WO2016009900A1 - 揺動式ダイナモメータシステム及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

　ダイナモメータの設置面を基準としたロータの角速度を検出する速度検出器を用いながら、高精度のトルク制御が可能な揺動式ダイナモメータシステムを提供すること。　揺動式ダイナモメータシステムは、設置面に対して揺動可能に支持されたステータ及びこのステータに回転可能に支持されたロータを備えるダイナモメータと、設置面を基準としたロータの速度を検出するエンコーダと、ステータから径方向に延びるトルクアームと設置面との間に作用する荷重を検出するロードセルと、エンコーダの出力（ω_ＤＲ）及びロードセルの出力（Ｔ_Ｒ）を用いてステータを基準としたロータの速度であるステータ基準速度（ω_Ｄ）を推定し、この推定したステータ基準速度（ω_Ｄ）を用いてダイナモメータのトルク制御を行うトルク制御器５と、を備える。

Description

揺動式ダイナモメータシステム及びその制御方法

　本発明は、揺動式ダイナモメータシステム及びその制御方法に関する。

　車両や車両のエンジン等の性能を測定する試験装置として、シャシダイナモメータシステムやエンジンダイナモメータシステムが知られている。これらダイナモメータシステムには、車両やエンジンに与える負荷を発生するダイナモメータとして、いわゆる揺動機構を備えたものが用いられる場合がある。以下では、このような揺動式のダイナモメータを用いた試験装置を特に揺動式ダイナモメータシステムという。揺動式のダイナモメータでは、ロータを回転可能に支持するステータは、設置面に対して固定されておらず例えば油圧によって浮揚するように支持されており、設置面に対して揺動する。

　以上のような揺動式ダイナモメータシステムでは、その制御及び計測に係るトルクを検出するためのセンサとして、ステータから延びるトルクアームに設けられたロードセルが用いられる。ダイナモメータのトルク制御器は、速度検出器によって検出されるロータの速度を用いて、ロードセルによって検出されるトルクが予め定められたトルク指令になるようにインバータのベクトル制御を行う（特許文献１、２参照）。

特開２０１３－１４８４８５号公報 特開２０１３－２４６１５２号公報

　ところでベクトル制御では、ステータの回転周波数に対するロータの回転周波数の遅れに相当する「滑り」を把握する必要がある。このような滑りを正確に把握するためには、トルク制御器では、揺動するステータを基準としたロータの速度を把握する必要がある。一方、上述の速度検出器は、構造上の理由から、設置面に対して静止するように設けざるを得ない場合が多い。換言すれば、従来の速度検出器では、ステータを基準とした速度を検出することができず、設置面を基準とした速度しか検出することができない。このため、従来の揺動式ダイナモメータシステムでは、ダイナモメータの滑りを正確に把握することができず、高精度のトルク制御に支障が生じる。これは、アームの剛性が低くなるほど顕著になる。

　本発明は、ダイナモメータの設置面を基準としたロータの速度を検出する速度検出器を用いながら、高精度のトルク制御が可能な揺動式ダイナモメータシステム及びその制御方法を提供することを目的とする。

　（１）本発明に係る揺動式ダイナモメータシステム（例えば、後述のダイナモメータシステム１）は、設置面（例えば、後述の設置面６）に対して揺動可能に支持されたステータ（例えば、後述のステータ２１）及び当該ステータに回転可能に支持されたロータ（例えば、後述のロータ２２）を備えるダイナモメータ（例えば、後述のダイナモメータ２）と、前記設置面を基準とした前記ロータの速度を検出するロータ速度検出器（例えば、後述のエンコーダ２９）と、前記ステータから径方向に延びるアーム（例えば、後述のトルクアーム２６）と前記設置面との間に作用する荷重を検出する荷重検出器（例えば、後述のロードセル２８）と、前記ロータ速度検出器及び前記荷重検出器の出力（ω_ＤＲ，Ｔ_Ｒ）を用いて前記ステータを基準とした前記ロータの速度であるステータ基準速度を推定し、当該推定したステータ基準速度（ω_Ｄ）を用いて前記ダイナモメータを制御する制御手段（例えば、後述のトルク制御器５）と、を備える。

　（２）揺動式ダイナモメータシステム（例えば、後述のダイナモメータシステム１）は、設置面（例えば、後述の設置面６）に対して揺動可能に支持されたステータ（例えば、後述のステータ２１）及び当該ステータに回転可能に支持されたロータ（例えば、後述のロータ２２）を備えるダイナモメータ（例えば、後述のダイナモメータ２）と、前記ロータの前記設置面を基準とした速度を検出するロータ速度検出器（例えば、後述のエンコーダ２９）と、前記ステータから径方向に延びるアーム（例えば、後述のトルクアーム２６）と前記設置面との間に作用する荷重を検出する荷重検出器（例えば、後述のロードセル２８）と、を備える。本発明に係る揺動式ダイナモメータシステムの制御方法は、前記ロータ速度検出器及び前記荷重検出器の出力（ω_ＤＲ，Ｔ_Ｒ）を用いて前記ステータを基準とした前記ロータの速度であるステータ基準速度を推定し、当該推定されたステータ基準速度（ω_Ｄ）を用いて前記ダイナモメータを制御する。

　（１）本発明では、ロータ速度検出器によって設置面を基準としたロータの速度を検出し、荷重検出器によってステータから延びるアームと設置面との間に作用する荷重を検出する。そして制御手段は、これらロータ速度検出器及び荷重検出器の出力を用いてステータを基準としたロータの速度であるステータ基準速度を算出し、このステータ基準速度を用いてダイナモメータを制御する。本発明によれば、設置面を基準としたロータ速度検出器を用いながら、制御手段ではダイナモメータの滑りを正確に把握することができるので、高い精度でダイナモメータのトルク制御を行うことができる。

　（２）本発明によれば、上記（１）と同じ理由により、設置面を基準としたロータ速度検出器を用いながら高い精度でダイナモメータのトルク制御を行うことができる。

本発明の一実施形態に係る揺動式ダイナモメータシステムの構成を示す図である。 トルク制御器によるトルク制御の制御系の構成を示すブロック図である。 本発明の実施例のシミュレーション結果である。 比較例のシミュレーション結果である。

　以下、本発明の一実施形態について図面を参照しながら説明する。
　図１は、揺動式ダイナモメータシステム１の構成を示す図である。
　揺動式ダイナモメータシステム１は、揺動式のダイナモメータ２と、ダイナモメータ２に電力を供給するインバータ３と、ダイナモメータ２の出力トルクを制御するトルク制御器５と、を備える。

　ダイナモメータ２は、円筒状のステータ２１と、このステータ２１内に回転可能に支持されたロータ２２と、これらロータ２２及びステータ２１で構成される揺動子２３を、設置面６に固定された基台２４上で周方向に沿って揺動可能に支持するペデスタル２５と、ステータ２１に発生するトルクを検出する荷重検出器としてのロードセル２８と、ロータ２２の回転数を検出するロータ速度検出器としてのエンコーダ２９と、を備える。

　ロータ２２には、試験対象である供試体（図示せず）が接続される。ステータ２１の側部には、径方向に沿って外側へ延びるトルクアーム２６が設けられている。ロードセル２８は、トルクアーム２６の先端部と設置面６との間に設けられる。ロードセル２８は、トルクアーム２６と設置面６との間に作用する荷重（ダイナモメータ２の出力トルク）を検出し、検出値に略比例した信号をトルク制御器５に送信する。

　エンコーダ２９は、ロータ２２の回転に応じてパルス信号を発生する。トルク制御器５では、このエンコーダ２９からのパルス信号に基づいてロータ２２の角速度や角度が算出される。ところでエンコーダ２９は、設置面６又は設置面６に対して固定された基台２４に固定して設けられている。エンコーダ２９のパルス信号に基づいて把握されるロータ２２の角速度は、設置面６を基準とした角速度となっている。

　トルク制御器５は、ロードセル２８及びエンコーダ２９の出力信号を用いて、ロードセル２８によって検出されるダイナモメータ２の出力トルクが予め定められたトルク指令になるようにダイナモメータ２のトルク制御を行う。

　図２は、トルク制御器５によるトルク制御の制御系の構成を示すブロック図である。この制御系は、角速度補正部５１と、ベクトル制御部５２と、制御対象であるダイナモメータシステムＰと、を含んで構成される。

　図２において、“Ｔ_Ｌ”は、ダイナモメータのロータに連結された供試体を駆動することによって、ロータに発生するトルク（以下、「供試体トルク」という）である。“Ｔ_Ｄ”は、ダイナモメータの出力トルク（以下、「ダイナモメータトルク」という）である。“Ｔ_{Ｄ＿ＲＥＦ}”は、トルク指令であり、上記ダイナモメータトルクに対する指令値に相当する。“Ｔ_Ｒ”は、ロードセルの検出トルクであり、ダイナモメータの実出力トルクに相当する。

　“Ｊ_Ｒ”は、ロータの慣性モーメントであり、“Ｊ_Ｓ”はステータの慣性モーメントである。“Ｋ”はトルクアームの剛性を示す定数であり、“Ｄ”はトルクアームの減衰定数である。これら定数Ｋ，Ｄの値は、トルクアームの形状や材質等によって定まる値であり、実験を行うことによって特定できる。“ω_ＤＲ”は、エンコーダの出力であり、設置面を基準としたロータの角速度に相当する。“ω_ＤＳ”は、設置面を基準としたステータの角速度である。“ω_Ｄ”は、角速度補正部５１の出力であり、後述のようにステータを基準としたロータの角速度に相当する。

　図２に示すように、供試体に接続されたロータには、供試体トルクＴ_ＬとダイナモメータトルクＴ_Ｄとを合算したトルクが作用する。この作用の下、ロータは角速度ω_ＤＳによって回転する。

　一方、ロータを回転可能に支持するステータには、反作用としてロータとは逆向きのダイナモメータトルクＴ_Ｄが作用する。また図１を参照して説明したようにステータは、揺動可能に支持されているとともに、トルクアーム及びロードセルを介して設置面に拘束されている。したがって、ステータが揺動すると、ステータにはこの揺動を抑えようとするトルクが作用する。そしてこのステータの揺動を抑えようとするトルクの大きさは、ロードセルの検出トルクＴ_Ｒと等しい。したがって、ステータには、ロードセルの検出トルクＴ_Ｒから動力計トルクＴ_Ｄを減算したトルクが作用し、この作用の下、ステータは角速度ω_ＤＳで揺動する。

　なお図２に示すように、ロードセルの検出トルクＴ_Ｒは、トルクアームの剛性を示す定数Ｋと減衰定数Ｄとステータの角速度ω_ＤＳとを用いると、下記式（１）によって表される。下記式において、“ｓ”はラプラス演算子である。

　角速度補正部５１は、ロードセルの検出トルクＴ_Ｒを用いて、設置面を基準としたロータの角速度ω_ＤＲ（すなわち、エンコーダの出力に相当）を補正し、ステータを基準としたロータの角速度ω_Ｄを算出する。

　上述のように、ロードセルの検出トルクＴ_Ｒは、トルクアームを特徴付ける剛性定数Ｋ及び減衰定数Ｄと、設置面を基準としたステータの角速度ω_ＤＳとを用いて算出することができる。したがって、上記式（１）を逆に解くことによって、設置面を基準としたステータの角速度に対する推定値ω_{ＤＳ＿ｈａｔ}の演算式が得られる（下記式（２）参照）。

　角速度補正部５１は、設置面を基準としたロータの角速度ω_ＤＲから設置面を基準としたステータの角速度の推定値ω_{ＤＳ＿ｈａｔ}を減算することによって、ステータを基準としたロータの角速度ω_Ｄを算出する（下記式（３）参照）。

　ベクトル制御部５２は、ロードセルの検出トルクＴ_Ｒが図示しない処理によって定められたトルク指令Ｔ_{Ｄ＿ＲＥＦ}になるように、上記角速度補正部５１によって算出されたロータの角速度ω_Ｄを用いてインバータのベクトル制御を行う。

　次に、図３及び図４を参照しながら、以上のような揺動式ダイナモメータシステムの効果について説明する。
　図３は、エンコーダによって検出された角速度を角速度補正部によって補正し、この補正された角速度を用いてトルク制御を行った場合（以下、単に「実施例」という）のシミュレーション結果である。
　図４は、上述のような補正を経ずにエンコーダによって検出された角速度をそのまま用いてトルク制御を行った場合（以下、単に「比較例」という）のシミュレーション結果である。

　これら図３及び図４に示すシミュレーションでは、時刻０．１［ｓ］付近でトルク指令を０からステップ状に変化させたときにおけるダイナモメータの出力トルク（ロードセルの検出トルク）の変化を測定した。このシミュレーションでは、ダイナモメータとして誘導機を用い、滑り周波数型ベクトル制御によってトルク制御を行った。

　比較例では、設置面を基準としたロータの角速度をベクトル制御に用いているため、ステータが揺動すると、トルク制御に動揺が生じる。このため、図４に示すように、ステップ状に変化するトルク指令に対し、ダイナモメータの出力トルクはオーバーシュートや振動的な挙動を示す。

　実施例では、エンコーダによって検出される角速度を補正することによってステータを基準としたロータの角速度を算出し、これをベクトル制御に用いている。このため、図３と図４とを比較して明らかなように、ダイナモメータの出力トルクの変動は比較例よりも小さく抑えられる。すなわち、実施例によれば、設置面を基準としたロータの角速度を検出するエンコーダを用いながら、高精度のトルク制御が可能となることが明らかとなった。

　１…ダイナモメータシステム
　２…ダイナモメータ
　２１…ステータ
　２２…ロータ
　２６…トルクアーム
　２８…ロードセル（荷重検出器）
　２９…エンコーダ（ロータ速度検出器）
　５…トルク制御器（制御手段）
　６…設置面

Claims (2)

1. 　設置面に対して揺動可能に支持されたステータ及び当該ステータに回転可能に支持されたロータを備えるダイナモメータと、
   　前記設置面を基準とした前記ロータの速度を検出するロータ速度検出器と、
   　前記ステータから径方向に延びるアームと前記設置面との間に作用する荷重を検出する荷重検出器と、を備えた揺動式ダイナモメータシステムであって、
   　前記ロータ速度検出器及び前記荷重検出器の出力を用いて前記ステータを基準とした前記ロータの速度であるステータ基準速度を推定し、当該推定したステータ基準速度を用いて前記ダイナモメータを制御する制御手段と、を備えることを特徴とする揺動式ダイナモメータシステム。
2. 　設置面に対して揺動可能に支持されたステータ及び当該ステータに回転可能に支持されたロータを備えるダイナモメータと、
   　前記ロータの前記設置面を基準とした速度を検出するロータ速度検出器と、
   　前記ステータから径方向に延びるアームと前記設置面との間に作用する荷重を検出する荷重検出器と、を備えた揺動式ダイナモメータシステムの制御方法であって、
   　前記ロータ速度検出器及び前記荷重検出器の出力を用いて前記ステータを基準とした前記ロータの速度であるステータ基準速度を推定し、当該推定されたステータ基準速度を用いて前記ダイナモメータを制御することを特徴とする揺動式ダイナモメータシステムの制御方法。

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