JP2005080352A - 電動補助自転車の電流センサチェック方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 駆動輪を回転させることなく、モータに電流を流して電流センサの出力特性の傾きを広い範囲でチェックできる電動補助自転車の電流センサチェック方法及び装置を提供する。
【解決手段】 アシスト用３相電動モータ４２の駆動回路４４に電流指令値を入力して該電動モータ４２を駆動し、該電動モータ４２の駆動電流を電流センサ４５により検出してフィードバック制御する電動補助自転車の電流センサチェック方法において、停止状態の前記電動モータ４２の電気角を検出し、電動モータ４２をその電気角の位置に固定する電流を前記駆動回路４４を通して２相に流し、各相の電流を電流センサ４５で検出してその検出値により該電流センサ４５の異常を判別する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、電動補助自転車のアシスト用電動モータをフィードバック制御するための電流センサのチェック方法及び装置に関する。

電動補助自転車は、アシスト用電動モータとして例えば３相ブラシレスＤＣモータを用い、ペダルに踏み込まれた踏力をトルクセンサで検出し、この踏力に応じて補助動力をアシスト用電動モータから付与する（例えば特許文献１参照）。トルクセンサで検出された踏力データは制御回路に送られ、ここで踏力に応じたアシスト比となるモータ電流指令値を演算する。電流指令値はモータ駆動回路に入力され、電動モータを駆動する。駆動された電動モータの実際の駆動電流は、電流センサにより検出され、これが指令した電流値と一致するようにフィードバック制御される。

図９は、電流センサの出力特性の例を示す。横軸は入力電流値であり、縦軸は出力電圧値を示す。このような出力特性は予め分かっているため、出力電圧値により実際に回転しているモータの駆動電流が分かり、これに基づいてモータのフィードバック制御が行われる。

このような電流センサについて、電動モータを高精度で制御するために出力特性のチェックが行われる。

従来の電流センサのチェック方法は、電流センサに電流を流さない状態（モータが停止した状態）でオフセット電圧をチェックしていた。すなわち、図９で、電流値をゼロとして、そのときの出力電圧値がオフセット電圧正常エリア（この例では約２．５〜３．０Ｖ）内にあるか否かにより正常か異常かを判別していた。

しかしながら、従来の電流センサチェック方法では、電流値がゼロの状態での出力電圧のみによりチェックするため、出力特性の傾きのチェックができず、オフセット電圧が正常であっても電流を流したときに所定の出力電圧が得られない可能性があり、充分に信頼性の高いチェックができなかった。この場合、単にモータに電流を流した状態で電流センサをチェックしようとすれば、モータが回転するとともに駆動系を介して駆動輪（通常は後輪）が回転するため、チェック時に急激に後輪が回転することがあり、チェックがやりにくく、チェック作業に支障を来たし、チェックが円滑にできない。

特開平１１−１７１０８１号公報

本発明は、上記従来技術を考慮したものであって、駆動輪を回転させることなく、モータに電流を流して電流センサの出力特性の傾きを広い範囲でチェックできる電動補助自転車の電流センサチェック方法及び装置の提供を目的とする。

前記目的を達成するため、請求項１の発明では、アシスト用３相電動モータの駆動回路に電流指令値を入力して該電動モータを駆動し、該電動モータの駆動電流を電流センサにより検出してフィードバック制御する電動補助自転車の電流センサチェック方法において、停止状態の前記電動モータの電気角を検出し、電動モータをその電気角の位置に固定する電流を前記駆動回路を通して２相に流し、各相の電流を電流センサで検出してその検出値により該電流センサの異常を判別することを特徴とする電動補助自転車の電流センサチェック方法を提供する。

請求項２の発明では、電気角を６０°ごとに区分し、区分に応じて各相に電流を流すことを特徴としている。
請求項３の発明では、アシスト用３相電動モータと、該電動モータの駆動回路と、該駆動回路に電流指令値を入力する指令値入力手段と、前記電動モータをフィードバック制御するために該電動モータの駆動電流を検出する電流センサとを備えた電動補助自転車の電流センサチェック装置において、前記電動モータの電気角検出手段と、検出した電気角に応じて前記電動モータをその電気角の位置に固定する各相に対する電流指令値を前記駆動回路に入力するチェック用電流指令値入力手段と、前記電流センサにより検出した各相の駆動電流を正常な電流値と比較して該電流センサが正常か異常かを判別する異常判別手段と、異常判別手段の判別結果を表示する表示手段とを備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載の電動補助自転車の電流センサチェック方法を実施するための電流センサチェック装置を提供する。

請求項４の発明では、アシスト用３相電動モータの駆動回路に電流指令値を入力して該電動モータを駆動し、該電動モータの駆動電流を電流センサにより検出してフィードバック制御する電動補助自転車の電流センサチェック方法において、電動モータを逆回転させる電流指令値を前記駆動回路に入力し、逆回転状態で３相のうち２相の最大電流値をそれぞれ電流センサにより検出し、最大電流値の差により電流センサが正常か異常かを判別することを特徴とする電動補助自転車の電流センサチェック方法を提供する。

請求項５の発明では、アシスト用３相電動モータと、該電動モータの駆動回路と、該駆動回路に電流指令値を入力する指令値入力手段と、前記電動モータをフィードバック制御するために該電動モータの駆動電流を検出する電流センサとを備えた電動補助自転車の電流センサチェック装置において、３相のうち２相の駆動電流の最大値検出手段と、検出した各相の最大値の差により電流センサが正常か異常かを判別する判別手段と、判別結果の表示手段とを備えたことを特徴とする請求項４に記載の電動補助自転車の電流センサチェック方法を実施するための電流センサチェック装置を提供する。

請求項１の発明によれば、停止状態の電動モータの電気角を検出し、３相モータの各相のコイルに、電気角に応じて予め分かっているモータを固定状態に維持する電流を流すことにより、電流センサの出力特性を電流値ゼロ以外のプラス側及びマイナス側の広い範囲で正常か異常かをチェックできる。このとき、モータは固定状態であるため、駆動輪は回転せずチェック作業が円滑にできる。

請求項２の発明によれば、電気角を６０°ごとに区分して区分ごとにモータをその角度に固定する各相の電流の割合を設定しておき、モータの電気角に応じて各相に所定の設定された割合の電流を流すことにより、効率よく電流センサの出力特性をチェックできる。

請求項３の発明によれば、電動モータの電気角検出手段により検出した電気角に応じて前記電動モータをその電気角の位置に固定するチェック用の電流指令値をチェック用電流指令値入力手段（通常運転時の電流指令値を演算して入力する電流指令値入力手段を兼用できる。）から駆動回路を介して各相のコイルに流し、電流センサにより検出した各相の駆動電流を異常判別手段により、予め分かっている正常な電流値と比較して該電流センサが正常か異常かを判別し、その判別結果をＬＥＤ等で表示することにより、前述の請求項１又は２に記載の電動補助自転車の電流センサチェック方法を適正に実施しその結果を直ちに表示することができる。

請求項４の発明によれば、電動モータを逆回転させる電流指令値を前記駆動回路に入力し、逆回転状態で３相のうち２相の最大電流値をそれぞれ電流センサにより検出し、最大電流値の差により電流センサが正常か異常かを判別することにより（正常であれば差はゼロ又はゼロに近い値である）、電流センサの出力特性を電流値ゼロ以外の逆回転側（マイナス側）の広い範囲で正常か異常かをチェックできる。このとき、モータは逆回転するため、自転車に備わる一方向クラッチにより駆動輪は回転せずチェック作業が円滑にできる。

請求項５の発明によれば、アシスト用３相電動モータと、該電動モータの駆動回路と、該駆動回路に電流指令値を入力する指令値入力手段と、前記電動モータをフィードバック制御するために該電動モータの駆動電流を検出する電流センサとを備えた電動補助自転車の電流センサチェック装置において、前記指令値入力手段によりモータを逆回転させるマイナス側の電流指令値を前記駆動回路に入力し、モータを逆回転させた状態で、３相のうち２相の駆動電流の最大値を検出し、検出した各相の最大値の差により電流センサが正常か異常かを判別し、判別結果をＬＥＤ等で表示することにより、請求項４に記載の電動補助自転車の電流センサチェック方法を適正に実施し、チェック結果を直ちに表示できる。

図１は、本発明が適用される電動補助自転車の側面図である。
電動補助自転車１は、左右のハンドル２の中央のステアリング軸３が挿通するヘッドパイプ４を有し、ステアリング軸３が左右のフロントフォーク５に連結され前輪６の方向を操作する。ヘッドパイプ４にはダウンチューブ７が接合され、サドル８の下方のシートチューブ９に連結される。これらのダウンチューブ７およびシートチューブ９の下端部にカバー１０に上部を覆われた走行用電動モータ３７等の電気駆動系とペダルクランク軸等の人力駆動系とを一体化したパワーユニット１１が支持される。このパワーユニット１１において、ペダルクランク軸１２と同軸的に配置された合力機構（図示しない）により、ペダル１５からの踏力とモータ力が融合される。この合力機構は遊星歯車機構からなり、この遊星歯車機構に連結してペダル１５からの踏力に応じて変位する踏力検出機構（トルクセンサ）が設けられる。

パワーユニット１１の後部には補助動力制御用コントローラ１３が設けられる。このコントローラ１３は、後述の車速計算手段（図２）で求めた車速に基づいて、速度に応じたアシスト比となるようにモータ３７を駆動制御するためのマイクロコンピュータにより構成される。このようなコントローラ１３の設置位置は、図の例に限らず、ダウンチューブ７の途中あるいはカバー１０の内部、フロントフォーク５、チェーンステー３８、シートステー３９の途中その他の適当な位置であってもよい。

サドル８の下部のシートチューブ９の後方にはバッテリケース１４が上方に着脱自在に設けられ内部にモータ３７駆動用のバッテリが収納される。ペダルクランク軸１２上で合力機構により融合された踏力と補助動力は、チェーン１６により後輪１７に伝達されこれを回転駆動する。後輪１７のハブ１８には、チェーン１６の回転を伝達するスプロケット（図示しない）、ロータリ式またはスライド式の変速ギヤ機構（図示しない）が設けられ、これに近接したフレーム側にはこの変速ギヤ機構を駆動するモータあるいはソレノイドからなるアクチュエータが装着される。

このようなチェーン１６を介した駆動伝達系において、チェーンが巻き掛かる駆動側及び被駆動側のスプロケットの一方に一方向クラッチが備わり、後輪の回転がスプロケットの回転より速くなったとき、後輪を遊転させる。したがって、モータが逆回転（駆動輪の前進走行回転方向と逆方向に回転）したときには、駆動輪は回転しない。

図２は、本発明の実施形態に係る電流センサチェック装置を備えた電動補助自転車の全体構成を示すブロック図である。また、図３は、図２の実施形態の電流センサチェック装置の動作を説明するためのブロック図である。

図２に示すように、この電動補助自転車は、ペダル踏力を検出するトルクセンサ４１及び、このトルクセンサ４１の検出トルク及び車速等に基づいて、ノイズを除去して必要な加工トルク値を得る加工フィルタ４９を備える。加工トルク値は、この加工トルク値に基づきアシスト電流指令値を算出するトルク−電流計算手段５０に入力される。アシスト電流指令値は、ＤＵＴＹ計算手段５１に入力され、ここで電動モータ４２を駆動するＰＷＭ出力値が算出される。このＰＷＭ出力は、モータ駆動回路４４に入力される。モータ駆動回路４４は、ＰＷＭ出力信号に基づき３相ブラシレスＤＣモータからなる電動モータ４２を駆動する。モータ４２の回転により、一方向クラッチ（不図示）を含む駆動伝達系５２を介して後輪が回転駆動される。モータ駆動回路４４は、３相モータ４２の各相のコイル（不図示）に電流指令値に基づくＰＷＭ出力信号に応じた電流を流してモータ４２を駆動する。このモータ駆動回路４４は、電流検出回路（電流センサ）４５を有し、実際のモータ４２の駆動電流を検出してこれをＤＵＴＹ計算手段５１に戻してフィードバック制御する。この電流センサ４５は、３相（Ｕ，Ｖ，Ｗ）のうち２相（例えばＵ，Ｖ）のそれぞれに対し設けられる。残りの１層（Ｗ）の電流値は演算処理により算出できる。モータ４２には、その回転と同期して回転するエンコーダ４６が備わり、エンコーダパルスがモータ回転数計算手段４７に入力されモータ回転数が算出されるとともに、車速計算手段４８により車速が算出される。エンコーダパルスはさらに例えばホール素子からなる電気角検出手段５３に入力され、モータ４２の電気角が検出される。電気角検出手段５３は、異常判別電流指令手段５４に接続され、後述のように、角度固定６ステップの例えば２０Ａのチェック用電流指令値をＤＵＴＹ計算手段５１に送る。電流センサ４５は、このチェック用電流指令値に基づいて駆動されたモータ４２の駆動電流値を検出し、異常判断手段５５により、フィードバック電流が正常か異常かを判別する。判別結果はＬＥＤ表示手段５６で表示される。

図４は、本発明に係るモータ角度固定による電流チェック方法の説明図である。（Ａ）は磁極位置センサ（電気角検出手段５３）の出力を各相ごとに示した図であり、（Ｂ）はモータを固定する６ステップの電流波形の図でる。両グラフとも２回転分を示している。

（Ａ）に示すように、Ｕ，Ｖ，Ｗ相は、１８０°ごとにＨ，Ｌを繰り返し、各相は１２０°ずつ位相がずれている。（Ｂ）に示すように、電気角を６０°ごとに区分して区分ごとに各相に図の割合の電流を流すことにより、モータはその角度で固定される。この状態を表１及び表２に示す。

表１は、図４（Ｂ）の状態を表示したものである。６０°ごとに区分した６区分の各区分でのＵ，Ｖ，Ｗ相の総和はゼロである。表２は、電流指令値を２０Ａとしたときの各相の電流値を表示したものである。各相にこのような電流を流すことにより、モータはその角度に固定保持される。

図５は、図４の６ステップ角度固定による電流チェック方法のフローチャートである。各ステップのルーチンは以下の通りである。

ステップＳ１：
チェックすべき電動補助自転車の電動モータが停止している状態で、そのときの電気角を磁極位置センサ（電気角検出手段５３）により検出する（図２及び図３）。

ステップＳ２：
検出した電気角に応じて、表２に示す角度固定６ステップ電流値をＵ，Ｖ，Ｗの各相に通電する。これにより、モータは停止状態に維持される。

ステップＳ３：
各相に通電しモータが停止している状態で、電流センサ（電流検出回路４５）により、Ｕ相及びＶ相のフィードバック電流値を読み込む。なお、この場合、電流センサの出力値は、図９に示したように、電圧値として出力される。

ステップＳ４：
Ｕ相及びＶ相の電流センサ出力値を、予め分かっている電流特性（図９）と比較して所定の判定範囲内かどうかを判別する。すなわち、電気角が例えば３０°の場合、表２に示すように、Ｕ相には１０Ａ、Ｖ相には−２０Ａの電流を通電する（ステップＳ２）。この通電状態で、図９に示すように、Ｕ相では約３．３Ｖ付近、Ｖ相では約１．８Ｖ付近が正常判定範囲であり、この範囲の出力値が得られれば正常であり、それ以外では異常と判別する。

ステップＳ５：
電流センサ出力が正常判定範囲内のときに、ＬＥＤにより正常であることを表示する。

ステップＳ６：
電流センサ出力が正常判定範囲外のときに、ＬＥＤにより異常であることを表示する。

図６は、本発明の別の実施形態に係る電流センサチェック装置を備えた電動補助自転車の全体構成を示すブロック図である。また、図７は、図６の実施形態の電流センサチェック装置の動作を説明するためのブロック図である。

図６に示すように、この電動補助自転車は、ペダル踏力を検出するトルクセンサ４１及び、このトルクセンサ４１の検出トルク及び車速等に基づいて、ノイズを除去して必要な加工トルク値を得る加工フィルタ４９を備える。加工トルク値は、この加工トルク値に基づきアシスト電流指令値を算出するトルク−電流計算手段５０に入力される。アシスト電流指令値は、ＤＵＴＹ計算手段５１に入力され、ここで電動モータ４２を駆動するＰＷＭ出力値が算出される。このＰＷＭ出力は、モータ駆動回路４４に入力される。モータ駆動回路４４は、ＰＷＭ出力信号に基づき３相ブラシレスＤＣモータからなる電動モータ４２を駆動する。モータ４２の回転により、一方向クラッチ（不図示）を含む駆動伝達系５２を介して後輪が回転駆動される。モータ駆動回路４４は、３相モータ４２の各相のコイル（不図示）に電流指令値に基づくＰＷＭ出力信号に応じた電流を流してモータ４２を駆動する。このモータ駆動回路４４は、電流検出回路（電流センサ）４５を有し、実際のモータ４２の駆動電流を検出してこれをＤＵＴＹ計算手段５１に戻してフィードバック制御する。この電流センサ４５は、３相（Ｕ，Ｖ，Ｗ）のうち２相（例えばＵ，Ｖ）のそれぞれに対し設けられる。残りの１層（Ｗ）の電流値は演算処理により算出できる。モータ４２には、その回転と同期して回転するエンコーダ４６が備わり、エンコーダパルスがモータ回転数計算手段４７に入力されモータ回転数が算出されるとともに、車速計算手段４８により車速が算出される。電流検出回路４５にフィードバック電流最大値取得手段６７が接続される。フィードバック電流最大値取得手段６７は、最大値差分判別手段５９に接続され、さらにＬＥＤ表示手段６０に接続される。

電流センサ４５のチェック時には、図７に示すように、異常判別電流指令手段５７から−１０Ａのチェック用の電流指令値がＤＵＴＹ計算手段５１に入力される。この−１０Ａの電流指令値に基づくＰＷＭ出力信号によりモータ駆動回路４４を介してモータ４２が逆回転方向に駆動される。逆回転時のＵ相及びＶ相の電流（フィードバック電流）の最大値を電流検出回路４５で検出する。検出したＵ相及びＶ相のフィードバック電流の最大値の差から後述のように、電流センサが正常か異常かを判別しＬＥＤで表示する。

図８は、上記図６、図７の実施形態の電流センサチェック装置の動作を示すフローチャートである。各ステップのルーチンは以下の通りである。

ステップＴ１：
異常判別電流指令手段５７から電動モータ４２を逆回転させるマイナス側の電流値（例えば−１０Ａ）のチェック用の電流指令値が出力される。この電流指令値はＤＵＴＹ計算手段５１に入力され、ＰＷＭ信号が演算される。このＰＷＭ出力信号によりモータ駆動回路４４を介してモータ４２が逆方向に回転駆動される。

ステップＴ２：
モータが逆回転している状態で、実際にモータに流れているＵ相及びＶ相の駆動電流（フィードバック電流）の最大値を検出する。これは、電流センサ４５の出力電圧により検出する。この例では、−１０Ａの電流を指令値とするため、図９に示したように、電流センサの出力最大値が約３．２５Ｖとなれば正常である。なお、このモータ逆回転時には、駆動伝達系の一方向クラッチの作用により、後輪は回転しない。

ステップＴ３：
フィードバック電流最大値の検出時間が２秒経過したかどうかを判別する。すなわち、２秒経過するまでＵ相及びＶ相のフィードバック電流最大値をそれぞれ検出し続ける。

ステップＴ４：
検出したＵ相及びＶ相のフィードバック電流最大値の差を算出する。

ステップＴ５：
上記ステップＴ４で算出したフィードバック電流最大値の差が所定の値以下かどうかを判別する。すなわち、−１０Ａの電流指令値を入力すれば、図９に示したように、Ｕ相及びＶ相ともに最大約３．２５Ｖの出力電圧が検出される。したがって、Ｕ相及びＶ相のフィードバック電流最大値の差は電流センサが正常であればゼロの筈である。したがって、この差が所定の許容値以下であれば正常と判別し、許容値を超えていたら異常と判別する。

ステップＴ６：
上記ステップＴ５で、Ｕ相及びＶ相のフィードバック電流最大値の差が所定の許容値以下の場合に正常であると判別してこれをＬＥＤにより表示する。

ステップＴ７：
上記ステップＴ５で、Ｕ相及びＶ相のフィードバック電流最大値の差が所定の許容値を超えていた場合に異常であると判別してこれをＬＥＤにより表示する。

本発明が適用される電動補助自転車の外観側面図。 本発明の実施形態に係る電流センサチェック装置を備えた電動補助自転車のブロック構成図。 図２の実施形態の電流センサチェック装置の動作説明のブロック図。 図２の実施形態の電流センサチェック方法の説明図。 図２の実施形態のフローチャート。 本発明の別の実施形態に係る電流センサチェック装置を備えた電動補助自転車のブロック構成図。 図６の実施形態の電流センサチェック装置の動作説明のブロック図。 本発明の実施形態の電流センサチェック装置の動作を示すフローチャート。 電流センサの出力特性のグラフ。

符号の説明

１：電動補助自転車、２：ハンドル、３：ステアリング軸、４：ヘッドパイプ、５：フロントフォーク、６：前輪、７：ダウンチューブ、８：サドル、
９：シートチューブ、１０：カバー、１１：パワーユニット、
１２：ペダルクランク軸、１３：コントローラ、１４：バッテリケース、
１５：ペダル、１６：チェーン、１７：後輪、１８：ハブ、３７：電動モータ、
３８：チェーンステー、３９：シートステー、４１：トルクセンサ、
４２：電動モータ、４４：モータ駆動回路、４５：電流検出回路（電流センサ）、
４６：エンコーダ、４７：モータ回転数計算手段、４８：車速計算手段、
４９：トルクセンサ値加工フィルタ、５０：トルク−電流計算手段、
５１：デューティ計算手段、５２：駆動伝達系、５３：電気角検出手段、
５４：異常判別電流指令手段、５５：フィードバック電流異常判断手段、
５６：ＬＥＤ表示手段、５７：異常判別電流指令手段、
５９：最大値差分判別手段、６０：ＬＥＤ表示手段、
６７：フィードバック電流最大値取得手段。

Claims (5)

1. アシスト用３相電動モータの駆動回路に電流指令値を入力して該電動モータを駆動し、該電動モータの駆動電流を電流センサにより検出してフィードバック制御する電動補助自転車の電流センサチェック方法において、
   停止状態の前記電動モータの電気角を検出し、電動モータをその電気角の位置に固定する電流を前記駆動回路を通して２相に流し、各相の電流を電流センサで検出してその検出値により該電流センサの異常を判別することを特徴とする電動補助自転車の電流センサチェック方法。
2. 電気角を６０°ごとに区分し、区分に応じて各相に電流を流すことを特徴とする請求項１に記載の電動補助自転車の電流センサチェック方法。
3. アシスト用３相電動モータと、
   該電動モータの駆動回路と、
   該駆動回路に電流指令値を入力する指令値入力手段と、
   前記電動モータをフィードバック制御するために該電動モータの駆動電流を検出する電流センサとを備えた電動補助自転車の電流センサチェック装置において、
   前記電動モータの電気角検出手段と、
   検出した電気角に応じて前記電動モータをその電気角の位置に固定する各相に対する電流指令値を前記駆動回路に入力するチェック用電流指令値入力手段と、
   前記電流センサにより検出した各相の駆動電流を正常な電流値と比較して該電流センサが正常か異常かを判別する異常判別手段と、
   異常判別手段の判別結果を表示する表示手段とを備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載の電動補助自転車の電流センサチェック方法を実施するための電流センサチェック装置。
4. アシスト用３相電動モータの駆動回路に電流指令値を入力して該電動モータを駆動し、該電動モータの駆動電流を電流センサにより検出してフィードバック制御する電動補助自転車の電流センサチェック方法において、
   電動モータを逆回転させる電流指令値を前記駆動回路に入力し、逆回転状態で３相のうち２相の最大電流値をそれぞれ電流センサにより検出し、最大電流値の差により電流センサが正常か異常かを判別することを特徴とする電動補助自転車の電流センサチェック方法。
5. アシスト用３相電動モータと、
   該電動モータの駆動回路と、
   該駆動回路に電流指令値を入力する指令値入力手段と、
   前記電動モータをフィードバック制御するために該電動モータの駆動電流を検出する電流センサとを備えた電動補助自転車の電流センサチェック装置において、
   ３相のうち２相の駆動電流の最大値検出手段と、
   検出した各相の最大値の差により電流センサが正常か異常かを判別する判別手段と、
   判別結果の表示手段とを備えたことを特徴とする請求項４に記載の電動補助自転車の電流センサチェック方法を実施するための電流センサチェック装置。
   

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