(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ペダル踏力を駆動輪に供給する人力駆動系と、電動モータからの補助力を駆動輪に供給する電力駆動系とを備えた電動補助車両の補助力制御装置において、補助力指示手段からのスロットル補助力とペダル踏力に応じたペダル補助力とを、該スロットル補助力に応じてペダル補助力を変化させて合成することにより目標補助力を求める目標補助力演算手段と、該目標補助力が得られるように上記電動モータへの電力を制御する補助力制御手段とを備えたことを特徴とする電動補助車両の補助力制御装置。
【請求項２】
請求項１において、目標補助力演算手段が、上記スロットル，ペダル補助力を、スロットル補助力が大きくなるほどペダル補助力を小さい側に修正して合成するとこを特徴とする電動補助車両の補助力制御装置。
【請求項３】
ペダル踏力を駆動輪に供給する人力駆動系と、電動モータからの補助力を駆動輪に供給する電力駆動系とを備えた電動補助車両の補助力制御装置において、補助力指示手段からのスロットル補助力を得るのに必要なスロットル補助電流値とペダル踏力に応じたペダル補助力を得るのに必要なペダル補助電流値とを、上記スロットル補助力に応じてペダル補助電流値を変化させて合成することにより目標電流値を求める目標電流値演算手段と、上記電動モータに供給される電流が上記目標電流値となるように電流供給回路を制御する電流値制御手段とを備えたことを特徴とする電動補助車両の補助力制御装置。
【請求項４】
請求項３において、上記目標電流値演算手段が、上記スロットル，ペダル補助電流値を、スロットル補助力が大きくなるほどペダル補助電流値を小さい側に修正して合成することを特徴とする電動補助車両の補助力制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、人力駆動系と電力駆動系とを備えた電動補助車両の補助力制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ペダル踏力を駆動輪に供給する人力駆動系と、電動モータからの補助力を駆動輪に供給する電力駆動系とを備えた電動補助車両（例えば電動補助自転車）が提案されている。上記補助力の設定方法として、従来、ペダル踏力を検出し、該ペダル踏力に応じた大きさの補助力を供給する方法が提案されている。
【０００３】
上記ペダル踏力に応じた補助力（ペダル補助力）を供給するようにした車両において、ハンドルグリップ近傍等にスロットルレバーを配設し、該スロットルレバーにより希望の補助力を外部から指示し、該指示値に応じた補助力（スロットル補助力）が得られるように上記電動モータを制御することが考えられる。
【０００４】
このような２つの補助力供給系を備えた車両における補助力の制御方法として、例えば以下の▲１▼，▲２▼の方法が考えられる。
▲１▼  スロットル指示値が小さい間はペダル踏力に基づいて補助力を制御し、スロットル指示値がある値以上になった場合には該スロットル指示値に基づいて補助力を制御する。
▲２▼  ペダル踏力に基づく補助力とスロットル指示値に基づく補助力との何れか大きい方の値を補助力とする。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし上記▲１▼，▲２▼の方法を採用した場合、以下の問題点が懸念される。
▲１▼の場合は、ペダル補助力からスロットル補助力への、又はその逆への切り替わり時に、補助力が急変し、乗車フィーリングが悪化し、▲２▼の場合は、ペダル踏力をスロットル指示値以上に大きくしないとペダル踏力に比例した補助力が得られない。さらに▲１▼，▲２▼の何れにおいても、モータの過負荷に対する保護と補助力とのバランスがとり難い。
【０００６】
本発明は、上記実情に鑑みてなされたもので、スロットル指示値の変化に対して補助力が滑らかに変化し、違和感のない乗車フィーリングが得られるとともに、モータの過負荷からの保護と補助力のバランスをとることができる電動補助車両の補助力制御装置を提供することを課題としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、ペダル踏力を駆動輪に供給する人力駆動系と、電動モータからの補助力を駆動輪に供給する電力駆動系とを備えた電動補助車両の補助力制御装置において、補助力指示手段からのスロットル補助力とペダル踏力に応じたペダル補助力とを、該スロットル補助力に応じてペダル補助力を変化させて合成することにより目標補助力を求める目標補助力演算手段と、該目標補助力が得られるように上記電動モータへの電力供給を制御する補助力制御手段とを備えたことを特徴としている。
【０００８】
請求項２の発明は、請求項１において、目標補助力演算手段が、上記スロットル，ペダル補助力を、スロットル補助力が大きくなるほどペダル補助力を小さい側に修正して合成するとこを特徴としている。
【０００９】
請求項３の発明は、ペダル踏力を駆動輪に供給する人力駆動系と、電動モータからの補助力を駆動輪に供給する電力駆動系とを備えた電動補助車両の補助力制御装置において、補助力指示手段からのスロットル補助力を得るのに必要なスロットル補助電流値とペダル踏力に応じたペダル補助力を得るのに必要なペダル補助電流値とを、上記スロットル補助力に応じてペダル補助電流値を変化させて合成することにより目標電流値を求める目標電流値演算手段と、上記電動モータに供給される電流が上記目標電流値となるように電流供給回路を制御する電流値制御手段とを備えたことを特徴としている。
【００１０】
請求項４の発明は、請求項３において、上記目標電流値演算手段が、上記スロットル，ペダル補助電流値を、スロットル補助力が大きくなるほどペダル補助電流値を小さい側に修正して合成することを特徴としている。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
図１ないし図６は、本発明の一実施形態による電動補助自転車の補助力制御装置を説明するための図であり、図１は電動補助自転車の側面図、図２，図４は補助力制御装置の機能構成図、図３は補助力制御装置の具体的構成を示すブロック構成図、図５は荷重係数−スロットル入力特性図、図６は動作説明図である。
【００１２】
図１において、１は電動補助自転車であり、該自転車１の車体フレーム１０はヘッドパイプ１２と、該ヘッドパイプ１２から車体後方斜め下方に延びるダウンチューブ１４と、該ダウンチューブ１４の後部から上方に起立するシートチューブ１６と、該ダウンチューブ１４の後端から後方に延びる左, 右一対のリヤアーム２０，２０と、該両リヤアーム２０，２０の後端部と上記シートチューブ１６の上端部とを結合する左, 右一対のシートステー２２，２２とを備えている。
【００１３】
上記ヘッドパイプ１２には、下端で前輪２８を軸支し、上端に操向ハンドル２６が固着された前フォーク２４が左右へ回動自在に軸支されている。また上記シートチューブ１６にはシートポスト３０ａが高さ調整可能に挿入されており、該シートポスト３０ａの上端にはサドル３０が装着されている。さらにまた、上記リヤアーム２０，２０の後端間には後輪３２が回転可能に装着されており、この後輪３２のハブ３４には内装式変速機が内蔵されている。
【００１４】
また、４０は本自転車１の動力源となる動力ユニット（電力駆動系）であり、この動力ユニット４０は、動力ケース４２と、この動力ケース４２に一体に接続され、後輪３２に駆動力を伝達する永久磁石式直流電動モータ４４と、該電動モータ４４に電流を供給するバッテリ６４と、上記電動モータ４４の駆動力を制御するコントローラ５４とを備えている。
【００１５】
上記動力ケース４２は上記ダウンチューブ１４の後部１４ａ下方に取付けられ、上記電動モータ４４は斜め前上方へ突出するように車体カバー４１内に配設されており、上記ダウンチューブ１４の後部１４ａと平行になっている。また上記コントローラ５４は上記ダウンチューブ１４の前部１４ｂ下方に位置するよう車体カバー４１内に取付けられている。
【００１６】
上記バッテリ６４は多数の電池セルを直列接続してケース内に内蔵してなるもので、上記シートチューブ１６と後輪３２の前縁との間の空間に配設された電池ケース６０内に着脱可能に収納されている。なお、上記電池ケース６０の上端開口部は上記左, 右のシートステー２２の間に位置しかつ上方に突出しており、上記バッテリ６４は左, 右シートステー２２，２２間を通って上下方向に取付け，取外し可能となっている。
【００１７】
上記動力ケース４２にはクランク軸４６が車幅方向に貫挿され、その両端にクランクアーム４８（一方のみ図示）が固定されており、この各クランクアーム４８にはクランクペダル５０が取付けられている。これによりクランクペダル５０に加えられた踏力をチェーン５２を介して後輪３２に伝達する人力駆動系７５が構成されている。
【００１８】
上記車体フレーム１０のヘッドパイプ１２への接続部近傍には、メインスイッチ５６と、走行モード切り替えスイッチ６３とが配設されており、切り替えスイッチ６３は車体カバー４１に形成された開口４１ａから外方に臨んでいる。また上記操向ハンドル２６のハンドルグリップ近傍にはスロットルレバー（補助力指示手段）６８が回動可能に配設されている。
【００１９】
図２に示すように、上記コントローラ５４は、スロットルセンサ１０１，踏力センサ１０２，車速センサ１０３からの入力に応じた補助力を得るのに必要な目標電流値を求める目標電流値演算手段１００と、モータ４４に供給される電流値が上記演算手段１００で求めた目標電流値となるように電流供給回路２１４を制御する電流値制御手段２００としての機能を備えている。
【００２０】
上記目標電流値演算手段１００は以下の構成となっている。上記スロットルレバー６８の開度（指示値）がスロットルセンサ１０１によってスロットル補助トルトとして検出されて入力インターフェース１１１３を介して入力されると、スロットル補助電流値演算手段１１４により、車速センサ１０３から入力されたそのときの車速、つまりモータ回転速度において上記スロットル補助トルクを得るのに必要なスロットル補助電流値が求められる。なお、上記スロットル補助トルクは、例えばスロットル開度に比例した値に設定される。
【００２１】
一方、踏力センサ１０２で検出されたペダル踏力が入力インタ−フェース１１０を介して入力されると、ペダル補助トルク演算手段１１１により上記検出されたペダル踏力に応じたペダル補助トルクが演算され、ペダル補助電流値演算手段１１２により、車速センサ１０３から入力されたそのときの車速、つまりモータ回転速度において上記ペダル補助トルクを得るのに必要なペダル補助電流値が求められる。なお、上記ペダル補助トルクは、例えばペダル踏力に比例した大きさに設定される。
【００２２】
そして重ね合わせ手段１１５により上記スロットル指示値に基づくスロットル補助電流値と上記ペダル踏力に基づくペダル補助電流値とが後述する演算式に従って重ね合わされ、これにより目標電流値が求められる。
【００２３】
また上記電流値制御手段２００は以下のように構成されている。上記モータ４４に流れる電流値に対応した検出信号が電流検出手段２０１から入力インターフェース２１０を介して入力されると、電流値演算手段２１１により上記モータ４４に流れている電流値が演算され、該電流値と上記目標電流値との差分が偏差演算手段２１２により演算され、制御量演算手段２１３により上記差分を０にするために必要な制御量（例えばＰＷＭ制御におけるデューティ比の補正量）が演算される。そして上記演算された制御量に従って電流供給回路２１４がモータ４４に流す電流の制御を行う。
【００２４】
図３は、上記電流検出手段２０１，電流供給回路２１４の具体的構成を示す。同図において、上記電流検出手段２０１は、モータ４４とアースとの間にシャント抵抗２０１ａを介設し、該シャント抵抗２０１ａの両端電圧を差動増幅器２０１ｂで増幅し、フィルタ２０１ｃにより平滑してコントローラ５４に入力するように構成されている。
【００２５】
本実施形態では、モータ４４とアースとの間にシャント抵抗２０１ａを介設したので、差動増幅器２０１ｂに入力される同相雑音が少なくなり、モータ４４の電流値を正確に反映した信号がフィルタ２０１ｃから得られる。
【００２６】
上記電流供給回路２１４は、バッテリ６４の正極とモータ４４との間にＮチャンネルのＦＥＴ２１４ａを介設し、該ＦＥＴ２１４ａと上記コントローラ５４との間に該ＦＥＴ２１４ａオン，オフするためのゲートドライブ２１４ｂを接続し、該ゲートドライブ２１４ｂにブートストラップ回路２１５を接続した構成となっている。なお、２１６はＦＥＴ２１４ａのオフ時に発生する逆起電力の電流経路となるフライホイールダイオードである。
【００２７】
上記ブートストラップ回路２１５は、ＦＥＴ２１４ａにこれのソース電位の変動に関わらず常に一定のゲート・ソース間電圧を印加するためのものである。なお、このブートストラップ回路２１５は、バッテリの２４Ｖを１２Ｖ直流電圧に降圧する降圧回路２１５ａと、逆流防止用ダイオード２１５ｂと、降圧回路２１５ａにより充電されるコンデンサ２１５ｃとを備えている。
【００２８】
図４〜図６は上記スロットル指示値に基づくスロットル補助力とペダル踏力に基づくペダル補助力との重ね合わせ（合成）方法を説明するための図である。図４に示すように、スロットルセンサ１０１から入力されたスロットル補助トルクＴｘが上記スロットル補助電流値演算手段１１４によってスロットル補助電流値Ｉｘに変換され、また踏力センサ１０２からのペダル踏力に基づいてペダル補助トルク演算手段１１１によって得られたペダル補助トルクＴｙが上記ペダル補助電流値演算手段１１２によってペダル補助電流値Ｉｙに変換される。
【００２９】
そして上記重ね合わせ手段１１５によって、上記ペダル補助電流値Ｉｙに荷重係数ｗを乗算することにより修正した修正ペダル補助電流値（ｗ・Ｉｙ）が求められ、該修正ペダル補助電流値に上記スロットル補助電流値を加算した目標電流値（Ｉｘ＋ｗ・Ｉｙ）が求められる。
【００３０】
ここで上記荷重係数ｗは、上記ペダル補助電流値をスロットル指示値が大きくなるほど小い側に修正するためのものである。即ち、荷重係数ｗは、ｗ＝（１−Ａ・Ｔｘ／Ｔｘｍ）で求められ、図５に示すように、スロットル補助トルクＴｘ（スロットル入力）が大きいほど小さくなり、この小さくなる場合の程度は上記式中の係数Ａによって変化する。即ち、Ａが１に近づくほとペダル補助電流値Ｉｙを小さい側に大幅に修正し、従ってペダル踏力による補助力の寄与分が小さくなる。
【００３１】
本実施形態装置によれば、まずスロットルレバー６８の開度（スロットル指示値）に応じたスロットル補助トルクＴｘを得るのに必要なスロットル補助電流値Ｉｘが求められ、ペダル踏力に応じたペダル補助トルクＴｙを得るのに必要なペダル補助電流値Ｉｙが求められ、該ペダル補助電流値Ｉｙを荷重係数ｗによりスロットル指示値が大きいほど小さくなるように修正した修正ペダル補助電流値を上記スロットル補助電流値Ｉｘに加えて目標電流値が求められる。そして次に上記モータ４４に流れる電流値が上記目標電流値となるように電流供給回路２１４がフィードバック制御により制御される。
【００３２】
図６は、上記係数Ａが１の場合の目標電流値（モータ電流）を示す。まずスロットル開度、つまりスロットル補助トルクＴｘが０〜Ｔｘｏの場合、ｗ＝１，Ｔｘ／Ｔｘｍ＝０，Ｉｘ＝０であることから目標電流値はペダル補助電流値Ｉｙそのものであり、同図（ａ）に示すようにペダル踏力の変化にそのまま対応した特性を示す。
【００３３】
一方、Ｔｘ＝Ｔｘｍ／２の場合、ｗ＝0.5 であることから、目標電流値はスロットル補助電流値Ｉｘとペダル補助電流値Ｉｙの１／２との和となり、同図（ｂ）に示すようになる。同図（ａ）の場合よりも補助電流値の変動が小さくなっている。
【００３４】
またＴｘ＝Ｔｘｏ′〜Ｔｘｍの場合、ｗ＝０であることから、目標電流値はスロットル補助電流値Ｉｘそのものであり、同図（ｃ）に示すようにＩｘｍ一定となる。
【００３５】
このように、常時、スロットルレバー６８で指示されたスロットル補助トルクＴｘに比例したスロットル補助電流値Ｉｘと、ペダル踏力に基づくペダル補助トルクＴｙに比例したペダル補助電流値Ｉｙとを合成して目標電流値を求めるようにしたので、ペダル補助力とスロットル補助力とを切り替えるようにした場合等に比較して補助力の変動が小さくなり、補助感が良好となり、走行フィーリングが向上する。
【００３６】
またスロットル開度が大きくなるにつれてペダル踏力に基づくペダル補助電流値Ｉｙを小さくしたので、スロットルの変化に対するペダル踏力の寄与分が滑らかに変化し、スロットル変化に対して補助感が急変することがなく、自然な補助感の変化が可能である。
【００３７】
スロットル側からのスロットル補助電流値Ｉｘと、ペダル補助電流値Ｉｙを荷重係数ｗで修正したものとを加算するようにしたので、荷重係数ｗの調整によりモータに流す平均電流の上限を任意に設定可能であり、モータを過負荷から確実に保護できる。
【００３８】
また目標電流値を求め、モータ４４を流れる電流値が上記目標電流値となるように電流値を制御するようにしたので、電圧制御を行う場合に比較して必要な補助トルクを高い精度で発生させることができる。
【００３９】
また本実施形態では、目標電流値演算手段１００及び電流値制御手段２００をコントローラ５４のＣＰＵにおけるソフトウェア処理によって実現したので、装置コストを低減できるとともに、制御動作の確実性を高めるための各種の処理内容を付加することが可能である。例えば、上記偏差演算手段２１２の処理において、目標電流値とモータ電流値との差分が許容値を越えた場合にはフェールセイフ処理をするようなプログラムとすることにより、電流値検出手段２０１の故障等の事故時にも対応できる。
【００４０】
なお、上記実施形態では、スロットル補助トルクからスロットル補助電流値を求め、ペダル補助トルクからペダル補助電流値を求め、該両補助電流値を合成して目標補助電流値を求めたが、スロットル補助トルクとペダル補助トルクとを、スロットル補助トルクが大きいほどペダル補助トルクを小さく側に修正して合成し、該合成された補助トルクから必要な補助電流値を求めるようにしてもよく、このようにしたのが請求項１，２の発明である。
【００４１】
【発明の効果】
以上のように請求項１の発明によれば、スロットル補助トルクとペダル補助トルクとをスロットル補助トルクに応じてペダル補助トルクを修正して合成し、また請求項３の発明によれば、スロットル補助電流値とペダル補助電流値とをスロットル補助電流値に応じてペダル補助電流値を修正して合成するようにしたので、つまり常時スロットル側の補助力とペダル側の補助力とを合成するようにしたので、上記ペダル補助力とスロットル補助力とを切り替えるようにした場合に比較して補助感が良好であり、走行フィーリングを向上できる効果がある。
【００４２】
また請求項２，４の発明によれば、スロットル補助力又はスロットル補助電流値と、スロットル指示値が大きくなるほどペダル踏力からの補助力又は補助電流値を小さい側に修正したものとを合成するようにしたので、スロットル変化に対する踏力の寄与分を滑らかに変化させることができ、スロットル変化に対して補助感が急変することのない自然な補助感の変化を実現できる効果がある。
【００４３】
またペダル側の補助力，又は補助電流値を修正する場合の荷重係数を適宜調整することによりモータに流す平均電流の上限を任意に設定でき、モータを過負荷から保護できる効果がある。
【００４４】
さらにまた請求項３，４の発明によれば、補助力を制御する場合に、該補助力に対応した目標電流値を求め、電動モータに供給される電流値を目標電流値に一致するように制御したので、上記補助力を高い精度で発生できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態による補助力制御装置を備えた電動補助自転車の側面図である。
【図２】上記補助力制御装置の機能構成図である。
【図３】上記補助力制御装置のブロック構成図である。
【図４】上記補助力制御装置の機能構成図である。
【図５】上記補助力制御装置の荷重係数とスロットル入力との関係を示す特性図である。
【図６】上記補助力制御装置の動作を説明するためのモータ電流特性図である。
【符号の説明】
１  電動補助自転車
４０  電力駆動系
４４  電動モータ
６８  スロットルレバー（補助力指示手段）
７５  人力駆動系
１００  目標電流値演算手段
１０２  踏力センサ（踏力検出手段）
１１１  ペダル補助力演算手段
１１２  ペダル補助電流値演算手段
１１４  スロットル補助電流値演算手段
２００  電流値制御手段
２１４  電流供給回路
【図１】
0003640222.tif 000002
【図２】
0003640222.tif 000003
【図３】
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【図４】
0003640222.tif 000005
【図５】
0003640222.tif 000006
【図６】
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