JPH09286376A - 電動モータ付き乗り物およびその制御方法 - Google Patents
電動モータ付き乗り物およびその制御方法Info
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Abstract
力による駆動力の変化に対応して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、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
とができるようにする。 【解決手段】 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(52)
を介在させ、この変速機の減速比及び前記人力駆動トル
クに基づいて電動モータの出力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。
Description
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。
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。
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。
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。
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。
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、踏力トルクを増やすことが必要になる。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、踏力トルクの変動幅が大きく
なり、望ましい走行感が得られないという問題が生じ
る。
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。
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、この変速機の減速
比及び前記人力駆動トルクに基づいて電動モータの出力
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。
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、この変速比の減速比を検出
する減速比検出手段と、人力駆動トルクおよび減速比に
基づいてモータ駆動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。
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。
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。
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。
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。
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2
0、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。
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3
4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。
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。
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4
8に伝えられる。
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。
2、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。
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。
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。
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。
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。
4、56の固定間隔(360°/20=θf)ごとにト
ルクTを求める。従ってこの間隔θf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θf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。
ュータの演算周期ごとに求められるが、間隔θf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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
標値は比較器86に入力され、モータ64のトルクTM
(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。
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。
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5
4、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。
0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。
=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。
2(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。
の直線の傾きをそれぞれm1、m2とすれば、2a=(m
2−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。
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TMと最小値Tm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。
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。
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。
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。
2−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。
点Aから始まった近似曲線Tb1が検出点Bの検出時t
2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。
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。
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。
の減速比を検出し、この減速比と人力駆動系の駆動トル
クとに基づいて電動モータの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。
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)。
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 (4)
- 【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、この変速機の減速比及び前記人力駆動トルクに
基づいて電動モータの出力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。 - 【請求項2】 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、人力駆動トルクおよび減速比に基づいてモータ
駆動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。 - 【請求項3】 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。 - 【請求項4】 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。
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