모미터에 대한 입력 신호를 생성하고,
    상기 로우패스 필터는 컷오프 주파수(ωLPF/2π)에 의해 특징지어지고,
    상기 비례 이득(Kp), 상기 적분 이득(Ki) 및 컷오프 주파수(ωLPF/2π)는, 하기 식이 만족되도록 정해지는 것을 특징으로 하는 다이나모미터의 제어장치.
    여기서, 하기 식에 있어서, J는 상기 다이나모미터와 상기 공시체의 관성 모멘트의 합계 또는 상기 다이나모미터와 상기 공시체의 관성 모멘트의 합계 추정값으로 하고, ωc는 양의 실수로 함.
    [수학식 1]
    Figure 112017122984480-pct00019

  5. 공시체인 엔진과 축을 통해 접속된 다이나모미터;
    상기 다이나모미터의 출력을 제어하는 다이나모미터 제어장치;
    상기 엔진의 출력을 제어하는 엔진 제어장치;
    상기 축에 작용하는 축 토크를 검출하는 축 토크 센서;
    상기 다이나모미터의 회전수를 검출하는 회전수 검출기;를 구비하는 시험 시스템을 이용하여, 상기 엔진의 관성 모멘트 값을 추정하는 관성 모멘트 추정 방법으로서,
    상기 엔진 제어장치에 의해 상기 엔진의 회전수를 소정의 목표 회전수로 유지하면서, 상기 다이나모미터 제어장치에 의해 상기 다이나모미터의 출력 토크의 가진 제어를 실행하는 가진 제어 공정;
    상기 가진 제어 공정을 실행하고 있는 동안에서의 상기 축 토크 센서 및 상기 회전수 검출기의 검출값을 소정 시간에 걸쳐 취득하는 데이터 취득 공정;
    상기 데이터 취득 공정에서 취득한 데이터를 이용하여, 상기 축 토크를 입력으로 하고 상기 회전수를 출력으로 한 전달함수를 산출하는 전달함수 산출 공정;
    상기 전달함수 산출 공정에서 산출한 전달함수를 이용하여 상기 엔진의 관성 모멘트 값을 추정하는 추정 공정;을 구비하고,
    상기 가진 제어 공정에서는, 상기 다이나모미터 제어장치로서 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 따른 다이나모미터 제어장치를 이용하여 상기 가진 제어를 실행하는 것을 특징으로 하는 관성 모멘트 추정 방법.
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