JP2634121B2 - 電動モータ付き自転車およびそのモータ制御方法 - Google Patents
電動モータ付き自転車およびそのモータ制御方法Info
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- JP2634121B2 JP2634121B2 JP4082917A JP8291792A JP2634121B2 JP 2634121 B2 JP2634121 B2 JP 2634121B2 JP 4082917 A JP4082917 A JP 4082917A JP 8291792 A JP8291792 A JP 8291792A JP 2634121 B2 JP2634121 B2 JP 2634121B2
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- B62M6/00—Rider propulsion of wheeled vehicles with additional source of power, e.g. combustion engine or electric motor
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Description
動モータによる駆動系とを並列に設け、電動モータによ
る駆動力を人力による駆動力(以下踏力という)の変化
に対応して制御するようにした電動モータ付き自転車と
そのモータ制御方法とに関するものである。
して電動モータの駆動力を制御するものが公知である
(実開昭56−76590、特開平2−74491
号)。すなわち人力が大きくなると電動モータの駆動力
も増やして人力の負荷を減らすものである。ここにモー
タの駆動系には一方向クラッチが介在され、モータの無
通電時あるいは人力走行による車速がモータの回転速度
より速い時にモータが回されるのを防止している。
ら入力されるため、クランク軸の半回転の周期を持って
変化する。クランクペダルが上死点または下死点に来る
時には踏力がほぼ零になるからである。
FLの時間tに対する変化を示す。この踏力FLの変化
周期はクランクペダルの半回転に対応する。既提案のも
のはこのように周期的変化をする踏力FLを検出してモ
ータの駆動力を増減させるものであった。
この踏力FLがほぼ零になる度にその速度がほぼ零にな
るようにすなわちその駆動力FMもほぼ零になるように
制御され、その後踏力FLが正になるのに伴ってモータ
電圧VMを増加させモータを加速してモータ駆動力FM
が正になるようにしている。このようにモータの駆動力
FMはほぼ零の状態と所望の駆動力との間で周期的に変
動することになる。
速に対応した回転速度NOに到達するまでの間は、一方
向クラッチが切れていてモータの駆動力FMは走行に寄
与しない。従ってこの間のモータの加速に要する時間
(図7のa)だけモータの駆動力FMが踏力FLに対応
して遅れることになる。
度(図7のNO)までの加速を繰り返し、この間は走行
駆動力の増加には全く寄与できないから、この間のモー
タの加速に要するエネルギーが無駄に消費されることに
なる。
ものであり、モータによる駆動力FMを踏力FLに遅れ
ることなく良好に追従させることにより運転感を向上さ
せ、またエネルギーの有効利用により効率の向上が可能
な電動モータ付き自転車のモータ制御方法を提供するこ
とを第1の目的とする。またこの方法の実施に直接使用
する電動モータ付き自転車を提供することを第2の目的
とする。
系と電気駆動系とを並列に設け、人力による踏力の変化
に対応して前記電気駆動系の出力を制御する電動モータ
付き自転車のモータ制御方法において、前記電気駆動系
に一方向クラッチを介在させ、車速が略零でなくかつ前
記踏力が略零となる時には、モータをほぼその時の車速
を発生させるために必要な回転速度で駆動することを特
徴とする電動モータ付き自転車のモータ制御方法、によ
り達成される。
必要なモータの回転速度は、一方向クラッチが接続開始
する回転速度に略一致する。
系とを並列に設け、人力による踏力の変化に対応して前
記電気駆動系の出力を制御する電動モータ付き自転車に
おいて、前記電気駆動系に介在された一方向クラッチ
と、踏力を検出する踏力検出手段と、車速を検出する車
速検出手段と、前記踏力の増減に対応してモータによる
駆動力を増減する一方前記車速が略零でなくかつ前記踏
力が略零の時には前記モータをほぼその時の車速を発生
させるために必要な回転速度で駆動させるコントローラ
とを備えることを特徴とする電動モータ付き自転車、に
より達成される。
要なモータの回転速度は、一方向クラッチが接続開始す
る回転速度に略一致し、この回転速度にモータを制御す
るためにはコントローラは、この回転速度となる無負荷
モータ電圧(VMO)を求め、ほぼこの無負荷モータ電
圧(VMO)以上にモータ電圧を保ちつつ踏力に対応し
てモータの駆動力を制御するように構成することができ
る。
M)、モータ電流(I)、回転速度(N)の間に次式が
成立する。 VM=I・R+k・N ここにRはアマチュア等価抵抗、kは比例定数であり、
k・Nは電機子逆起電圧を示すものである。
るが一般にモータ電流(I)にほぼ比例する。従ってC
を定数として次式が得られる。 TM=C・I 従って(R/C)=jとおいて、次式が得られる。 VM=j・TM+k・N…(1) この(1)式において、右辺の第1項(j・TM)はト
ルクに関する項であり、第2項(k・N)は回転速度に
関する項である。
た時にはモータの駆動力FMを0にしてモータ回転速度
Nを0にしようとする。すなわち(1)式においてTM
=0、N=0にする。従ってモータ印加電圧VMも0と
なるように制御していた。
る時にもモータ回転速度Nは車速に対応する無負荷回転
速度NOに維持するようにした。すなわちこの踏力F L
が0の時にモータトルクTM=0で回転速度N=NOと
なるようにした。この無負荷回転速度NOはこの時の車
速を発生させるために必要なモータ回転速度であって、
一方向クラッチが接続開始または切れ始める回転速度に
ほぼ一致する。従って(1)式から VM=j・0+k・NO=k・NO
し、モータ電圧VMがVMO以下になる時にはモータ電
圧VMをこのVMOに維持することにより、踏力FLが
小さくなった時にもモータ回転速度Nは無負荷回転速度
NOに保たれる。従って踏力FLが増大しVM≧VMO
になった時にはモータはNOから駆動力FMを発生すれ
ばよいから、モータの加速に要する時間遅れが無くな
り、その間の加速に消費されるエネルギー(Ea)も不
要になる。
荷モータ電圧VMOの期間では、電流Iは極めて小さく
なるからその消費エネルギーEOは加速に要するエネル
ギーEaよりも格段に小さい。すなわちEO ≪Eaであ
るから、効率が向上する。
の動力系統図、図3はその動力系の展開図、図4は踏力
の検出部を示す側面図、図5はそのV−V線断面図、図
6はモータ出力特性図である。
であり、ヘッドパイプ12から斜下後方へのびて後輪1
4の車軸に至る。このメインフレーム10にほぼ直交す
るようにシートチューブ16が固着され、このシートチ
ユーブ16の上端にはサドル18を支持するシートポス
ト20が固定されている。
筒部16aが形成され、この中に直流電動モータ22が
収容される。シートチューブ16の下端には動力ユニッ
ト24が固定されている。この動力ユニット24はボト
ムブラケットケース(以下BBケースという)26と、
このBBケース26から後方へのびるリヤステー28と
を備え、このリヤステー28の後端には後輪14が固定
されている。なお右側のリヤステー28(図3)には駆
動軸30が挿通される。
3においてBBケース26にはクランク軸32が貫挿さ
れ、その両端にクランク34が固定されている。クラン
ク34にはクランクペダル36、36が取付けられてい
る。
テー28に固着したエンドプレート28aに固定され、
この車軸38の右端は右のリヤステー28に固定された
傘歯車ケース40に固定されている。車軸38にはハブ
42が回転自在に保持され、このハブ42には駆動軸3
0の回転が傘歯車機構44および一方向クラッチ43を
介して伝えられる。
から図3に示すように嵌合されて固定され、そのモータ
軸22aはクランク軸32に直交しかつ車体幅方向中央
付近に位置する。BBケース26は、シートチューブ1
6の筒部16a内にこのモータ22を下から挿入するよ
うにして筒部16aに嵌合され、4本のボルト46(図
3参照)によって結合される。
に、一方向クラッチ48、遊星歯車式減速機50、小傘
歯車52、大傘歯車54を介して、クランク軸32に回
転自在に保持された筒型の合力軸56に伝えられる。こ
の合力軸56の回転はさらに傘歯車機構58によって前
記駆動軸30に伝えられる。
42に内装した一方向クラッチ43により遮断される。
なお前記遊星歯車式減速機50は公知のものであり、モ
ータ22により回転されるサンギヤとBBケース26に
固定されたリングギヤとの間にあってこれらに噛合する
遊星ギヤの公転を小傘歯車52に伝えるものである。
回転は、クランク軸32、一方向クラッチ60、遊星歯
車式増速機62を介して大傘歯車54に伝えられる。こ
のためクランク軸32から入力された回転はこの大傘歯
車54から合力軸56、傘歯車機構58を介して駆動軸
30に伝えられる。このクランク軸32の回転はモータ
22の停止中にはクラッチ48の作用によりモータ22
に伝わらない。またクランク軸32の停止中あるいは逆
転中にはクラッチ60の作用によりモータ22の回転は
クランク軸32に伝わらない。ここに駆動軸30はモー
タ軸22aを含む車体前後方向の平面Aの右側に位置す
る(図3参照)。
うに、大傘歯車54に固定されたリングギヤ62aと、
踏力検出レバー64に固定されたサンギヤ62bとこれ
らの間に介在する遊星ギヤ62cとを備える。クランク
軸32はこの遊星ギヤ62cを一方向クラッチ60を介
して公転させる。
よる人力駆動時の駆動力をサンギヤ62bに加わる反力
により検出する踏力検出手段65の一部を構成するもの
である。この踏力検出手段65は前記平面Aの左側に位
置する。
4は、図4、5に示すように2つの突起64a、64b
を持ち、一方の突起64aはストッパ66に当接して図
4で時計方向への回転、換言すればペダル36の踏力が
加わる方向と逆方向の回転を規制する。突起64bには
他の第2のレバー68が当接し、レバー64の反時計方
向の回転によってこの第2のレバー68が時計方向に回
転する。
より復帰習性が付与され、これによりレバー64は図4
で時計方向への復帰習性が付与される。そしてこの第2
のレバー68の回転量は踏力センサとしてのポテンシヨ
メータ72に伝えられる。この結果ペダル36の踏力に
比例してレバー64が図4で反時計方向に回動し、第2
のレバー68が時計方向に回動するから、この踏力がポ
テンシヨメータ72の回転量から求められる。
池、82はコントローラであり、これらは前記メインフ
レーム10のヘッドパイプ12とシートチューブ16と
の間に収容されている。図3において84は大傘歯車に
対向して設けた車速検出手段であり、この大傘歯車56
の回転を電磁的にあるいは光学的に検出する公知の構造
のものが使用できる。
および車速検出手段84で検出した車速Sはコントロー
ラ82に入力され、このコントローラ82はこの踏力F
Lと車速Sに基づいてモータ電流を制御しモータトルク
TMを発生させる。
生させるために必要なモータ回転速度すなわち無負荷回
転速度NOを求め、この速度N O に対応する無負荷モー
タ電圧V MO (=kN O )を求める一方、踏力FLに対
応するモータトルクTMを求める。この演算に用いるデ
ータはメモリ82a(図2)に予め記憶しておくのは勿
論である。さらに前記の(1)式に基づいてモータ印加
電圧VMを求める。この(1)式においてj>0、TM
≧0だから、VM≧VMOである。
る。(1)式の特性は実線で示すように右下がりの傾き
−(k/j)の直線である。今ある踏力FLにより決ま
るモータのトルクTMを出力させるためのモータ電圧V
Mをその時のモータ回転速度NOを用いて(1)式から
求めると、その時の動作点は図6にAで示す点となる。
車速Sは慣性により変化しないと考えられるから、コン
トローラ82はモータ回転速度はNOのままにしてVM
だけを減少してゆく。すなわちこの時の動作点Aは速度
がNOの直線AB上を下降する。そして踏力FLがほぼ
0になるとVM=VMO=kNOとなって、コントロー
ラ82はモータ電圧VMをVMOに保つ。従ってモータ
の動作点はB点に保たれ、無負荷運転される。
ると、動作点もB点からA点に向って移動する。この時
モータはすでに速度NOで回転しているから、モータの
加速により一方向クラッチ48が接続するまでの時間遅
れが発生せず、前記図7で説明した遅れaがほとんど無
くなる。
て車速検出手段84を設けているが、これを図1に84
Aで示すように前輪86に設けてもよい。しかし実施例
のようにクランク軸32と一方向クラッチ43との間に
設けた場合には降坂時などにクランク軸32を停止すれ
ば次第に速度NOは0となり、この時の無負荷モータ電
圧VMOも0とすることになり、エネルギー消費を一層
減らすことができる。
M、N、NOやデータ等は、本発明の効果を得られる範
囲で増減したり変化させてもよく、本発明はこの場合を
包含する。例えば無負荷モータ電圧VMOは、(1)式
で求めたkNOより多少高くても低くてもよい。
トドライブ機構からなる伝動系により後輪14を駆動す
るが、本発明は合力軸56にスプロケットを固定してチ
ェーンドライブ機構からなる伝動系により後輪14を駆
動するものであってもよい。
(FL)が略零になる時には、モータをほぼその時の車
速を発生させるのに必要な回転速度で駆動するものであ
るから、踏力(FL)が周期的に略零になってもモータ
はほぼ無負荷で回転し続けることになる。このためモー
タの加減速が速やかに行われ、モータの駆動力(FM)
の踏力(FL)の急増に対する遅れを小さくすることが
でき、運転感が向上する。またモータの加減速の範囲が
狭くなるからエネルギーの消費も少なくなり、効率が向
上する。
直接使用する電動モータ付き自転車が得られる。コント
ローラは、走行中の車速を発生させるために必要なモー
タ回転速度となる無負荷モータ電圧(VMO)を求め、
モータ電圧(VM)をほぼこの無負荷モータ電圧(V
MO)以上となるように保ちつつ、モータを制御するよ
うにすることができる(請求項3)。
Claims (3)
- 【請求項1】 人力駆動系と電気駆動系とを並列に設
け、人力による踏力の変化に対応して前記電気駆動系の
出力を制御する電動モータ付き自転車のモータ制御方法
において、前記電気駆動系に一方向クラッチを介在さ
せ、車速が略零でなくかつ前記踏力が略零となる時に
は、モータをほぼその時の車速を発生させるために必要
な回転速度で駆動することを特徴とする電動モータ付き
自転車のモータ制御方法。 - 【請求項2】 人力駆動系と電気駆動系とを並列に設
け、人力による踏力の変化に対応して前記電気駆動系の
出力を制御する電動モータ付き自転車において、前記電
気駆動系に介在された一方向クラッチと、踏力を検出す
る踏力検出手段と、車速を検出する車速検出手段と、前
記踏力の増減に対応してモータによる駆動力を増減する
一方前記車速が略零でなくかつ前記踏力が略零の時には
前記モータをほぼその時の車速を発生させるために必要
な回転速度で駆動させるコントロ−ラとを備えることを
特徴とする電動モータ付き自転車。 - 【請求項3】 人力駆動系と電気駆動系とを並列に設
け、人力による踏力の変化に対応して前記電気駆動系の
出力を制御する電動モータ付き自転車において、前記電
気駆動系に介在された一方向クラッチと、踏力を検出す
る踏力検出手段と、車速を検出する車速検出手段と、前
記車速を発生するために必要なモータ回転速度となる無
負荷モータ電圧(VMO)を求めほぼこの無負荷モータ
電圧(VMO)以上にモータ電圧(VM)を保ちつつ前
記踏力に対応してモータによる駆動力を制御するコント
ローラとを備えることを特徴とする電動モータ付き自転
車。
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