JP6054645B2 - 電動アシスト車両 - Google Patents

Description

本発明は、人力による駆動力に電動モータによる駆動力を補助する電動アシスト車両に関する。

電動アシスト車両として例えば、電動アシスト自転車がある。この電動アシスト自転車は、近年、健康志向や環境意識の高まりとともに、その利便性から移動手段として普及が進んでいる。

電動アシスト自転車は、人がペダルを踏むと、その踏力がぺダリングトルクとしてトルクセンサによって検出され、この検出に基づいてぺダリングトルクを補助する補助トルクがモータによって発生する。

したがって、電動アシスト自転車は、ぺダリングトルクと補助トルクとを合成したトルクによって駆動され、登坂時や向かい風等においても人に過大な負荷を与えることなく、走行することができ人力の軽減が図られる。

特開２００４−３４５４００号公報 特開２０１１−１６８２４１号公報 特開２０１１−１７８３４１号公報

上記のような電動アシスト自転車の場合、一般的には、トルクセンサとして磁歪式のトルクセンサが用いられている。この磁歪式のトルクセンサは、磁歪効果を有する磁歪材料と検出用コイルとから構成されており、磁歪材料に応力が加わるとその透磁率が変化する性質を用いるものである。

したがって、ペダルの踏力が磁歪材料にかかると磁歪材料の透磁率が変化し、この変化が検出用コイルによって検出される。すなわち、磁歪材料に大きなペダルの踏力が作用すると検出波形が大となり、小さなペダルの踏力が作用すると検出波形が小となる。この検出波形の変化によってぺダリングトルクを検出している。

このような磁歪式のトルクセンサは、磁歪材料と検出用コイルが必要であり、また、検出用コイルに励磁信号を与える等の信号処理回路が必要となり、コストが高くなる可能性がある。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、トルクセンサを用いることなく人力によるトルクを推定することにより、コストが高くなるのを回避することができる電動アシスト車両を提供することを目的とする。

請求項１に記載された電動アシスト車両は、人力による駆動力に電動モータによる駆動力を補助する車両であって、電動モータの駆動状態から人力によるトルクを推定する人力トルク推定手段と、この人力トルク推定手段からの出力に基づいて電動モータによる駆動トルクを演算するモータトルク演算手段とを有するモータ制御手段を具備し、前記人力トルク推定手段は、人力によるトルクを推定するに際し、外乱オブザーバによって、前記電動モータからみた場合に、電動モータの外から加わる力としての外乱トルクを推定することを特徴とする。

電動アシスト車両は、電動アシスト自転車に限定されるものではない。人力による駆動力を電動によってアシストする車両に適用が可能であり、例えば、車椅子や荷物運搬車等に適用され得る。

電動モータの駆動状態は、例えば、電動モータの電圧や角速度等を検出要素として検出することによって把握される。但し、この検出要素が格別に限定されるものではない。

モータ制御手段は、マイクロコンピュータを中心として構成することが好ましいが、ＤＳＰ（digital signal processor）等を用いて構成してもよく、その構成が特段限定されるものではない。
かかる発明によれば、トルクセンサを用いることなく人力によるトルクを推定することができる。

請求項２に記載された電動アシスト車両は、請求項１に記載の電動アシスト車両において、前記人力トルク推定手段は、少なくとも電動モータの電圧を検出して人力によるトルクを推定することを特徴とする。

請求項３に記載された電動アシスト車両は、請求項１又は請求項２に記載の電動アシスト車両において、前記人力トルク推定手段は、直前の１回転分の人力によるトルクの推定値から走行負荷トルクを推定しておき、外乱トルクの推定値と走行負荷トルクの推定値の差から瞬時の人力によるトルクを推定することを特徴とする。
かかる発明によれば、人力によるトルクの増減が遅れが少なくタイムリーに反映される。

本発明によれば、トルクセンサを用いることなく人力によるトルクを推定することにより、コストが高くなるのを回避することができる電動アシスト車両を提供することが可能となる。

本発明の実施形態に係る電動アシスト自転車を示すシステム構成図である。 同電動アシスト自転車の制御ブロック構成図である。 同電動アシスト自転車における電動モータの制御を示す構成図である。 同電動アシスト自転車におけるペダリングトルクを推定する算出フローを示す説明図である。 同電動アシスト自転車におけるペダリングトルクとクランク角との関係を示すグラフである。 同電動アシスト自転車において、推定されたペダリングトルクのシミュレーション結果を示しており、車両速度を示すグラフである。 同電動アシスト自転車において、推定されたペダリングトルクのシミュレーション結果を示しており、ペダリングトルクの変動状態を示すグラフである。 電動モータによるアシスト比を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態に係る電動アシスト車両について図１乃至図８を参照して説明する。図１は、電動アシスト車両としての電動アシスト自転車を示すシステム構成図であり、図２は、電動アシスト自転車の制御ブロック構成図であり、図３は、電動モータの制御を示す構成図である。図４は、ペダリングトルクを推定する算出フローを示し、図５は、ペダリングトルクとクランク角との関係を示し、図６及び図７は、推定されたペダリングトルクのシミュレーション結果を示している。また、図８は、電動モータによるアシスト比を示している。

図１に示すように、電動アシスト自転車１は、フレーム２と、前輪３と、後輪４と、電動モータ５と、モータ制御手段としてのモータコントローラ６と、バッテリ７とを備えている。

フレーム２は、ヘッドチューブ２１、シートチューブ２２及びダウンチューブ２３が連結されて構成されている。ヘッドチューブ２１は、前部に位置して上下方向に延びる部材であり、このヘッドチューブ２１の中間部からは後方に向かって斜め下方に延びるダウンチューブ２３が連結されている。また、ダウンチューブ２３の後端部には、上下方向に延びるシートチューブ２２が連結されている。

ヘッドチューブ２１の下端部には、下方に延びる一対のフロントフォーク２４が接続されており、上端部には、ハンドルステム２５を介して回転自在にハンドル２６が保持されている。シートチューブ２２の上端部には、サドル２７を有するシートポスト２８が上下位置を調整可能に装着されている。
前輪３は、フロントフォーク２４の下端部に軸支されていて、ハンドル２６を操作することにより操舵することができるようになっている。

後輪４は、シートチューブ２２の上端から後方に向かって斜め下方に延びる一対のシートステー４１と、シートチューブ２２の下端部から後方に延びる一対のリヤステー４２とによって支持されている。

また、シートチューブ２２の下端部には、ペダル４３を備えたクランク４４が配設されている。電動アシスト自転車１に乗車した運転者よるペダル踏力は、クランク４４に伝達され、これによりクランク４４を回転することができる。この回転駆動力は、チェーン４５により後輪４に伝達される。

電動モータ５は、ブラシレスＤＣモータであり、永久磁石を回転子内に埋め込んだＩＰＭＳＭ（interior permanent magnet synchronous motor）構造であって、前輪３のハブの中に組込まれたダイレクトドライブ方式のものである。電動モータ５は、補助トルク（アシストトルク）発生源として機能する。

なお、電動モータ５は、インナーロータ型のものであってもアウターロータ型のものであってもよく、適宜採用が可能である。また、電動モータ５の位置は、後輪４のハブの中に組込むようにしてもよく、さらに、クランク４４付近に位置するセンターマウント方式であってもよい。

モータコントローラ６は、回路基板及びこの回路基板に実装されたマイクロコンピュータやＩＣ等の電子部品から構成されており、箱状のケースに収納されて一対のリヤステー４２の下面側に配置されている。モータコントローラ６は、モータ５を全体的に制御する機能を有している。

バッテリ７は、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池等の充電可能な二次電池である。バッテリ７は、シートチューブ２２の後面に着脱可能に取付けられる電池ケースに収納されている。バッテリ７は、前記モータ５やモータコントローラ６に接続されて、これらに電力を供給する。

次に、図２及び図３を参照して電動アシスト自転車１の制御ブロック構成の概要を説明する。図２は、主として駆動力の流れを示しており、図３は、電動モータ５の制御構成を示している。

図２に示すように、電動アシスト自転車１の運転者よるペダル踏力は、クランク４４を介してぺダリングトルクτ_manとして後輪４へ伝達される。一方、このペダル踏力をアシストするモータトルクτ_motorは、バッテリ７から電力が供給されモータコントローラ６によって制御されるモータ５から前輪３へ伝達される。この場合、モータトルクτ_motorは、ぺダリングトルクτ_manに基づいて決定され、アシスト力が作用するようになる。

したがって、ぺダリングトルクτ_manとモータトルクτ_motorとが合成されたトルク（τ_man＋τ_motor）によって人力によるペダル踏力が軽減されて電動アシスト自転車１は走行される。

本実施形態においては、ぺダリングトルクτ_manを検出するトルクセンサ等の検出機構が設けられていない。よって、ぺダリングトルクτ_manは、後述するように、モータコントローラ６によって電動モータ５の駆動状態から推定して決定されるようになっている。

図３に示すように、電動モータ５の制御構成は、電動モータ５と、この電動モータ５を駆動するインバータ回路５１と、マイクロコンピュータを中心に構成されたモータ制御手段としてのモータコントローラ６と、駆動信号生成回路系としての出力トランジスタ制御回路５２とを備えている。また、電動モータ５とモータコントローラ６との間には、モータ駆動状態検出回路５５が接続されている。

電動モータ５は、三相巻線であるＵ相、Ｖ相及びＷ相を有し、永久磁石を埋め込んだ構造の回転子５３、回転子５３の回転位置を検出するホールＩＣ５４を備えている。

インバータ回路５１は、トランジスタＱ１からＱ６のスイッチング素子、例えば、ＩＧＢＴを複数用いてブリッジ接続されている。このスイッチング素子が出力トランジスタ制御回路５２から出力されるパルス幅変調（ＰＷＭ）された信号、すなわち、駆動信号によって駆動される。

また、出力トランジスタ制御回路５２は、モータコントローラ６に接続されており、このモータコントローラ６の制御下において駆動されるようになっている。さらに、モータコントローラ６には、電動モータ５が接続されている。加えて、インバータ回路５１の両端間には、電動モータ５に電力を供給するバッテリ７及び平滑コンデンサＣが接続されている。

このような構成において、バッテリ７からの電流を、モータコントローラ６からの出力信号に基づいてインバータ回路５１のブロック内でトランジスタＱ１からＱ６で切換えて電動モータ５の巻線であるＵ相、Ｖ相及びＷ相に流し、回転子５３にモータトルクτ_motorを発生させて回転駆動させる。例えば、トランジスタＱ１とＱ６をＯＮにして他をＯＦＦにすると、巻線のＵ相からＶ相に電流が流れ、Ｕ相とＶ相とが励磁される。

また、モータ駆動状態検出回路５５は、電動モータ５の駆動状態を検出する機能を有し、電動モータ５の電圧Ｖ、電流Ｉや角速度ωを検出し、これら各値をディジタル値の信号に変換してモータコントローラ６へ送出する。

モータコントローラ６は、マイクロコンピュータを中心に構成されていて、メモリに記憶された動作プログラムに従って種々の制御を実行する。モータコントローラ６は、状態検出手段６１と、人力トルク推定手段６２と、モータトルク演算手段６３と、モータトルク出力手段６４とを備えている。

状態検出手段６は、モータ駆動状態検出回路５５から送られてきた情報を受信する。この受信する情報は、本実施形態においては、電動モータ５の電圧Ｖ及び角速度ωであり、具体的には、電機子巻線の電圧Ｖ（Ｖ_q）及び回転子５３の角速度ωである。状態検出手段６は、受信された情報を人力トルク推定手段６２へ送信する。

人力トルク推定手段６２は、ぺダリングトルク推定手段であり、状態検出手段６から送信される電動モータ５の電圧Ｖ及び角速度ωの情報を用いて、ぺダリングトルクを演算し推定する。そして、この推定されたぺダリングトルクτ_manの値をモータトルク演算手段６３へ出力する。

モータトルク演算手段６３は、アシストトルクとしてのモータトルクτ_motorを演算する手段であり、人力トルク推定手段６２から送信されるぺダリングトルクτ_manの値に基づいてモータトルクτ_motorが演算され決定される。この演算にあたっては、メモリに格納された走行速度（車両速度）と係数を参照して所定の演算式が用いられて実行される。演算されたモータトルクτ_motorはモータトルク出力手段６４へ送られる。

モータトルク出力手段６４は、モータトルク演算手段６３から送信されるモータトルクτ_motorをモータトルク指令として作成し、出力トランジスタ制御回路５２へ送出する。したがって、出力トランジスタ制御回路５２は、モータトルク指令に従いインバータ回路５１を駆動し、電動モータ５はモータトルク指令に基づいたモータトルクτ_motorで駆動するようになる。
次に、図４乃至図８を参照して上記人力トルク推定手段６２及びモータトルク演算手段６３の動作について説明する。

最初に、人力トルク推定手段６２の動作について説明する。人力トルク推定手段６２は、ぺダリングトルクτ_manを推定し、また、その瞬時値を推定する。このため、図４に示すように、以下のような演算式が用いられて推定結果が導かれる。
まず、モータの定常状態の回路方程式、すなわち、電圧方程式は式（１）及び式（２）、運動方程式は式（３）、トルク方程式は式（４）で表わされる。

式（４）の右辺第１項は、磁石のトルクであり、第２項は、リラクタンストルクである。

ここで、上式において、Ｖ_dは電機子巻線のｄ軸電圧、Ｖ_qは電機子巻線のｑ軸電圧、Ｒは電機子巻線の抵抗、Ｌ_dは電機子巻線のｄ軸インダクタンス、Ｌ_qは電機子巻線のｑ軸インダクタンス、Ｐは微分演算子d／dt、Ｉ_dは電機子巻線のｄ軸電流、Ｉ_qは電機子巻線のｑ軸電流、ｐは極対数、ωは回転子の角速度、Ψは永久磁石界磁（鎖交磁束）、Ｊは回転子の慣性モーメント、τ_motorはモータの発生トルク（＞０）、τ_manは人のペダリングトルク（＞０）、τ_loadは走行負荷トルク（＞０）、後述のτ_disはモータからみた外乱トルクである。

次いで、簡単化するため、電気的時定数が十分短く、また、Ｉ_d＝０、Ｌ_d＝Ｌ_qと仮定すると、電圧方程式、運動方程式及びトルク方程式は、下式で表わされる。

τ_dis＝τ_load−τ_man、Ｋ＝ｐΨとおいて上式を整理すると、制御対象モデルは、式（７）で表わされる。

この制御対象モデルを用いて、外乱トルクτ_disを推定するため、外乱オブザーバを構築する（式（８））。

ｇは外乱オブザーバのゲイン（外乱推定の遮断角周波数）であり、十分大きく設定する。τ_disはモータからみた外乱トルクの推定値（時刻ｔの関数）である。つまり、τ _dis は、モータからみた場合に、モータの外から加わる力としての外乱トルクであり、全負荷トルクである。したがって、この全負荷トルクには、走行負荷トルクτ _load 及びペダリングトルクτ _man が含まれる。また、ｓはラプラス変換を示している。

外乱オブザーバでは、外乱トルクτ_disの瞬時値を式（９）に示すように推定することができる。この外乱トルクτ_disはモータからみた外乱トルクの推定値（クランク角度θの関数）であり、これを後述するクランク角θの関数としてメモリに保存する。

上記のような外乱トルクτ_disの推定値には，走行負荷トルクτ_loadと人のペダリングトルクτ_manが混在しているため，ここから人のペダリングトルクτ_manを分離して取り出する必要がある。人のペダリングトルクτ_manは通常、クランク角θに対して図５に示すような２周期の周期関数となっている。

図５は、ぺダリングトルクτ_manとクランク角θとの関係を示したグラフである。縦軸はトルク（Ｎ・ｍ）を示し、横軸はクランク角度（θ）を示している。また、クランク角度に対応してクランク４４の回転位置をグラフの上部に表わしている。

電動アシスト自転車１の走行に際し、例えば、一方のペダル４３にペダル踏力を加えるとクランク４４は時計方向に回転する。ぺダリングトルクτ_manの大きさは、一方のペダル４３が上死点又は下死点に達したとき、すなわち、クランク角θが０度又は１８０度のときに略０となり、クランク角θが９０度又は２７０度のときに略最大となる傾向にある。
そこで、次の計算を行うことでクランク角θの２倍の周期のトルク成分を取り出すことができる。

式（１２）において求めたτ_manは、直前のクランク角３６０度分（１回転分）から推定したぺダリングトルクの近似推定値を表わしている。したがって、式（１２）を用いてぺダリングトルクτ_manを推定し、これに基づいてモータトルクτ_motorを決定することが可能となる。

しかしながら、この推定値は，直前のクランク角１回転分から推定されたペダリングトルクτ_manなので、走行中に急にペダリングトルクτ_manを増加させた場合等には、増加分はすぐには推定値に反映されない。このため、増加分の推定値への反映がタイムリーに行われることが好ましい。

そこで、さらに推定を発展させて、走行負荷、例えば、路面の傾斜や空気抵抗等は急激には変化しないと仮定し、下式のように、直前のクランク角１回転分のペダリングトルクτ_manの推定値から走行負荷トルクτ_loadを推定しておき、外乱トルクτ_disの推定値と走行負荷トルクτ_loadの推定値の差から、瞬時のペダリングトルクτ_manを推定する。
直前のクランク角１回転分の平均走行負荷トルクτ_loadを式（１３）のように求める。

この走行負荷トルクτ_loadは、直前のクランク角３６０度分（１回転分）から推定した走行負荷トルクの近似推定値（平均値）を表わしている。
そして、式（１４）によって、瞬時のペダリングトルクτ_manを推定する。

このように推定される瞬時のペダリングトルクτ_manに基づいてシミュレーションを実施した。その結果を図６及び図７を参照して説明する。図は、モータによるアシストなしで自転車を漕いだときの状態を示しており、図６は、車両速度を示しており、図７は、ペダリングトルクτ_manを示している。
図６において、縦軸は速度（ｋｍ／ｈ）を示し、横軸は時間（ｓ）を示している。スタートから徐々に速度が増加している状態が示されている。

図７において、縦軸はペダリングトルクτ_man（Ｎ・ｍ）を示し、横軸は時間（ｓ）を示している。また、実際のペダリングトルクτ_manを破線で示し、上記で推定されたペダリングトルクτ_manを実線で示している。また、走行負荷トルクτ_loadを一点鎖線で示している。

図７は、図６に対応したペダリングトルクτ_manの状態を示しており、ｔ＝３（ｓ）の時点で実際のペダリングトルクτ_manを増加させているが、この変動にほとんど誤差なく推定されたペダリングトルクτ_manが追随しており、安定して良好な精度で推定されていることが分かる。

以上のように導かれた式（１４）を用いて人力トルク推定手段６２では、瞬時のペダリングトルクτ_manが推定される。そして、この推定値は、モータトルク演算手段６３に送出される。

具体的には、処理に必要な演算式がメモリに格納されていて、人力トルク推定手段６２は、状態検出手段６から送信される電動モータ５の電機子巻線のｑ軸電圧Ｖ_q及び回転子５３の角速度ωの駆動状態における情報を用いて、外乱オブザーバによって外乱トルクτ_disを推定し、最終的に瞬時のペダリングトルクτ_manを推定する。

次に、モータトルク演算手段６３の動作について説明する。モータトルク演算手段６３は、人力トルク推定手段６２から送信された瞬時のぺダリングトルクτ_manの推定値に基づいてモータトルクτ_motorを演算し決定する。

詳しくは、メモリに格納された走行速度と係数（アシスト比）を参照して決定する。図８に示すように、電動アシスト自転車におけるアシストトルクとしてのモータトルクの上限値は、道路交通法等の法規によって規定されている。

図８は、電動モータによるアシスト比を示すグラフであり、縦軸は出力の割合を示しており、横軸は走行速度（ｋｍ／ｈ）を示している。また、グラフに対応して電動アシスト自転車における駆動力の伝達関係を示している。

規定では、人の力（クランク回転出力（ぺダリングトルク））とモータの力（駆動補助出力（モータトルク））の大きさは、１：２、比率でいえばモータの力は約６７％までが許容されている。但し、この比率が適用できるのは、走行速度が１０ｋｍ／ｈまでに限られている。

また、走行速度が１０ｋｍ／ｈから２４ｋｍ／ｈまでは徐々にモータの力を減少させて、走行速度が２４ｋｍ／ｈに達するとモータの力を０にするように規定されている。
したがって、このような規定の範囲内でモータトルクτ_motorが決定されるようにメモリには走行速度と係数が格納されている。

以上のように構成された電動アシスト自転車１を運転すると、電動モータ５の駆動状態が電動モータ５の電圧Ｖ及び角速度ωを検出することによって把握され、瞬時のペダリングトルクτ_manが推定されてモータトルクτ_motorが決定される。

したがって、ぺダリングトルクτ_manと、これをアシストするモータトルクτ_motorとが合成されたトルクによって人力によるペダル踏力が軽減されて快適な走行性能を得ることができる。

なお、ホールＩＣ５４を用いないで回転子５３の磁極位置を推定する技術を適用する場合には、角速度ωを推定して求めることが可能となる。したがって、この場合には、ぺダリングトルクτ_manを推定するに際し、角速度ωの検出は不要となり、電動モータ５の駆動状態は、電動モータ５の電圧Ｖを検出することによって把握されることになる。

以上のように本実施形態によれば、人力によるトルク、すなわち、ぺダリングトルクτ_manを電動モータ５の駆動状態から推定するようにしたので、ぺダリングトルクτ_manを検出するトルクセンサ等を省略することができ、コストが高くなるのを回避することが可能となる。

また、ペダリングトルクτ_manを推定するにあたって、外乱オブザーバによって外乱トルクτ_disを推定するようにしたので、検出が困難な外乱の状態量を推定することが可能となる。

さらに、推定されるペダリングトルクτ_manは瞬時値なので、ペダリングトルクτ_manの増減が遅れが少なくタイムリーに反映され、適切な走行状態の実現が可能となる。
さらにまた、通常の自転車の前輪を、上記実施形態のモータ制御装置を組込んだモータ付の車輪に交換することで電動アシスト自転車を構成することができる。

なお、本発明は、上記実施形態の構成に限定されることなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。また、上記実施形態は、一例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。

例えば、上記実施形態においては、電動アシスト自転車を例に挙げたが、これに限定されるものではなく、人力による駆動力を電動によってアシストする様々な車両に応用が可能である。人力駆動の車椅子、荷物運搬車、３輪車や４輪車、フィットネス機器等に適用が可能である。

１・・・電動アシスト車両（電動アシスト自転車）
２・・・フレーム
３・・・前輪
４・・・後輪
５・・・電動モータ
６・・・モータ制御手段（モータコントローラ）
７・・・バッテリ
５１・・・インバータ回路
５２・・・出力トランジスタ制御回路
５３・・・回転子
５４・・・ホールＩＣ
５５・・・モータ駆動状態検出回路
６１・・・状態検出手段
６２・・・人力トルク推定手段
６３・・・モータトルク演算手段
６４・・・モータトルク出力手段

Claims (3)

1. 人力による駆動力に電動モータによる駆動力を補助する車両であって、
   電動モータの駆動状態から人力によるトルクを推定する人力トルク推定手段と、この人力トルク推定手段からの出力に基づいて電動モータによる駆動トルクを演算するモータトルク演算手段とを有するモータ制御手段を具備し、
   前記人力トルク推定手段は、人力によるトルクを推定するに際し、外乱オブザーバによって、前記電動モータからみた場合に、電動モータの外から加わる力としての外乱トルクを推定することを特徴とする電動アシスト車両。
2. 前記人力トルク推定手段は、少なくとも電動モータの電圧を検出して人力によるトルクを推定することを特徴とする請求項１に記載の電動アシスト車両。
3. 前記人力トルク推定手段は、直前の１回転分の人力によるトルクの推定値から走行負荷トルクを推定しておき、外乱トルクの推定値と走行負荷トルクの推定値の差から瞬時の人力によるトルクを推定することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電動アシスト車両。

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