(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
三相ブラシレスモータの制御装置であって、
前記三相ブラシレスモータ（３７）の各相（Ｕ，Ｖ，Ｗ）に駆動電圧を供給する三相ブリッジインバータ回路（１５）と、
前記インバータ回路（１５）のトランジスタ（ＵＨ，ＵＬ，ＶＨ，ＶＬ，ＷＨ，ＷＬ）に１８０度未満の導通角のＰＷＭ信号を印加して、前記三相ブラシレスモータを相補間欠通電駆動方式により駆動する相補間欠通電駆動手段（３２）であって、３相のうち２相において各相の上下トランジスタに互いに異なるデューティ比のＰＷＭ信号を印加して当該２相のコイルを介して電流を流すとともに、３相のうち１相において上下トランジスタにともに５０％のデューティ比のＰＷＭ信号を印加して該１相のコイルに蓄積されたエネルギーによって上下トランジスタの何れかを介して電流を流し、これにより、各相において全電気角で電流を流して、前記三相ブラシレスモータを相補間欠通電駆動する相補間欠通電駆動手段（３２）と、
を備えることを特徴とする三相ブラシレスモータの制御装置。
【請求項２】
請求項１に記載の三相ブラシレスモータの制御装置において、
前記三相ブラシレスモータの起動運転状態又は過渡負荷状態の少なくとも何れか一方において相補間欠通電駆動方式により前記三相ブラシレスモータを制御することを特徴とする、三相ブラシレスモータの制御装置。
【請求項３】
請求項２に記載の三相ブラシレスモータの制御装置において、
前記インバータ回路（１５）に導通角１８０度のＰＷＭ信号を印加して、前記三相ブラシレスモータ（３７）を１８０度通電駆動方式で駆動する１８０度通電駆動手段（３３）と、
前記三相ブラシレスモータ（３７）の起動運転状態において相補間欠通電駆動方式を選択し、前記三相ブラシレスモータ（３７）の運転状態が通常運転状態となった場合に１８０度通電駆動方式を選択する駆動方式選択手段（３１）と、
を更に備えることを特徴とする三相ブラシレスモータの制御装置。
【請求項４】
請求項３に記載の三相ブラシレスモータの制御装置において、
前記インバータ回路（１５）に１８０度未満の導通角のＰＷＭ信号を印加して、前記三相ブラシレスモータ（３７）を間欠通電駆動方式で駆動する間欠通電駆動手段（３４）を更に備え、
前記駆動方式選択手段（３１）は、前記三相ブラシレスモータ（３７）の過渡負荷状態が検出された場合に、間欠通電駆動方式を選択することを特徴とする、三相ブラシレスモータの制御装置。
【請求項５】
請求項４に記載の三相ブラシレスモータの制御装置において、
前記駆動方式選択手段（３１）は、過渡負荷状態が検出されて間欠通電駆動方式を選択した後、前記過渡負荷状態の解除が検出された場合に１８０度通電駆動方式に復帰させることを特徴とする、三相ブラシレスモータの制御装置。
【請求項６】
請求項３に記載の三相ブラシレスモータの制御装置において、
前記駆動方式選択手段（３１）は、前記三相ブラシレスモータ（３７）の回転速度が所定値以上となり、かつ、前記三相ブラシレスモータ（３７）の正回転方向の回転回数が連続して所定回数以上検出された場合に、起動運転状態から通常運転状態に移行したと判断することを特徴とする、三相ブラシレスモータの制御装置。
【請求項７】
請求項４に記載の三相ブラシレスモータの制御装置において、
前記駆動方式選択手段（３１）は、前記三相ブラシレスモータ（３７）の逆方向の回転が検出された場合に、過渡負荷状態にあると判断することを特徴とする、三相ブラシレスモータの制御装置。
【請求項８】
請求項５に記載の三相ブラシレスモータの制御装置において、
前記三相ブラシレスモータ（３７）は、電動アシスト自転車のアシスト制御に使用され、
前記駆動方式選択手段（３１）は、前記三相ブラシレスモータ（３７）の回転速度が所定値以上となり、かつ、前記三相ブラシレスモータ（３７）の正回転方向の回転回数が連続して所定回数以上検出され、かつ、前記電動アシスト自転車の踏力範囲が所定値以下となった場合に、過渡負荷状態が解除されたと判断することを特徴とする、三相ブラシレスモータの制御装置。
【請求項９】
請求項５に記載の三相ブラシレスモータの制御装置において、
前記三相ブラシレスモータ（３７）は、電動アシスト自転車のアシスト制御に使用され、
前記駆動方式選択手段（３１）は、前記三相ブラシレスモータ（３７）の回転速度が所定値以上となり、かつ、前記電動アシスト自転車の車速が所定値以上となった場合に、過渡負荷状態が解除されたと判断することを特徴とする、三相ブラシレスモータの制御装置。
【請求項１０】
請求項１乃至９の何れかに記載の三相ブラシレスモータの制御装置を備える、電動アシスト自転車の電動アシストユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、三相ブラシレスモータの制御装置、特に、１８０度通電方式の利点を最大限生かすことができる三相ブラシレスモータの制御装置に関する。
また本発明は、電動アシスト自転車のアシスト制御において、１８０度通電方式の利点を最大限生かすことができる三相ブラシレスモータの制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
三相ブラシレスモータの制御方法としては、１２０度通電方式と１８０度通電駆動方式（正弦波駆動）が一般的である。１２０度通電方式は、制御が簡易であり、汎用ＩＣも多数市場に出ているという長所があるが、１２０度通電方式は１８０度通電方式に比較して、騒音や振動が発生し易く、効率の面で１８０度通電方式に劣るという問題がある。一方、１８０度通電方式では、１２０度通電方式と比較して効率が良く、静音性及び振動特性に優れるという長所があるが、過渡的な負荷変動に弱く、位置ずれが起こると制御不能となり、１２０度通電方式に比較して制御が複雑であるという欠点がある。
【０００３】
１２０度通電方式及び１８０度通電方式ともに、モータに取り付けたホールＩＣ等のセンサによりロータの位相を検出して制御を行うが、１８０度通電方式では、６０度ごとに磁極位置を予測して制御を行うため、モータ回転中の過渡的な負荷変動等によって位置ずれが生じた場合、磁極位置を予測できなくなり、動作を停止しなければならない可能性がある。一方、１２０度通電方式では、センサで検出したロータ位置に基づいて相電流の切り換え制御を行い、予測して制御を行わないので、位置ずれが発生しても、センサからの位置情報に基づいて動作を継続することができる。また、１８０度通電方式では、トルク余裕が小さく瞬間的な負荷変動に対して位置ずれを起こし易いため、トルクを大きくせざるを得ずモータの小型化が困難である。
このように、１８０度通電方式及び１２０度通電方式には、それぞれ長所及び短所があるため、各通電方式を組み合わせて各々の長所を生かす制御方法が例えば、特許文献１及び２に提案されている。
【０００４】
特許文献１には、１８０度通電駆動手段１０と１２０度通電駆動手段１１とを備え、必要に応じて１８０度通電駆動手段１０と１２０度通電駆動手段１１とを切換えて同期電動機１の駆動制御を行う電気自動車用制御装置が記載されている。この制御装置では、回転パルス発生手段９からの出力パルスに基づいて磁極位置θｅｎｃを演算し、この磁極位置θｅｎｃに基づいて１８０度通電駆動を行うが、回転パルス発生手段９が使用できない状態になると、相電圧Ｖ１に基づいて磁極位置θｖを演算して１２０度通電駆動を行う。特許文献１記載の制御装置では、モータ回転数に基づいて１８０度通電方式から１２０度通電方式に切り換えるが、負荷状態によっては１８０度通電駆動において位置ずれが大きくなり、制御が不可能になる可能性がある。
【０００５】
特許文献２には、間欠通電駆動部（１２０度通電駆動部）８と１８０度通電駆動部９とを備え、定常状態では１８０度通電駆動を実行し、電源電圧や負荷トルクの変動による外乱を検出した場合には、間欠通電駆動（例えば、１２０度通電駆動）を実行する同期モータの制御装置が記載されている。この制御装置では、例えば、外乱信号として直流電源電圧、同期モータの回転数、同期モータに発生する負荷トルク及びこれらに付随して変化するモータ電流、駆動電圧とモータ電流との位相差などを検出し、この外乱信号が閾値を超えた場合に、１８０度通電駆動から間欠通電駆動に切換える構成である。しかし、位置ずれの発生前に駆動方式を切換えることを前提としており、このように外乱信号を閾値と比較して駆動方式を切換える場合、制御対象が遅い場合には有効であるが、制御対象が速い場合には、外乱の有無を判断している間に位置ずれが発生して制御が不可能になる。従って、特許文献２の制御方法では、過渡的に急激な負荷変動が発生した場合にはモータの停止を回避できない。また、駆動電圧とモータ電流との位相差を検出するため、高性能マイコンが必要であり、コストダウンが困難である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１０−３４１５９４号公報
【特許文献２】特開２００１−２４５４８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、過渡的な負荷変動によるモータの停止をより確実に防止することができる三相ブラシレスモータの制御装置を提供することにある。
本発明の目的は、１８０度通電方式の利点を最大限に生かすことができる三相ブラシレスモータの制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一態様は、三相ブラシレスモータの制御装置に関し、前記三相ブラシレスモータ（３７）の各相（Ｕ，Ｖ，Ｗ）に駆動電圧を供給する三相ブリッジインバータ回路（１５）と、前記インバータ回路（１５）のトランジスタ（ＵＨ，ＵＬ，ＶＨ，ＶＬ，ＷＨ，ＷＬ）に１８０度未満の導通角のＰＷＭ信号を印加して、前記三相ブラシレスモータを相補間欠通電駆動方式により駆動する相補間欠通電駆動手段（３２）とを備える。相補間欠通電駆動手段（３２）は、３相のうち２相において各相の上下トランジスタに互いに異なるデューティ比のＰＷＭ信号を印加して当該２相のコイルを介して電流を流すとともに、３相のうち１相において上下トランジスタに互いに同一のデューティ比のＰＷＭ信号を印加して該１相のコイルに蓄積されたエネルギーによって上下トランジスタの何れかを介して電流を流し、これにより、各相において全電気角で電流を流して、前記三相ブラシレスモータを相補間欠通電駆動する。相補間欠通電駆動方式は、例えば、相補１２０度通電駆動方式である。
この制御装置は、例えば、起動運転状態又は過渡負荷状態の少なくとも一方において相補間欠通電駆動方式により前記三相ブラシレスモータを制御する。
ここで、過渡負荷状態とは、モータの負荷が急激に増加する過負荷状態であり、例えば過負荷状態を意味する。
過渡負荷対応に優れた相補間欠通電駆動方式による三相ブラシレスモータの制御によれば、過渡的な負荷変動によりモータが停止することを確実に防止できる。つまり、１８０度通電駆動方式によるモータ制御では、先を予測して制御するため、過渡的な負荷変動によって位置ずれを起こすとモータを停止する必要があるが、相補間欠通電駆動方式によるモータ制御では、センサからの情報のみに基づいて制御するため、過渡的な負荷変動によるモータ停止を回避することができる。また、相補間欠通電駆動方式によれば、静音性及び振動特性に優れたモータの運転を行うことができる。更に、相補間欠通電駆動方式により過渡的な負荷変動によるモータの停止を防止することにより、位置ずれを防止する目的でトルクを過度に大きくする必要がなくなり、モータ及びその駆動装置の小型化を図ることも可能である。
【０００９】
本発明の一態様では、前記三相ブラシレスモータの起動運転状態又は過渡負荷状態の少なくとも何れか一方において相補間欠通電駆動方式により前記三相ブラシレスモータを制御する。
起動運転状態において相補間欠通電駆動方式によりモータを制御する場合、モータ起動時に過渡的な負荷変動があった場合にもモータの停止を確実に回避することができる。また、モータを確実に起動させた後には、例えば、１８０度通電駆動方式により通常運転を行うことにより、静音性、振動特性及び効率に優れたモータ制御を行うことができる。
また、過渡負荷状態において相補間欠通電駆動方式によりモータを制御する場合には、例えば、１８０度通電駆動方式でモータを始動し、過渡的な負荷変動があった場合に相補間欠通電駆動方式によるモータ制御に切換え、過渡負荷状態が解除されれば、１８０度通電駆動方式に復帰させる。また、例えば、モータ起動後の通常運転時に１８０度通電駆動方式でモータを制御し、過渡的な負荷変動があった場合に相補間欠通電方式に切り換え、過渡負荷状態が解除されれば、１８０度通電駆動方式に復帰させる。この場合、過渡的な負荷変動によるモータの停止を回避して効率良く制御することが可能であり、回転ムラを抑制し、振動特性及び静音性を高めることができる。更に、相補間欠通電駆動方式により起動運転状態又は過渡負荷状態におけるモータの停止を防止することにより、モータ及びその駆動装置の小型化を図ることも可能である。
【００１０】
本発明の一態様では、前記インバータ回路（１５）に導通角１８０度のＰＷＭ信号を印加して、前記三相ブラシレスモータ（３７）を１８０度通電駆動方式で駆動する１８０度通電駆動手段（３３）と、前記三相ブラシレスモータ（３７）の起動運転状態において相補間欠通電駆動方式を選択し、前記三相ブラシレスモータ（３７）の運転状態が通常運転状態となった場合に１８０度通電駆動方式を選択する駆動方式選択手段（３１）と、を更に備える。
この場合、相補間欠通電駆動方式によりモータを確実に起動し、モータが通常運転状態となった場合には、１８０度通電駆動方式でモータを制御することで、静音性、振動特性及び効率に優れたモータの運転を行うことができる。
【００１１】
本発明の一態様では、前記インバータ回路（１５）に１８０度未満の導通角のＰＷＭ信号を印加して、前記三相ブラシレスモータ（３７）を間欠通電駆動方式で駆動する間欠通電駆動手段（３４）を更に備え、前記駆動方式選択手段（３１）は、前記三相ブラシレスモータ（３７）の過渡負荷状態が検出された場合に、間欠通電駆動方式を選択する。間欠通電駆動方式は、例えば、１２０度通電駆動方式である。
この場合、三相ブラシレスモータの通常運転時において、過渡的な負荷状態が検出された場合には、過渡負荷対応性に優れた間欠通電駆動方式によりモータを制御することにより、モータの停止を防止することができる。間欠通電駆動方式は、相補間欠通電駆動方式に比較して効率が良いため、過渡的な負荷状態が長時間継続する場合にも、効率の低下を抑制しつつモータ運転を継続することができる。
【００１２】
本発明の一態様では、前記駆動方式選択手段（３１）は、過渡負荷状態が検出されて間欠通電駆動方式を選択した後、前記過渡負荷状態の解除が検出された場合に１８０度通電駆動方式に復帰させる。
この場合、過渡負荷状態が解除された場合に、間欠通電駆動方式から１８０度通電駆動方式に制御を切換えることによって、静音性、振動特性及び効率に優れた１８０度通電駆動方式を最大限に利用することができる。
【００１３】
本発明の一態様では、前記駆動方式選択手段（３１）は、前記三相ブラシレスモータ（３７）の回転速度が所定値以上となり、かつ、前記三相ブラシレスモータ（３７）の正回転方向の回転回数が連続して所定回数以上検出された場合に、起動運転状態から通常運転状態に移行したと判断する。
【００１４】
本発明の一態様では、前記駆動方式選択手段（３１）は、前記三相ブラシレスモータ（３７）の逆方向の回転が検出された場合に、過渡負荷状態にあると判断することを特徴とする。この場合、モータの逆方向回転を示すパルスエッジが１回でも検出された場合に過渡負荷状態にあると判断するので、過渡負荷状態を迅速に検出し、１８０度通電駆動方式から間欠通電駆動方式に切換えることができ、モータの停止を確実に防止することができる。
【００１５】
本発明の一態様では、前記三相ブラシレスモータ（３７）は、電動アシスト自転車のアシスト制御に使用され、前記駆動方式選択手段（３１）は、前記三相ブラシレスモータ（３７）の回転速度が所定値以上となり、かつ、前記三相ブラシレスモータ（３７）の正回転方向の回転回数が連続して所定回数以上検出され、かつ、前記電動アシスト自転車の踏力範囲が所定値以下となった場合に、過渡負荷状態が解除されたと判断する。
【００１６】
本発明の一態様では、前記三相ブラシレスモータ（３７）は、電動アシスト自転車のアシスト制御に使用され、前記駆動方式選択手段（３１）は、前記三相ブラシレスモータ（３７）の回転速度が所定値以上となり、かつ、前記電動アシスト自転車の車速が所定値以上となった場合に、過渡負荷状態が解除されたと判断する。
【００１７】
本発明の一態様は、三相ブラシレスモータの制御装置であって、前記三相ブラシレスモータ（３７）の各相（Ｕ，Ｖ，Ｗ）に駆動電圧を供給する三相ブリッジインバータ回路（１５）と、前記インバータ回路（１５）のトランジスタ（ＵＨ，ＵＬ，ＶＨ，ＶＬ，ＷＨ，ＷＬ）に導通角１２０度のＰＷＭ信号を印加して、前記三相ブラシレスモータを相補１２０度通電駆動方式により駆動する相補１２０度通電駆動手段（３２）とを備える。相補１２０度通電駆動手段（３２）は、３相のうち２相において各相の上下トランジスタに互いに異なるデューティ比のＰＷＭ信号を印加して当該２相のコイルを介して電流を流すとともに、３相のうち１相において上下トランジスタに互いに同一のデューティ比のＰＷＭ信号を印加して該１相のコイルに蓄積されたエネルギーによって上下トランジスタの何れかを介して電流を流し、これにより、各相において全電気角で電流を流して、前記三相ブラシレスモータを相補１２０度通電駆動する。
【００１８】
本発明に係る三相ブラシレスモータの制御装置は、相補１２０度通電駆動方式に限定されず、１８０度未満の導通角で駆動する任意の相補間欠駆動方式に適用可能である。
【００１９】
本発明に係る三相ブラシレスモータの制御装置は、電動アシスト自転車の電動アシストユニットに適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】図１は、本発明の実施形態に係る電動アシスト自転車の概略図である。
【図２】図２は、図１に示す電動アシスト自転車の制御系を示す概略図である。
【図３】図３は、図１に示す電動アシスト自転車で使用される、本発明の実施形態に係るトルク検出機構を組み込んだ一方向クラッチの側面図である。
【図４】図４は、一方向クラッチの駒部及び該駒部で使用されるバネ棒の構成を示す図であって、（ａ）は、バネ棒が取り付けられた状態の駒部の斜視図、（ｂ）は、バネ棒を取り外した状態の駒部の斜視図、（ｃ）は、バネ棒の側面図である。
【図５】図５は、図１に示す電動アシスト自転車の踏力検出の原理を説明するため一方向クラッチ（ラチェットギア）の歯及び駒の嵌合状態を示す図である。
【図６】図６は、ドライブシャフトに対する駒部の相対回転を防止する回転防止手段の例を示す図であり、（ａ）はボールスプライン、（ｂ）はスプラインキー、（ｃ）はキー溝の概略構成を示す上面図である。
【図７】図７は、本発明の実施例に係る合力機構で用いられる動力伝達ギアの正面図及び側面図である。
【図８】図８は、１８０度通電駆動方式における各相の電流波形図である。
【図９】図９は、１２０度通電駆動方式における各相の電流波形図である。
【図１０】図１０は、１２０度通電駆動方式におけるＰＷＭ信号のデューティ比及び電流経路を示す図である。
【図１１】図１１は、相補１２０度通電駆動方式における各相の電流波形図である。
【図１２】図１２は、相補１２０度通電駆動方式におけるＰＷＭ信号のデューティ比及び電流経路を示す図である。
【図１３】図１３は、本発明の一実施形態に係るモータ制御装置による制御の流れを示すフローチャートである。
【図１４】図１４は、１２０度通電駆動方式と相補１２０度通電方式の制御互換を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。
〔第１実施形態〕
図１には、電動アシスト自転車１の概略が示されている。同図に示すように、この電動アシスト自転車１の主要な骨格部分は、通常の自転車と同様に、金属管製の車体フレーム３から構成され、該車体フレーム３には、前輪２０、後輪２２、ハンドル１６、及びサドル１８などが周知の態様で取り付けられている。
【００２２】
また、車体フレーム３の中央下部には、ドライブシャフト４が回転自在に軸支され、その左右両端部には、ペダルクランク６Ｌ、６Ｒを介してペダル８Ｌ、８Ｒが各々取り付けられている。このドライブシャフト４には、車体の前進方向に相当するＲ方向の回転のみを伝達するための一方向クラッチ（後述する図３の９９）を介して、スプロケット２が同軸に取り付けられている。このスプロケット２と、後輪２２の中央部に設けられた後輪動力機構１０との間には無端回動のチェーン１２が張設されている。
【００２３】
電動アシスト自転車１には、補助電動力を発生する電動アシストユニット１１が取り付けられている。発生した補助電動力は、後述する合力機構を用いて駆動輪（後輪）２２に伝達される。
【００２４】
電動アシストユニット１１に収容された電動アシスト自転車１の制御系の概略が図２に示されている。電動アシスト自転車１の制御系は、該自転車全体の電子的処理を一括して制御する１個のマイクロコンピュータ１４と、ＰＷＭ制御可能な電動モータ３７と、マイクロコンピュータ１４からの制御信号によって直流電圧を所定の電圧波形に変換してモータ３７に供給するインバータ回路１５と、を備える。インバータ回路１５には、電動モータ３７に電源供給するバッテリ１７（電動アシストユニット１１の外部）が接続されている。また、電動アシストユニット１１には、モータの回転速度を減速するための減速ギア等が収容されている。
【００２５】
電動モータ３７は、例えば、三相ブラシレスモータである。電動モータ３７には、磁極位置（ロータ位相）、モータ回転速度等を検出するために、例えば複数個のホールＩＣ３７１が設けられている。ホールＩＣ３７１は、電動モータ３７に設けられた永久磁石が生成する磁場に対応するパルス信号を出力する。ホールＩＣ３７１は、電動モータ３７の回転軸周りに等間隔に例えば３個設けられるが、図２では１つのホールＩＣ３７１のみを示す。マイクロコンピュータ１４は、ホールＩＣ３７１からのパルス信号に基づいて、磁極位置、モータ回転速度、モータ回転回数、モータ回転方向を検出する。
【００２６】
インバータ回路１５は、３相ブリッジインバータであり、６個の半導体スイッチング素子であるトランジスタＵＨ，ＵＬ，ＶＨ，ＶＬ，ＷＨ，ＷＵが３相ブリッジ状に結線されている回路である。これらのトランジスタは、マイクロコンピュータ１４から供給されるＰＷＭ信号によって駆動され、バッテリ１７から供給される直流電圧を変換して駆動電圧を生成し、電動モータ３７の各相に供給する。
【００２７】
マイクロコンピュータ１４には、また、回転角センサ（後述）から、車体フレーム３に対してペダルクランク６Ｒ（６Ｌ）がなすクランク角度を検出するための磁場パルス信号が入力されるとともに、一方向クラッチの変形を検出するためのホールＩＣ１６２（後述）から、踏力を演算するための磁場信号１、２、３が入力される。これらの入力信号を発生する手段については後述する。なお、電動アシストモード（例えばノーマルモード、ターボモード、エコモード等）を指定するための信号も入力されてよい。マイクロコンピュータ１４（後述の駆動方式選択部３１）は、これらの入力信号から走行速度（車速）、クランク角度及び踏力を演算し、所定のアルゴリズムに基づいてアシスト比（アシスト力／踏力）を決定する電子的処理を行う。次に、マイクロコンピュータ１４は、決定されたアシスト比に対応するアシスト力を発生させるよう電動モータ３７を指令するため、該アシスト力に応じたＰＷＭ指令を順次出力する。本実施形態に係るマイクロコンピュータ１４によるモータ制御の詳細については後述する。
【００２８】
以下、本発明の一実施形態に係る電動アシスト自転車の踏力検出機構、合力機構、並びに、クランク角度及び車速の検出機構について各々説明する。
【００２９】
（踏力検出機構）
マイクロコンピュータ１４に入力される磁場信号１、２、３を出力する踏力検出機構を、図３乃至図７を用いて説明する。この踏力検出機構は、踏力に応じた一方向クラッチ９９の変形によって変化する磁場を検出する。
【００３０】
図３に示すように、一方向クラッチ９９は、駒部１００及び歯部１１２を備える。
【００３１】
駒部１００は、図４（ａ）に示すように、ドライブシャフト４を受け入れるための駒部ボア１０６が中央部に形成された略円盤形状を有し、その周方向に沿って等角度毎に３つの剛性のラチェット駒１０２が、歯部１１２と相対する第２の係合面１１０側に配置されている。駒部１００は、ラチェット駒１０２を各々収容するため、図４（ｂ）に示すように、周方向に沿って３つの凹部１７０が形成される。かくして、ラチェット駒１０２は、凹部１７０にその回転軸部が収容された状態で回動し、この回転に応じてラチェット駒１０２は、第２の係合面１１０に対する角度を変える。
【００３２】
再び図４（ｂ）を参照すると、駒部１００には、各々の凹部１７０に隣接して、バネ棒１０４を収容可能な直線溝１７１が各々形成されており、３つの直線溝１７１の両端部は、駒部１００の外周エッジまで延在している。図４（ｃ）に示すように、バネ棒１０４は、一方の端部Ａが略垂直に折り曲げられ、他方の端部Ｂがコ字状に曲げられている。バネ棒１０４を駒部１００の直線溝１７１内に取り付ける場合、図４（ｂ）に示すように、バネ棒１０４を直線溝内を摺動させながら、コ字状のＢ部が駒部１００をクリップ状に挟み止めさせるようにするだけで、バネ棒１０４を駒部１００に容易に装着することができる。しかし、このままだと、Ｂ部から引っ張る力によりバネ棒１０４が抜け落ちる可能性があるので、垂直に折れ曲がったＡ部が駒部の側壁と係合することにより、バネ棒の脱落を防止している。
【００３３】
バネ棒１０４を駒部１００の直線溝１７１に取り付けた場合、ラチェット駒１０２は、外力が作用していないとき、その長さ方向が第２の係合面１１０に対して所定の角度をなす（図５の平衡方向１６０）ように立ち上がる。図５に示すように、ラチェット駒１０２が平衡方向１６０から上昇方向ａ又は下降方向ｂに偏倚するとき、バネ棒１０４は、その偏倚を平衡方向１６０に戻すようにラチェット駒１０２に僅かな弾力性を及ぼす。
【００３４】
駒部ボア１０６の内壁には、軸方向５に延びる第１の回転防止用溝１０８が４個所に形成されている。駒部ボア１０６の内壁と摺接するドライブシャフト４の外壁部分にも、第１の回転防止用溝１０８と対面するように軸方向５に延びる第２の回転防止用溝１４０が４個所に形成されている。図６（ａ）に示すように、第１の回転防止用溝１０８及びこれに対面する第２の回転防止用溝１４０は、軸方向に沿って延びる円柱溝を形成し、各々の円柱溝の中には、これを埋めるように多数の鋼球１５０が収容される。これによって、駒部１００は、軸方向に沿って摩擦係数最小で移動できると共に、ドライブシャフト４に対する相対回転が防止される。これは、一種のボールスプラインであるが、他の形式のボールスプライン、例えば無端回動のボールスプラインなどを、このような摺動可能な回転防止手段として適用することができる。
【００３５】
また、駒部１００のドライブシャフト４への取り付け方法として、図６（ａ）のボールスプライン以外の手段を用いることも可能である。例えば、図６（ｂ）に示すように、軸方向に延びる突起部１４０ａをドライブシャフト４に設け、該突起部１４０ａを収容する第３の回転防止用溝１０８ａを駒部１００に形成する、いわゆるキースプライン形式も回転防止手段として適用可能である。なお、図６（ｂ）において、突起部１４０ａを駒部１００側に、第３の回転防止用溝１０８ａをドライブシャフト４側に設けても良い。更に、図６（ｃ）に示すように、軸方向に延びる第４の回転防止用溝１０８ｂ及びこれに対面する第５の回転防止用溝１４０ｂを駒部１００及びドライブシャフト４に夫々設け、これらの溝が形成する直方体状の溝の中にキープレートを収容する、いわゆるキー溝形式も回転防止手段として適用可能である。
【００３６】
図３に示されるように、皿バネ１３７が、駒部１００と、ドライブシャフト４に固定された支持ディスク１５１との間に介在されている。皿バネ１３７の両端部は、各々、駒部１００の裏面と支持ディスク１５１とに当接している。従って、皿バネ１３７は、駒部１００の軸方向内側への摺動に対して弾性力で対向する。
【００３７】
一方、歯部１１２は、図７に示されるように、動力伝達ギア２００の表面である第１の係合面１２１上に形成されている。歯部１１２は、ラチェット駒１０２と係合するための複数のラチェット駒１１４を有する。ラチェット歯１１４は、図５に示されるように、歯部の周方向に沿って互い違いに周期的に形成された、第１の係合面１２１に対してより急な傾斜１１８と、より緩やかな斜面１１６と、から構成される。歯部１１２は、その第１の係合面１２１を駒部１００の第２の係合面１１０に対面させ、ラチェット駒１０２とラチェット歯１１４とを係合させた状態（図５）で、ドライブシャフト４に摺接可能に軸支される。即ち、ドライブシャフト４は、ラチェット駒１０２とラチェット歯１１４との係合部分を介してのみ歯部１１２と作動的に連結される。
【００３８】
図３に示されるように、歯部１１２を備える動力伝達ギア２００は、固定ピン２０６を用いてスプロケット２と同軸に固定され、更に、ドライブシャフト４の先端にはペダル軸が取り付けられる。かくして、車体前進方向のペダル踏力による回転のみをスプロケット２に伝達するようにドライブシャフト４とスプロケット２とを連結する一方向クラッチ（ラチェットギア）９９が完成する。
【００３９】
更に、ラチェットギア９９の駒部１００には、ドライブシャフト４及び駒部１００と同心に、リング状に形成された永久磁石１６１が取り付けられている。リング状の永久磁石１６１は、好ましくは、リングの一方の表面がＮ極、反対側の表面がＳ極となるように構成され、永久磁石１６１のリング軸方向とラチェットギア９９の軸方向とが整列するように配列される。
【００４０】
また、磁場を検出するための複数（本実施例では３個）のホールＩＣ１６２が、ドライブシャフト４の軸線に対して垂直な平面内で、３箇所の所定位置に各々配置されている。好ましくは、ホールＩＣが配置される３箇所の所定位置は、該軸線を中心として径方向に略等距離で周方向に略等角度毎の位置である。更に、ホールＩＣ１６２が配置される所定位置は、リング状永久磁石１６１に近接した車体フレーム３の固定位置に相当する。これらのホールＩＣ１６２は、マイクロコンピュータ１４（図２）に接続される。３個のホールＩＣ１６２から各々出力された磁場信号（磁場検出信号）１、２、３は、上述したように、マイクロコンピュータ１４（図２）に入力される。
【００４１】
代替実施例として、リング状永久磁石１６１の代わりに、鉄等の磁性体からなるリング部材１６３を用いることができる。この場合、磁石１６４を駒部１００上のホールＩＣ１６２に近接した位置に固定する。なお、リング部材１６３の材料は、磁石１６４の磁場を変化させることができる任意の材料、例えば反磁性体から作ることもできる。
【００４２】
搭乗者がペダル８Ｒ、８Ｌ（図１）にペダル踏力を与え、ドライブシャフト４を車体前進方向に回転させると、この回転力は、ドライブシャフト４に対し回転不可能且つ摺動可能に軸支された駒部１００に伝達される。このとき、図５に示すように、ラチェット駒１０２は、駒部１００からペダル踏力に対応する力Ｆｄを与えられるので、その先端部は歯部１１２のラチェット歯のより急な斜面１１８に当接し、この力をラチェット歯に伝達しようとする。ラチェット歯部１１２は、スプロケット２に連結されているので、ラチェット駒１０２の先端部は、駆動のための負荷による力Ｆｐをより急な斜面１１８から受ける。その両端部から互いに反対向きの力Ｆｐ及びＦｄを与えられたラチェット駒１０２は、ａ方向に回転して立ち上がる。このとき駒部１００は、ラチェット駒１０２の立ち上がりによって軸方向内側に移動し、駒部１００と支持ディスク１５１との間に介在する皿バネ１３７を押し込む。皿バネ１３７は、これに対抗して弾性力Ｆｒを駒部１００に作用する。この力Ｆｒと、駒部１００を軸方向に移動させるペダル踏力を反映した力とは短時間で釣り合う。かくして、駒部１００の軸方向位置はペダル踏力を反映する物理量となる。
【００４３】
リング状永久磁石１６１を使用した実施例の場合、駒部１００の軸方向位置に応じて、ホールＩＣ１６２により検出される磁場強度は異なっている。即ち、ペダル踏力が増大すると、駒部１００は軸方向内側に摺動し、永久磁石１６１がホールＩＣ１６２に近接するため、ホールＩＣ１６２により検出される磁場強度は増大する。逆に、ペダル踏力が減少すると、駒部１００は軸方向外側に摺動し、永久磁石１６１がホールＩＣ１６２から遠ざかるため、ホールＩＣ１６２により検出される磁場強度は減少する。
【００４４】
マイクロコンピュータ１４の踏力範囲検出部４０（図２参照）は、３個のホールＩＣ１６２により検出された磁場信号１、２、３を平均演算（単なる加算を含む）して平均磁場強度を求め、平均磁場強度に基づいて踏力範囲を求める。本実施形態では、磁場強度の値を予め複数の範囲（踏力範囲）に区切り、踏力範囲に応じてアシスト比を設定する。つまり、磁場強度が属する踏力範囲に基づいてアシスト比を設定する。
【００４５】
このように複数箇所の軸方向の磁場を平均化しているため、ＳＮ比を改善することができるだけでなく、駒部１００の振れに起因する磁場強度のばらつきを相殺することにより、より正確にペダル踏力Ｔ（踏力範囲）を求めることができる。
【００４６】
なお、磁性体又は反磁性体のリング部材１６３を使用した代替実施例の場合、リング部材１６３の軸方向位置に応じて、磁性体又は反磁性体の影響の変化により磁石１６４の磁場分布は変化する。従って、代替実施例においても、検出された磁場強度に基づいて、上述のようにペダル踏力Ｔ（踏力範囲）を求めることができる。
【００４７】
上記では、駒部１００（一方向クラッチ９９）の軸方向変位をホールＩＣ１６２によりを検出することにより踏力を検出したが、皿バネ１３７に歪ゲージを配置して、皿バネ１３７の歪を検出することにより、駒部１００（一方向クラッチ９９）の軸方向変位、ひいては踏力（踏力範囲）を検出するように構成しても良い。この場合、歪ゲージの値を予め複数の範囲（踏力範囲）に区切り、踏力範囲に応じてアシスト比を設定する。
【００４８】
（合力機構）
図３には、上述されたように固定ピン２０６を用いてスプロケット２に同軸に固定された動力伝達ギア２００が示されている。動力伝達ギア２００は、図７に示すように、外周部に複数の歯２０４が形成されている。
【００４９】
動力伝達ギア２００の歯２０４は、図３に示されるように、電動アシストユニット１１のアシスト力出力シャフト２２２の先端に設けられたギア２２０と嵌合する。従って、電動アシストユニット１１から出力されたアシスト力は、シャフト２２２、ギア２２０を介して動力伝達ギア２００に伝達され、該動力伝達ギア２００からスプロケット２、チェーン１２を介して駆動輪（後輪）２２に伝達される。かくして、踏力とアシスト力との合力が達成される。動力伝達ギア２００の歯２０４の数は、ギア２２０の歯数よりも多いので、動力伝達ギア２００は、減速ギアとしても機能する。なお、アシスト力出力シャフト２２２は、上述した電動モータ３７（図２）によって駆動される。
【００５０】
（クランク角度及び車速の検出機構）
電動アシスト自転車１のクランク角度検出機構を、図３及び図７を用いて説明する。
図７に示すように、動力伝達ギア２００の一方の板面側には、１２個の永久磁石２０２が円周１２等分に配置されている。これらの永久磁石２０２は、一方の磁極（Ｎ極又はＳ極）を当該板面の表面に出し、他方の磁極を該表面と反対側に向け、両磁極を結ぶ方向が、ドライブシャフト４の軸方向に整列するように配置されている。板面の表面に出ている磁極は、全て同一に揃えるのが好ましいが、隣接する磁石２０２の磁極が互い違いになるように配置することもできる。
【００５１】
図３を参照すると、永久磁石２０２が配置された動力伝達ギア２００の板面に隣接して、車体フレーム３に対して固定された位置にホールＩＣ２１０が配置されている。このホールＩＣ２１０のドライブシャフト４からの径方向距離は、永久磁石２０２のドライブシャフト４からの径方向距離と実質的に同一に設定されている。永久磁石２０２及びホールＩＣ２１０が、クランク回転角センサを構成する。動力伝達ギア２００は、ペダルの回転と共に回転し、一方、ホールＩＣ２１０は車体に対して静止しているので、ペダルクランク回転によって、ホールＩＣ２１０の検出範囲に永久磁石２０２の磁場が次々横切っていく。従って、ホールＩＣ２１０は、ペダルクランク回転数に応じたパルス数の検出信号を出力する。この磁場パルス信号は、マイクロコンピュータ１４（図２）の車速検出部４１へと入力される。
【００５２】
動力伝達ギア２００は、ペダルクランク及びスプロケット２と一緒に回転するため、動力伝達ギア２００の回転速度は、車速及びクランク角速度を反映している。かくして、車速検出部４１は、単位時間当たりの磁場パルス信号のカウント数から、車速と、クランク角度とを演算することができる。
【００５３】
（モータ制御装置）
次に、電動アシストユニット１１の補助電動力を発生させる電動モータ３７の制御装置について、図２、及び図８乃至図１４を参照して説明する。
【００５４】
図２に係るモータ制御装置は、前述したように、三相ブラシレス電動モータ３７に駆動電圧を供給するインバータ回路１５と、マイクロコンピュータ１４と、３つのホールＩＣ３７１（図２では１つのみ図示）とを備えている。３つのホールＩＣ３７１は、電動モータ３７において１２０度の間隔で等間隔に配置されており、検出する磁界強度に応じて図８、図９及び図１１の上段に示すパルス信号Ｈｕ，Ｈｖ、Ｈｗを出力する。
【００５５】
以下では、説明の都合上、電動モータ３７のＵ、Ｖ、Ｗ相に接続されるインバータ回路１５のトランジスタをそれぞれＵ相のトランジスタ、Ｖ相のトランジスタ、Ｗ相のトランジスタと言及し、各相のトランジスタのうち、高電位側のものを上トランジスタ、低電位側のものを下トランジスタと言及する場合がある。
【００５６】
マイクロコンピュータ１４において、過渡負荷状態検出部３６は、３つのホールＩＣ３７１から出力されるパルス信号Ｈｕ，Ｈｖ，Ｈｗを受け取り、このパルス信号Ｈｕ，Ｈｖ，Ｈｗが、モータ回転が正方向（ＣＷ方向）の場合のパルス信号パターンと一致するか否かを常時監視する。過渡負荷状態検出部３６は、受け取ったパルス信号Ｈｕ，Ｈｖ，Ｈｗが正方向のパルス信号パターンと異なる場合、つまり、逆方向（ＣＣＷ方向）のモータ回転を示すパルスエッジを検出した場合に、電動モータ３７がハンチング運転状態（過渡負荷運転状態）であると判定し、過渡負荷状態検出信号を出力する。
【００５７】
表１は、ホールＩＣ３７１から出力されるパルス信号Ｈｕ，Ｈｖ，Ｈｗの真理値表である。
【表１】
0005506407.tif 000002
表１に示すように、磁極位置が現在０−６０度の範囲内の位置にあり、ホールＩＣ３７１によってパルス信号がＨｕ，Ｈｖ，Ｈｗ＝０，１，０が検出されたと仮定すると、次の６０−１２０度の範囲で来るべき信号パターンは、Ｈｕ、Ｈｖ，Ｈｗ＝０，１，１である。従って、マイクロコンピュータ１４は、Ｈｕ，Ｈｖ，Ｈｗ＝０，１，０の次に、Ｈｕ、Ｈｖ，Ｈｗ＝０，１，１以外の信号パターンを受け取った場合には、即座に、モータの逆回転または位置ズレと判断する。
【００５８】
モータ回転速度検出部３８は、ホールＩＣ３７１から出力されるパルス信号のパターンの切り換わり回数（パルスエッジの数）をカウントし、１分間当たりの電動モータ３７の回転数（モータ回転速度ｒｐｍ）を算出する。
【００５９】
モータ回転回数検出部３９は、３つのホールＩＣ３７１から出力されるパルス信号のパターンの変化を監視し、モータ回転が正方向か逆方向かを検出（正方向又は逆方向のパルスエッジを検出）するとともに、パルス信号パターンの切り換わり回数をカウントすることにより、モータの正方向及び逆方向の回転回数を算出する。
【００６０】
踏力範囲検出部４０（図２参照）は、上述したように、３個のホールＩＣ１６２により検出された磁場信号１、２、３を平均演算（単なる加算を含む）して平均磁場強度を求め、ルックアップテーブルを参照することにより、平均磁場強度から踏力範囲を求める。なお、アシストユニット１１によるアシスト比は、踏力範囲を考慮して決定されるが、踏力Ｔに対応する磁場信号１，２，３の平均値が所定値未満である踏力範囲（踏力範囲＝０）は、内部パラメータで無負荷を表し、この踏力範囲では、アシスト力を発生させない（アシスト比０）ように設定されている。
【００６１】
車速検出部４１は、ホールＩＣ２１０から出力されるペダルクランク回転数に応じたパルス数の検出信号（磁場パルス信号）を受け取り、単位時間当たりの磁場パルス信号のカウント数から、車速と、クランク角度とを演算する。
【００６２】
通電駆動方式選択部３１は、モータ回転速度、モータ回転回数、モータ回転方向、踏力範囲、車速、及び過渡負荷状態検出信号に基づいて、１８０度通電駆動方式、１２０度通電駆動方式、及び相補１２０度通電駆動方式の何れかを選択し、通電駆動方式の選択信号を出力する。具体的には、通電駆動方式選択部３１は、電動モータ３７の始動時（起動運転状態）において相補１２０度通電駆動選択信号を出力し、電動モータ３７の通常運転時（通常運転状態）において１８０度通電駆動選択信号を出力し、電動モータ３７が過渡負荷運転状態にある場合（ハンチング運転状態）において１２０度通電駆動信号を出力する。
【００６３】
各運転状態の検出は、一例として以下のように行う。「モータ回転速度が５０ｒｐｍ以上」かつ「正方向のモータ回転回数を連続して６０回検出」の両方の条件を満たすまでを起動運転状態と判定し、両方の条件を満たした場合に通常運転状態になったと判定する。
【００６４】
また、通常運転状態を検出した後、「逆方向のモータ回転回数を１回でも検出」すると、ハンチング運転状態（過渡負荷運転状態）にあると判定する。
【００６５】
また、「モータ回転速度が１２６ｒｐｍ以上」かつ「正方向のモータ回転回数を連続して２４０回検出」かつ「踏力範囲が０（内部パラメータで無負荷を表す）」の３つの条件を満たすと、ハンチング運転状態（過渡負荷運転状態）から通常運転状態になったと判定する。ここでは、「踏力範囲が０」を１つの条件とするが、「踏力範囲が所定値以下」としても良い。なお、ハンチング運転状態（過渡負荷運転状態）の解除の検出は、「モータ回転速度が１２６ｒｐｍ以上」かつ「車速（内部速度）が６ｋｍ／ｈ以上」の２つの条件を満たす場合に、ハンチング運転状態（過渡負荷運転状態）から通常運転状態になったと判定しても良い。
【００６６】
１８０度通電駆動部３３は、電動モータ３７に設置された３つのホールＩＣ３７１から受け取ったパルス信号に基づいて磁極位置を算出し、算出された磁極位置に基づいて、図８に示すような駆動電流波形で電動モータ３７を１８０度通電駆動する。具体的には、１８０度通電駆動部３３は、通電駆動方式選択部３１から１８０度通電駆動選択信号を受け取った場合に、車速、クランク角度及び踏力範囲から所定のアルゴリズムに基づいてアシスト比（アシスト力／踏力）を決定する電子的処理を行う。また、１８０度通電駆動部３３は、決定されたアシスト比に対応するアシスト力を発生させるよう電動モータ３７を１８０度通電駆動するため、ホールＩＣ３７１による検出値に基づいて磁極位置を予測して通電タイミングを設定すると共に、アシスト比に応じてＰＷＭ信号のデューティ比の設定を行う。
【００６７】
１２０度通電駆動部３４は、電動モータ３７に設置された３つのホールＩＣ３７１から受け取ったパルス信号に基づいて磁極位置を算出し、算出された磁極位置に基づいて、図９に示すような駆動電流波形で電動モータ３７を１２０度通電駆動する。具体的には、１２０度通電駆動部３４は、通電駆動方式選択部３１から１２０度通電駆動選択信号を受け取った場合に、車速、クランク角度及び踏力範囲から所定のアルゴリズムに基づいてアシスト比（アシスト力／踏力）を決定する電子的処理を行う。また、１２０度通電駆動部３４は、決定されたアシスト比に対応するアシスト力を発生させるよう電動モータ３７を１２０度通電駆動するため、ホールＩＣ３７１により検出した磁極位置に基づいて通電タイミングを設定すると共に、アシスト比に基づいてＰＷＭ信号のデューティ比の設定を行う。
【００６８】
相補１２０度通電駆動部３２は、電動モータ３７に設置された３つのホールＩＣ３７１から受け取ったパルス信号に基づいて磁極位置を算出し、算出された磁極位置に基づいて、図１１に示すような駆動電流波形で電動モータ３７を相補１２０度通電駆動する。具体的には、相補１２０度通電駆動部３２は、通電駆動方式選択部３１から相補１２０度通電駆動選択信号を受け取った場合に、車速、クランク角度及び踏力範囲から所定のアルゴリズムに基づいてアシスト比（アシスト力／踏力）を決定する電子的処理を行う。また、相補１２０度通電駆動部３２は、決定されたアシスト比に対応するアシスト力を発生させるよう電動モータ３７を相補１２０度通電駆動するため、ホールＩＣ３７１により検出した磁極位置に基づいて通電タイミングを設定すると共に、ＰＷＭ信号のデューティ比の設定を行う。
【００６９】
ＰＷＭ作成部３５は、１８０度通電駆動部３３、１２０度通電駆動部３４及び相補１２０度通電駆動部３２による通電タイミング及びデューティ比の設定に基づいて、インバータ回路１５のトランジスタ（ＵＨ，ＵＬ，ＶＨ，ＶＬ，ＷＨ，ＷＬ）を駆動するためのＰＷＭ信号を各トランジスタごとに作成し、出力する。
【００７０】
インバータ回路１５は、マイクロコンピュータ１４から出力される１８０度通電駆動用、１２０度通電駆動用又は相補１２０度通電駆動用のＰＷＭ信号によって各トランジスタをスイッチングし、電動モータ３７の各相に駆動電圧（駆動電流）を印加する。
【００７１】
以下、相補１２０度通電駆動方式を１２０度通電駆動方式と比較しつつ説明する。
［１２０度通電駆動方式］
図９は、１２０度駆動方式において通電電気角（横軸）に対してモータ各相の電流波形（縦軸）を表す図である。図１０は、１２０度通電駆動方式における各トランジスタに印加されるＰＷＭ信号のデューティ比及びモータの各相に流れる電流の経路を説明するための図である。これらの図において、＜１＞は電気角０〜６０度、＜２＞は電気角６０〜１２０度、＜３＞は電気角１２０〜１８０度、＜４＞は電気角１８０〜２４０度、＜５＞は電気角２４０〜３００度、＜６＞は電気角３００〜３６０度の各状態を示す。
【００７２】
図１０において、区間＜１＞では、Ｕ相の上トランジスタＵＨ及びＶ相の下トランジスタＶＬに例えばデューティ比２５％のＰＷＭ信号が印加され、他のトランジスタにはデューティ比０％のＰＷＭ信号が印加されて閉じられる。このとき、バッテリ１７から出力される電流は、Ｕ相の上トランジスタＵＨを通って電動モータ３７のＵ相のコイルに流れ込み、Ｖ相のコイルから流れ出てＶ相の下トランジスタＶＬを通ってバッテリ１７に戻る。このとき、Ｗ相のコイルには電流が流れない。
【００７３】
区間＜２＞では、Ｕ相の上トランジスタＵＨ及びＷ相の下トランジスタＷＬにデューティ比２５％のＰＷＭ信号が印加され、他のトランジスタにはデューティ比０％のＰＷＭ信号が印加されて閉じられる。このとき、バッテリ１７から出力される電流は、Ｕ相の上トランジスタＵＨを通って電動モータ３７のＵ相のコイルに流れ込み、Ｗ相のコイルから流れ出てＷ相の下トランジスタＷＬを通ってバッテリ１７に戻る。このとき、Ｖ相のコイルには電流が流れない。
【００７４】
区間＜３＞では、Ｖ相の上トランジスタＶＨ及びＷ相の下トランジスタＷＬにデューティ比２５％のＰＷＭ信号が印加され、他のトランジスタにはデューティ比０％のＰＷＭ信号が印加されて閉じられる。このとき、バッテリ１７から出力される電流は、Ｖ相の上トランジスタＶＨを通って電動モータ３７のＶ相のコイルに流れ込み、Ｗ相のコイルから電流が流れ出てＷ相の下トランジスタＷＬを通ってバッテリ１７に戻る。このとき、Ｕ相のコイルには電流が流れない。
【００７５】
区間＜４＞では、Ｖ相の上トランジスタＶＨ及びＵ相の下トランジスタＵＬにデューティ比２５％のＰＷＭ信号が印加され、他のトランジスタにはデューティ比０％のＰＷＭ信号が印加されて閉じられる。このとき、バッテリ１７から出力される電流は、Ｖ相の上トランジスタＶＨを通って電動モータ３７のＶ相のコイルに流れ込み、Ｕ相のコイルから流れ出てＵ相の下トランジスタＵＬを通ってバッテリ１７に戻る。このとき、Ｗ相のコイルには電流が流れない。
【００７６】
区間＜５＞では、Ｗ相の上トランジスタＷＨ及びＵ相の下トランジスタＵＬにデューティ比２５％のＰＷＭ信号が印加され、他のトランジスタにはデューティ比０％のＰＷＭ信号が印加されて閉じられる。このとき、バッテリ１７から出力される電流は、Ｗ相の上トランジスタＷＨを通って電動モータ３７のＷ相のコイルに流れ込み、Ｕ相のコイルから電流が流れ出てＵ相の下トランジスタＵＬを通ってバッテリ１７に戻る。このとき、Ｖ相のコイルには電流が流れない。
【００７７】
区間＜６＞では、Ｗ相の上トランジスタＷＨ及びＶ相の下トランジスタＶＬにデューティ比２５％のＰＷＭ信号が印加され、他のトランジスタにはデューティ比０％のＰＷＭ信号が印加されて閉じられる。このとき、バッテリ１７から出力される電流は、Ｗ相の上トランジスタＷＨを通って電動モータ３７のＷ相のコイルに流れ込み、Ｖ相のコイルから電流が流れ出てＶ相の下トランジスタＶＬを通ってバッテリ１７に戻る。このとき、Ｕ相のコイルには電流が流れない。
【００７８】
なお、上記では、導通させるトランジスタにデューティ比２５％のＰＷＭ信号を印加する場合を例に挙げて説明しているが、デューティ比の値はアシスト比に応じて変更される。
【００７９】
図９及び図１０から分かるように、１２０度通電駆動方式では、Ｕ，Ｖ，Ｗの各相において、電気角１２０度の通電区間の間に電気角６０度の範囲で電流が流れない区間（非通電区間）がある。
【００８０】
［相補１２０度通電駆動］
相補１２０度通電駆動方式は、図１４に示すように、１２０度通電駆動方式のＰＷＭ信号のデューティ比を理論上制御互換する通電駆動方式である。図１４に示すように、１２０度通電駆動方式では、電流経路として選択しない上下トランジスタＵＨ，ＵＬともにデューティ比０％のＰＷＭ信号を印加するが、相補１２０度通電では上下トランジスタＵＨ，ＵＬにデューティ比５０％ずつのＰＷＭ信号を印加することにより、モータに流れる電流をゼロとする。この原理を利用し、上下トランジスタＵＨ，ＵＬのうちデューティ比が大きい方によって導通するトランジスタが決定される。例えば、図１４中段に示すように、上トランジスタＵＨのデューティ比を７５％、下トランジスタＵＬのデューティ比を２５％とすれば、上トランジスタＵＨからモータに電流が流れ込む。逆に、上トランジスタＵＨのデューティ比を２５％、下トランジスタＵＬのデューティ比を７５％とすれば、下トランジスタＵＨにモータから電流が流れ込む。相補１２０度通電駆動方式では、このような原理を利用し、電流経路として選択する２相の上下トランジスタでは、上下一方のトランジスタのデューティ比を他方のトランジスタのデューティ比よりも大きくし、電流経路として選択しない相では、上下トランジスタのデューティ比を同一とする。
【００８１】
図１１は、相補１２０度駆動方式において通電電気角（横軸）に対してモータ各相の電流波形（縦軸）を示す図である。図１２は、相補１２０度通電駆動方式における各トランジスタに印加されるＰＷＭ信号のデューティ比及びモータの各相に流れる電流の経路を説明するための図である。これらの図において、区間＜１＞〜＜６＞は、図９及び図１０と同様の通電電気角の区間を示す。ここでも、特定のデューティ比を例に挙げて説明するが、デューティ比の値はアシスト比に応じて変更される。
【００８２】
相補１２０度通電駆動方式では、図１２の区間＜１＞に示すように、１２０度通電駆動方式で電流経路として選択する２相Ｕ，Ｖ相（図１０の区間＜１＞に対応）において、トランジスタＵＨ、ＶＬにデューティ比７５％のＰＷＭ信号を、トランジスタＵＬ、ＶＨにデューティ比２５％のＰＷＭ信号を印加することにより、１２０度通電駆動方式と同様に、トランジスタＵＨ、ＶＬを介して電流が流れる（実線矢印）。また、電流経路として選択しないＷ相の上下トランジスタＷＨ，ＷＬにはともにデューティ比５０％のＰＷＭ信号を印加して理論上Ｗ相に流れる電流をゼロとしている。但し、相補１２０度通電駆動方式では、電流経路として選択しないＷ相において、モータのＷ相コイルに蓄積されていたエネルギーが、トランジスタＷＬがオンするタイミングで放電される（破線矢印）。これは、区間＜１＞の直前まで、先行する区間＜５＞〜＜６＞において、電動モータ３７のＷ相コイルに電流が流れ込んでおり（実線矢印）、Ｗ相コイルにおいてインバータ回路１５側が中性点より高電位になるようにエネルギーが蓄積されているためであり、そのエネルギーによって区間＜１＞で下トランジスタＷＬがオンしたタイミングでＷ相コイルから下トランジスタＷＬを通って、バッテリ１７の低電位側に電流が流れ出る（破線矢印）。
【００８３】
区間＜１＞以外の区間＜２＞〜＜６＞についても同様であり、区間＜２＞において、Ｕ相及びＷ相では、図１０の区間＜２＞と同様に電流が流れる。一方、Ｖ相の上下トランジスタＶＨ，ＶＬには同一デューティ比（５０％）のＰＷＭ信号が印加されるが、区間＜２＞の直前まで、先行する区間＜６＞、＜１＞においてモータのＶ相コイルからは電流が流れ出て、Ｖ相コイルには、中性点側がインバータ回路１５側よりも高電位になる状態でエネルギーが蓄積されている。従って、区間＜２＞において、Ｖ相の上下トランジスタＶＨ，ＶＬにデューティ比５０％のＰＷＭ信号が印加されると、上トランジスタＶＨにパルスが印加されるタイミングで上トランジスタＶＨがオンし、バッテリ１７の高電位側から上トランジスタＶＨを介してＶ相コイルに電流が流れ込む（破線矢印）。
【００８４】
区間＜３＞において、Ｖ相及びＷ相では、図１０の区間＜３＞と同様に電流が流れる。Ｕ相の上下トランジスタＵＨ，ＵＬには同一デューティ比（５０％）のＰＷＭ信号が印加されるが、区間＜３＞の直前まで、先行する区間＜１＞、＜２＞においてモータのＵ相コイルに電流が流れ込んで、Ｕ相コイルには、インバータ回路１５側が中性点側よりも高電位になる状態でエネルギーが蓄積されている。従って、区間＜３＞において、Ｕ相の上下トランジスタＵＨ，ＵＬにデューティ比５０％のＰＷＭ信号が印加されると、下トランジスタＵＬにパルスが印加されるタイミングで下トランジスタＵＬがオンし、Ｕ相コイルから下トランジスタＵＬを介してバッテリ１７の低電位側に電流が流れ出る（破線矢印）。
【００８５】
区間＜４＞において、Ｕ相及びＶ相では、図１０の区間＜４＞と同様に電流が流れる。Ｗ相の上下トランジスタＷＨ，ＷＬには同一デューティ比（５０％）のＰＷＭ信号が印加されるが、区間＜４＞の直前まで、先行する区間＜２＞、＜３＞においてモータのＷ相コイルからは電流が流れ出て、Ｗ相コイルには、中性点側がインバータ回路１５側よりも高電位になる状態でエネルギーが蓄積されている。従って、区間＜４＞において、Ｗ相の上下トランジスタＷＨ，ＷＬにデューティ比５０％のＰＷＭ信号が印加されると、上トランジスタＷＨにパルスが印加されるタイミングで上トランジスタＷＨがオンし、バッテリ１７の高電位側から上トランジスタＷＨを介してＷ相コイルに電流が流れ込む（破線矢印）。
【００８６】
区間＜５＞において、Ｕ相及びＷ相では、図１０の区間＜５＞と同様に電流が流れる。Ｖ相の上下トランジスタＶＨ，ＶＬには同一デューティ比（５０％）のＰＷＭ信号が印加されるが、区間＜５＞の直前まで、先行する区間＜３＞、＜４＞においてモータのＶ相コイルに電流が流れ込んで、Ｖ相コイルには、インバータ回路１５側が中性点よりも高電位になる状態でエネルギーが蓄積されている。従って、区間＜５＞において、Ｖ相の上下トランジスタＶＨ，ＶＬにデューティ比５０％のＰＷＭ信号が印加されると、下トランジスタＶＬにパルスが印加されるタイミングで下トランジスタＶＬがオンし、Ｖ相コイルから下トランジスタＶＬを介してバッテリ１７の低電位側に電流が流れ出る（破線矢印）。
【００８７】
区間＜６＞において、Ｖ相及びＷ相では、図１０の区間＜６＞と同様に電流が流れる。Ｕ相の上下トランジスタＵＨ，ＵＬには同一デューティ比（５０％）のＰＷＭ信号が印加されるが、区間＜６＞の直前まで、先行する区間＜４＞、＜５＞においてモータのＵ相コイルからは電流が流れ出て、Ｕ相コイルには、中性点側がインバータ回路１５側よりも高電位になる状態でエネルギーが蓄積されている。従って、区間＜６＞において、Ｕ相の上下トランジスタＵＨ，ＵＬにデューティ比５０％のＰＷＭ信号が印加されると、上トランジスタＵＬにパルスが印加されるタイミングで上トランジスタＵＬがオンし、バッテリ１７の高電位側から上トランジスタＵＬを介してＵ相コイルに電流が流れ込む（破線矢印）。
【００８８】
以上のように、相補１２０度通電駆動では、Ｕ、Ｖ、Ｗ相の何れの相にも全区間＜１＞〜＜６＞で電流が流れ、何れの相においても非導通区間が存在しない。このため、図１１に示すように、各相の電流は電気角３６０度を通じて連続して変化することになり、１２０度通電駆動方式で発生し得る相切換え時の電気振動を抑制することができる。
【００８９】
［制御フロー］
以下、図１３のフローチャートを参照して、本実施形態によるモータ制御装置を用いたモータ制御の一例を説明する。
【００９０】
ステップＳ１１では、電動モータ３７を相補１２０度通電駆動で起動する。
【００９１】
ステップＳ１２では、電動モータ３７の回転速度が５０ｒｐｍ以上となり且つ電動モータ３７の正方向（ＣＷ方向）の回転回数を連続して６０回検出したか否かを判別する。何れかの条件を満たさない場合にはステップＳ１１に移行して、相補１２０度通電駆動による起動運転を継続する。
【００９２】
ステップＳ１２の両方の条件を満たした場合にはステップＳ１３に移行して、１８０度通電駆動方式によるモータ制御に切換える。
【００９３】
ステップＳ１４では、過渡的な負荷変動を検出したか否かを判別する。具体的には、「逆方向（ＣＣＷ方向）のモータ回転を１回でも検出」したか否かを判別し、逆方向のモータ回転を検出しない場合にはステップＳ１３に移行して、１８０度通電駆動方式によるモータ制御を継続する。
【００９４】
一方、ステップＳ１４において逆方向のモータ回転を検出した場合にはステップＳ１５に移行して、１２０度通電駆動方式によるモータ制御に切換える。
【００９５】
ステップＳ１６では、過渡負荷状態が解除されたか否かを判別する。具体的には、「モータ回転速度が１２６ｒｐｍ以上」かつ「正方向のモータ回転を連続して２４０回検出」かつ「踏力範囲が０」の３つの条件を満たす場合に、過負荷状態の解除を検出する。なお、「モータ回転速度が１２６ｒｐｍ以上」かつ「車速（内部速度）が６ｋｍ／ｈ以上」の２つの条件を満たす場合に、過負荷状態の解除を検出しても良い。
【００９６】
ステップＳ１６において過渡負荷状態の解除を検出しない場合にはステップＳ１５に移行して、１２０度通電駆動方式によるモータ制御を継続する。
【００９７】
一方、ステップＳ１６において過渡負荷状態の解除を検出した場合にはステップＳ１３に移行して、１８０度通電駆動方式によるモータ制御に復帰させる。
【００９８】
［通電駆動方式の比較］
表２は、１８０度通電駆動方式、１２０度通電駆動方式、相補１２０度通電駆動方式の各通電駆動方式の特性を示す。表中、二重丸の表記は３つの通電駆動方式の中で特に当該特性が良いことを示し、一重丸の表記は当該特性が良好であることを、三角の表記は当該性能にやや劣ることを示し、バツ印の表記は当該性能が劣ることを示す。
【表２】
0005506407.tif 000003
【００９９】
表２に示すように、１８０度通電駆動方式は、静音性、振動特性及び効率が特に良好である。一方、１８０度通電駆動方式では、先を予測して制御するため過渡負荷対応性に弱く、過渡的な負荷により位置ずれが起こると制御不能になる可能性がある。また、１８０度通電駆動方式は、１２０度通電駆動方式に比較して制御が複雑である。
【０１００】
１２０度通電駆動方式は、モータのホールＩＣで検出する磁極位置のみに基づいて制御し、予測して制御しないので、過渡負荷対応特性が特に優れている。このため、急激な負荷変動による過負荷状態の運転時にも制御を継続することが可能であり、モータの停止を回避することが可能である。また、制御が簡易であり、効率も良好である。但し、振動特性がやや劣り、静音性が劣る欠点がある。
【０１０１】
相補１２０度通電駆動方式は、モータのホールＩＣで検出する磁極位置のみに基づいて制御し、予測して制御しないので、過渡負荷対応特性が特に優れている。過渡負荷対応特性が良好である。このため、急激な負荷変動による過負荷状態の運転時にも制御を継続することが可能であり、モータの停止を回避することが可能である。また、静音性、振動特性が特に良好である。一方、制御が複雑であり、効率が３方式中最も劣る欠点がある。
【０１０２】
上述した実施形態では、過渡負荷状態の生じ得る可能性があり且つ良好な静音性及び振動特性が要求されるモータ起動運転時には、相補１２０度通電駆動方式によりモータを制御することにより、モータ起動運転中に過渡的な負荷変動が生じた場合にもモータの停止を確実に回避して運転を継続し、騒音及び振動の少ない起動運転を可能としている。
【０１０３】
また、モータの回転速度及び回転回数が所定の値に達した通常運転時には、モータ制御を１８０度通電駆動方式に切換えて、騒音及び振動の少ない快適な運転を可能にするとともに、効率を高めて電力消費を抑制することを可能にしている。
【０１０４】
また、通常運転時に過渡的な負荷変動があった場合には、モータ制御を１２０度通電駆動方式に切換えて、効率の低下を抑制しつつモータの停止を確実に回避して運転を継続可能としている。
【０１０５】
また、１２０度通電駆動方式に切換えた後、過渡負荷状態が解除された場合には、１８０度通電駆動方式に復帰させることにより、静音性、振動特性及び効率に優れた運転を最大限に利用可能である。
【０１０６】
以上述べたように、本実施形態によれば、モータの起動運転時において相補１２０度通電駆動方式により騒音及び振動を抑制しつつモータの停止を確実に回避し、通常運転に移行後は、１８０度通電駆動方式により騒音及び振動が少なく効率の良い運転を最大限利用可能とするとともに、過渡的な負荷変動があった場合には、１２０度通電駆動方式により効率の低下を抑制しつつモータの停止を確実に回避することができる。
【０１０７】
[他の実施形態]
なお、上記実施形態では、通常運転に移行後に過渡負荷状態を検出した場合には、１２０度通電駆動方式に切換える制御を行ったが、効率の低下を許容可能である場合には、通常運転に移行後に過渡負荷状態を検出した場合に、相補１２０度通電駆動方式に切換えても良い。この場合、過渡負荷運転時においも騒音及び振動の少ない運転が可能になり、電動アシスト自転車の運転をより快適にすることができる。
【０１０８】
また、上記実施形態では、相補１２０度通電駆動方式によりモータの起動運転を行ったが、騒音及び振動を許容できる場合には、１２０度通電駆動方式によりモータの起動運転を行っても良い。この場合、モータの起動運転時の効率を向上させることができる。
【０１０９】
また、モータが通常運転状態になるまで相補１２０度通電駆動方式（又は１２０度通電駆動方式）を継続するモータ起動制御に代えて、モータを１８０度通電駆動方式でモータを起動し、過渡負荷状態を検出した場合に、相補１２０度通電駆動方式（又は１２０度通電駆動方式）に切換え、過渡負荷状態の解除を検出した場合に、１８０度通電駆動方式に復帰させるように構成しても良い。
【０１１０】
また、上記実施形態では、１２０度通電駆動方式及び相補１２０度通電駆動方式を例に挙げて説明したが、本発明は、１８０度未満でかつ１２０度以外の導通角で間欠通電する他の間欠通電駆動方式及び相補間欠通電方式に適用可能である。
【符号の説明】
【０１１１】
１４：マイクロコンピュータ
１５：インバータ回路
１７：バッテリ
３７：モータ
３７１：ホールＩＣ
【図１】
0005506407.tif 000004
【図２】
0005506407.tif 000005
【図４】
0005506407.tif 000006
【図５】
0005506407.tif 000007
【図６】
0005506407.tif 000008
【図７】
0005506407.tif 000009
【図８】
0005506407.tif 000010
【図９】
0005506407.tif 000011
【図１０】
0005506407.tif 000012
【図１１】
0005506407.tif 000013
【図１２】
0005506407.tif 000014
【図１３】
0005506407.tif 000015
【図１４】
0005506407.tif 000016
【図３】
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