(57)【要約】【課題】走行時の電動モータのエネルギー効率を改善し、電力消費を抑えるとともに、安定した強い補助動力感を常に感じさせて、良好な乗車感覚が得られる電動アシスト自転車のトルク制御方法及び装置を提供する。【解決手段】ペダル踏力を補助する電動モータ２と、ペダル踏力を検出するトルクセンサ１と、該トルクセンサ１の検出値に応じて前記電動モータ２を駆動するコントローラ３とを備えた電動アシスト自転車のトルク制御装置において、前記コントローラ３は、前記トルクセンサ１の検出値を踏力に応じた所定の変化率で変化するように演算加工するフィルタ９を備えた。【選択図】        図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ペダル踏力を検出し、該ペダル踏力に応じて電動モータによる補助動力を付与する電動アシスト自転車のトルク制御方法において、
周期的に変動するペダル踏力をセンサで検出し、この検出トルク値が、踏力に応じた所定の変化率で変化するように演算加工し、該演算加工後の加工トルク値に基づいて前記電動力を付与することを特徴とする電動アシスト自転車のトルク制御方法。
【請求項２】
前記検出トルク値がピークから下がり始めた時点から所定の時間間隔で該検出トルク値に応じた所定の下げ幅だけ該検出トルクを連続的に演算加工して加工トルク値を算出し、前記検出トルク値が上がり始めて加工トルク値を越えた時点から次のピークまで演算加工を停止して検出トルク値の加工量をゼロにすることを特徴とする請求項１に記載の電動アシスト自転車のトルク制御方法。
【請求項３】
車速に基づいて前記下げ幅を変えることを特徴とする請求項２に記載の電動アシスト自転車のトルク制御方法。
【請求項４】
前記演算加工開始後、前記検出トルク値が加工トルク値を越えることなく所定時間が経過したら演算加工を停止することを特徴とする請求項２又は３に記載の電動アシスト自転車のトルク制御方法。
【請求項５】
前記下げ幅データを書き換え可能な不揮発性メモリに格納することを特徴とする請求項２から４のいずれかに記載の電動アシスト自転車のトルク制御方法。
【請求項６】
ペダル踏力を補助する電動モータと、
ペダル踏力を検出するトルクセンサと、
該トルクセンサの検出値に応じて前記電動モータを駆動するコントローラとを備えた電動アシスト自転車のトルク制御装置において、
前記コントローラは、前記トルクセンサの検出値を踏力に応じた所定の変化率で変化するように演算加工するフィルタを備えたことを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のトルク制御方法を実施するための電動アシスト自転車のトルク制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電動アシスト自転車のトルク制御方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電動アシスト自転車は、ペダル踏力によるトルクを検出し、検出したトルクに応じて電動モータを駆動してペダル踏力を補助する。従来の電動アシスト自転車においては、検出したトルク値に比例して電動モータの発生トルクを算出していた。したがって、ペダル回転と同期して周期的に増減を繰り返す検出トルク値とともに電動モータのアシスト力が増減し、駆動電流の大きな増減変動が繰り返されていた。このため、モータの駆動効率が悪くなり、エネルギー効率が低下し電力消費量が大きくなっていた。
【０００３】
また、ペダルの上死点及び下死点では踏力トルクがゼロになり、アシスト力がなくなるため、電動モータからのアシスト感が途切れ、強い補助力が感じられなくなって良好な乗車感覚が得られなかった。
【０００４】
一方、電動アシスト自転車として、乗り手の年齢、体力や走行予定距離、走行目的に応じて最適なアシスト比を設定することが可能な電動動力補助自転車が特許文献１により提案されている。
【０００５】
この特許文献１の電動アシスト自転車は、踏力検出器で検出した踏力検出信号を可変型減衰器で減衰率選択部で設定した減衰率で減衰させ、この減衰踏力信号を駆動制御回路に供給することにより、電動モータで所望のアシスト比に応じたアシスト力を発生させるものである。
【０００６】
しかしながら、この特許文献１の電動アシスト自転車においては、検出したペダル踏力のトルク全体を所定の減衰率で変化させることによりアシスト比を変えるものであって、トルク変動に伴う駆動電流の変動はトルク変動に比例して起こる。また、検出トルクの増減に応じて、トルクが大きいときには、駆動電流が大きく、トルクが小さいときには駆動電流が小さくなり、トルクがないときにはアシスト力は得られない。
【０００７】
したがって、前述の従来技術と同様に、駆動電流の大きな増減変動が繰り返されるため、モータの駆動効率が悪くなり、エネルギー効率が低下し電力消費量が大きくなる。また、ペダルの上死点及び下死点では踏力トルクがゼロになり、アシスト力がなくなるため、電動モータからのアシスト感が途切れ、強い補助力が感じられなくなって良好な乗車感覚が得られない。
【０００８】
【特許文献１】
特開平１１−１７１０８１号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記従来技術を考慮したものであって、走行時の電動モータのエネルギー効率を改善し、電力消費を抑えるとともに、安定した強い補助動力感を常に感じさせて、良好な乗車感覚が得られる電動アシスト自転車のトルク制御方法及び装置の提供を目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、本発明では、ペダル踏力を検出し、該ペダル踏力に応じて電動モータによる補助動力を付与する電動アシスト自転車のトルク制御方法において、周期的に変動するペダル踏力をセンサで検出し、この検出トルク値が、踏力に応じた所定の変化率で変化するように演算加工し、該演算加工後の加工トルク値に基づいて前記電動力を付与することを特徴とする電動アシスト自転車のトルク制御方法を提供する。
【００１１】
この構成によれば、ペダル回転に同期して周期的に変動する波形を有する検出トルク値が、踏力に応じた所定の変化率で変化するように演算加工されるため、検出トルク波形の傾きがトルクに応じて変化し、トルク波形自体が変形されて加工トルク値が形成される。この変形したトルク波形の加工トルクに基づいて電動モータの駆動電流が算出されるため、検出トルクの上死点位置のトルクは変えずに下死点位置のトルクを高めることができる。これにより、検出トルク値の周期的変動を小さくして電動モータの駆動電流の変動を小さくし、駆動エネルギー効率を向上させ消費電力を低減することができる。また、エネルギー効率の改善に伴い、バッテリ消費量が低減し、バッテリ寿命が延びるとともに低電力で走行距離を長くすることができる。また、ペダル踏力がゼロ又は小さくなっても常に補助動力が付与されるため、走行中、安定した強い補助動力感を常に感じさせて、良好な乗車感覚が得られる。
【００１２】
好ましい構成例では、前記検出トルク値がピークから下がり始めた時点から所定の時間間隔で該検出トルク値に応じた所定の下げ幅だけ該検出トルクを連続的に演算加工して加工トルク値を算出し、前記検出トルク値が上がり始めて加工トルク値を越えた時点から次のピークまで演算加工を停止して検出トルク値の加工量をゼロにすることを特徴としている。
【００１３】
この構成によれば、周期的に変動する検出トルク値を演算加工する場合、検出トルク値の波形が上死点部分のピークから下がる状態で、時間に対する所定量の下げ幅、すなわち所定の傾きで検出トルク値を演算加工して検出トルク波形の各位置での傾きを変えて波形形状を高トルク側に変形させることができる。この高トルク側に変形した演算トルク値が徐々に低下するとともに、検出トルク値が下死点から上昇して演算トルク値を越えた時点で演算加工を停止して検出トルク値に基づいて、すなわち加工量をゼロにして電動モータの駆動電流を演算することにより、上死点部分では検出トルク値を変えずに下死点位置の検出トルク値を演算加工して高めることができる。
【００１４】
好ましい構成例では、車速に基づいて前記下げ幅を変えることを特徴としている。
【００１５】
この構成によれば、低速のときには下げ幅を小さくして高トルク側に維持し、高速のときには下げ幅を大きくして補助動力を小さくすることができ、登り坂やこぎ始めの低速状態で大きな補助動力を発生し、高速状態では補助動力を小さくして低トルク時での余分な補助エネルギー消費を抑えることができる。
【００１６】
好ましい構成例では、前記演算加工開始後、前記検出トルク値が加工トルク値を超えることなく所定時間が経過したら演算加工を停止することを特徴としている。
【００１７】
この構成によれば、ペダルをこぐことを途中で止めた場合に、実際のトルクはゼロになっているにもかかわらず、演算加工によりある加工トルク値の状態に維持され、したがって、電動モータからの補助動力が付与され続けるが、この状態を所定の短時間で停止することができる。このため、ペダルをこぐことを止めてトルクがゼロになったときに電動モータの補助動力を速やかに停止して通常の自転車走行状態にすることができる。これにより、補助動力によって停止に要するブレーキ力が増大することを防止し、適正なブレーキ力で車両を停止させることができ、安定して軽快な自転車走行をすることができる。
【００１８】
好ましい構成例では、前記下げ幅データを書き換え可能な不揮発性メモリに格納することを特徴としている。
【００１９】
この構成によれば、使用者の好みあるいは走行条件や使用条件等に応じて、加工トルク値を演算するための下げ幅データを変更できるため、使用者にとって最良のアシスト力が得られ、常に快適な乗車感覚で走行できる。
【００２０】
本発明ではさらに、上記本発明のトルク制御方法を実施するための電動アシスト自転車のトルク制御装置として、ペダル踏力を補助する電動モータと、ペダル踏力を検出するトルクセンサと、該トルクセンサの検出値に応じて前記電動モータを駆動するコントローラとを備えた電動アシスト自転車のトルク制御装置において、前記コントローラは、前記トルクセンサの検出値が踏力に応じた所定の変化率で変化するように演算加工するフィルタを備えたことを特徴とする電動アシスト自転車のトルク制御装置を提供する。
【００２１】
この構成によれば、トルクセンサの検出値に応じて電動モータを駆動制御するコントローラがフィルタを備え、このフィルタがトルクセンサの検出値を踏力に応じた所定の変化率で変化させるため、検出トルク波形の傾きがトルクに応じて変化し、トルク波形自体が変形されて加工トルク値が形成される。この変形したトルク波形の加工トルクに基づいて電動モータの駆動電流が算出されるため、検出トルクの上死点位置のトルクは変えずに下死点位置のトルクを高めることができる。これにより、検出トルク値の周期的変動を小さくして電動モータの駆動電流の変動を小さくし、駆動エネルギー効率を向上させ消費電力を低減することができる。また、エネルギー効率の改善に伴い、バッテリ消費量が低減し、バッテリ寿命が延びるとともに低電力で走行距離を長くすることができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明に係る電動アシスト自転車のトルク及びアシスト力の波形の説明図である。この例は、登り坂における走行状態を示すものである。
【００２３】
点線のグラフａは、トルクセンサにより検出したペダル踏力の検出トルク値を示す。実線のグラフｂは、本発明によるトルク制御方法で演算加工した加工トルク値に基づき電動モータを駆動して得たアシスト力を示す。破線のグラフｃは、従来のトルク制御方法による電動モータのアシスト力を示す。
【００２４】
図から分かるように、ペダル踏力の検出トルク（グラフａ）が下死点でゼロ又は非常に小さい値のとき、従来のアシスト力（グラフｃ）はほぼゼロであるのに対し、本発明によるアシスト力（グラフｂ）は、ゼロにならず常にアシスト力を付与している。
【００２５】
これにより、電動モータの駆動電流の変動を小さくし、駆動エネルギー効率を向上させ消費電力を低減することができる。また、このエネルギー効率の改善に伴い、バッテリ消費量が低減し、バッテリ寿命が延びるとともに低電力で走行距離を長くすることができる。また、ペダル踏力がゼロ又は小さくなっても常に補助動力が付与されるため、走行中、安定した強い補助動力感を常に感じさせて、良好な乗車感覚が得られる。
【００２６】
図２は、本発明に係る加工トルク値の説明図である。点線のグラフｄは、演算加工前の検出トルク値を示す。実線のグラフｅは、演算加工後の加工トルク値を示す。
【００２７】
検出トルク値（グラフｄ）は、ペダル踏力に同期して周期的に変動する。この検出トルク値について、上死点であるピーク部分の値が下がり始める時点から演算加工を開始する。演算方法の一例を示せば、以下の通りである。
【００２８】
所定時間に対する下げ量となる下げ幅を検出トルク値に対応して予め設定しておく。この下げ幅は波形が下降する傾きを表す。所定時間（ｍｓ）ごとにトルクセンサの検出出力（Ｖ）に応じた値の下げ幅だけ連続的に下降させる。例えば検出トルク値が大きい場合は下げ幅（下向きの傾き）を小さくし、検出トルク値が低下したらこの下げ幅を大きくするように２段階で下げ幅を変える。これは、例えば検出トルク値に対応したマップを予め作成しておいて、このマップにより演算処理する。これにより、検出トルク値から徐々に緩い傾きで下降する波形の加工トルク値（グラフｅ）が得られる。検出トルク値（グラフｄ）は、下死点を越えると上昇する。この検出トルク値が加工トルク値を超えた時点から演算加工を停止して（加工量をゼロにして）検出トルク値を加工トルク値とする。これにより、実線で示す加工トルク値（グラフｅ）が得られる。
【００２９】
このような加工トルク値に基づいて、加工トルクに対する所定のアシスト比となる駆動電流を演算して求め、この電流により電動モータを駆動して補助動力を得ることができる。この加工トルクは、ペダル踏力の下死点位置でトルク値が大きく増加されているため、下死点位置においても補助動力が得られる。
【００３０】
図３は、本発明の別の実施形態の加工トルクの説明図である。この例は、車速を考慮して演算加工を行うものである。グラフｆは、車速を示す。グラフｇは、検出トルク値を示す。グラフｈは、加工トルク値を示す。
【００３１】
図から分かるように、車速が大きいときには下げ幅を大きくして加工トルク値を小さくし、車速が小さいときには下げ幅を小さくして加工トルク値を大きくする。これにより、登り坂やこぎ始め等の低速状態で大きな補助動力を発生し、高速状態では補助動力を小さくして低トルク時での余分な補助エネルギー消費を抑えることができる。
【００３２】
図４は、本発明の実施形態に係る電動アシスト自転車のトルク制御装置のブロック構成図である。
【００３３】
このトルク制御装置は、ペダル踏力を検出するトルクセンサ１と、このトルクセンサ１の検出トルクに基づいてパルスモータからなる電動モータ２の駆動電流を算出してこれを駆動制御するためのコントローラ３と、コントローラ３からの駆動信号により電動モータ２を駆動するためのモータ駆動回路４と、モータ２の電流を検出するための電流検出回路（電流計）５と、モータ２の回転を検出するためのエンコーダ６とにより構成される。
【００３４】
コントローラ３は、例えばＣＰＵからなり、予め設定されたソフトプログラム又はハード回路によるモータ回転数計算手段７、車速計算手段８、トルクセンサ値加工手段９、トルク−電流計算手段１０、デューティ計算手段１１とを備える。
【００３５】
トルクセンサ１で検出された走行中のペダル踏力は、トルクセンサ値加工フィルタ９で検出トルク及び車速に基づいて演算加工される。車速は、コントローラ３内で、エンコーダ６からのパルス信号に基づいて、モータ回転数計算手段７及び車速計算手段８により演算され、加工フィルタ手段９に入力される。
【００３６】
加工された後の加工トルク値はトルク−電流計算手段１０に入力され、加工トルクに応じた電流指令値が算出される。この電流指令値に基づき、デューティ計算手段１１で駆動パルスのデューティ比が算出され、ＰＷＭ出力としてモータ駆動回路４に入力され、モータ２を駆動する。モータ２の駆動電流は電流検出回路５で検出されデューティ計算回路１１に戻されてフィードバック制御される。
【００３７】
図５（Ａ）〜（Ｅ）はそれぞれ、図４のＡ〜Ｅ部分の信号波形図である。図５の（Ｆ）及び（Ｇ）は図４のＦ，Ｇ部分の従来の信号波形参考図である。
【００３８】
（Ａ）は、実際のペダル踏力の波形である。ペダル踏力はペダル回転に同期して周期的に変動する。
【００３９】
（Ｂ）は、トルクセンサ１によるペダル踏力の検出トルク値の波形図である。これは、（Ａ）のペダル踏力に対応して周期的に大きく変動している。
【００４０】
（Ｃ）は、加工フィルタ手段９で演算加工した後の加工トルクの出力波形図である。なお、点線は加工前のトルク値であり、（Ｂ）の波形と同じである。加工により上死点のトルクは変わらずに下死点部分を含み全体が高トルク側に変形して変動幅が小さくなっている。
【００４１】
（Ｄ）は、モータ２の駆動電流波形図である。加工トルク値に対応して駆動電流の変動幅が（Ｆ）の従来例に比べ小さい。
【００４２】
（Ｅ）は、モータトルクの波形図である。（Ｄ）の電流波形に対応して低トルク側が高められ全体の変動幅が（Ｇ）の従来例に比べ小さくなっている。
【００４３】
図６は、本発明に係る検出トルク加工処理のフローチャートである。このルーチンは図４のコントローラ３のＣＰＵで所定時間（例えば数ｍｓ）ごとに繰り返される。各ステップの動作は以下の通りである。
【００４４】
ステップＳ１：
検出トルク電圧がピーク電圧かどうかを判別する。これは、ピークから下がるときの勾配を上方側に変えてトルク値を上げるように演算加工するためである。この判断は、例えばトルクセンサからの出力電圧データの波形を解析することにより判断することができる。ピーク状態であればステップＳ２に進み、ピーク状態でなければステップＳ３に進む。
【００４５】
ステップＳ２：
ピーク時のときに、そのピーク電圧を取得する。これは、上記ステップＳ２の判断とともにトルクセンサの出力電圧データから得られる。
【００４６】
ステップＳ３：
ピークから下がっている状態（所定ｍｓごとにこの加工処理ルーチンを繰り返している演算加工処理状態）で、今回の検出トルクが前回の加工トルクを越えたかどうかを判別する。検出トルクが加工トルクを越えた時点（図２のＫ点）で加工処理を停止しルーチンを抜ける。検出トルクが加工トルク未満の場合又はピーク後の最初の加工ルーチンの場合はステップＳ４に進む。
【００４７】
ステップＳ４：
加工開始から一定時間経過したかどうかを判別する。一定時間経過したら加工処理を停止してルーチンを抜ける。一定時間以内のときに加工処理を行う。この一定の停止時間は不揮発性メモリ１２に格納されている。これは、ペダルをこぐことを途中で止めた場合に、実際のトルクはゼロになっているにもかかわらず、演算加工によりある加工トルク値の状態に維持され、したがって、電動モータからの補助動力が付与され続けるが、この状態を所定の短時間で停止するためである。これにより、ペダルをこぐことを止めてトルクがゼロになったときに電動モータの補助動力を速やかに停止して通常の自転車走行状態にすることができる。これにより、補助動力によって停止に要するブレーキ力が増大することを防止し、適正なブレーキ力で車両を停止させることができ、安定して軽快な自転車走行をすることができる。
【００４８】
ステップＳ５：
現在の検出トルク値から下げ幅を算出する。この場合、検出トルク値と下げ幅の関数式は、予め１次元マップとして不揮発性メモリ１２に格納しておく。現在のトルクセンサ値は、トルクセンサからの出力データが書き込まれたＲＡＭ１３から読み出す。不揮発性メモリ１２及びＲＡＭ１３は、図４のコントローラ３内の加工フィルタ手段９内に備えておくことができる。
【００４９】
ステップＳ６：
検出トルクセンサ値をステップＳ５のマップにしたがって、演算加工する。これは、図４の加工フィルタ手段９により行う。
【００５０】
ステップＳ７：
図４の加工フィルタ手段９によりさらに、現在の車速に基づいて下げ幅を算出する。車速と下げ幅の関係式は、例えば、上記ステップＳ６で算出した検出トルクに基づいて加工した後のトルク値と加工前の検出トルク値との割合を定めたマップとする。これにより、車速に応じて加工量を調整することができる。マップは不揮発性メモリ１２から読み出し、現在の車速はＲＡＭ１３から読み出す。
【００５１】
ステップＳ８：
上記ステップＳ７のマップに基づいて演算加工を行い、ステップＳ６で加工した検出トルク値をさらに加工して加工トルク値を作成する。
【００５２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明では、ペダル回転に同期して周期的に変動する波形を有する検出トルク値が、踏力に応じた所定の変化率で変化するように演算加工されるため、検出トルク波形の傾きがトルクに応じて変化し、トルク波形自体が変形されて加工トルク値が形成される。この変形したトルク波形の加工トルクに基づいて電動モータの駆動電流が算出されるため、検出トルクの上死点位置のトルクは変えずに下死点位置のトルクを高めることができる。これにより、検出トルク値の周期的変動を小さくして電動モータの駆動電流の変動を小さくし、駆動エネルギー効率を向上させ消費電力を低減することができる。また、エネルギー効率の改善に伴い、バッテリ消費量が低減し、バッテリ寿命が延びるとともに低電力で走行距離を長くすることができる。また、ペダル踏力がゼロ又は小さくなっても常に補助動力が付与されるため、走行中、安定した強い補助動力感を常に感じさせて、良好な乗車感覚が得られる。
【００５３】
また、前記検出トルク値がピークから下がり始めた時点から所定の時間間隔で該検出トルク値に応じた所定の下げ幅だけ該検出トルクを連続的に演算加工して加工トルク値を算出し、前記検出トルク値が上がり始めて加工トルク値を越えた時点から次のピークまで演算加工を停止して検出トルク値の加工量をゼロにする構成によれば、周期的に変動する検出トルク値を演算加工する場合、検出トルク値の波形が上死点部分のピークから下がる状態で、時間に対する所定量の下げ幅、すなわち所定の傾きで検出トルク値を演算加工して検出トルク波形の各位置での傾きを変えて波形形状を高トルク側に変形させることができる。この高トルク側に変形した演算トルク値が徐々に低下するとともに、検出トルク値が下死点から上昇して演算トルク値を超えた時点で演算加工を停止して検出トルク値に基づいて、すなわち加工量をゼロにして電動モータの駆動電流を演算することにより、上死点部分では検出トルク値を変えずに下死点位置の検出トルク値を演算加工して高めることができる。
【００５４】
また、車速に基づいて前記下げ幅を変える構成によれば、低速のときには下げ幅を小さくして高トルク側に維持し、高速のときには下げ幅を大きくして補助動力を小さくすることができ、登り坂やこぎ始めの低速状態で大きな補助動力を発生し、高速状態では補助動力を小さくして低トルク時での余分な補助エネルギー消費を抑えることができる。
【００５５】
また、前記演算加工開始後、前記検出トルク値が加工トルク値を超えることなく所定時間が経過したら演算加工を停止する構成によれば、ペダルをこぐことを途中で止めた場合に、実際のトルクはゼロになっているにもかかわらず、演算加工によりある加工トルク値の状態に維持され、したがって、電動モータからの補助動力が付与され続けるが、この状態を所定の短時間で停止することができる。このため、ペダルをこぐことを止めてトルクがゼロになったときに電動モータの補助動力を速やかに停止して通常の自転車走行状態にすることができる。これにより、補助動力によって停止に要するブレーキ力が増大することを防止し、適正なブレーキ力で車両を停止させることができ、安定して軽快な自転車走行をすることができる。
【００５６】
また、前記下げ幅データを書き換え可能な不揮発性メモリに格納する構成によれば、使用者の好みあるいは走行条件や使用条件等に応じて、加工トルク値を演算するための下げ幅データを変更できるため、使用者にとって最良のアシスト力が得られ、常に快適な乗車感覚で走行できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る電動アシスト自転車のトルク及びアシスト力の波形の説明図。
【図２】本発明に係る加工トルク値の説明図。
【図３】本発明の別の実施形態の加工トルクの説明図。
【図４】本発明の実施形態に係る電動アシスト自転車のトルク制御装置のブロック構成図。
【図５】図４のＡ〜Ｅ部分の信号波形図。
【図６】本発明に係る検出トルク加工処理のフローチャート。
【符号の説明】
１：トルクセンサ、２：電動モータ２、３：コントローラ、
４：モータ駆動回路、５：電流検出回路（電流計）、６：エンコーダ６、
７：モータ回転数計算手段、８：車速計算手段、
９：トルクセンサ値加工手段、１０：トルク−電流計算手段１０、
１１：デューティ計算手段。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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