KR20140137372A - 다이나모미터 시스템 - Google Patents

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KR20140137372A
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Abstract

본 발명은 부하의 관성이 커져도 안정적인 속도 제어 또는 위치 제어가 가능한 다이나모미터 시스템을 제공하기 위한 것이다. 다이나모미터 시스템의 속도 제어장치(6C)는, 각속도 지령값 ωref 및 다이나모미터 각속도 ωM을 바탕으로 토크 전류 지령값 T2를 산출하는 속도 제어 회로부(61A); 외란 옵저버 Tobs를 속도 제어 회로부(61A)에 의해 산출된 토크 전류 지령값 T2에서 감산하여 해당 토크 전류 지령값을 보정하는 외란 옵저버 보상부(63C); 및 축토크 검출값 Tsh에 필터 전달 함수 GBPF 및 억제 게인 K1을 곱해서 수득된 축토크 검출 보상량 Tsh＿K를 토크 전류 지령값 T1에 가산하여 해당 토크 전류 지령값을 보정하는 축토크 검출 보상부(62A);를 구비한다. 축토크 검출 보상부(62A)의 필터 전달 함수 GBPF는 부하 기기 및 다이나모미터로 이루어지는 기계계의 공진 주파수 및 그 근방만을 통과 대역으로 하여 설정된다.

Description

다이나모미터 시스템{DYNAMOMETER SYSTEM}
본 발명은 다이나모미터 시스템에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 다이나모미터의 회전 위치 또는 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, 인코더 또는 축토크 미터의 검출 신호를 바탕으로 다이나모미터의 속도 또는 위치를 제어하여, 부하 기기에 적당한 부하를 주면서 부하 기기의 출력을 제어함으로써 각종 성능 시험을 실시한다.
이러한 다이나모미터(전동기)의 속도 제어장치의 예로서 특허 문헌 1이 공지된 바 있다. 구체적으로, 특허 문헌 1의 속도 제어장치는 지령값에 대한 응답과 외란에 대한 응답을 양립하기 위해, I－P속도 제어에 피드 포워드 보상을 부가한 2자유도 제어계로 구성된다. 특히, 상기 특허 문헌 1에는, 이러한 2 자유도 제어계에서 비례 게인이나 적분 게인 등 복수의 제어 파라미터를 독특하게 설정하는 방법이 개시되어 있다.
특허 문헌 1 일본특허공개 제2011－152005호 공보
특허 문헌 1의 속도 제어장치에 따르면, 제어 파라미터의 조정이 용이하면서도 정상 편차가 적은 속도 제어가 가능하지만, 다이나모미터에 접속되는 부하의 관성에 대해서는 충분히 검토되고 있지 않다. 때문에, 특허 문헌 1의 속도 제어장치를 상기 다이나모미터 시스템에 그대로 적용할 경우, 예를 들어 제어 응답을 높이고자 할때 다이나모미터와 부하 기기로 구성된 기계계(機械系)의 공진 특성에 기인하여 헌팅(hunting)이나 발산 등의 불안정 현상이 발생할 우려가 있으며, 안정적인 속도 제어가 어려워진다. 특히 부하 기기의 관성 모멘트가 커질수록 이러한 경향이 현저해진다.
본 발명은 상기와 같은 과제에 비추어 이루어진 것으로, 부하의 관성이 커져도 안정적인 속도 제어 및 위치 제어가 가능한 다이나모미터 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)); 상기 다이나모미터의 회전 위치 또는 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 속도 제어장치(6, 6A, 6A', 6B, 6B', 6C, 6D) 또는 위치 제어장치);를 구비한 다이나모미터 시스템(예를 들어 후술하는 다이나모미터 시스템(1))을 제공한다. 상기 제어장치는, 외부로부터 입력되는 상기 인코더의 검출값(ωM)에 대한 지령값(ωref) 및 상기 인코더의 검출값(ωM)을 바탕으로 상기 인버터에 대한 입력(Tdyref)이 되는 토크 전류 지령값(T1, T2)을 산출하는 주제어부(예를 들어 후술하는 속도 제어 회로부(61A)); 및 상기 축토크 미터의 검출값에 필터 전달 함수(GBPF, GLPF·GHPF) 및 억제 게인(K1) 곱한 것을 상기 주제어부에 의해 산출된 토크 전류 지령값(T1, T2)에 가산하여, 해당 토크 전류 지령값을 보정하는 축토크 검출 보상부(예를 들어 후술하는 축토크 검출 보상부(62A, 62A', 62B, 62B'));를 구비하며, 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 것을 특징으로 한다.
(1) 본 발명에 따르면, 인코더의 검출값과 그 지령값을 바탕으로 주제어부에 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, 안정적인 다이나모미터의 속도 제어와 위치 제어가 가능해진다.
그런데 축토크 미터의 노이즈를 고려하면, 축토크 미터의 검출값을 이용한 상기 축토크 검출 보상부만으로는 전 주파수 영역에 걸친 적절한 보정이 어렵기 때문에, 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 속도 제어와 위치 제어가 가능해진다.
(2) 이 경우, 상기 다이나모미터 시스템은, 상기 인코더의 검출값(ωM) 및 상기 주제어부에 의해 산출된 토크 전류 지령값(T1)을 바탕으로 외란 옵저버(disturbance observer)(Tobs)를 산출하고, 해당 산출한 외란 옵저버를 상기 주제어부에 의해 산출된 토크 전류 지령값(T2)에서 감산하여 상기 토크 전류 지령값을 보정하는 외란 옵저버 보상부(예를 들어 후술하는 외란 옵저버 보상부(63C))를 더 구비하는 것이 바람직하다.
(2) 본 발명에 따르면, 외란 옵저버 보상부를 더 구비하여, 인코더의 검출값이나 토크 전류 지령값을 바탕으로 산출한 외란 옵저버로 주제어부에 의해 산출된 토크 전류 지령값을 보정함으로써, 외란 응답을 향상시킬 뿐 아니라 보다 높은 응답의 다이나모미터의 속도 제어와 위치 제어가 가능해진다. 또한 본 발명에서는, 외란 옵저버 보상부를 상술한 바와 같이 공진 주파수대역만을 보상하도록 설정된 축토크 검출 보상부와 조합하여 이용함으로써, 양자가 협조하여 전 주파수 영역에 걸쳐 높은 응답 및 안정적인 속도 제어와 위치 제어를 가능하게 한다.
(3) 이 경우, 상기 외란 옵저버 보상부는, 상기 다이나모미터 및 상기 부하 기기를 합한 전체 관성 모멘트를 J, 상기 인코더의 검출값을 ωM, 상기 주제어부에 의해 산출된 토크 전류 지령값을 T1, 라플라스 연산자(Laplacian operator)를 s, 상대 차수가 1차 이상이며 소정의 컷오프 주파수보다 높은 주파수대역을 저지하는 특성을 갖는 임의의 전달 함수를 1/Gfc(s)라 할 때, 하기 식(1)에 따라 외란 옵저버 Tobs를 산출하는 것이 바람직하다.
[수학식 1]
Figure pct00001
(3) 본 발명에 따르면, 상기 식(1)과 같이, 부하 기기와 다이나모미터를 합한 전체 관성 모멘트를 고려한 모델로 외란의 추정값으로서의 외란 옵저버를 산출하고, 이를 이용해 토크 전류 지령값을 보정함으로써, 외란 응답을 향상시킬 뿐 아니라 높은 응답의 다이나모미터의 속도 제어 및 위치 제어가 가능해진다. 또한, 외란 옵저버가 되는 외란의 추정값에는 인코더의 검출값의 의사 미분이 포함되어 있기 때문에, 노이즈의 영향에 의해 고주파수측에서의 대응이 어려워지는데, 상기와 같은 저역 통과(low-pass) 특성을 갖는 전달 함수 1/Gfc(s)를 곱함으로써 이러한 노이즈의 영향을 없앨 수 있다.
(4) 이 경우, 상기 전달 함수 1/Gfc(s)의 컷오프 주파수는 상기 공진 주파수보다 낮게 설정되는 것이 바람직하다.
(4) 본 발명에 따르면, 컷오프 주파수를 상기와 같이 기계계의 공진 주파수보다 낮게 함으로써, 저주파수측에서는 외란 옵저버 보상부에서 보상하고, 고주파수측에서는 축토크 검출 보상부에서 보상하도록 하여, 양자가 협조하여 전 주파수 영역에 걸쳐 높은 응답 및 안정적인 속도 제어와 위치 제어를 가능하게 한다.
(5) 이 경우, 상기 축토크 검출 보상부의 필터 전달 함수는, 그 상측 컷오프 주파수와 하측 컷오프 주파수 사이의 대역폭 내에 상기 기계계의 공진 주파수가 포함되도록 설정된 대역통과 필터인 것이 바람직하다.
(5) 필터 전달 함수를 그 대역폭 내에 공진 주파수가 포함되도록 설정된 대역통과 필터로 함으로써, 상기 (1)의 효과를 보다 확실히 달성할 수 있다.
(6) 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.
(6) 본 발명에서는, 저역통과 필터와 고역통과 필터를 직렬로 결합하여 대역통과 필터의 특성을 갖는 필터 전달 함수를 구성함으로써, 상기 (5)와 유사한 효과를 달성할 수 있다. 아울러, 저역통과 필터와 고역통과 필터를 조합한 것이 대역통과 필터에 비해 대역폭을 넓게 설정할 수 있기 때문에, 상기 (5)의 발명에 비해 축토크 검출 보상부의 설계 자유도를 향상시킬 수 있다.
(7) 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.
(7) 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 1의 필터 전달 함수 GBPF의 주파수 특성을 나타내는 도면이다.
도 5는 실시예 1의 변형예의 제어계 전체를 나타내는 블럭도이다.
도 6은 실시예 2의 제어계 전체를 나타내는 블럭도이다.
도 7은 실시예 2의 필터 전달 함수 GLPF·GHPF의 주파수 특성을 나타내는 도면이다.
도 8은 실시예 2의 변형예의 제어계 전체를 나타내는 블럭도이다.
도 9는 실시예 3의 제어계 전체를 나타내는 블럭도이다.
도 10은 토크 전류 지령값으로부터 축토크 미터 검출값까지의 주파수 응답을 나타내는 보드 선도이다.
도 11은 실시예 4의 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 회전 위치 또는 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 각속도를 제어하는 속도 제어장치(6)를 구비한다.
인코더(4)는 다이나모미터(2)의 회전 위치 또는 각속도를 검출하여, 검출값에 대략 비례하는 신호를 속도 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 속도 제어장치(6)로 송신한다.
인버터(3)는 도시하지 않은 직류 전원으로부터 공급된 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 전동기(1)에 공급한다. 속도 제어장치(6)는 인코더(4)의 검출값, 축토크 미터(5)의 검출값 및 외부로부터 입력되는 각속도 지령값을 바탕으로 인버터(3)에 대한 입력인 토크 전류 지령값을 결정한다. 이러한 속도 제어장치(6)의 상세한 구성에 대해서는 이후 각 실시예에서 설명한다.
다이나모미터 시스템(1)에서는, 상기 속도 제어장치(6)를 이용해 다이나모미터(2)의 각속도를 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 지령값이라 한다.
이하의 설명에서, 회전 손실［Nms/rad］ 또는 스프링 손실［Nms/rad］에 대해서는 생략하고 설명하지만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
도 2에 나타내는 바와 같은 2관성계 모델에서 속도 제어 응답을 높이고자 하는 경우, 부하의 관성 모멘트 JL이 다이나모미터의 관성 모멘트 JM보다 커지면(JL≥JM), 기계계의 공진에 의해 헌팅(hunting)이나 발산 등의 불안정 현상이 발생하기 쉬워진다. 이하에서는, 이러한 공진을 억제하기 위해 구성된 속도 제어장치의 구성에 대해 설명한다.
도 3은 본 실시예의 속도 제어장치(6A)를 적용한 제어계 전체를 나타내는 블럭도이다. 아울러, 도 2에서 두꺼운 파선으로 나타내는 부분은, 도 2를 참조하여 설명한 2관성계 모델을 전달 함수로 표현한 것이다.
도 3에 나타내는 제어계에서, 조작량은 다이나모미터의 구동 토크 Tdyref로, 관측량은 다이나모미터 각속도 ωM 및 축토크 미터 검출값 Tsh로, 제어량은 다이나모미터 각속도 ωM으로, 구동 토크 TL이 외란으로서 전동기 측에 가해지도록 되어 있다.
실시예 1의 속도 제어장치(6A)는 속도 제어 회로부(61A) 및 축토크 검출 보상부(62A)를 포함하여 구성된다. 속도 제어장치(6A)에는, 다이나모미터 각속도 ωM에 대한 지령값으로 각속도 지령값 ωref［rad/s］가 외부로부터 입력된다.
속도 제어 회로부(61A)는 외부로부터 입력되는 각속도 지령값 ωref와 다이나모미터 각속도 검출값 ωM을 바탕으로, 이들의 편차가 신속히 0이 되도록, 인버터에 대한 입력이 되는 토크 전류 지령값 T1을 산출한다. 이러한 속도 제어 회로부(61A)로는 종래 기존의 것이 이용된다.
축토크 검출 보상부(62A)는 축토크 미터 검출값 Tsh에 필터 전달 함수 GBPF 및 억제 게인 K1을 곱함으로써 축토크 검출 보상량 Tsh＿K를 산출하고, 이를 속도 제어 회로부(61A)에 의해 산출된 토크 전류 지령값 T1에 가산하여 토크 전류 지령값 T1을 보정한다.
본 실시예에서는, 속도 제어 회로부(61A)에 의해 산출된 토크 전류 지령값 T1에 축토크 검출 보상부(62A)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 GBPF(s)는 하기 식(2)으로 나타내는 바와 같은 대역통과 필터가 이용된다. 하기 식(2)에서, Bω1은 중심 주파수 ［rad/s］이고, Pg1은 피크 게인이다. BQ1은 Q값이며, 중심 주파수 Bω1로부터 ±3dB폭(대역폭)을 Bwidth1이라 하면, Q값 BQ1은 Bω1/Bwidth1로 나타낼 수 있다.
[수학식 2]
Figure pct00002
여기서, 상기 식(2)에 나타내는 필터 전달 함수 GBPF(s)에서, 피크 게인 Pg1은 예를 들어 1로 설정되고, 중심 주파수 Bω1 및 대역폭 Bwidth1은 대역폭 Bwidth1 내에 기계계의 공진 주파수가 포함되도록 설정된다.
도 4는 필터 전달 함수 GBPF의 주파수 특성을 나타내는 도면이다. 도 4는 100［Hz］근방에 기계계의 공진점(후술하는 도 10 참조)이 있다는 상정하에서 설정된 필터 전달 함수 GBPF의 일 예를 나타낸 것이다. 이와 같이, 축토크 검출 보상부(62A)의 필터 전달 함수 GBPF는 미리 구해지는 기계계의 공진 주파수에 맞추어 해당 공진 주파수 및 그 근방만을 통과 대역으로 하여 설정된다.
본 실시예에 따르면, 이하의 효과를 달성할 수 있다.
(1) 다이나모미터 각속도 ωM과 그 지령값 ωref를 바탕으로 속도 제어 회로부(61A)에 의해 산출된 토크 전류 지령값 T1을 축토크 검출 보상부(62A)에 의해 보정함으로써, 기계계의 공진 게인을 억제하고, 안정적인 다이나모미터의 속도 제어가 가능해진다. 또한, 축토크 검출 보상부(62A)에서는, 기계계의 공진 주파수 및 그 근방만을 통과 대역으로 하여 설정된 필터 전달 함수 GBPF를 축토크 미터 검출값 Tsh에 곱한다. 즉, 축토크 검출 보상부(62A)에서 기계계의 공진 주파수대역만을 보상하도록 함으로써, 후술하는 외란 옵저버 보상부 등의 다른 보상기와 조합하여 이용하는 경우에 이와의 간섭을 억제하여, 결과적으로 전 주파수 영역에 걸쳐 안정적인 속도 제어가 가능해진다.
＜실시예 1의 변형예＞
다음으로, 실시예 1의 변형예에 대해 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 5는 본 변형예의 속도 제어장치(6A')를 적용한 제어계 전체를 나타내는 블럭도이다. 상기 도 3에 나타낸 실시예 1과 비교해, 축토크 검출 보상부(62A')의 구성에 차이가 있다.
상기 실시예에서는 2관성계 모델로 간략화했지만, 일반적으로는 복수의 공진점이 존재한다. 본 변형예의 축토크 검출 보상부(62A')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(62A')는 공진 주파수 마다 상술한 바와 같이 필터 전달 함수 GBPFn 및 억제 게인 Kn을 설정하고, 축토크 미터 검출값 Tsh를 각 필터 전달 함수 GBPFn 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 GBPFn은 하기 식(3)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 3]
Figure pct00003
본 변형예에 따르면, 상기 (1)의 효과에 더해 이하의 효과가 있다.
(2) 공진 주파수마다 설정된 필터 전달 함수 GBPFn 및 그 억제 게인 Kn을 병렬로 접속함으로써 각 공진 게인을 적절히 억제할 수 있다.
실시예 2
다음으로, 상기 실시형태의 속도 제어장치의 실시예 2에 대해 도면을 참조하여 설명한다.
도 6은 본 실시예의 속도 제어장치(6B)를 적용한 제어계 전체를 나타내는 블럭도이다. 아울러, 본 실시예의 속도 제어장치(6B)는 상기 실시예 1과 비교해, 축토크 검출 보상부(62B)의 구성에 차이가 있다.
축토크 검출 보상부(62B)는, 축토크 미터 검출값 Tsh에 필터 전달 함수 GLFP(s), GHPF(s) 및 억제 게인 K1을 곱함으로써 축토크 검출 보상량 Tsh＿K를 산출하며, 이를 속도 제어 회로부(61A)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 GLFP(s) 및 필터 전달 함수 GHFP(s)는, 각각 예를 들어 하기 식(4)에 나타내는 바와 같이, 컷오프 주파수 LPFωc로 특징지어진 저역통과 필터 및 컷오프 주파수 HPFωc로 특징지어진 고역통과 필터가 이용된다.
[수학식 4]
Figure pct00004
여기서, 저역통과 필터와 고역통과 필터를 직렬 결합한 것을 이용하여 상기 식(2)에 나타낸 대역통과 필터와 거의 같은 특성을 실현하기 위해, 컷오프 주파수 LPFωc는 컷오프 주파수 HPFωc보다 큰 값으로 설정된다. 또한, 실시예 1에서 대역통과 필터의 대역폭 내에 기계계의 공진 주파수를 설정한 것과 마찬가지로, 필터 전달 함수 GLFP·GHFP는 그 컷오프 주파수 HPFωc와 LPFωc 사이의 대역폭 내에 상기 공진 주파수가 포함되도록 설정된다.
도 7은 필터 전달 함수 GLPF·GHPF의 주파수 특성을 나타내는 도면이다. 도 7은 도 4와 마찬가지로, 100［Hz］ 근방에 기계계의 공진점이 있다는 상정하에서 설정된 필터 전달 함수 GLPF·GHPF의 일예를 나타낸 것이다
본 실시예에 따르면, 상기 (1)의 효과에 더해 이하의 효과를 달성할 수 있다.
(3) 도 7에 나타낸 필터 전달 함수 GLPF·GHPF의 주파수 특성과 도 4에 나타낸 필터 전달 함수 GLPF·GHPF의 주파수 특성을 비교하면 명백한 바와 같이, 저역통과 필터와 고역통과 필터를 직렬 결합하여 구성한 것이 피크 게인 근방의 대역폭을 넓게 설정하기 쉽다. 때문에, 상기 실시예 1에 비해 축토크 검출 보상부의 설계 자유도를 향상시킬 수 있다.
＜실시예 2의 변형예＞
다음으로, 실시예 2의 변형예에 대해 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 8은 본 변형예의 속도 제어장치(6B')를 적용한 제어계 전체를 나타내는 블럭도이다. 상기 도 6에 나타낸 실시예 2와 비교해, 축토크 검출 보상부(62B')의 구성에 차이가 있다.
본 변형예의 축토크 검출 보상부(62B')는, 복수의 공진점이 존재하는 것을 상정하여, 공진 주파수 마다 설정된 필터 전달 함수 GLPFn·GHPFn 및 억제 게인 Kn을 복수로 병렬 접속하여 구성된다. 보다 구체적으로, 축토크 검출 보상부(62B')는, 공진 주파수 마다 상기 실시예 2에서 설명한 바와 같이 필터 전달 함수 GLPFn·GHPFn 및 억제 게인 Kn을 설정하고, 축토크 미터 검출값 Tsh를 각 필터 전달 함수 GLPFn·GHPFn 및 억제 게인 Kn에 곱하여 수득된 보상량 Tsh＿Kn을 합산한 것을 축토크 검출 보상량 Tsh＿K로 한다.
본 변형예에 따르면, 상기 (1), (2), (3)의 효과와 거의 같은 효과를 달성할 수 있다.
실시예 3
다음으로, 상기 실시형태의 속도 제어장치의 실시예 3에 대해 도면을 참조하여 설명한다.
도 9는 본 실시예의 속도 제어장치(6C)를 적용한 제어계 전체를 나타내는 블럭도이다. 본 실시예의 속도 제어장치(6C)는 상기 실시예 1과 비교해, 외란 옵저버 보상부(63C)를 더 구비하는 점에서 차이가 있다.
본 실시예에서는, 속도 제어 회로부(61A)에 의해 산출된 토크 전류 지령값 T2에 외란 옵저버 보상부(63C)에 의해 산출된 외란 옵저버 Tobs를 감산하고, 다시 축토크 검출 보상부(62A)에 의해 산출된 축토크 검출 보상량 Tsh＿K를 가산한 것이, 최종적인 토크 전류 지령값 Tdyref가 된다.
외란 옵저버 보상부(63C)는, 다이나모미터 각속도 ωM 및 토크 전류 지령값 T1을 바탕으로 하기 식(6)에 따라 외란 옵저버 Tobs를 산출하고, 이를 속도 제어 회로부(61A)에 의해 산출된 토크 전류 지령값 T2에서 감산하여 토크 전류 지령값 T2를 보정한다. 보다 구체적으로, 외란 옵저버 보상부(63C)는, 하기 식(6)에 나타내는 바와 같이, 다이나모미터 각속도 ωM을 역모델 전달 함수 J·s에 곱해서 수득되는 값에서 토크 전류 지령값 T1을 감산함으로써 외란의 추정값을 산출하고, 다시 전달 함수 1/Gfc(s)를 곱한 것을 외란 옵저버 Tobs로 한다.
[수학식 5]
Figure pct00005
여기서, 역모델 전달 함수 J·s에 이용되는 관성 모멘트 J는 다이나모미터 및 전동기를 합한 전체 관성 모멘트 (J=JM＋JL)로 한다.
외란 옵저버의 정밀도를 향상시키기 위해, 전달 함수 1/Gfc(s)는 소정의 컷오프 주파수보다 높은 주파수 대역을 저지하는 특성을 갖는 상대 차수 1 이상의 임의의 전달 함수가 이용된다. 또한, 이 전달 함수 1/Gfc(s)의 컷오프 주파수는 축토크 검출 보상부(62A)와의 간섭을 피하기 위해, 필터 전달 함수 GPBF의 설정에 이용한 상기 기계계의 공진 주파수보다 낮게 설정된다.
본 실시예에 따르면, 상기 (1)의 효과에 더해 이하의 효과를 달성할 수 있다.
(4) 본 실시예에서는, 외란 옵저버 보상부(63C)를 더 구비하여, 다이나모미터 각속도 ωM 또는 토크 전류 지령값 T1을 바탕으로 산출한 외란 옵저버 Tobs로 속도 제어 회로부(61A)에 의해 산출된 토크 전류 지령값 T2를 보정함으로써, 외란 응답을 향상시킬 뿐 아니라 보다 높은 응답의 다이나모미터의 속도 제어가 가능해진다. 또한 본 실시예에서는, 외란 옵저버 보상부(63C)를 공진 주파수 대역만을 보상하도록 설정된 축토크 검출 보상부(62A)와 조합하여 이용함으로써, 양자가 협조하여 전 주파수 영역에 걸쳐 높은 응답 및 안정적인 속도 제어가 가능해진다.
(5) 본 실시예에 따르면, 전동기와 다이나모미터를 합한 전체 관성 모멘트 J를 고려한 역모델로 외란의 추정값으로서의 외란 옵저버 Tobs를 산출하고, 이를 이용하여 토크 전류 지령값 T2를 보정함으로써, 외란 응답을 향상시킬 뿐 아니라 높은 응답의 다이나모미터의 속도 제어가 가능해진다. 또한, 상기와 같은 저역통과 특성을 갖는 전달 함수 1/Gfc(s)를 곱함으로써 외란 옵저버 Tobs의 정밀도를 향상시킬 수 있다.
(6) 도 10은 토크 전류 지령값 Tdyref로부터 축토크 미터 검출값 Tsh까지의 주파수 응답을 나타내는 보드 선도이다. 도 10에 나타내는 바와 같이, 이 기계계에는 100［Hz］의 근방에 공진점이 존재한다. 이에 대해 본 실시예에서는, 축토크 검출 보상부(62A)에 공진 주파수 근방에 대역폭을 갖는 대역통과 필터 GBPF를 구비하는 동시에, 외란 옵저버 보상부(63C)의 컷오프 주파수를 상기 공진 주파수보다 낮게 함으로써, 도 10에서 두꺼운 화살표로 모식적으로 나타내는 바와 같이, 저주파수측에서는 외란 옵저버 보상부(63C)에서 보상하도록 하고, 고주파수측에서는 축토크 검출 보상부(62A)에서 보상하도록 하여, 양자가 협조하여 전 주파수 영역에 걸쳐 높은 응답 및 안정적인 속도 제어를 가능하게 한다.
실시예 4
다음으로, 상기 실시형태의 속도 제어장치의 실시예 4에 대해 도면을 참조하여 설명한다.
도 11은 본 실시예의 속도 제어장치(6D)의 구성을 나타내는 블럭도이다. 본 실시예의 속도 제어장치(6D)는 상기 실시예 2와 비교해, 외란 옵저버 보상부(63C)를 더 구비하는 점에서 차이가 있다. 아울러, 이 외란 옵저버 보상부(63C)의 구성은 상기 실시예 3에서 설명한 것과 같은 구성이므로 그 상세한 설명은 생략한다.
본 실시예에 따르면, 상기 (1), (3), (4), (5), (6)의 효과와 거의 같은 효과를 달성할 수 있다.
이상으로 본 발명의 실시형태 및 실시예에 대해 설명했으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 실시예에서는 다이나모미터 각속도를 제어량으로 한 속도 제어장치에 축토크 검출 보상부 또는 외란 옵저버 보상부를 적용한 예에 대해 설명했지만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 다이나모미터의 회전 위치를 제어량으로 하고, 마이너 루프에 속도 제어부를 갖는 위치 제어장치에 상기와 같은 축토크 검출 보상부 또는 외란 옵저버 보상부를 적용해도 같은 효과를 기대할 수 있다.
1 다이나모미터 시스템
2 다이나모미터
3 인버터
4 인코더
5 축토크 미터
6, 6A, 6A', 6B, 6B', 6C, 6D 속도 제어장치(제어장치)
61A 속도 제어 회로부(주제어부)
62A, 62A', 62B, 62B' 축토크 검출 보상부
63C 외란 옵저버 보상부

Claims (7)

  1. 부하 기기와 공통의 축으로 연결된 다이나모미터;
    해당 다이나모미터에 전력을 공급하는 인버터;
    상기 다이나모미터의 회전 위치 또는 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,
    외부로부터 입력되는 상기 인코더의 검출값에 대한 지령값 및 상기 인코더의 검출값을 바탕으로 상기 인버터에 대한 입력이 되는 토크 전류 지령값을 산출하는 주제어부; 및
    상기 축토크 미터의 검출값에 필터 전달 함수 및 억제 게인을 곱해서 수득된 보상량을 상기 주제어부에 의해 산출된 토크 전류 지령값에 가산하여 해당 토크 전류 지령값을 보정하는 축토크 검출 보상부;를 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.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 인코더의 검출값 및 상기 주제어부에 의해 산출된 토크 전류 지령값을 바탕으로 외란 옵저버를 산출하고, 해당 산출한 외란 옵저버를 상기 주제어부에 의해 산출된 토크 전류 지령값에서 감산하여 해당 토크 전류 지령값을 보정하는 외란 옵저버 보상부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 다이나모미터 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 외란 옵저버 보상부는, 상기 다이나모미터 및 상기 부하 기기를 합한 전체 관성 모멘트를 J, 상기 인코더의 검출값을 ωM, 상기 주제어부에 의해 산출된 토크 전류 지령값을 T1, 라플라스 연산자를 s, 상대 차수가 1차 이상이며 소정의 컷오프 주파수보다 높은 주파수대역을 저지하는 특성을 갖는 임의의 전달 함수를 1/Gfc(s)라 할 때, 하기 식에 따라 외란 옵저버 Tobs를 산출하는 것을 특징으로 하는 다이나모미터 시스템.
    [수학식 1]
    Figure pct00006
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 전달 함수 1/Gfc(s)의 컷오프 주파수는 상기 공진 주파수보다 낮게 설정되는 것을 특징으로 하는 다이나모미터 시스템.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항의 어느 한 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.
  6. 제 1 항 내지 제 4 항의 어느 한 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.
  7. 제 5 항 또는 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.
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