JP3810130B2

JP3810130B2 - 電動モータ付き乗り物およびその制御方法

Info

Publication number: JP3810130B2
Application number: JP12076596A
Authority: JP
Inventors: 延男原
Original assignee: Yamaha Motor Co Ltd
Current assignee: Yamaha Motor Co Ltd
Priority date: 1996-04-19
Filing date: 1996-04-19
Publication date: 2006-08-16
Anticipated expiration: 2016-04-19
Also published as: JPH09286376A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、人力駆動系と電気駆動系とを並列に設け、人力駆動系出力の変化に対応して電気駆動系の出力を制御するようにした電動モータ付き乗り物と、これに用いる制御方法とに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
人力による駆動力を例えば踏力から検出し、この踏力の大小変化に対応して電動モータの出力を制御する自転車などの乗り物が公知である（特開昭５０−１２５４３８号、実開昭５６−７６５９０号、特開平２−７４４９１号等）。すなわち人力の負担が大きい時には電動モータの駆動力も増やして人力の負担を減らし、楽に走行できるようにするものである。
【０００３】
【従来技術の問題点】
この種の乗り物において、人力駆動系に減速比可変な変速機を付加することが考えられる。
【０００４】
この場合、人力駆動系の出力と電動モータの出力との合力点よりも下流側（駆動輪側）に変速機を設ける方式と、この合力点よりも上流側に変速機を設ける方式とが考えられる。前者の合力点よりも下流側に変速機を介在させる方式によれば、変速機の変速比が変わっても踏力トルクと電動モータのトルクとの比率は変わらない。従って変速機の減速比が変わっても車速が変わるだけで踏力の負担割合は変わらないから不都合はない。
【０００５】
しかし後者の合力点よりも上流側に変速機を介在させる方式では、変速機の変速比によって踏力の負担が変化するという問題が生じる。例えば変速機が高速段（減速比が小）にある時には踏力トルクが増加し、これに伴ってモータトルクも増加するが、モータと駆動輪との間の減速比は固定なので駆動輪の駆動トルクが増大する。このため踏力のよる駆動トルクに対するモータによる駆動トルクの比（モータ補助率）が増大することになる。
【０００６】
反対に変速機が低速段（減速比が大）にある時には、踏力トルクが減少し、これに伴ってモータトルクも減少する。このため駆動輪の駆動トルクも減少するので、モータ補助率が減少することになる。このように変速機の変速操作に伴いモータの踏力トルクに対する補助率が変化するため、望ましい走行感が得られないという問題が生じる。
【０００７】
【発明の目的】
本発明はこのような事情に鑑みなされたものであり、人力駆動系と電気駆動系の合力点より上流側の人力駆動系に変速機を設けた場合に、変速機の変速操作に伴うモータ補助率の大幅な変動を防ぎ、望ましい走行感を得ることができるようにした電動モータ付き乗り物の制御方法を提供することを第１の目的とする。またこの電動モータ付き乗り物を提供することを第２の目的とする。
【０００８】
【発明の構成】
本発明によれば第１の目的は、人力駆動系と電気駆動系とを並列に設け、人力による駆動力の変化に対応して前記電気駆動系の電動モータの出力を制御する電動モータ付き乗り物の制御方法において、人力駆動力とモータ駆動力との合力点よりも上流側の人力駆動系に減速比可変な変速機を介在させ、人力駆動トルクに対するモータの補助率を前記変速機の減速比の大小によって大小に変化させるようにモータトルクの目標値を求め、電動モータの出力を前記目標値に制御することを特徴とする電動モータ付き乗り物の制御方法により達成される。
【０００９】
また第２の目的は、人力駆動系と電気駆動系とを並列に設け、人力駆動系の出力の変化に対応して前記電気駆動系の電動モータの出力を制御する電動モータ付き乗り物において、前記人力駆動系の人力駆動トルクを検出するトルク検出手段と、前記人力駆動系および電気駆動系の合力点よりも上流側で人力駆動系に介在された減速比可変な変速機と、この変速機の減速比を検出する減速比検出手段と、人力駆動トルクに対するモータの補助率を前記変速機の減速比の大小によって大小に変化させるようにモータトルクの目標値を求めるモータトルク目標値演算手段と、電動モータのトルクの実際値を求めるモータトルク実際値検出手段と、モータトルク実際値を前記モータトルク目標値に一致させるように電動モータの出力を制御する出力制御手段とを備えることを特徴とする電動モータ付き乗り物により達成される。
【００１０】
ここにモータトルク目標値演算手段は、減速比により決まる係数を人力トルクに積算することによりモータトルク目標値を求めることができる。また減速比ごとに変換マップや変換式などを予めメモリしておき、減速比に応じて用いる変換マップあるいは変換式を選択して、目標値を求めることもできる。
【００１１】
【作用】
変速機の減速比によってモータトルク目標値を変化させるから、減速比に適したモータトルクを出力させることができる。例えば変速機が高中低速の３段階に変速可能としたときに、高速段（減速比が小）の時にはモータの補助率を中速段の時よりも減少させる。反対に低速段（減速比が大）の時にはモータの補助率を中速段の時よりも増大させる。
【００１２】
このように減速比によってモータ補助率を変化させることにより、変速時にむけるモータ補助率の変化幅を小さくできる。この結果走行感を向上させることができる。
【００１３】
【実施態様】
図１は本発明の一実施態様である自転車の側面図、図２はその制御系統を示す図、図３はトルク検出部分の概念図、図４はトルク検出原理の説明図である。また図５、６、７はそれぞれ異なる補間方法の説明図、図８は移動平均化処理の説明図である。
【００１４】
図１において符号１０はメインフレームであり、ヘッドパイプ１２、メインチューブ１４、ダウンチューブ１６、シートチューブ１８、チェーンステー２０、バックステー２２等を有する。ヘッドパイプ１２には前フォーク２４および操向ハンドルバー２６が操舵自在に保持され、前フォーク２４に前輪２８が取付けられている。
【００１５】
シートチューブ１８の上端にはサドル３０が保持され、下端にはボトムブラケット３２が固着されている。このボトムブラケット３２にはクランク軸３４が回転自在に水平に保持されている。このクランク軸３４の左端および右端にはそれぞれ左クランクアーム３６および右クランクアーム３８が固定されている。これらのクランクアーム３６、３８は人力駆動系の入力手段となる。クランク軸３４の右端には図３に示すトルク検出手段４０が取付けられている。
【００１６】
トルク検出手段４０は、クランク軸３４の右端に固定され、前記右クランクアーム３８と一体化された入力側回転体４２と、クランク軸３４に僅かに回動可能に保持された出力側回転体４４と、回転体４２から４４への回転伝達時に圧縮される弾性材４６とを有する。ここに回転体４２と４４とにはこれらの回転方向に対向する２０個の歯４２Ａ、４４Ａがそれぞれ等間隔に突設され、これらの歯４２Ａ、４４Ａの間にそれぞれ弾性材４６が挟まれている。従って弾性材４６は合計２０個ある。
【００１７】
出力側回転体４４の外周はチェーンスプロケットとなっている。４８は後輪であり、出力側回転体４４の回転はチェーン５０および外装式変速機５２およびフリーホイールクラッチ（図示せず）を介して後輪４８に伝えられる。
【００１８】
従ってクランクアーム３６、３８に踏力が加わると、入力側回転体４２は弾性材４６を圧縮しつつ出力側回転体４４を同方向に回転し、後輪４８を駆動する。この時の弾性材４６の圧縮量は踏力に比例または対応するから、両回転体４２、４４の位相差の変化量は踏力に比例または対応する。
【００１９】
この実施態様ではこの位相差は、回転体４２、４４にそれぞれ円周に沿って固着した２０個づつの永久磁石５４、５６の通過をホール素子５８、６０で検出することにより求めている。ホール素子５８、６０は回転体４２、４４が３６０°／２０回転する度に永久磁石５４、５６を検出して、それぞれパルス状の第１および第２の角度検出信号５８Ａ、６０Ａ（図４）を出力する。
【００２０】
今踏力が０の時に、回転体４２、４４の位相差すなわち永久磁石５４、５６の位相差をθ₀とする。そして踏力Ｆ（Ｆ≠０）が加った時の位相差がθ₁になったとすれば、弾性材４６の変形量△θは（θ₀−θ₁）であり、この変形量△θがすなわち位相差θの変化量△θとなる。従ってこの△θから踏力のトルクすなわち人力駆動トルクＴを知ることができる。なおトルク検出手段４０の付近には、クランク軸３４の回転速度を検出する速度検出器６２（図１参照）が取付けられている。
【００２１】
図１、２において６４は電動モータであり、例えば永久磁石式直流モータを用いることができる。このモータ６４は永久磁石による界磁内でロータが回転し、この電機子電流を変えることにより出力駆動トルクを制御することができる。また電機子電圧によりその回転速度を制御することができる。このモータ６４の回転はベルト式減速機６６を介して後輪４８に直接伝えられる。
【００２２】
すなわちこの実施例では、電気駆動系と人力駆動系の出力が合流する合力点は後輪４８となる。従って前記変速機５２はこの合力点（後輪４８）より上流側の人力駆動系に介在することになる。なお図１で６８は電池や制御装置などを収容するケースである。
【００２３】
次に図２に基づいて制御装置７０を説明する。この制御装置７０はマイクロコンピュータで構成される。図２はそのソフトウェアで形成される機能をブロック図で示したものである。この図２で７２、７４は入力インターフェースであり、前記トルク検出手段４０で検出した第１および第２の角度検出信号５８Ａ、６０Ａがインターフェース７２を介してトルク算出手段７６に入力され、ここで位相差変化量△θおよび入力駆動トルクＴが求められる。
【００２４】
ここにトルク検出手段４０は永久磁石５４、５６の固定間隔（３６０°／２０＝θ_f）ごとにトルクＴを求める。従ってこの間隔θ_fの間では実際のトルクＴを知ることができない。そこでこの発明ではこの間隔θ_fの間のトルクＴを後記する補間手段８０によって推定し連続するトルク推定値を出力する。そしてこのトルク推定値をトルクの実際値と見なして以下の処理を行う。
【００２５】
なお実際にはこのトルクの推定値はコンピュータの演算周期ごとに求められるが、間隔θ_fの間の時間に比べれば十分に短いから連続と見なすことができる。また速度検出器６２の出力はインターフェース７４を介して速度算出手段７８に入力され、クランク軸回転速度（Ｎ）が求められる。
【００２６】
一方後輪４８の回転速度は車速検出器７９で検出される。この車速検出器７９の出力は入力インターフェース７９ａを介して車速算出手段７９ｂに入力され、ここで車速Ｓｐが求められる。すなわち車速検出器７９は後輪４８の回転速度を検出するから、後輪４８の直径を考慮して所定の係数を積算し、車速Ｓｐを求めるものである。
【００２７】
この求めた車速Ｓｐと前記したクランク軸回転速度Ｎとに基づいて減速比算出手段７９ｃは変速機５２の減速比Ｒを求める。この求めた減速比Ｒと前記補間手段８０が出力するトルク実際値（推定値）とはモータトルク目標値演算手段８２に入力され、ここでモータトルク目標値が求められる。
【００２８】
このモータトルク目標値演算手段８２では、例えば減速比Ｒにより決まる係数をトルク実際値（Ｔ）に積算することにより求めることができる。この係数は固定値としてもよいし、電池の充電状態などの他の要素により変化する変数でもよい。
【００２９】
またモータトルク目標値演算手段８２は、減速比Ｒごとに予め変換マップまたは変換式をメモリしておき、検出した減速比Ｒに対応する変換マップまたは変換式を選択して用いるようにしてもよい。
【００３０】
その結果は補正演算手段８４に入力される。この補正演算手段８４では適宜の補正を行う。例えば速度算出手段７８で求めたクランク軸回転速度（Ｎ）や車速（Ｓｐ）が増大するのに伴い、モータ補助力を次第に減少させて、車速が過大になるのを防止する。
【００３１】
また走行中に踏力が０になった時には、モータ６４の電流を減らして無負荷回転させる電圧（無負荷回転電圧）を印加する。すなわちモータ６４は一方向クラッチを内蔵し、このクラッチが接続するモータ速度付近にモータ回転を保ち、モータ補助力の目標値が再び増加した時に速やかにモータ駆動力を後輪４８に付加できるようにするものである。
【００３２】
さらに自転車の発進時には、クランク軸速度（Ｎ）および車速Ｓｐは０で減速比Ｒを推定することができないので、この時には目標値が０とならないように補正を行うのがよい。例えばこの時には、クランク軸速度（Ｎ）や車速Ｓｐが実際は０あるいはほぼ０であってもこれらに０でない或る一定値を初期値として用いるようにする。あるいは減速比Ｒの初期値を設定しておいてもよい。こうすれば発進時にもペダルから入力するトルクに対応してモータ補助力を出力させることができる。
【００３４】
このようにして補正したモータトルクの目標値は比較器８６に入力され、モータ６４のトルクＴ_M （実際値）との差が求められる。そしてこの差を０にするようにモータ６４の駆動トルクを制御する。すなわち出力制御手段８８はこの差に対応する信号を出力インターフェース９０を介してモータドライバ９２に出力する。このドライバ９２では、例えば電池９４からモータ６４に供給する電力を、パルス幅制御方式（ＰＷＭ）によって制御する。
【００３５】
なおモータ６４のトルクＴ_M の実際値は、モータ６４の電流Ｉから得られる。ここにモータ６４の電流Ｉは、電機子電流をシャント抵抗などを用いた電流検出器９６で検出することにより求める。例えばこの検出器９６の出力を入力インターフェース９８を介して電流検出手段１００に入力し、ここで電機子電流Ｉを求める。この場合電流検出手段１００がモータトルクの実際値検出手段となる。
【００３６】
次に補間手段８０の処理方法を説明する。補間方法としては種々の方法が考えられる。最も簡単な方法は図５に示す直線近似を用いるものである。この図５で横軸ｔは時間であり、縦軸ＴはトルクＴを表す。時間ｔ₁、ｔ₂…は検出時点を示し、その間隔は永久磁石５４、５６の角度間隔に対応している。この時間ｔに代えてクランク軸３４の回転角度θを採ってもよい。
【００３７】
この図５でｔ₁、ｔ₂…はトルク検出手段４０による検出時点であり、この時の検出値（検出トルク）Ｔは、Ｔ₁、Ｔ₂…で表されている。今ｔ₁とｔ₂の検出点Ａ、Ｂを結ぶ直線Ｌ₁は、傾きｍ₁＝（Ｔ₂−Ｔ₁）／（ｔ₂−ｔ₁）を持つ。そこで次のｔ₂とｔ₃の検出点Ｂ、Ｃの間では、トルクＴをこの傾きｍ₁の直線Ｌ₁で近似する。
【００３８】
すなわちｔ₂＜ｔ＜ｔ₃の間では、直線、Ｔ＝Ｔ₂＋ｍ₁ｔにより推定する。また同様にｔ₃＜ｔ＜ｔ₄の間では、直線、Ｔ＝Ｔ₃＋ｍ₂ｔにより推定する。このように順次直線を変えながら演算するものである。
【００３９】
図６の方法は２次曲線Ｋ₁（ｔ）、Ｋ₂（ｔ）、…で近似するものである。例えば、Ｔ＝ａｔ²＋ｂｔ＋ｃ≡Ｋ（ｔ）という２次関数を設定し、検出点Ａ（ｔ₁、Ｔ₁）、Ｂ（ｔ₂、Ｔ₂）、Ｃ（ｔ₃、Ｔ₃）に対する連立方程式を解くことにより係数ａｂｃを求めることができる。このようにして関数Ｋ₁（ｔ）を決定し、ｔ₃とｔ₄の間ではＴ＝Ｋ₁（ｔ）により推定するものである。
【００４０】
なお検出点ＡとＢおよびＢとＣを通る２つの直線の傾きをそれぞれｍ₁、ｍ₂とすれば、２ａ＝（ｍ₂−ｍ₁）／（ｔ₃−ｔ₂）、ｂ＝ｍ₂となる。すなわち前記図５の方法における検出点Ｃを通る傾きｍ₂の近似直線（Ｔ＝ｍ₂ｔ＋Ｔ₃）に、傾きの変化率２ａ＝｛（ｍ₂−ｍ₁）／（ｔ₃−ｔ₂）｝による補正項ａｔ²を付加したものである。
【００４１】
図７の方法は、サイン曲線を予めメモリしておき、検出点Ａ、Ｂ、Ｃ…が乗るサイン曲線を求め、この曲線により近似値を決める。例えば検出点Ａ、Ｂ…のうち最大値Ｔ_Mと最小値Ｔ_mを知ると共に、周期を知ることにより、サイン曲線を一義的に決めることができる。
【００４２】
なお一般に車輌停止時から発進する時には、一方のペダルは上死点付近にあたる。そこで発進時の最初の検出点ＳからはトルクＴはサイン曲線に乗って減少すると考えられる。この時のサイン曲線の周期は、速度検出器６２（図１）が検出するクランク軸回転速度を用いて知ることができる。この方法によれば、発進直後のトルクＴも高い精度で推定でき、より円滑な運転が可能になる。
【００４３】
以上説明した補間方法では、検出点Ａ、Ｂ、Ｃ…における検出値Ｔ₁、Ｔ₂、Ｔ₃…と、この検出点Ａ、Ｂ、Ｃ…の直前に求めた推定値とは一致しない。この差が大きいとモータ駆動トルクの目標値が検出点Ａ、Ｂ、…で大きく変動することになり、乗り心地が悪くなる。
【００４４】
そこでこの差を小さくするため修正処理を追加しておくのがよい。図８はその修正方法の一例を示す。この方法では移動平均値を用いる。すなわち或る時点ｔにおける推定値（近似トルク）Ｔｂ（ｔ）を、この時点ｔより連続して先行する一定数（ｎ）の推定値Ｔｂ（ｔ−τ）、Ｔｂ（ｔ−２τ）、…Ｔｂ（ｔ−ｎτ）の算術平均値Ｔｃ（ｔ）を求め、この平均値Ｔｃ（ｔ）をこの時点ｔにおける推定値Ｔｂ（ｔ）に置き換えるものである。
【００４５】
ここにτは検出点Ａ、Ｂ…の時間間隔（ｔ₂−ｔ₁）、（ｔ₃−ｔ₂）、…であり、クランク軸３４の回転速度が一定なら（ｔ₂−ｔ₁）、（ｔ₃−ｔ₂）、…も一定でτも定数になる。実際にはクランク軸３４の回転速度は変化するから、τは定数ではなくなる。従ってこの時はτを各検出点Ａ、Ｂ…の間隔ごとに変化させる必要がある。
【００４６】
この修正処理を行えば、例えば図８の検出点Ａから始まった近似曲線Ｔｂ１が検出点Ｂの検出時ｔ２でＴｂ₁（ｔ₂）（≠Ｔ₂）となっても、その後では修正トルクＴｃ（ｔ）に乗って次第に次の近似曲線Ｔｂ₂に接近してゆく。このため検出点Ｂ、Ｃ…におけるトルク推定値の変化が滑らかになる。
【００４７】
なおこの移動平均の計算に用いる推定値は、その一部が検出値に代わる場合があり得るのは勿論である。
【００４８】
以上説明した実施態様では、人力駆動トルク（Ｔ）を間欠的に検出し補間処理により連続するトルクを推定し、この推定値を実際値とするものである。しかし本発明は、人力駆動トルクを連続的に検出するトルク検出手段により検出してもよいのは勿論である。また減速比Ｒを求めるのにクランク軸回転速度（Ｎ）と車速Ｓｐとを用いているが、変速機６６の変速段ごとの減速比を予めメモリしておき、使用する変速段をセンサで検出し、検出した変速段に対応する減速比をメモリから読出すようにしてもよい。
【００４９】
【発明の効果】
請求項１の発明は以上のように、変速機の減速比を検出し、人力駆動トルクに対するモータの補助率を前記変速機の減速比の大小によって大小に変化させるようにモータトルクの目標値を決定するものであるから、両駆動系の合力点よりも上流側の人力駆動系に介在させた変速機の減速比が変わっても、電動モータの補助率を減速比に対して適切になるように設定することができる。このため望ましい走行感が得られる。
【００５０】
請求項２の発明によれば、請求項１の発明の方法を実施するための電動モータ付き乗り物が得られる。ここにモータトルク目標値演算手段は、変速機の減速比により決まる係数を人力駆動トルクに積算して求めることができる（請求項３）。
また予め変換マップや変換式をメモリしておき、減速比に対応する変換マップや変換式を選択して用いるようにしてもよい（請求項４）。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施態様である自転車の側面図
【図２】その制御系統を示す図
【図３】トルク検出部分の概念図
【図４】トルク検出原理の説明図
【図５】補間方法（直線近似）の説明図
【図６】補間方法（２次曲線近似）の説明図
【図７】補間方法（サイン曲線近似）の説明図
【図８】移動平均化処理の説明図
【符号の説明】
３４クランク軸
３６、３８人力駆動系の入力手段としてのクランクアーム
４０トルク検出手段
４８後輪（両駆動系の合力点）
５２変速機
６４電動モータ
７０制御装置
８２モータトルク目標値演算手段
８４補正演算手段
８８出力制御手段
１００モータトルクの実際値検出手段としてのモータ電流検出手段
Ｔ人力駆動トルク（踏力トルク）
Ｒ減速比

Claims

人力駆動系と電気駆動系とを並列に設け、人力による駆動力の変化に対応して前記電気駆動系の電動モータの出力を制御する電動モータ付き乗り物の制御方法において、人力駆動力とモータ駆動力との合力点よりも上流側の人力駆動系に減速比可変な変速機を介在させ、人力駆動トルクに対するモータの補助率を前記変速機の減速比の大小によって大小に変化させるようにモータトルクの目標値を求め、電動モータの出力を前記目標値に制御することを特徴とする電動モータ付き乗り物の制御方法。
人力駆動系と電気駆動系とを並列に設け、人力駆動系の出力の変化に対応して前記電気駆動系の電動モータの出力を制御する電動モータ付き乗り物において、前記人力駆動系の人力駆動トルクを検出するトルク検出手段と、前記人力駆動系および電気駆動系の合力点よりも上流側で人力駆動系に介在された減速比可変な変速機と、この変速機の減速比を検出する減速比検出手段と、人力駆動トルクに対するモータの補助率を前記変速機の減速比の大小によって大小に変化させるようにモータトルクの目標値を求めるモータトルク目標値演算手段と、電動モータのトルクの実際値を求めるモータトルク実際値検出手段と、モータトルク実際値を前記モータトルク目標値に一致させるように電動モータの出力を制御する出力制御手段とを備えることを特徴とする電動モータ付き乗り物。
モータトルク目標値演算手段は減速比により決まる係数を人力駆動トルクに積算することにより、モータトルク目標値を求める請求項２の電動モータ付き乗り物。
モータトルク目標値演算手段は、減速比ごとに予めメモリした変換マップまたは変換式を持ち、検出した減速比に対応する変換マップまたは変換式を用いてモータトルク目標値を求める請求項２の電動モータ付き乗り物。