KR102127131B1

KR102127131B1 - 동력계 제어 장치

Info

Publication number: KR102127131B1
Application number: KR1020207010466A
Authority: KR
Inventors: 타카오 아키야마
Original assignee: 메이덴샤 코포레이션
Priority date: 2017-09-13
Filing date: 2018-06-14
Publication date: 2020-06-26
Also published as: WO2019053979A1; US20200271539A1; JP2019052862A; US11105701B2; KR20200042958A; JP6390774B1

Abstract

목적은 입력측 동력계에 대해 안정적으로 저관성화 제어를 수행할 수 있는 동력계 제어 장치를 제공하는 것. 입력측 제어 장치(5)는 상위 토크 지령 신호 Tref와 축 토크 검출 신호 Tsh의 차 신호를 이용함으로써, 설정 관성 모멘트 Jset를 갖는 관성체가 차 신호에 상당하는 토크하에서 운동했을 때의 회전 속도에 상당하는 모델 속도 신호 ωm을 생성하고, 모델 속도 신호 ωm과 속도 검출 신호 ω의 차를 없애는 제1 제어 입력 신호를 생성하는 피드백 제어기(51), 차 신호에 K·Jdy/Jset를 곱셈함으로써 제2 제어 입력 신호를 생성하는 피드 포워드 제어기(55), 제어기(51, 55)의 출력을 합쳐 얻어지는 신호로부터, 공진 주파수의 근방으로 설정된 컷오프 주파수 fc보다 고주파수의 성분을 감쇠시킴으로써 토크 지령 신호 Tr을 생성하는 로우 패스 필터(57)를 구비한다.

Description

동력계 제어 장치

본 발명은 동력계 제어 장치에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 예를 들어 차량의 드라이브 트레인과 같은 입력축과 출력축을 구비하는 공시체와, 이 공시체의 입력축에 연결된 입력측 동력계를 구비하는 시험 시스템에 이용되는 동력계 제어 장치에 관한 것이다.

드라이브 트레인이란, 엔진에서 발생한 에너지를 구동륜으로 전달하기 위한 복수의 장치의 총칭을 말하며, 엔진, 클러치, 트랜스미션, 드라이브 샤프트, 프로펠러 샤프트, 디퍼렌셜 기어 및 구동륜 등으로 구성된다. 드라이브 트레인의 시험 시스템에서는, 실제로 엔진으로 트랜스미션을 구동하는 동시에 그 출력축에 접속된 출력측 동력계를 전기 관성 제어함으로써, 타이어나 차체의 관성을 모의한 부하 토크를 출력축에 부여하면서 드라이브 트레인의 내구 성능이나 품질 등이 평가된다(예를 들어 특허 문헌 1 참조). 또한 최근에는 드라이브 트레인의 입력축에 입력하는 구동 토크를 실제 엔진 대신 입력측 동력계에서 발생시키는 시험 시스템도 제안되었다(예를 들어 특허 문헌 2 참조).

실제 엔진에서는 각 기통에서의 연소 행정에서 기인하여 주기적인 토크 변동이 발생한다. 이에 시험 시스템에서는 이와 같은 실제 엔진의 토크 변동을 모의하기 위해, 공시체의 입력축을 회전시키면서 입력측 동력계의 토크를 소정 주기 및 진폭으로 변동시킴으로써 시험의 재현성을 향상시키고 있다. 보다 구체적으로는, 일정한 구동 토크를 발생시키기 위한 직류의 베이스 토크 성분에, 소정의 가진 주파수 및 가진 진폭으로 특징지어지는 교류의 가진 토크 성분을 합성한 것을 토크 지령 신호로 하여, 이를 동력계의 인버터로 입력한다(예를 들어 특허 문헌 3 참조).

특허문헌 1: 국제 공개 공보 제2014/010409호 특허문헌 2: 일본 특허 공개 공보 제2013-257234호 특허문헌 3: 일본 특허 공개 공보 제2002-71520호

그런데, 입력측 동력계의 실제 관성 모멘트(이하, '동력계 관성 모멘트'라고도 함)는 이에 의해 모의하고자 하는 실제 엔진의 관성 모멘트와 상이하다. 보다 구체적으로는, 동력계 관성 모멘트는 실제 엔진의 관성 모멘트보다 크다. 때문에, 시험의 재현성을 향상시키기 위해서는, 동력계 관성 모멘트가 흡사 그보다 작은 값으로 설정된 설정 관성 모멘트인 것처럼 입력측 동력계를 제어하는 저관성화 제어를 함께 수행할 필요가 있다.

도 10은 입력측 동력계에 대해 저관성화 제어를 거치지 않은 토크 지령 신호를 입력한 경우의 입력측 동력계의 회전 속도(단위시간당 회전수)의 변화를 나타내는 도면이다. 도 10에는 동력계 관성 모멘트보다 작은 값으로 설정된 설정 관성 모멘트를 갖는 가상적인 동력계에 동일한 토크 지령 신호를 입력한 경우에 실현되는 회전 속도의 변화를 파선으로 나타낸다. 즉 도 10에서의 파선은 저관성화 제어에 의해 입력측 동력계에서 실현하고자 하는 이상적인 회전 속도의 변화이다. 도 10에 나타내는 바와 같이, 입력측 동력계와 가상적인 동력계는 회전 속도의 상승 속도가 상이하다. 보다 구체적으로는, 입력측 동력계보다 가상적인 동력계가 관성 모멘트가 작은 만큼, 가상적인 동력계의 회전 속도는 빠르게 상승한다.

이와 같이 드라이브 트레인의 시험 시스템에 있어서, 입력측 동력계에 의한 실제 엔진의 재현성을 향상시키기 위해서는, 입력측 동력계에 대해 저관성화 제어를 수행할 필요가 있다. 여기서 공시체의 출력축에 연결되는 출력측 동력계에 대한 저관성화 제어의 구체적인 방법에 대해서는, 예를 들어 본원 출원인에 의한 특허 문헌 1에 나타나 있다. 그러나, 공시체의 입력축에 연결되는 입력측 동력계에 대한 저관성화 제어의 구체적인 방법에 대해서는 지금까지 충분히 검토되지 않았다.

여기서, 특허 문헌 1에 나타나 있는 출력측 동력계에 대한 저관성화 제어를 그대로 입력측 동력계에 적용하는 것도 생각할 수 있다. 그러나, 입력축과 출력축에서는 비틀림 진동에 의한 영향이 상이하기 때문에, 안정적인 저관성화 제어를 수행할 수 있을지 어떨지 분명하지 않다.

본 발명은 입력축과 출력축을 구비하는 공시체의 입력축에 연결된 입력측 동력계를 구비하는 시험 시스템에 있어서, 이 입력측 동력계에 대해 안정적으로 저관성화 제어를 수행할 수 있는 동력계 제어 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

(1) 시험 시스템(예를 들어 후술하는 시험 시스템(1))은 입력축(예를 들어 후술하는 입력축(SI)) 및 출력축(예를 들어 후술하는 출력축(SO1, SO2))을 구비하는 공시체(예를 들어 후술하는 공시체(W))의 입력축에 연결된 동력계(예를 들어 후술하는 입력측 동력계(21)), 토크 지령 신호(예를 들어 후술하는 입력측 토크 지령 신호 Tr)에 따른 전력을 상기 동력계에 공급하는 인버터(예를 들어 후술하는 입력측 인버터(22)), 상기 동력계의 회전 속도에 따른 속도 검출 신호(예를 들어 후술하는 입력측 속도 검출 신호 ω)를 발생하는 속도 검출기(예를 들어 후술하는 입력측 엔코더(23)), 상기 입력축에 작용하는 축 토크에 따른 축 토크 검출 신호(예를 들어 후술하는 입력측 축 토크 검출 신호 Tsh)를 발생하는 축 토크 검출기(예를 들어 후술하는 입력측 축 토크 미터(24))를 구비한다. 본 발명의 동력계 제어 장치(예를 들어 후술하는 입력측 제어 장치(5))는 상기 속도 검출 신호 및 상기 축 토크 검출 신호를 이용하여 상기 토크 지령 신호를 생성하는 것이며, 상기 토크 지령 신호에 대한 상위 지령 신호(예를 들어 후술하는 상위 지령 신호 Tref)와 상기 축 토크 검출 신호의 차 신호(예를 들어 후술하는 차 신호(Tref-Tsh))를 이용함으로써, 상기 동력계의 관성 모멘트(예를 들어 후술하는 입력측 관성 모멘트 Jdy)보다 작은 설정 관성 모멘트(예를 들어 후술하는 설정 관성 모멘트 Jset)를 갖는 관성체가 상기 차 신호에 상당하는 토크하에서 운동했을 때의 회전 속도에 상당하는 모델 속도 신호(예를 들어 후술하는 모델 속도 신호 ωm)를 생성하고, 상기 모델 속도 신호와 상기 속도 검출 신호의 차를 없애는 제1 제어 입력 신호를 생성하는 피드백 제어기(예를 들어 후술하는 피드백 제어기(51)), 상기 차 신호에 상기 동력계의 관성 모멘트 및 상기 설정 관성 모멘트를 기초로 그 값이 설정되는 계수를 곱셈함으로써 제2 제어 입력 신호를 생성하는 피드 포워드 제어기(예를 들어 후술하는 피드 포워드 제어기(55)), 상기 제1 제어 입력 신호와 상기 제2 제어 입력 신호를 합쳐 얻어지는 신호로부터, 상기 공시체의 상기 입력축측에서의 공진 주파수의 근방으로 설정된 컷오프 주파수(예를 들어 후술하는 컷오프 주파수 fc)보다 고주파수의 성분을 감쇠시킴으로써 상기 토크 지령 신호를 생성하는 필터(예를 들어 후술하는 로우 패스 필터(57))를 구비하는 것을 특징으로 한다.

(2) 이 경우, 상기 공시체는 차량의 드라이브 트레인이며, 상기 필터는 2차 로우 패스 필터인 것이 바람직하다.

(3) 이 경우, 상기 계수는 상기 동력계의 관성 모멘트가 커질수록 큰 값으로 설정되며, 상기 설정 관성 모멘트가 커질수록 작은 값으로 설정되는 것이 바람직하다.

(1) 본 발명의 동력계 제어 장치는 피드백 제어기와 피드 포워드 제어기와 필터를 구비하며, 이들을 이용함으로써 공시체의 입력축에 연결되는 동력계에 대한 토크 지령 신호를 생성한다. 피드백 제어기는 토크 지령 신호에 대한 상위 지령 신호와 축 토크 검출 신호의 차 신호를 이용함으로써, 동력계 관성 모멘트보다 작은 설정 관성 모멘트를 갖는 관성체가 차 신호에 상당하는 토크의 작용하에서 운동했을 때의 회전 속도에 상당하는 모델 속도 신호를 생성하고, 다시 이 모델 속도 신호와 속도 검출 신호의 차를 없애는 제1 제어 입력 신호를 생성한다. 본 발명의 동력계 제어 장치에서는 설정 관성 모멘트를 갖는 관성체를 모델로 한 연산을 기초로 이상과 같은 순서로 제1 제어 입력 신호를 생성함으로써, 동력계 관성 모멘트가 흡사 이보다 작은 설정 관성 모멘트인 것처럼 동력계의 저관성화 제어를 수행할 수 있다. 여기서 공시체의 입력축과 동력계를 접속한 경우, 이 입력축에는 비틀림 진동이 발생하여 상기와 같은 피드백 제어기만으로는 이 비틀림 진동에서 기인하여 안정적인 저관성화 제어를 수행할 수 없는 경우가 있다. 이에 반해 본 발명에서는, 피드 포워드 제어기에서, 상위 지령 신호와 축 토크 검출 신호의 차 신호에, 동력계 관성 모멘트 및 설정 관성 모멘트를 기초로 그 값이 설정되는 계수를 곱셈함으로써 제2 제어 입력 신호를 생성하고, 다시 필터에서, 이들 제1 제어 입력 신호와 제2 제어 입력 신호를 합쳐 얻어지는 신호로부터 공시체의 입력축측에서의 공진 주파수의 근방으로 설정된 컷오프 주파수보다 고주파수의 성분을 감쇠시킴으로써 토크 지령 신호를 생성한다. 본 발명의 동력계 제어 장치에 의하면, 피드백 제어기에 더하여, 이와 같은 피드 포워드 제어기와 필터를 병용함으로써, 입력축에 연결된 동력계에 대해 안정적으로 저관성화 제어를 수행할 수 있다.

(2) 본 발명의 동력계 제어 장치에서는, 공시체를 드라이브 트레인으로 하고, 토크 지령 신호에서의 고주파수 성분을 감쇠시키는 필터로서 2차 로우 패스 필터를 이용한다. 일반적으로 드라이브 트레인은 엔진이 접속되는 입력축측과 구동륜이 접속되는 출력축측에서 공진 특성이 상이하다. 본 발명의 동력계 제어 장치에서는 필터로서 2차 로우 패스 필터를 이용함으로써, 입력축측에서의 토크 지령 신호에 대한 축 토크의 고주파수 영역에서의 감쇠 경도를, 출력축측에서의 토크 지령 신호에 대한 축 토크의 고주파수 영역에서의 감쇠 경도에 가깝게 할 수 있으며, 나아가서는 입력축측의 동력계에 대한 저관성화 제어를 더욱더 안정화시킬 수 있다.

(3) 본 발명의 동력계 제어 장치에서는 피드 포워드 제어기에서, 차 신호에 곱하는 계수로서, 동력계 관성 모멘트가 커질수록 큰 값으로 설정되고, 설정 관성 모멘트가 커질수록 작은 값으로 설정되는 것을 이용한다. 이로써, 입력축측의 동력계에 대한 저관성화 제어를 더욱더 안정화시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 입력측 제어 장치가 적용된 드라이브 트레인의 시험 시스템의 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 출력측 제어 장치의 제어 회로의 구성을 나타내는 블럭도이다.
도 3은 마찰 계수값을 결정하는 제어 맵의 일 예이다.
도 4는 입력측 제어 장치의 제어 회로의 구성을 나타내는 블럭도이다.
도 5는 비교예의 입력측 제어 장치를 이용하여 저관성화 제어를 수행한 경우의 입력측 동력계의 회전 속도의 변화를 나타내는 도면이다.
도 6은 공시체의 입력축측의 기계 특성을 나타내는 보드 선도이다.
도 7은 공시체의 출력축측의 기계 특성을 나타내는 보드 선도이다.
도 8은 상기 실시 형태에 따른 입력측 제어 장치가 적용된 시험 시스템에서, 로우 패스 필터로의 입력으로부터 본 공시체의 입력축측의 기계 특성을 나타내는 보드 선도이다.
도 9는 상기 실시 형태에 따른 입력측 제어 장치를 이용하여 입력측 동력계의 저관성화 제어를 수행한 경우의 입력측 동력계의 회전 속도의 변화를 나타내는 도면이다.
도 10은 입력측 동력계에 대해 저관성화 제어를 거치지 않은 토크 지령 신호를 입력한 경우의 입력측 동력계의 회전수 변화를 나타내는 도면이다.

이하, 본 발명의 일 실시 형태에 대해 도면을 참조하면서 상세히 설명한다.

도 1은 본 실시 형태에 따른 입력측 제어 장치(5)가 적용된 드라이브 트레인의 시험 시스템(1)의 구성을 나타내는 도면이다. 또한 도 1에는 FF 구동 방식의 차량의 드라이브 트레인을 공시체(W)로 한 시험 시스템(1)의 예를 나타내지만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 공시체는 예를 들어 FR 구동 방식의 차량의 드라이브 트레인으로 할 수도 있다.

공시체(W)는 완성 차에 탑재한 상태에서는 도시하지 않는 엔진이 접속되는 입력축(SI), 드라이브 샤프트인 좌우의 출력축(SO1, SO2), 클러치, 트랜스미션 및 디퍼렌셜 기어 등을 조합하여 구성되며, 입력축(SI)으로부터 입력된 동력을 출력축(SO1, SO2)에 전달하는 본체(WB)를 구비한다.

시험 시스템(1)은 입력측 동력계(21), 입력측 인버터(22), 입력측 엔코더(23), 입력측 축 토크 미터(24), 제1 출력측 동력계(31), 제2 출력측 동력계(32), 제1 출력측 인버터(33), 제2 출력측 인버터(34), 제1 출력측 엔코더(35), 제2 출력측 엔코더(36), 제1 출력측 축 토크 미터(37), 제2 출력측 축 토크 미터(38), 입력측 제어 장치(5), 출력측 제어 장치(6)를 구비한다.

입력측 동력계(21)의 출력축은 공시체(W)의 입력축(SI)에 연결되어 있다. 입력측 인버터(22)는 입력측 제어 장치(5)로부터 후술하는 순서에 의해 생성되는 입력측 토크 지령 신호 Tr이 입력되면, 이 입력측 토크 지령 신호 Tr에 따른 전력을 입력측 동력계(21)에 공급한다. 입력측 엔코더(23)는 입력측 동력계(21)의 출력축의 회전 속도(축의 단위시간당 회전수)를 검출하고, 이 회전 속도에 따른 입력측 속도 검출 신호 ω를 발생한다. 이 입력측 속도 검출 신호 ω는 입력측 제어 장치(5)에 입력된다. 입력측 축 토크 미터(24)는 입력축(SI)에 작용하는 축 토크를 예를 들어 축의 뒤틀림 방향의 왜곡량으로부터 검출하고, 이 축 토크에 따른 입력측 축 토크 검출 신호 Tsh를 발생한다. 이 입력측 축 토크 검출 신호 Tsh는 입력측 제어 장치(5)에 입력된다.

제1 출력측 동력계(31)의 출력축은 공시체(W)의 출력축(SO1)에 연결되어 있다. 제1 출력측 인버터(33)는 출력측 제어 장치(6)로부터 후술하는 순서에 의해 생성되는 제1 출력측 토크 지령 신호 Tr1이 입력되면, 이 제1 출력측 토크 지령 신호 Tr1에 따른 전력을 제1 출력측 동력계(31)에 공급한다. 제1 출력측 엔코더(35)는 제1 출력측 동력계(31)의 출력축의 회전 속도를 검출하고, 이 회전 속도에 따른 제1 출력측 속도 검출 신호 ω1을 발생한다. 이 제1 출력측 속도 검출 신호 ω1은 출력측 제어 장치(6)에 입력된다. 제1 출력측 축 토크 미터(37)는 출력축(SO1)에 작용하는 축 토크를 예를 들어 축의 뒤틀림 방향의 왜곡량으로부터 검출하고, 이 축 토크에 따른 제1 출력측 축 토크 검출 신호 Tsh1을 발생한다. 이 제1 출력측 축 토크 검출 신호 Tsh1은 출력측 제어 장치(6)에 입력된다.

제2 출력측 동력계(32)의 출력축은 공시체(W)의 출력축(SO2)에 연결되어 있다. 제2 출력측 인버터(34)는 출력측 제어 장치(6)로부터 후술하는 순서에 의해 생성되는 제2 출력측 토크 지령 신호 Tr2가 입력되면, 이 제2 출력측 토크 지령 신호 Tr2에 따른 전력을 제2 출력측 동력계(32)에 공급한다. 제2 출력측 엔코더(36)는 제2 출력측 동력계(32)의 출력축의 회전 속도를 검출하고, 이 회전 속도에 따른 제2 출력측 속도 검출 신호 ω2를 발생한다. 이 제2 출력측 속도 검출 신호 ω2는 출력측 제어 장치(6)에 입력된다. 제2 출력측 축 토크 미터(38)는 출력축(SO2)에 작용하는 축 토크를 예를 들어 축의 뒤틀림 방향의 왜곡량으로부터 검출하고, 이 축 토크에 따른 제2 출력측 축 토크 검출 신호 Tsh2를 발생한다. 이 제2 출력측 축 토크 검출 신호 Tsh2는 출력측 제어 장치(6)에 입력된다.

입력측 제어 장치(5)는 입력측 속도 검출 신호 ω나 입력측 축 토크 검출 신호 Tsh 등의 입력 신호를 이용함으로써, 이후에 도 4~도 9 등을 참조하여 설명하는 순서에 따라 입력측 토크 지령 신호 Tr을 생성하고, 이를 입력측 인버터(22)에 입력한다. 이로써 입력측 제어 장치(5)는 공시체(W)가 탑재되는 완성 차에서의 엔진을 모의한 구동 토크를 입력측 동력계(21)에 발생시켜, 공시체(W)의 입력축(SI)을 구동한다.

출력측 제어 장치(6)는 제1 및 제2 출력측 속도 검출 신호 ω1, ω2나 제1 및 제2 출력측 축 토크 검출 신호 Tsh1, Tsh2 등의 입력 신호를 이용함으로써, 이후에 도 2~도 3 등을 참조하여 설명하는 순서에 따라 제1 및 제2 출력측 토크 지령 신호 Tr1, Tr2를 생성하고, 이들을 제1 및 제2 출력측 인버터(33, 34)에 입력한다. 이로써 출력측 제어 장치(6)는 공시체(W)가 탑재되는 완성 차에서의 타이어 관성이나 차체 관성을 모의한 부하를 공시체(W)의 출력축(SO1, SO2)에 부여한다.

시험 시스템(1)에서는 입력측 제어 장치(5)에 의해 공시체(W)의 입력축(SI)을 구동하는 동시에, 출력측 제어 장치(6)에 의해 공시체(W)의 출력축(SO1, SO2)에 타이어 관성이나 차체 관성을 모의한 부하를 부여함으로써, 실제 차의 주행 상태에 가까운 상태하에서 공시체(W)의 내구 성능이나 품질 등을 평가한다.

도 2는 출력측 제어 장치(6)의 제어 회로의 구성을 나타내는 블럭도이다.

출력측 제어 장치(6)는 제1 출력측 속도 검출 신호 ω1 및 제1 출력측 축 토크 검출 신호 Tsh1을 기초로 제1 출력측 토크 지령 신호 Tr1을 생성하는 제1 제어 회로(61), 제2 출력측 속도 검출 신호 ω2 및 제2 출력측 축 토크 검출 신호 Tsh2를 기초로 제2 출력측 토크 지령 신호 Tr2를 생성하는 제2 제어 회로(62), 공시체(W)를 탑재한 가상적인 차량의 속도를 산출하는 차량 속도 연산부(63)를 구비한다.

제1 제어 회로(61)는 제1 타이어 속도 연산부(611), 제1 차량 구동 토크 연산부(612), 제1 속도 제어 장치(613), 제1 피드 포워드 입력 연산부(614), 제1 축 토크 입력 셀렉터(615), 제1 합성부(616)를 구비한다. 제2 제어 회로(62)는 제2 타이어 속도 연산부(621), 제2 차량 구동 토크 연산부(622), 제2 속도 제어 장치(623), 제2 피드 포워드 입력 연산부(624), 제2 축 토크 입력 셀렉터(625), 제2 합성부(626)를 구비한다.

차량 속도 연산부(63)는 가상적인 제1 타이어와 가상적인 제1 노면 사이의 마찰력에 의해 발생하는 차량 구동력에 상당하는 후술하는 제1 차량 구동 토크 신호 Fx1와, 가상적인 제2 타이어와 가상적인 제2 노면 사이의 마찰력에 의해 발생하는 차량 구동력에 상당하는 후술하는 제2 차량 구동 토크 신호 Fx2를 입력으로 하고, 상기 제1, 제2 타이어를 구동륜으로 하여 주행하는 가상적인 차량의 관성 모멘트 Jv로 특징지어지는 차량의 운동 방정식(하기 식 (1) 참조)에 의해 차량의 속도에 상당하는 차량 속도 신호 V를 생성한다.

Fx1+Fx2=Jv·dV/dt (1)

차량 속도 연산부(63)는 보다 구체적으로는, 제1 차량 구동 토크 연산부(612)에 의해 생성되는 제1 차량 구동 토크 신호 Fx1과, 제2 차량 구동 토크 연산부(622)에 의해 생성되는 제2 차량 구동 토크 신호 Fx2를 합산한 신호에 차량 관성 모멘트 Jv의 역수를 곱셈하고, 이것에 적분 연산을 실시함으로써 차량 속도 신호 V를 생성한다.

제1 축 토크 입력 셀렉터(615)는 제1 타이어 속도 연산부(611)로의 입력을 제1 출력측 축 토크 검출 신호 Tsh1과 값 0의 신호로 선택적으로 전환한다. 제1 축 토크 입력 셀렉터(615)는 제1 타이어 속도 연산부(611)로의 입력을 통상적으로는 제1 출력측 축 토크 검출 신호 Tsh1로 하고, 스톨 시험(Stall Test)을 수행하는 경우에는 값 0의 신호로 한다.

제1 타이어 속도 연산부(611)는 제1 출력측 축 토크 검출 신호 Tsh1 및 제1 차량 구동 토크 신호 Fx1을 입력으로 하여, 제1 타이어의 관성 모멘트 Jt1로 특징지어지는 제1 타이어의 운동 방정식(하기 식(2) 참조)에 의해 제1 타이어의 회전 속도에 상당하는 제1 타이어 속도 신호 Vw1을 생성한다.

Tsh1-Fx1=Jt1·dVw1/dt (2)

제1 타이어 속도 연산부(611)는 보다 구체적으로는, 제1 출력측 축 토크 검출 신호 Tsh1로부터 제1 차량 구동 토크 신호 Fx1을 감산하여 얻어지는 신호를 제1 타이어의 회전에 기여하는 제1 타이어 구동 토크 신호로 정의하고, 이것에 제1 타이어 관성 모멘트 Jt1의 역수를 곱셈하고, 이것에 적분 연산을 실시함으로써 제1 타이어 속도 신호 Vw1을 생성한다.

제2 축 토크 입력 셀렉터(625)는 제2 타이어 속도 연산부(621)로의 입력을 제2 출력측 축 토크 검출 신호 Tsh2와 값 0의 신호로 선택적으로 전환한다. 제2 축 토크 입력 셀렉터(625)는 제2 타이어 속도 연산부(621)로의 입력을 통상적으로는 제2 출력측 축 토크 검출 신호 Tsh2로 하고, 스톨 시험을 수행하는 경우에는 값 0의 신호로 한다.

제2 타이어 속도 연산부(621)는 제2 출력측 축 토크 검출 신호 Tsh2 및 제2 차량 구동 토크 신호 Fx2를 입력으로 하여, 제2 타이어의 관성 모멘트 Jt2로 특징지어지는 제2 타이어의 운동 방정식(하기 식 (3) 참조)에 의해 제2 타이어의 회전 속도에 상당하는 제2 타이어 속도 신호 Vw2를 생성한다. 제2 타이어 속도 신호 Vw2를 산출하는 구체적인 순서는 제1 타이어 속도 신호 Vw1을 산출하는 순서와 동일하므로 그 상세한 설명은 생략한다.

Tsh2-Fx2=Jt2·dVw2/dt (3)

제1 차량 구동 토크 연산부(612)는 제1 타이어 속도 신호 Vw1과 차량 속도 신호 V의 차를 기초로, 제1 타이어와 가상적으로 설정된 제1 노면 사이의 마찰력에 의해 발생하는 차량 구동력에 상당하는 제1 차량 구동 토크 신호 Fx1을 생성한다. 이하, 그 순서에 대해 구체적으로 설명한다.

제1 차량 구동 토크 연산부(612)는 먼저, 속도차(Vw1-V) 및 속도 신호 Vw1 및 V 중 어느 큰 것을 기초로, 제1 타이어의 제1 노면상에서의 제1 슬립률 λ1을 하기 식 (4)를 기초로 산출한다. 다음으로, 제1 차량 구동 토크 연산부(612)는 산출한 제1 슬립률 λ1을 인수로 하여, 도 3에 나타내는 바와 같은 제어 맵 f1을 기초로 제1 타이어-제1 노면 사이의 제1 마찰 계수값 μ1을 결정한다(하기 식 (5) 참조). 아울러, 이 마찰 계수값을 결정하는 제어 맵은 제1 노면의 상태(설면, 건조 노면 등)에 따라 적절히 선택 가능하도록 되어 있다. 다음으로, 제1 차량 구동 토크 연산부(612)는 제1 타이어가 제1 노면으로부터 받는 제1 수직항력값 Nz1에 제1 마찰 계수값 μ1을 곱셈함으로써, 제1 차량 구동 토크 신호 Fx1을 생성한다(하기 식 (6) 참조). 이 제1 수직항력값 Nz1은 미리 정해진 상수 또는 차량 속도 신호 V 등에 따라 추정된 값이 이용된다.

λ1=(Vw1-V)/max(Vw1, V) (4)

μ1=f1(λ1) (5)

Fx1=Nz1·μ1 (6)

제2 차량 구동 토크 연산부(622)는 제2 타이어 속도 신호 Vw2와 차량 속도 신호 V를 입력으로 하여, 하기 식 (7)~(9)를 기초로 제2 타이어와 제2 노면 사이의 마찰력에 의해 발생하는 차량 구동력에 상당하는 제2 차량 구동 토크 신호 Fx2를 생성한다. 제2 차량 구동 토크 신호 Fx2를 생성하는 구체적인 순서는 제1 차량 구동 토크 신호 Fx1을 생성하는 순서와 동일하므로 그 상세한 설명은 생략한다.

λ2=(Vw2-V)/max(Vw2, V) (7)

μ2=f2(λ2) (8)

Fx2=Nz2·μ2 (9)

이상과 같이, 제1 제어 회로(61) 및 제2 제어 회로(62)에서는 공시체(W)의 출력축(SO1, SO2)에 접속되는 제1 타이어 및 제2 타이어와, 이들 타이어를 구동륜으로 하여 제1 노면 및 제2 노면상을 주행하는 차량을 가상적으로 설정하고, 이들을 독립적인 관성 모멘트 Jt1, Jt2, Jv를 갖는 물체로 한 다음, 각각에 대한 운동 방정식 (1)~(9)를 연립시킴으로써 차량 속도 신호 V, 제1 타이어 속도 신호 Vw1 및 제2 타이어 속도 신호 Vw2를 생성한다.

제1 속도 제어 장치(613)는 제1 타이어 속도 신호 Vw1과 제1 출력측 속도 검출 신호 ω1의 편차가 없어지도록 제1 피드백 제어 입력 신호를 생성한다. 제2 속도 제어 장치(623)는 제2 타이어 속도 신호 Vw2와 제2 출력측 속도 검출 신호 ω2의 편차가 없어지도록 제2 피드백 제어 입력 신호를 생성한다.

제1 피드 포워드 입력 연산부(614)는 제1 출력측 축 토크 검출 신호 Tsh1과 제1 차량 구동 토크 신호 Fx1의 차에, 제1 출력측 동력계(31)의 관성 모멘트 Jdy1을 제1 타이어의 관성 모멘트 Jt1로 나눗셈하여 얻어지는 계수를 곱셈함으로써 제1 피드 포워드 제어 입력 신호를 생성한다. 제1 합성부(616)는 제1 속도 제어 장치(613)에 의해 생성되는 제1 피드백 제어 입력 신호와 제1 피드 포워드 입력 연산부(614)에 의해 생성되는 제1 피드 포워드 제어 입력 신호를 모두 더함으로써 제1 출력측 토크 지령 신호 Tr1을 생성한다.

제2 피드 포워드 입력 연산부(624)는 제2 출력측 축 토크 검출 신호 Tsh2와 제2 차량 구동 토크 신호 Fx2의 차에, 제2 출력측 동력계(32)의 관성 모멘트 Jdy2를 제2 타이어의 관성 모멘트 Jt2로 나눗셈하여 얻어지는 계수를 곱셈함으로써 제2 피드 포워드 제어 입력 신호를 생성한다. 제2 합성부(626)는 제2 속도 제어 장치(623)에 의해 생성되는 제2 피드백 제어 입력 신호와 제2 피드 포워드 입력 연산부(624)에 의해 생성되는 제2 피드 포워드 제어 입력 신호를 모두 더함으로써 제2 출력측 토크 지령 신호 Tr2를 생성한다.

도 4는 입력측 제어 장치(5)의 제어 회로의 구성을 나타내는 블럭도이다. 도 4에는 입력측 제어 장치(5)에 구성되는 제어 회로 중, 특히 입력측 동력계의 저관성화 제어를 담당하는 부분을 나타낸다.

입력측 제어 장치(5)는 피드백 제어기(51), 피드 포워드 제어기(55), 합성부(56), 로우 패스 필터(57)를 구비하며, 이들을 이용함으로써 입력측 토크 지령 신호 Tr을 생성한다.

피드백 제어기(51)는 모델 연산부(52)와 속도 제어기(53)를 구비한다. 모델 연산부(52)는 입력측 토크 지령 신호에 대한 상위 지령 신호인 상위 토크 지령 신호 Tref와 입력측 축 토크 검출 신호 Tsh의 차 신호(Tref-Tsh)를 이용하여, 소정의 설정 관성 모멘트 Jset를 갖는 가상적인 관성체의 운동에 관한 연산을 수행한다.

여기서 상위 토크 지령 신호 Tref는 도시하지 않는 상위 지령 생성 장치에서 이미 알고 있는 방법을 기초로 생성된다. 완성 차량에서 공시체(W)의 입력축(SI)에 접속되는 엔진은 각 기통에서의 연소 행정에서 기인하여 주기적인 토크 변동이 생긴다. 이에 상위 지령 생성 장치는 이러한 실제 엔진의 토크 변동을 모의하기 위해, 직류 신호와 교류 신호를 합성함으로써 상위 토크 지령 신호 Tref를 생성한다.

모델 연산부(52)는 설정 관성 모멘트 Jset를 갖는 가상적인 관성체가 상기 차 신호(Tref-Tsh)에 상당하는 토크의 작용하에서 회전 운동했을 때의, 이 관성체의 회전 속도에 상당하는 모델 속도 신호 ωm을 상기 관성체에 대한 운동 방정식을 기초로 생성한다. 여기서 설정 관성 모멘트 Jset는 이미 알고 있는 입력측 동력계(21)의 관성 모멘트인 입력측 관성 모멘트 Jdy보다 작은 값, 보다 구체적으로는 공시체(W)에 접속될 엔진의 관성 모멘트와 동일한 값으로 설정된다. 모델 연산부(52)는 도 2에 나타내는 바와 같이, 차 신호(Tref-Tsh)에 설정 관성 모멘트 Jset의 역수를 곱셈한 것을 적분함으로써 모델 속도 신호 ωm을 생성한다.

속도 제어기(53)는 이미 알고 있는 피드백 제어 규칙을 기초로, 모델 속도 신호 ωm과 입력측 속도 검출 신호 ω의 편차를 없애는 제1 제어 입력 신호를 생성한다. 도 4에는 소정의 게인 Ki, Kp에 의해 특정되는 PI 제어 규칙에 따라 제1 제어 입력 신호를 생성하는 경우를 예시하지만, 속도 제어기(53)에서 이용되는 피드백 제어 규칙은 이에 한정되는 것은 아니다.

피드 포워드 제어기(55)는 상기 차 신호(Tref-Tsh)에 입력측 관성 모멘트 Jdy, 이보다 작은 설정 관성 모멘트 Jset, 소정의 게인 K를 기초로 설정되는 계수를 곱셈함으로써 제2 제어 입력 신호를 생성한다. 피드 포워드 제어기(55)에서, 차 신호(Tref-Tsh)에 곱셈하는 계수는 입력측 관성 모멘트 Jdy가 커질수록 큰 값으로 설정되며, 설정 관성 모멘트 Jset가 커질수록 작은 값으로 설정된다. 도 4에는 차 신호(Tref-Tsh)에 곱셈하는 계수로서, 예를 들어 입력측 관성 모멘트 Jdy를 이보다 작은 설정 관성 모멘트 Jset로 나눗셈한 것에 소정의 게인 K를 곱셈하여 얻어지는 값을 이용한 경우에 대해 설명하지만, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 또한 게인 K의 값은 바람직한 제어 특성이 얻어지도록 1보다 큰 값, 구체적으로는 예를 들어 "1.2"로 설정된다.

합성부(56)는 피드백 제어기(51)에 의해 생성되는 제1 제어 입력 신호와 피드 포워드 제어기(55)에 의해 생성되는 제2 제어 입력 신호를 모두 더한 신호를 로우 패스 필터(57)에 입력한다.

로우 패스 필터(57)는 합성부(56)의 출력 신호 중 소정의 컷오프 주파수 fc보다 고주파수의 성분을 감쇠시킴으로써 입력측 토크 지령 신호 Tr을 생성한다. 로우 패스 필터(57)의 컷오프 주파수 fc는 입력측 제어 장치(5)에 의한 입력측 동력계(21)의 저관성화 제어가 안정적으로 실현되도록, 공시체(W)의 입력축(SI)측의 기계 특성에서 나타나는 공진 주파수(예를 들어 이후에 도 6 등을 참조하여 설명하는 바와 같이, 약 20[Hz])의 근방으로 설정된다. 여기서 '공진 주파수의 근방'이란, 컷오프 주파수 fc는 공진 주파수와 엄밀하게 일치시킬 필요는 없고, 수 [Hz] 정도의 차이가 허용되는 것을 의미한다. 또한 로우 패스 필터(57)로서는, 상기 저관성화 제어가 더욱더 안정적으로 실현되도록 2차 함수형의 것이 이용된다. 이하에서는, 이상과 같은 컷오프 주파수 fc 및 함수형의 로우 패스 필터(57)를 이용하는 이유에 대해 설명한다.

도 5는 비교예의 입력측 제어 장치를 이용하여 입력측 동력계(21)의 저관성화 제어를 수행한 경우의 입력측 동력계(21)의 회전 속도의 변화를 나타내는 도면이다. 여기서 비교예의 입력측 제어 장치란, 도 4에 나타내는 본 실시 형태의 입력측 제어 장치(5)로부터 로우 패스 필터(57)를 제외한 것이다. 또한 도 5에서, 파선은 도 10과 동일하게 정의되는 이상적인 회전 속도의 변화를 나타낸다. 도 5에 나타내는 바와 같이, 로우 패스 필터(57)를 구비하지 않는 비교예의 입력측 제어 장치에서는, 안정적인 저관성화 제어를 수행하지 못해 입력측 동력계(21)의 회전 속도가 크게 진동한다. 비교예의 입력측 제어 장치에서는 안정적인 저관성화 제어를 실현할 수 없는 이유는, 이하에서 설명하는 바와 같이 공시체(W)의 입력축(SI)측과 출력축(SO1, SO2)측 사이의 기계 특성의 차이에서 기인하는 것으로 생각된다.

도 6은 공시체(W)의 입력축(SI)측의 기계 특성을 나타내는 보드 선도이다. 여기서 입력축(SI)측의 기계 특성이란, 보다 구체적으로는 입력측 토크 지령 신호 Tr로부터 입력측 축 토크 검출 신호 Tsh까지의 전달 함수(Tsh(s)/Tr(s))를 말한다.

도 7은 공시체(W)의 출력축(SO1)측의 기계 특성을 나타내는 보드 선도이다. 여기서 출력축(SO1)측의 기계 특성이란, 보다 구체적으로는 제1 출력측 토크 지령 신호 Tr1로부터 제1 출력측 축 토크 검출 신호 Tsh1까지의 전달 함수(Tsh1(s)/Tr1(s))를 말한다. 아울러, 출력축(SO2)측의 기계 특성은 도 7과는 정성적으로는 동일하므로, 도시 및 상세한 설명을 생략한다.

이들 도 6 및 도 7에 나타내는 바와 같이 공시체(W)의 기계 특성에는, 축의 비틀림 진동에서 기인하여 특정 주파수에서 입출력비가 높아지는 공진 현상이 발생한다. 보다 구체적으로는, 입력축(SI)측의 기계 특성에는, 약 20[Hz]에서 1차 공진점이 나타나고, 약 25[Hz]에서 1차 반공진점이 나타난다. 또한 출력축(SO1)측의 기계 특성에는, 약 5[Hz]에서 1차 공진점이 나타난다.

입력축(SI)측의 기계 특성과 출력축(SO1)측의 기계 특성의 차이와 관련하여 특히 주목할 점으로서, 각각의 1차 공진 주파수보다 고주파수측에서의 감쇠 경도가 있다. 출력축(SO1)측의 기계 특성에서의 1차 공진 주파수보다 고주파수측의 감쇠 경도는 도 7에서 파선으로 나타내는 바와 같이 약 -40[dB/dec]이다. 이에 반해 입력축(SI)측의 기계 특성에서 1차 공진 주파수보다 고주파수측에서는, 입출력비는 -40[dB/dec]보다 급격한 감쇠 경도로 반공진점을 향해 저하된 후, 다시 증가하고 있다.

비교예의 입력측 제어 장치에 의한 저관성화 제어를 불안정하게 하는 요인은 이 1차 공진 주파수보다 고주파수측에서의 감쇠 경도의 차이에서 기인하는 것으로 생각된다. 또한 이들 감쇠 경도의 차이 중에서도 특히 입력측에서는 반공진점보다 고주파수측(예를 들어 100[Hz] 이후)에서 입출력비가 충분히 감쇠하지 않은 점이 저관성화 제어를 불안정하게 하고 있는 것으로 생각된다. 이에 본 실시 형태에 따른 입력측 제어 장치(5)에 마련되는 로우 패스 필터(57)의 컷오프 주파수 fc 및 구체적인 함수형은 입력축(SI)측과 출력축(SO1)측에서 감쇠 경도가 대체로 일치하도록, 보다 구체적으로는 입력측의 입출력비가 상기 고주파수측에서도 -40[dB/dec]로 감쇠하도록 설정된다.

도 8은 본 실시 형태에 따른 입력측 제어 장치(5)가 적용된 시험 시스템(1)에서, 로우 패스 필터(57)로의 입력으로부터 본 공시체(W)의 입력축(SI)측의 기계 특성을 나타내는 보드 선도이다. 여기서 입력측 제어 장치(5)의 로우 패스 필터(57)의 컷오프 주파수 fc는, 입력축(SI)측의 공진 주파수의 근방인 20[Hz]로 설정했다. 또한 로우 패스 필터(57)의 함수형은 2차로 했다. 도 8에 나타내는 바와 같이, 이상과 같은 로우 패스 필터(57)를 이용함으로써, 입력축(SI)측의 기계 특성에 있어서, 그 1차 공진 주파수보다 고주파수측에서의 감쇠 경도는 대체로 -40[dB/dec]가 되어, 출력축(SO1)측의 감쇠 경도와 대체로 일치한다.

도 9는 본 실시 형태에 따른 입력측 제어 장치(5)를 이용하여 입력측 동력계(21)의 저관성화 제어를 수행한 경우의 입력측 동력계(21)의 회전 속도의 변화를 나타내는 도면이다. 도 9에서, 파선은 도 10과 동일하게 정의되는 이상적인 회전 속도의 변화를 나타낸다. 이 도 9에 나타내는 바와 같이, 본 실시 형태의 입력측 제어 장치(5)에 의하면, 로우 패스 필터(57)를 이용함으로써 입력축(SI)측과 출력축(SO1)측에서 감쇠 경도를 맞춤으로써, 안정적으로 저관성화 제어를 수행할 수 있다. 또한 입력측 제어 장치(5)를 이용한 저관성화 제어에 의하면, 설정 관성 모멘트 Jset보다 큰 입력측 관성 모멘트 Jdy를 갖는 입력측 동력계(21)의 회전 속도의 변화를, 파선으로 나타내는 이상적인 회전 속도의 변화와 거의 일치시킬 수 있다. 즉, 입력측 제어 장치(5)에 의하면, 입력측 동력계(21)의 관성 모멘트를 입력측 관성 모멘트 Jdy보다 작은 설정 관성 모멘트 Jset로 하는 저관성화 제어를 정밀하게 실현할 수 있다.

이상, 본 발명의 일 실시 형태에 대해 설명했지만, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 본 발명의 취지의 범위 내에서 세부 구성을 적절히 변경할 수도 있다.

1: 시험 시스템
W: 공시체
SI: 입력축
SO1, SO2: 출력축
21: 입력측 동력계(동력계)
22: 입력측 인버터(인버터)
23: 입력측 엔코더(속도 검출기)
24: 입력측 축 토크 미터(축 토크 검출기)
5: 입력측 제어 장치(동력계 제어 장치)
51: 피드백 제어기
55: 피드 포워드 제어기
57: 로우 패스 필터(필터)
6: 출력측 제어 장치

Claims

입력축 및 출력축을 구비하는 공시체의 입력축에 연결된 동력계,
토크 지령 신호에 따른 전력을 상기 동력계에 공급하는 인버터,
상기 동력계의 회전 속도에 따른 속도 검출 신호를 발생하는 속도 검출기,
상기 입력축에 작용하는 축 토크에 따른 축 토크 검출 신호를 발생하는 축 토크 검출기를 구비하는 시험 시스템에서, 상기 속도 검출 신호 및 상기 축 토크 검출 신호를 이용하여 상기 토크 지령 신호를 생성하는 동력계 제어 장치에 있어서,
상기 토크 지령 신호에 대한 상위 지령 신호와 상기 축 토크 검출 신호의 차 신호를 이용함으로써, 상기 동력계의 관성 모멘트보다 작은 설정 관성 모멘트를 갖는 관성체가 상기 차 신호에 상당하는 토크하에서 운동했을 때의 회전 속도에 상당하는 모델 속도 신호를 생성하고, 상기 모델 속도 신호와 상기 속도 검출 신호의 차를 없애는 제1 제어 입력 신호를 생성하는 피드백 제어기,
상기 차 신호에 상기 동력계의 관성 모멘트 및 상기 설정 관성 모멘트를 기초로 그 값이 설정되는 계수를 곱셈함으로써 제2 제어 입력 신호를 생성하는 피드 포워드 제어기,
상기 제1 제어 입력 신호와 상기 제2 제어 입력 신호를 합쳐 얻어지는 신호로부터, 상기 공시체의 상기 입력축측에서의 공진 주파수의 근방으로 설정된 컷오프 주파수보다 고주파수의 성분을 감쇠시킴으로써 상기 토크 지령 신호를 생성하는 필터를 구비하는 것을 특징으로 하는 동력계 제어 장치.
제1항에 있어서,
상기 공시체는 차량의 드라이브 트레인이며,
상기 필터는 2차 로우 패스 필터인 것을 특징으로 하는 동력계 제어 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 계수는 상기 동력계의 관성 모멘트가 커질수록 큰 값으로 설정되며, 상기 설정 관성 모멘트가 커질수록 작은 값으로 설정되는 것을 특징으로 하는 동력계 제어 장치.