KR101841138B1 - 다이나모미터 시스템의 제어장치 - Google Patents

다이나모미터 시스템의 제어장치 Download PDF

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KR101841138B1
KR101841138B1 KR1020177018713A KR20177018713A KR101841138B1 KR 101841138 B1 KR101841138 B1 KR 101841138B1 KR 1020177018713 A KR1020177018713 A KR 1020177018713A KR 20177018713 A KR20177018713 A KR 20177018713A KR 101841138 B1 KR101841138 B1 KR 101841138B1
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Abstract

간단하고 쉬운 방법에 의해, 공시체의 시동 시에 정밀하게 무부하 상태를 재현할 수 있는 다이나모미터 시스템의 제어장치를 제공하는 것.
다이나모 제어장치(6)는, 축 토크 편차의 적분값을 산출하고, 이것과 보정값의 합계에 적분 이득을 곱하여 적분 조작량을 산출하는 적분 조작량 연산부(611); 다이나모 회전수에 관성 보상량(Jcmp)을 곱함으로써 보정값을 산출하는 보정값 연산부(612); 축 토크 편차를 입력으로 한 소정의 전달함수(Ge0(s))의 출력을 비적분 조작량으로 하는 비적분 조작량 연산부(613); 적분 조작량과 비적분 조작량을 합산함으로써 다이나모미터에 대한 토크 전류 지령 신호를 생성하는 합산부(614);를 구비한다. 여기서, 비적분 조작량 연산부(613)의 전달함수(Ge0(s))는, 관계식 Ge(s)=Ki/s+Ge0(s)를 만족하도록, 축 토크 제어 기능을 갖는 전달함수(Ge(s))에서 적분기를 분리하는 것에 의해 도출된다.

Description

다이나모미터 시스템의 제어장치{CONTROL DEVICE FOR DYNAMOMETER SYSTEM}
본 발명은, 다이나모미터 시스템의 제어장치에 관한 것이다.
도 5는, 다이나모미터 시스템(100)의 구성을 나타내는 도면이다.
다이나모미터 시스템(100)은, 공시체(供試體)로서의 엔진(E); 동력 흡수체로서의 다이나모미터(D); 이들 엔진(E)과 다이나모미터(D)와 결합하는 결합축(S); 스로틀 액추에이터(110)을 통해 엔진(E)을 제어하는 엔진 제어장치(120); 인버터(130)를 통해 다이나모미터(D)를 제어하는 다이나모 제어장치(140); 다이나모미터(D)의 출력축의 회전수를 검출하는 인코더(150); 결합축(S)과 다이나모미터(D)의 출력축의 결합부의 축 토크(비틀림 토크)를 검출하는 축 토크 센서(160);를 구비한다.
엔진 제어장치(120)는 시험 항목마다 미리 정해진 양태로 엔진(E)의 출력을 제어하고, 다이나모 제어장치(140)는 인코더(150)나 축 토크 센서(160)의 출력 등을 바탕으로 다이나모미터(D)의 회전수나 토크를 제어한다(예를 들어, 특허문헌 1, 2 참조).
일본 특개 2003-149085호공보 일본 특개 2014-224722호공보
그런데 상기와 같은 다이나모미터 시스템(100)에서는, 엔진 시동 시의 엔진 회전수를 엔진 단일체(單體) 시동에서의 엔진 회전수 상당(相當)으로 제어하는 경우, 엔진(E)에서 보아 결합축(S) 및 다이나모미터(D)가 접속되어 있지 않는 것과 같은 무부하 상태로 제어할 필요가 있다. 이러한 제어는, 예를 들어, 아이들링(idling) 시에서의 엔진의 특성을 측정하는 레이싱 시험에 있어서 필요해진다. 이러한 무부하 상태는, 엔진(E)과 다이나모미터(D) 사이의 결합축(S)에서의 비틀림 토크를 0[Nm]으로 제어함으로써 실현된다.
도 6은, 종래의 시스템(100)에 있어서 상기 무부하 상태를 실현했을 경우에서의, 엔진 시동 시의 회전수 변화를 나타내는 도면이다. 보다 구체적으로는, 종래의 시스템(100)에 있어서 비틀림 토크가 발생하지 않도록 다이나모 제어장치(140)에 입력하는 축 토크 지령값을 0으로 했을 경우에서의 엔진 시동 시의 회전수 변화를 나타내는 도면이다. 도 6에는, 시스템(100)에 의한 측정 결과, 즉 인코더(150)에 의해 측정된 회전수를 가는 실선으로 나타낸다. 또한 도 6에는, 엔진(E)과 결합축(S)을 분리하여 엔진(E)을 무부하 상태로 하여 측정된 회전수, 즉 무부하 제어시의 이상(理想)이 되는 값을 굵은 파선으로 나타낸다.
도 6에 나타난 바와 같이, 종래의 시스템(100)에 있어서 축 토크 지령값을 0[Nm]으로 하고, 축 토크 센서의 검출값을 0[Nm]으로 제어하는 것만으로는, 결합축(S) 중 축 토크 센서(160)보다 엔진(E)측 부분의 관성을 엔진(E)에서 부담하지 않으면 안되므로, 시동 시의 엔진 회전수는 무부하 상태에 상당하는 이상값보다 작아진다.
또한 이론적으로는, 축 토크 센서(160)의 위치를 보다 엔진(E)의 크랭크 샤프트 측에 접근시키면 결합축(S)의 관성도 다이나모미터(D)에서 부담시킬 수 있다. 그러나 축 토크 센서(160)를 엔진(E)에 접근시킬수록 엔진(E)의 열이 전달되기 쉬워지므로, 온도 드리프트에 의한 측정값 변화의 영향이 커진다. 또한, 축 토크 센서(160)를 엔진(E)에 접근시킬수록 엔진(E)의 진동이 전달되기 쉬워져, 측정 정밀도가 저하된다. 이상과 같은 이유에서, 축 토크 센서(160)의 위치는 엔진(E)보다 다이나모미터(D)에 가까운 쪽이 바람직하고, 따라서 상기의 과제는 현저한 것이 된다.
또한 특허문헌 2에서는, 축 토크 제어 회로의 축 토크 지령값에 다이나모미터의 각속도의 유사 미분값(각가속도에 상당)과 소정의 샤프트 관성 보상값을 곱한 것을 중첩시킴으로써 상기 과제를 해결하고자 하고 있다. 그런데 특허문헌 2의 발명에서는, 유사 미분(擬似微分)을 특징짓기 위한 컷오프 주파수의 적절한 값을 시행 착오로 결정할 필요가 있어 시간이 걸린다. 컷오프 주파수가 적절한 값보다 너무 낮으면 관성 보상 제어의 응답이 낮아지고, 반대로 너무 높으면 제어가 불안정하게 될 가능성이 있다.
본 발명은, 간단하고 쉬운 방법에 의해, 공시체의 시동 시에 정밀하게 무부하 상태를 재현할 수 있는 다이나모미터 시스템의 제어장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
(1) 상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 다이나모미터(예를 들어, 후술의 다이나모미터(D)); 공시체(예를 들어, 후술의 엔진(E)); 상기 다이나모미터 및 상기 공시체를 연결하는 축(예를 들어, 후술의 결합축(S)); 상기 축에 작용하는 토크를 검출하는 축 토크 센서(예를 들어, 후술의 축 토크 센서(7)); 상기 다이나모미터의 회전수를 검출하는 회전수 검출기(예를 들어, 후술의 인코더(8));를 구비한 다이나모미터 시스템(예를 들어, 후술의 다이나모미터 시스템(1))의 제어장치(예를 들어, 후술의 다이나모 제어장치(6))를 제공한다. 제어장치는, 상기 축 토크 센서의 검출값과, 상기 축 토크 센서의 검출값에 대한 지령값의 편차의 적분값을 산출하고, 상기 적분값과 소정의 보정값의 합계에 적분 이득(예를 들어, 후술의 적분 이득(Ki))을 곱하여 적분 조작량을 산출하는 적분 조작량 연산부(예를 들어, 후술의 적분 조작량 연산부(611)); 상기 회전수 검출기의 검출값에 소정의 보정 계수(예를 들어, 후술의 관성 보상량(Jcmp))를 곱함으로써 상기 보정값을 산출하는 보정값 연산부(예를 들어, 후술의 보정값 연산부(612)); 상기 편차를 입력으로 한 소정의 전달함수의 출력을 비(非)적분 조작량으로 하는 비적분 조작량 연산부(예를 들어, 후술의 비적분 조작량 연산부(613)); 상기 적분 조작량과 상기 비적분 조작량을 합산함으로써 상기 다이나모미터에 대한 토크 전류 지령 신호를 생성하는 합산부(예를 들어, 후술의 합산부(614));를 구비한다. 여기서, 상기 비적분 조작량 연산부의 전달함수(Ge0(s))는, Ki를 상기 적분 이득으로 하고, s를 라플라스 연산자로 하며, Ge(s)를 상기 편차가 입력되면 상기 편차가 없어지도록 하는 토크 전류 지령 신호를 출력하는 전달함수로 하고, 하기 수학식 1을 만족하도록 정해진다.
[수학식 1]
Figure 112017064672737-pct00001
(2) 이 경우, 상기 전달함수(Ge(s))는, μ설계법 또는 H∞설계 방법이라고 하는 제어계 설계 방법을 바탕으로 설계되는 것이 바람직하다.
(1) 본 발명에서는, 축 토크 센서의 검출값과 그 지령값의 편차(이하, 단순히 「축 토크 편차」라고도 한다)에서 토크 전류 지령 신호까지의 전달함수를, 적분 조작량 연산부와 비적분 조작량 연산부로 나눈다. 그리고 적분 조작량 연산부에서는, 축 토크 편차의 적분값과 소정의 보정값의 합계를 산출하고, 이 합계에 적분 이득을 곱함으로써 적분 조작량을 산출한다. 여기서 특히 본 발명에서는, 축 토크 편차의 적분값에, 회전수 검출기의 검출값에 소정의 보정 계수를 곱하여 얻어지는 보정값을 중첩함으로써, 공시체측에서의 외관상 공시체의 관성이 보정 계수에 따른 정도만큼 작아지도록 하는 관성 보상 제어를 수행할 수 있다. 따라서, 공시체에 걸리는 부담을 종래와 비교하여 저감할 수 있으므로, 레이싱 시험에서는 공시체만의 성능을 정밀하게 평가할 수 있다. 또한 본 발명에 의하면, 어떤 설계 방법을 실행하는 것에 의해 축 토크 제어 기능을 갖는 전달함수(Ge(s))가 취득되어 있으면, 이 전달함수(Ge(s))를, 상기 식 (1)이 만족되도록 적분기와 비적분기로 분리하는 것만으로, 이러한 관성 보상 제어 기능을 추가할 수 있다. 즉 본 발명에서는, 특허문헌 2와 같은 종래의 기술에서는 필요했던 파라미터의 섬세한 조정이 불필요하다. 따라서 본 발명에 의하면, 축 토크 제어 기능을 갖는 기존의 전달함수에 대해 간단하고 쉬운 방법으로 상술한 바와 같은 관성 보상 제어 기능을 추가할 수 있다.
(2) μ설계법이나 H∞설계 방법 등의 소위 로버스트 제어 설계 방법에서는, 원하는 제어 목적을 달성하도록 하는 전달함수를 수치적으로 도출하므로, 설계 지표의 변경을 설계 결과에 반영시키는 것이 어렵다. 따라서 종래에는, 상술한 바와 같은 관성 보상 제어 기능을 부여하고자 하면, 규정된 순서에 따라 또한 새롭게 수치 계산을 수행함으로써 전달함수를 도출할 필요가 있어 시간이 걸린다. 이에 대해 본 발명에서는, 상술한 바와 같이 일단 전달함수(Ge(s))가 얻어지면, 이것을 상기 식 (1)을 바탕으로 분리함으로써, 간단하고 쉬운 방법으로 관성 보상 제어 기능을 추가할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시 형태에 따른 다이나모 제어장치가 이용된 다이나모미터 시스템의 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 실시 형태에 따른 다이나모 제어장치에 의한 축 토크 제어의 제어 회로의 구성을 나타내는 블럭도이다.
도 3은 축 토크 제어 기능을 구비하는 콘트롤러의 구성을 나타내는 블럭도이다.
도 4는 상기 실시 형태에 따른 다이나모미터 시스템에 의한 레이싱 시험의 결과를 나타내는 도면이다.
도 5는 종래의 다이나모미터 시스템의 구성을 나타내는 도면이다.
도 6은 종래의 다이나모미터 시스템에 의한 레이싱 시험의 결과를 나타내는 도면이다.
이하, 본 발명의 일실시 형태에 대하여, 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다.
도 1은, 본 실시 형태에 따른 다이나모 제어장치(6)가 이용된 다이나모미터 시스템(1)의 구성을 나타내는 도면이다. 다이나모미터 시스템(1)은, 공시체로서의 엔진(E); 이 엔진(E)과 결합축(S)을 통해 연결된 다이나모미터(D); 스로틀액추에이터(2)를 통해 엔진(E)을 제어하는 엔진 제어장치(5); 다이나모미터(D)에 전력을 공급하는 인버터(3); 인버터(3)를 통해 다이나모미터(D)를 제어하는 다이나모 제어장치(6); 결합축(S)의 비틀림 토크를 검출하는 축 토크 센서(7); 다이나모미터(D)의 출력축(SD)의 회전수를 검출하는 인코더(8);를 구비한다.
또한 결합축(S)에는, 클러치, 트랜스미션, 및 프로펠러 샤프트 등의 엔진(E)과 함께 차량에 탑재되는 것이 예정된 기계 부품을 이용할 수도 있고, 이들 차량용의 기계 부품과는 따로 준비한 고강성의 시험용 샤프트를 이용할 수도 있다.
축 토크 센서(7)는, 엔진(E)에서 다이나모미터(D)까지 연장되는 결합축(S) 중, 엔진(E)보다 다이나모미터(D)에 가까운 부분에 작용하는 비틀림 토크를, 예를 들어 결합축(S)의 비틀림 방향의 변형량에서 검출하고, 검출값에 대략 비례한 신호를 다이나모 제어장치(6)에 송신한다.
엔진 제어장치(5)는, 소정 타이밍에 엔진(E)을 시동한 후, 미리 정해진 양태에 따라 엔진(E)의 출력을 제어한다.
다이나모 제어장치(6)는, 엔진(E)에서 발생한 동력이 미리 정해진 양태로 흡수되도록, 축 토크 센서(7) 및 인코더(8)의 검출 신호를 바탕으로 다이나모미터(D)에서 발생시켜야 할 토크값에 상당하는 토크 전류 지령 신호를 생성하여, 인버터(3)에 입력한다.
도 2는, 본 실시 형태에 따른 다이나모 제어장치(6)에 의한 축 토크 제어의 제어 회로의 구성을 나타내는 블럭도이다.
도 3은, 도 2의 다이나모 제어장치(6)의 기반이 되는 콘트롤러(C)의 구성을 나타내는 도면이다. 도 3의 콘트롤러(C)는, 축 토크 센서의 검출값(SHT)과 그 지령값(SHTref)이 입력되면, 그 편차(SHTref-SHT, 이하 단순히 「축 토크 편차」라고도 한다)가 없어지도록 하는 토크 전류 지령 신호를 생성하는 축 토크 제어 기능을 구비한다. 도 2에 나타내는 본 실시 형태에 따른 다이나모 제어장치(6)는, 도 3의 2 자유도의 콘트롤러(C)에 관성 보상 제어 기능을 추가하는 것에 의해 구성된다. 이러한 축 토크 제어 기능을 구비하는 2 자유도의 콘트롤러(C) 및 이를 구성하는 전달함수(Ge(s) 및 Gy(s))는, 예를 들어 본원 출원인에 의한 일본 특허 제3775284호의 도 6의 실시 형태에 나타난 콘트롤러가 이용된다. 그리고 축 토크 제어 기능을 구비하는 콘트롤러(C) 및 이것을 구성하는 전달함수(Ge(s)) 및 Gy(s))를 설계하는 방법으로서는, 예를 들어 일본 특허 제3775284호에 나타난 μ설계법에 근거하는 것에 한정되지 않는다. 예를 들어, μ설계법 외에, H∞제어 등의 다른 로버스트 제어 설계 방법을 바탕으로 설계된 것을 이용할 수도 있다.
도 2로 돌아와서, 다이나모 제어장치(6)는, 축 토크 편차(SHTref-SHT) 및 다이나모 회전수(즉, 인코더의 검출값(DYw))를 입력으로 한 제1 콘트롤러(61); 축 토크 센서의 검출값(SHT)을 입력으로 한 제2 콘트롤러(62); 제1 콘트롤러(61)의 출력에서 제2 콘트롤러(62)의 출력을 감산함으로써 토크 전류 지령 신호(DYTref)를 생성하는 감산기(63);를 구비한다.
제2 콘트롤러(62)는, 축 토크 센서의 검출값(SHT)을 입력으로 한 전달함수(Gy(s))를 구비한다. 이 전달함수(Gy(s))는, 상술한 축 토크 제어 기능을 갖는 콘트롤러(C)를 구성하는 전달함수(Gy(s))(도 3 참조)와 동일한 것이 이용된다.
제1 콘트롤러(61)는, 적분 조작량 연산부(611); 보정값 연산부(612); 비적분 조작량 연산부(613); 합산부(614)를 구비한다.
적분 조작량 연산부(611)는, 축 토크 편차(SHTref-SHT)의 적분값을 산출하고, 이 적분값과 보정값 연산부(612)에 의해 산출되는 보정값의 합계를 산출하며, 이 합계에 적분 이득(Ki)을 곱하는 것에 의해 적분 조작량을 산출한다.
보정값 연산부(612)는, 다이나모 회전수(DYw)에 소정의 관성 보상량(Jcmp)을 곱하는 것에 의해, 상술한 적분 조작량에 대한 보정값(DYw×Jcmp)을 산출한다. 이후에 상세하게 설명하는 바와 같이, 다이나모 제어장치(6)에서는, 이러한 보정값(DYw×Jcmp)을 이용하여 적분 조작량을 보정함으로써, 엔진 측에서의 외관상의 관성이 관성 보상량(Jcmp) 정도만큼 작아지도록 하는 관성 보상 제어 기능이 부여된다.
비적분 조작량 연산부(613)는 전달함수(Ge0(s))를 구비한다. 비적분 조작량 연산부(613)는, 이 전달함수(Ge0(s))에 축 토크 편차(SHTref-SHT)를 입력하여 얻어지는 출력을 비적분 조작량으로 한다. 이 비적분 조작량 연산부(613)의 전달함수(Ge0(s))는, 축 토크 제어 기능을 갖는 전달함수(Ge(s))로부터, 하기 식 (2)를 만족하도록 적분 이득(Ki)의 적분기를 분리함으로써 얻어지는 것이 이용된다. 이 전달함수(Ge(s))는, 보다 구체적으로는, 도 3에 나타내는 축 토크 제어 기능을 갖는 콘트롤러(C)의 전달함수(Ge(s)), 즉 상술한 제2 콘트롤러(62)의 전달함수(Gy(s))와 함께 도출된 전달함수(Ge(s))가 이용된다.
[수학식 2]
Figure 112017064672737-pct00002
합산부(614)는, 적분 조작량 연산부(611)의 출력인 적분 조작량과, 비적분 조작량 연산부(613)의 출력인 비적분 조작량을 합산한다. 합산부(614)의 출력은, 상술한 바와 같이 토크 전류 지령 신호(DYTref)의 일부가 된다.
다음으로, 이상과 같이 하여 구성된 다이나모 제어장치(6)(도 2 참조)가 관성 보상 제어 기능을 갖는 것을 설명한다. 단순하게 하기 위해, 엔진과 다이나모미터를 연결하는 샤프트를 강체(스프링 계수(Kc)가 ∞)로 하면, 제어 대상의 운동 방정식은 하기 식 (3-1)~(3-3)에 나타내는 바와 같은 2 관성계 모델에 의해 기술된다.
[수학식 3]
Figure 112017064672737-pct00003
또한, 관성 보상 제어 기능의 동작의 적절성은, 그 저역(低域) 특성을 해석함으로써 판명된다. 따라서, 도 2에 나타내는 다이나모 제어장치(6)의 저역 특성에 기여하는 부분만을 발췌하여, 추가로 지령값(SHTref)을 0으로 하면, 하기 식 (4)가 얻어진다.
[수학식 4]
Figure 112017064672737-pct00004
이들 식 (3-1)~(3-3) 및 식 (4)를 이용하면, 엔진 토크(EGT)에 대한 엔진 각가속도(sㆍEGw)의 비(엔진 토크에서 각가속도까지의 전달함수)는, 하기 식 (5)가 된다. 또한, 이 전달함수의 저역 극한(s=0)은 엔진에서의 외관상 관성 모멘트의 역수(逆數)가 되지만, 이것은 하기 식 (5)로부터 얻어지는 바와 같이 1/(EGJ-Jcmp)이 된다. 즉, 엔진으로부터의 외관상의 관성 모멘트는 EGJ 내지 EGJ-Jcmp가 되고, 도 2의 다이나모 제어장치(6)에 의하면 관성 보상량(Jcmp) 정도만큼 관성 보상되는 것이 명백해졌다.
[수학식 5]
Figure 112017064672737-pct00005
다음으로, 이상과 같이 구성된 다이나모 제어장치(6)를 구비한 다이나모미터 시스템(1)의 효과에 대해 설명한다.
도 4는, 도 2의 다이나모 제어장치(6)를 이용한 다이나모미터 시스템(1)에서의 엔진 시동 시의 엔진 회전수의 변화를 나타내는 도면이다. 도 4에는, 도 2의 다이나모 제어장치(6)를 이용한 시스템에 의한 측정 결과를 가는 실선으로 나타낸다. 또한, 엔진과 샤프트를 분리하여 엔진을 실제로 무부하 상태로 하여 측정했을 경우의 결과, 즉 관성 보상 제어 시의 이상이 되는 값을 굵은 파선으로 나타낸다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 가는 실선과 굵은 파선은 거의 일치한다. 상술한 바와 같이 관성 보상 제어 기능이 추가된 다이나모 제어장치(6)를 이용한 시스템에 의하면, 엔진 시동 시에는 다이나모미터로 샤프트 관성이 보상되기 때문에, 엔진 단일체 상당의 시동 파형이 얻어지는 것이 검증되었다. 즉, 본 실시 형태의 다이나모 제어장치(6)를 이용함으로써, 엔진에서 보아 무부하 상태가 실현된다.
1: 다이나모미터 시스템
6: 다이나모 제어장치
611: 적분 조작량 연산부
612: 보정값 연산부
613: 비적분 조작량 연산부
614: 합산부
7: 축 토크 센서
8: 인코더(8)(회전수 검출기)
E: 엔진(공시체)
S: 결합축(축)

Claims (2)

  1. 다이나모미터; 공시체; 상기 다이나모미터 및 상기 공시체를 연결하는 축; 상기 축에 작용하는 토크를 검출하는 축 토크 센서; 상기 다이나모미터의 회전수를 검출하는 회전수 검출기;를 구비한 다이나모미터 시스템의 제어장치로서,
    상기 축 토크 센서의 검출값과, 상기 축 토크 센서의 검출값에 대한 지령값의 편차의 적분값을 산출하고, 상기 적분값과 소정의 보정값의 합계에 적분 이득을 곱하여 적분 조작량을 산출하는 적분 조작량 연산부;
    상기 회전수 검출기의 검출값에 소정의 보정 계수를 곱함으로써 상기 보정값을 산출하는 보정값 연산부;
    상기 편차를 입력으로 한 소정의 전달함수의 출력을 비적분 조작량으로 하는 비적분 조작량 연산부;
    상기 적분 조작량과 상기 비적분 조작량을 합산함으로써 상기 다이나모미터에 대한 토크 전류 지령 신호를 생성하는 합산부;를 구비하는 것을 특징으로 하는 다이나모미터 시스템의 제어장치.
    여기서, 상기 비적분 조작량 연산부의 전달함수(Ge0(s))는, Ki를 상기 적분 이득으로 하고, s를 라플라스 연산자로 하며, Ge(s)를 상기 편차가 입력되면 상기 편차가 없어지도록 하는 토크 전류 지령 신호를 출력하는 전달함수로 하고, 하기 수학식 1을 만족하도록 정해짐.
    [수학식 1]
    Figure 112017122823909-pct00006

  2. 제1항에 있어서,
    상기 전달함수(Ge(s))는, μ설계법 또는 H∞설계 방법이라고 하는 제어계 설계 방법을 바탕으로 설계되는 것을 특징으로 하는 다이나모미터 시스템의 제어장치.
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