WO2016114233A1 - ダイナモメータの制御装置及びこれを用いた慣性モーメント推定方法 - Google Patents

ダイナモメータの制御装置及びこれを用いた慣性モーメント推定方法 Download PDF

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engine
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shaft torque
shaft
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岳夫 秋山
伸彦 浅倉
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株式会社明電舎
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Definitions

  • the present invention relates to a dynamometer control device and an inertia moment estimation method using the same.
  • FIG. 8 is a diagram showing a configuration of a test system 100 for the engine E using the dynamometer DY.
  • the test system 100 includes a dynamometer DY connected to an engine E as a specimen by a shaft S, a throttle actuator 110 and an engine control device 120 that control the output of the engine E, and an inverter 130 that controls the output of the dynamometer DY. And a dynamometer control device 140.
  • the durability of the engine E is controlled by controlling the torque and speed of the dynamometer DY using the dynamometer control device 140 while controlling the throttle opening of the engine E using the engine control device 120. Fuel economy, exhaust purification performance, etc. are evaluated.
  • the inertia moment of the engine E is measured before a test for evaluating the performance as described above, and this is used as a control parameter for torque control or speed control in the dynamometer control device 140. There is.
  • Patent Document 1 discloses a method for estimating the moment of inertia of the engine E using an apparatus constituting the test system 100 as described above.
  • the dynamometer control device 140 performs excitation control of the torque acting on the shaft S while keeping the rotation speed of the engine E constant using the engine control device 120.
  • the output of the shaft torque sensor 160 and the rotation speed detector 150 under such vibration control is acquired by the arithmetic unit 170, and the value of the moment of inertia of the engine E is estimated by using the acquired data.
  • the engine E has a mechanical loss corresponding to the rotational speed.
  • the moment of inertia is estimated with the rotation speed of the engine E being substantially constant, it is not necessary to consider such mechanical loss.
  • the engine torque vibrates at a frequency corresponding to the rotational speed.
  • a vibration torque having a frequency 2N (N is a natural number) times the rotational speed is generated.
  • the mechanical system configured by connecting the engine E and the dynamometer DY has a resonance frequency of about 100 Hz, for example. This resonance frequency is included in a frequency region of vibration torque generated in the engine E operated in a normal rotation speed region (several hundred to several thousand rpm).
  • the resonance frequency is known in advance, the resonance phenomenon as described above can be suppressed by determining the engine speed so that the vibration torque frequency and the resonance frequency are sufficiently separated from each other.
  • the resonance frequency is often unknown, and therefore an appropriate engine speed cannot be determined when estimating the value of the moment of inertia.
  • the present invention relates to a dynamometer control device capable of performing excitation control so that a resonance phenomenon does not occur even when the moment of inertia of the specimen is unknown, and a method of estimating the moment of inertia using the control device The purpose is to provide.
  • the present invention provides a dynamometer (for example, a dynamometer D described later) connected to a specimen (for example, an engine E described later) via a shaft (for example, a shaft S described later).
  • a dynamometer control device for example, a dynamometer control device 6 to be described later
  • a rotation speed detector for example, an encoder 8 to be described later
  • a shaft torque sensor for example, a shaft torque sensor 7 described later
  • a vibration signal generation unit for example, a vibration signal described later
  • a speed controller (for example, described later) that generates an input signal to the dynamometer such that the detection value of the rotation speed detector becomes a predetermined command rotation speed.
  • Degree controller 62 and a shaft torque compensator (for example, a shaft torque compensator to be described later) that generates an input signal to the dynamometer using the detected value of the shaft torque sensor to suppress the vibration of the shaft.
  • 64 and an adder (for example, an adder 65 described later) that generates a torque current command signal by adding the input signal generated by the speed controller and the shaft torque compensator to the excitation signal. It is characterized by providing.
  • the shaft torque compensator passes the detection signal of the shaft torque sensor through a high-pass filter or a band-pass filter that includes a resonance frequency of a mechanical system including the specimen and the dynamometer in a pass band.
  • a high-pass filter or a band-pass filter that includes a resonance frequency of a mechanical system including the specimen and the dynamometer in a pass band.
  • control device includes a low-pass filter (for example, a low-pass filter 63 described later) for attenuating a resonance frequency component of the mechanical system including the specimen and the dynamometer from the output signal of the speed controller. It is preferable to further provide.
  • a low-pass filter for example, a low-pass filter 63 described later
  • the speed controller inputs to the dynamometer according to the IP control law characterized by the proportional gain Kp and the integral gain Ki with the detection value of the rotational speed detector and the command rotational speed as inputs.
  • the low-pass filter is characterized by a cutoff frequency ⁇ LPF / 2 ⁇ , and the proportional gain Kp, the integral gain Ki, and the cutoff frequency ⁇ LPF / 2 ⁇ satisfy the following expression (1). It is preferable that
  • J is a sum of inertia moments of the dynamometer and the specimen or an estimated value thereof, and ⁇ c is a positive real number.
  • the present invention provides a dynamometer (for example, a dynamo described later) connected to an engine (for example, a later-described engine E) and a shaft (for example, a later-described axis S).
  • a dynamometer for example, a dynamo described later
  • an engine for example, a later-described engine E
  • a shaft for example, a later-described axis S.
  • Meter D for example, a dynamometer control device 6 described later
  • an engine control device for example, an engine control device 5 described later
  • a shaft torque sensor for example, a shaft torque sensor 7 described later for detecting a shaft torque acting on the shaft
  • a rotation number detector for example, a later-described encoder 8 for detecting the rotation number of the dynamometer
  • a moment of inertia estimation method for estimating a value of the moment of inertia of the engine using a test system (for example, a test system 1 described later). Subjected to.
  • an excitation control step execution control of the output torque of the dynamometer is executed by the dynamometer control device while maintaining the engine speed at a predetermined target rotation speed by the engine control device ( For example, S1 in FIG. 3 and a data acquisition process (for example, S1 in FIG.
  • a transfer function calculating step for example, S2 in FIG. 3 for calculating a transfer function using the shaft torque as an input and the rotation speed as an output, using the data acquired in the data acquiring step, and the transfer function
  • An estimation step for example, S3 to S5 in FIG. 3) for estimating the value of the moment of inertia of the engine using the transfer function calculated in the calculation step.
  • the excitation control is performed using the control device according to any one of (1) to (4) as the dynamometer control device.
  • an excitation signal that varies randomly or periodically, an input signal generated by the speed controller so that the rotational speed of the dynamometer becomes a predetermined command rotational speed, and a shaft torque compensator
  • the torque current command signal for performing the excitation control of the dynamometer is generated by adding the input signal generated so as to suppress the vibration of the dynamometer. If the vibration control of the dynamometer is simply performed, the vibration signal may be input to the dynamometer.
  • the vibration control of the dynamometer by controlling the rotational speed of the dynamometer using a speed controller and a shaft torque compensator, the rotational speed and shaft torque of the dynamometer are not greatly changed by the resonance phenomenon as described above. Excitation control can be performed. In the present invention, the resonance phenomenon can be suppressed without knowing in advance the moment of inertia of the specimen by using a speed controller or a shaft torque compensator.
  • a high-pass filter or a band-pass filter set so as to include the resonance frequency in the pass band is superposed on the input to the dynamometer by superimposing the shaft torque sensor detection signal, It is possible to prevent the shaft torque from vibrating greatly in the vicinity of the resonance frequency.
  • the pass band of the filter can have a certain margin, it is possible to design a filter that exhibits a sufficient effect even if the exact value of the resonance frequency is unknown.
  • the resonance frequency component is attenuated from the output signal of the speed controller using a low-pass filter.
  • the proportional gain Kp and integral gain Ki included in the speed controller and the cut-off frequency ⁇ LPF / 2 ⁇ included in the low-pass filter are the sum of the moments of inertia of the dynamometer and the specimen or their estimated values.
  • J which is The above equation (1) is the triple root of the characteristic polynomial of the transfer function of the closed-loop system when a mechanical system in which the specimen and the dynamometer are connected with a shaft is modeled with a rigid body having a moment of inertia J. Therefore, by determining the coefficients Kp, Ki, and ⁇ LPF as in the above equation (1), the speed controller can be prevented from oscillating.
  • the value of the moment of inertia of the engine as the specimen is estimated by performing the vibration control process, the data acquisition process, the transfer function calculation process, and the estimation process.
  • the vibration control of the dynamometer is performed by using the dynamometer control device including the speed controller and the shaft torque compensator as described above, so that the target rotational speed is set on the engine control device side. Since the resonance phenomenon can be suppressed, the value of the moment of inertia of the engine can be estimated with high accuracy.
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a test system 1 according to the present embodiment.
  • the test system 1 includes an engine E as a specimen, a dynamometer D connected to the engine E via a substantially rod-shaped shaft S, and an engine control device 5 that controls the output of the engine E via a throttle actuator 2. And an inverter 3 that supplies power to the dynamometer D, a dynamometer control device 6 that controls the output of the dynamometer D via the inverter 3, and a torsional torque of the shaft S (hereinafter referred to as “shaft torque”).
  • the durability of the engine E is controlled by controlling the torque and speed of the dynamometer DY using the dynamometer control device 6 while controlling the throttle opening of the engine E using the engine control device 5.
  • Tests for evaluating fuel consumption, exhaust purification performance, and the like are performed. Below, focusing on the function of estimating the moment of inertia of the engine E among various functions realized by the test system 1, the configuration relating to the estimation of the moment of inertia will be described in detail.
  • the engine control device 5 controls the output of the engine E via the throttle actuator 2 in a predetermined manner after starting the engine E at a predetermined timing.
  • the dynamometer control device 6 generates a torque current command signal for the dynamometer D in a manner determined according to the test.
  • the inverter 3 supplies power to the dynamometer D based on the torque current command signal generated by the dynamometer control device 6, thereby generating torque corresponding to the command signal in the dynamometer D.
  • the arithmetic device 9 controls the output of the engine E using the engine control device 5 and simultaneously detects the shaft detected by the shaft torque sensor 7 when controlling the output of the dynamometer D using the dynamometer control device 6. Data relating to the torque and the dynamo rotational speed detected by the encoder 8 are recorded, and the moment of inertia of the engine E is estimated using the recorded data. A specific calculation procedure for estimating the moment of inertia of the engine E in the calculation device 9 will be described later with reference to FIG.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration of a control circuit of the dynamometer control device 6 according to the present embodiment.
  • the control circuit shown in FIG. 2 is a control circuit for executing the excitation control for oscillating the shaft torque, and is particularly preferably used when estimating the value of the moment of inertia of the engine E.
  • the dynamometer control device 6 includes an excitation signal generation unit 61, a speed controller 62, a low-pass filter 63, a shaft torque compensator 64, and an adder 65.
  • the excitation signal generation unit 61 generates an excitation torque signal in order to execute the excitation control of the shaft torque.
  • an excitation torque signal for example, a normally distributed random number generated under a predetermined standard deviation is used.
  • the excitation torque signal may be a sine wave that varies periodically under a predetermined amplitude and frequency.
  • the speed controller 62 generates an input signal to the dynamometer so that the dynamo rotation speed detected by the encoder becomes a predetermined command rotation speed according to a known control law using the dynamo rotation speed and the command rotation speed. To do. More specifically, the speed controller 62 preferably generates an input signal according to an IP control law characterized by a proportional gain Kp and an integral gain Ki, as shown in FIG. The specific setting of these gains Kp and Ki will be described later.
  • the low-pass filter 63 attenuates a component having a frequency higher than the cutoff frequency ⁇ LPF / 2 ⁇ from the output signal of the speed controller 62.
  • a first-order transfer function characterized by a cutoff frequency ⁇ LPF / 2 ⁇ is used as the transfer function of the low-pass filter 63.
  • This cut-off frequency ⁇ LPF / 2 ⁇ is determined to be lower than the resonance frequency (for example, about 100 Hz) so as to attenuate the component of the resonance frequency of the mechanical system including the engine and the dynamometer from the input signal. Thereby, it is possible to prevent interference between the rotational speed control of the dynamometer by the speed controller 62 and the resonance of the mechanical system.
  • the specific setting of this cutoff frequency ⁇ LPF / 2 ⁇ will be described later.
  • the shaft torque compensator 64 uses the detected value of the shaft torque sensor to generate an input signal to the dynamometer that suppresses vibration of the shaft connecting the engine and the dynamometer. More specifically, the transfer function of the shaft torque compensator 64 is composed of a first-order high-pass filter characterized by a cutoff frequency ⁇ HPF / 2 ⁇ as shown in FIG.
  • the cut-off frequency ⁇ HPF / 2 ⁇ is determined to be lower than the resonance frequency so that at least the component of the resonance frequency is passed from the detected value of the shaft torque sensor.
  • the shaft torque compensator 64 is not limited to the high-pass filter as described above, and may be a band-pass filter that is set to pass at least a component of the resonance frequency from the detected value of the shaft torque sensor.
  • the adder 65 adds the input signal from the speed controller 62 that has passed through the low-pass filter 63 and the input signal from the shaft torque compensator 64 to the excitation torque signal generated by the excitation signal generation unit 61.
  • a torque current command signal for the dynamometer is generated.
  • the proportional gain Kp, the integral gain Ki, and the cutoff frequency ⁇ LPF / 2 ⁇ defined by the following equation (3) give the triple root of the characteristic polynomial (2).
  • ⁇ c is an arbitrary positive real number, for example, 2 ⁇ . That is, by setting the values of the control circuit parameters Kp, Ki, and ⁇ LPF as in the following equation (3), the speed controller 62 can be prevented from oscillating.
  • the dynamometer control device of FIG. 2 is preferably used when estimating the moment of inertia of the engine. That is, when setting these gain values, it is assumed that the true value of the moment of inertia of the engine is unknown, and therefore the sum J of the moment of inertia of the engine and dynamometer in the above equation (3) is also unknown. It is assumed.
  • the total moment of inertia J uses, for example, a known dynamometer moment of inertia J2, a minimum value J1L of the assumed moment of inertia of the engine, and a maximum value J1H of the assumed moment of inertia of the engine. The following estimated values obtained are used. That is, the control parameters of the dynamometer control device of FIG. 2 can be adjusted without using the moment of inertia of the engine.
  • FIG. 3 is a flowchart showing a procedure for estimating the moment of inertia of the engine.
  • the dynamometer control device of FIG. 2 simultaneously executes the vibration control of the output torque of the dynamometer (vibration control step). ).
  • the shaft torque detected by the shaft torque sensor and the dynamo rotation speed detected by the encoder during the vibration control process are acquired over a predetermined time (for example, several tens of seconds) (data acquisition). Process).
  • the target engine speed in this vibration control process is arbitrary.
  • the command rotational speed of the dynamometer input to the speed controller of the dynamometer control device is set to the same value as an arbitrarily determined target rotational speed of the engine.
  • the transfer function G (s) using the shaft torque as an input and the dynamo rotation speed as an output is calculated (transfer function calculation step).
  • a Bode diagram showing the gain characteristic of the derived transfer function G (s) is plotted, and a frequency region used for estimating the moment of inertia of the engine is specified from the Bode diagram.
  • the frequency of the anti-resonance point at which the gain decreases rapidly is ⁇ ARF, and the anti-resonance frequency ⁇ ARF is multiplied by a predetermined coefficient K (for example, about 0.3).
  • K for example, about 0.3
  • the coefficient b defined by the following equation (5) is used by using a plurality of combinations (g, ⁇ ) of the gain g and the frequency ⁇ in the frequency region specified in S3 in the plotted Bode diagram.
  • the average value bm for all combinations (g, ⁇ ) of the coefficients b is calculated.
  • the dynamometer control device of the comparative example is a dynamometer control device 6 shown in FIG. 2 that uses only the excitation torque signal randomly generated by the excitation signal generation unit 61 to generate a torque current command signal. A device that generates.
  • FIGS. 6 and 7 are diagrams showing the time change of the engine speed and the like when the vibration control is performed using the dynamometer control device of the present invention shown in FIG. 2, and the transfer function from the engine torque to the shaft torque, respectively. It is a Bode diagram which shows the gain characteristic.
  • the dynamo rotational speed command value is equal to the target rotational speed of the engine.
  • the unknown moment of inertia of the engine was divided into three stages between 0.1 and 0.5 kg ⁇ m 2 .

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Abstract

　エンジンの慣性モーメントが未知の状態であっても共振現象が生じないように加振制御を行うことができるダイナモメータの制御装置を提供すること。　ダイナモメータ制御装置６は、ランダム又は周期的に変動する加振信号を生成する加振信号生成部６１と、ダイナモ回転数が所定のダイナモ指令回転数になるようなダイナモメータへの入力信号を生成する速度制御器６２と、軸トルクセンサの検出値を用いてエンジンとダイナモメータとを連結する軸の振動が抑制されるようなダイナモメータへの入力信号を生成する軸トルク補償器６４と、加振信号に速度制御器６２及び軸トルク補償器６４によって生成された入力信号を加えることによってトルク電流指令信号を生成する加算器６５と、を備える。

Description

ダイナモメータの制御装置及びこれを用いた慣性モーメント推定方法
　本発明は、ダイナモメータの制御装置及びこれを用いた慣性モーメント推定方法に関する。
　図８は、ダイナモメータＤＹを用いたエンジンＥの試験システム１００の構成を示す図である。
　試験システム１００は、供試体であるエンジンＥと軸Ｓで連結されたダイナモメータＤＹと、エンジンＥの出力を制御するスロットルアクチュエータ１１０及びエンジン制御装置１２０と、ダイナモメータＤＹの出力を制御するインバータ１３０及びダイナモメータ制御装置１４０と、を備える。試験システム１００では、エンジン制御装置１２０を用いてエンジンＥのスロットル開度を制御しながら、ダイナモメータ制御装置１４０を用いてダイナモメータＤＹのトルクや速度を制御することにより、エンジンＥの耐久性、燃費、及び排気浄化性能等が評価される。試験システム１００では、上記のような性能を評価する試験を行う前に、エンジンＥの慣性モーメントを測定しておき、これをダイナモメータ制御装置１４０におけるトルク制御や速度制御の制御パラメータとして利用する場合がある。
　特許文献１には、上述のような試験システム１００を構成する装置を用いてエンジンＥの慣性モーメントを推定する方法が示されている。特許文献１の方法では、エンジン制御装置１２０を用いてエンジンＥの回転数を一定に保ちながら、ダイナモメータ制御装置１４０では、軸Ｓに作用するトルクの加振制御を行う。そして、このような加振制御下における軸トルクセンサ１６０及び回転数検出器１５０の出力を演算装置１７０で取得し、取得したデータ用いることによってエンジンＥの慣性モーメントの値を推定する。一般的にエンジンＥには、回転数に応じた機械的な損失がある。これに対し特許文献１の方法では、エンジンＥの回転数をほぼ一定にした状態で慣性モーメントを推定するため、このような機械的な損失を考慮する必要がない。
特開２００６－３００６８３号公報
　ところでエンジントルクは、その回転数に応じた周波数で振動する。例えば一般的な４ストロークエンジンでは、回転数の２Ｎ（Ｎは自然数）倍の周波数の振動トルクが発生する。一方、エンジンＥとダイナモメータＤＹとを連結して構成される機械系には、例えば１００Ｈｚ程度の共振周波数が存在する。この共振周波数は通常の回転数領域（数百～数千ｒｐｍ）で運転されるエンジンＥで発生する振動トルクの周波数領域内に含まれる。このため、特許文献１の方法に基づき、ダイナモメータ制御装置１４０で加振制御を行いながらエンジンＥの慣性モーメントの値を推定しようとすると、エンジン回転数と共振周波数との組み合わせによっては、共振現象によって軸トルクやエンジン回転数の振動幅が必要以上に大きくなってしまい、慣性モーメントの推定精度が低下するおそれがある。
　なお、共振周波数が予め把握されていれば、振動トルクの周波数と共振周波数とが十分に離れるようにエンジン回転数を定めることによって上記のような共振現象を抑制できる。しかしながらエンジンの慣性モーメントの値が未知である場合には、共振周波数も未知である場合が多いため、慣性モーメントの値を推定する際に適切なエンジン回転数を決定することはできない。
　なお、共振現象を抑制する方法として、μ設計法やＨ∞制御等のロバスト制御設計方法を用いてダイナモメータ制御装置を設計することが知られている。しかしながら、このような制御設計方法では、設計の段階でエンジンの慣性モーメントの値を必要とすることから、慣性モーメントの推定に用いられるダイナモメータ制御装置を設計するのに、この方法を適用することもできない。
　本発明は、供試体の慣性モーメントが未知の状態であっても共振現象が生じないように加振制御を行うことができるダイナモメータの制御装置と、この制御装置を用いた慣性モーメントの推定方法を提供することを目的とする。
　（１）上記目的を達成するため本発明は、供試体（例えば、後述のエンジンＥ）に軸（例えば、後述の軸Ｓ）を介して接続されたダイナモメータ（例えば、後述のダイナモメータＤ）に対するトルク電流指令信号を生成するダイナモメータの制御装置（例えば、後述のダイナモメータ制御装置６）であって、前記ダイナモメータの回転数を検出する回転数検出器（例えば、後述のエンコーダ８）と、前記軸に作用する軸トルクを検出する軸トルクセンサ（例えば、後述の軸トルクセンサ７）と、ランダム又は周期的に変動する加振信号を生成する加振信号生成部（例えば、後述の加振信号生成部６１）と、前記回転数検出器の検出値が所定の指令回転数になるような前記ダイナモメータへの入力信号を生成する速度制御器（例えば、後述の速度制御器６２）と、前記軸トルクセンサの検出値を用いて前記軸の振動が抑制されるような前記ダイナモメータへの入力信号を生成する軸トルク補償器（例えば、後述の軸トルク補償器６４）と、前記加振信号に前記速度制御器及び前記軸トルク補償器によって生成された入力信号を加えることによってトルク電流指令信号を生成する加算器（例えば、後述の加算器６５）と、を備えることを特徴とする。
　（２）この場合、前記軸トルク補償器は、前記供試体及び前記ダイナモメータを含む機械系の共振周波数を通過帯域内に含むハイパスフィルタ又はバンドパスフィルタに前記軸トルクセンサの検出信号を通過させることによって前記ダイナモメータへの入力信号を生成することが好ましい。
　（３）この場合、前記制御装置は、前記速度制御器の出力信号から前記供試体及び前記ダイナモメータを含む機械系の共振周波数の成分を減衰するローパスフィルタ（例えば、後述のローパスフィルタ６３）をさらに備えることが好ましい。
　（４）この場合、前記速度制御器は、前記回転数検出器の検出値及び前記指令回転数を入力として比例ゲインＫｐ及び積分ゲインＫｉによって特徴付けられたＩ－Ｐ制御則に従って前記ダイナモメータへの入力信号を生成し、前記ローパスフィルタはカットオフ周波数ωＬＰＦ／２πによって特徴付けられ、前記比例ゲインＫｐ、前記積分ゲインＫｉ、及びカットオフ周波数ωＬＰＦ／２πは、下記式（１）が満たされるように定められることが好ましい。ここで、下記式（１）において、Ｊは前記ダイナモメータと前記供試体の慣性モーメントの和又はその推定値とし、ωｃは正の実数とする。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　（５）上記目的を達成するため本発明は、供試体であるエンジン（例えば、後述のエンジンＥ）と軸（例えば、後述の軸Ｓ）を介して接続されたダイナモメータ（例えば、後述のダイナモメータＤ）と、前記ダイナモメータの出力を制御するダイナモメータ制御装置（例えば、後述のダイナモメータ制御装置６）と、前記エンジンの出力を制御するエンジン制御装置（例えば、後述のエンジン制御装置５）と、前記軸に作用する軸トルクを検出する軸トルクセンサ（例えば、後述の軸トルクセンサ７）と、前記ダイナモメータの回転数を検出する回転数検出器（例えば、後述のエンコーダ８）と、を備える試験システム（例えば、後述の試験システム１）を用いて、前記エンジンの慣性モーメントの値を推定する慣性モーメント推定方法を提供する。この推定方法は、前記エンジン制御装置によって前記エンジンの回転数を所定の目標回転数に維持しながら、前記ダイナモメータ制御装置によって前記ダイナモメータの出力トルクの加振制御を実行する加振制御工程（例えば、図３のＳ１）と、前記加振制御工程を実行している間における前記軸トルクセンサ及び前記回転数検出器の検出値を所定時間にわたって取得するデータ取得工程（例えば、図３のＳ１）と、前記データ取得工程で取得したデータを用いて、前記軸トルクを入力とし前記回転数を出力とした伝達関数を算出する伝達関数算出工程（例えば、図３のＳ２）と、前記伝達関数算出工程で算出した伝達関数を用いて前記エンジンの慣性モーメントの値を推定する推定工程（例えば、図３のＳ３～Ｓ５）と、を備える。前記加振制御工程では、前記ダイナモメータ制御装置として（１）から（４）の何れかに記載の制御装置を用いて前記加振制御を実行することを特徴とする。
　（１）本発明では、ランダム又は周期的に変動する加振信号に、速度制御器によってダイナモメータの回転数が所定の指令回転数になるように生成した入力信号と、軸トルク補償器によって軸の振動が抑制されるように生成した入力信号とを加えることによってダイナモメータの加振制御を行うためのトルク電流指令信号を生成する。単にダイナモメータの加振制御を行うだけであれば、加振信号をダイナモメータに入力すればよい。これに対し本発明では、速度制御器と軸トルク補償器を用いてダイナモメータの回転数制御を行うことにより、上述のような共振現象によってダイナモメータの回転数や軸トルクが大きく変動しないように加振制御を行うことができる。また本発明では、速度制御器や軸トルク補償器を用いることにより、供試体の慣性モーメントを予め知ることなく共振現象を抑制できる。
　（２）本発明では、共振周波数を通過帯域内に含むように設定されたハイパスフィルタ又はバンドパスフィルタに軸トルクセンサの検出信号を通過させたものをダイナモメータへの入力に重畳することにより、共振周波数の近傍で軸トルクが大きく振動するのを防止できる。なお、上述のように供試体の慣性モーメントの値が未知である場合には、真の共振周波数も未知である場合が多い。しかしながらフィルタの通過帯域は、ある程度の幅の余裕を持たせることができるので、共振周波数の正確な値が未知であっても、十分な効果を奏するフィルタを設計することができる。
　（３）本発明では、ローパスフィルタを用いて速度制御器の出力信号から共振周波数の成分を減衰する。これにより、速度制御器によるダイナモメータの回転数制御と機械系の共振とが干渉するのを防止できる。
　（４）本発明では、速度制御器に含まれる比例ゲインＫｐ及び積分ゲインＫｉと、ローパスフィルタに含まれるカットオフ周波数ωＬＰＦ／２πとを、ダイナモメータと供試体の慣性モーメントの和又はその推定値であるＪを用いて、上記式（１）によって関連付ける。上記式（１）は、供試体とダイナモメータとを軸で連結された機械系を、慣性モーメントＪの剛体でモデル化したときにおける閉ループ系の伝達関数の特性多項式の３重根となっている。したがって、上記式（１）のように係数Ｋｐ，Ｋｉ，ωＬＰＦを決めることにより、速度制御器が振動的に動作しないようにできる。
　（５）本発明では、加振制御工程と、データ取得工程と、伝達関数算出工程と、推定工程とを行うことによって供試体であるエンジンの慣性モーメントの値を推定する。特に本発明では、上述のような速度制御器及び軸トルク補償器を備えるダイナモメータ制御装置を用いてダイナモメータの加振制御を行うことにより、エンジン制御装置側での目標回転数の設定によらず共振現象を抑制できるので、高い精度でエンジンの慣性モーメントの値を推定できる。
本発明の一実施形態に係る試験システムの構成を示す図である。 上記実施形態のダイナモメータ制御装置の制御回路の構成を示す図である。 エンジンの慣性モーメントを推定する手順を示すフローチャートである。 比較例のダイナモメータ制御装置を用いて加振制御を行った場合におけるエンジン回転数等のタイムチャートである。 比較例のダイナモメータ制御装置を用いて加振制御を行った場合におけるエンジントルクから軸トルクまでの伝達関数のボード線図である。 上記実施形態のダイナモメータ制御装置を用いて加振制御を行った場合におけるエンジン回転数等のタイムチャートである。 上記実施形態のダイナモメータ制御装置を用いて加振制御を行った場合におけるエンジントルクから軸トルクまでの伝達関数のボード線図である。 従来の試験システムの構成を示す図である。
　以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
　図１は、本実施形態に係る試験システム１の構成を示す図である。
　試験システム１は、供試体としてのエンジンＥと、このエンジンＥと略棒状の軸Ｓを介して連結されたダイナモメータＤと、スロットルアクチュエータ２を介してエンジンＥの出力を制御するエンジン制御装置５と、ダイナモメータＤに電力を供給するインバータ３と、インバータ３を介してダイナモメータＤの出力を制御するダイナモメータ制御装置６と、軸Ｓの捩れトルク（以下、「軸トルク」という）を検出する軸トルクセンサ７と、ダイナモメータＤの出力軸ＳＤの回転数（以下、「ダイナモ回転数」という）を検出するエンコーダ８と、軸トルクセンサ７及びエンコーダ８の出力を用いて各種演算を行う演算装置９と、を備える。
　試験システム１では、エンジン制御装置５を用いてエンジンＥのスロットル開度を制御しながら、ダイナモメータ制御装置６を用いてダイナモメータＤＹのトルクや速度を制御することにより、エンジンＥの耐久性、燃費、及び排気浄化性能等を評価する試験が行われる。以下では、この試験システム１によって実現される様々な機能のうち、特にエンジンＥの慣性モーメントを推定する機能に着目し、この慣性モーメントの推定に関する構成を中心に詳細に説明する。
　エンジン制御装置５は、所定のタイミングでエンジンＥを始動した後、予め定められた態様で、スロットルアクチュエータ２を介してエンジンＥの出力を制御する。
　ダイナモメータ制御装置６は、試験に応じて定められた態様でダイナモメータＤに対するトルク電流指令信号を生成する。インバータ３は、ダイナモメータ制御装置６によって生成されたトルク電流指令信号に基づいてダイナモメータＤに電力を供給することにより、この指令信号に応じたトルクをダイナモメータＤで発生させる。
　演算装置９は、エンジン制御装置５を用いてエンジンＥの出力を制御し、同時にダイナモメータ制御装置６を用いてダイナモメータＤの出力を制御している時における軸トルクセンサ７によって検出される軸トルク及びエンコーダ８によって検出されるダイナモ回転数に関するデータを収録し、この収録したデータを用いてエンジンＥの慣性モーメントを推定する。演算装置９においてエンジンＥの慣性モーメントを推定する具体的な演算の手順については、後に図３を参照して説明する。
　図２は、本実施形態に係るダイナモメータ制御装置６の制御回路の構成を示す図である。図２に示す制御回路は、軸トルクを振動させる加振制御を実行するための制御回路であり、特にエンジンＥの慣性モーメントの値を推定する際に好ましく用いられる。
　ダイナモメータ制御装置６は、加振信号生成部６１と、速度制御器６２と、ローパスフィルタ６３と、軸トルク補償器６４と、加算器６５と、を備える。
　加振信号生成部６１は、軸トルクの加振制御を実行するために加振トルク信号を生成する。この加振トルク信号には、例えば、所定の標準偏差の下で生成される正規分布乱数が用いられる。またこの加振トルク信号には、所定の振幅及び周波数の下で周期的に変動する正弦波を用いてもよい。
　速度制御器６２は、エンコーダによって検出されるダイナモ回転数が所定の指令回転数になるようなダイナモメータへの入力信号を、これらダイナモ回転数及びその指令回転数を用いて既知の制御則に従って生成する。より具体的には、速度制御器６２は、図２に示すように、比例ゲインＫｐ及び積分ゲインＫｉによって特徴付けられるＩ－Ｐ制御則に従って入力信号を生成することが好ましい。なお、これらゲインＫｐ，Ｋｉの具体的な設定については、後に説明する。
　ローパスフィルタ６３は、速度制御器６２の出力信号から、カットオフ周波数ωＬＰＦ／２πより高い周波数の成分を減衰させる。ローパスフィルタ６３の伝達関数としては、例えば図２に示すように、カットオフ周波数ωＬＰＦ／２πで特徴付けられる１次の伝達関数が用いられる。このカットオフ周波数ωＬＰＦ／２πは、入力信号からエンジン及びダイナモメータを含む機械系の共振周波数の成分を減衰するように、この共振周波数（例えば、約１００Ｈｚ）より低くなるように定められる。これにより、速度制御器６２によるダイナモメータの回転数制御と機械系の共振とが干渉するのを防止できる。なお、このカットオフ周波数ωＬＰＦ／２πの具体的な設定については、後に説明する。
　軸トルク補償器６４は、軸トルクセンサの検出値を用いて、エンジンとダイナモメータとを連結する軸の振動が抑制されるようなダイナモメータへの入力信号を生成する。より具体的には、この軸トルク補償器６４の伝達関数は、図２に示すように、カットオフ周波数ωＨＰＦ／２πで特徴付けられる１次のハイパスフィルタで構成される。このカットオフ周波数ωＨＰＦ／２πは、軸トルクセンサの検出値から少なくとも上記共振周波数の成分を通過させるように、この共振周波数より低くなるように定められる。軸トルク補償器６４のカットオフ周波数ωＨＰＦ／２πは、例えば１に設定される（ωＨＰＦ＝２π）。なお、この軸トルク補償器６４には、上述のようなハイパスフィルタに限らず、軸トルクセンサの検出値から少なくとも共振周波数の成分を通過させるように設定されたバンドパスフィルタを用いてもよい。
　加算器６５は、加振信号生成部６１によって生成される加振トルク信号に、ローパスフィルタ６３を経た速度制御器６２からの入力信号と、軸トルク補償器６４からの入力信号とを加えることによって、ダイナモメータに対するトルク電流指令信号を生成する。
　次に、速度制御器６２のゲインＫｐ，Ｋｉ及びローパスフィルタ６３のカットオフ周波数ωＬＰＦ／２πの具体的な設定値について説明する。図２のダイナモメータ制御装置から加振信号生成部６１及び軸トルク補償器６４を除いたものにおいて、トルク電流指令信号がダイナモメータとエンジンの慣性モーメントの和Ｊで特徴付けられる剛体を駆動し、この剛体の回転数がダイナモ回転数として上記制御回路に入力されるとする。すると、このときの閉ループ系の伝達関数の特性多項式は、下記式（２）となる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　下記式（３）で定義される比例ゲインＫｐ、積分ゲインＫｉ、及びカットオフ周波数ωＬＰＦ／２πは、上記特性多項式（２）の３重根を与える。ここでωｃは任意の正の実数であり、例えば２πである。すなわち、下記式（３）のように制御回路のパラメータＫｐ，Ｋｉ，ωＬＰＦの値を設定することにより、速度制御器６２が振動的に動作しないようにできる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　なお、上述のように図２のダイナモメータ制御装置は、エンジンの慣性モーメントを推定する際に好ましく用いられる。すなわち、これらゲインの値を設定する際には、エンジンの慣性モーメントの真の値は未知であると想定され、したがって上記式（３）におけるエンジンとダイナモメータの慣性モーメントの和Ｊも未知であると想定される。この場合、全慣性モーメントＪは、例えば、既知であるダイナモメータの慣性モーメントＪ２と、想定されるエンジンの慣性モーメントの最小値Ｊ１Ｌと、想定されるエンジンの慣性モーメントの最大値Ｊ１Ｈと、を用いて得られる下記推定値が用いられる。すなわち、図２のダイナモメータ制御装置の制御パラメータは、エンジンの慣性モーメントを用いずに調整することができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
　次に、以上のように構成された試験システム１を用いて、エンジンＥの慣性モーメントを推定する手順について説明する。
　図３は、エンジンの慣性モーメントを推定する手順を示すフローチャートである。
　始めにＳ１では、エンジン制御装置によってエンジンの回転数を所定の目標回転数に維持しながら、同時に図２のダイナモメータ制御装置によってダイナモメータの出力トルクの加振制御を実行する（加振制御工程）。またＳ１では、加振制御工程を実行している間における軸トルクセンサによって検出される軸トルク、及びエンコーダによって検出されるダイナモ回転数を所定時間（例えば、数十秒）にわたって取得する（データ取得工程）。
　なお、この加振制御工程におけるエンジンの目標回転数は任意である。また、ダイナモメータ制御装置の速度制御器に入力するダイナモメータの指令回転数は、任意に定められたエンジンの目標回転数と同じ値に設定される。
　次にＳ２では、Ｓ１で取得した軸トルク及びダイナモ回転数のデータを用いることによって、軸トルクを入力としダイナモ回転数を出力とした伝達関数Ｇ（ｓ）を算出する（伝達関数算出工程）。この伝達関数Ｇ（ｓ）は、ダイナモメータ制御装置の加振トルク信号を入力とし軸トルクを出力とした伝達関数Ｇ＿ＳＨＴ（ｓ）と、ダイナモメータ制御装置の加振トルク信号を入力としダイナモ回転数を出力とした伝達関数Ｇ＿ＤＹｗ（ｓ）とを算出し、これらを除算することによって導出される（Ｇ（ｓ）＝Ｇ＿ＤＹｗ（ｓ）／Ｇ＿ＳＨＴ（ｓ））。
　次にＳ３では、導出した伝達関数Ｇ（ｓ）のゲイン特性を示すボード線図をプロットし、当該ボード線図からエンジンの慣性モーメントの推定に用いる周波数領域を特定する。この慣性モーメントの推定に用いる周波数領域は、ゲインが急激に減少する反共振点の周波数をωＡＲＦとし、この反共振周波数ωＡＲＦに所定の１以下の係数Ｋ（例えば、０．３程度）を乗算して得られる周波数より低い領域とする。
　次にＳ４では、プロットしたボード線図のうちＳ３で特定した周波数領域内におけるゲインｇと周波数ωの複数の組み合わせ（ｇ，ω）を用いて、下記式（５）で定義される係数ｂと、係数ｂの全組み合わせ（ｇ，ω）に対する平均値ｂｍを算出する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
　次にＳ５では、Ｓ４で算出した平均値ｂｍを用いて、下記式（６）によって得られる値をエンジンの慣性モーメントＪ１の値とする。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
　なお、上述のＳ２～Ｓ５の工程の詳細な手順や変形例等については、本願出願人による特開２００６－３００６８３号公報に記載されているので、ここではこれ以上詳細な説明を省略する。
　ここで、図３の手順に従ってエンジンの慣性モーメントを推定する際に、図２に示すダイナモメータ制御装置を用いて加振制御を行うことの効果を説明する。
　図４及び図５は、それぞれ、比較例のダイナモメータ制御装置を用いて加振制御を行った場合におけるエンジン回転数等の時間変化を示すタイムチャート及びエンジントルクから軸トルクまでの伝達関数のゲイン特性を示すボード線図である。ここで、比較例のダイナモメータ制御装置とは、図２に示すダイナモメータ制御装置６のうち、加振信号生成部６１によってランダムに生成される加振トルク信号のみを用いてトルク電流指令信号を生成する装置をいう。
　図６及び図７は、それぞれ、図２の本発明のダイナモメータ制御装置を用いて加振制御を行った場合におけるエンジン回転数等の時間変化を示す図及びエンジントルクから軸トルクまでの伝達関数のゲイン特性を示すボード線図である。なお、図６及び図７の例では、ダイナモ回転数指令値はエンジンの目標回転数と等しくした。また、これら図４～図７の測定では、未知であるエンジンの慣性モーメントを０．１～０．５ｋｇ・ｍ２の間で３段階に分けた。
　図４及び図５に示すように、従来のダイナモメータ制御装置を用いて加振制御を行った場合、エンジントルクの振動周波数と機械共振周波数とが近くなると、共振現象によってエンジントルクが増幅されて軸トルク及びエンジン回転数の振動幅が大きくなる。これに対し、図６及び図７に示すように、本発明のダイナモメータ制御装置を用いて加振制御を行った場合、加振トルク信号に上述のような速度制御器及び軸トルク補償器の信号が重畳されるので、これらの機能によって共振現象が抑制される。このため、図４と図６とを比較して明らかなように、軸トルク及びエンジン回転数の振動幅が小さくなる。すなわち、本発明のダイナモメータ制御装置を用いることにより、エンジンの慣性モーメントを精度良く推定できる。
　１…試験システム
　Ｄ…ダイナモメータ
　Ｅ…エンジン（供試体）
　Ｓ…軸
　５…エンジン制御装置
　６…ダイナモメータ制御装置（制御装置）
　６１…加振信号生成部
　６２…速度制御器
　６３…ローパスフィルタ
　６４…軸トルク補償器
　６５…加算器
　７…軸トルクセンサ
　８…エンコーダ（回転数検出器）

Claims (5)

  1. 　供試体に軸を介して接続されたダイナモメータに対するトルク電流指令信号を生成するダイナモメータの制御装置であって、
    　前記ダイナモメータの回転数を検出する回転数検出器と、
    　前記軸に作用する軸トルクを検出する軸トルクセンサと、
    　ランダム又は周期的に変動する加振信号を生成する加振信号生成部と、
    　前記回転数検出器の検出値が所定の指令回転数になるような前記ダイナモメータへの入力信号を生成する速度制御器と、
    　前記軸トルクセンサの検出値を用いて前記軸の振動が抑制されるような前記ダイナモメータへの入力信号を生成する軸トルク補償器と、
    　前記加振信号に前記速度制御器及び前記軸トルク補償器によって生成された入力信号を加えることによってトルク電流指令信号を生成する加算器と、を備えることを特徴とするダイナモメータの制御装置。
  2. 　前記軸トルク補償器は、前記供試体及び前記ダイナモメータを含む機械系の共振周波数を通過帯域内に含むハイパスフィルタ又はバンドパスフィルタに前記軸トルクセンサの検出信号を通過させることによって前記ダイナモメータへの入力信号を生成することを特徴とする請求項１に記載のダイナモメータの制御装置。
  3. 　前記制御装置は、前記速度制御器の出力信号から前記供試体及び前記ダイナモメータを含む機械系の共振周波数の成分を減衰するローパスフィルタをさらに備えることを特徴とする請求項１又は２に記載のダイナモメータの制御装置。
  4. 　前記速度制御器は、前記回転数検出器の検出値及び前記指令回転数を入力として比例ゲインＫｐ及び積分ゲインＫｉによって特徴付けられたＩ－Ｐ制御則に従って前記ダイナモメータへの入力信号を生成し、
    　前記ローパスフィルタはカットオフ周波数ωＬＰＦ／２πによって特徴付けられ、
    　前記比例ゲインＫｐ、前記積分ゲインＫｉ、及びカットオフ周波数ωＬＰＦ／２πは、下記式が満たされるように定められることを特徴とする請求項３に記載のダイナモメータの制御装置。
    　ここで、下記式において、Ｊは前記ダイナモメータと前記供試体の慣性モーメントの和又はその推定値とし、ωｃは正の実数とする。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
  5. 　供試体であるエンジンと軸を介して接続されたダイナモメータと、
    　前記ダイナモメータの出力を制御するダイナモメータ制御装置と、
    　前記エンジンの出力を制御するエンジン制御装置と、
    　前記軸に作用する軸トルクを検出する軸トルクセンサと、
    　前記ダイナモメータの回転数を検出する回転数検出器と、を備える試験システムを用いて、前記エンジンの慣性モーメントの値を推定する慣性モーメント推定方法であって、
    　前記エンジン制御装置によって前記エンジンの回転数を所定の目標回転数に維持しながら、前記ダイナモメータ制御装置によって前記ダイナモメータの出力トルクの加振制御を実行する加振制御工程と、
    　前記加振制御工程を実行している間における前記軸トルクセンサ及び前記回転数検出器の検出値を所定時間にわたって取得するデータ取得工程と、
    　前記データ取得工程で取得したデータを用いて、前記軸トルクを入力とし前記回転数を出力とした伝達関数を算出する伝達関数算出工程と、
    　前記伝達関数算出工程で算出した伝達関数を用いて前記エンジンの慣性モーメントの値を推定する推定工程と、を備え、
    　前記加振制御工程では、前記ダイナモメータ制御装置として請求項１から４の何れかに記載の制御装置を用いて前記加振制御を実行することを特徴とする慣性モーメント推定方法。
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