JP2004322809A

JP2004322809A - 電動アシスト自転車

Info

Publication number: JP2004322809A
Application number: JP2003119639A
Authority: JP
Inventors: Susumu Tosaka; 進登坂
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2003-04-24
Filing date: 2003-04-24
Publication date: 2004-11-18

Abstract

【課題】きめの細かいアシストトルク量のリアルタイム制御を簡易な構成及び制御によって行う。
【解決手段】アシストトルク算出回路は、ローパスフィルタ回路４１０と、演算増幅器４２０と、減算器４３０と、リミッタ回路４４０とを有し、トルクセンサ３５によって検出されるペダル踏力の検出信号をローパスフィルタ回路４１０でローパスフィルタ処理し、そのフィルタ処理信号を演算増幅器４２０で増幅してトータルトルクを算出し、このトータルトルクと元の検出信号との差分を減算器４３０によって算出し、アシストトルク指令値を決定する。そして、このローパスフィルタ処理におけるカットオフ周波数を切り替え制御することにより、簡単な構成と制御によって乗り味の切り替え制御を行う。
【選択図】図４

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電動モータによって助力走行を行う電動アシスト自転車に関し、特にそのアシスト力制御方法の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、この種の電動アシスト自転車は、乗車者のペダル踏力を補助するアシストトルクを前輪の駆動軸に付与することにより、軽快な自転車走行を行えるようにしたものであり、例えば速度等に応じてアシスト力を最適に制御することにより、走行の快適性（いわゆる乗り味という）を向上する方法が種々提案されている（例えば、特許文献１〜特許文献５参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１１−３３４６７６号公報
【特許文献２】
特開平１１−９９９８３号公報
【特許文献３】
特開平１１−１６４８５３号公報
【特許文献４】
特開平７−３２７３８５号公報
【特許文献５】
特開平９−２４０５６４号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来例は、自転車の速度や傾斜等を検出してアシストトルクを制御するものであるので、例えばペダルの踏み込み角度等を考慮した細かい制御を行うことができず、おおまかな制御を行うものであることから、十分な乗り味の向上は図れないという問題があった。
【０００５】
そこで本発明の目的は、きめの細かいアシストトルク量のリアルタイム制御を簡易な構成及び制御によって行うことが可能となり、容易かつ自在に乗り味の向上を図ることができる電動アシスト自転車御方法を提供することにある。
【０００６】
【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、ペダルにかかる踏力トルクを検出するトルク検出手段と、前記トルク検出手段によって検出されたトルク検出信号にフィルタ処理を行うフィルタ手段と、前記トルク検出手段によって検出されたトルク検出信号と前記フィルタ手段によって処理されたフィルタ処理信号とに基づいてアシストトルクを算出する演算手段と、前記演算手段によって算出されたアシストトルクを車輪駆動軸に付与するアシスト駆動手段と、前記フィルタ手段のフィルタ特性を切り替え制御する制御手段とを有することを特徴とする。
【０００７】
本発明の電動アシスト自転車では、ペダルにかかる踏力トルクを検出してフィルタ処理を行い、このフィルタ処理信号と踏力トルクの検出信号とに基づいてアシストトルクを算出し、このアシストトルクを用いてアシスト駆動を行うとともに、このアシストトルクの生成に用いるフィルタ手段のフィルタ特性を切り替え制御することにより、アシスト特性を変化させて乗り味の切り替えを行えるようにした。
したがって、きめの細かいアシストトルク量のリアルタイム制御を簡易な構成及び制御によって行うことが可能となり、容易かつ自在に乗り味の向上を図ることができる効果がある。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による電動アシスト自転車の実施の形態例について説明する。
図１は本発明の実施の形態例による電動アシスト自転車の外観を示す側面図である。
本例の電動アシスト自転車は、折り畳み構造のものであり、メインパイプ１と、前輪部２を支持したフロントフォーク８と、後輪部３を支持したリヤフォーク９と、シート５を支持したシートポスト１０と、ハンドル６を支持したスピンドル１１と、スピンドル１１を挿通支持したヘッドパイプ１２と、ペダル部１３と、電池ユニット１４等を有している。
【０００９】
そして、図１では図示を省略しているが、本例の電動アシスト自転車の各部には本例の制御を行うための以下のような各種部材が設けられている。
まず、メインパイプ１には、本例の電動アシスト自転車の状態を管理し、各種の制御を行うためのビークルコントローラが設けられている。また、メインパイプ１の折り畳み構造部には、折り畳みスイッチが設けられており、車体が折り畳まれたことを検出することにおって折り畳み時にはモータ等の駆動を禁止し、安全を確保するようになっている。
また、ペダル部１３には、ペダルクランク１３Ａの周辺にトルクセンサ、クランク周波数発生器（ＦＧ）が設けられ、ペダルクランク１３Ａに発生するトルクの検出や回転数の検出を行うようになっている。
【００１０】
また、ハンドル６には、ＬＣＤ等による表示部、キー入力用の操作部、及びそれらを制御する表示部コントローラが設けられ、ユーザに各種表示を提供するとともに、キー入力による各種モード設定や選択等を行えるようになっている。
また、ヘッドパイプ１２には図示しない電源キーの操作によって電池ユニット１４の電源オン、オフを切り替えるキースイッチが設けられている。
また、前輪部２には、アシスト駆動用のモータと、このモータの駆動を制御するモータドライバと、このモータドライバを制御するモータコントローラが設けられている。
また、後輪部３には、自動変速ユニットが設けられている。
さらに、図１では省略しているが、車体の前方部にはフロントライト等が設けられており、後方部にはテールランプやウインカーランプ等が設けられているものとする。
【００１１】
図２は図１に示す電動アシスト自転車の制御系を示すブロック図である。
図示のように、本例の電動アシスト自転車は、ビークルコントローラユニット（待機モード選択決定手段及び待機制御手段）３０、表示部ユニット４０、モータユニット（アシスト駆動手段）５０、電池ユニット１４の主要な４つのユニットを有している。
ビークルコントローラユニット３０は、後述する各種制御を行うビークルコントローラ３１と、ユーザが電源キーによって電源のオン・オフを行うキースイッチ３２と、自転車が折り畳まれたことを検出する折り畳みスイッチ３３と、自動変速を行う自動変速ユニット３４と、ペダル部１３で生じるトルクを検出するトルクセンサ３５と、ペダル部１３の回転数を検出するクランクＦＧ３６とを有する。
【００１２】
また、表示部ユニット４０は、ＬＣＤ等の表示部４１と、各種操作キーよりなる操作スイッチ４２と、これらの制御を行う表示部コントローラ４３とを有する。
また、モータユニット５０は、前輪部２のアシスト駆動を行うモータ５１と、このモータ５１の駆動を制御するモータドライバ５２と、このモータドライバ５２を制御するモータコントローラ５３とを有する。
また、電池ユニット１４は、２次電池や大容量コンデンサ等による充電池部と、この充電池部の充放電を制御する電源コントローラとを有する。
【００１３】
ビークルコントローラ３１では、トルクセンサ３５によりペダル部１３からの踏力を検出して、それに応じたアシスト力をモータユニット５０にシリアル通信ラインによって送出する。また、表示部ユニット４０の操作スイッチ４２からの入力によって、自転車のモードをさまざまに変えることが可能である。また、自転車の速度や電池の残量などのさまざまな情報を表示部４１に表示することができる。
【００１４】
図３は図２に示すビークルコントローラの構成例を示すブロック図である。
図示のように、このビークルコントローラ３１は、マイコン３１１、ＲＳ２３２Ｃドライバ３１２、振動センサ（振動検出手段）３１３、ＸＹ２軸加速度センサ３１４、アンプ３１５、モータドライバ３１６、２相カウンタ３１７、発振器３１８、ＲＳ４２２ドライバ３１９、ＤＣ／ＤＣコンバータ３２０、ＥＥＰＲＯＭ３２１、リセット回路３２２等を有している。
マイコン３１１は、例えば１６ビットのＭＰＵであり、全体の制御を行うものである。特に本例では傾斜角度やトルク量等の算出や振動の検出等を行う演算手段として機能する。
ＲＳ２３２Ｃドライバ３１２は、ＲＳ２３２Ｃインタフェースを介して表示コントローラ４０とマイコン３１１との間での各種データやコマンドのやりとりを制御するものである。
【００１５】
振動センサ３１３は、本例の自転車に加わる振動を検出するものであり、検出信号をマイコン３１１に出力する。
ＸＹ２軸加速度センサ３１４は、自転車のＸ軸方向（前後方向）とＹ軸方向（左右方向）の加速度を検出するものであり、本例では、このＸＹ２軸加速度センサ３１４によって検出した加速度に基づいて、自転車の前後方向と左右方向の傾斜を算出するものである。
このＸＹ２軸加速度センサ３１４としては、例えばＸ軸方向及びＹ軸方向に弾性的に変位可能に支持された可動体の変位を静電容量の変化によって検出する静電検出型のものを用いることができるが、これに限定されるものではなく、種々の方式を用いることができ、基本的には市販されているものでよい。
また、振動センサ３１３についても、上述した加速度センサと同様の方式のものを用いることが可能であるが、その他にも種々の方式を用いることができ、例えば可動体の変位を光学的に検出するような方式のものなどであってもよい。
【００１６】
アンプ３１５には、自動変速ユニット３４に設けられた位置検出用のポテンショメータからの検出信号が入力され、この検出信号を増幅してマイコン３１１に出力する。この信号は、マイコン３１１内のＡ／Ｄコンバータによって読み取られ、自動変速ユニット３４の位置が判定され、その判定結果に応じて変速制御信号が生成される。モータドライバ３１６は、このマイコン３１１からの変速制御信号に基づいて自動変速ユニット３４のアクチュエータを駆動制御し、変速動作を行う。
２相カウンタ３１７は、トルクセンサ３５からの検出信号をカウントし、そのカウント値をマイコン３１１に供給するものである。これにより、ペダルの踏力が検出される。また、マイコン３１１からトルクセンサ３５へは、温度補償動作等の命令を送ることもできる。
発振器３１８は、マイコン３１１にクロックを供給するものである。
ＲＳ４２２ドライバ３１９は、マイコン３１１とモータコントローラ５３との間のＲＳ４２２インタフェースを制御するものである。
【００１７】
ＤＣ／ＤＣコンバータ３２０は、電池ユニット１４からの電源電圧をＤＣ／ＤＣ変換して所定の電圧に変換し、マイコン３１１に供給するものである。
ＥＥＰＲＯＭ３２１は、例えば走行距離等のデータや各種の設定データを記憶する不揮発性メモリであり、リセット回路３２２は、電源投入時のマイコン３１１の初期化を行うものである。
また、マイコン３１１と表示コントローラ４３及びモータコントローラ５３はそれぞれＲＳ４２２、ＲＳ２３２Ｃのシリアル通信ラインで接続されており、定期的にコマンドやデータなどのやり取りを行っている。
【００１８】
次に、本例の特徴的な機能となるアシストトルク制御について説明する。
電動アシスト自転車におけるアシストトルクの上限値は、道路交通法等の法規によって規定されている。例えば走行速度が時速１５Ｋｍ以下では乗車者のペダル踏力に相当するアシストトルクを上限としてアシスト走行を行うことができ、この場合にはトータルトルクはペダル踏力の２倍のトルクで走行することが可能である。そして、走行速度が時速１５Ｋｍ以上になると、アシストトルクの比率を徐々に減少させていく必要があり、走行速度が時速２４Ｋｍになると、アシストトルクを０とするように規定されている。
そこで、本例では、このような規定の範囲で、最大限効率的なアシストトルクを付与し、快適な走行性能を得るようにする。
【００１９】
また、ペダル踏力は、ペダルの角度位置に応じて変動するものであり、例えば平坦な路面を走行している状態では、一方のペダルが下限位置（踏み込み終了位置）にあり、他方のペダルが上限位置（踏み込み開始位置）にあるところでトータルのペダル踏力が最も小さくなることから、トルクセンサ３５によるペダル踏力の検出信号の位相を捉えて、適切なローパスフィルタ処理と演算処理を行うことにより、ペダル踏力の変動に応じた最適なアシストトルクを算出し、アシスト制御を行う。
そして、本例では、このローパスフィルタ処理におけるカットオフ周波数を切り替え制御することにより、簡単な構成と制御によって乗り味の切り替え制御を行うようにしたものである。
【００２０】
図４はこのような本例の制御を実現するためのアシストトルク算出回路を示すブロック図である。
図示のように、このアシストトルク算出回路は、ローパスフィルタ回路４１０と、演算増幅器４２０と、減算器４３０と、リミッタ回路４４０とを有する。
ローパスフィルタ回路４１０は、マイコン３１１より与えられたカットオフ周波数に基づいて、トルクセンサ３５によるペダル踏力の検出信号のローパスフィルタ処理を行うものであり、ここではゲイン＝１のローパスフィルタを用いている。
図５はローパスフィルタ回路４１０の具体例を示している。この回路は、１次のＩＩＲフィルタの例であり、乗算器４１１、４１２、４１３、単位遅延線４１４、４１５、及び加算器４１６より構成され、入力信号ｘ（ｎ）からローパス出力信号ｙ（ｎ）を出力する。そして、各乗算器４１１、４１２、４１３のパラメータを変更することにより、カットオフ周波数の切り替えを行う。なお、フィルタの形式及び次数は種々変形が可能であり、次数を上げて種々の特性を持たせることも可能であるが、その分、計算時間が長くなる一方、本例で求められる機能が主に位相をずらすことにあるため、複雑な構成は避け、簡単な１次フィルタを採用したものである。
【００２１】
演算増幅器４２０は、上述のようなローパスフィルタ回路４１０の出力信号に対して増幅率（１＋ｋ）の増幅演算を行い、トータルトルク（すなわちペダル踏力トルク＋アシストトルク）の算出を行うものである。ここで、係数ｋは、上述した走行速度に応じてアシストトルクの上限値を規制する値であり、例えば、上述のように走行速度が時速１５Ｋｍ以下ではｋ＝１となり、時速１５Ｋｍから２４Ｋｍ未満の範囲で徐々に小さくなり、２４Ｋｍでｋ＝０となる値である。
したがって、演算増幅器４２０は、走行速度が時速１５Ｋｍ以下でローパスフィルタ回路４１０の出力信号を２倍に増幅することになる。
また、減算器４３０は、演算増幅器４２０の増幅出力（トータルトルク）からトルクセンサ３５によるペダル踏力の検出信号を減算することにより、アシストトルクを算出するものである。
すなわち、トータルトルクからペダル踏力を引いた値までなら、上述した規格内のアシスト力と考えられるので、この値をアシストトルク指令値とするものである。
【００２２】
また、このような演算処理により、減算器４３０からはペダル踏力に対して位相のずれたアシストトルクが出力されるが、その位相ずれ量はローパスフィルタのカットオフ周波数に応じた量となる。すなわち、フィルタの特性を変えるだけで、規格を守りながら、乗り味を変えることが容易に実現できる。
なお、リミッタ回路４４０は、減算器４３０の演算結果が負の値となる場合に、その値を無視し（すなわち、アシストトルク＝０とする）、正の値となる場合にだけ、アシストトルクとして採用するものである。このリミッタ回路４４０の出力値は、アシストトルク指令値としてモータコントローラ５３に供給され、アシスト動作が実行される。
【００２３】
次に、ローパスフィルタのカットオフ周波数とモータアシスト力の関係について具体例を用いて説明する。
まず、低いカットオフ周波数の例として、例えば図５に示すフィルタ回路において、単位遅延時間Ｔｓ＝０．００５ｓ、各乗算器のパラメータがａ１＝−０．９９９、ｂ０＝０．００１、ｂ１＝０であるとき、フィルタのカットオフ周波数ｆｃは０．０３Ｈｚ程度となる。
また、この場合の入力周波数に対するゲインと位相の各特性は図６に示すような波形となる。
そして、このようにローパスフィルタのカットオフ周波数が低い場合は、図７に示すように、ペダルの踏力Ｘに対して、モータアシスト力Ａは位相がずれて発生する。したがって、例えば上り坂などでは、ペダルの踏力が弱まったところでスピードが落ちてしまうが、この方法だと、ほぼ一定のトータルトルクＢで上っていくことができる。
【００２４】
次に、高いカットオフ周波数の例として、例えば図５に示すフィルタ回路において、単位遅延時間Ｔｓ＝０．００５ｓ、各乗算器のパラメータがａ１＝−０．９、ｂ０＝０．１、ｂ１＝０であるとき、フィルタのカットオフ周波数ｆｃは３Ｈｚ程度となる。
また、この場合の入力周波数に対するゲインと位相の各特性は図８に示すような波形となる。
そして、このようにローパスフィルタのカットオフ周波数が高い場合には、図９に示すように、ペダルの踏力Ｘをほぼ同位相でそのまま２倍したトータルトルクＢが得られる。
【００２５】
以上のような構成により、本例の電動アシスト自転車では、上述したローパスフィルタ処理におけるカットオフ周波数を切り替え制御することにより、簡単な構成と制御によって乗り味の切り替え制御を行うことが可能である。
例えば、上述した加速度センサ３１４の検出値に応じてローパスフィルタ処理におけるカットオフ周波数を切り替え制御することにより、上り坂の走行時や向かい風での走行時にアシストトルクを最適化できる。また、ユーザが例えば操作スイッチ４２に設けられた乗り味（アシストモード）の切り替えキーを操作することにより、そのキー入力信号に応じてローパスフィルタ処理におけるカットオフ周波数を切り替え制御することにより、そのユーザにとっての乗り味を最適化するような制御が可能である。
なお、上述のような構成において、ローパスフィルタ以外のフィルタを使えば、位相を進ませたり、回転数の違いによりアシスト力を変えるような味付けも容易に実現可能である。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の電動アシスト自転車では、ペダルにかかる踏力トルクを検出してフィルタ処理を行い、このフィルタ処理信号と踏力トルクの検出信号とに基づいてアシストトルクを算出し、このアシストトルクを用いてアシスト駆動を行うとともに、このアシストトルクの生成に用いるフィルタ手段のフィルタ特性を切り替え制御することにより、アシスト特性を変化させて乗り味の切り替えを行えるようにしたことから、きめの細かいアシストトルク量のリアルタイム制御を簡易な構成及び制御によって行うことが可能となり、容易かつ自在に乗り味の向上を図ることができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態例における電動アシスト自転車の外観を示す側面図である。
【図２】図１に示す電動アシスト自転車の制御系の構成例を示すブロック図である。
【図３】図２に示す制御系に設けられるビークルコントローラの構成例を示すブロック図である。
【図４】図１に示す電動アシスト自転車のアシスト制御を実行するためのアシストトルク算出回路を示すブロック図である。
【図５】図４に示すアシストトルク算出回路に設けられるフィルタ回路の具体例を示す回路図である。
【図６】図５に示すフィルタ回路の低いカットオフ周波数でのフィルタ特性例を示す説明図である。
【図７】図６に示すフィルタ特性でアシストトルクを算出した場合のトルク波形を示す説明図である。
【図８】図５に示すフィルタ回路の高いカットオフ周波数でのフィルタ特性例を示す説明図である。
【図９】図８に示すフィルタ特性でアシストトルクを算出した場合のトルク波形を示す説明図である。
【符号の説明】
１……メインパイプ、２……前輪部、３……後輪部、５……シート、６……ハンドル、８……フロントフォーク、９……リヤフォーク、１０……シートポスト、１１……スピンドル、１２……ヘッドパイプ、１３……ペダル部、１４……電池ユニット、３０……ビークルコントローラユニット、３１……ビークルコントローラ、３２……キースイッチ、３３……折り畳みスイッチ、３４……自動変速ユニット、３５……トルクセンサ、３６……クランクＦＧ、４０……表示部ユニット、４１……表示部、４２……操作スイッチ、４３……表示部コントローラ、５０……モータユニット、５１……モータ、５２……モータドライバ、５３……モータコントローラ、３１１……マイコン、３１２……ＲＳ２３２Ｃドライバ、３１３……振動センサ、３１４……ＸＹ２軸加速度センサ、３１５……アンプ、３１６……モータドライバ、３１７……２相カウンタ、３１８……発振器、３１９……ＲＳ４２２ドライバ、３２０……ＤＣ／ＤＣコンバータ、３２１……ＥＥＰＲＯＭ、３２２……リセット回路、４１０……ローパスフィルタ回路、４２０……演算増幅器、４３０……減算器、４４０……リミッタ回路。

Claims

ペダルにかかる踏力トルクを検出するトルク検出手段と、
前記トルク検出手段によって検出されたトルク検出信号にフィルタ処理を行うフィルタ手段と、
前記トルク検出手段によって検出されたトルク検出信号と前記フィルタ手段によって処理されたフィルタ処理信号とに基づいてアシストトルクを算出する演算手段と、
前記演算手段によって算出されたアシストトルクを車輪駆動軸に付与するアシスト駆動手段と、
前記フィルタ手段のフィルタ特性を切り替え制御する制御手段と、
を有することを特徴とする電動アシスト自転車。
前記フィルタ手段は前記トルク検出手段によって検出されたトルク検出信号にローパスフィルタ処理を行うことを特徴とする請求項１記載の電動アシスト自転車。
前記制御手段は前記フィルタ手段におけるローパスフィルタ処理のカットオフ周波数を切り替え制御することを特徴とする請求項２記載の電動アシスト自転車。
前記演算手段は所定の係数に基づいて前記フィルタ手段によって処理されたフィルタ処理信号を増幅する増幅手段と、前記増幅手段による増幅信号と前記トルク検出手段によって検出されたトルク検出信号の差分をとることにより、アシストトルクを算出する減算手段とを有することを特徴とする請求項１記載の電動アシスト自転車。
車体の走行速度を検出する速度検出手段を有し、前記所定の係数は車体の走行速度に応じて許容されるアシスト量の上限値であることを特徴とする請求項４記載の電動アシスト自転車。
車体に生じる加速度を検出する加速度検出手段を有し、前記制御手段は前記加速度検出手段の検出値に基づいて前記フィルタ手段におけるフィルタ特性を切り替え制御することを特徴とする請求項１記載の電動アシスト自転車。
ユーザがアシストモードの選択操作を行うための手動操作手段を有し、前記制御手段は前記手動操作手段からの入力値に基づいて前記フィルタ手段におけるフィルタ特性を切り替え制御することを特徴とする請求項１記載の電動アシスト自転車。