JP2004289991A - 制御装置及び自転車 - Google Patents

Abstract

【課題】ＣＶＣＣ制御を用いた回生制御の容易化、低コスト化、安定性及び信頼性の向上を図る。
【解決手段】ＣＶコントローラ５０は、上位コントローラ３０によって指示される電圧指令値（Ｅｒｅｆ＝上限充電電圧値ＯＶ）に基づいて充放電経路６０の電圧を目標値に制御するための電流指令値（Ｉｃｖ）を生成する。比較処理部５２は、ＣＶコントローラ５０によって指示される電流指令値（Ｉｃｖ）と、上位コントローラ３０によって指示される電流指令値（Ｉｒｅｆ）と、予め設定されている上限電流値（Ｉｃｃｍａｘ）及び下限電流値（Ｉｃｃｍｉｎ）とを比較し、その比較結果に基づいてＣＣコントローラ５４に供給する電流指令値（Ｉｃｃ）として決定する。ＣＣコントローラ５４は、比較処理部５２によって決定された電流指令値（Ｉｃｃ）に基づいて充放電経路６０の電流量を目標値に制御する。
【選択図】 図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、各種の制御対象を制御するための制御装置、及び助力走行用の駆動モータを備えた自転車に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、回生装置による充電式バッテリと助力用駆動モータを搭載したアシスト型自転車が知られている（例えば、特許文献１〜３参照）。
また、回生装置を用いたシステムとしては、アシスト型自転車に限らず、電気自動車等に種々応用されている（例えば、特許文献４〜９参照）。
このうちアシスト型自転車を従来例として説明する。
一般に、この種のアシスト型自転車では、人力による走行を力行走行といい、下り坂等の重力や外力による走行を回生走行という。
そして、力行走行時には、バッテリから駆動モータに流れる電流を一定の目標値に制御するＣＣ（Ｃｏｎｓｔａｎｔ Ｃｕｒｒｅｎｔ）制御を行うことで力行走行をアシストする。また、回生走行時には、駆動モータからの回生電圧（ＢＥＦＭ）を電源としてＣＣ制御充電が可能である。
また、この充電時には、バッテリの種類によっては安全上、上限充電電圧ＯＶ（Ｏｖｅｒ Ｖｏｌｔａｇｅ）を超えないようにする必要があり、充電電圧を一定の目標値に制御するためのＣＶ（Ｃｏｎｓｔａｎｔ Ｖｏｌｔａｇｅ）制御を行い、同時に上限充電電流ＯＣ（Ｏｖｅｒ Ｃｕｒｒｅｎｔ）をも超えないように制御しつつ、バッテリに充電する必要があり、この一連の制御をＣＶＣＣ制御という。
【０００３】
そして、このようなＣＶＣＣ制御は、回生装置に設けられたＣＣコントローラ及びＣＶコントローラによって実行される。
すなわち、ＣＣコントローラは充放電経路より検出される電流値に基づくフィードバック制御によって充放電経路の電流値を目標値に制御する。なお、電流値の制御は、例えば駆動モータを制御するモータドライバを通して行う。また、回生（充電）時と力行（放電）時とで充放電経路に流れる電流の方向（電流値の極性）は逆になる。
また、ＣＶコントローラも充放電経路より検出される電圧値に基づくフィードバック制御によって充放電経路の電圧値を目標値に制御するものであるが、充放電経路の電圧値を目標値に一致させるための電流値を算出し、これを電流指令値として充放電経路の電流値を制御することにより、充放電経路の電圧値を目標値に制御する。
【０００４】
このようなＣＣコントローラ及びＣＶコントローラに対する目標電流値及び目標電圧値の指示と、充放電経路に対するＣＣ制御とＣＶ制御の系統を切り替えることにより、上述したＣＶＣＣ制御を行う。
具体的には、ＣＣコントローラによるＣＣ制御時にはＣＶコントローラを完全に停止して制御系から切り離し、上位コントローラからＣＣコントローラに電流指令値を与えることで電流値の制御を行う。
また、ＣＶコントローラによるＣＶ制御時には、ＣＶコントローラによって生成した電流指令値によってモータドライバを直接制御し、充放電経路に対するＣＶ制御を行う構成と、ＣＶコントローラのマイナーループ（下流）にＣＣコントローラを設け、ＣＶコントローラによって生成した電流指令値をＣＣコントローラに送り、このＣＶコントローラからの電流指令値に基づいてＣＣコントローラがモータドライバを制御し、充放電経路に対するＣＶ制御を行う構成の２通りの方式が可能である。
【０００５】
【特許文献１】
特開２０００−６８７８号公報
【特許文献２】
特開２０００−１１８４７７号公報
【特許文献３】
特開２００２−２５５０８０号公報
【特許文献４】
特開平１０−８４６２８号公報
【特許文献５】
特開２０００−１５２４０９号公報
【特許文献６】
特開２００２−１４５１６８号公報
【特許文献７】
特開平９−１４９６８５号公報
【特許文献８】
特開平８−９８３０５号公報
【特許文献９】
特開平１０−１００７４１号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述のようにＣＣコントローラとＣＶコントローラの組み合わせによってＣＶＣＣ制御を行う回生装置においては、ＣＣ制御系とＣＶ制御系の移行動作等において、円滑な動作を確保できなかったり、複雑で困難な演算処理が必要となるといった課題がある。
例えば、上述したＣＣ制御時に、ＣＶコントローラを完全に停止して制御を行うため、ＣＶ制御の再開時には、ＣＶ制御系の起動動作が必要となり、ＣＶ制御系の過渡応答によって動作が不安定化するという問題が発生する。これはソフトウエア開発時にも大きな問題となっており、動作上でもしばしば不都合を起こす要因となる。
また、上述したＣＶ制御時には、上位コントローラからＣＶコントローラに指示する電圧指令値を充電のための目標電流値に一致するように与えねばならず、従って電圧指令値と目標電流値との回路方程式（バッテリのインピーダンス等）が明確になっている必要があったが、実際には温度変化や経時変化等の不確定要因があり、一般にこの関係式を正確に得るのは困難であった。
なお、以上のような問題は、アシスト自転車に限らず、ＣＶＣＣ制御を用いた回生制御を行う各種のシステムにおいて、同様に生じるものである。
【０００７】
また、上述のようなＣＶＣＣ制御以外の制御系においても、各種の制御対象に対する制御装置において、安全性の確保のために、各種の制御量（電流値、電圧値、温度、速度等）を所定の限界値以内に維持する必要があり、さらにその制御をスムーズな制御動作で行なう必要がある（例えば自転車のような乗り物では乗り味の確保を図る必要がある）。なお、以下の説明において、各種の限界値を超えた制御状態をオーバーランといい、それを防止するためのフィードバック制御をオーバーランプロテクト制御というものとする。
【０００８】
そこで本発明の目的は、各種の制御量を制御する際に、有効なオーバーランプロテクト制御を行なうことができ、安定性や信頼性の高い動作を得ることが可能な制御装置及び自転車を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は前記目的を達成するため、所定の制御対象に制御信号を供給することにより、前記制御対象の制御量を制御する第１の制御手段と、前記第１の制御手段に前記制御量を決定する制御指令値を供給することにより、前記制御対象を制御する第２の制御手段と、前記制御対象の所定の状態を検出する状態検出手段とを有し、前記第２の制御手段は、前記制御指令値による制御の結果、前記制御対象の状態が所定の限界値に近づいた場合に、前記制御信号のレベルを徐々に減衰させて前記制御対象の状態が所定の限界値を超えないように制御するオーバーランプロテクト制御を行なうことを特徴とする。
【００１０】
また本発明は、車輪の助力駆動を行う駆動モータと、前記駆動モータを制御する制御装置とを有し、前記制御装置が、前記駆動モータに制御電流を供給することにより、前記駆動モータの駆動量を制御する第１の制御手段と、前記第１の制御手段に前記駆動量を決定する電流指令値を供給することにより、前記駆動モータを制御する第２の制御手段と、前記駆動モータの所定の状態を検出する状態検出手段とを有し、前記第２の制御手段は、前記電流指令値による制御の結果、前記駆動モータの状態が所定の限界値に近づいた場合に、前記制御信号のレベルを徐々に減衰させて前記駆動モータの状態が所定の限界値を超えないように制御するオーバーランプロテクト制御を行なうことを特徴とする。
【００１１】
本発明の制御装置及び自転車では、各種の制御量を制御する際に、電流指令値等の制御指令値による制御の結果、制御対象の状態が所定の限界値に近づいた場合に、制御信号のレベルを徐々に減衰させて制御対象の状態が所定の限界値を超えないように制御するオーバーランプロテクト制御を行なうようにしたことから、衝撃の小さいシームレスな動作の有効なオーバーランプロテクト制御を行なうことができ、安定性や信頼性の高い動作を得ることが可能となる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による制御装置及び自転車の実施の形態例について説明する。
なお、本発明は、アシスト自転車に限らず、各種システムで用いられる制御装置に広く適用し得るものであるが、以下に説明する実施の形態例では、主に本発明を回生装置を有するアシスト自転車に適用した例について説明する。
まず、本発明の第１の実施の形態例を説明する。
本実施の形態例は、上述したＣＶＣＣ制御に関するものであり、電動自転車（アシスト型自転車）のアクチュエーターとして充電式バッテリ駆動によるブラシレスＤＣモータ（駆動モータ）を車輪に実装し、ダイレクトドライブ（ＤＤ）に用いた場合、力行走行時に、バッテリから駆動モータに電流を流し込むことでトルクを発生し、乗り手をアシストする。また、逆に自転車の車輪に外力（例えば下り坂での重力、手押し走行時の人力等）が加わって車輪と共に駆動モータが回転する場合には、駆動モータに発生する回生電圧（ＢＥＦＭ）を回生電源としてバッテリに電流を流し込み、エネルギーを蓄えるとともに、電動ブレーキ動作も実現できる。
これらの動作をバッテリから見た場合、前者は放電動作であり、後者は充電動作となる。
【００１３】
また、この動作を制御面から見ると、放電制御は上述したＣＣ制御、充電制御は充電時のバッテリ流れ込み電流値を制御したい場合はＣＣ制御、バッテリ印加電圧を制御したい場合はＣＶ制御となる。
また、電流・電圧ともに制御したい場合はＣＶＣＣ制御となる。もちろん、オームの法則に支配されるため、電圧・電流を独立に制御できるわけでは無く、ここでのＣＶＣＣ制御とは、上限充電電圧（ＯＶ）と上限充電電流（ＯＣ）の両方を決して超えない範囲での電流制御である。そこで、本実施の形態例では、駆動モータからの回生電圧がバッテリの充電電圧を超えないようにするためのオーバーランプロテクト制御を実現するための構成及び動作を提供するものである。
【００１４】
以下、本実施の形態例を図面を用いて具体的に説明する。
図１は本実施の形態例におけるアシスト型自転車の外観を示す側面図であり、図２は図１に示すアシスト型自転車の制御系の構成を示すブロック図である。
図１に示すように、本例のアシスト型自転車は、本体フレーム１０と、サドル部１２と、ハンドル部１４と、ペダル部１６、前輪部１８と、後輪部２０とを有し、サドル部１２の中央には操作キーとフラット表示パネルとを含む操作表示部２２が取り付けられている。そして、本体フレーム１０の内部に、本発明の特徴となる回生装置を含む制御系、充電式のバッテリ、アシスト用の駆動モータ等（図１では省略する）が組み込まれている。
【００１５】
図２に示すように、本例のアシスト型自転車の制御系としては、本例におけるアシスト動作及び回生動作の全体を統括制御する上位コントローラ３０と、アシスト動作等の電源となる充電式のバッテリ３２と、上位コントローラ３０からの指示に基づいてバッテリ３２の充放電を制御する力行・回生装置３４と、駆動モータ３６を制御するモータドライバ３８と、力行走行と回生走行の検出を行うセンサ部４０等を有している。なお、上位コントローラ３０には、上述した操作表示部２２が接続されている。
上位コントローラ３０には、センサ部４０からの検出信号に応じて、アシスト動作と回生動作の切り替え信号を力行・回生装置３４に供給するとともに、ＣＣ制御に必要な電流指令値（Ｉｒｅｆ）とＣＶ制御に必要な電圧指令値（Ｅｒｅｆ）すなわち本例ではＯＶ（上限充電電圧値）を力行・回生装置３４に供給する。ただし、これらの電流指令値および電圧指令値は、予め力行・回生装置３４に設定されていても良いし、その他の外部入力手段によって供給するような構成であってもよい。
【００１６】
また、上位コントローラ３０には、主にバッテリ３２、駆動モータ３６、及びモータドライバ３８の能力によって決定されるアシスト駆動時（放電時）の上限電流値（Ｉｃｃｍａｘ）と、主にバッテリ３２の能力によって決定される回生時（充電時）の下限電流値（Ｉｃｃｍｉｎ）の値が不揮発性メモリ等によって予め設定されており、この上限電流値及び下限電流値を力行・回生装置３４に供給する。ただし、上限電流値や下限電流値は、予め力行・回生装置３４に設定されていても良いし、その他の外部入力手段によって供給するような構成であってもよい。
なお、アシスト動作時のバッテリ３２からモータ３６等に供給される電流の方向（すなわち放電方向）を正の電流とした場合、上限電流値はアシスト動作時にバッテリ３２から出力される正の電流値であり、下限電流値は回生時にバッテリ３２に入力される負の電流値である。
また、バッテリ３２は、その能力によって充電時の上限電流値ＯＣと上限電圧値ＯＶを有するものであり、これらの値も予め上位コントローラ３０内の不揮発性メモリ等に設定されているものとする。
【００１７】
図３は本例における力行・回生制御系の構成例を示すブロック図である。
図示のように、本例の力行・回生制御系は、ＣＶコントローラ（電圧制御手段）５０、比較処理部（比較手段）５２、及びＣＣコントローラ（電流制御手段）５４を有する。
ＣＶコントローラ５０は、充放電経路６０から得られる電圧値（Ｅｂａｔｏｕｔ）と上位コントローラ３０によって指示される電圧指令値（Ｅｒｅｆ）とに基づいて充放電経路６０の電圧を目標値に制御するための電流指令値（Ｉｃｖ）を生成する。
比較処理部５２は、ＣＶコントローラ５０によって指示される電流指令値（Ｉｃｖ）と、上位コントローラ３０によって指示される電流指令値（Ｉｒｅｆ）と、予め設定されている上限電流値（Ｉｃｃｍａｘ）及び下限電流値（Ｉｃｃｍｉｎ）とを比較し、その比較結果に基づいてＣＣコントローラ５４に供給する電流指令値（Ｉｃｃ）として決定する。
ＣＣコントローラ５４は、充放電経路６０から得られる電流値（Ｉｍ）と比較処理部５２によって決定された電流指令値（Ｉｃｃ）に基づいて充放電経路６０の電流量をモータドライバ３８を通して目標値に制御する。
【００１８】
なお、図３において、バッテリ３２は抵抗Ｒｂａｔを介して充電経路６０に接続され、駆動モータ３６はインピーダンスＲｍ＋Ｓ・Ｌｍを介して充電経路６０に接続されている（なお、Ｓはラプラス演算子である）。そして、回生（充電）時には矢印Ａに示すように、駆動モータ３６からバッテリ３２に電流が流れ、アシスト（放電）時には矢印Ｂに示すように、バッテリ３２から駆動モータ３６に電流が流れる。また、バッテリ３２の出力電圧（Ｅｂａｔｏｕｔ（ｖ））はＣＶコントローラ５０に供給され、電圧検知に用いられる。また、回生時に駆動モータ３６で生じたモータ電流（バッテリ電流）Ｉｍは、ＣＣコントローラ５４に供給され、電流検知に用いられる。
また、充電経路６０はモータドライバ３８が接続されており、このモータドライバ３８を通して充電経路６０の電流量を制御するようになっている。
【００１９】
また、本例においては、充放電経路６０の放電時の電流方向を正とし、上述した上限電流値（Ｉｃｃｍａｘ）は、バッテリ３２、駆動モータ３６、及びモータドライバ３８の能力によって決定される正の電流値であり、アシスト時の最大電流値である。また、上述した下限電流値（Ｉｃｃｍｉｎ）はバッテリ３２の能力によって決定される負の電流値であり、回生時の最小電流値である。
そして、充放電経路６０に接続される各ノードのダイナミックレンジは上限電流値（Ｉｃｃｍａｘ）及び下限電流値（Ｉｃｃｍｉｎ）に適合する値に設定されているものとする。
また、充放電経路６０の放電時（すなわちアシスト時）には、上位コントローラ３０によって指示される電流指令値（Ｉｒｅｆ）は正の値で与えられ、充放電経路６０の充電時（すなわち回生時）には上位コントローラによって指示される電流指令値（Ｉｒｅｆ）及びＣＶコントローラ５０によって指示される電流指令値（Ｉｃｖ）が負の値で与えられる。
なお、充放電経路６０に接続される各ノードのダイナミックレンジは上限電流値（Ｉｃｃｍａｘ）及び下限電流値（Ｉｃｃｍｉｎ）に適合する値に設定されているものとする。
【００２０】
以下、このような回生装置における具体的な動作例について説明する。
まず、ＣＣコントローラ５４によるＣＣ制御系について説明する。
駆動モータ３６の電流制御系にとって制御対象はモータコイルであり、その主要構成要素はコイルに直接電流を流すモータドライバ３８とこのモータドライバ３８に適切な制御量を送り出すＣＣコントローラ５４及びモータドライバ３８の電源となるバッテリ３２である。
ＣＣコントローラ５４の主要機能としては次の４つの要素が含まれる。
（１）ＣＣ制御系に対して上位コントローラ３０から供給される電流指令値（Ｉｒｅｆ）にモータ３６の電流値を適切な応答で収束させるための制御則。なお、以下の説明ではＣＣコントローラ５４としてソフトウエアにて実装されるＰＩ制御系を例に説明するが、ここで利用できるアルゴリズムは他の制御則であっても適用可能であることは勿論である。
（２）バッテリ３２やモータドライバ３８やモータ３６の破損防止、人間に対する安全性を確保するための各種リミッタ機能。
（３）乗り味の確保
（４）ＣＶコントローラとの適切なインターフェース。
【００２１】
そこで、次に、ＣＣ制御系のＰＩ制御則でのＰＩパラメータ設計法の一例について説明する。なお、ＣＣ制御系に用いる制御則としては、これ以外の制御則であっても勿論構わないものである。
上述のようにＣＣ制御系の制御対象はモータ３６のコイルであり、従ってその制御モデルＧｍ（Ｓ）は次の式（１−１）のようになる。
【００２２】
【数１】

【００２３】
なお、Ｌｍはモータコイルのインダクタンス、Ｒｍは抵抗、Ｓはラプラス演算子である。
また、ＣＣ制御系を安定化できる制御則Ｇｃｃ（Ｓ）はシンプルな一例として例えば次の式（１−２）のようになる。
【００２４】
【数２】

【００２５】
また、ＰＩ制御則のサーボパラメータＫｐ、Ｋｉの設計法はいくつも知られているが、ここでは極配置法での公式を用いた例を示す。
そして、この公式適用の場合、実用上、コイル部を１／Ｓに規格化しておくと便利である。この規格化とＰＩパラメータ設計法は以下のようになる。
【００２６】
まず、モータコイルのインダクタンスをＬｍ、抵抗をＲｍ、ラプラス演算子をＳとすると、コイルの伝達関数は式（１−１）となり、この式から次の式（１−３）が得られる。
【００２７】
【数３】

【００２８】
そこで、この値がちょうど１となるｗをｗ_０ として、次の式（１−４）を得る。
【００２９】
【数４】

【００３０】
一方、Ｇ（Ｓ）＝Ｋｍ／Ｓにおいて、Ｇ（Ｓ）の絶対値が１となるｗをｗ_０ とするとき、次の式（１−５）が成り立つ。
【００３１】
【数５】

【００３２】
この式より、Ｋｍ＝ｗ_０ が得られる。よって、式（１−４）から次の式（１−６）が導かれる。
【００３３】
【数６】

【００３４】
そこで、これを解くと、次の式（１−７）が得られる。
【００３５】
【数７】

【００３６】
従って、ｗ_０ の近辺においては、Ｇｍ（Ｓ）は次の式（１−８）となるはずである。
【００３７】
【数８】

【００３８】
従って、Ｇｍ（Ｓ）をＫｍで割れば、ｗ_０ の近辺で１／Ｓに近似できる。つまり、次の式（１−９）が成り立つ。
【００３９】
【数９】

【００４０】
つまり、コイルモデルに１／Ｋｍを掛けることで、モータのコイルを１／Ｓにほぼ規格化できたことになる。
【００４１】
このようにして規格化した後のＰＩ制御系のパラメータＫｐ、Ｋｉはアナログモデルでは応答特性（Ｆ特）をＦ０［Ｈｚ］極角ψ＝０［度］とすると、次の式（１−１０）によって設計できる。
【００４２】
【数１０】

【００４３】
なお、実際には、このパラメータＫｐ、Ｋｉを固定しておき、ＣＣコントローラ５４の出力に１／Ｋｍを掛けてチューニングすることとなる。
以上で ＣＣ−ＰＩ制御系のループ設計ができたことになる。
そこで、図３において、ＣＣ制御系への電流指令値Ｉｃｃ［Ａ］をＩｍに設定すると、モータにコイル電流Ｉｍ［Ａ］が流れることとなる。
【００４４】
次に、ＣＶコントローラ５０によるＣＶ制御系について説明する。
アシスト型自転車では、主に登り坂において人の踏力に加えてモータに電流を流しトルクを発生することで補助する。逆に主に下り坂走行時にはモータに発生する逆起電圧（ＢＥＭＦ）を電圧源とした回生電流でバッテリを充電する。
この回生充電制御の主な目的は、バッテリのエネルギー再利用効率の向上と、電動ブレーキ動作及び乗り心地（いわゆる乗り味）を確保することにある。
また、回生充電制御時の必要機能としては、次のようなものが挙げられる。
（１１）バッテリ充電電圧を上限充電電圧ＯＶ以下に抑える。
（１２）バッテリ充電電流を上限充電電流ＯＣ以下に抑える。
（１３）乗り味を悪化させない。
（１４）できる限り制御応答を落とさない。
【００４５】
そして、特に上記（１１）の機能を満たすためにＣＶ制御が必要となる。
従って、バッテリ３２による印加電圧が上限充電電圧ＯＶ以下で回生制御されている状況下では、上記目的（１１）以外の目的、機能を満たすためには、ＣＣ制御が好ましい。これは一般にＣＣ制御系の応答速度（Ｆ特）を大きく設計できるからである。
【００４６】
次に、ＣＶ制御系の制御対象モデルと制御則について説明する。
まず、ＣＶコントローラ５０からＣＣコントローラ５４を見ると、ＣＣ制御系が適切に制御されている場合には、ＣＣ制御系はモータ３６、バッテリ３２に対して定電流制御となっている。
図４（Ａ）は、ＣＶコントローラ５０からＣＣコントローラ５４を見た場合のＣＶ制御系の制御対象モデルを示す回路図であり、図４（Ｂ）は図４（Ａ）を等価回路化した回路図である。
ＣＣ制御系の能力が高ければ高い程、図４に示すようなモデルに近づく。モータが回転すると、その速度に比例して逆起電力Ｅｍが発生するが、定電流源Ｉｃｃが存在するため、逆起電力Ｅｍの大小に影響されずに、ＣＶ制御系の制御量Ｅｂａｔｏｕｔが等価回路によって決定される。つまり、次の式（２−１）が成立する。
【００４７】
【数１１】

【００４８】
そして、この式（２−１）において、第２項のみがＩｃｃで影響を受けることに注目し、その成分をあらためてＥｂａｔｏｕｔとすると、次の式（２−２）が成立する。
【００４９】
【数１２】

【００５０】
この式（２−２）により、ＣＶ制御系の制御量Ｅｂａｔｏｕｔは１次伝達関数であり、これはＣＣコントローラ５４の制御対象と同じ形であることが分かる。しかし、Ｒｂａｔ＜１［Ω］、Ｃｍｂ〜５０００［μＦ］が一般に成り立つから、上記式（２−２）の時定数〜５［ｍｓｅｃ］〜２００［ｈｚ］程度であり、ロールオフ周波数はＣＣ制御系のＦ特より多少低い程度である。従って、ＲｂａｔでＣＶコントローラ５０の出力を割っておけば、ＣＶコントローラ５０の制御対象モデルは１とみなせるので、ＣＶ制御系の制御則として、例えば以下の式（２−３）を満たす制御器で安定化でき、ＣＣコントローラの制御パラメータと同じ公式（１−１０）をそのまま再利用することができる。
【００５１】
【数１３】

【００５２】
次に、比較処理部５２によって実行されるＣＶＣＣ制御系の動作について説明する。比較処理部５２では、内部のスイッチＳＷ１を切り替え、ＣＣコントローラへの電流指令値Ｉｃｃを選択するものである。
ここで、従来のＣＶＣＣ制御系の動作では、ＣＣ制御系とＣＶ制御系とを切り換えるスイッチ動作において、ＣＶ制御系自身が外乱要因となることを防止する意味でも、ＣＣ制御系が動作している状態では、ＣＶ制御系の動作は停止していた。しかし、本例のＣＶＣＣ制御系の動作では、ＣＶ制御系への電圧指令値として上限充電電圧ＯＶを常に与えた状態でＣＶ制御系を動作させている。
そして、最終的なＣＣ制御系への指令電流値Ｉｃｃは、比較処理部５２において、上位コントローラ３０からの電流指令値Ｉｒｅｆ、ＣＶコントローラ５０からの電流指令値Ｉｃｖ、及び予め設定された上限電流値Ｉｃｃｍａｘ及び下限電流値Ｉｃｃｍｉｎに対して以下のような比較、選択動作を行い、ＣＣコントローラ５４に供給する。
【００５３】
まず、アシスト時（バッテリ放電時）には、上位コントローラ３０からの電流指令値Ｉｒｅｆが正の電流値となる。そこで、比較処理部５２は、上位コントローラ３０からの電流指令値Ｉｒｅｆと上限電流値Ｉｃｃｍａｘのうちの最小電流値を最終的なＣＣ制御系への指令電流値ＩｃｃとしてＣＣコントローラ５４に出力する。これを以下の式（３−１）で表すものとする。
Ｉｃｃ＝ｍｉｎ（Ｉｒｅｆ、Ｉｃｃｍａｘ）＞０ ……（３−１）
この式（３−１）は、通常のアシスト時の制御であり、この時のＣＶ制御系の出力Ｉｃｖは無関係である。
【００５４】
次に、回生時（バッテリ充電時）には、上位コントローラ３０からの電流指令値Ｉｒｅｆが零または負の電流値となる。
そこで、比較処理部５２は、ＣＶコントローラ５０からの電流指令値Ｉｃｖと、上位コントローラ３０からの電流指令値Ｉｒｅｆと、下限電流値Ｉｃｃｍｉｎのうちの最大電流値を最終的なＣＣ制御系への指令電流値ＩｃｃとしてＣＣコントローラ５４に出力する。これを以下の式（３−２）で表すものとする。
Ｉｃｃ＝ｍａｘ（Ｉｃｖ、Ｉｒｅｆ、Ｉｃｃｍｉｎ）≦０ ……（３−２）
【００５５】
次に、ＣＶコントローラ５０による電流指令値Ｉｃｖについて説明する。
本例のＣＶＣＣ制御系では、ＣＶコントローラ５０による電流指令値Ｉｃｖに特徴を有しており、以下のような条件を有している。
まず、バッテリの出力電圧値Ｅｂａｔｏｕｔが上限充電電圧値ＯＶより小さい場合には、
Ｉｃｖ＝Ｉｃｃｍｉｎ＜０ ……式（３−３）
となる。
また、バッテリの出力電圧値Ｅｂａｔｏｕｔが上限充電電圧値ＯＶ以上の場合には、
Ｉｃｃｍｉｎ≦Ｉｃｖ≦０ ……式（３−４）
となる。
すなわち、Ｉｃｖはバッテリ出力電圧Ｅｂａｔｏｕｔが上限充電電圧値ＯＶより小さい場合にはＩｃｃｍｉｎと一致し、上限充電電圧値ＯＶを少しでも越え始めると、Ｉｃｃｍｉｎと０の間の値をとるようにＣＶ制御が働く。このＩｃｖの振る舞いは、あたかもＩｃｖがＣＶ制御系の出力段の下限電流値Ｉｃｃｍｉｎをゆっくり押し上げるように見える。このように、Ｉｃｖが出力されると、式（３−２）に従ってＣＣ制御系への指令値Ｉｃｃが制御される。
【００５６】
次に、ＣＶ制御系の上限電流値と下限電流値の設計方法について説明する。
ここでは、上述した式（３−３）及び式（３−４）が実現できる仕組みをＣＶ制御系の各ノードにおける上限電流値及び下限電流値（Ｌｉｍｉｔｅｒ値）から説明する。
なお、ここではＣＶ制御則として、上述の式（２−３）を用いた場合について説明する。なお、このＣＶ制御則は一例であり、他の制御則を用いてもよいことは勿論である。
【００５７】
図５は式（２−３）に示す積分器を双１次変換ソフトで実現した場合の構成例を示すブロック図である。
図示のように、この回路は２つの積分器９１、９２、３つの乗算器９３、９４、９５、１つの加算器９６を有して構成され、各積分器９１、９２は図５（Ｂ）に示すような構成を有している。
図中のＺは１サンプリング遅延子（Ｚ変換子）を示している。また、一点鎖線による引きだし線は各ノードのＬｉｍｉｔｅｒ値を示しており、上側の値が最大値（上限値）、下側の値が最小値（下限値）である。なお、Ｌｉｍｉｔｅｒ値が記載されないノードは、Ｌｉｍｉｔｅｒ値が十分大きいものとする。
また、Ｉｃｃｍａｘ（≧０）、Ｉｃｃｍｉｎ（＜０）は、次段のＣＣ制御系に入力する電流指令値のＬｉｍｉｔｅｒ値の上限値及び下限値を示している。
また、−１／Ｋｍは上述した規格化ゲインを表しており、−は回生時にＩｃｖが大きくなると（すなわち、負側から零に近づくと）、バッテリ出力電圧Ｅｂａｔｏｕｔが逆に小さくなる（負方向に変化する）ことを意味している。
さらに、Ｋｐ、Ｋｉは、上述した制御パラメータであり、双１次変換係数Ｔｓ／２が掛けられた値（Ｔｓは１サンプリング周期）である。
【００５８】
本例におけるＣＶ制御系のノードのＬｉｍｉｔｅｒ値は、図５からも分かるように、次段のＣＣ制御系入力のＬｉｍｉｔｅｒ値、Ｉｃｃｍａｘ、Ｉｃｃｍｉｎから逆算されて設計される。このことは、ＣＶ制御系のサーボパラメータＫｐ、Ｋｉがチューニングされて変更されても変更後のＫｐ，Ｋｉ値がＬｉｍｉｔｅｒ値に反映されるため、Ｌｉｍｉｔｅｒ値は破綻しないことを示している。
また、上位コントローラ３０からのＣＶ制御系への指令電圧には、常時バッテリ上限充電電圧ＯＶが入力される。従って、入力がＯＶ−Ｅｂａｔｏｕｔ＜０の時、積分器の動作上、必然的にＣＶ制御系の出力は、
Ｉｃｖ＝Ｉｃｃｍｉｎ＜０ ……式（３−３）
に一致する。最終的なＣＣ制御系への入力値Ｉｃｃは図３に示したように、
Ｉｃｃ＝ｍａｘ（Ｉｃｖ、Ｉｒｅｆ、Ｉｃｃｍｉｎ）≦０ ……（３−２）
で決定される。
【００５９】
つまり、充電が進み、Ｅｂａｔｏｕｔ−ＯＶ≧０に近づいた時にのみ、ＣＶ制御系出力Ｉｃｖが増加してきて、式（３−２）からＣＣ制御系への入力Ｉｃｃとして初めて採用される仕組みである。換言すれば、充電が進む前、ＯＶ−Ｅｂａｔｏｕｔ＞０であれば、ＣＶ制御系が動作中であっても出力ＩｃｖはＣＣ制御系に何ら影響を与えず、必要になった時点でＩｃｖがＩｒｅｆに近づき、Ｉｒｅｆにスムーズに、かつシームレスに取って代わることになる。この入れ替わりは、充電の速度で行われるから非常にゆっくりしたもので、過渡応答は発生し得ないものである。
【００６０】
最後に、バッテリの挙動について説明する。
バッテリ３２の充電レベルＥｂａｔに関し、図３に示す構成から以下の式（４−１）が成り立つ。
Ｅｂａｔｏｕｔ＝Ｅｂａｔ−Ｉｃｃ×Ｒｂａｔ ……（４−１）
Ｅｂａｔ≦ＯＶ ……（４−２）
ここでＩｃｃは充電時に−、アシスト時に＋である。
従って、充電が進み、Ｅｂａｔ＝ＯＶ−Ｉｃｃ×Ｒｂａｔの時点から式（３−２）により、ＣＶ制御系の出力ＩｃｃがＣＣ制御系への入力として採用され始める。この動作は、式（４−１）を事前に保証してくれるので、ＯＶ対策として、より安全な動作を実現できることを意味する。
また、このようにＥｂａｔ＝ＯＶ以前に充電電流Ｉｃｃが減少を始める。しかし、この仕組みでＩｃｃが減少すると、式（４−１）からＥｂａｔｏｕｔが減少し、ＩｃｖつまりＩｃｃが増加し、といった一連の挙動を緩やかに繰り返して、式（４−２）に収束していくが、この状況下では、Ｉｃｃが十分小さいため、乗り手に衝撃等を与えることはない。この動作より、式（４−２）がより確実に保証され、バッテリの安全上好ましい動作が期待できる。
【００６１】
以上のような本例のアシスト自転車では、以下のような効果を得ることが可能である。
（Ａ）ＣＣ制御とＣＶ制御間の切り換えがシームレスで、電流・電圧に過渡応答が現れない。従って、乗り手に衝撃等が少なく、乗り味が良く、バッテリにとってもエネルギー効率が良く、寿命・安全性の点で好ましい制御方式を提供することができる。
（Ｂ）簡単な制御によってバッテリの上限充電電圧ＯＶ及び上限充電電流ＯＣを同時に満足しつつ充放電電流を有効に制御することが可能である。
（Ｃ）バッテリ電圧がＯＶ以下の状況では、回生（充電）制御をＣＣ制御できる。つまり、回生制御応答をＣＣ制御応答と同程度に制御でき、好ましい電動ブレーキ性能が得られる。
（Ｄ）ＣＣ制御系及びＣＶ制御系のサーボパラメータを変更する度にＯＶ制御及びＯＣ制御が破綻しないように各制御系のノードのダイナミックレンジを設計できる。
（Ｅ）ＣＶ制御に回路方程式を用いないので、モータやバッテリの経時変化・温度特性に性能が左右されず、信頼性、安定性の高いシステムを提供できる。
【００６２】
なお、以上の第１の実施の形態例は本発明をアシスト自転車に適用した場合について説明したが、本発明は単独の回生装置として実現できるものであり、アシスト自転車の駆動系に限らず、他のシステムに広く適用できるものである。
また、上述した各種の制御則やアルゴリズムは、本発明の一実施例であり、種々変形し得るものである。
さらに、回生装置としては、バッテリやモータ等と別ユニットとして製品化が可能であり、このような態様についても本発明に含まれるものである。
また、上述の例では、ＣＣコントローラにＰＩ制御系を用いた例を説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、例えばＰＩＤ制御系を用いてもよいし、あるいは現代制御方式を用いることも可能である。
また、上述の説明では、充放電経路の放電時の電流方向を正とした場合について説明したが、充放電経路の放電時の電流方向を負とした場合も同様の動作となるものであり、この場合には、各電流指令値等の極性は逆になるものとする。
【００６３】
次に、本発明の第２の実施の形態例を説明する。
上述したアシスト自転車においては、ＣＶＣＣ制御以外にも安全上及び乗り味上の観点から例えば以下のような各種制御が不可欠となる。
ａ）バッテリ電圧（Ｅｂａｔ）をモータの逆起電圧（Ｅｂｅｆｍ ）が決して超えてはならない。この制御は、モータドライバとバッテリの保護上必要となるものであり、アシスト動作と回生動作の双方で必要となる。
ｂ）システム内温度（モータ温度／モータドライバ温度／ＣＰＵ温度その他）がある上限温度を超えてはならない。この制御も、アシスト動作と回生動作の双方で必要となる。
ｃ）また、より一般的な方法として、システム内のある物理量がある閾値を超えないためにスイッチの制御によって動作を切り替えるものが存在する。
本例では、これらの制御をまとめて“オーバーランプロテクト制御（ＯＲＰ制御）”と呼ぶ。なお、回生時のＣＶ制御はバッテリＯＶに対するＣＣ制御系をマイナーループとしたＯＲＰ制御の１つと言える。
そして、上述した第１の実施の形態では、ＣＶＣＣ制御アルゴリズムを改良することで、上記のａ）〜ｃ）の制御に対応可能としたものであるが、第２の実施の形態例では、一例として、上記ａ）の回生時にＥｂａｔ＞＝Ｅｂｅｆｍを確保するＥｂａｔ−ＥｂｅｆｍＯＲＰ制御アルゴリズムについて説明したものである。
【００６４】
これに対し、第２の実施の形態例は、このＥｂａｔ−ＥｂｅｆｍＯＲＰ制御のサーボ制御構造に関してのものであり、以下の特徴を有している。
１）マイナーループ（ＣＣ制御系）とＯＲＰ制御間の遷移をループ上シームレスな制御が可能である。すなわち、マイナーループ（ＣＣ制御系）とＯＲＰ制御系との間の従来のような単純なスイッチによる制御構造となっておらず、滑らかな遷移を実現するようになっている。
２）ＯＲＰ制御系はマイナーループ同様、常に動作中でＥｂｅｆｍ 電圧がＥｂａｔ電圧に達する状況下で初めて連続的で滑らかな意味のある出力を吐き出す（従来の単なるオン／オフ制御ではない）。
３）ＯＲＰ制御が付加されてもＥｂｅｆｍ 電圧がＥｂａｔ電圧に達する直前迄は応答の速いマイナーループ（ＣＣ制御）特性で制御可能である。
【００６５】
４）制御構造上はＯＲＰ制御系はマイナーループを制御する構造をとる。
具体的には、ＯＲＰ制御系への電圧指令値としてバッテリ端子電圧Ｅｂａｔｏｕｔ を採用し、マイナーループ（ＣＣ制御系）への電流指令値に上下の制限（Ｌｉｍｉｔｅｒ ）値を設け、特に下限のＬｉｍｉｔｅｒ 値をＯＣ−値に等しく設定し、最終的なＣＣ制御系への指令値Ｉｃｃ として上位コントローラからの指令値ＩｒｅｆとＯＣ−値とＯＲＰ制御系出力値Ｉｏｒｐの最大値を採用する。
また、ＯＲＰ制御系の各ノードがＯＣ−値に対してダイナミックレンジ上過不足なく対応するように、ＯＲＰ制御系の各ノードＬｉｍｉｔｅｒを設定する。
本実施の形態例は、アシスト自転車でのＯＲＰ制御に以上の手法を採用することで、回生時Ｅｂａｔ＞＝Ｅｂｅｆｍを確保した安全なＣＣ制御下で、回生上限速度を大きくすることが可能であり、その結果、バッテリの充電回収効率を向上させるようにしたものである。なお、上記ａ）以外の制御についても、ａ）の手法を適宜適用することで実現される。
【００６６】
以下、本実施の形態例を図面を用いて具体的に説明する。
図６は本例における力行・回生制御系の構成例を示すブロック図である。なお、全体の構成は図１及び図２に示すものと共通であるものとする。
図示のように、本例の力行・回生制御系は、ＯＲＰコントローラ（電圧制御手段）１５０、比較処理部（比較手段）１５２、及びＣＣコントローラ（電流制御手段）１５４を有する。
ＯＲＰコントローラ１５０は、充放電経路１６０から得られる電圧値（Ｅｂａｔｏｕｔ）とモータ１３６から得られる逆起電力（Ｅｂｅｆｍ）とに基づいて充放電経路１６０の電圧を目標値に制御するための電流指令値（ＩｏｒｐＩｏｒｐ）を生成する。
比較処理部１５２（ＳＷ１）は、ＯＲＰコントローラ１５０によって指示される電流指令値（Ｉｏｒｐ）と、上位コントローラ３０によって指示される電流指令値（Ｉｒｅｆ）と、予め設定されている上限電流値（Ｉｃｃｍａｘ）及び下限電流値（Ｉｃｃｍｉｎ）とを比較し、その比較結果に基づいてＣＣコントローラ１５４に供給する電流指令値（Ｉｃｃ）を決定する。
ＣＣコントローラ１５４は、充放電経路１６０から得られる電流値（Ｉｍ）と比較処理部１５２によって決定された電流指令値（Ｉｃｃ）に基づいて充放電経路１６０の電流量をモータドライバ１３８を通して目標値に制御する。
【００６７】
なお、図６において、バッテリ１３２は抵抗Ｒｂａｔを介して充電経路１６０に接続され、駆動モータ１３６はインピーダンスＲｍ＋Ｓ・Ｌｍを介して充電経路１６０に接続されている（なお、Ｓはラプラス演算子である）。そして、回生（充電）時には矢印Ａに示すように、駆動モータ１３６からバッテリ１３２に電流が流れ、アシスト（放電）時には矢印Ｂに示すように、バッテリ１３２から駆動モータ１３６に電流が流れる。また、バッテリ１３２の出力電圧（Ｅｂａｔｏｕｔ（ｖ））はＯＲＰコントローラ１５０に供給され、電圧検知に用いられる。また、回生時に駆動モータ１３６で生じたモータ電流（バッテリ電流）Ｉｍは、ＣＣコントローラ１５４に供給され、電流検知に用いられる。
また、充電経路１６０はモータドライバ１３８が接続されており、このモータドライバ１３８を通して充電経路１６０の電流量を制御するようになっている。さらに、駆動モータ１３６とバッテリ１３２との間には、開閉スイッチ（ＳＷ２）１７０が設けられ、逆起電圧がバッテリ電圧に一致または近づいた場合に駆動モータ１３６とバッテリ１３２との間を遮断するようになっている。
【００６８】
また、本例においては、充放電経路１６０の放電時の電流方向を正とし、上述した上限電流値（Ｉｃｃｍａｘ）は、バッテリ１３２、駆動モータ１３６、及びモータドライバ１３８の能力によって決定される正の電流値であり、アシスト時の最大電流値であり、アシスト時の最大値で＋をとる。また、上述した下限電流値（Ｉｃｃｍｉｎ）はバッテリ１３２の能力によって決定される負の電流値ＯＣ−であり、回生時の最小電流値で、−をとる。
そして、充放電経路１６０に接続される各ノードのダイナミックレンジは上限電流値（Ｉｃｃｍａｘ）及び下限電流値（Ｉｃｃｍｉｎ）に適合する値に設定されているものとする。
また、充放電経路１６０の放電時（すなわちアシスト時）には、上位コントローラ３０によって指示される電流指令値（Ｉｒｅｆ）は正の値で与えられ、充放電経路１６０の充電時（すなわち回生時）には上位コントローラによって指示される電流指令値（Ｉｒｅｆ）及びＯＲＰコントローラ１５０によって指示される電流指令値（Ｉｏｒｐ）が負の値で与えられる。
なお、充放電経路１６０に接続される各ノードのダイナミックレンジは上限電流値（Ｉｃｃｍａｘ）及び下限電流値（Ｉｃｃｍｉｎ）に適合する値に設定されているものとする。
【００６９】
以下、このような回生装置における具体的な動作例について説明する。
本例で説明するＥｂａｔｏｕｔ−ＥｂｅｆｍＯＲＰ制御系の動作では、ＯＲＰ制御系への電圧指令値としてＥｂａｔｏｕｔが常に与えられた状態で、ダイナミックなＯＲＰ制御系を常に動作させている。そして最終的なマイナーループ（ＣＣ制御系）への指令値Ｉｃｃは比較処理部１５２のスイッチＳＷ１を制御して、これらＩｏｒｐ、Ｉｒｅｆ、Ｉｃｃｍａｘ、Ｉｃｃｍｉｎの中から以下に説明するように適正に選択する。
【００７０】
次に、スイッチＳＷ１（比較処理部１５２）、ＳＷ２のアルゴリズムについて説明する。
まず、アシスト時（バッテリ放電時）には、上位コントローラ３０からの電流指令値Ｉｒｅｆが正の電流値となる。そこで、比較処理部１５２は、上位コントローラ３０からの電流指令値Ｉｒｅｆと上限電流値Ｉｃｃｍａｘのうちの最小電流値を最終的なＣＣ制御系への指令電流値ＩｃｃとしてＣＣコントローラ１５４に出力する。これを以下の式（５−１）で表すものとする。
Ｉｃｃ＝ｍｉｎ（Ｉｒｅｆ、Ｉｃｃｍａｘ）＞０ ……（５−１）
この式（５−１）は、通常のアシスト時の制御であり、この時のＯＲＰ制御系の出力Ｉｏｒｐは無関係である。
【００７１】
次に、回生時（バッテリ充電時）には、上位コントローラ３０からの電流指令値Ｉｒｅｆが零または負の電流値となる。
そこで、比較処理部１５２は、ＯＲＰコントローラ１５０からの電流指令値Ｉｏｒｐと、上位コントローラ３０からの電流指令値Ｉｒｅｆと、下限電流値Ｉｃｃｍｉｎのうちの最大電流値を最終的なＣＣ制御系への指令電流値ＩｃｃとしてＣＣコントローラ１５４に出力する。これを以下の式（５−２）で表すものとする。
Ｉｃｃ＝ｍａｘ（Ｉｏｒｐ、Ｉｒｅｆ、Ｉｃｃｍｉｎ）≦０ ……（５−２）
となるように、スイッチＳＷ１と指令電流値Ｉｃｃを制御する。
そして、モータ速度がさらに上がり、指令電流値Ｉｃｃが零アンペアに近づく、すなわち、
Ｉｃｃ〜０ ……（５−３）
を確認後、ＥｂａｔｏｕｔがＥｂｅｆｍに近づく、すなわち、
Ｅｂａｔ〜Ｅｂｅｆｍ ……（５−４）
となったら、スイッチＳＷ２をオフとし、バッテリとモータドライバとを完全に切り離し、Ｅｂａｔ≦Ｅｂｅｆｍとなった場合のバッテリの安全を確保する。
このスイッチＳＷ２のオフ動作は、Ｉｃｃ〜０を確認後、Ｅｂａｔ〜Ｅｂｅｆｍの条件で実行するため、Ｉｃｃが十分小さい状態で実行されることから、自転車の乗り手にも衝撃を与えない安全な制御となり、回路上もキックバック等のほとんどない安全な制御となっている。
【００７２】
次に、ＯＲＰコントローラ１５０による電流指令値Ｉｏｒｐについて説明する。本例のＯＲＰ制御系は連続的で滑らかな出力であるＩｏｒｐがとる値に特徴がある。すなわち、バッテリ出力電圧値Ｅｂａｔｏｕｔが逆起電圧値Ｅｂｅｆｍより小さい場合には、
Ｉｏｒｐ＝Ｉｃｃｍｉｎ＜０ ……式（５−５）
となっている。
また、バッテリ出力電圧値Ｅｂａｔｏｕｔが逆起電圧値Ｅｂｅｆｍに近づいた場合には、
Ｉｃｃｍｉｎ≦Ｉｏｒｐ≦０ ……式（５−６）
となる。
すなわち、Ｉｏｒｐはバッテリ出力電圧Ｅｂａｔｏｕｔが逆起電圧Ｅｂｅｆｍより大きい場合にはＩｃｃｍｉｎと一致し、バッテリ出力電圧Ｅｂａｔｏｕｔを少しでも越え始めると、Ｉｃｃｍｉｎと０の間の値をとるようにＯＲＰ制御が働く。このＩｏｒｐの振る舞いは、あたかもＩｏｒｐがＯＲＰ制御系の出力段のＬｉｍｉｔｅｒ値Ｉｃｃｍｉｎをゆっくり押し上げるように見える。このように、Ｉｏｒｐが出力されると、式（５−４）に従ってＣＣ制御系への指令値Ｉｃｃが制御される。
【００７３】
なお、図７は、３相ＰＷＭインバータによる３相ＡＣモータのＰＷＭドライバによるＣＣ制御系の構成を示すブロック図である。
ここで、ＣＣ制御系２１０は、モータ電流Ｉｍを目標値に適切な応答で収束させるための制御則をもつコントローラである。なお、このＣＣ制御系２１０ではシステム全体の安全を確保する仕組みも実装されているものとする。
また、ＰＷＭ発生源２２０は、Ｈ型ＰＷＭインバータにＣＣ制御系からの入力を反映させたＰＷＭデューティを生成するとともに、モータ位相を基にモータ界磁位相を制御する。その他は、既に説明した内容であるので省略する。
【００７４】
次に、ＯＲＰ制御系のＬｉｍｉｔｅｒ値の設計方法について説明する。
ここでは、上述した式（５−４）及び式（５−５）が実現できる仕組みをＯＲＰ制御系の各ノードにおけるＬｉｍｉｔｅｒ値から説明する。
なお、ここではＯＲＰ制御則として、以下の式（５−７）を用いた場合について説明する。なお、このＯＲＰ制御則は一例であり、他の制御則を用いてもよいことは勿論である。
【００７５】
【数１４】

【００７６】
また、図８は式（５−７）に示す積分器を双１次変換ソフトで実現した場合の構成例を示すブロック図である。
図示のように、この回路は２つの積分器１９１、１９２、３つの乗算器１９３、１９４、１９５、１つの加算器１９６を有して構成され、各積分器１９１、１９２は図８（Ｂ）に示すような構成を有している。
図中のＺは１サンプリング遅延子（Ｚ変換子）を示している。また、一点鎖線による引きだし線は各ノードのＬｉｍｉｔｅｒ値を示しており、上側の値が最大値（上限値）、下側の値が最小値（下限値）である。なお、Ｌｉｍｉｔｅｒ値が記載されないノードは、Ｌｉｍｉｔｅｒ値が十分大きいものとする。
また、Ｉｃｃｍａｘ（≧０）、Ｉｃｃｍｉｎ（＜０）は、次段のＣＣ制御系に入力する電流指令値のＬｉｍｉｔｅｒ値の上限値及び下限値を示している。
また、−１／Ｋｍは上述した規格化ゲインを表しており、Ｋｐ、Ｋｉは、上述した制御パラメータであり、双１次変換係数Ｔｓ／２が掛けられた値（Ｔｓは１サンプリング周期）である。
【００７７】
図８より分かるように、本例のＯＲＰ制御系のノードの上限電流値及び下限電流値（Ｌｉｍｉｔｅｒ値）は、マイナーループ（ＣＣ制御系）から入力されるＬｉｍｉｔｅｒ値、Ｉｃｃｍａｘ、Ｉｃｃｍｉｎから逆算されて設計される。このことは、ＯＲＰ制御系のサーボパラメータＫｐ、Ｋｉがチューニングされて変更されても、Ｌｉｍｉｔｅｒ値は破綻しないことを示している。
また、上位コントローラ３０からのＯＲＰ制御系への指令電圧には、常時バッテリ出力電圧Ｅｂｕｔｏｕｔが入力される。従って、入力がＥｂｅｆｍ−Ｅｂａｔｏｕｔ＜０の時、積分器の動作上、必然的にＯＲＰ制御系の出力は、
Ｉｏｒｐ＝Ｉｃｃｍｉｎ＜０ ……式（５−５）
に一致する。最終的なＣＣ制御系への入力値Ｉｃｃは図６に示したように、
Ｉｃｃ＝ｍａｘ（Ｉｏｒｐ、Ｉｒｅｆ、Ｉｃｃｍｉｎ）≦０ ……（５−６）
で決定される。
【００７８】
つまり、モータの回転速度が上がり、Ｅｂｅｆｍ−Ｅｂａｔｏｕｔ≧０に近づいた時にのみ、ＯＲＰ制御系出力Ｉｏｒｐが増加してきて、式（５−２）からＣＣ制御系への入力Ｉｃｃとして初めて採用される仕組みである。換言すれば、モータ低速時に、Ｅｂｅｆｍ−Ｅｂａｔｏｕｔ＜０であれば、ＯＲＰ制御系が動作中であっても出力ＩｏｒｐはＣＣ制御系に何ら影響を与えず、必要になった時点でＩｏｒｐがＩｒｅｆに近づき、Ｉｒｅｆにスムーズに、かつシームレスに取って代わることになり、過渡応答は発生し得ないものである。
【００７９】
最後に、バッテリの挙動について説明する。
バッテリ３２の回生動作時に、図６に示す構成から以下の式（６−１）が成り立つ。
Ｅｂａｔｏｕｔ＝Ｅｂａｔ−Ｉｃｃ×Ｒｂａｔ ……（６−１）
Ｅｂｅｆｍ＜Ｅｂａｔ＜Ｅｂａｔｏｕｔ ……（６−２）
ここでＩｃｃは充電時に−、アシスト時に＋である。
従って、回生時にモータの高速化に伴い、Ｅｂａｔｏｕｔ＝Ｅｂｅｆｍ＋αの時点から式（５−２）により、ＯＲＰ制御系の出力ＩｃｃがＣＣ制御系への入力として採用され始める。ただし、ＥｂｅｆｍとＥｂａｔｏｕｔとは、式（６−２）を事前に保証してくれないので、ＯＶ対策として、より安全な動作を実現するためには適切なαを設定する必要がある。
【００８０】
以上のような本例のアシスト自転車では、以下のような効果を得ることが可能である。
（Ａ）マイナーループ（ＣＣ制御）とＥｂａｔ−ＥｂｅｆｍＯＲＰ制御との間の遷移を制御ループ上シームレスな制御とした。従って、従来のような単純なスイッチによる制御構造となっていないので、充放電電流の過渡応答が極めて少なく、バッテリに対して安全・安心な充電の限界速度を大幅に伸ばすことが可能で回生効率を向上することが可能である。
（Ｂ）ハードウエアの変更・追加を必要とせずにソフトウエアの変更のみで実現可能である。
（Ｃ）Ｅｂａｔ−ＥｂｅｆｍＯＲＰ制御系は常に動作中で、Ｅｂａｔ− α＝Ｅｂｅｆｍ 条件に達した直後から初めて意味のある出力を吐き出す。また、回生時の制御においても Ｅｂａｔ− α＝Ｅｂｅｆｍに達する直前迄は応答の速いマイナーループ（ＣＣ制御）特性で制御可能である。
（Ｄ）回生機能付きアシスト自転車においてアシスト時と電動ブレーキ時で共に滑らかで安心な乗り心地を提供可能である。
【００８１】
次に本発明の第３の実施の形態例について説明する。
上述した第１、第２の実施の形態例は、それぞれＯＲＰ制御の一例を示したものであったが、ＯＲＰ制御はシステム内の種々の物理量（例えば、電圧、電流、温度、速度等）がシステム上超えてはならないレベルに近づいた場合の複合的なＯＲＰ制御として適用することが可能である。
図９はこの場合の具体例を示すブロック図であり、３つのＯＲＰコントローラ１８０、１８２、１８４を有する力行・回生制御系の構成例を示している。なお、図６と同様の構成については同一符号を付している。
ここでは一例として、温度管理を行なうためのＯＲＰ制御について説明すると、ＯＲＰコントローラからマイナーループ（ＣＣ制御系）に出力する電流指令値Ｉｃｔは、温度が予め決められた上限に近づかない限り一定で、Ｉｃｃｍｉｎ（マイナス値）と同じレベルとする。また、温度が上限に近づくと、マイナスのＩｃｃｍｉｎから零アンペアに向かって上昇し、絶対値で減衰していく。
また、その際の制御則は、例えば以下のようなものとなる。
現在の温度＝温度限界＋ｋ（Ｉｃｔ^２ ×（Ｒｂａｔ＋Ｒａｍｐ）−放熱）／発熱 ……（７−１）
なお、Ｒｂａｔはバッテリの抵抗値、Ｒａｍｐは増幅器の抵抗値である。
【００８２】
比較処理部（スイッチＳＷ１）１８６では、上位コントローラ３０からの電流指令値Ｉｒｅｆと、予め決まっているＬｉｍｉｔｅｒ値Ｉｃｃｍｉｎと、３つのＯＲＰ制御系１８０、１８２、１８４からの電流指令値Ｉｏｒｐ１、Ｉｏｒｐ２、Ｉｏｒｐ３を比較し、最も高い（零に近い）電流指令値を選んでマイナーループ（ＣＣ制御系）への電流指令値Ｉｃｃとする。すなわち、
Ｉｃｃ＝ｍａｘ（Ｉｏｒｐ１、Ｉｏｒｐ２、Ｉｏｒｐ３、Ｉｒｅｆ、Ｉｃｃｍｉｎ）≦０ ……（７−２）
で決定されることとなる。
さらに、物理量が増えても構造は全く同じである。つまり、複数のダイナミックに動作するＯＲＰ制御系のうち、上記式７−２を満たす出力が選択され、マイナーループ（ＣＣ制御系）への指令値となって、オーバーラン（追い越し）が起こらないように滑らかにシステムが制御される。そして、Ｉｃｃ〜−０を検出したら上述したスイッチＳＷ２をオフ（開放）し、バッテリとモータドライバとを切り離し、システム全体の安定を確保する。
【００８３】
以上、本発明の実施の形態例について説明したが、本発明は以上の例に限定されず種々の変形が可能である。
例えば、上記の例では、本発明を電動自転車に適用した例を説明したが、本発明は他の移動装置等に広く適用可能である。また、制御対象としては、上述のようなモータとバッテリのシステムに限らず、電流、電圧、温度、速度、濃度、湿度等といった各種状態管理を必要とするシステムに広く適用できるものである。また、ＯＲＰ制御が限界を超えた際に最終的に安全確保を行なうための手段（上述したスイッチＳＷ２に相当する手段）としては、制御対象の内容に合わせて適宜設置するものとする。
また、上述した各種の制御則やアルゴリズムは、本発明の一実施例であり、種々変形し得るものである。
また、上述の説明では、充放電経路の放電時の電流方向を正とした場合について説明したが、充放電経路の放電時の電流方向を負とした場合も同様の動作となるものであり、この場合には、各電流指令値等の極性は逆になるものとする。
【００８４】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の制御装置及び自転車によれば、各種の制御量を制御する際に、電流指令値等の制御指令値による制御の結果、制御対象の状態が所定の限界値に近づいた場合に、制御信号のレベルを徐々に減衰させて制御対象の状態が所定の限界値を超えないように制御するオーバーランプロテクト制御を行なうようにしたことから、衝撃の小さいシームレスな動作の有効なオーバーランプロテクト制御を行なうことができ、安定性や信頼性の高い動作を得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態例によるアシスト型自転車の外観を示す側面図である。
【図２】図１に示すアシスト型自転車の制御系の構成を示すブロック図である。
【図３】図１に示すアシスト型自転車における力行・回生制御系の構成例を示すブロック図である。
【図４】図３に示す力行・回生制御系のＣＶコントローラからＣＣコントローラを見た場合のＣＶ制御系の制御対象モデルを示す回路図である。
【図５】図３に示す力行・回生制御系に含まれる積分器を双１次変換ソフトで実現した場合の構成例を示すブロック図である。
【図６】図１に示すアシスト型自転車における力行・回生制御系の第２の構成例を示すブロック図である。
【図７】図１に示すアシスト型自転車におけるモータドライバの構成例を示すブロック図である。
【図８】図６に示す力行・回生制御系に含まれる積分器を双１次変換ソフトで実現した場合の構成例を示すブロック図である。
【図９】図１に示すアシスト型自転車における力行・回生制御系の第３の構成例を示すブロック図である。
【符号の説明】
１０……本体フレーム、１２……サドル部、１４……ハンドル部、１６……ペダル部、１８……前輪部、２０……後輪部、２２……操作表示部、３０……上位コントローラ、３２……バッテリ、３４……回生装置、３６……駆動モータ、３８……モータドライバ、４０……センサ部、５０……ＣＶコントローラ（電圧制御手段）、５２……比較処理部（比較手段）、５４……ＣＣコントローラ（電流制御手段）、６０……充放電経路。

Claims (29)

1. 所定の制御対象に制御信号を供給することにより、前記制御対象の制御量を制御する第１の制御手段と、
   前記第１の制御手段に前記制御量を決定する制御指令値を供給することにより、前記制御対象を制御する第２の制御手段と、
   前記制御対象の所定の状態を検出する状態検出手段とを有し、
   前記第２の制御手段は、前記制御指令値による制御の結果、前記制御対象の状態が所定の限界値に近づいた場合に、前記制御信号のレベルを徐々に減衰させて前記制御対象の状態が所定の限界値を超えないように制御するオーバーランプロテクト制御を行なう、
   ことを特徴とする制御装置。
2. 前記制御対象が駆動モータ及びバッテリであり、前記制御信号が前記駆動モータの駆動電流であり、前記制御指令値が前記駆動電流の目標値を指示する電流指令値であることを特徴とする請求項１記載の制御装置。
3. 充放電経路から得られる電圧値と所定の第１の電圧指令値とに基づいて充放電経路の電圧を目標値に制御するための第１の電流指令値を生成する電圧制御手段と、前記電圧制御手段によって指示される第１の電流指令値と、所定の第２の電流指令値と、所定の上限電流値及び下限電流値とを比較し、その比較結果に基づいて前記電流制御手段に供給する電流指令値として決定する比較手段と、前記充放電経路から得られる電流値と前記比較手段によって決定された電流指令値とに基づいて充放電経路の電流を目標値に制御する電流制御手段とを含む力行・回生制御系を有することを特徴とする請求項１記載の制御装置。
4. 前記所定の第１の電圧指令値、前記所定の第２の電流指令値及び前記所定の上限電流値及び下限電流値は上位コントローラによって指示されるものであることを特徴とする請求項３記載の制御装置。
5. 前記所定の第１の電圧指令値、前記所定の第２の電流指令値及び前記所定の上限電流値及び下限電流値は予め設定によって指示されるものであることを特徴とする請求項３記載の制御装置。
6. 前記充放電経路の放電時の電流方向を正または負のいずれか一方とした場合、前記充放電経路の放電時には前記第２の電流指令値が正または負のいずれか一方の値で与えられ、前記充放電経路の充電時には前記第１の電流指令値及び前第２の電流指令値が正または負のいずれか他方の値で与えられることを特徴とする請求項３記載の制御装置。
7. 前記上限電流値が正または負のいずれか一方の電流値で設定され、前記下限電流値が正または負いずれか他方の電流値で設定されることを特徴とする請求項６記載の制御装置。
8. 前記比較手段は、前記充放電経路の放電時には前記第２の電流指令値と前記上限電流値とを比較して小さい方の電流値を前記電流制御手段に供給する電流指令値として選択し、前記充放電経路の充電時には前記第１の電流指令値と前記第２の電流指令値と前記下限電流値とを比較して最も大きい電流値を前記電流制御手段に供給する電流指令値として選択することを特徴とする請求項３記載の制御装置。
9. 前記充放電経路に並列に接続される充電式バッテリと回生電圧源とを有することを特徴とする請求項３記載の制御装置。
10. 前記回生電圧源が駆動モータであり、前記電流制御手段は駆動モータのモータドライバを介して前記充放電経路の電流を一定値に制御することを特徴とする請求項９記載の制御装置。
11. 前記充放電経路の放電時の電流方向を正とした場合、前記上限電流値は前記充電式バッテリ、駆動モータ、モータドライバの能力によって決定される正の電流値であり、前記下限電流値は前記充電式バッテリの能力によって決定される負の電流値であることを特徴とする請求項１０記載の制御装置。
12. 前記比較手段は、前記駆動モータの駆動時には、前記第２の電流指令値と前記上限電流値とのうちの最小値を前記電流制御手段に供給する電流指令値として選択し、前記充電式バッテリの充電時には、前記第１の電流指令値と前記第２の電流指令値と前記下限電流値とのうちの最大値を前記電流制御手段に供給する電流指令値として選択することを特徴とする請求項１１記載の制御装置。
13. 前記電圧制御手段に対する電圧指令値を常に充電式バッテリの上限充電電圧に設定していることを特徴とする請求項１２記載の制御装置。
14. 前記充放電経路に接続される各ノードのダイナミックレンジが前記上限電流値及び下限電流値に適合する値に設定されていることを特徴とする請求項３記載の制御装置。
15. 前記駆動モータからの回生電圧レベルが前記充電式バッテリの規定電圧レベルに一致または近い値になった場合に、前記駆動モータから充電式バッテリに至る経路を遮断するスイッチ手段を有することを特徴とする請求項１０記載の制御装置。
16. 前記制御対象の状態検出値が所定の限界値に一致または近い値になった場合に、前記制御対象に対する制御動作を前記オーバーランプロテクト制御から強制的に限界値を回避する強制制御に切り替えるスイッチ手段を有することを特徴とする請求項３記載の制御装置。
17. 前記制御対象の異なる状態を検出する複数の状態検出手段と、前記複数の状態検出手段に対応する複数の第２の制御手段とを有し、前記複数の第２の制御手段からの制御指令値のうち最も小さい制御指令値を選択して前記第１の制御手段に供給する選択手段を有することを特徴とする請求項１記載の制御装置。
18. 車輪の助力駆動を行う駆動モータと、前記駆動モータを制御する制御装置とを有し、
    前記制御装置が、前記駆動モータに制御電流を供給することにより、前記駆動モータの駆動量を制御する第１の制御手段と、
    前記第１の制御手段に前記駆動量を決定する電流指令値を供給することにより、前記駆動モータを制御する第２の制御手段と、
    前記駆動モータの所定の状態を検出する状態検出手段とを有し、
    前記第２の制御手段は、前記電流指令値による制御の結果、前記駆動モータの状態が所定の限界値に近づいた場合に、前記制御信号のレベルを徐々に減衰させて前記駆動モータの状態が所定の限界値を超えないように制御するオーバーランプロテクト制御を行なう、
    ことを特徴とする自転車。
19. 前記駆動モータに電力を供給する充電式バッテリと、前記駆動モータにおいて生じた電力によって前記充電式バッテリの充電を行う回生装置と、前記回生装置を制御する上位コントローラとを有し、前記回生装置は、充放電経路から得られる電圧値と所定の第１の電圧指令値とに基づいて充放電経路の電圧を目標値に制御するための第１の電流指令値を生成する電圧制御手段と、前記電圧制御手段によって指示される第１の電流指令値と、所定の第２の電流指令値と、所定の上限電流値及び下限電流値とを比較し、その比較結果に基づいて前記電流制御手段に供給する電流指令値として決定する比較手段と、前記充放電経路から得られる電流値と前記比較手段によって決定された電流指令値とに基づいて充放電経路の電流を目標値に制御する電流制御手段とを有していることを特徴とする請求項１８記載の自転車。
20. 前記所定の第１の電圧指令値、前記所定の第２の電流指令値及び前記所定の上限電流値及び下限電流値は上位コントローラによって指示されるものであることを特徴とする請求項１８記載の自転車。
21. 前記所定の第１の電圧指令値、前記所定の第２の電流指令値及び前記所定の上限電流値及び下限電流値は予め設定によって指示されるものであることを特徴とする請求項１８記載の自転車。
22. 前記電流制御手段は駆動モータのモータドライバを介して前記充放電経路の電流を一定値に制御することを特徴とする請求項１９記載の自転車。
23. 前記充放電経路の放電時の電流方向を正または負のいずれか一方とした場合、前記上限電流値は前記充電式バッテリ、駆動モータ、モータドライバの能力によって決定される正または負のいずれか一方の電流値であり、前記下限電流値は前記充電式バッテリの能力によって決定される正または負のいずれか他方の電流値であることを特徴とする請求項２２記載の自転車。
24. 前記比較手段は、前記駆動モータの駆動時には、前記第２の電流指令値と前記上限電流値とのうちの最小値を前記電流制御手段に供給する電流指令値として選択し、前記充電式バッテリの充電時には、前記第１の電流指令値と前記第２の電流指令値と前記下限電流値とのうちの最大値を前記電流制御手段に供給する電流指令値として選択することを特徴とする請求項２３記載の自転車。
25. 前記電圧制御手段に対する電圧指令値を常に充電式バッテリの上限充電電圧に設定していることを特徴とする請求項２４記載の自転車。
26. 前記充放電経路に接続される各ノードのダイナミックレンジが前記上限電流値及び下限電流値に適合する値に設定されていることを特徴とする請求項１９記載の自転車。
27. 前記駆動モータからの回生電圧レベルが前記充電式バッテリの規定電圧レベルに一致または近い値になった場合に、前記駆動モータから充電式バッテリに至る経路を遮断するスイッチ手段を有することを特徴とする請求項１９記載の自転車。
28. 前記駆動モータの状態検出値が所定の限界値に一致または近い値になった場合に、前記駆動モータに対する制御動作を前記オーバーランプロテクト制御から強制的に限界値を回避する強制制御に切り替えるスイッチ手段を有することを特徴とする請求項１８記載の自転車。
29. 前記駆動モータの異なる状態を検出する複数の状態検出手段と、前記複数の状態検出手段に対応する複数の第２の制御手段とを有し、前記複数の第２の制御手段からの電流指令値のうち最も小さい電流指令値を選択して前記第１の制御手段に供給する選択手段を有することを特徴とする請求項１８記載の自転車。

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