CN110114265A - 电动辅助系统和电动辅助车辆 - Google Patents

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Abstract

提供了一种电力辅助系统(51)，其在斜坡道路行进期间产生适当水平的辅助力。电力辅助系统用于电动辅助车辆(1)并且包括：电动马达(53)，其产生辅助力以辅助电动辅助车辆的骑乘者的人力；控制装置(170)，其控制要由电动马达产生的辅助力的大小；和加速度传感器(38)，其输出表示电动辅助车辆的行进方向上的加速度Gx的加速度信号。控制装置基于外部信号来获取表示电动辅助车辆的行驶速度的速度信息，基于速度信息和加速度信号来检测路面的倾斜角，并且使电动马达产生与倾斜角相对应的大小的辅助力。

Description

电动辅助系统和电动辅助车辆
技术领域
本发明涉及电力辅助系统和包括该电力辅助系统的电动辅助车辆。
背景技术
已知一种电动辅助自行车，其通过电动马达对骑乘者踩踏自行车的人力进行辅助。在这种电动辅助自行车中，通过电动马达产生与骑乘者施加到踏板的人力相对应的辅助力，并且将作为人力和辅助力之和的动力传递至驱动轮。人力由电动马达辅助，从而减轻骑乘者的负载(例如，专利文献1)。
引用列表
专利文献
专利文献1：日本特开专利公报No.09-226664
发明内容
技术问题
当电动辅助自行车的骑乘者沿斜坡上行或下行时，行进负载可以根据路面坡度的变化而增大或减小。电动辅助自行车需要在行进负载增大时产生更高的辅助力，并且在行进负载减小时产生更低的辅助力。
传统的电动辅助自行车在如何根据行进负载产生辅助力方面具有改进的空间。例如，在上行斜坡上，由于辅助力不足，骑乘者偶尔会感觉到踏板很重。在下行斜坡上，由于辅助力略大，骑乘者偶尔会感觉到加速度很大。在这种情况下，骑乘者手动切换驱动模式(辅助模式)以改变辅助力的强度，从而获得所需的辅助力水平。
如果由电动马达根据行进负载的增大或减小产生适当水平的辅助力，则可以以更适合于骑乘者的骑乘的感觉的方式来控制电动辅助自行车。
本发明提供了电力辅助系统和包括该电力辅助系统的电动辅助车辆，当车辆在上行斜坡或下行斜坡上行驶时，该电力辅助系统产生适当水平的辅助力。
解决问题的技术方案
根据本发明的能够用于电动辅助车辆的示意性电力辅助系统包括：电动马达，其产生辅助力以辅助电动辅助车辆的骑乘者的人力；控制装置，其控制要由电动马达产生的辅助力的大小；和加速度传感器，其输出表示电动辅助车辆的行进方向上的加速度Gx的加速度信号。控制装置基于外部信号来获取表示电动辅助车辆的行驶速度的速度信息。控制装置基于速度信息和加速度信号来检测路面的倾斜角，并且使电动马达产生与倾斜角相对应的大小的辅助力。
电力辅助系统的控制装置，不管电动辅助车辆是停止还是正在行驶，均基于速度信息和加速度信号来检测路面的倾斜角，并且使电动马达产生与倾斜角相对应的大小的辅助力。
例如，在检测到斜坡为上行时，控制装置随着倾斜角增大而增大辅助力。利用这种结构，当骑乘者感觉到负载较重时，可以在上行斜坡上启动时适当地辅助骑乘者的人力。在检测到斜坡为下行时，控制装置随着倾斜角增大而减小辅助力。利用这种结构，在下行斜坡上不会产生高辅助力，因此抑制了下行斜坡上的加速度。
在上行斜坡上，辅助力增大。因此，电力消耗大于常规处理。然而，在下行斜坡上，控制装置在检测到斜坡为下行时减小辅助力。因此，在下行斜坡上，电池的电力消耗比常规处理被抑制得更多。因此，电池的电力消耗与常规处理大致相同，同时改善了骑乘者的舒适度。
控制装置使用作为行进方向的第一方向上的加速度Gx和速度V来检测路面的倾斜角。加速度传感器可以是仅用于行进方向的单轴传感器，因此可以以较低的成本获取。
在实施例中，电力辅助系统还包括速度传感器，速度传感器输出与电动辅助车辆的移动速度相对应的信号。控制装置基于从速度传感器接收的与移动速度相对应的信号来获取速度信息。控制装置基于速度信息和加速度信号来检测路面的倾斜角。
控制装置使用在电动辅助车辆行驶时从加速度传感器输出的加速度信号和从速度传感器输出的速度信号，来检测路面的倾斜角。速度传感器安装在通用电力辅助系统上，并且成本相对较低。因此，无需使用高性能和高成本的陀螺传感器或加速度传感器，并且以整体上低成本的结构计算倾斜角。
在实施例中，电动马达包括转子和位置检测传感器，位置检测传感器在转子旋转时检测电动马达的转子的位置。控制装置基于位置检测传感器的输出来求出转子的转速ω，并且将转速ω乘以常数以获取速度信息。即使在车辆不包括速度传感器的情况下，或者甚至在速度传感器发生故障的情况下，也基于电动马达的转速获取速度信息。
在实施例中，电动辅助车辆包括变速机构，变速机构包括多个变速齿轮范围并且输出表示当前选择的变速齿轮范围的数据。电动马达包括转子并且还包括位置检测传感器，位置检测传感器在转子旋转时检测转子的位置。控制装置获取表示变速齿轮范围的数据，基于位置检测传感器的输出来求出转子的转速ω，并且基于转速ω和表示变速齿轮范围的数据来获取速度信息。即使在车辆不包括速度传感器的情况下，或者甚至在速度传感器发生故障的情况下，也基于电动马达的转速获取速度信息。
在实施例中，电动辅助车辆包括转矩传感器，转矩传感器检测由骑乘者提供的踏板转矩。在踏板转矩大于预定阈值的情况下，控制装置获取速度信息并且检测路面的倾斜角。
在骑乘者不踩踏而沿下行斜坡下行时计算速度信息的情况下，尽管实际车速V不为零，但是计算的车速可能变为零。当踏板转矩超过阈值时(当骑乘者踩踏踏板时)获取速度信息，使得获取正确的速度信息。
在实施例中，控制装置计算行进方向上的速度V的时间微分值(dV/dt)，从行进方向上的加速度Gx中减去时间微分值(dV/dt)，并且将相减结果除以重力加速度G，以检测路面的倾斜角。由行驶产生的行进方向上的实际加速度和重力加速度用于高精度地计算倾斜角。
在实施例中，控制装置可以对通过将相减结果除以重力加速度G而获得的相除结果执行逆正弦变换，以检测路面的倾斜角。控制装置包括表格，表格将多个角度中的每一个与每一个角度的正弦函数的计算值建立对应关系。控制装置将相减结果除以重力加速度G并参照表格获取与相除结果相对应的角度，并且将角度检测为路面的倾斜角。通过将来自加速度传感器的加速度Gx与速度V的微分值(即，加速度值)之差除以重力加速度G所获得的值是倾斜角的正弦值。控制装置可以使用该关系来高精度地计算路面的倾斜角。
根据本发明的示意性电动辅助车辆包括：上述电力辅助系统中的任一项；和速度传感器，其根据电动辅助车辆的移动速度来输出信号。因此，电动辅助车辆具有任何上述电力辅助系统的确切优点。
根据本发明的能够用于电动辅助车辆的示意性电力辅助系统包括：电动马达，其产生辅助力以辅助电动辅助车辆的骑乘者的人力；控制装置，其控制要由电动马达产生的辅助力的大小；和加速度传感器，其输出表示作为电动辅助车辆的行进方向的第一方向上的加速度Gx和垂直于第一方向和路面两者的第二方向上的加速度Gz中的至少一个的加速度信号。控制装置使用加速度信号来检测电动辅助车辆处于停止状态，基于停止状态下输出的加速度信号来检测路面的倾斜角，并且使电动马达在骑乘者开始踩踏电动辅助车辆时产生与倾斜角相对应的大小的辅助力。
电力辅助系统使用传感器的输出信号来检测电动辅助车辆处于完全停止状态，并且在停止状态下检测倾斜角。利用这种结构，可以高精度地检测倾斜角。因此，产生适当水平的辅助力，并且改善在需要辅助的斜坡上启动时骑行的便利性。
例如，在检测到斜坡为上行时，控制装置随着倾斜角变大而增大辅助力。利用这种结构，当骑乘者感觉到负载较重时，在上行斜坡上启动时适当地辅助骑乘者的人力。在检测到斜坡为下行时，控制装置随着倾斜角变大而减小辅助力。利用这种结构，在下行斜坡上不会产生高辅助力，因此抑制了下行斜坡上的加速度。
电力辅助系统仅使用加速度传感器来判定电动辅助车辆处于停止状态并且检测倾斜角。因此，无需提供各种传感器，并且抑制了成本的增大。安装传感器的空间减小，并且结构简化。
在实施例中，控制装置还包括停止检测电路，停止检测电路基于从加速度传感器输出的加速度信号来检测电动辅助车辆处于停止状态。
在实施例中，在表示第一方向上的加速度Gx和第二方向上的加速度Gz中的至少一个的加速度信号满足预定的停止判定条件的情况下，停止检测电路检测出电动辅助车辆停止。
在实施例中，停止判定条件包括关于加速度信号的信号电平的范围的条件和关于加速度信号在信号电平的范围内的时间段的条件。
在实施例中，加速度传感器是输出表示第一方向上的加速度Gx的第一加速度信号和表示第二方向上的加速度Gz的第二加速度信号的双轴加速度传感器或三轴加速度传感器。停止检测电路存储关于第一加速度信号和第二加速度信号中的每一个的停止判定条件。
根据本发明的能够用于电动辅助车辆的另一示意性电力辅助系统包括：电动马达，其产生辅助力以辅助电动辅助车辆的骑乘者的人力；控制装置，其控制要由电动马达产生的辅助力的大小；和加速度传感器，其输出表示作为电动辅助车辆的行进方向的第一方向上的加速度Gx和垂直于第一方向和路面两者的第二方向上的加速度Gz中的至少一个的加速度信号。控制装置接收基于来检测电动辅助车辆是停止还是正在行驶的检测信号，检测信号从输出检测信号的至少一个传感器接收，并且控制装置基于检测信号来检测电动辅助车辆处于停止状态。控制装置基于在停止状态下输出的加速度信号来检测路面的倾斜角，并且使电动马达在骑乘者开始踩踏电动辅助车辆时产生与倾斜角相对应的大小的辅助力。
控制装置使用传感器的输出信号来检测电动辅助车辆处于完全停止状态，并且在停止状态下检测倾斜角。利用这种结构，可以高精度地检测倾斜角。因此，产生适当水平的辅助力，并且改善在需要辅助的斜坡上启动时骑行的便利性。
例如，在检测到斜坡为上行时，控制装置随着倾斜角变大而增大辅助力。利用这种结构，当骑乘者感觉到负载较重时，在上行斜坡上启动时适当地辅助骑乘者的人力。在检测到斜坡为下行时，控制装置随着倾斜角变大而减小辅助力。利用这种结构，在下行斜坡上不会产生高辅助力，因此抑制了下行斜坡上的加速度。
在实施例中，控制装置还包括停止检测电路，停止检测电路基于从至少一个传感器输出的检测信号来检测电动辅助车辆停止。
在实施例中，至少一个传感器是速度传感器、转矩传感器、曲柄旋转传感器和检测电动马达的旋转的霍尔传感器中的一个或多个传感器。在检测信号满足预定的停止判定条件的情况下，停止检测电路检测出电动辅助车辆停止。
在实施例中，在至少一个传感器是检测电动辅助车辆的速度的速度传感器的情况下，停止检测电路在检测信号满足速度低于预定速度的停止判定条件的情况下，检测出电动辅助车辆停止。
在实施例中，电力辅助系统还包括曲柄轴，踏板附装到曲柄轴。在至少一个传感器是检测通过踏板上的踩踏而施加到曲柄轴的转矩的转矩传感器的情况下，停止检测电路在检测信号满足转矩低于预定转矩值的停止判定条件的情况下，检测出电动辅助车辆停止。
在实施例中，电力辅助系统还包括曲柄轴，踏板附装到曲柄轴。在至少一个传感器是检测曲柄轴的旋转的曲柄旋转传感器的情况下，停止检测电路在检测信号满足曲柄轴在预定时间段内的转数为零的停止判定条件的情况下，检测出电动辅助车辆停止。
在实施例中，在至少一个传感器是霍尔传感器的情况下，停止检测电路在检测信号满足电动马达在预定时间段内的转数为零的停止判定条件的情况下，检测出电动辅助车辆停止。
在实施例中，控制装置包括：坡度计算电路，其基于在停止状态下输出的加速度信号来计算倾斜角，辅助力计算电路，其根据倾斜角来确定辅助力的大小，和马达驱动电路，其在骑乘者开始踩踏电动辅助车辆时使电动马达产生由辅助力计算电路确定的辅助力。坡度计算电路通过使用重力加速度G来执行arcsin(Gx/G)或arccos(Gz/G)的计算，以求出倾斜角。
在实施例中，加速度传感器是输出表示第一方向上的加速度Gx的第一加速度信号和表示第二方向上的加速度Gz的第二加速度信号的双轴加速度传感器或三轴加速度传感器。
在实施例中，控制装置包括：坡度计算电路，其基于在停止状态下输出的加速度信号来计算倾斜角，辅助力计算电路，其根据倾斜角来确定辅助力的大小，和马达驱动电路，其在骑乘者开始踩踏电动辅助车辆时使电动马达产生由辅助力计算电路确定的辅助力。坡度计算电路通过使用重力加速度G执行arcsin(Gx/G)、arccos(Gz/G)和arctan(Gx/Gz)的计算中的至少一个，以求出倾斜角。
在实施例中，辅助力计算电路预先存储定义倾斜角的大小与辅助力的大小之间的对应关系的规则，并且使用由坡度计算电路计算的倾斜角和规则来确定辅助力的大小。
在实施例中，电力辅助系统还包括开关，开关用于供骑乘者在电动辅助车辆行驶时选择辅助力的大小不同的多个驱动模式中的一个。辅助力计算电路预先存储针对每个驱动模式的规则，并且当骑乘者开始踩踏电动辅助车辆时，使用由坡度计算电路计算的倾斜角和与通过使用开关选择的驱动模式相对应的规则，来确定辅助力的大小。
在实施例中，辅助力计算电路预先存储以倾斜角的大小为输入并且以辅助力的大小为输出的函数作为规则。
在实施例中，函数是不连续函数、线性连续函数和非线性连续函数中的至少一个。
在实施例中，辅助力计算电路预先存储将倾斜角的大小和辅助力的大小建立对应关系的表格。
在实施例中，坡度计算电路使用通过低通滤波处理的第一加速度信号和第二加速度信号来计算倾斜角。
在实施例中，控制装置在踩踏的开始是骑乘者至多踩踏电动辅助车辆5次的时间点时，使电动马达根据倾斜角产生辅助力。
在实施例中，控制装置在踩踏的开始是骑乘者至多踩踏电动辅助车辆3次的时间点时，使电动马达根据倾斜角产生辅助力。
在实施例中，在倾斜角是电动辅助车辆的行进方向上的仰角的情况下，当骑乘者开始踩踏电动辅助车辆时，控制装置随着倾斜角增大，使电动马达产生足够大的辅助力。
在实施例中，在倾斜角是电动辅助车辆的行进方向上的俯角的情况下，当骑乘者开始踩踏电动辅助车辆时，控制装置随着倾斜角增大，使电动马达产生足够小的辅助力。
根据本发明的示意性电动辅助车辆包括上述电力辅助系统中的任一项。
根据本发明的示意性电动辅助车辆包括以上述各种形式中的任一项的电力辅助系统；和至少一个传感器。
发明的有益效果
根据本发明的示意性实施例，在电动辅助车辆处于完全停止状态的状态下，加速度传感器的检测信号用于检测倾斜角。当电动辅助车辆处于停止状态时，以高精度检测倾斜角。因此，产生适当水平的辅助力。因此，改善在需要辅助的斜坡上启动时骑行的便利性。
附图说明
图1是示出根据本发明的示意性实施例的电动辅助自行车1的侧视图。
图2是主要示出控制器70的结构的硬件块图。
图3是控制面板60的外观图。
图4A是电动辅助自行车1在平坦道路上的静负载相关图。
图4B是电动辅助自行车1在具有倾斜角θ的斜坡上的静负载相关图。
图5A示出了非线性函数Fs-1至Fs-N，其表示在可选辅助模式1至N(N：2或更大的整数)中的倾斜角θ与辅助比率之间的关系。
图5B示出了倾斜角θ与辅助比率之间的关系的第二示例。
图5C示出了倾斜角θ与辅助比率之间的关系的第三示例。
图6是示出由电动辅助自行车1的驱动单元51执行的处理的过程的流程图。
图7示出了非线性函数的示例，其示出了当电动辅助自行车1沿斜坡向下行驶时能够应用的倾斜角θ与辅助比率之间的关系。
图8A示出了当电动辅助自行车1沿斜坡向上行驶时倾斜比率θ与辅助比率之间的关系。
图8B示出了当电动辅助自行车1沿斜坡向下行驶时倾斜比率θ与辅助比率之间的关系。
图9是主要示出控制器170的结构的硬件块图。
图10A是假定电动辅助自行车10在具有倾斜角θ的斜坡上处于静止状态时，电动辅助自行车10的静负载相关图。
图10B示出了在斜坡上行驶的电动辅助自行车1的加速度传感器38输出加速度信号“+α”。
图11A是示出电动辅助自行车10的车速V的变化的图表。
图11B是示出在电动辅助自行车10的行进方向上的加速度Gx的变化的图表。
图11C示出了估计的路面的倾斜角(实线)和实际测量的路面的倾斜角(虚线)的图表。
图12是示出由电动辅助自行车10的驱动单元51执行的处理的过程的流程图。
具体实施方式
在下文中，将参照附图描述根据本发明的电力辅助系统和电动辅助车辆的实施例。作为电动辅助车辆的实施例，将描述电动辅助自行车。在下面的描述中，术语“倾斜角”的“倾斜”表示路面相对于电动辅助自行车的行进方向(前进方向)的倾斜，即，上升方向和下降方向(所谓的俯仰方向)上的倾斜。应注意，“倾斜”不同于相对于前进方向的左右方向(所谓的翻滚方向)上的倾斜。
(实施例1)
通常，电动辅助自行车的骑乘者在开始踩踏自行车时感觉到负载很重。特别是当在上行斜坡上开始踩踏自行车时，骑乘者需要用较大的力踩踏。因此，为了在上行斜坡上启动自行车，认为需要操作电动马达以产生辅助力。相反，为了在下行斜坡上启动自行车，多数情况下无需高辅助力。
根据本公开的示意性实施例的电动辅助自行车在停止状态下计算倾斜角，并且根据倾斜角的大小产生辅助力。
图1是示出根据本实施例的电动辅助自行车1的侧视图。电动辅助自行车1包括下面详细描述的驱动单元51。电动辅助自行车1是根据本发明的电动辅助车辆的示例。驱动单元51是根据本发明的电力辅助系统的示例。
电动辅助自行车1包括沿前后方向延伸的车体框架11。车体框架11包括头管12、下管5、托架6、链撑7、座管16和座撑19。头管12位于车体框架11的前端。把手杆13可旋转地插入头管12中。把手14固定到把手杆13的顶端。前叉15固定到把手杆13的底端。作为转向轮的前轮25可旋转地支撑在前叉15的底部。前叉15设置有对前轮25进行制动的制动器8。前篮21设置在头管12的前方。前叉15设置有头灯22。
下管5从头管12向后并向下倾斜地延伸。座管16从下管5的后端向上延伸。链撑7从座管16的底端向后延伸。托架6将下管5的后端、座管16的底端和链撑7的前端彼此连接。
座杆17插入座管16中，并且骑乘者就坐的鞍座27设置在座杆17的顶端。链撑7的后部支撑作为驱动轮的后轮26，使得后轮26可旋转。对后轮26进行制动的制动器9设置到链撑7的后部。支架29设置到链撑7的后部。当电动辅助自行车1停放时，支架29保持电动辅助自行车1的两个车轮都竖立。座撑19从座管16的顶部向后并向下倾斜地延伸。座撑19的底端与链撑7的后部连接。座撑19支撑设置到鞍座27的后方的载物台24并且还支撑覆盖后轮26的顶部的挡泥板18。尾灯23设置到挡泥板18的后方。
位于车体框架11上的在车辆中心附近的位置处的托架6设置有驱动单元51。驱动单元51包括电动马达53、曲柄轴57、控制器70和加速度传感器38。向电动马达53等供电的电池56安装在托架6上。电池56可以由座管16支撑。
曲柄轴57在左右方向上贯穿驱动单元51的状态下被支撑。曲柄臂54设置在曲柄轴57的两端。踏板55可旋转地设置在每个曲柄臂54的末端。
控制器70是控制电动辅助自行车1的操作的控制装置。控制器70通常是能够处理数字信号的半导体集成电路，例如微控制器、信号处理器等。当骑乘者用他/她的脚踩踏并旋转踏板55时产生的曲柄轴57的旋转输出经由链条28传递至后轮26。控制器70控制电动马达53以根据曲柄轴57的旋转输出产生辅助力。从电动马达53产生的辅助力经由链条28传递至后轮26。可以使用带、轴等来代替链条28。
一种类型的电动辅助自行车将人力和辅助力传递至曲柄轴57，并且经由链条28等将合力传递至后轮26。根据本公开的技术可以应用于通过链条28等使人力和辅助力合成的电动辅助自行车(图1)并且还可以应用于通过曲柄轴57将人力和辅助力合成的电动辅助自行车。
在该实施例中，控制器70接收从下述传感器组中的一个或多个传感器输出的检测信号，并且基于检测信号来检测电动辅助自行车1当前是停止还是正在行驶。在检测到电动辅助自行车1当前处于停止状态时，控制器70基于在停止状态下从加速度传感器输出的加速度信号来检测路面的倾斜角，并且使电动马达在骑乘者开始踩踏电动辅助自行车1时产生与倾斜角相对应的大小的辅助力。相比于当电动辅助自行车1正在行驶时，当电动辅助自行车1停止时由加速度传感器检测到的加速度信号具有更高的精度。即，通过使用在停止状态下输出的加速度信号所检测到的倾斜角的精度更高。由于产生了与倾斜角相对应的适当水平的辅助力，因此改善了当电动辅助自行车1在需要辅助的斜坡上启动时的乘坐舒适性。
能够用于检测电动辅助自行车1当前是停止还是正在行驶的传感器组包括例如速度传感器、转矩传感器、曲柄旋转传感器、以及检测电动马达的旋转的霍尔传感器和加速度传感器。
在下文中，将详细描述控制器70的具体结构以及产生能够用于操作控制器70的信号的传感器组。
图2是主要示出控制器70的结构的硬件块图。图2还示出了控制器70的周边环境。在周边环境中，例如，示出了向控制器70输出信号的各种传感器以及由于控制器70的操作的结果而被驱动的驱动马达53。
首先，将描述控制器70的周边环境。
如上，控制器70包含在驱动单元51中。图2示出了同样地包含在驱动单元51中的加速度传感器38、转矩传感器41、曲柄旋转传感器42、电动马达53和马达驱动电路85。
加速度传感器38是检测电动辅助自行车1的车辆主体的加速度的几毫米见方的小型电子部件。加速度传感器38例如是压阻型、静电电容型或热敏型的三轴加速度传感器。一个这样的三轴加速度传感器能够测量彼此垂直的三个轴向方向(X轴、Y轴和Z轴方向)中的每一个的加速度。
在本说明书中，彼此垂直的三个轴向方向(X轴、Y轴和Z轴方向)不是绝对坐标系，而是相对坐标系。更具体地，彼此垂直的三个轴向方向(X轴、Y轴和Z轴方向)分别是包括加速度传感器38的电动辅助自行车1的前后方向、左右方向和上下方向。电动辅助自行车1的前方与其行进方向匹配，并且电动辅助自行车1的上下方向与垂直于路面的方向匹配。因此，在平坦道路上行驶的电动辅助自行车1的X轴、Y轴和Z轴可能与在斜坡上行驶的电动辅助自行车1的X轴、Y轴和Z轴不匹配。
为了允许加速度传感器38测量电动辅助自行车1的前后方向、左右方向和上下方向上的加速度值，可以想到各种方法。例如，加速度传感器38可以附装到驱动单元51，使得加速度传感器38的X轴、Y轴和Z轴分别匹配车辆的前后方向、左右方向和上下方向。这种附装加速度传感器38的方式表明加速度传感器38放置在水平表面上。
加速度传感器38放置在电子电路板(未示出)上。在电子板上还放置有控制部分，其包括将电力从电池传递至电动辅助自行车1的每个电子部件的电源、马达驱动电路85和诸如控制器70等的各种IC芯片。这些元件各自均是包含在上述电子电路板的控制部分中的部件。
出于尺寸限制等原因，上述电子电路板可以竖立在驱动单元51中。在这种情况下，加速度传感器38未放置在水平表面上。因此，从加速度传感器38输出的加速度值需要比在加速度传感器38放置在水平表面上的情况下要输出的加速度值小与加速度传感器38附装到驱动单元51的角度相对应的大小。换句话说，需要执行检测方向校正。检测方向校正的具体处理内容是已知的，并且在本说明书中将不再详细描述。可以预先校正加速度传感器38的输出值，使得加速度传感器38的关于X轴、Y轴和Z轴的输出值被测量为电动辅助自行车1在前后方向、左右方向和上下方向上的加速度值。
优选地，加速度传感器38位于靠近电动辅助自行车1的重心的位置。如图1所理解地，驱动单元51靠近踏板55。因此，加速度传感器38被认为靠近电动辅助自行车1的重心。
为了防止加速度传感器38受到电子电路板的安装方向的限制，可以想到，将加速度传感器38与电子电路板分离设置。在加速度传感器38和电子电路板彼此分离的情况下，加速度传感器38可以以更高的精度更靠近电动辅助自行车1在静止状态下的重心。
三轴加速度传感器是加速度传感器38的示例。加速度传感器38只需要能够测量X轴方向上的加速度Gx和Z轴方向上的加速度Gz中的至少一个。或者，可以采用能够测量X轴方向上的加速度Gx和Z轴方向上的加速度Gz中的至少一个的双轴加速度传感器。又或者，可以使用多个加速度传感器来分别测量不同轴向方向上的加速度。例如，在不使用Z轴方向上的加速度Gz的情况下，加速度传感器38可以仅输出X轴方向上的加速度Gx，或者可以输出X轴方向上的加速度Gx和Y轴方向上的加速度Gy。
转矩传感器41将骑乘者施加到每个踏板55的人力(踏板力)作为在曲柄轴57处产生的转矩来检测。检测到的转矩的大小作为电压信号的振幅输出。转矩传感器41可以包括转矩计算电路(未示出)，其将电压信号转换为转矩。转矩计算电路将例如输出模拟电压信号转换为数字电压信号。检测到的转矩的大小作为数字电压信号的值输出。如上所述，转矩传感器41可以输出模拟信号或数字信号。
曲柄旋转传感器42检测曲柄轴57的旋转角度。例如，曲柄旋转传感器42以每个预定的角度检测曲柄轴57的旋转，并输出矩形波信号或正弦波信号。输出信号可以用于计算曲柄轴57的旋转角度和转速。曲柄旋转传感器42可以包括计算电路，其基于输出信号计算曲柄轴57的旋转角度和转速。
马达驱动电路85例如是反相器。马达驱动电路85根据来自控制器70的马达电流指令值，将具有振幅、频率、流动方向等的电流从电池56供给至电动马达53。被供给有电流的电动马达53旋转以产生确定大小的辅助力。辅助力经由动力传递机构31传递至后轮26。动力传递机构31是例如使电动马达53的旋转减速的减速器(未示出)、链条28和设置在后轮26的具有多个变速齿轮范围的变速机构(未示出)的统称。利用上述结构，对电动辅助自行车1的骑乘者的人力进行辅助。变速机构能够输出表示当前选择的变速齿轮范围的数据。
霍尔传感器46检测电动马达53的旋转。霍尔传感器46检测由电动马达53的旋转的转子(未示出)产生的磁场，并且根据磁场的强度或极性来输出电压信号。基于从霍尔传感器46输出的电压信号来获知通过旋转而改变的转子的位置。霍尔传感器46是位置检测传感器。霍尔传感器46可用于求出转子的转速。
控制器70接收从转矩传感器41和曲柄旋转传感器42中的每一个输出的检测信号和从操作面板60输出的操作信号，并且确定辅助力的大小。控制器70将马达电流指令值(所确定大小的辅助力基于该值产生)传递至马达驱动电路85。结果，电动马达53旋转，并且电动马达53的动力传递至后轮。以这种方式，电动马达53的动力被添加到骑乘者的人力上。
通常，在从各种传感器中的任何一个输出的检测信号是模拟信号的情况下，将模拟信号转换为数字信号的A/D转换电路(未示出)可以设置在将检测信号输入到控制器70之前的阶段。A/D转换电路可以设置在每个传感器中，或者可以设置在驱动单元51中的每个传感器与控制器70之间的信号路径上。或者，A/D转换电路可以设置在控制器70中。
在该实施例中，当检测到电动辅助自行车1处于停止状态然后检测到骑乘者开始踩踏已经处于停止状态的电动辅助自行车1时，控制器70使电动马达53产生与电动辅助自行车1在停止位置的倾斜角相对应的大小的辅助力。与倾斜角相对应的大小的辅助力可以根据当前选择的辅助模式而改变。可以通过骑乘者对操作面板60进行操作来选择辅助模式。
操作面板60附装到电动辅助自行车1的把手14，并且通过例如线缆与控制器70连接。操作面板60将表示骑乘者所进行的操作的操作信号传递至控制器70，并且从控制器70接收要提示给骑乘者的各种信息。
图3是示意性的控制面板60的外观图。操作面板60在例如靠近其左握把的位置处附装到把手14。
操作面板60包括显示面板61、辅助模式操作开关62和电源开关65。
显示面板61例如是液晶面板。显示面板61显示由控制器70提供的信息，该信息包括电动辅助自行车1的速度、电池56的剩余电量、关于使辅助比率改变的范围的信息、辅助模式和其他行驶信息。
显示面板61包括速度显示区域61a、电池剩余电量显示区域61b、辅助比率改变范围显示区域61c和辅助模式显示区域61d。显示面板61用作通知骑乘者这样的信息等的通知装置。在该示例中，显示面板61显示信息。或者，显示面板61可以输出音频信号以通知骑乘者该信息。
速度显示区域61a通过数字显示电动辅助自行车1的速度。在该实施例中，电动辅助自行车1的车速由设置在前轮25上的速度传感器35检测。
电池剩余电量显示区域61b基于从电池56输出到控制器70的关于电池剩余电量的信息，来按区段显示电池56的剩余电量。通过该显示，骑乘者直观地掌握电池56的剩余电量。
辅助比率改变范围显示区域61c显示由控制器70设定的辅助比率改变的范围。该范围按区段显示。可以显示当前使用的处于变化比率内的辅助比率。
辅助模式显示区域61d显示由骑乘者操作辅助模式操作开关62而选择的辅助模式。辅助模式例如是“高”、“标准”或“自动经济”。在骑乘者操作辅助模式操作开关62以选择“辅助模式关闭”的情况下，辅助模式显示区域61d显示“无辅助”。
辅助模式选择开关62用于供骑乘者选择上述多个辅助模式(包括“辅助模式关闭”)中的一个。当选择多个辅助模式中的一个时，设置在操作面板60内的微控制器(未示出)将指定所选辅助模式的操作信号传递至控制器70。
电源开关65是用于接通或断开电动辅助自行车1的电源的开关。骑乘者按下电源开关65以接通或断开电动辅助自行车1的电源。
操作面板60还包括通过音频信号向骑乘者提供必要信息的扬声器63和通过光向骑乘者提供必要信息的灯64。例如，当控制器70检测到骑乘者从停止状态开始踩踏电动辅助自行车1时，电动辅助自行车1根据其位置处的倾斜角产生辅助力。此时，通过例如音频信号的输出和/或光的闪烁通知骑乘者：检测到骑乘者已经开始踩踏电动辅助自行车1并且除了平常的辅助力之外，还施加了与倾斜角相对应的辅助力。“平常的辅助力”是根据骑乘者对踏板55施加的踏板力而施加的辅助力。作为通知的结果，骑乘者识别出产生比平常的辅助力大的辅助力。或者，可以振动把手14和/或鞍座27以通知骑乘者：已经检测到骑乘者开始踩踏电动辅助自行车1并且施加了与倾斜角相对应的辅助力。
当施加与倾斜角相对应的辅助力时，可以使扬声器63产生电动辅助自行车1周围的人可听见的音量的音频信号，或者可以使头灯22和尾灯23点亮或闪烁。利用这种结构，电动辅助自行车1周围的人识别出电动辅助自行车1开始移动并且电动辅助自行车1产生比平常的辅助力大的辅助力。
电动马达53的辅助力响应于曲柄旋转输出，在“高”模式中最高，在“自动经济”模式中最低，并且在“标准”模式中为中等。
在辅助模式为“标准”的情况下，当电动辅助自行车1启动、在平坦道路上行驶或在上行斜坡上行驶时，电动马达53产生辅助力。在辅助模式为“高”的情况下，与辅助模式为“标准”的情况同样地，当电动辅助自行车1启动、在平坦道路上行驶或在上行斜坡上行驶时，电动马达53产生辅助力。响应于相同的曲柄旋转输出，电动马达53在辅助模式为“高”的情况下产生比在辅助模式为“标准”的情况下更高的辅助力。在辅助模式为“自动经济”的情况下，电动马达53根据行驶状况适当地改变辅助力的大小。即，与辅助模式为“高”或“标准”的情况不同，辅助力的大小不是常数。在辅助模式为“无辅助模式”的情况下，电动马达53不产生任何辅助力。
如上所述，响应于曲柄旋转所输出的辅助力根据上述辅助模式而变化。在该示例中，辅助模式切换到四个阶段中的任何一个。或者，辅助模式可以切换到三个阶段以下中的任何阶段，或者五个阶段以上中的任何阶段。
现在，将再次参照图2描述控制器70的内部结构，然后，将描述控制器70的操作。
控制器70包括平均化电路80、停止检测电路81、坡度计算电路82和辅助力计算电路83。在该实施例中，控制器70将被描述为包括多个电路的集成电路。这种结构仅仅是示例。由一个或多个电路实现的处理可以通过使用一个信号处理器的软件来实现。
平均化电路80是数字滤波电路，其将从加速度传感器38输出的每个轴向方向上的检测信号平滑化。平均化电路80可以例如计算多个检测信号的移动平均值，以使检测信号平滑化。可以使用另一种平滑化算法。在该实施例中，使用平均化电路80。然而，根据本发明，设置平均化电路80并不是必不可少的。
停止检测电路81判定电动辅助自行车1是否满足预定车辆停止条件。当判定满足预定车辆停止条件时，停止检测电路81将指示电动辅助自行车1当前停止的信号输出到坡度计算电路82。
可以存在各种车辆停止条件。车辆停止条件的示例(A)至(C)如下所示。在该实施例中，当满足多个阈值条件(0)至(7)中的两个以上时，认为满足每个车辆停止条件。阈值条件(0)至(7)中的数值是示例。数值可以根据开发电动辅助自行车1时假定的骑乘者的性别或年龄、销售区域等而变化。
阈值条件：
(0)持续3秒以上
(1)-100mG<Gx<100mG
(2)-100mG<Gy<100mG
(3)-100mG<Gz<100mG
(4)速度传感器检测到的速度<2km/h
(5)转矩传感器检测到的转矩值<10Nm
(6)曲柄传感器检测到的每单位时间的转数<5rpm
(7)马达的每单位时间的转数<100rpm
车辆停止条件：
(A)同时满足阈值条件(0)和阈值条件(1)或(4)
(B)同时满足阈值条件(0)、阈值条件(1)、和阈值条件(2)至(7)中的一个或多个
(C)同时满足阈值条件(0)、阈值条件(4)、和阈值条件(1)至(3)和(5)至(7)中的一个或多个
阈值条件(6)表示曲柄轴57的每单位时间的转数，但是可以转换为曲柄轴57在每单位时间内旋转的角度。在上述示例中，阈值条件(6)可以替换为“曲柄传感器在1分钟内检测到的曲柄轴57的旋转角度<1800度”。这适用于由阈值条件(7)表示的电动马达53的每单位时间的转数。在本说明书中，“每单位时间的转数”可以简称为“转数”。
关于车辆停止条件(A)，可以通过仅使用加速度传感器38输出的检测信号来判定是否同时满足阈值条件(0)和(1)的条件。车辆停止条件(B)还可以包括可以通过仅使用加速度传感器38输出的检测信号来进行判定的条件。只要同时满足上述条件，则电动辅助自行车1可以被认为是停止的。本发明可以包括这样的形式，其中，通过仅使用加速度传感器38来判定电动辅助自行车1是否处于停止状态。由于判定电动辅助自行车1是否处于停止状态所需的传感器的数量减少，因此结构简化并且驱动单元51的成本降低。
坡度计算电路82通过使用从加速度传感器38输出的检测信号来计算电动辅助自行车1的当前位置处的坡度(倾斜角)θ。在该实施例中，坡度计算电路82在从停止检测电路81接收到表示电动辅助自行车1当前停止的信号时计算倾斜角θ。由于无需不断地计算倾斜角，因此抑制了计算负载。因此，这种计算降低了对电池56的剩余电量的影响。
可以存在通过坡度计算电路82来计算倾斜角θ的各种方法。在重力加速度为“G”的情况下，X轴方向上的加速度为“Gx”，并且Z轴方向上的加速度为“Gz”，倾斜角θ可以通过以下数值表达式(i)至(iii)中的任何一个求出。
(i)θ＝arcsin(Gx/G)
(ii)θ＝arccos(Gz/G)
(iii)θ＝arctan(Gx/Gz)
从数值表达式(i)至(iii)可以清楚地看出，重力加速度G是已知的。因此，只要求出X轴方向上的加速度Gx和Z轴方向上的加速度Gz中的至少一个，则坡度计算电路82就能求出倾斜角θ。在求出加速度Gx和Gz两者的情况下，可以使用数值表达式(i)至(iii)中的两个或三个来求出倾斜角θ。坡度计算电路82可以使用获得的多个倾斜角θ来求出一个倾斜角θ。例如，坡度计算电路82可以求出获得的多个倾斜角θ的平均值，并采用该平均值作为倾斜角。通过以上描述显而易见的是，坡度计算电路82可以使用数值表达式(i)至(iii)中的至少一个来求出倾斜角。
现在，将具体描述上述数值表达式(iii)。在以下示例中，假定加速度传感器38能够至少求出X轴方向上的加速度Gx和Z轴方向上的加速度Gz。
图4A是电动辅助自行车1在平坦道路上的静负载相关图。图4B是电动辅助自行车1在具有倾斜角θ的斜坡上的静负载相关图。在图4A和图4B中，电动辅助自行车1的质量用“M”表示，重力加速度用“G”表示，X轴方向上的加速度Gx用“α”表示，并且倾斜角用“θ0”表示。
将参照图4A。在电动辅助自行车1为存在于其重心位置的质点的情况下，重力M·G在竖直向下方向上施加到电动辅助自行车1。加速度传感器38受到重力的影响。因此，在电动辅助自行车1静止的状态下，加速度传感器38检测作用在竖直向下方向(例如，Z轴方向的负方向)上的重力加速度G。
在电动辅助自行车1静止的状态下，电动辅助自行车1接收来自地面的竖直向上方向上的阻力M·G，其抵消竖直向下方向上的重力M·G。由于电动辅助自行车1处于抵抗重力的静止状态，因此电动辅助自行车1在抵消重力加速度的向上方向上加速。即，加速度传感器38检测竖直向上方向(Z轴方向的正方向)上的加速度G。
在图4B中情况是相同的。在斜坡上静止的状态下，电动辅助自行车1抵抗重力在斜坡下行方向上的分量(抵抗M·G·sinθ0)而静止。在斜坡下行方向为负的情况下，此状态下的加速度为-G·sinθ0。在斜坡上静止的电动辅助自行车1在斜坡上行方向上以G·sinθ0的大小加速，以抵消斜坡下行方向上的加速度(以抵消G·sinθ0)。即，加速度为+G·sinθ0。考虑到这种关系，通过以下表达式求出倾斜角θ0。
tanθ0＝M·G·sinθ0/M·G·cosθ0
＝(X轴方向上的加速度值)/(Z轴方向上的加速度值)
＝Gx/Gz
以这种方式，通过上述数值表达式(iii)求出倾斜角。该数值表达式适用于在电动辅助自行车1的电源关闭的状态下，在骑乘者刚按下电源开关65以接通电源之后，求出斜坡的倾斜角。
通过以上描述可以理解，在车辆处于静止状态并且加速度Gx的符号为正的情况下，可以判定电动辅助自行车1相对于斜坡朝向上行，而在车辆处于静止状态并且加速度Gx的符号为负的情况下，可以判定电动辅助自行车1相对于斜坡朝向下行。通常，当在上行斜坡中开始踩踏电动辅助自行车1时，骑乘者需要更高的辅助力。坡度计算电路82也可以仅当加速度Gx为正值时计算倾斜角θ。
辅助力计算电路83执行计算并输出控制信号，以使电动马达53以与倾斜角相对应的辅助比率旋转。在该实施例中，辅助力计算电路83包括执行多种类型的处理的块。具体地，辅助力计算电路83包括辅助比率确定块83a、马达电流指令值计算块83b和马达电流指令值校正块83c。每个块可以作为计算核心安装在辅助力计算电路83中，或者可以作为电脑程序的子程序或程序库来安装。
辅助比率确定块83a接收坡度计算电路82计算的关于倾斜角θ的数据和指定由骑乘者使用操作面板60而选择的辅助模式的数据，并确定辅助比率。“辅助比率”是由电动马达53产生的辅助力相对于由施加到踏板55的骑乘者的人力所产生的曲柄旋转输出的比率。曲柄旋转输出是曲柄轴57上产生的转矩(其通过骑乘者的人力施加到踏板55而产生)与曲柄轴57的转速的乘积。辅助比率也可以被称为驱动辅助比率。
图5A示出了非线性函数Fs-1至Fs-N，其表示在可选辅助模式1至N中的倾斜角θ与辅助比率之间的关系(N：2以上的整数)。倾斜角θ和辅助比率之间的关系可以由对于每个辅助模式不同的非线性函数表示。辅助比率确定块83a将关于每个函数的数值表达式数据存储在非易失性存储器(未示出)上。
辅助比率确定块83a从这样的多个数值表达式数据中选择与由骑乘者选择的辅助模式相对应的数值表达式数据。辅助比率确定块83a基于由坡度计算电路82计算的关于倾斜角θ的数据，来确定与倾斜角θ相对应的辅助比率。
从开始踩踏处于停止状态的电动辅助自行车1起应用图5A中所示的每个辅助模式的倾斜角θ与辅助比率之间的关系，直至满足特定条件为止。“特定条件”例如是“电动辅助自行车1在开始踩踏后被踩踏5次”。在满足特定条件之后，可以应用在正常行驶期间应用的辅助比率确定处理。图5A中所示的辅助比率高于正常行驶期间应用的辅助比率。正常行驶期间应用的辅助比率确定处理无需根据倾斜角来确定，并且可以仅基于所选择的辅助模式来确定。
存储在辅助比率确定块83a的非易失性存储器上的数据无需是关于非线性函数的数值表达式数据。例如，示出要输出的每个倾斜角和相应的辅助比率的值的表格可以存储在非易失性存储器上。
马达电流指令值计算块83b接收表示转矩传感器41检测到的踏板转矩的大小的值、表示曲柄旋转传感器42检测到的曲柄轴57的转速的大小的值和表示由骑乘者选择的辅助模式的数据，并且计算在电动马达53中流动的电流指令值。根据上述辅助比率的定义，由电动马达53产生的辅助力的大小由曲柄旋转输出的大小和根据骑乘者选择的辅助模式而应用的辅助比率确定。马达电流指令值计算块83b使用转矩传感器41检测到的踏板转矩的大小和曲柄旋转传感器42检测到的曲柄轴57的转速的大小来获取曲柄旋转输出的大小。
马达电流指令值计算块83b还从速度传感器35接收速度数据。其原因在于，在日本，当车速为预定值以上时(例如，每小时10km以上)，电动辅助自行车1的辅助力被调节为降低。马达电流指令值计算块83b还接收表示包括在动力传递机构31中的变速机构的变速齿轮范围的数据。在例如当前变速齿轮范围为低于或等于预定档的低速档的情况下，马达电流指令值计算块83b可以将在电动马达53中流动的电流设定得更低。利用这种结构，由电动马达53产生的辅助力的大小被抑制得更低，因此防止了电动辅助自行车1飞出。
马达电流指令值计算块83b基于霍尔传感器46的输出信号，来获取电动马达53的转速或每单位时间的转数。其原因在于，为了使电动马达53产生所需的辅助力，马达电流指令值计算块83b获知当前的转速或每单位时间的当前转数。
马达电流指令值计算块83b生成用于产生所需辅助力所需的马达电流的指令值，并将该指令值传递至马达电流指令值校正块83c。
马达电流指令值校正块83c接收由辅助比率确定块83a确定的辅助比率和由马达电流指令值计算块83b生成的马达电流的指令值。马达电流指令值校正块83c判定要由马达电流的指令值产生的辅助力是否与接收的辅助比率匹配。对于该判定，需要获取曲柄旋转输出的大小。因此，马达电流指令值校正块83c使用由转矩传感器41检测到的踏板转矩的大小和由曲柄旋转传感器42检测到的曲柄轴57的转速的大小。
在判定结果为辅助力与接收的辅助力不匹配的情况下，马达电流指令值校正块83c校正马达电流指令值，使得辅助力与接收的辅助比率相匹配，并且将校正的指令值输出到马达驱动电路85。
作为上述处理的结果，辅助力计算电路83使电动马达53以与倾斜角相对应的辅助比率旋转，从而获得所需的辅助力。
在倾斜角θ与辅助比率之间可存在各种关系，基于这种关系，辅助比率确定块83a确定辅助比率。在下文中，将描述多个示例。
图5B示出了倾斜角θ与辅助比率之间的关系的第二示例。在第二示例中，倾斜角θ和辅助比率之间的关系由阶梯状函数表示。图5C示出了倾斜角θ与辅助比率之间的关系的第三示例。在第三示例中，倾斜角θ与辅助比率之间的关系由线性函数表示。这些函数中的任一者能够用于代替针对图5A中所示的多个辅助模式中的每一者设置的非线性函数。
图6是示出由驱动单元51执行的处理的过程的流程图。
在步骤S10中，控制器70判定自动辅助模式切换是否有效。仅当自动辅助模式切换有效时，控制器70才使过程前进到下一步骤S11。在步骤S10中判定结果为“否”的情况下执行的处理是在假定骑乘者将辅助模式固定的情况下来设置的。在这种情况下，无需违背骑乘者的意愿来操作电动辅助自行车1。自动辅助模式切换有效的模式和自动辅助模式切换无效的模式可以通过硬件按钮或软件彼此切换。在后一种情况下，例如，可以通过按住电源按钮65来判定电动辅助自行车1是否处于禁止辅助模式切换的锁定模式。代替或除了判定自动辅助模式切换是否有效之外，电动辅助自行车1还可以设置成使得允许根据倾斜角的辅助比率改变的模式与不允许辅助比率改变的模式可以彼此切换。这些模式可以通过硬件按钮或软件彼此切换。
在步骤S11中，控制器70的辅助力计算电路83从各种传感器(例如，速度传感器35、转矩传感器41和曲柄旋转传感器42)接收检测信号。
在步骤S12中，停止检测电路81判定是否满足车辆停止条件。在满足车辆停止条件的情况下，过程前进到步骤S13。在不满足车辆停止条件的情况下，过程返回到步骤S10。
在步骤S13中，坡度计算电路82基于加速度传感器38的检测信号来计算倾斜角。基于任意上述表达式(i)至(iii)来执行倾斜角的计算。
在步骤S14中，辅助力计算电路83根据倾斜角来执行辅助比率确定处理。
在步骤S15中，在基于来自转矩传感器41、曲柄旋转传感器42等的检测信号检测到电动辅助自行车1被踩踏时，辅助力计算电路83使得根据确定的辅助比率来产生辅助力。
在步骤S16中，辅助力计算电路83判定踩踏次数是否已达到其上限。上限例如为5次。当任一踏板55到达下死点时，可以计算出电动辅助自行车1被踩踏一次。在踩踏次数达到上限的情况下，过程前进到步骤S17。在踩踏次数尚未达到上限的情况下，过程返回到步骤S15。辅助力计算电路83继续向马达驱动电路85传递控制信号，使得产生与所确定的辅助比率相对应的辅助力。
在步骤S17中，驱动单元51从电动辅助自行车1在斜坡上启动时应用的辅助模式(更具体地，辅助比率更高的辅助模式)转变为正常行驶模式。具体地，辅助力计算电路83将到目前为止使用的辅助比率改变为与设定的行驶模式相对应的辅助比率。然后，过程返回到步骤S10。
在上述步骤S13中，坡度计算电路82在车辆处于停止状态的状态下计算倾斜角θ。因此，与电动辅助自行车1行驶的情况相比，与加速度传感器38的检测信号重叠的杂讯较少。因此，坡度计算电路82以更高的精度计算倾斜角θ。由于角度由加速度传感器38检测，因此无需设置更高昂的陀螺传感器或者例如用于角度计算的计算电路来计算角度。因此，简化了结构，减少了各种部件的数量，并且减小了安装部件的空间。结果，驱动单元51的生产成本降低，因此，电动辅助自行车1的生产成本降低。
在上述步骤S16中，踩踏次数的上限被描述为例如5次。该数值仅是示例。踩踏次数的上限可以小于5次或大于5次。踩踏次数的上限可以是3次或7次。踩踏次数的上限可以设定为5，并且可以根据倾斜角的大小而改变。例如，当倾斜角较大时，上限可以增大到3次、4次，然后增大到5次。当倾斜角较小时，上限可以减小到3次，然后减小到2次。
在步骤S17中，如果电动辅助自行车1从电动辅助自行车1在斜坡上启动时应用的辅助模式(更具体地，辅助比率相对较高的辅助模式)快速转变为正常行驶模式(其中，辅助比率相对较低)，则骑乘者可能会感到不舒服。辅助力计算电路83可以改变辅助模式，使得辅助比率保持按预定的改变量改变。
随着预定的改变量减小，辅助比率顺利地改变，并且骑乘者不太可能感觉不舒服。
到目前为止，已经描述了当电动辅助自行车1从停止于斜坡的状态沿斜坡上行时相对地增大辅助比率的技术。当电动辅助自行车1沿斜坡向下行驶时，辅助比率可以改变。应当注意，当电动辅助自行车1要沿斜坡向下行驶时，可以将辅助比率设定为低于正常行驶模式中的辅助比率，以降低辅助力。
图7示出了非线性函数的示例，其表示当电动辅助自行车1沿斜坡向下行驶时可应用的倾斜角θ与辅助比率之间的关系。当电动辅助自行车1沿斜坡向下行驶时，随着倾斜角增大，辅助比率可以减小。其原因在于骑乘者开始踩踏时所需的踏板力较小。当倾斜角变为预定角度θτ以上(例如，3度以上)时，可以使辅助比率为零，以停止由电动马达53产生辅助力。
图8A和图8B各自示出了针对每个辅助模式(其使辅助比率可以具有一些幅度)的倾斜角θ和辅助比率之间的关系的示例。可以分配给每个辅助模式的辅助比率的幅度在对应的辅助模式中以带状示出。图8A示出了当电动辅助自行车1沿斜坡向上行驶时倾斜比率θ与辅助比率之间的关系。图8B示出了当电动辅助自行车1沿斜坡向下行驶时倾斜比率θ与辅助比率之间的关系。
在图8A中所示的示例中，在辅助模式1中，上行方向上的倾斜角θ与辅助比率之间的关系设定为向下突出的非线性函数。在辅助模式2中，上行方向上的倾斜角θ与辅助比率之间的关系设定为线性函数。在辅助模式N中，上行方向上的倾斜角θ与辅助比率之间的关系设定为向上突出的非线性函数。在每个示例中，在倾斜角θ为电动辅助自行车1的行进方向上的仰角的情况下，随着倾斜角增大，在开始踩踏时电动马达53产生更高的辅助力。应该注意，从图8A中可以清楚地看出，即使倾斜角(仰角)θ增大，与倾斜角θ相对应的辅助比率也存在上限。因此，要产生的辅助力也存在上限。
在图8B中所示的示例中，在辅助模式1中，下行方向上的倾斜角θ与辅助比率之间的关系设定为向上突出的非线性函数。在辅助模式2中，下行方向上的倾斜角θ与辅助比率之间的关系设定为线性函数。在辅助模式N中，下行方向上的倾斜角θ与辅助比率之间的关系设定为向下突出的非线性函数。在每个示例中，在倾斜角θ为电动辅助自行车1的行进方向上的俯角的情况下，随着倾斜角增大，在开始踩踏时电动马达53产生较低的辅助力。应当注意，当倾斜角为θτ以上时，辅助比率为零，因此不产生辅助力。即，即使倾斜角(俯角)θ增大，当倾斜角为特定角度θτ以上时，辅助比率也为零。因此，可以认为要产生的辅助力存在下限。
在图8A和图8B所示的示例中，辅助比率存在幅度。利用这种结构，除非辅助比率达到上限或下限，否则可以总是设定比当前辅助比率更高或更低的辅助比率。例如，假定当前的辅助模式设定为“高”(图3)(其中，辅助力最高)并且辅助比率的上限为“2”。在当前辅助比率为“1.5”的情况下，可以根据某个倾斜角θa的大小，使辅助比率为“1.6”或“1.9”。
或者，可以根据辅助模式改变辅助比率的改变量。例如，在倾斜角是特定角度θb的情况下，对于“高”的辅助力，当前辅助比率“1.5”可以改变为“1.7”，对于“低”的辅助力，当前辅助比率“1.0”可以改变为“1.15”，并且对于“经济”的辅助力，当前辅助比率“0.8”可以改变为“0.9”。
(实施例2)
在实施例1中，描述了在停止时计算倾斜角并且根据倾斜角的大小产生辅助力的电动辅助自行车。
根据示意性实施例2的电动辅助自行车，不管电动辅助自行车是停止还是正在行驶，都以高精度计算出路面的倾斜角，并根据倾斜角的大小产生辅助力。由这种结构实现的电动辅助自行车产生更适合于骑乘者的感觉的辅助力。电动辅助自行车使用其速度和加速度来计算路面的倾斜角。在下文中，将对其进行具体地描述。
图9是主要示出根据该实施例的电动辅助自行车10的控制器170的结构的硬件块图。电动辅助自行车10与电动辅助自行车1的不同之处在于由包含在控制器中的坡度计算电路执行的处理内容。在下文中，将详细描述包含在电动辅助自行车10中的坡度计算电路182。
电动辅助自行车10具有与图1所示的电动辅助自行车1的外观相同的外观。在图9中所示的元件中，除了下面具体描述的元件之外的元件各自具有与图2所示的电动辅助自行车1的相应元件基本相同的结构，并且以与图2所示的电动辅助自行车1的相应元件基本相同的方式操作。对于这种共同结构和这种共同操作，将结合实施例1中的描述，并且将不再提供该描述。如图9所示，加速度传感器38的检测信号在由平均化电路80处理之后被传递至坡度计算电路182。在下文中，为了方便起见，坡度计算电路182将描述为接收来自加速度传感器38的检测信号，并且将不描述平均化电路80。
坡度计算电路182通过使用从加速度传感器38输出的检测信号中的、表示行进方向上的加速度的检测信号，来计算电动辅助自行车10的当前位置的坡度(倾斜角)θ。根据该特定实施例的结构，加速度传感器可以是仅检测行进方向上的加速度的单轴传感器。与能够输出多个轴向方向上的加速度的加速度传感器相比，这种单轴加速度传感器可以以较低的成本获取。
坡度计算电路182计算倾斜角θ的时刻是任意的。坡度计算电路182可以在电动辅助自行车1行驶或停止时计算倾斜角θ。坡度计算电路182可以在特定的时间间隔内(例如，每2或3秒)恒定地计算倾斜角θ或计算倾斜角θ一次。在执行计算的时间间隔变长的情况下，计算负载减轻，因此降低了电池56的电力消耗。然而，在时间间隔太长的情况下，更新倾斜角需要很长时间，因此，可能需要一些时间来提供与倾斜角和人力相对应的辅助力。
将描述通过坡度计算电路82计算倾斜角θ的方法。
图10A是假定电动辅助自行车10在具有倾斜角θ的斜坡上处于静止状态时电动辅助自行车10的静负载相关图。在图10A中，电动辅助自行车10的质量由“M”表示，重力加速度由“G”表示，并且倾斜角由“θ”表示。
如上面参照图4B的实施例1中所描述的那样，在电动辅助自行车10在具有倾斜角θ的路面上处于静止状态的情况下，抵抗斜坡下行方向上的重力的分量的力(抵抗-M·G·sinθ的力)施加到电动辅助自行车10。力在斜坡上行方向(图中实线箭头的方向)上具有M·G·sinθ的大小(在图10A中，表示为“+M·G·sinθ”)。在这种状态下，电动辅助自行车10的加速度传感器38输出斜坡上行方向上的加速度信号+G·sinθ。
图10B表示在斜坡上行驶的电动辅助自行车10的加速度传感器38输出加速度信号“+α”。
关于斜坡上行方向，如上，即使当电动辅助自行车10处于静止状态时，加速度传感器38也输出加速度信号+G·sinθ。因此，认为图10B中所示的加速度信号“+α”可以包括电动辅助自行车10在斜坡方向上实际加速行驶时的行驶加速度β、和加速度信号+G·sinθ。α、β和sinθ之间的关系如表达式(1)所示。
α＝β+G·sinθ……(1)
结果，通过表达式(2)求出倾斜角θ。
θ＝sin-1{(α-β)/G}……(2)
在表达式(2)中，“+α”作为从加速度传感器38输出的加速度Gx而获得。电动辅助自行车10的实际加速度β通过例如电动辅助自行车10的车速V的时间微分操作而获得。可以通过使用速度传感器35来检测车速V。表达式(2)更一般地表示为表达式(3)。重力加速度G约为9.8(m/s2)，并且是常数。
θ＝sin-1{(Gx-dV/dt)/G}……(3)
控制器170的坡度计算电路182执行位于表达式(3)右侧的中间括号内的计算，并且对计算结果执行逆正弦变换，以求出倾斜角θ。具体地，坡度计算电路182从加速度传感器38获取计算所需的加速度Gx。坡度计算电路182还从速度传感器35接收速度数据以检测车速V。“速度数据”可以是表示车速V的值的数据，或者可以是用于计算车速的车速脉冲信号。
将描述使用车速脉冲信号来检测车速的处理的示例。速度传感器35可以是由例如霍尔传感器形成的1脉冲车速传感器。前轮25设置有一个磁铁。当磁铁随着前轮25的旋转而旋转时，霍尔元件在前轮25每旋转一圈时检测磁铁的磁场，并且输出一个脉冲信号。坡度计算电路182将前轮25的周长L(已知)除以获得两个连续脉冲的时间间隔T，从而检测车速V。前轮25每旋转一圈时输出的上述脉冲数仅仅是示例。脉冲数可以是例如2、4、24或30。在前轮25每旋转一圈时输出的脉冲数为N的情况下，车速V可以通过V＝L(N·T)求出。速度传感器35可以设置在后轮26上。即，速度传感器35可以设置在任一个车轮上。
参照示出本发明人执行的实际测量的结果的图11A至图11C，将描述通过上述处理计算(估计)的倾斜角θ具有高精度。
图11A是示出电动辅助自行车10的车速V的变化的图表。本发明人通过使用24脉冲车辆传感器来测量车速。图11B是示出电动辅助自行车10的行进方向上的加速度Gx的变化的图表。
图11C示出了估计的路面倾斜角的图表(实线)和实际测量的路面倾斜角的图表(虚线)。通过将由车速V和加速度Gx的时间微分获得的加速度代入表达式(3)来估计倾斜角。通过图11C可以理解，除了一部分区间之外，估计的倾斜角的图表和实际测量的倾斜角的图表通常彼此匹配。根据该实施例的处理被认为以足够高的精度估计倾斜角。
控制器170的辅助比率确定块83a接收关于由坡度计算电路82计算的倾斜角θ的数据和指定由骑乘者使用操作面板60而选择的辅助模式的数据，并且确定辅助比率。用于确定辅助比率的方法与实施例1中的基本相同。辅助比率确定块83a可以从多个数值表达式数据中选择与骑乘者选择的辅助模式相对应的数值表达式数据。辅助比率确定块83a基于由坡度计算电路82计算的关于倾斜角θ的数据来确定与倾斜角θ相对应的辅助比率。
在该实施例中，也可以限定针对图5A至图5C所示的每个辅助模式的倾斜角θ与辅助比率之间的关系。辅助比率确定块83a可以应用所确定的辅助比率，直到下次更新倾斜角θ的估计值为止。
图12是示出由电动辅助自行车10的驱动单元51执行的处理的过程的流程图。在图12中，与图6中的那些相同的步骤标注相同的编号。关于上述步骤的内容，将结合实施例1中的描述。如图9所示，根据该实施例的驱动单元51包括控制器170、加速度传感器38、电动马达53、马达驱动电路85、霍尔传感器46等。
在步骤S21中，坡度计算电路182从加速度传感器38接收表示行进方向上的加速度的检测信号。在步骤S22中，坡度计算电路182接收加速度传感器38的检测信号，以获取车速V。步骤S21和步骤S22的顺序可以与上述相反。
在步骤S23中，坡度计算电路182执行表达式(3)的计算，以求出倾斜角θ。
在步骤S24中，辅助力计算电路83根据确定的辅助比率产生辅助力。
作为上述处理的结果，控制器170使电动马达53产生与估计的倾斜角相对应的大小的辅助力。在例如存在倾斜角θ大于0的斜坡，即在行进方向上存在上行的斜坡的情况下，随着倾斜角θ增大，辅助力增大。利用这种结构，在骑乘者感觉到负载较重的上行斜坡上，骑乘者的人力得到适当的辅助。在存在倾斜角θ小于0的斜坡的情况下，即在行进方向上存在下行的斜坡的情况下，随着倾斜角θ的绝对值变大，辅助力减小。利用这种结构，抑制了在下行斜坡上产生高辅助力，从而抑制了下行斜坡上的加速度。
在当电动辅助自行车10沿斜坡上行或下行时执行根据本实施例的处理的情况下，由于在上行斜坡上辅助力增大，因此电池56的电力消耗大于常规处理。然而，在下行斜坡上，控制器170在检测到斜坡为下行时立即减小辅助力。利用这种结构，电池56的电力消耗比常规处理被抑制得更多。因此，电池56的电力消耗与常规处理大致相同，同时改善了骑乘者的舒适度。抑制后的辅助力的大小通常为零。
根据该实施例，即使速度传感器35和加速度传感器38的成本相对较低，也能够以足够高的精度求出倾斜角。由于无需使用昂贵的陀螺传感器或用于角度计算的计算电路，因此抑制了电动辅助自行车10的生产成本的增大。
用于计算倾斜角θ的方法不限于使用表达式(3)。坡度计算电路82可以计算表达式(4)中所示的sinθ。
sinθ＝(Gx-dV/dt)/G……(4)
为了由表达式(4)获取倾斜角，准备将多个角度中的每一个与对应于每个角度的正弦函数的计算值建立对应关系的表格，并将该表格存储在例如坡度计算电路182的内部缓冲器(未示出)上。坡度计算电路182通过使用表达式(4)右侧的计算结果来参照该表格，以获取一个角度。坡度计算电路82将该角度检测为倾斜角。
在上述表达式(3)的示例中，坡度计算电路182通过使用速度传感器35的输出来求出车速V。在下文中，将描述对车速V进行计算的其他示例(变化例)。
(用于计算车速V的方法的变化例1)
在特定条件下，可以由电动马达53的旋转求出车速V。如上，霍尔传感器46可以用于求出电动马达53的转速。坡度计算电路182可以使用从霍尔传感器46输出的电压信号，以求出电动马达53的转速。在电动辅助自行车10不包括速度传感器35的情况下，或者甚至在速度传感器35发生故障的情况下，求出车速V。
下面的表达式(5)表示电动辅助自行车10中的电动马达53的转速ω与车速V之间的关系，其中，后轮26是驱动轮并且包括允许选择变速齿轮范围的变速机构。
V＝(转速ω)
×(驱动单元51中的齿轮比率)
×(当前选择的变速齿轮范围的齿轮比率)
×(后轮的周长)
在表达式(5)的右侧，驱动单元51中的齿轮比率和后轮的周长是已知的。相反，变速齿轮范围每次都由骑乘者来选择，因此是未知的。可以添加以下条件之一，以由电动马达53的转速ω求出车速V。
第一条件是电动辅助自行车10中没有变速齿轮范围。在第一条件下，没有必要提供关于“变速齿轮范围”的项，并且对应于“变速齿轮范围”的常数可以设定。结果，表达式(5)的右侧可以简化为转速ω和常数的乘积。
第二条件是变速机构包括检测机构，该检测机构检测当前选择的变速齿轮范围，并且已知可选择的每个变速齿轮范围的齿轮比率。如上面在实施例1中，马达电流指令值计算块83b能够接收表示包括在动力传递机构31中的变速机构的变速齿轮范围的数据。坡度计算电路182可以接收表示变速齿轮范围的数据，使得获知所选择的变速齿轮范围。
在第二条件下，将示出每个变速齿轮范围和齿轮比率之间的对应关系的表格预先存储在坡度计算电路182上。坡度计算电路182可以通过使用表示变速齿轮范围的数据来参照该表格，以求出当前选择的变速齿轮范围的齿轮比率。所获取的关于齿轮比率的信息可以代入表达式(5)，使得此时由电动马达53的转速ω获取车速V。
可以将踏板转矩的检测值是阈值以上的要求添加到第一条件和第二条件中的每一个。其原因在于，在上述第一条件和第二条件中的每一个条件下，存在尽管电动辅助自行车10正在行驶但是行驶速度变为零的情况，在这种情况下，骑乘者可能会感到混乱。例如，日本法律和法规要求，当骑乘者在下行斜坡等上没有踩踏电动辅助自行车10时，电动马达53应当停止旋转。在这种情况下，尽管显然车速V不为零，但是由于转速ω为零，表达式(5)的计算结果可能变为零。
因此，增加了从转矩传感器41输出的踏板转矩大于预定阈值的要求。在骑乘者没有踩踏电动辅助自行车10的时间段期间，踏板转矩为预定阈值以下。在该时间段期间，坡度计算电路182不计算车速V，结果，不计算倾斜角。利用这种结构，可以防止骑乘者混乱。在停止计算倾斜角的时间段期间，可以在显示面板61上显示指示该事实的文字，或者除了文字之外和/或代替文字提供指示该事实的音频信号，以便告知骑乘者这个事实。
在许多情况下，单向离合器(未示出)设置在后轮26的后轮毂中。可以设置检测单向离合器是否啮合的传感器，并且坡度计算电路182可以在检测到单向离合器处于啮合的时间段期间执行表达式(5)的计算。
(用于计算车速V的方法的变化例2)
可能存在这样的情况：与坡度计算电路182不同的计算电路或微控制器使用速度传感器35的检测信号来执行检测车速V的处理。例如，存在这样的情况：设置在操作面板60中的微控制器(未示出)执行检测车速V的处理，以便在操作面板60的速度显示区域61a中显示速度信息(图3)。在这种情况下，坡度计算电路182可以从微控制器获取表示车速V的信息。在这种情况下，坡度计算电路182本身无需计算车速V。
(用于计算车速V的方法的变化例3)
可以想到使用能够通过使用GPS(全球定位系统)获取位置信息的GPS单元(未示出)。坡度计算电路182可以从设置在电动辅助自行车10中的GPS单元不断地获取位置信息，并且基于位置信息的变化来计算车速V。在GPS单元本身能够基于位置信息求出移动速度的信息或者能够通过使用从包含在GPS中的卫星(GPS卫星)发射的信号波中的载波的多普勒效应来计算速度的情况下，坡度计算电路182可以接收由GPS单元计算的移动速度的信息，并且使用该信息作为车速V的信息。上述对移动速度的计算是已知的，并且不会对其进行详细地描述。
上述变化例并不相互排斥，并且能够一起使用多个这样的变化例。
到目前为止，已经描述了本发明的一些示意性实施例。
如上所述，根据本发明的能够用于电动辅助车辆(电动辅助自行车1)的示意性电力辅助系统(驱动单元51)包括：电动马达53，其产生辅助力以辅助电动辅助车辆的骑乘者的人力；控制装置(控制器70、170)，其控制要由电动马达53产生的辅助力的大小；和加速度传感器38，其输出表示在电动辅助车辆的行进方向上的加速度Gx的加速度信号。控制装置基于外部信号获取表示电动辅助车辆的行驶速度的速度信息。控制装置基于速度信息和加速度信号来检测路面的倾斜角，并且使电动马达53产生与倾斜角相对应的大小的辅助力。
不管电动辅助车辆是停止还是正在行驶，电力辅助系统的控制装置均基于速度信息和加速度信号来检测路面的倾斜角(θ0、θ)，并且使电动马达53产生与倾斜角相对应的大小的辅助力。
例如，在检测到斜坡为上行时，控制装置随着倾斜角变大而增大辅助力。利用这种结构，当骑乘者感觉到负载较重时，在上行斜坡上启动时适当地辅助骑乘者的人力。在检测到斜坡为下行时，控制装置随着倾斜角变大而减小辅助力。利用这种结构，在下行斜坡上不会产生高辅助力，因此抑制了下行斜坡上的加速度。
在上行斜坡上，辅助力增大。因此，电力消耗大于常规处理。然而，在下行斜坡上，控制装置在检测到斜坡为下行时减小辅助力。因此，在下行斜坡上，电池56的电力消耗比常规处理被抑制得更多。因此，电池56的电力消耗与常规处理大致相同，同时改善了骑乘者的舒适度。
控制装置使用作为行进方向的第一方向上的加速度Gx和速度V来检测路面的倾斜角。加速度传感器38可以是仅用于行进方向的单轴传感器，因此可以以较低的成本获取。
在实施例中，电力辅助系统还包括速度传感器35，其根据电动辅助车辆的移动速度来输出信号。控制装置(控制器170)基于与移动速度相对应的信号来获取速度信息，该信号从速度传感器35接收。控制装置基于速度信息和加速度信号来检测路面的倾斜角θ。
控制装置使用当电动辅助车辆行驶时从加速度传感器38输出的加速度信号和从速度传感器35输出的速度信号来检测路面的倾斜角θ。速度传感器35安装在通用电力辅助系统上，并且成本相对较低。因此，无需使用高性能和高成本的陀螺传感器或加速度传感器，并且以整体上成本较低的结构来计算倾斜角。
在实施例中，在电力辅助系统中，电动马达35包括转子和位置检测传感器(霍尔传感器46)，该位置检测传感器在转子旋转时检测电动马达53的转子的位置。控制装置基于位置检测传感器的输出求出转子的转速ω，并将转速ω乘以常数以获取速度信息。即使在车辆不包括速度传感器35的情况下，或者甚至在速度传感器35发生故障的情况下，也可以基于电动马达53的转速获取速度信息。
在实施例中，电动辅助车辆包括具有多个变速齿轮范围的变速机构并且输出表示当前选择的变速齿轮范围的数据。电动马达53包括转子并且还包括位置检测传感器(霍尔传感器46)，该位置检测传感器在转子旋转时检测转子的位置。控制装置获取表示变速齿轮范围的数据，基于位置检测传感器的输出求出转子的转速ω，并且基于转速ω和表示变速齿轮范围的数据来获取速度信息。即使在车辆不包括速度传感器35的情况下，或者甚至在速度传感器35发生故障的情况下，也可以基于电动马达53的转速获取速度信息。
在实施例中，电动辅助车辆包括检测由骑乘者提供的踏板转矩的转矩传感器41。在踏板转矩大于预定阈值的情况下，控制装置获取速度信息并且检测路面的倾斜角。
在骑乘者不踩踏而沿下行斜坡下行时计算速度信息的情况下，尽管实际车速V不为零，但是计算的车速可能变为零。当踏板转矩超过阈值时(骑乘者踩踏踏板时)获取速度信息，从而获取正确的速度信息。
在实施例中，控制装置计算行进方向上的速度V的时间微分值(dV/dt)，从行进方向上的加速度Gx中减去时间微分值(dV/dt)，并且将相减结果除以重力加速度G，以检测路面的倾斜角。由行驶产生的行进方向上的实际加速度和重力加速度用于高精度地计算倾斜角。
在实施例中，控制装置可以对相除结果(其通过将相减结果除以重力加速度G而获得)执行逆正弦变换，以检测路面的倾斜角。控制装置包括将多个角度中的每一个与每个角度的正弦函数的计算值建立对应关系的表格。控制装置将相减结果除以重力加速度G并参照表格获取与相除结果对应的角度，并且将该角度检测为路面的倾斜角。通过将来自加速度传感器38的加速度Gx与速度V的微分值(即，加速度值)之差除以重力加速度G而获得的值是倾斜角的正弦。控制装置可以使用该关系来高精度地计算路面的倾斜角。
根据本发明的示意性电动辅助车辆包括：上述电力辅助系统中的任一项；和输出与电动辅助车辆的移动速度相对应的信号的速度传感器35。因此，电动辅助车辆具有任意上述电力辅助系统的确切优点。
根据本发明的能够用于电动辅助车辆(电动辅助自行车1)的示意性电力辅助系统(驱动单元51)包括：电动马达53，其产生辅助力以辅助电动辅助车辆的骑乘者的人力；控制装置(控制器70)，其控制要由电动马达53产生的辅助力的大小；加速度传感器38，其输出表示作为电动辅助车辆的行进方向的第一方向上的加速度Gx和垂直于第一方向和路面两者的第二方向上的加速度Gz中的至少一个的加速度信号。控制装置使用加速度信号来检测电动辅助车辆处于停止状态，基于在停止状态下输出的加速度信号来检测路面的倾斜角，并且使电动马达53在骑乘者开始踩踏电动辅助车辆时产生与倾斜角θ0相对应的大小的辅助力。
电力辅助系统使用传感器的输出信号来检测电动辅助车辆处于完全停止状态，并且在停止状态下检测倾斜角θ0。利用这种结构，可以高精度地检测倾斜角θ0。因此，产生适当水平的辅助力，并且改善在要求辅助的斜坡上启动时骑乘的便利性。
例如，在检测到斜坡为上行时，控制装置随着倾斜角θ0变大而增大辅助力。利用这种结构，当骑乘者感觉到负载较重时，在上行斜坡上启动时适当地辅助骑乘者的人力。在检测到斜坡为下行时，控制装置随着倾斜角θ0变大而减小辅助力。利用这种结构，在下行斜坡上不会产生高辅助力，因此抑制了下行斜坡上的加速度。
电力辅助系统仅使用加速度传感器38来判定电动辅助车辆处于停止状态并且检测倾斜角。因此，无需提供各种传感器，并且抑制了成本的增加。安装传感器的空间减小，并且结构简化。
在实施例中，控制装置还包括停止检测电路81，其基于从加速度传感器38输出的加速度信号来检测电动辅助车辆处于停止状态。
在实施例中，在表示第一方向上的加速度Gx和第二方向上的加速度Gz中的至少一个的加速度信号满足预定的停止判定条件的情况下，停止检测电路81检测出电动辅助车辆停止。
在实施例中，停止判定条件包括关于加速度信号的信号电平的范围的条件和关于加速度信号在信号电平的范围内的时间段的条件。
在实施例中，加速度传感器38是输出表示第一方向上的加速度Gx的第一加速度信号和表示第二方向上的加速度Gz的第二加速度信号的双轴加速度传感器或三轴加速度传感器。停止检测电路81存储关于第一加速度信号和第二加速度信号中的每一个的停止判定条件。
根据本发明的能够用于电动辅助车辆(电动辅助自行车1)的另一示意性电力辅助系统(驱动单元51)包括：电动马达53，其产生辅助力以辅助电动辅助车辆的骑乘者的人力；控制装置(控制器70)，其控制要由电动马达53产生的辅助力的大小；加速度传感器38，其输出加速度信号，该加速度信号表示作为电动辅助车辆的行进方向的第一方向上的加速度Gx和垂直于第一方向和路面两者的第二方向上的加速度Gz中的至少一个。控制装置接收基于来检测电动辅助车辆是停止还是正在行驶的检测信号，检测信号从输出检测信号的至少一个传感器35、41、42或53接收，并且控制装置基于检测信号检测电动辅助车辆处于停止状态。控制装置基于在停止状态下输出的加速度信号来检测路面的倾斜角，并且使电动马达53在骑乘者开始踩踏电动辅助车辆时产生与倾斜角相对应的大小的辅助力。
控制装置使用传感器的输出信号来检测电动辅助车辆处于完全停止状态，并且在停止状态下检测倾斜角。利用这种结构，可以高精度地检测倾斜角。因此，产生适当水平的辅助力，并且改善在需要辅助的斜坡上启动时骑行的便利性。
例如，在检测到斜坡为上行时，控制装置随着倾斜角变大而增大辅助力。利用这种结构，当骑乘者感觉到负载较重时，在上行斜坡上启动时适当地辅助骑乘者的人力。在检测到斜坡为下行时，控制装置随着倾斜角变大而减小辅助力。利用这种结构，在下行斜坡上不会产生高辅助力，因此抑制了下行斜坡上的加速度。
在实施例中，控制装置还包括停止检测电路81，其基于从至少一个传感器输出的检测信号来检测电动辅助车辆停止。
在实施例中，至少一个传感器是速度传感器45、转矩传感器51、曲柄旋转传感器42和检测电动马达53的旋转的霍尔传感器46中的一个或多个传感器。停止检测电路81在检测信号满足预定的停止判定条件的情况下，检测出电动辅助车辆停止。
在实施例中，在至少一个传感器是检测电动辅助车辆的速度的速度传感器35的情况下，停止检测电路81在检测信号满足速度低于预定速度的停止判定条件的情况下，检测出电动辅助车辆停止。
在实施例中，电力辅助系统还包括曲柄轴，踏板附装到该曲柄轴。在至少一个传感器是检测通过踏板上的踩踏而施加到曲柄轴的转矩的转矩传感器41的情况下，停止检测电路81在检测信号满足转矩低于预定转矩值的停止判定条件的情况下，检测出电动辅助车辆停止。
在实施例中，电力辅助系统还包括曲柄轴，踏板附装到曲柄轴。在至少一个传感器是检测曲柄轴的旋转的曲柄旋转传感器的情况下，停止检测电路81在检测信号满足曲柄轴在预定时间段内的转数为零的停止判定条件的情况下，检测出电动辅助车辆停止。
在实施例中，在至少一个传感器是霍尔传感器的情况下，停止检测电路81在检测信号满足电动马达53在预定时间段内的转数为零的停止判定条件的情况下，检测出电动辅助车辆停止。
在实施例中，控制装置包括：坡度计算电路82，其基于在停止状态下输出的加速度信号来计算倾斜角；辅助力计算电路83，其根据倾斜角确定辅助力的大小；和马达驱动电路，其在骑乘者开始踩踏电动辅助车辆时使电动马达53产生由辅助力计算电路83确定的辅助力。坡度计算电路82通过使用重力加速度G来执行arcsin(Gx/G)或arccos(Gz/G)的计算，以求出倾斜角。
在实施例中，加速度传感器38是输出表示第一方向上的加速度Gx的第一加速度信号和表示第二方向上的加速度Gz的第二加速度信号的双轴加速度传感器38或三轴加速度传感器38。
在实施例中，控制装置包括：坡度计算电路82，其基于在停止状态下输出的加速度信号来计算倾斜角；辅助力计算电路83，其根据倾斜角确定辅助力的大小；和马达驱动电路，其在骑乘者开始踩踏电动辅助车辆时使电动马达53产生由辅助力计算电路83确定的辅助力。坡度计算电路82通过使用重力加速度G执行arcsin(Gx/G)、arccos(Gz/G)和arctan(Gx/Gz)的计算中的至少一个，以求出倾斜角。
在实施例中，辅助力计算电路83预先存储定义倾斜角的大小与辅助力的大小之间的对应关系的规则，并且使用由坡度计算电路82计算的倾斜角和规则来确定辅助力的大小。
在实施例中，电力辅助系统还包括开关，开关用于供骑乘者在电动辅助车辆行驶时选择辅助力的大小不同的多个驱动模式中的一个。辅助力计算电路83预先存储针对每个驱动模式的规则，并且当骑乘者开始踩踏电动辅助车辆时，使用由坡度计算电路82计算的倾斜角和与通过使用开关选择的驱动模式相对应的规则来确定辅助力的大小。
在实施例中，辅助力计算电路83预先存储以倾斜角的大小为输入并且以辅助力的大小为输出的函数，来作为规则。
在实施例中，该函数为不连续函数、线性连续函数和非线性连续函数中的至少一个。
在实施例中，辅助力计算电路83预先存储将倾斜角的大小和辅助力的大小建立对应关系的表格。
在实施例中，坡度计算电路82使用通过低通滤波处理的第一加速度信号和第二加速度信号来计算倾斜角。
在实施例中，控制装置在踩踏的开始是骑乘者至多踩踏电动辅助车辆5次的时间点时，使电动马达53根据倾斜角θ0产生辅助力。
在实施例中，控制装置在踩踏的开始是骑乘者至多踩踏电动辅助车辆3次的时间点时，使电动马达53根据倾斜角产生辅助力。
在实施例中，在倾斜角θ0是电动辅助车辆的行进方向上的仰角的情况下，当骑乘者开始踩踏电动辅助车辆时，控制装置随着倾斜角增大，使电动马达53产生足够大的辅助力。
在实施例中，在倾斜角θ0是电动辅助车辆的行进方向上的俯角的情况下，当骑乘者开始踩踏电动辅助车辆时，控制装置随着倾斜角增大，使电动马达53产生足够小的辅助力。
根据本发明的示意性电动辅助车辆包括上述电力辅助系统中的任一项。
根据本发明的示意性电动辅助车辆包括上述各种形式中的任一项的电力辅助系统；和至少一个传感器。
工业实用性
本发明对包括加速度传感器并且由被辅助力辅助的人力进行驱动的车辆尤其有用。
附图标记列表
1：电动辅助自行车；5：下管；6：托架；7：链撑；9：制动器；11：车体框架；12：头管；13：把手杆；14：把手；15：前叉；16：座管；17：座杆；18：挡泥板；19：座撑；21：前篮；22：头灯；23：尾灯；24：载物台；25：前轮；26：后轮；27：鞍座；28：链条；29：支架；35：速度传感器；38：加速度传感器；41：转矩传感器；42：曲柄旋转传感器；46：霍尔传感器；51：驱动单元；53：电动马达；54：曲柄臂；55：踏板；56：电池；57：曲柄轴；60：显示装置；61：显示面板；62：辅助模式操作开关；63：扬声器；64：灯；65：电源开关；70：控制器；80：平均化电路；81：停止检测电路；82：坡度计算电路；83：辅助力计算电路；85：马达驱动电路。

Claims (36)

1.一种电力辅助系统，其能够用于电动辅助车辆，所述电力辅助系统包括：
电动马达，其产生辅助力以辅助所述电动辅助车辆的骑乘者的人力；
控制装置，其控制要由所述电动马达产生的辅助力的大小；和
加速度传感器，其输出表示所述电动辅助车辆的行进方向上的加速度Gx的加速度信号，
其中，所述控制装置基于外部信号来获取表示所述电动辅助车辆的行驶速度的速度信息，并且
其中，所述控制装置基于所述速度信息和所述加速度信号来检测路面的倾斜角，并且使所述电动马达产生与所述倾斜角相对应的大小的辅助力。
2.根据权利要求1所述的电力辅助系统，还包括速度传感器，所述速度传感器输出与所述电动辅助车辆的移动速度相对应的信号，
其中，所述控制装置基于从所述速度传感器接收的与所述移动速度相对应的信号来获取所述速度信息，并且
其中，所述控制装置基于所述速度信息和所述加速度信号来检测所述路面的倾斜角。
3.根据权利要求1所述的电力辅助系统，
其中，所述电动马达包括转子，
其中，所述电动马达还包括位置检测传感器，所述位置检测传感器在所述转子旋转时检测所述电动马达的所述转子的位置，并且
其中，所述控制装置基于所述位置检测传感器的输出来求出所述转子的转速ω，并且将所述转速ω乘以常数以获取所述速度信息。
4.根据权利要求1所述的电力辅助系统，
其中，所述电动辅助车辆包括变速机构，所述变速机构包括多个变速齿轮范围并且输出表示当前选择的变速齿轮范围的数据，
其中，所述电动马达包括转子并且还包括位置检测传感器，所述位置检测传感器在所述转子旋转时检测所述电动马达的所述转子的位置，并且
其中，所述控制装置：
获取表示所述变速齿轮范围的数据，
基于所述位置检测传感器的输出来求出所述转子的转速ω，并且
基于所述转速ω和表示所述变速齿轮范围的数据来获取所述速度信息。
5.根据权利要求3或4所述的电力辅助系统，
其中，所述电动辅助车辆包括转矩传感器，所述转矩传感器检测由所述骑乘者提供的踏板转矩，并且
其中，在所述踏板转矩大于预定阈值的情况下，所述控制装置获取所述速度信息并且检测所述路面的倾斜角。
6.根据权利要求2至5中任一项所述的电力辅助系统，其中，所述控制装置：
计算所述行进方向上的速度V的时间微分值(dV/dt)，
从所述行进方向上的所述加速度Gx中减去所述时间微分值(dV/dt)，并且
将相减结果除以重力加速度G，以检测所述路面的倾斜角。
7.根据权利要求1所述的电力辅助系统，其中，所述控制装置对通过将所述相减结果除以所述重力加速度G而获得的相除结果执行逆正弦变换，以检测所述路面的倾斜角。
8.根据权利要求1所述的电力辅助系统，
其中，所述控制装置包括表格，所述表格将多个角度中的每一个与每一个角度的正弦函数的计算值建立对应关系，并且
其中，所述控制装置将所述相减结果除以所述重力加速度G并参照所述表格获取与所述相除结果相对应的角度，并且将所述角度检测为所述路面的倾斜角。
9.一种电动辅助车辆，其包括：
根据权利要求1至8中任一项所述的电力辅助系统；和
速度传感器，其输出与所述电动辅助车辆的移动速度相对应的信号。
10.一种电力辅助系统，其能够用于电动辅助车辆，所述电力辅助系统包括：
电动马达，其产生辅助力以辅助所述电动辅助车辆的骑乘者的人力；
控制装置，其控制要由所述电动马达产生的辅助力的大小；和
加速度传感器，其输出表示作为所述电动辅助车辆的行进方向的第一方向上的加速度Gx和垂直于所述第一方向和路面两者的第二方向上的加速度Gz中的至少一个的加速度信号，
其中，所述控制装置使用所述加速度信号来检测所述电动辅助车辆处于停止状态，基于所述停止状态下输出的所述加速度信号来检测所述路面的倾斜角，并且使所述电动马达在所述骑乘者开始踩踏所述电动辅助车辆时产生与所述倾斜角相对应的大小的辅助力。
11.根据权利要求10所述的电力辅助系统，其中，所述控制装置还包括停止检测电路，所述停止检测电路基于从所述加速度传感器输出的所述加速度信号来检测所述电动辅助车辆处于所述停止状态。
12.根据权利要求11所述的电力辅助系统，其中，在表示所述第一方向上的加速度Gx和所述第二方向上的加速度Gz中的至少一个的所述加速度信号满足预定的停止判定条件的情况下，所述停止检测电路检测出所述电动辅助车辆停止。
13.根据权利要求12所述的电力辅助系统，其中，所述停止判定条件包括关于所述加速度信号的信号电平的范围的条件和关于所述加速度信号在所述信号电平的范围内的时间段的条件。
14.根据权利要求13所述的电力辅助系统，
其中，所述加速度传感器是输出表示所述第一方向上的加速度Gx的第一加速度信号和表示所述第二方向上的加速度Gz的第二加速度信号的双轴加速度传感器或三轴加速度传感器，并且
其中，所述停止检测电路存储关于所述第一加速度信号和所述第二加速度信号中的每一个的所述停止判定条件。
15.一种电力辅助系统，其能够用于电动辅助车辆，所述电力辅助系统包括：
电动马达，其产生辅助力以辅助电动辅助车辆的骑乘者的人力；
控制装置，其产生对在所述电动马达中流动的电流进行控制的信号，以控制要由所述电动马达产生的辅助力的大小；和
加速度传感器，其输出表示作为所述电动辅助车辆的行进方向的第一方向上的加速度Gx和垂直于所述第一方向和路面两者的第二方向上的加速度Gz中的至少一个的加速度信号，
其中，所述控制装置接收基于来检测所述电动辅助车辆是停止还是正在行驶的检测信号，所述检测信号从输出所述检测信号的至少一个传感器接收，并且
其中，所述控制装置基于所述检测信号来检测所述电动辅助车辆处于停止状态，基于在所述停止状态下输出的所述加速度信号来检测所述路面的倾斜角，并且使所述电动马达在所述骑乘者开始踩踏所述电动辅助车辆时产生与所述倾斜角相对应的大小的辅助力。
16.根据权利要求15所述的电力辅助系统，其中，所述控制装置还包括停止检测电路，所述停止检测电路基于从所述至少一个传感器输出的所述检测信号，来检测所述电动辅助车辆处于所述停止状态。
17.根据权利要求16所述的电力辅助系统，
其中，所述至少一个传感器是速度传感器、转矩传感器、曲柄旋转传感器和检测所述电动马达的旋转的霍尔传感器中的一个或多个传感器，并且
其中，在所述检测信号满足预定的停止判定条件的情况下，所述停止检测电路检测出所述电动辅助车辆停止。
18.根据权利要求17所述的电力辅助系统，其中，在所述至少一个传感器是检测所述电动辅助车辆的速度的所述速度传感器的情况下，所述停止检测电路在所述检测信号满足所述速度低于预定速度的停止判定条件的情况下，检测出所述电动辅助车辆停止。
19.根据权利要求17或18所述的电力辅助系统，还包括曲柄轴，踏板附装到所述曲柄轴，
其中，在所述至少一个传感器是检测通过所述踏板上的踩踏而施加到所述曲柄轴的转矩的所述转矩传感器的情况下，所述停止检测电路在所述检测信号满足所述转矩低于预定转矩值的停止判定条件的情况下，检测出所述电动辅助车辆停止。
20.根据权利要求17至19中任一项所述的电力辅助系统，还包括曲柄轴，踏板附装到所述曲柄轴，
其中，在所述至少一个传感器是检测所述曲柄轴的旋转的所述曲柄旋转传感器的情况下，所述停止检测电路在所述检测信号满足所述曲柄轴在预定时间段内的转数为零的停止判定条件的情况下，检测出所述电动辅助车辆停止。
21.根据权利要求17至20中任一项所述的电力辅助系统，其中，在所述至少一个传感器是所述霍尔传感器的情况下，所述停止检测电路在所述检测信号满足所述电动马达在预定时间段内的转数为零的停止判定条件的情况下，检测出所述电动辅助车辆停止。
22.根据权利要求10至21中任一项所述的电力辅助系统，
其中，所述控制装置包括：
坡度计算电路，其基于在所述停止状态下输出的所述加速度信号来计算所述倾斜角，
辅助力计算电路，其根据所述倾斜角来确定所述辅助力的大小，和
马达驱动电路，其在所述骑乘者开始踩踏所述电动辅助车辆时使所述电动马达产生由所述辅助力计算电路确定的所述辅助力，并且
其中，所述坡度计算电路通过使用重力加速度G来执行arcsin(Gx/G)或arccos(Gz/G)的计算，以求出所述倾斜角。
23.根据权利要求10至21中任一项所述的电力辅助系统，其中，所述加速度传感器是输出表示所述第一方向上的加速度Gx的第一加速度信号和表示所述第二方向上的加速度Gz的第二加速度信号的双轴加速度传感器或三轴加速度传感器。
24.根据权利要求23所述的电力辅助系统，
其中，所述控制装置包括：
坡度计算电路，其基于在所述停止状态下输出的所述加速度信号来计算所述倾斜角，
辅助力计算电路，其根据所述倾斜角来确定所述辅助力的大小，和
马达驱动电路，其在所述骑乘者开始踩踏所述电动辅助车辆时使所述电动马达产生由所述辅助力计算电路确定的所述辅助力，并且
其中，所述坡度计算电路通过使用重力加速度G执行arcsin(Gx/G)、arccos(Gz/G)和arctan(Gx/Gz)的计算中的至少一个，以求出所述倾斜角。
25.根据权利要求24所述的电力辅助系统，其中，所述辅助力计算电路预先存储定义所述倾斜角的大小与所述辅助力的大小之间的对应关系的规则，并且使用由所述坡度计算电路计算的所述倾斜角和所述规则来确定所述辅助力的大小。
26.根据权利要求25所述的电力辅助系统，还包括开关，所述开关用于供所述骑乘者在所述电动辅助车辆行驶时选择所述辅助力的大小不同的多个驱动模式中的一个，
其中，所述辅助力计算电路预先存储针对每个所述驱动模式的所述规则，并且当所述骑乘者开始踩踏所述电动辅助车辆时，使用由所述坡度计算电路计算的所述倾斜角和与通过使用所述开关选择的所述驱动模式相对应的所述规则，来确定所述辅助力的大小。
27.根据权利要求25或26所述的电力辅助系统，其中，所述辅助力计算电路预先存储以所述倾斜角的大小为输入并且以所述辅助力的大小为输出的函数作为所述规则。
28.根据权利要求25或26所述的电力辅助系统，其中，所述函数是不连续函数、线性连续函数和非线性连续函数中的至少一个。
29.根据权利要求25或26所述的电力辅助系统，其中，所述辅助力计算电路预先存储将所述倾斜角的大小和所述辅助力的大小建立对应关系的表格。
30.根据权利要求23至29中任一项所述的电力辅助系统，其中，所述坡度计算电路使用通过低通滤波处理的所述第一加速度信号和所述第二加速度信号来计算所述倾斜角。
31.根据权利要求10至30中任一项所述的电力辅助系统，其中，所述控制装置在踩踏的开始是所述骑乘者至多踩踏所述电动辅助车辆5次的时间点时，使所述电动马达根据所述倾斜角产生所述辅助力。
32.根据权利要求31所述的电力辅助系统，其中，所述控制装置在踩踏的开始是所述骑乘者至多踩踏所述电动辅助车辆3次的时间点时，使所述电动马达根据所述倾斜角产生所述辅助力。
33.根据权利要求10至32中任一项所述的电力辅助系统，其中，在所述倾斜角是所述电动辅助车辆的行进方向上的仰角的情况下，当所述骑乘者开始踩踏所述电动辅助车辆时，所述控制装置随着所述倾斜角增大，使所述电动马达产生足够大的辅助力。
34.根据权利要求10至32中任一项所述的电力辅助系统，其中，在所述倾斜角是所述电动辅助车辆的行进方向上的俯角的情况下，当所述骑乘者开始踩踏所述电动辅助车辆时，所述控制装置随着所述倾斜角增大，使所述电动马达产生足够小的辅助力。
35.一种电动辅助车辆，其包括根据权利要求10至34中任一项所述的电力辅助系统。
36.一种电动辅助车辆，其包括：
根据权利要求15至21中任一项所述的电力辅助系统；和
至少一个传感器。
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