KR20200098720A

KR20200098720A - 엔진 벤치 시스템의 제어 방법

Info

Publication number: KR20200098720A
Application number: KR1020207023134A
Authority: KR
Inventors: 타카오 아키야마
Original assignee: 메이덴샤 코포레이션
Priority date: 2018-01-29
Filing date: 2018-11-22
Publication date: 2020-08-20
Also published as: US20210003479A1; WO2019146234A1; JP6501004B1; US10948383B2; KR102206197B1; JP2019132609A

Abstract

목적은 간이한 예비 실험 및 작은 연산 부하로 공진을 억제할 수 있는 엔진 벤치 시스템의 제어 방법을 제공하는 것. 엔진 벤치 시스템의 제어 방법은 엔진을 비점화 상태로 유지하면서 동력계의 속도 제어를 실행하는 동시에, 동력계의 회전 속도가 소정 속도까지 상승하면 속도 제어를 종료하는 속도 제어 공정; 타성에 의해 동력계의 회전 속도가 소정의 측정 시작 속도부터 소정의 측정 종료 속도가 될 때까지 사이의 축 토크 검출 신호를 취득하는 측정 공정; 측정 공정에서 얻어진 축 토크 검출 신호 중 가장 강도가 강한 신호의 주파수를 공진 주파수로서 취득하는 주파수 해석 공정; 취득한 공진 주파수를 이용하여 동력계 제어 장치의 제어 게인을 결정하는 설계 공정; 및 제어 게인이 결정된 동력계 제어 장치를 이용하여 동력계를 제어하는 동력계 제어 공정;을 구비한다.

Description

엔진 벤치 시스템의 제어 방법

본 발명은 엔진 벤치 시스템의 제어 방법에 관한 것이다.

엔진 벤치 시스템은 엔진 및 그 트랜스미션을 조합하여 구성되는 공시체와, 이 공시체에 연결축을 통해 결합된 동력계와, 엔진의 스로틀 개도(開度)를 제어하는 엔진 제어 장치와, 동력계를 제어하는 동력계 제어 장치를 구비한다. 엔진 벤치 시스템에서는 엔진 제어 장치에 의해 엔진의 출력을 제어하면서, 동력계 제어 장치에 의해 동력계의 속도 제어나 토크 제어 등을 실행함으로써, 엔진의 내구성, 연비 성능, 배기 정화 성능 등의 성능을 측정하는 시험을 수행한다.

이러한 엔진 벤치 시스템에서 엔진과 동력계는 트랜스미션을 통해 결합되어 있다. 또한 트랜스미션에 포함되는 클러치는 비선형의 스프링 강성을 가지기 때문에, 그 기계 공진점이 부하 토크에 따라 변화한다. 또한 실제 엔진에서는 엔진 회전수에 따른 변동 주파수로 진동하는 맥동 토크가 발생한다. 이에 특허문헌 1에는 이 맥동 토크에서 기인하여 기계계가 파손되지 않도록, 공진을 억제하면서 동력계의 속도를 제어하는 동력계 제어 장치가 나타나 있다.

특허문헌 1의 동력계 제어 장치에서는 축 토크 센서를 이용하여 검출되는 축 토크 검출값이나 엔진 토크 맵을 이용하여 산출되는 축 토크 추정값을 이용하여, 상기와 같이 부하에 따라 변동하는 기계 공진 주파수를 축차 산출하고, 산출한 기계 공진 주파수에 따른 제어 게인이 되도록 게인 스케줄을 수행한다. 특허문헌 1의 동력계 제어 장치에 의하면, 부하에 따라 변동하는 기계 공진 주파수에 따라 제어 게인을 바꿈으로써, 클러치에 의한 공진을 억제하면서 동력계의 속도를 제어하는 것이 가능해진다.

일본 특허공보 제5136247호

그러나 특허문헌 1의 제어 방법에서는, 축 토크의 크기와 기계 공진 주파수 사이의 관계를 예비 실험을 수행함으로써 특정해 두고, 다시 이 관계를 규정하는 맵이나 테이블 등을 구축해 둘 필요가 있어, 시험을 시작하기까지 시간이 걸린다. 또한 이러한 예비 실험이나 맵의 구축 등의 작업은 공시체를 바꿀 때마다 수행할 필요가 있어 편리성이 낮다. 또한 특허문헌 1의 제어 방법에서는, 기계 공진 주파수를 산출하는 연산이나 제어 게인을 결정하는 연산을 제어 주기마다 수행할 필요가 있기 때문에, 동력계 제어 장치에서의 연산 부하가 크다.

본 발명은 간이한 예비 실험 및 작은 연산 부하로 공진을 억제할 수 있는 엔진 벤치 시스템의 제어 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

(1) 엔진 벤치 시스템(예를 들어, 후술하는 엔진 벤치 시스템(1))은 엔진(예를 들어, 후술하는 엔진(E))을 포함하는 공시체(예를 들어, 후술하는 공시체(W))와 연결축(예를 들어, 후술하는 연결축(S))을 통해 결합된 동력계(예를 들어, 후술하는 동력계(2)); 상기 연결축에 발생하는 축 토크에 따른 축 토크 검출 신호를 발생하는 축 토크 센서(예를 들어, 후술하는 축 토크 센서(61)); 및 상기 축 토크 검출 신호를 기초로 상기 동력계를 제어하는 동력계 제어 장치(예를 들어, 후술하는 동력계 제어 장치(5))를 구비한다. 본 발명에 따른 엔진 벤치 시스템의 제어 방법은 상기 엔진을 비점화 상태로 유지하면서 상기 동력계의 속도 제어를 실행하는 동시에, 상기 동력계의 회전 속도가 소정 속도까지 상승하면 상기 속도 제어를 종료하는 속도 제어 공정(예를 들어, 후술하는 도 4의 S2의 속도 제어 공정); 타성(惰性)에 의해 상기 동력계의 회전 속도가 소정의 측정 시작 속도에서 소정의 측정 종료 속도가 될 때까지 사이의 축 토크 검출 신호를 취득하는 측정 공정(예를 들어, 후술하는 도 4의 S3부터 S4의 측정 공정); 상기 측정 공정에서 얻어진 축 토크 검출 신호 중 가장 강도가 강한 신호의 주파수를 공진 주파수로서 취득하는 주파수 해석 공정(예를 들어, 후술하는 도 4의 S5의 주파수 해석 공정); 상기 공진 주파수를 이용하여 상기 동력계 제어 장치의 제어 게인을 결정하는 설계 공정; 및 상기 제어 게인이 결정된 상기 동력계 제어 장치를 이용하여 상기 동력계를 제어하는 동력계 제어 공정(예를 들어, 후술하는 도 4의 S6의 공정)을 구비하는 것을 특징으로 한다.

(1) 본 발명의 제어 방법에서는, 우선 엔진을 비점화 상태로 유지하면서 동력계의 속도 제어를 실행하는 동시에, 동력계의 회전 속도가 소정 속도까지 상승하면 속도 제어를 종료하고, 타성에 의해 동력계의 회전 속도를 저하시킨다. 또한 동력계의 회전 속도가 측정 시작 속도에서 소정의 측정 종료 속도가 될 때까지 사이의 축 토크 검출 신호를 취득하고, 이 사이에 얻어진 축 토크 검출 신호 중 가장 강도가 강한 신호의 주파수를 공진 주파수로서 취득한다. 그런데 일반적인 4 스트로크 엔진에서 발생하는 맥동 토크의 변동 주파수는 엔진 회전수와 기통수에 의해 결정되는데, 이러한 변동 주파수의 토크 변동은 피스톤의 상하 운동에 수반하는 관성 변동 토크에 의해 엔진이 비점화 상태여도 발생한다. 때문에 상기와 같이 타성에 의해 동력계의 회전 속도가 측정 시작 속도에서 측정 종료 속도가 될 때까지 저하되는 동안에, 엔진 회전수, 나아가서는 엔진 회전수에 따라 저하되는 변동 주파수가 미지(未知)인 공진 주파수를 통과하면, 연결축에서의 축 토크 변동도 커진다. 따라서 상기와 같이 하여, 축 토크 검출 신호로부터 취득한 주파수는 비점화 상태의 엔진, 즉 부하가 가장 작을 때의 공진 주파수로 하는 것이 타당하다. 또한 본 발명의 제어 방법에서는, 상기와 같이 하여 간이한 예비 실험에서 취득한 공진 주파수를 이용해 동력계 제어 장치의 제어 게인을 결정하고, 이 동력계 제어 장치를 이용하여 동력계를 제어한다. 따라서 본 발명에 의하면, 간이한 예비 실험 및 작은 연산 부하로 공진을 억제하면서 동력계를 제어할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 제어 방법이 적용된 엔진 벤치 시스템의 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 엔진 벤치 시스템에서의 엔진 토크에 대한 축 토크 검출 신호의 주파수 응답 특성을 나타내는 도면이다.
도 3은 동력계 제어 장치의 제어 회로의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 4는 엔진 벤치 시스템에서, 신규 공시체를 세팅한 후, 동력계 제어 장치를 이용하여 시험을 시작하기 까지의 순서를 나타내는 순서도이다.
도 5는 측정 공정 및 주파수 해석 공정의 결과의 구체적인 예를 나타내는 도면이다.
도 6은 엔진 토크에 대한 축 토크 검출 신호의 주파수 응답 특성을 나타내는 도면이다(종래 기술).
도 7은 회전 속도 지령 신호에 대한 회전 속도 검출 신호의 주파수 응답 특성을 나타내는 도면이다(종래 기술).
도 8은 엔진 토크에 대한 축 토크 검출 신호의 주파수 응답 특성을 나타내는 도면이다(본 실시 형태).
도 9는 회전 속도 지령 신호에 대한 회전 속도 검출 신호의 주파수 응답 특성을 나타내는 도면이다(본 실시 형태).

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

도 1은 본 실시 형태에 따른 제어 방법이 적용된 엔진 벤치 시스템(1)의 구성을 나타내는 도면이다.

엔진 벤치 시스템(1)은 차량용 엔진(E) 및 그 트랜스미션(TM)을 조합하여 구성되는 공시체(W)의 각종 성능을 평가할 때 이용되는 것이다. 엔진 벤치 시스템(1)은 공시체(W)와 연결축(S)을 통해 결합된 동력계(2), 엔진(E)의 출력을 제어하는 엔진 제어 장치(3), 동력계(2)의 출력을 제어하는 동력계 제어 장치(5), 엔진 제어 장치(3)로부터 송신되는 스로틀 개도 지령 신호에 따라, 상기 지령이 구현되도록 엔진(E)의 스로틀 개도를 제어하는 스로틀 액츄에이터(31), 동력계 제어 장치(5)로부터 송신되는 토크 전류 지령 신호에 따라, 상기 지령이 구현되도록 동력계(2)에 전력을 공급하는 인버터(51), 연결축(S)의 비틀림 토크(이하, '축 토크'라 함)를 검출하는 축 토크 센서(61), 동력계(2)의 출력 축의 회전 속도를 검출하는 회전 속도 검출기(62)를 구비한다.

축 토크 센서(61)는 연결축(S)에 발생하는 축 토크에 따른 축 토크 검출 신호를 발생하고, 이 신호를 동력계 제어 장치(5)에 송신한다. 회전 속도 검출기(62)는 예를 들어 엔코더이며, 동력계(2)의 출력 축의 회전 속도에 따른 펄스 신호인 회전 속도 검출 신호를 발생하고, 이 신호를 동력계 제어 장치(5)에 송신한다.

엔진 제어 장치(3)는 소정의 양태로 스로틀 개도 지령 신호를 생성하고, 이 스로틀 개도 지령 신호를 스로틀 액츄에이터(31)에 입력함으로써 엔진(E)의 출력을 제어한다. 동력계 제어 장치(5)는 축 토크 센서(61)로부터 송신되는 축 토크 검출 신호 및 회전 속도 검출기(62)로부터 송신되는 회전 속도 검출 신호 등을 입력으로 하여, 후술하는 도 3에 나타내는 제어 회로를 이용한 피드백 제어를 수행함으로써 토크 전류 지령 신호를 생성하고, 이 토크 전류 지령 신호를 인버터(51)에 입력함으로써 동력계(2)의 토크나 속도를 제어한다.

엔진 벤치 시스템(1)에서는 엔진 제어 장치(3)의 제어하에서 엔진(E)의 출력을 제어하는 동시에, 동력계 제어 장치(5)의 제어하에서 동력계(2)의 토크나 속도를 제어함으로써 공시체(W)에 부하를 부여함으로써, 공시체(W)의 내구성, 연비 및 배기 정화 성능 등을 평가하는 시험이 수행된다.

도 2는 상술한 바와 같이 엔진(E)과 동력계(2)를 트랜스미션(TM) 및 연결축(S)을 통해 결합한 기계 구성을 갖는 엔진 벤치 시스템(1)의 기계 특성을 나타내는 도면이다. 보다 구체적으로는, 도 2는 엔진 벤치 시스템(1)에서의 엔진 토크(즉, 스로틀 개도 지령 신호)에 대한 축 토크 검출 신호의 주파수 응답 특성을 나타내는 도면이다. 도 2에는 공시체(W)에 대한 부하 토크를 3단계(저부하, 중부하, 고부하)로 바꾸는 동시에, 각 부하 토크하에서의 축 토크의 응답 특성을 선의 종류을 바꾸어 나타낸다.

엔진 벤치 시스템(1)에서는, 관성체인 엔진(E)과 동력계(2)를 스프링 특성을 갖는 트랜스미션(TM) 및 연결축(S)으로 연결하고 있는 것에서 기인하여, 도 2에 나타내는 바와 같이 소정의 공진 주파수로 축 토크가 증대하는 공진 현상이 발생한다. 또한 트랜스미션(TM)에 포함되는 클러치의 스프링 강성은 부하 토크에 따라 비선형의 변화를 나타내기 때문에, 도 2에 나타내는 바와 같이 공진 주파수는 부하 토크에 따라 변화한다. 도 2에는 공진 주파수가 수[Hz]~약 20[Hz] 사이에서 변화하는 예를 나타낸다. 동력계 제어 장치(5)에서는 이러한 공진을 억제하면서 동력계(2)의 토크나 속도를 제어할 필요가 있다.

도 3은 동력계 제어 장치(5)의 제어 회로의 일 예를 나타내는 도면이다. 동력계 제어 장치(5)에서는, 회전 속도 검출 신호와, 도시하지 않는 상위 지령 장치에 의해 생성되는 상위 지령 신호이면서 회전 속도 검출 신호에 대한 목표에 해당하는 회전 속도 지령 신호, 축 토크 검출 신호를 도 3에 나타내는 바와 같은 제어 회로에 입력함으로써 토크 전류 지령 신호를 생성하고, 이를 인버터(51)에 입력한다.

보다 구체적으로는, 회전 속도 지령 신호의 값을 "w2_ref"라 하고, 회전 속도 검출 신호의 값을 "w2"라 하고, 축 토크 검출 신호의 값을 "T12"라 하고, 토크 전류 지령 신호의 값을 "T2_ref"라 하고, 라플라스 연산자를 "s"라 한 경우, 동력계 제어 장치(5)에서는 하기 식 (1)에 따라 토크 전류 지령 신호를 생성한다.

상기 식 (1)에서, "Ki", "Kp", "Kt12", "b1" 및 "a1"은 각각 제어 게인이다. 각 제어 게인의 값은 각각 하기 식 (2-1)~(2-5)에 따라 결정된다.

동력계 제어 장치(5)에서는, 공시체(W) 및 동력계(2)를 각각 소정의 관성 모멘트를 갖는 관성체로 간주하고, 트랜스미션(TM) 및 연결축(S)을 소정의 스프링 강성을 갖는 스프링 요소로 간주하고, 엔진 벤치 시스템(1)의 기계계를, 이들 2개의 관성체를 스프링 요소로 연결된 2 관성계로 간주하여 취급한다.

상기 식 (2-1)~(2-5)에서, "J"는 공시체(W)의 관성 모멘트와 동력계(2)의 관성 모멘트의 합(이하, '토탈 관성'이라고도 함)에 해당하며, 그 값은 공시체(W)의 관성 모멘트의 값을 "J1"이라 하고, 동력계(2)의 관성 모멘트의 값을 "J2"라 한 경우, 하기 식 (3-1)에 의해 결정된다. 또한 상기 식 (2-1)~(2-5)에서, "j1" 및 "j2"는 각각 공시체(W)의 관성 모멘트의 토탈 관성에 대한 비 및 동력계(2)의 관성 모멘트의 토탈 관성에 대한 비에 해당하며, 각각의 값은 하기 식 (3-2) 및 (3-3)에 의해 결정된다. 아울러, 공시체(W)의 관성 모멘트의 값 J1 및 동력계(2)의 관성 모멘트의 값 J2는 미리 실험을 수행함으로써 동정(同定)된 값이 이용된다.

또한 상기 식 (2-1)~(2-5)에서, "wp"는 엔진 벤치 시스템(1)에서의 공진 주파수에 해당한다. 따라서 엔진 벤치 시스템(1)을 상기와 같이 2 관성계로 간주한 경우, 그 공진 주파수 wp의 값은 스프링 강성의 값을 "K12"로 한 경우, 예를 들어 하기 식 (4)에 의해 결정된다. 그러나 트랜스미션(TM)에 포함되는 클러치의 스프링 강성은 공시체(W)에 대한 부하 토크에 대해 비선형의 변화를 나타내기 때문에, 하기 식 (4)를 기초로 공진 주파수 wp의 값을 특정하기 위해서는, 실제 기계를 이용한 예비 실험을 미리 수행하여, 공진 주파수와 부하 토크의 상관 관계를 조사할 필요가 있어 번거롭다. 이에 본 실시 형태에서는 공진 주파수 wp의 구체적인 값에는, 하기 이론식 (4)를 이용하지 않고 후술하는 도 4에 나타내는 순서에 따라 얻어진 값을 이용한다.

또한 상기 식 (2-1)~(2-5)에서, "c1", "c2", "c3", "c4" 및 "c5"는 각각 상기 식 (1)에 따라 토크 전류 지령 신호를 생성한 경우, 바람직한 공진 억제 효과가 얻어지도록 각 제어 게인(Ki, Kp, Kt12, b1, a1)을 튜닝하기 위해 도입되는 계수이다. 보다 구체적으로는, 이들 계수(c1, c2, c3, c4, c5)는 상기 식 (1)과 2 관성계의 운동 방정식을 이용하여 도출되는 폐루프 특성 다항식 P(s)의, 라플라스 연산자 s의 1차, 2차, 3차, 4차 및 5차의 항의 계수에 해당한다(하기 식 (5) 참조). 아울러, 동력계 제어 장치(5)에 의해 바람직한 공진 억제 효과가 얻어지도록 이들 계수(c1, c2, c3, c4, c5)의 값을 결정하는 구체적인 순서에 대해서는 본원 출원인에 의한 일본 특허공보 제5136247호에 나타나 있으므로 여기에서는 상세한 설명을 생략한다.

도 4는 본 실시 형태에 따른 제어 방법의 구체적인 순서를 나타내는 순서도이다. 보다 구체적으로는, 도 4는 엔진 벤치 시스템(1)에서 그 공진 주파수가 미지인 신규 공시체(W)를 세팅한 후, 동력계 제어 장치(5)를 이용하여 시험을 시작하기 까지의 순서를 나타내는 순서도이다.

상술한 바와 같이, 도 3의 제어 회로를 기초로 동력계 제어 장치(5)에서 동력계(2)의 속도 제어를 수행하기 위해서는, 제어 게인(Ki, Kp, Kt12, b1, a1)의 값을 결정할 필요가 있다. 또한 이들 제어 게인(Ki, Kp, Kt12, b1, a1)의 값을 결정하기 위해서는, 기지(旣知)인 각종 제어 파라미터(J, J1, J2, c1, c2, c3, c4, c5) 외에, 공진 주파수 wp의 값을 결정할 필요가 있다. 본 실시 형태에 따른 제어 방법에서는, 도 4에 나타내는 순서에 따라 공진 주파수 wp의 값을 결정한 후, 동력계 제어 장치(5)에 의한 속도 제어를 시작한다.

가장 먼저 S1에서는, 작업자는 새롭게 준비한 공시체(W)와 동력계(2)를 연결축(S)으로 결합한 후, S2로 이동한다.

다음으로 S2에 나타내는 속도 제어 공정에서는, 작업자는 공시체(W)의 엔진(E)을 비점화 상태로 유지하면서, 동력계 제어 장치(5)를 이용하여 동력계(2)의 속도 제어를 실행함으로써, 엔진(E)의 회전 속도와 동력계(2)의 회전 속도를 함께 상승시킨다. 또한 이 속도 제어 공정에서는, 동력계(2)의 회전 속도가 소정 속도 제어 종료 속도까지 상승하면, 동력계 제어 장치(5)에 의한 속도 제어를 종료한다. 아울러 속도 제어를 종료한 후, 엔진(E) 및 동력계(2)는 그 회전 속도를 서서히 저하시키면서, 당분간 타성으로 계속 돈다. 아울러 이 속도 제어 공정에서는, 도 3에 나타내는 제어 회로와는 별도로 준비한 제어 회로를 이용하여 동력계(2)의 속도 제어를 수행할 수도 있으며, 혹은 잠정적으로 값을 정한 공진 주파수 wp하에서 도 3에 나타내는 제어 회로를 이용하여 동력계(2)의 속도 제어를 수행할 수도 있다.

그런데 일반적인 4 스트로크 엔진은 (엔진 회전수[rpm]/60)×(기통수/2)의 변동 주파수를 주성분으로 하는 맥동 토크가 발생한다. 또한 이러한 변동 주파수의 토크 변동은 피스톤의 상하 운동에 수반하는 관성 변동 토크에 의해 엔진(E)이 비점화 상태여도 발생한다. 이에 상기 속도 제어 종료 속도는 동력계(2)의 속도 제어하에서 엔진(E)에서 발생하는 토크 변동의 변동 주파수가, 경험에 의해 정해지는 공진 주파수의 상한보다 충분히 높아질 것으로 추정되는 속도(예를 들어 1500[rpm])로 설정된다.

다음으로 S3에서는, S2 이후, 타성으로 계속 도는 동력계(2)의 회전 속도가 소정의 측정 시작 속도까지 저하됨에 따라, 축 토크 검출 신호 및 회전 속도 검출 신호의 취득을 시작한다. 여기서 측정 시작 속도란, 상기 속도 제어 종료 속도보다 약간 낮은 속도이면서, 엔진(E)의 변동 주파수가 상기 공진 주파수의 상한보다 높아질 것으로 추정되는 속도(예를 들어 1000[rpm])로 설정된다.

다음으로 S4에서는, S3 이후에도 여전히 타성으로 계속 도는 동력계(2)의 회전 속도가 소정의 측정 종료 속도까지 저하됨에 따라, S3에서 시작한 축 토크 검출 신호 및 회전 속도 검출 신호의 취득을 종료한다. 여기서 측정 종료 속도란, 상기 측정 시작 속도보다 충분히 낮은 속도이면서, 엔진(E)의 변동 주파수가 경험에 의해 정해지는 공진 주파수의 하한보다 충분히 낮아질 것으로 추정되는 속도(예를 들어, 0[rpm])로 설정된다. 즉, S3~S4의 처리가 본 발명의 제어 방법에서의 측정 공정에 해당한다.

다음으로 S5의 주파수 해석 공정에서는, 작업자는 S3~S4의 측정 공정에서 취득한 축 토크 검출 신호 중 가장 강도가 강한 신호의 주파수를 특정하고, 이 특정한 주파수를 공진 주파수 wp로 한다. 보다 구체적으로는, 이 주파수 해석 공정에서는, 상기 측정 공정에서 취득한 측정 시작 속도에서 측정 종료 속도에 이를 때까지 사이의 축 토크 검출 신호에 대해, 기지의 주파수 해석(구체적으로는, 예를 들어 웨이브렛 해석(wavelet analysis))을 실시함으로써 가장 강도가 강한 신호의 주파수를 특정한다.

상술한 바와 같이 엔진(E)이 비점화 상태여도, 피스톤의 상하 운동에 의해 엔진 회전수에 따른 주파수로 변동하는 관성 변동 토크가 발생한다. 때문에, 타성에 의해 엔진(E)의 회전 속도를 측정 시작 속도에서 측정 종료 속도까지 저하하는 동안에, 변동 주파수는 미지인 공진 주파수를 통과할 것으로 생각된다. 따라서 변동 주파수가 공진 주파수를 통과할 때에는 축 토크 변동도 커질 것으로 생각되므로, 상기와 같이 주파수 해석 공정을 수행함으로써 얻어지는 가장 강도가 강한 신호의 주파수를 공진 주파수로 추정하는 것은 타당하다. 아울러, S3부터 S4에서 엔진(E)은 비점화 상태이기 때문에, 그 부하 토크는 가장 작다. 따라서 S5의 주파수 해석 공정에서 얻어지는 공진 주파수는 도 2의 예에서는, 실선으로 나타내는 저부하 시의 공진 주파수(약 6[Hz]) 근방이 된다.

도 5는 S3~S4의 측정 공정 및 S5의 주파수 해석 공정의 결과의 구체적인 예를 나타내는 도면이다. 도 5에서 최상단은 측정 공정에서 얻어지는 동력계의 회전 속도를 나타내고, 중간단은 측정 공정에서 얻어지는 축 토크를 나타내고, 최하단은 주파수 해석 공정에서의 웨이브렛 해석의 결과를 나타낸다. 또한 도 5에서 가로축은 공통의 시간을 나타낸다. 또한 도 5의 최하단에는 세로축을 주파수로 하고, 가로축을 시간으로 하여, 각 시각에서의 축 토크 검출 신호에 포함되는 각 주파수 성분의 강도를 진하고 연함으로 나타낸다. 도 5에서는 강도가 강해질수록 진하게 나타낸다. 또한 측정 공정에서 얻어진 축 토크 검출 신호 중 가장 강도가 강한 신호가 얻어진 시각 및 주파수를 흰색 동그라미로 나타낸다.

도 5에 나타내는 바와 같이, 측정 공정에서는 동력계의 속도 제어를 종료하고 나서 타성에 의해 회전 속도가 저하되는 과정에서의 회전 속도 및 축 토크를 측정한다. 이 때, 엔진(E)이 비점화 상태여도, 피스톤의 상하 운동에 의해 관성 변동 토크가 발생하기 때문에, 도 5의 중간단에 나타내는 바와 같이 축 토크는 진동한다. 또한 이 축 토크의 변동 주파수는 동력계(2) 및 엔진(E)의 회전 속도가 저하될수록 작아진다.

또한 도 5에 나타내는 바와 같이, 타성에 의해 회전 속도가 저하되는 과정에서 축 토크의 변동 주파수가 미지인 저부하 시의 공진 주파수를 통과할 때(도 5의 예에서는 시각 7.5~8의 사이)에는, 공진에 의해 축 토크의 진폭이 증대한다. 이 때문에, 주파수 해석 공정에서는, 도 5에 나타내는 바와 같이 동일 시각에서 강도가 가장 강한 신호가 검출되고, 또한 이에 의해 저부하 시의 공진 주파수를 특정할 수 있다. 또한 이에 의해 특정되는 공진 주파수의 크기는 도 5에 나타내는 바와 같이 약 6[Hz]이며, 이는 도 2의 예에서의 저부하 시의 공진 주파수와 거의 일치한다.

도 4로 돌아가, S6의 설계 공정에서는, 주파수 해석 공정에서 취득한 공진 주파수 wp의 값을 상기 식 (2-1)~(2-5)에 입력함으로써, 제어 게인(Ki, Kp, Kt12, b1, a1)의 값을 결정한다.

다음으로 S7의 동력계 제어 공정에서는, 작업자는 S6에서 제어 게인이 결정된 동력계 제어 장치(5)를 이용함으로써 동력계(2)의 속도를 제어함으로써, 동력계(2)에 결합되어 있는 공시체(W)의 시험을 시작한다.

다음으로, 도 4의 순서에 따라 설계되는 동력계 제어 장치(5)의 효과에 대해 종래 기술과 비교하면서 설명한다. 여기서 종래 기술이란, 본원 출원인에 의한 일본 특허 제5136247호 중, 실시 형태 4에 나타난 방법에 따라 설계된 동력계 제어 장치를 말한다.

도 6 및 도 7은 상기 종래 기술의 동력계 제어 장치에 의한 제어 결과를 나타내는 도면이다. 보다 구체적으로는, 도 6은 엔진 토크에 대한 축 토크 검출 신호의 주파수 응답 특성을 나타내며, 도 7은 회전 속도 지령 신호에 대한 회전 속도 검출 신호의 주파수 응답 특성을 나타내는 도면이다.

종래 기술에서는, 상술한 바와 같이 비선형의 스프링 특성을 갖는 엔진 벤치 시스템에서, 제어 주기마다 축 토크의 크기에 대응한 공진 주파수에 따라 제어 게인을 변화시킨다. 때문에, 도 6에 나타내는 바와 같이, 엔진 토크에 대한 축 토크 검출 신호의 주파수 응답 특성은 부하 토크가 변화하여 스프링 강성이 변화한 경우에도 충분히 공진이 억제되고 있다. 또한 도 7에 나타내는 바와 같이, 회전 속도 지령 신호에 대한 회전 속도 검출 신호의 주파수 응답 특성도 공진 주파수의 변화에 따른 제어 응답이 되고 있다. 이상과 같이, 종래 기술에 의하면, 바람직한 공진 억제 효과가 얻어지지만, 공시체를 바꿀 때마다 예비 실험을 수행하여 축 토크의 크기와 공진 주파수의 상관 관계를 특정할 필요가 있어 번거롭다. 또한 종래 기술에 의하면, 동력계 제어 장치에서는 공진 주파수를 산출하는 연산이나 제어 게인을 결정하는 연산을 제어 주기마다 수행할 필요가 있어, 연산 부하가 크다는 과제도 있다.

도 8 및 도 9는 도 4의 순서에 따라 설계된 동력계 제어 장치(5)에 의한 제어 결과를 나타내는 도면이다. 보다 구체적으로는, 도 8은 엔진 토크에 대한 축 토크 검출 신호의 주파수 응답 특성을 나타내며, 도 9는 회전 속도 지령 신호에 대한 회전 속도 검출 신호의 주파수 응답 특성을 나타내는 도면이다.

도 8에 나타내는 바와 같이, 본 실시 형태의 동력계 제어 장치(5)에서는 종래 기술과 달리, 제어 게인을 저부하 시에 대응하는 공진 주파수를 기초로 설정한 것에 고정하고 있음에도 불구하고, 엔진 토크에 대한 축 토크 검출 신호의 주파수 응답 특성은 부하 토크가 변화하여 스프링 강성이 변화한 경우에도 충분히 공진이 억제되고 있다. 또한 도 8과 도 6을 비교하여 명백한 바와 같이, 본 실시 형태의 동력계 제어 장치(5)에 의해 얻어지는 공진 억제 효과는 종래 기술과 비교해 손색 없다. 또한 도 9에 나타내는 바와 같이, 회전 속도 지령 신호에 대한 회전 속도 검출 신호의 주파수 응답 특성은 도 7에 나타내는 종래 기술과 달리, 공진 주파수의 변화에 따른 제어 응답이 되지 않았다.

이상과 같이 본 실시 형태의 제어 방법에 의하면, 종래 기술과 비교해 간이한 예비 실험(즉, 도 4의 S1~S6의 공정)을 수행하는 것만으로 공진 억제 효과가 높은 동력계 제어 장치(5)를 설계할 수 있다. 또한 본 실시 형태의 제어 방법에서는, 제어 게인을 저부하 시에 대응하는 공진 주파수를 기초로 설정한 것에 고정하기 때문에, 동력계 제어 장치(5)에서의 연산 부하를 종래 기술보다 작게 할 수 있다.

1: 엔진 벤치 시스템
E: 엔진
W: 공시체
S: 연결축
2: 동력계
5: 동력계 제어 장치
61: 축 토크 센서

Claims

엔진을 포함하는 공시체와 연결축을 통해 결합된 동력계; 상기 연결축에 발생하는 축 토크에 따른 축 토크 검출 신호를 발생하는 축 토크 센서; 및 상기 축 토크 검출 신호를 기초로 상기 동력계를 제어하는 동력계 제어 장치를 구비하는 엔진 벤치 시스템의 제어 방법으로서,
상기 엔진을 비점화 상태로 유지하면서 상기 동력계의 속도 제어를 실행하는 동시에, 상기 동력계의 회전 속도가 소정 속도까지 상승하면 상기 속도 제어를 종료하는 속도 제어 공정;
타성에 의해 상기 동력계의 회전 속도가 소정의 측정 시작 속도에서 소정의 측정 종료 속도가 될 때까지 사이의 축 토크 검출 신호를 취득하는 측정 공정;
상기 측정 공정에서 얻어진 축 토크 검출 신호 중 가장 강도가 강한 신호의 주파수를 공진 주파수로서 취득하는 주파수 해석 공정;
상기 공진 주파수를 이용하여 상기 동력계 제어 장치의 제어 게인을 결정하는 설계 공정; 및
상기 제어 게인이 결정된 상기 동력계 제어 장치를 이용하여 상기 동력계를 제어하는 동력계 제어 공정을 구비하는 것을 특징으로 하는 엔진 벤치 시스템의 제어 방법.