(57)【要約】 【課題】助力走行自転車の速度に拘わらずモータの駆動及び回生制御系を制御可能状態ににして、あらゆる状況下でバッテリ寿命、安全性及び乗り味を確保すること。【解決手段】３相ブラシレス同期モータ８から発生される速度起電圧がバッテリ１０のバッテリ電圧以下になるように、３相ブラシレス同期モータ８を進角で制御するため、３相ブラシレス同期モータ８を駆動及び回生制御するアプリケーションレイヤ２００、コントロールレイヤ４００、デバイスレイヤが制御不能に陥ることがない、前記モータ８を助力機能付自転車の助力駆動源にした場合、自転車の速度に拘わらず、常時、制御系が制御可能状態になっているため、バッテリ１０をモータ８の速度起電圧により充電する共に電気ブレーキを掛けることができ、バッテリ寿命、安全性及び乗り味を確保することができる。【選択図】図１
2005218282.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電流指令値生成手段により生成される指令情報に応じた電流を２次電池から電動機に供給したり或いは、前記電動機から発生される速度起電圧により２次電池を充電するための電流を前記電動機側から前記２次電池に供給する制御を行う電動機駆動回生制御装置であって、
前記電動機の速度起電圧が前記２次電池の電圧以下になるように前記電動機を進角制御する進角制御手段を具備し、
前記進角制御手段は、θｄｑを進角制御時の前記電動機の進角とし、Ｅｖを前記電動機の速度起電圧とし、Ｅｂａｔを前記２次電池電圧とし、Ｅｂａｔｆ（Ｅｂａｔｆ＜Ｅｂａｔ）を進角制御開始電圧としたとき、Ｅｂａｔｆ＜Ｅｖ＜Ｅｂａｔの範囲で、θｄｑ＝Ｆ（Ｅｖ−Ｅｂａｔ）の関数関係で規定されるθｄｑで前記電動機を回転させる前記指令情報を、前記電流指令値生成手段により生成させることを特徴とする電動機駆動回生制御装置。
【請求項２】
ＥｂａｔｆをＥｂａｔより小さい進角制御開始電圧とし、θｄｑｍａｘを進角最大値としたとき、前記進角制御手段は、Ｅｂａｔｆ＜Ｅｖ＜Ｅｂａｔの範囲で前記Ｆ（Ｅｖ−Ｅｂａｔ）として、助力走行時にはＦ（Ｅｖ−Ｅｂａｔ）＝−θｄｑｍａｘ−（Ｅｖ−Ｅｂａｔ）×θｄｑｍａｘ／（Ｅｂａｔ−Ｅｂａｔｆ）を用い、回生走行時にはＦ（Ｅｖ−Ｅｂａｔ）＝−π＋θｄｑｍａｘ＋（Ｅｖ−Ｅｂａｔ）×θｄｑｍａｘ／（Ｅｂａｔ−Ｅｂａｔｆ）を用いることを特徴とする請求項１記載の電動機駆動回生制御装置。
【請求項３】
前記電流指令値生成手段は、前記指令情報としてｄｑ座標系のｄ軸電流Ｉｄｒｅｆとｑ軸電流Ｉｑｒｅｆの電流指令値を生成し、その際、Ｉｍを前記電動機電流としたとき、Ｉｄｒｅｆ＝｜Ｉｍ｜・Ｓｉｎ（θｄｑ）とＩｑｒｅｆ＝｜Ｉｍ｜・Ｃｏｓ（θｄｑ）の演算を行って前記電流指令値を生成することを特徴とする請求項１記載の電動機駆動回生制御装置。
【請求項４】
Ｅｖを前記電動機の速度起電圧、Ｉｍを前記電動機電流、前記電動機の抵抗値をＲｍ、前記２次電池の抵抗値をＲｂａｔとしたとき、前記電流指令値生成手段は、Ｉｍ＜０の範囲でＩｍ＝Ｅｖ／２（Ｒｍ＋Ｒｂａｔ）とするような指令情報を生成することを特徴とする請求項１記載の電動機駆動回生制御装置。
【請求項５】
前記Ｉｍが前記２次電池の充電電流限界値ＯＣ（＜０）になると、前記電流指令値生成手段はＩｍ＝ＯＣとする指令情報を生成することを特徴とする請求項４記載の電動機駆動回生制御装置。
【請求項６】
電流指令値生成手段により生成される指令情報に応じた電流を２次電池から電動機に供給したり或いは、前記電動機から発生される速度起電圧により２次電池を充電するための電流を前記電動機側から前記２次電池に供給する回生制御を行う電動機駆動回生制御装置であって、
前記電動機から発生される速度起電圧が前記２次電池の電圧以下になるように前記電動機を進角制御する進角制御手段を具備し、
前記進角制御手段は、θｄｑを進角とし、Ｅｖを前記電動機の速度起電圧とし、Ｅｂａｔを前記２次電池電圧とし、ＥｂａｔｆをＥｂａｔより小さい進角制御開始電圧としたとき、進角をθｄｑ＝Ｇ（Ｅｂａｔｆ−Ｅｖ）の関数関係で規定し、Ｅｖ＞Ｅｂａｔｆとなった時、（Ｅｂａｔｆ−Ｅｖ）をゼロに円滑に収束させるθｄｑで前記電動機を回転させる指令情報を前記指令値生成手段により生成させることを特徴とする電動機駆動回生制御装置。
【請求項７】
前記進角制御手段は、Ｋｐ、Ｋｉを前記電動機の制御及び回生制御における各々比例及び積分制御係数、Ｋｍを比例積分コントローラの直列ゲインとしたとき、Ｇ（Ｅｂａｔｆ−Ｅｖ）＝｛Ｋｐ＊（Ｅｂａｔｆ−Ｅｖ）＋Ｋｉ×・（Ｅｂａｔｆ−Ｅｖ）｝×Ｋｍを用いることを特徴とする請求項６記載の電動機駆動回生制御装置。
【請求項８】
前記電動機は助力機能付自転車の人力補助動力源であることを特徴とする請求項１または６記載の電動機駆動回生制御装置。
【請求項９】
前記電動機は３相ブラシレス同期モータであることを特徴とする請求項１または６記載の電動機駆動回生制御装置。
【請求項１０】
指令情報に応じた電流を２次電池から電動機に供給したり或いは、前記電動機から発生される速度起電圧により２次電池を充電するための電流を前記電動機側から前記２次電池に供給する回生制御を行う電動機駆動回生制御方法であって、
前記電動機から発生される速度起電圧が前記２次電池電圧以下になるように前記電動機を進角制御し、この進角制御時の前記電動機の進角を前記電動機の速度起電圧と前記２次電池電圧の差を変数とした関数関係で規定し、この規定された進角で前記電動機を回転させる前記指令情報を生成することを特徴とする電動機駆動回生制御方法。
【請求項１１】
前記進角制御時に、θｄｑを進角制御時の前記電動機の進角とし、Ｅｖを前記電動機の速度起電圧とし、Ｅｂａｔを前記２次電池電圧とし、Ｅｂａｔｆ（Ｅｂａｔｆ＜Ｅｂａｔ）を進角制御開始電圧としたとき、Ｅｂａｔｆ＜Ｅｖ＜Ｅｂａｔの範囲で、θｄｑ＝Ｆ（Ｅｖ−Ｅｂａｔ）の関数関係で規定されるθｄｑで前記電動機を回転させる前記指令情報を生成することを特徴とする請求項１０記載の電動機駆動回生制御方法。
【請求項１２】
前記２次電池に充電される電力が最大になるような電流が前記電動機から前記２次電池側に流れるような前記指令情報を生成することを特徴とする請求項１０記載の電動機駆動回生制御方法。
【請求項１３】
前記２次電池電圧より低い進角制御開始電圧を設定し、前記電動機の速度起電圧が前記進角制御開始電圧を超えると、前記進角制御開始電圧と前記速度起電圧との差がゼロに円滑に収束するような進角で前記電動機を回転させる前記指令情報を生成することを特徴とする請求項１０または１１記載の電動機駆動回生制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２次電池を電源として電動機により助力走行する助力機能付自転車に係り、特に電動機が回転している時に発生する逆起電力で２次電池（バッテリ）を充電すると共に、電気ブレーキを掛ける電動機駆動回生制御装置及び電動機駆動回生制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、人力による駆動系を電動機（以降モータと称する）による駆動系で補助して走行する助力機能付自転車が開発されている。このような助力機能付自転車では必ずしも１充電あたりの助力走行距離が充分ではなく、頻繁に充電しなければならないし、所定以上の走行距離を超えると助力は期待できなくなる。
【０００３】
そこで、モータが回転している時に発生する起電力で搭載しているバッテリを充電することにより、運動エネルギーを電気エネルギーとしてバッテリに戻して再利用する回生制御が実施され、この回生制御を用いるとモータにより自転車に電気ブレーキを掛けることもできるため、バッテリの寿命、乗り味向上、安全性、環境問題の面からも重要な技術である。
【０００４】
助力機能付自転車が例えば下り坂を下っている場合、乗り手は安全を考慮してブレーキを操作して所望の速度で走行する。この時、必要なブレーキ制動力全ては電気ブレーキだけで充分な場合もあるし、さらなるブレーキ力の必要性から機械ブレーキを併用する場合も有り得る。これは乗り手が自転車の速度Ｖｂを感じながら必要に応じ適宜両ブレーキを巧みに操作して速度制御することになるからである。
【０００５】
この意味で助力機能付自転車（以降、単に自転車と称することもある）は乗り手（人間）を含んだ閉ループ系を構成する。従って、この自転車の速度Ｖｂは乗り手の好みにより以下の２通りの場合が想定される。（１）自転車速度Ｖｂが、バッテリ電圧Ｅｂａｔをモータ速度起電圧が超える速度（Ｅｂａｔ／Ｋｖ）より小さい場合と、（２）自転車速度Ｖｂが、モータ速度起電圧がバッテリ電圧Ｅｂａｔとなる速度（Ｅｂａｔ／Ｋｖ）より大きい場合には乗り手が希望した速度Ｖｂが比較的大きくなり、モータに発生する速度起電圧Ｅｖがバッテリ電圧Ｅｂａｔ以上になる。但し、Ｋｖは速度起電圧係数である。
【０００６】
自転車速度Ｖｂが（１）の条件を満たしている領域では、モータの駆動及び回生制御系は動作可能状態で、ブレーキ制動力は乗り手が速度を判断しながら電気ブレーキと機械ブレーキを併用して制御することができ、その際、例えば後述する実施の形態で述べる回生貪欲アルゴリズムを作動させて任意の自転車速度Ｖｂにてバッテリ上限電流以下を確保しつつ最大回生充電電力によりバッテリを充電することができる助力走行自転車を提供することができる。
【０００７】
しかし、（１）の条件からはずれて（２）の条件領域にはいると、モータに発生する速度起電圧Ｅｖがバッテリ電圧Ｅｂａｔ以上になるため、モータの駆動及び回生制御システムが制御不能状態に陥り、回生充電が不可能となる。従って、このままだとブレーキ制動は全て機械ブレーキに頼ることとなり、自転車の運動エネルギーは全て機械ブレーキで消費され熱・音に変わってしまい、回生充電電力の回収がゼロとなる。
【０００８】
そこで、上記した（２）の条件領域では、回生充電電力出力を最大限に回収する方法として、バッテリとモータ間の電力供給ラインをハード的に切り離す。これにより、モータ速度起電圧出力をＤＣ／ＤＣコンバータを介してバッテリに供給する系を形成し、ＤＣ／ＤＣコンバータにより充電電圧を適当に制御することで、運動エネルギーを電気エネルギーに回生充電する方法が採られることも多い（例えば特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２０００−１１８４７７号公報  （第３−６頁、第１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし上記方法を用いるには重量・体積共に大きいＤＣ／ＤＣコンバータが別途必要となり、実装上もコスト面からも、また電力回収率の面からも助力機能付自転車には不向きである。また、自転車走行中でのバッテリとモータ間の電力供給ラインを切り離した後、（２）に示した状況が収まって、バッテリとモータのラインを再接続した場合、この再接続に伴う過渡応答衝撃は乗り味や安全上も好ましくなく、また、乗り手に不快感を与える恐れもあった。
【００１０】
本発明は前記事情に鑑み案出されたものであって、本発明の目的は、助力走行自転車の速度に拘わらずモータの駆動及び回生制御系を制御可能状態に常に維持することができ、あらゆる状況下でバッテリ寿命、安全性及び乗り味を確保することができる電動機駆動回生制御装置及び電動機駆動回生制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は上記目的を達成するため、電流指令値生成手段により生成される指令情報に応じた電流を２次電池から電動機に供給したり或いは、前記電動機から発生される速度起電圧により２次電池を充電するための電流を前記電動機側から前記２次電池に供給する制御を行う電動機駆動回生制御装置であって、前記電動機の速度起電圧が前記２次電池の電圧以下になるように前記電動機を進角制御する進角制御手段を具備し、前記進角制御手段は、θｄｑを進角制御時の前記電動機の進角とし、Ｅｖを前記電動機の速度起電圧とし、Ｅｂａｔを前記２次電池電圧としたとき、θｄｑ＝Ｆ（Ｅｖ−Ｅｂａｔ）の関数関係で規定されるθｄｑで前記電動機を回転させる前記指令情報を、前記電流指令値生成手段により生成させることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明は、ＥｂａｔｆをＥｂａｔより小さい進角制御開始電圧とし、θｄｑｍａｘを進角最大値としたとき、前記進角制御手段は、Ｅｂａｔｆ＜Ｅｖ＜Ｅｂａｔの範囲で前記Ｆ（Ｅｖ−Ｅｂａｔ）として、助力走行時にはＦ（Ｅｖ−Ｅｂａｔ）＝−θｄｑｍａｘ−（Ｅｖ−Ｅｂａｔ）×θｄｑｍａｘ／（Ｅｂａｔ−Ｅｂａｔｆ）を用い、回生走行時にはＦ（Ｅｖ−Ｅｂａｔ）＝−π＋θｄｑｍａｘ＋（Ｅｖ−Ｅｂａｔ）×θｄｑｍａｘ／（Ｅｂａｔ−Ｅｂａｔｆ）を用いることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明は、Ｅｖを前記電動機の速度起電圧、Ｉｍを前記電動機電流、前記電動機の抵抗値をＲｍ、前記２次電池の抵抗値をＲｂａｔとしたとき、前記電流指令値生成手段は、Ｉｍ＜０の範囲で、Ｉｍ＝Ｅｖ／｛２（Ｒｍ＋Ｒｂａｔ）｝とするような回生電流指令情報を生成することを特徴とする。
【００１４】
また、本発明は、電流指令値生成手段により生成される指令情報に応じた電流を２次電池から電動機に供給したり或いは、前記電動機から発生される速度起電圧により２次電池を充電するための電流を前記電動機側から前記２次電池に供給する回生制御を行う電動機駆動回生制御装置であって、前記電動機から発生される速度起電圧が前記２次電池の電圧以下になるように前記電動機を進角制御する進角制御手段を具備し、前記進角制御手段は、θｄｑを進角制御時の前記電動機の進角とし、Ｅｖを前記電動機の速度起電圧とし、Ｅｂａｔを前記２次電池電圧とし、Ｅｂａｔｆ（Ｅｂａｔｆ＜Ｅｂａｔ）を進角制御開始電圧としたとき、Ｅｂａｔｆ＜Ｅｖ＜Ｅｂａｔの範囲で、θｄｑ＝Ｆ（Ｅｖ−Ｅｂａｔ）の関数関係で規定されるθｄｑで前記電動機を回転させる前記指令情報を、前記電流指令値生成手段により生成させることを特徴とする。
【００１５】
また、本発明は、指令情報に応じた電流を２次電池から電動機に供給したり或いは、前記電動機から発生される速度起電圧により２次電池を充電するための電流を前記電動機側から前記２次電池に供給する回生制御を行う電動機駆動回生制御方法であって、前記電動機から発生される速度起電圧が前記２次電池電圧以下になるように前記電動機を進角制御し、この進角制御時の前記電動機の進角を前記電動機の速度起電圧と前記２次電池電圧の差を変数とした関数関係で規定し、この規定された進角で前記電動機を回転させる前記指令情報を生成することを特徴とする。
【００１６】
このように本発明では、電動機（現実的には３相ブラシレス同期モータ）から発生される速度起電圧が前記２次電池の電圧以下になるように、電動機（以降、モータと称する）を進角で制御するため、このモータを駆動回生制御する制御系が制御不能に陥ることがない、これにより、例えば前記モータを助力機能付自転車の助力駆動源にした場合、自転車の速度がどんなに大きくなっても制御系が制御可能状態になっているため、回生充電制御により搭載の２次電池（バッテリ）をモータの速度起電圧により充電する共に電気ブレーキを掛けることができ、バッテリ寿命、安全性及び乗り味を確保することができる。特に本発明では、進角制御する際の進角θｄｑをθｄｑ＝Ｆ（Ｅｖ−Ｅｂａｔ）の関数関係で規定し、Ｆ（Ｅｖ−Ｅｂａｔ）を例えば後述する式（５）、（６）に従うθｄｑの範囲で、助力走行時にはＦ（Ｅｖ−Ｅｂａｔ）＝−θｄｑｍａｘ−（Ｅｖ−Ｅｂａｔ）×θｄｑｍａｘ／（Ｅｂａｔ−Ｅｂａｔｆ）を、又回生走行時にはＦ（Ｅｖ−Ｅｂａｔ）＝−π＋θｄｑｍａｘ＋（Ｅｖ−Ｅｂａｔ）×θｄｑｍａｘ／（Ｅｂａｔ−Ｅｂａｔｆ）で示すことにより、進角制御を実現するための指令電流との関係（Ｉｄｒｅｆ＝｜Ｉｍ｜・Ｓｉｎ  （θｄｑ）とＩｑｒｅｆ＝｜Ｉｍ｜・Ｃｏｓ（θｄｑ））を明確にして、この指令電流により前記モータ駆動回生制御系を安定に進角制御できるようにしている。
【００１７】
また、回生充電制御時の２次電池への充電電力は前記モータ電流、即ち２次電池への充電電流の２次関数となるため、充電電力を最大とするモータ回生電流（Ｉｍ＝Ｅｖ／｛２（Ｒｍ＋Ｒｂａｔ）｝）が生じるように回生制御することにより、２次電池への充電電力の最大化を図ることができ、充電効率を向上させることができる。
【００１８】
さらに、進角制御と進角制御無しの通常制御との切替を、進角θｄｑをθｄｑ＝Ｇ（Ｅｂａｔｆ−Ｅｖ）の関数関係で規定し、Ｅｖ＞Ｅｂａｔｆとなった時、（Ｅｂａｔｆ−Ｅｖ）をゼロに円滑に収束させるθｄｑで前記モータを回転させる指令情報を前記指令値生成手段により生成させることによってＯＲＰ（Over Run Protect）制御により行い、円滑で連続的な切替を行うことができ、助力自転車の乗り味や安全性を向上させている。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、前記電動機（例えば３相ブラシレス同期モータ）から発生される速度起電圧が前記２次電池の電圧以下になるように、電動機（以下、モータと称する）を進角で制御することにより、助力走行自転車の速度に拘わらずモータの駆動回生制御系を制御可能状態に常に維持することができ、あらゆる状況下でバッテリ寿命、安全性及び乗り味を確保することができる。
また、回生充電制御時の２次電池への充電電力を最大化するようなモータ電流を得るような回生制御をすることにより、２次電池への充電電力の最大化を図ることができ、充電効率を向上させることができる。
更に、進角制御と進角制御無しの通常制御との切替をＯＲＰ制御により行い、円滑で連続的な切替を行うことができ、助力自転車の乗り味や安全性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
助力走行自転車の速度に拘わらずモータの駆動及び回生制御系を制御可能状態に常に維持することができ、あらゆる状況下でバッテリ寿命、安全性及び乗り味を確保する目的を、電動機から発生される速度起電圧が前記２次電池の電圧以下になるように、電動機を進角で制御することによって実現した。
【実施例１】
【００２１】
図１は、本発明の一実施の形態に係る電動機駆動回生制御装置の構成を示したブロック図である。モータ駆動及び回生制御系は、例えばＤＳＰ（Digital Signal Processor）上に構築されるアプリケーションレイヤ２００、コントロールレイヤ４００、デバイスレイヤ６００のソフトウエアと、ハードウェア８００からなっている。なお、この電動機駆動回生制御装置は助力機能付自転車に搭載されることを前提としてある。
【００２２】
アプリケーションレイヤ２００は、後述する３相ブラシレス同期モータ８のトルクをｄ・ｑ座標系のｄ軸、ｑ軸電流値（Ｉｄｒｅｆ，Ｉｑｒｅｆ）で指令するトルク指令値生成部１を有している。
【００２３】
コントロールレイヤ４００は、トルク指令値生成部１から入力されるｄ軸のトルク指令値電流と３相ブラシレス同期モータ８に実際に流れている電流のｄ軸電流Ｉｄとの差分を取り、この差分がゼロになるようなｄ軸の電圧Ｖｄを生成するｄ軸系のＰＩ（比例積分）コントローラ２ｄと、トルク指令値生成部１から入力されるｑ軸のトルク指令値電流と３相ブラシレス同期モータ８に実際に流れている電流のｑ軸電流Ｉｑとの差分を取り、この差分がゼロになるようなｑ軸の電圧Ｖｑを生成するｑ軸系のＰＩコントローラ２ｑと、これらのコントローラから入力される電圧Ｖｄ、電圧Ｖｑより３相ブラシレス同期モータ８の３相交流座標系におけるＵ，Ｖ，Ｗ相の界磁巻線に流す電圧波形情報Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗを生成する３相対称正弦波変換部３と、３相ブラシレス同期モータ８に実際に流れている電流をｄｑ変換してｄ軸変換電流Ｉｄとｑ軸変換電流Ｉｑを生成するｄｑ変換部４を有している。
【００２４】
デバイスレイヤ６００は、３相対称正弦波変換部３から入力されるＶｕ，Ｖｖ，Ｖｗ、より、ＰＷＭインバータ９をＰＷＭ制御するための制御信号Ｖｐｗｍｕ，Ｖｐｗｍｖ，Ｖｐｗｍｗを生成するＰＷＭ発生部５と、３相ブラシレス同期モータ８に流れるＵ相、Ｖ相の電流をデジタル電流に変換してＩｕ，Ｉｖを出力するＡ／Ｄコンバータ６と、３相ブラシレス同期モータ８を同期させるための正弦波を生成するエンコーダ処理部７を有している。
【００２５】
ハードウェア８００は、自転車の車輪（図示せず）を駆動する３相ブラシレス同期モータ（以降、単にモータと称することもある）８と、この３相ブラシレス同期モータ８に駆動用の３相交流電流を供給すると共に、３相ブラシレス同期モータ８より発生する速度起電圧（逆起電圧）をバッテリ１０側に回生する制御を行うＰＷＭインバータ９、３相ブラシレス同期モータ８の電源であるバッテリ１０を有している。
【００２６】
次に本実施の形態の動作について説明する。アプリケーションレイヤ２００は、ベクター制御を行うための最上位レイヤで、目的に応じて３相ブラシレス同期モータ８に発生して欲しいトルク（電流）指令（Ｉｄｒｅｆ，Ｉｑｒｅｆ）を生成して下位のコントロールレイヤ４００に送出する。コントロールレイヤ４００はベクター制御の心臓部となっている。デバイスレイヤ６００は、３相ブラシレス同期モータ８、ＰＷＭインバータ９、バッテリ１０及び各種センサなどからなるハードウェア８００と上記レイヤ２００、４００、６００のソフト処理との接点となる機能を有する。
【００２７】
まず、後述する進角制御を行わない場合の通常制御における上記助力機能付自転車のモータ駆動及び回生制御系の動作について説明する。助力機能付自転車において、３相ブラシレス同期モータ８の駆動力は人力による自転車の駆動力を補助するものであるから、人力による駆動力の変化に追従して３相ブラシレス同期モータ８の駆動力を変化させる。
【００２８】
そのため、トルク指令値生成部１は人力による自転車の駆動力に対して常に最適な３相ブラシレス同期モータ８による駆動力を得るためのトルク指令値を生成する。このトルク指令値としてｄ，ｑ座標系のｄ軸電流値Ｉｄｒｅｆとｑ軸電流値ＩｑｒｅｆをＰＩコントローラ２ｄとＰＩコントローラ２ｑに出力する。なお、この時、進角制御をしていないため、ｄ軸電流値Ｉｄｒｅｆは常に０で、ｑ軸電流値Ｉｑｒｅｆがトルク指令値に応じた値になり制御が適切に行われておればこの値はモータ電流Ｉｍと一致する。
【００２９】
ＰＩコントローラ２ｄは、３相ブラシレス同期モータ８に実際に供給されているｄ軸電流Ｉｄとの差分を取り、この差分がゼロになるような、即ち３相ブラシレス同期モータ８が指令されたトルクを発生するようなｄ軸電圧Ｖｄを生成し、これを３相対称正弦波変換部３に出力する。同様にＰＩコントローラ２ｑは、３相ブラシレス同期モータ８に実際に供給されているｑ軸電流Ｉｑとの差分を取り、この差分がゼロになるような、即ち３相ブラシレス同期モータ８が指令されたトルクを発生するようなｑ軸電圧Ｖｑを生成し、これを同３相対称正弦波変換部３に出力する。
【００３０】
３相対称正弦波変換部３は、入力されるｄ軸電圧Ｖｄ，ｑ軸電圧Ｖｑを３相交流座標系のＵ，Ｖ，Ｗ相電圧にエンコーダ処理部７から入力される正弦波を用いて座標変換し、３相正弦波電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗを得る。これら３相正弦波電圧Ｖｕ，Ｖｖ，ＶｗをＰＷＭ発生部５に出力する。
【００３１】
ＰＷＭ発生部５は入力される制御用の３相正弦波電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗに対応する３相交流電流がＰＷＭインバータ９から３相ブラシレス同期モータ８に出力されるようにＰＷＭインバータ９を構成するスイッチ素子を制御するＰＷＭ制御信号Ｖｐｗｍｕ，Ｖｐｗｍｖ，Ｖｐｗｍｗ生成し、これらＰＷＭ制御信号をＰＷインバータ９に出力する。これによりＰＷＭインバータ９はバッテリ１０から供給されるＤＣ電流を上記スイッチ素子でスイッチングして３相交流電流に変換して３相ブラシレス同期モータ８に供給し、このモータを回転させる。
【００３２】
この時、ＰＷＭインバータ９から３相ブラシレス同期モータ８に供給されるＵ，Ｖ相の相電流の大きさを示す検出信号がＡ／Ｄコンバータ６に入力され、デジタル検出信号Ｉｕ，Ｉｖに変換されて、ｄｑ変換部４に出力される。ｄｑ変換部４は入力されるＵ，Ｖ相の検出電流からＷ相の検出電流を生成し、このＵ，Ｖ，Ｗ相の検出電流をｄｑ座標に変換してｄ軸電流Ｉｄ，ｑ軸電流Ｉｑを得る。これらｄ軸電流Ｉｄ，ｑ軸電流Ｉｑは３相ブラシレス同期モータ８に実際に流れている電流で、上記したｄ軸のＰＩコントローラ２ｄとｑ軸のＰＩコントローラ２ｑに入力され、上記したようにトルク指令値電流との差分が取られる。
【００３３】
したがって、ｄ軸，ｑ軸のＰＩコントローラ２ｄ，２ｑ、３相対称正弦波変換部３、ＰＷＭ発生部５、ＰＷＭインバータ９、Ａ／Ｄコンバータ６、ｄｑ変換部４、ＰＩコントローラ２ｄ，２ｑからなるフィードバックループにより、トルク指令値生成部１から出力されるトルク指令値により示されたトルクで３相ブラシレス同期モータ８が回転するような３相交流電流が、ＰＷＭインバータ９から３相ブラシレス同期モータ８に供給される。
【００３４】
また、３相ブラシレス同期モータ８にはエンコーダ（図示せず）が取り付けてあり、エンコーダによりモータの磁極位置（電気角）が検出され、エンコーダ処理部７に入力される。このエンコーダ処理部７はモータの磁極位置に基づいて３相交流座標変換及びｄｑ座標変換する際に必要な正弦波を生成して、３相対称正弦波変換部３及びｄｑ変換部４に出力する。これにより、３相対称正弦波変換部３で生成される３相正弦波電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗは、３相ブラシレス同期モータ８の回転と同期がとれたものになり、これにより、３相ブラシレス同期モータ８は固定子に発生する回転磁界の回転速度に対して、回転子が同期した速度で回転する。
【００３５】
ところで、電気ブレーキを掛けるような場合、トルク指令値生成部１から出力されるトルク指令値電流Ｉｑｒｅｆをマイナスにすると、上記したフィードバックループが回生制御系として働き、３相ブラシレス同期モータ８が回転することによって発生する速度起電圧に起因するモータ電流がＰＷＭインバータ９を介してバッテリ１０側に流れ、バッテリ１０を回生充電する制御が行われる。
【００３６】
この回生充電制御においては充電電力回収最大化を図ることが、自転車の運動エネルギーを電気エネルギーとして回収する効率を高めることになる。そこで、以下に、この充電電力回収最大化を実現するための回生貪欲アルゴリズムについて説明する。
【００３７】
まず、回生貪欲アルゴリズムを説明するために用いる各記号が表している物理量を説明する。Ｅｂａｔ［Ｖ］はバッテリ１０のバッテリ電圧（正値）を、Ｉｂａｔ［Ａ］はバッテリ電流を表し、流出時は正値、流入時は負値で示す。Ｒｂａｔ［Ω］はバッテリ内部抵抗を、Ｅｖ［Ｖ］はモータ速度起電圧を表し、逆起電圧であるからここでは負値で示す。Ｉｍ［Ａ］はモータ電流を表し、モータにトルクを発生されて自転車の走行を補助している場合は正値で示し、モータから充電電流を引き出す回生方向の場合は負値で示す。抵抗Ｒｍ［Ω］はモータのＤＣ抵抗を示している。Ｗｂａｔ［ｗ］＝Ｅｂａｔ×Ｉｂａt はバッテリ電力を表し、補助時はＩｂａｔ＞０であるから正値、回生時はＩｂａｔ＜０であるから負値で示され、Ｗｖ［ｗ］＝Ｉｍ・Ｅｖはモータ電力を表し、補助時は負値、回生時は正値で示される。Ｉｄはｄ軸電流、Ｉｑはｑ軸電流、θｄｑはモータの進角（ｒａｄ）を表している。
【００３８】
回生充電制御時、３相ブラシレス同期モータ８の速度起電圧Ｅｖでバッテリ１０を充電する際の充電電力Ｗｂａｔ［ｗ］は以下の式（１）で示される。
【００３９】
Ｗｂａｔ＝（Ｒｍ＋Ｒｂａｔ）・Ｉｍ2 −Ｗｖ＝（Ｒｍ＋Ｒｂａｔ）・Ｉｍ2 −Ｅｖ・Ｉｍ＝Ｉｍ{(Ｒｍ＋Ｒｂａｔ）・Ｉｍ−Ｅｖ｝        （１）
【００４０】
即ち、充電電力Ｗｂａｔはモータ８の回生電流Ｉｍの２次式で表され、回生領域Ｉｍ＜０、Ｗｂａｔ＜０では図２に示すような放物線となっている。この図２よりＷｂａｔの以下の特性が読み取れる。（１）充電電力Ｗｂａｔはモータ電流Ｉｍに対し下に凹の放物線特性を持ち、（２）その最大充電電力Ｗｂａｔｍａｘ（＜０）は以下の式（２）で示される。
【００４１】
Ｗｂａｔｍａｘ＝−Ｅｖ2 ／｛４・（Ｒｍ＋Ｒｂａｔ）｝      （２）
【００４２】
（２）式の最大値は、モータ電流ＩｍがＩｍ＝Ｅｖ／｛２・（Ｒｍ＋Ｒｂａｔ）｝…  （３）の時に起こる（但し、Ｅｖ＜０  より  Ｉｍ＜０）。従ってモータ電流Ｉｍがこの値以上でも、以下でも充電電力Ｗｂａｔは減少してしまうことが分かる。特にＩｍ＝Ｅｖ／（Ｒｍ＋Ｒｂａｔ）＜０  では、Ｗｂａｔ＝０となり、これ以下では逆にＷｂａｔ＞０となるため、バッテリ１０から電力が持ち出されてしまう。
【００４３】
上記考察により、速度起電圧（Ｅｖ＜０）一定時での充電電力値は、式（２）で示され、この時の速度起電圧によるモータ８の発生電力Ｗｖｍａｘは、以下の式（３）で示される。  
【００４４】
Ｗｖｍａｘ＝−Ｅｖ・Ｉｍ＝−Ｅｖ2 ／｛２・（Ｒｍ＋Ｒｂａｔ）｝      （３）
【００４５】
よって充電最大効率[A18] Ｗbat ｍａｘ／Ｗｖｍａｘは、式（２）と式（３）とにより以下の（４）式で示され、原理上の最大回生充電電力回収率は５０％であることが分かる。  
【００４６】
Ｗbat ｍａｘ／Ｗｖｍａｘ＝−（Ｅｖ2 ／４・（Ｒｍ＋Ｒｂａｔ））／−（Ｅｖ2 ／２・（Ｒｍ＋Ｒｂａｔ））＝０．５                  （４）
【００４７】
以上より回生充電電力貪欲アルゴリズムとは、式（２）と式（３）に従って回生充電電力を最大化する方法である。ここで、ＩｍとＩｄとＩｑには以下に示した関係がある。
【００４８】
【数１】
2005218282.tif 000003
【００４９】
上記関係により、進角制御を行わない場合はＩｄ＝０であるため、Ｉｍ＝Ｉｑとなる。したがって、トルク指令値制御部１は式（３）を満足するような負のＩｑｒｅｆをＰＩコントローラ２ｑに与えることにより、回生充電電力最大で、バッテリ１０を充電する。
【００５０】
速度がさらに大きくなって（−Ｅｖ）＝Ｅｂａｔに近づくと、バッテリ１０の充電上限電流に近づく。そこでさらに速度が上がったとしても回生電流は充電上限電流以下に保つことが必要とされる。その理由は、式（３）に従ってＩｍをバッテリ１０に流せば充電電力Ｗｂａｔを最大化できるが、一般にバッテリ１０には、その安全性や寿命を確保するために、バッテリ１０への充電電流限界値ＯＣ（Over Current）＜０  を設けて制限しているためである。一般に電圧も（−Ｅｖ）＝Ｅｂａｔに近づくとシステム上危険領域に近づくこととなる。
【００５１】
ここで、今、下り坂を本実施の形態の助力自転車で乗り手が電気ブレーキを掛けながら、つまり回生充電しながら速度起電圧Ｅｖが０＜（−Ｅｖ）＜Ｅｂａｔの速度で走行している状況を考える。その場合、図１に示した制御系は上記した回生貪欲アルゴリズムにより充電電力Ｗｂａｔを最大化するモータ回生電流によりバッテリ１０を充電する。
【００５２】
その後、速度がさらに大きくなって（−Ｅｖ）＝Ｅｂａｔに近づくと、バッテリ１０の充電上限電流ＯＣ（＜０）に近づくため、以降、トルク指令値制御部１は充電上限電流ＯＣでバッテリ１０を充電するトルク指令値を出して制御を行う。この場合、更に自転車の走行速度が上がっても、回生電流はバッテリ保護上ＯＣに保たれる。
【００５３】
次にさらに速度が上がり、速度起電圧Ｅｖがバッテリ電圧Ｅｂａｔに達する速度Ｖｂ＝Ｅｂａｔ／Ｋｖ（の直前）に達すると、このままでは、図１に示した制御系はモータ８の駆動制御及び回生充電制御を行うことができなくなり、制御不能の状態に陥る。そこで、本実施の形態では、このような制御不能状態に陥るのを回避するために、以下に説明するモータ８の進角制御を行ってモータ８の速度起電圧Ｅｖがバッテリ電圧Ｅｂａｔ未満に常になるような制御を行う。
【００５４】
次にモータ８の進角制御について説明する。一般にｄ、ｑ座標系におけるｄ軸はモータ磁石の界磁方向にとり、ｑ軸はｄ軸から９０度進んだ方向にとる。従ってｄ、ｑ座標系は図３に示すように電機子に対し回転しており、回転角度θｒｅをＵ相電機子からｄ軸までにとってある。但し、本実施の形態のモータ８は回転磁界を発生する固定子が電機子になっている。
【００５５】
ここで、３相交流座標（Ｕ，Ｖ、Ｗ）系は図３に示すように電機子３軸固定座標系となり、ｄ、ｑ座標系はモータ回転子上にとった直交２軸回転系となる。また、Ｉｄｒｅｆは図１のトルク指令値生成部１から出力されるｄ軸電流指令値に相当し、Ｉｄｒｅｆ＝０で進角無し、Ｉｄｒｅｆ＜０で進角ありであるが、Ｉｄｒｅｆ＞０については扱わない。
【００５６】
Ｉｑｒｅfはトルク指令値生成部１から出力されるｑ軸電流指令値に相当し、Ｉｑｒｅf＞０でモータにトルクを発生させ、Ｉｑｒｅf＜０でバッテリ１０を回生充電する制御を行う。θｒｅは固定座標系（Ｕ，Ｖ，Ｗ）のＵ軸から測ったｄ軸までの角度で時間と共に回転する。｜Ｉｍ｜はモータ８を流れる電流で、図３の半径に対応している。Ｔｍはモータ発生トルクでＴｍ＝Ｋｖ×Ｉｍでもある。Ｋｖは速度起電圧係数、Ｅｖはモータ発生速度起電圧、Ｗｍはモータ回転速度で、θｄｑは進角であり、以下では＋ｑ軸から−ｄ軸方向に負角度で計測し、助力走行時：−θｄｑｍａｘ＜θｄｑ＜０…（５）とし、回生走行時：−π＜θｄｑ＜−π＋θｄｑｍａｘ…（６）とする。
【００５７】
図３に示すように、ｄ軸方向はモータの回転子（永久磁石で構成されている）の界磁方向であるからベクター制御では一般にはｄ軸成分を持たせない様にθｄｑ＝０で制御する。即ち、Ｉｄｒｅｆ＝０で、Ｉｑｒｅｆ＝Ｉｑとなる。この時、モータ８の発生トルクＴｍはモータのトルク係数をＫｖとすると、Ｔｍ＝Ｋｖ×Ｉｑで表され、また、速度起電圧Ｅｖはモータ回転速度をＷｍとすると、Ｅｖ＝Ｋｖ×Ｗｍと表される。即ち、モータ８の発生トルクはｑ軸電流のみで決まる。この状況を図３で説明すると、ｑ軸上にとった点Ｉｑを先端としたベクトルＯ−Ｉｑが原点Ｏの周りをグルグル回転していることになる。
【００５８】
次に、ｄ、ｑ座標系にて半径Ｏ−Ｉｑ＝｜Ｉｍ｜を保った状態でＩｄｒｅｆ，Ｉｑｒｅｆを０以下（負値）に設定してみると、Ｉｄｒｅｆ＝｜Ｉｍ｜・ｓｉｎ（θｄｑ）で、Ｉｑｒｅｆ＝｜Ｉｍ｜・ｃｏｓ（θｄｑ）と表される。但し、θｄｑの範囲は式（５）、  （６）に従う。ここで、θｄｑはｑ軸と点（Ｉｄｒｅｆ，Ｉｑｒｅｆ）間の角度で、これが回生充電制御時に進角ありとした、進角制御になる。
【００５９】
この状況を図３で説明すると、（Ｕ，Ｖ，Ｗ）の固定座標系に対して回転しているｄ、ｑ座標系の第３象限上にとった点（｜Ｉｍ｜・ｓｉｎ（θｄｑ),｜Ｉｍ｜・ｃｏｓ（θｄｑ））８０が原点Ｏの廻りをグルグル回っていることになる。この時、モータのトルク係数はｃｏｓ（θｄｑ）×Ｋｖと小さくなり、結果発生トルクＴｍはＴｍ＝ｃｏｓ（θｄｑ）・Ｋｖ・Ｉｍとなり、更に、速度起電圧Ｅｖはモータ回転速度をＷｍとすると、Ｅｖ＝ｃｏｓ（θｄｑ）・Ｋｖ・Ｗｍ…式（７）と小さくなる。
【００６０】
Ｉｄ成分を持つと即ち、進角すると、速度起電圧Ｅｖはｃｏｓ（θｄｑ）×Ｋｖ＜Ｋｖとなるため式（５）より小さくなる。これは負のＩｄ成分をもたせたことにより、モータの回転子の界磁を弱めることと等価になるため、弱め界磁制御とも称される。回生充電制御で自転車の走行速度が速くなり、速度起電圧Ｅｖがバッテリ電圧Ｅｂａｔに達するような場合に、この進角制御を行うと速度起電圧Ｅｖが小さくなるため、進角制御をしない場合には、Ｅｖ＞Ｅｂａｔになっている走行速度の時にも、Ｅｖ＜Ｅｂａｔに抑えることができる。
【００６１】
以上より助力機能付自転車において、モータ８による助力走行する場合で、進角制御をしない通常制御では、図１の制御系のトルク指令値生成部１から発生される電流指令値をＩｄｒｅｆ＝０、Ｉｑｒｅｆ＝Ｉｍ＞０とすることであり助力走行時であってもＩｄｒｅｆ＜０、Ｉｑｒｅｆ＝Ｉｍ＞０とすることで進角制御も出来る。また、回生充電制御（電動ブレーキ制御）する場合は、電流指令値をＩｄ＝０、Ｉｑｒｅｆ＝−Ｉｑ＜０とすることである。さらに回生充電進角制御とは電流指令値をＩｄｒｅｆ＜０、Ｉｑｒｅｆ＜０とすることであり、図３に示したｄ，ｑ座標系の第３象限内での制御に対応する。
【００６２】
ところで、上記した回生充電進角制御を行う場合、トルク指令値生成部１により出力される電流指令値Ｉｄｒｅｆの与え方には次に示す２通りの方法がある。（１）Ｅｂａｔ−Ｅｖの値に対してある関数関係でθｄｑを変化させる。（２）ＯＲＰ（Over Run Protect) 制御器を用いてＥｂａｔ−Ｅｖの値に応じてθｄｑを自動的に適切な値に適切な応答速度で変化させる。
【００６３】
以下にこれら２つの方法を具体的に説明する。（１）の方法は、θｄｑ＝Ｆ（Ｅｂａｔ−Ｅｖ）の変調関数を用いて自動的に進角制御を行う方法である。この方法では、図１に示した制御系が制御不能状態に陥るのを防止するために、Ｅｖ＜Ｅｂａｔを常に確保する方法としてＥｂａｔ−Ｅｖを変数とした変調関数Ｆにてθｄｑを決定する。
【００６４】
しかし、この方法では変調関数Ｆを具体的にどのように決定するのかというはっきりした指針が無いので実機での調整が必要になるが、実際には図４（Ｂ）に示すような１次関数で十分に目的が達せられるし、変調関数Ｆが１次関数の場合その関数が決定していることからも系の安定性が確保でき且つＤＳＰへの負担を軽減できるメリットがある。
【００６５】
図４（Ａ）は上記方法によりトルク指令値電流を決めて出力する方法を示したブロック図である。但し、Ｅｂａｔはバッテリ１０の電圧を、ＥｂａｔｆはＯＰＲ制御系活動開始バッテリ電圧（Ｅｂａｔ手前に設定）を、Ｅｖはモータ８の速度起電圧を、θｄｑは進角（電機子磁束の方向）を表す。但し、Ｉｄｒｅｆはｄ軸電流指令値を、Ｉｑｒｅｆはｑ軸電流指令値を、Ｉｍはｄ，ｑ軸合成モータ電流（電機子磁束の強さ）を表すものとする。  
【００６６】
変数演算部２１は例えばシステムコントローラ（図示せず）からバッテリ１０のバッテリ電圧Ｅｂａｔｆが与えられると、ベクター制御系（図１のコントロールレイヤ４００に対応）２４から得られるバッテリ電圧Ｅｂａｔと速度起電圧Ｅｖとの差分を算出し、この差分を関数演算部２２に出力する。関数演算部２２はＦ（Ｅｂａｔ−Ｅｖ）の関数計算を行ってθｄｑを算出し、このθｄｑを指令電流生成部２３に出力する。指令電流生成部２３はシステムコンピュータからモータ指令電流Ｉｍが与えられるため、Ｉｄｒｅｆ＝｜Ｉｍ｜・ｓｉｎ（θｄｑ）とＩｑｒｅｆ＝｜Ｉｍ｜・ｃｏｓ（θｄｑ）の演算を行って、トルク電流指令ＩｄｒｅｆとＩｑｒｅｆをベクター制御系２４に与える。
【００６７】
なお、変数演算部２１と関数演算部２２及び指令電流生成部２３が図１のトルク指令値生成部１に相当する。但し、回生走行時には上記した関数Ｆ（Ｅｖ−Ｅｂａｔ）＝−π＋θｄｑｍａｘ＋（Ｅｖ−Ｅｂａｔ）×θｄｑｍａｘ／（Ｅｂａｔ−Ｅｂａｔｆ）で示されるような１次関数であり、図示すれば図４（Ｂ）の下段図の１５０で示したようになるが、この１次関数の特性は実機に応じて変更が可能になっている。図４（Ｂ）でＥｖ＜Ｅｂａｔｆのとき、θｄｑ＝−πとなる。但し、θｄｑの範囲は式（５）、（６）に従う。尚、図４（Ｂ）の上段図の１２０は助力走行時のＦ（Ｅｖ−Ｅｂａｔ）を示している。
【００６８】
回生動作時、自転車速度が遅く速度起電圧Ｅｖが進角開始速度起電圧Ｅｂａｔｆ以下の場合には“回生充電貪欲アルゴリズム”にて回生充電が行われ、この時の進角θｄｑは−１８０度である。やがて速度が上がりＥｖがＥｂａｔｆに達するとＥｖがＥｂａｔを超えてしまう恐れがある。さらに速度が上がりＥｖがＥｂａｔｆに達すると、図４（Ｂ）で示した関数特性に従って進角θｄｑを直線的に＋方向に大きくして行く。こうすることで、モータ８の速度起電圧係数Ｋｖはｃｏｓ（θｄｑ）×Ｋｖとなって小さくなり、その結果、速度起電圧Ｅｖも小さくなり、ＥｖがＥｂａｔを超えることを防止することができる。
【００６９】
即ち、自転車が高速で走ってもバッテリ１０への回生充電が可能となる。この時、進角制御を開始しても回生貪欲アルゴリズムはそのまま継続することとなる。進角制御が開始すると、ｃｏｓ（θｄｑ）×Ｋｖとなってこの項が小さくなるから結局モータトルクもｃ
ｏｓ（θｄｑ）×Ｋｖの項により当然小さくなり、電気ブレーキによる制動も小さくなって、その結果、自転車速度が上がる可能性がある。しかし、乗り手は人間であるからこの速度アップを感じ、必要に応じて機械ブレーキを掛け、所望の自転車速度に落ち着くこととなる。また、変調関数Ｆをシンプルな１次関数とすることでθｄｑ制御系の安定性を確保しつつ上記の制御動作を得ることができる。
【００７０】
次に（２）ＯＲＰ制御器を用いて（Ｅｂａｔ−Ｅｖ）の値に応じてθｄｑを自動的に適切な応答速度で変化させる方法について述べる。図５はＯＲＰ制御による進角θｄｑ制御を行うＯＲＰ制御器の構成を示したブロック図である。ＯＲＰ制御器は、演算部３１、乗算部３２、積分部３３、乗算部３４を有して構成される。
【００７１】
但し、Ｅｂａｔはバッテリ電圧を、ＫｐはＰＩ制御コントローラ比例ゲインを、ＥｂａｔｆはＯＰＲ制御系活動開始バッテリ電圧（Ｅｂａｔの手前に設定）を、ＫｉはＰＩ制御コントローラ積分ゲインを、Ｅｖはモータ速度起電圧を、ＫｍはＰＩ制御コントローラ直列ゲイン（要チューニング）を、θｄｑは進角（電機子磁束の方向）。但し、θｄｑの範囲は式（５）、（６）に従う。Ｉｄｒｅｆはｄ軸電流指令値を、Ｉｑｒｅｆはｑ軸電流指令値を、Ｉｍはｄ，ｑ軸合成モータ電流（電機子磁束の強さ）を示している。
【００７２】
次に上記したＯＲＰ制御器の動作について説明する。システムコントローラ（図示せず）からＯＰＲ制御系活動開始バッテリ電圧Ｅｂａｔｆが演算部３１に入力されると、演算部３１はＥｂａｔｆからベクター制御系３６より入力されるモータ速度起電圧Ｅｖを減算し、得られた（Ｅｂａｔｆ−Ｅｖ）を乗算部３２と積分部３３に出力する。
【００７３】
乗算部３２は（Ｅｂａｔｆ−Ｅｖ）にＰＩコントローラ２ｄ（２ｑ）の比例ゲイン係数Ｋｐを乗算し、積分部３３は（Ｅｂａｔｆ−Ｅｖ）を積分して、ＰＩコントローラ２ｄ（２ｑ）の積分ゲインＫｉを乗算する。乗算部３２の演算結果と積分部３３の演算結果は加算されて、乗算部３４に出力される。乗算部３４は前記加算結果にＰＩコントローラ２ｄ（２ｑ）の直列ゲインＫｍを乗算する。このＫｍを適切にチューニングすることでＯＲＰ制御器の安定性・応答スピード等を確保するようにしてある。
【００７４】
したがって、乗算部３４から出力される結果は以下の（８）式に示すようになる。
【００７５】
【数２】
2005218282.tif 000004
【００７６】
この（８）式で示される出力が進角θｄｑとしてトルク指令値生成部３５（図１のトルク指令値生成部１に対応する）に入力される。但し、θｄｑの範囲は式（５）、（６）に従う。トルク指令値生成部３５はシステムコントローラからモータ電流Ｉｍが与えられるため、Ｉｄｒｅｆ＝｜Ｉｍ｜・ｓｉｎ（θｄｑ）とＩｑｒｅｆ＝｜Ｉｍ｜・ｃｏｓ（θｄｑ）の演算を行って、トルク電流指令ＩｄｒｅｆとＩｑｒｅｆをベクター制御系３６に与える。
【００７７】
ここで、（Ｅｂａｔｆ−Ｅｖ）がかなり大きい場合には、演算部３１及び乗算部３４によりリミッター機能が働き、ＯＲＰ制御器の出力θｄｑは０に固定され、ＯＲＰ制御系はアクテイブに動作しない。逆に、Ｅｂａｔｆ−Ｅｖ＜０ではＯＲＰ制御器が有意味な出力を吐き出し始めるが、その出力範囲はリミッターによりθｄｑの範囲は式（５）、（６）に従った値に制限される。
【００７８】
結局、式（５）、（６）に従ったθｄｑの範囲ではモータ８の速度起電圧Ｅｖがバッテリ電圧Ｅｂａｔの手前で電圧Ｅｂａｔｆを超えると、式（９）で（Ｅｂａｔｆ−Ｅｖ）を常に０にするようなθｄｑがベクター制御系３６に与えられ、モータ８の速度起電圧がバッテリ１０のバッテリ電圧を超えないようなスムーズ且つシームレスな進角制御が行われ、これによりＥｂａｔｆ＞＝Ｅｖになると通常制御に戻ることになる。これは助力走行時であれ回生走行時であれ実現される。言い換えれば通常制御と進角制御の切替が段差なく且つスムーズに行われることである。
【００７９】
尚、例えば回生時には積分部３３の出力には−π／Ｋｍ〜（−π＋θｄｑｍａｘ）／Ｋｍなるリミッターが設けられ、積分器出力そのものには−π／（Ｋｍ・Ｋｉ）〜（−π＋θｄｑｍａｘ）／（Ｋｍ・Ｋｉ）なるリミッターが設けられ、さらに乗算部３４出力部には−π〜（−π＋θｄｑｍａｘ）なるリミッターが設けられ、前後のリミッター間でのダイナミックレンジに過不足が発生せぬ様にしてある。
【００８０】
以上のような（２）の方法を採ると、Ｅｖ＜Ｅｂａｔf状態では回生時θｄｑ＝−πが保たれるがＥｖ≧Ｅｂａｔｆに達した時点からθｄｑが段差無くシームレスに自動的に増加して進角制御を開始することができ、自転車の乗り味や安全性を確保しつつ、自転車の高速走行での回生充電制御を持続することができる。なお、進角制御の安定性及び応答速度はＯＲＰ制御器の制御定数Ｋｍをチューニングすることで所望の特性にすることができる。但し、ＯＲＰ制御器の安定性については注意が必要でＫｍは実機にて式（５）、（６）に従ったθｄｑの範囲で安定するようにチューニングしなければならない。
【００８１】
次に上記した本実施の形態の制御系の動作についてトルク指令値生成部１のトルク指令値電流毎にまとめると以下の如くなる。
【００８２】
Ｉｄｒｅｆ＝０、Ｉｑｒｅｆ＞０        助力走行制御          
Ｉｄｒｅｆ＝＜０、Ｉｑｒｅｆ＞０      助力走行進角制御      
Ｉｄｒｅｆ＝０、Ｉｑｒｅｆ＜０        回生充電制御            
Ｉｄｒｅｆ＝＜０、Ｉｑｒｅｆ＜０      回生充電進角制御    
【００８３】
図６は図１の制御系の上記した特性をまとめて２つのグラフを一体化した特性図である。上部と下部に大別され、横軸は共通で速度起電圧（Ｖ）を表している。上部のグラフの縦軸は自転車速度（ｋｍ／ｈ）を表している。ラインＬ１は進角無し時の自転車速度に対する速度起電圧Ｅｖの特性を示しており、自転車の速度が増加するに伴い速度起電圧が増えていくことが分かる。下部のグラフの縦軸は回生充電電力Ｗｂａｔ（Ｗ）を表している。ラインＬ２，Ｌ３は進角無し時の回生充電電力特性で、Ｌ２が貪欲アルゴリズムによる充電電流特性を示し、充電電流ＩｍがＯＣ以下の状態での特性である。Ｌ３はＯＲＰ制御が働きＯＣ一定に固定した場合の進角無し時の自転車に対する速度回生充電電力特性である。従ってＥｖ＝Ｅｂａｔ以上では回生を停止し回生電力０であり、図中斜線の領域のみ回生可能である。
【００８４】
また、ラインＬ１´は本発明の進角制御を適用して自転車速度の回生可能領域を伸ばした場合の自転車速度Ｖｂと速度起電圧Ｅｖの特性を示し、充電可能領域が拡大していることが分かる。進角制御を行うとｃｏｓ（θｄｑ）×Ｋｖの項によりモータ８に発生する速度起電圧Ｅｖが小さくなり、回生可能な速度が大きくなったことを表している。ラインＬ３´は進角有り時の回生電力回収特性で、進角無しの特性Ｌ３より回収量は少なくなることが分かる。
【００８５】
本実施の形態によれば、自転車速度Ｖｂの速度が速く、このままではモータ８の速度起電圧Ｅｖがバッテリ１０のバッテリ電圧Ｅｂａｔより大きくなってしまう場合は、進角制御を行って速度起電圧Ｅｖが常にバッテリ電圧Ｅｂａｔ未満になるように制御するため、自転車速度Ｖｂが遅い領域（進角制御をしなくともモータ８の速度起電圧Ｅｖがバッテリ電圧Ｅｂａｔ未満の領域）から速度が速い領域の全ての速度領域に亙って、モータ８の速度起電圧Ｅｖをバッテリ電圧Ｅｂａｔ未満にすることができる。これにより、自転車速度に拘わらず、図１に示したモータ８の駆動及び回生制御系を制御可能状態に維持することができ、あらゆる状況下でバッテリ寿命、安全性及び乗り味を確保することができる。
【００８６】
また、上記のように自転車の全ての速度領域に亙って、モータ８の駆動及び回生制御系が制御可能状態とすることができるため、自転車の全ての速度領域に亙って貪欲アルゴリズムを用いることができ、それにより、充電電力Ｗｂａｔを最大化するモータ回生電流によるバッテリ１０の充電を行うことができる。
【００８７】
なお、貪欲アルゴリズムを用いて充電電力Ｗｂａｔを最大化する制御を行っていても、充電電流がバッテリ１０の充電上限電流ＯＣ（＜０）に達すると、以降、充電上限電流ＯＣでバッテリ１０を充電する制御を行う。この場合、更に自転車の走行速度が上がっても、回生電流はバッテリ保護上ＯＣに保たれる。
【００８８】
また、モータ８の速度起電圧Ｅｖがバッテリ１０のバッテリ電圧Ｅｂａｔより大きいか、小さいかにより、進角制御と進角無しの通常制御を行ったりするが、その切替はＯＲＰ制御を用いて行うことにより、制御の切り替え時に段差や過度電流などが発生しない極めて円滑な制御の切り替えを行うことができる。
【００８９】
尚、本発明は上記実施の形態に限定されることなく、その要旨を逸脱しない範囲において、具体的な構成、機能、作用、効果において、他の種々の形態によっても実施することができる。例えば、上記実施の形態では自転車の助力駆動源として、３相ブラシレス同期モータを用いたが、Ｎ相交流同期モータを用いても本発明を適用して同様の効果を得ることができる。
【００９０】
また、上記実施の形態では本発明を自転車の助力駆動源として、３相ブラシレス同期モータの制御系に適用した例について説明したが、モータを駆動源とする移動体であれば、どのようなものにも適用して同様の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００９１】
【図１】本発明の一実施の形態に係る電動機駆動回生制御装置の構成を示したブロック図である。
【図２】図１に示した制御系でバッテリへの充電電力を最大にするアルゴリズムを説明する図である。
【図３】図１に示した制御系によりモータを進角制御する方法を説明する図である。
【図４】図１に示した制御系でモータの進角制御を行う際のトルク指令値を生成する構成を示したブロック図である。
【図５】図１に示した制御系でモータの進角制御を行う際にＯＲＰ制御を適用した場合のトルク指令値を生成する構成を示したブロック図である。
【図６】図１に示した制御系で、進角無しの制御、進角制御、貪欲アルゴリズムによる回生制御時の各特性を総合的に示した特性図である。
【符号の説明】
【００９２】
１、３５……トルク指令値生成部、２ｄ，２ｑ……ＰＩコントローラ、３……３相対称正弦波変換部、４……ｄｑ変換部、５……ＰＷＭ発生部、６……Ａ／Ｄコンバータ、７……エンコーダ処理部、８……３相ブラシレス同期モータ、９……ＰＷＭインバータ、１０……バッテリ、１１……コンデンサ、１２、１３……スイッチ、２１……変数演算部、２２……関数演算部、２３……指令電流生成部、２４、３６……ベクター制御系、３１……演算部、３２、３４……乗算部、３３……積分部、２００……アプリケーションレイヤ、４００……コントロールレイヤ、６００……デバイスレイヤ、８００……ハードウェア。
【図１】
2005218282.tif 000005
【図２】
2005218282.tif 000006
【図３】
2005218282.tif 000007
【図４】
2005218282.tif 000008
【図５】
2005218282.tif 000009
【図６】
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