JP2000184516A - アシスト電動車用直流電動機のトルク制御方法、トルク制御装置及びアシスト電動車 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 直流電動機のトルク制御において駆動時だけ
でなく制動時も操作入力に比例する制動力を発生させ、
円滑な制動動作を実現する。 【解決手段】 スイッチング素子Ｑ１，Ｑ３の直列回路
とスイッチング素子Ｑ２，Ｑ４の直列回路を並列に直流
電源Ｅに接続し、各直列回路の２個のスイッチング素子
の接続点間に直流電動機Ｍを接続し、操作入力の正転又
は逆転の回転方向指令に対応させて各直列回路のいずれ
か一方のスイッチング素子を導通状態として直流電動機
Ｍに当該操作入力に比例した電流を通電するアシスト電
動車のトルク制御において、直流電動機Ｍの回転方向を
検出するロータリーエンコーダＲＥを設け、前記操作入
力の正転又は逆転の回転方向指令と前記ロータリーエン
コーダＲＥで検出された回転方向とが反対である期間、
直流電動機Ｍの発電電流経路を遮断し、前記操作入力に
比例制御される逆転制動により制動する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、操作力を補助する
タイプの電動車（アシスト電動車）に適用するアシスト
電動車用直流電動機のトルク制御方法、トルク制御装置
及びアシスト電動車に係り、とくに駆動時だけでなく制
動時も操作力（操作量）に比例した制動力を発生させ得
るようにして円滑な制動動作を実現したアシスト電動車
用直流電動機のトルク制御方法、トルク制御装置及びア
シスト電動車に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に操作力（操作量）を補助するタイ
プの電動車、つまりアシスト電動車では操作力に比例し
た駆動力を発生させ操作力と同一の方向に加える（加算
する）ことが求められる。つまり、軽く押せば補助力も
小さく、強く押せば補助力も強くなる。

【０００３】この種のアシスト式電動台車、アシスト式
電動車椅子等のアシスト電動車は、バッテリー等の直流
電源を用いた直流電動機に操作力に比例したトルクを発
生させ、そのトルクでアシストを行う構成が一般的であ
る。直流電動機のトルクは電流に比例するため結局操作
力に比例する電流を流す制御を行う。

【０００４】図６に、このような目的に使う直流電動機
の従来のトルク制御装置を示す。この図において、Ｍは
直流電動機、Ｅは直流電源（バッテリ）、Ｑ１乃至Ｑ４
はスイッチング素子としてのトランジスタ、Ｄ１乃至Ｄ
４は各トランジスタＱ１乃至Ｑ４に逆並列に接続された
ダイオードである。ここで、直流電動機Ｍの正転、逆転
の切り換えのため、トランジスタＱ１，Ｑ３の直列回路
と、トランジスタＱ２，Ｑ４の直列回路とを並列接続し
（いわゆるブリッジ接続）、各直列回路の２個のトラン
ジスタの接続点間に直流電動機Ｍを接続し、各直列回路
を直流電動機に流れる電流を検出するための電流検出手
段ＤＥを介して直流電源Ｅに接続している。制御回路Ｃ
Ｎは例えば直流電動機Ｍの正転時にトランジスタＱ１，
Ｑ４を導通させ、逆転時トランジスタＱ２，Ｑ３を導通
させる制御を行うものである。比較回路ＣＭＰは正負操
作入力（正負操作信号）と電流検出手段ＤＥの電流検出
値とを比較して、比較結果を制御回路ＣＮに出力してい
る。

【０００５】図６の従来装置において、正負操作入力が
例えば正の場合（つまり操作量が正の場合）、トランジ
スタＱ１及びＱ４がオン（導通）し、直流電源Ｅ−Ｑｌ
−直流電動機Ｍ−Ｑ４−電流検出手段の検出抵抗−直流
電源Ｅの経路で電流が流れ、直流電動機Ｍが正転方向に
駆動される。正負操作入力が逆に負の場合（つまり操作
量が負の場合）、トランジスタＱ２及びＱ３がオン（導
通）し、直流電源Ｅ−Ｑ２−直流電動機Ｍ−Ｑ３−電流
検出手段ＤＥの検出抵抗−直流電源Ｅの経路で電流が流
れ、直流電動機Ｍが逆転方向に駆動される。

【０００６】いま直流電動機Ｍの電流制御を正回転の場
合で説明する。トランジスタＱｌ，Ｑ４がオンして直流
電動機Ｍが通電されると、直流電動機の電流は上昇して
行く。電流が正負操作入力（操作量）から決まる規定の
電流値に達すると、正負操作信号と電流検出手段ＤＥの
検出値とを比較する比較回路ＣＭＰより一致信号が出
て、電流検出手段ＤＥの電圧降下を比較回路ＣＭＰを介
し監視している制御回路ＣＮがトランジスタＱ４を遮断
する。このとき直流電動機の電流は、直流電動機Ｍ−Ｄ
２−Ｑ１−直流電動機の経路で流れ続け急激に落ちるこ
とはない。短い時間の後、再びＱ４がオンされると直流
電動機の電流は上昇し以後同じサイクルが繰り返され
る。従ってＱ４で電流を遮断しても直流電動機電流は一
定に保たれ直流電動機は定電流駆動される（フライホイ
ル効果による）。この目的のため正転の場合はＱ１、逆
転の場合はＱ２はオンのまま保たれる。この方式による
と直流電動機は正転、逆転のいずれの方向にも操作量に
比例した電流でなめらかに駆動できる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、この駆動方
式の問題点は、制動トルクが制御できない点にある。こ
のことを図７で説明すると、例えばトランジスタＱ１，
Ｑ４がオンし、直流電動機Ｍが正転している場合、単に
Ｑ１，Ｑ４をオフすると直流電動機電流が遮断され空転
を続け制動力は発生しない。制動するには直流電動機Ｍ
に逆転方向の電流を流す必要があり、このためＱ２，Ｑ
３をオンさせると直流電動機には瞬時、直流電源Ｅ−Ｑ
２−直流電動機Ｍ−Ｑ３−検出抵抗−直流電源Ｅの経路
で逆転電流が流れるが電流値が操作量から決まる値に達
すると制御回路ＣＮによりＱ３がオフされる。この状態
では直流電動機はまだ正転を続けており図７中の矢印方
向に起電力を生じている。

【０００８】従ってトランジスタＱ３がオフすると図７
の直流電動機Ｍ−Ｄ１−Ｑ２−直流電動機の経路を発電
制動電流が流れる。この電流は直流電動機やダイオー
ド、トランジスタの内部抵抗でしか制限されないため、
非常に大きな値となり又検出抵抗を通らないため制御で
きない。従って意志に反した大きな制動力が発生し衝撃
が大きかった。このためこの制御方式をとるアシスト電
動車は制動力を制御できず、制動時の衝撃が大きいとい
う問題があった。

【０００９】本発明の第１の目的は、上記の点に鑑み、
駆動時だけでなく制動時も操作力、つまり操作入力に比
例する制動力を発生させ、円滑な制動動作を実現したア
シスト電動車用直流電動機のトルク制御方法及び装置を
提供することにある。

【００１０】本発明の第２の目的は、駆動時だけでなく
制動時も操作力、つまり操作入力に比例する制動力を発
生させ得、駆動力のみならず制動力をもアシスト出来る
アシスト電動車を提供することにある。

【００１１】本発明のその他の目的や新規な特徴は後述
の実施の形態において明らかにする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明のアシスト電動車用直流電動機のトルク制御
方法は、直流電動機を正転、逆転いずれの方向にもその
トルクを制御する構成において、制御信号が反転した場
合に前記直流電動機が制動し、停止するまでの間制御さ
れない発電制動の発生を防ぎ、反転した制御信号に比例
制御される逆転制動により制動することを特徴としてい
る。

【００１３】本発明のアシスト電動車用直流電動機のト
ルク制御装置は、２個のスイッチング素子の直列回路を
２個並列に直流電源に接続し、各直列回路の２個のスイ
ッチング素子の接続点間に直流電動機を接続し、操作入
力の正転又は逆転の回転方向指令に対応させて各直列回
路のいずれか一方のスイッチング素子を導通状態として
前記直流電動機に当該操作入力に比例した電流を通電す
る構成において、前記直流電動機の回転方向を検出する
回転方向検出手段を設け、前記操作入力の正転又は逆転
の回転方向指令と前記回転方向検出手段で検出された回
転方向とが反対である期間、前記直流電動機の発電電流
経路を遮断することを特徴としている。

【００１４】本発明のアシスト電動車は、駆動輪に回転
補助のための回転トルクを与える直流電動機を具備した
構成において、２個のスイッチング素子の直列回路を２
個並列に直流電源に接続し、各直列回路の２個のスイッ
チング素子の接続点間に前記直流電動機を接続し、操作
入力の正転又は逆転の回転方向指令に対応させて各直列
回路のいずれか一方のスイッチング素子を導通状態とし
て前記直流電動機に当該操作入力に比例した電流を通電
するとともに、前記直流電動機の回転方向を回転方向検
出手段で検出するトルク制御装置を備え、前記トルク制
御装置は、操作入力の正転又は逆転の回転方向指令と前
記回転方向検出手段で検出された回転方向とが反対であ
る期間、前記直流電動機の発電電流経路を遮断すること
を特徴としている。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係るアシスト電動
車用直流電動機のトルク制御装置及びアシスト電動車の
実施の形態を図面に従って説明する。

【００１６】図１は本発明の第１の実施の形態であっ
て、アシスト電動車用直流電動機のトルク制御装置を示
す。この場合、直流電動機Ｍの回転方向を検出する回転
方向検出手段としてのロータリーエンコーダＲＥ及び第
１方向判別器ＤＤ１が設けられている。第１方向判別器
ＤＤ１は、直流電動機Ｍに連結されたロータリーエンコ
ーダＲＥのａ相、ｂ相の検出信号を受けて直流電動機Ｍ
の正転状態、逆転状態を判別するようにしている。ま
た、正負操作入力（制御信号としての正負操作信号）は
比較回路ＣＭＰにその絶対値（操作量の大きさ）が与え
られるとともに、正負の符号が第２方向判別器ＤＤ２に
与えられる。第２方向判別器ＤＤ２は正負操作入力の正
負の符号から正の回転方向指令（正転）であるか、負の
回転方向指令（逆転）であるかを判別する。

【００１７】駆動モード判別器ＭＤは、第１方向判別器
ＤＤ１で判別した実際の直流電動機Ｍの回転方向と、第
２方向判別器ＤＤ２で判別した正転又は逆転の回転方向
指令とから、正転駆動モード、正転制動モード、逆転駆
動モード、逆転制動モードの４つのモードのうち、どの
モードに該当するかを判別して制御回路ＣＮに判別結果
を出力する。

【００１８】なお、その他の構成は前述した図６の従来
回路と同様であり、同一又は相当部分に同一符号を付し
て説明を省略する。

【００１９】このアシスト電動車用直流電動機のトルク
制御装置において、直流電動機Ｍが正転状態で正負操作
入力の回転方向指令が正転を指示している場合、正転駆
動モードとなり制御回路ＣＮは図２（Ａ）の正転駆動モ
ードのトランジスタの制御チャートの如くトランジスタ
Ｑ１，Ｑ４を駆動する。この場合の動作は従来の場合と
同じで、トランジスタＱｌ，Ｑ４がオンして直流電動機
Ｍが通電されると、直流電動機の電流は上昇して行く。
電流が正負操作入力の絶対値（操作量の大きさ）から決
まる規定の電流値に達すると（比較回路ＣＭＰで検出す
る）、電流検出手段ＤＥ（例えば低抵抗の検出抵抗）の
電圧降下を比較回路ＣＭＰを介して監視している制御回
路ＣＮがトランジスタＱ４を遮断する。このとき直流電
動機の電流は、直流電動機Ｍ−Ｄ２−Ｑ１−直流電動機
の経路で流れ続け急激に落ちることはない。短い時間の
後、再びＱ４がオンされると直流電動機の電流は上昇し
以後同じサイクルが繰り返される。従ってＱ４で電流を
遮断しても直流電動機電流は一定に保たれ直流電動機は
定電流駆動される（フライホイル効果による）。この目
的のため正転の場合はＱ１はオンのまま保たれる。

【００２０】また、直流電動機Ｍが正転状態で正負操作
入力の回転方向指令が逆転を指示している場合（正転駆
動モードから回転方向指令が逆転した場合）、正転制動
モードとなり制御回路ＣＮは図２（Ｂ）の正転制動モー
ドのトランジスタの制御チャートの如くトランジスタＱ
２，Ｑ３を駆動する。この場合、トランジスタＱ２，Ｑ
３のオン期間は一致しているから、従来の図７で説明し
た直流電動機Ｍの発電に起因する発電電流はトランジス
タＱ２がトランジスタＱ３と同じタイミングでオン、オ
フすることで遮断され、直流電動機Ｍ−Ｄ１−Ｑ２−直
流電動機の経路で発電制動電流が流れることを回避でき
る。このように、制動の場合は、直流電動機Ｍが停止す
るまでの間制御されない発電制動の発生を防ぎ、反転し
た操作入力に比例制御される逆転制動（プラグ制動）に
より制動する。

【００２１】直流電動機Ｍが逆転状態で正負操作入力の
回転方向指令が逆転を指示している場合、逆転駆動モー
ドとなり制御回路ＣＮは図２（Ｃ）の逆転駆動モードの
トランジスタの制御チャートの如くトランジスタＱ２，
Ｑ３を駆動する。この場合の動作は従来の場合と同じ
で、トランジスタＱ２，Ｑ３がオンして直流電動機Ｍが
通電されると、直流電動機の電流は上昇して行く。電流
が正負操作入力の絶対値（操作量の大きさ）から決まる
規定の電流値に達すると、電流検出手段ＤＥ（例えば低
抵抗の検出抵抗）の電圧降下を監視している制御回路Ｃ
ＮがトランジスタＱ３を遮断する。このとき直流電動機
の電流は、直流電動機Ｍ−Ｄ１−Ｑ２−直流電動機の経
路で流れ続け急激に落ちることはない。短い時間の後、
再びＱ３がオンされると直流電動機の電流は上昇し以後
同じサイクルが繰り返される。従ってＱ３で電流を遮断
しても直流電動機電流は一定に保たれ直流電動機は定電
流駆動される（フライホイル効果による）。この目的の
ため逆転の場合はＱ２はオンのまま保たれる。

【００２２】直流電動機Ｍが逆転状態で正負操作入力の
回転方向指令が正転を指示している場合、逆転制動モー
ドとなり制御回路ＣＮは図２（Ｄ）の逆転制動モードの
トランジスタの制御チャートの如くトランジスタＱ１，
Ｑ４を駆動する。この場合、トランジスタＱ１，Ｑ４の
オン期間は一致しているから、従来の図７で説明した直
流電動機Ｍの発電に起因する発電電流はトランジスタＱ
１がトランジスタＱ４と同じタイミングでオン、オフす
ることで遮断され、直流電動機Ｍ−Ｄ２−Ｑ１−直流電
動機の経路で発電制動電流が流れることを回避できる。

【００２３】この第１の実施の形態で述べたアシスト電
動車用直流電動機のトルク制御装置によれば、従来の単
なる正転、逆転の２モードによる制御ではなく、正転駆
動モード、正転制動モード、逆転駆動モード、逆転制動
モードの４つのモードで直流電動機Ｍのトルク制御を実
行している。すなわち、直流電動機Ｍの実際の正転又は
逆転の回転方向を、ロータリーエンコーダＲＥ及び第１
方向判別器ＤＤ１を有する回転方向検出手段で検出し、
駆動モード判別器ＭＤにて、第１方向判別器ＤＤ１で判
別した実際の直流電動機Ｍの回転方向と、正負操作入力
を受ける第２方向判別器ＤＤ２で判別した正転又は逆転
の回転方向指令とから、正転駆動モード、正転制動モー
ド、逆転駆動モード、逆転制動モードの４つのモードの
うち、どのモードに該当するかを判別して制御回路ＣＮ
を介し図２（Ａ）〜（Ｄ）の４通りの動作を実行してい
る。

【００２４】これにより、正転制動モード、逆転制動モ
ード時に、直流電動機Ｍの発電に起因する発電電流の経
路を遮断でき、電流検出手段ＤＥを通らない制御不能の
発電制動電流による制動がかからないようにでき、操作
入力に比例した逆転制動トルクのみを発生させること
で、操作入力に比例した制動トルク制御が可能である。

【００２５】図３乃至図５は本発明の第２の実施の形態
であって、第１の実施の形態のアシスト電動車用直流電
動機のトルク制御装置を具備したアシスト電動車を示
す。

【００２６】図３及び図４はアシスト電動車の機械的構
造を示すもので、１は車体枠であり、該車体枠１に駆動
輪２及び従動輪３が取り付けられている。ここで、駆動
輪２は車体枠１の正面方向に向き固定で、回転自在に取
り付けられる。また、従動輪３は、車体枠１に対して任
意方向に向きを変換できる如く枢支されたブラケット４
に回転自在に取り付けられるもので、キャスター構造を
なしている。

【００２７】車体枠１の下面側には、電動機取付フレー
ム１０に直流電動機Ｍ（ここでは減速器付の構造を例示
する）が取り付けられ、チェーン、ベルト１１等を用い
た巻掛け伝動機構を介して直流電動機Ｍの回転トルクを
駆動輪２に伝達している。

【００２８】車体枠１の後部には操作ハンドル２０を取
り付けたボックス部２１が固定配置され、該ボックス部
２１内に図５に示すセンサアンプＳＡ及びトルク制御装
置３０が収納される。センサＳは操作ハンドル２０に加
えられた機械的な正負（前進、後退）の操作入力を電気
的な正負操作入力信号に変換する変換器であり、例えば
図３の操作ハンドル２０の基部に取り付けられる歪検出
器等である。なお、トルク制御装置３０は図１に示す第
１の実施の形態の構成部分である。

【００２９】このアシスト電動車において、操作ハンド
ル２０で前進方向に操作すると、アシスト電動車は前進
するとともに操作ハンドル２０に加わった機械的操作入
力に比例する電気的正負操作入力信号がセンサＳから出
力され、これがセンサアンプＳＡで増幅されてトルク制
御装置３０に与えられ、前記機械的操作入力に比例した
アシスト用正転回転トルクが直流電動機Ｍから駆動輪２
に供給される（正転駆動モード）。

【００３０】アシスト電動車の前進状態にて操作ハンド
ル２０を後退方向に操作すると、アシスト電動車の前進
が制動される正転制動モードとなる。つまり、アシスト
電動車は前進しているが操作ハンドル２０に加わった逆
向きの機械的操作入力に比例する電気的正負操作入力信
号がセンサＳから出力され、これがセンサアンプＳＡで
増幅されてトルク制御装置３０に与えられ、前記機械的
操作入力に比例した制動アシスト用逆転回転トルクが直
流電動機Ｍから駆動輪２に供給される。このとき、前述
したように直流電動機Ｍの発電制動トルクは発生しない
回路構成としてあるため、制動時の制動トルクも操作者
の意志による操作量に比例することになり思い通りの制
動がかけられる。従って、なめらかに制動可能なアシス
ト電動車が実現できる。

【００３１】なお、アシスト電動車の後退方向の駆動は
逆転駆動モード、後退状態で操作ハンドルを前進方向に
操作する制動は逆転制動モードによる直流電動機Ｍのト
ルク制御が同様に行われる。

【００３２】このように、第２の実施の形態で説明した
アシスト電動車によれば、駆動のアシスト及び制動のア
シストを操作ハンドル２０に加える機械的操作入力に比
例させたトルクで実行でき、円滑なアシスト電動車の操
作が可能である。このため、荷崩れ防止、乗り心地の改
善が可能である。

【００３３】以上本発明の実施の形態について説明して
きたが、本発明はこれに限定されることなく請求項の記
載の範囲内において各種の変形、変更が可能なことは当
業者には自明であろう。例えば、機械的操作入力手段、
機械的操作入力を電気的正負操作信号に変換する変換器
等は種々の構成が可能である。

【００３４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
駆動時の駆動トルクだけでなく制動時の制動トルクも操
作者の意志による操作量、つまり操作入力に比例させる
ことが可能となり、円滑な制動動作を実現したアシスト
電動車用直流電動機のトルク制御装置を実現でき、並び
に該トルク制御装置を具備することで円滑な前進、後
退、制動動作の動力補助が可能なアシスト電動車を実現
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態であってアシスト電
動車用直流電動機のトルク制御装置を示すブロック図で
ある。

【図２】正転駆動モード、正転制動モード、逆転駆動モ
ード、逆転制動モードの４つのモードにおけるトランジ
スタの制御チャート図である。

【図３】本発明の第２の実施に係るアシスト電動車の側
面図である。

【図４】同平面図である。

【図５】第２の実施の形態に係るアシスト電動車の制御
ブロック図である。

【図６】従来のアシスト電動車用直流電動機のトルク制
御装置のブロック図である。

【図７】図６において発電制動電流の経路を示すブロッ
ク図である。

【符号の説明】

１ 車体枠 ２ 駆動輪 ３ 従動輪 １０ 電動機取付フレーム ２０ 操作ハンドル ２１ ボックス部 ３０ トルク制御装置 ＣＭＰ 比較回路 ＣＮ 制御回路 Ｄ１〜Ｄ４ ダイオード ＤＤ１，ＤＤ２ 方向判別器 ＤＥ 電流検出手段 Ｅ 直流電源 Ｍ 直流電動機 ＭＤ 駆動モード判別器 Ｑ１〜Ｑ４ トランジスタ ＲＥ ロータリーエンコーダ Ｓ センサ ＳＡ センサアンプ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 直流電動機を正転、逆転いずれの方向に
   もそのトルクを制御するアシスト電動車用直流電動機の
   トルク制御方法において、制御信号が反転した場合に前
   記直流電動機が制動し、停止するまでの間制御されない
   発電制動の発生を防ぎ、反転した制御信号に比例制御さ
   れる逆転制動により制動することを特徴とするアシスト
   電動車用直流電動機のトルク制御方法。
2. 【請求項２】 ２個のスイッチング素子の直列回路を２
   個並列に直流電源に接続し、各直列回路の２個のスイッ
   チング素子の接続点間に直流電動機を接続し、操作入力
   の正転又は逆転の回転方向指令に対応させて各直列回路
   のいずれか一方のスイッチング素子を導通状態として前
   記直流電動機に当該操作入力に比例した電流を通電する
   アシスト電動車用直流電動機のトルク制御装置におい
   て、 前記直流電動機の回転方向を検出する回転方向検出手段
   を設け、前記操作入力の正転又は逆転の回転方向指令と
   前記回転方向検出手段で検出された回転方向とが反対で
   ある期間、前記直流電動機の発電電流経路を遮断するこ
   とを特徴とするアシスト電動車用直流電動機のトルク制
   御装置。
3. 【請求項３】 駆動輪に回転補助のための回転トルクを
   与える直流電動機を具備したアシスト電動車において、 ２個のスイッチング素子の直列回路を２個並列に直流電
   源に接続し、各直列回路の２個のスイッチング素子の接
   続点間に前記直流電動機を接続し、操作入力の正転又は
   逆転の回転方向指令に対応させて各直列回路のいずれか
   一方のスイッチング素子を導通状態として前記直流電動
   機に当該操作入力に比例した電流を通電するとともに、
   前記直流電動機の回転方向を回転方向検出手段で検出す
   るトルク制御装置を備え、 前記トルク制御装置は、操作入力の正転又は逆転の回転
   方向指令と前記回転方向検出手段で検出された回転方向
   とが反対である期間、前記直流電動機の発電電流経路を
   遮断することを特徴とするアシスト電動車。