JP2005132275A - 電動補助自転車のトルクセンサ異常判別方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 アシスト中断による走行性の低下を抑えるとともにトルクセンサの異常を判別して適正なアシスト停止処理を行う電動補助自転車のトルクセンサ異常判別方法を提供する。
【解決手段】 ペダルを回転駆動する踏力を検出するためのトルクセンサ４１と、該踏力を補助するアシスト用モータ４２と、前記トルクセンサ４１の出力に応じて前記モータ４２の駆動電流を制御するコントローラと、走行中ペダル回転に同期して上ピーク値及びボトム値を繰り返して変動する前記トルクセンサ出力又は停車中の前記トルクセンサのゼロ点値に基づいて該トルクセンサ４１の正常・異常を判別するトルクセンサ判別手段５２とを備え、走行中又は停車中に前記トルクセンサ判別手段５２によりトルクセンサ出力の異常を検知した場合に前記モータ４２によるアシストを中断する電動補助自転車のトルクセンサ異常判別方法において、前記モータ４２によるアシストの中断回数が連続して所定回数に達したときに前記トルクセンサ４１自体の異常と判別してエラー表示を行うとともに前記モータ４２によるアシストを停止する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、ペダル踏力を検出するトルクセンサを備えた電動補助自転車のトルクセンサ異常判別方法に関する。

電動補助自転車が特許文献１に開示されている。この電動補助自転車は、ペダルに踏み込まれる踏力をトルクセンサで検出し、この踏力に応じた補助動力をモータから付与する。このモータの駆動電流を算出する場合、まず、電源を投入してモータによるアシスト制御を開始するときに、無踏力状態のトルクセンサのトルク値（ゼロ点）を計測する。続いて、ペダル回転に同期して最上点（上ピーク値）及び最下点（ボトム値）を繰り返して変動する踏力のトルクセンサ出力の検出データを読込み、このトルク検出データの値からゼロ点の値を差し引いて踏力を算出する。この踏力に基づいて前記モータの駆動電流指令値を算出する。モータはこの電流指令値に基づいて回転し、所定のアシスト比でペダル踏力を補助する。

走行中にトルクセンサ出力のボトム電圧が所定のしきい値より高いとセンサ異常と判別してアシストを一旦停止する。しかし、走行途中で急にアシストが停止すると、ペダルが重くなり走行性が低下しペダルがこぎにくくなる。そこでボトム電圧が高い場合であっても、再びペダル踏力が検出された場合にはモータを駆動してアシストを再開する。

しかしながら、トルクセンサ出力が異常でセンサ自体が故障している可能性がある場合にアシスト運転を続行することは、適正なアシスト力が得られないおそれがあるため好ましくない。

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、アシスト中断による走行性の低下を抑えるとともにトルクセンサの異常を判別して適正なアシスト停止処理を行う電動補助自転車のトルクセンサ異常判別方法の提供を目的とする。

前記目的を達成するため、本発明では、ペダルを回転駆動する踏力を検出するためのトルクセンサと、該踏力を補助するアシスト用モータと、前記トルクセンサの出力に応じて前記モータの駆動電流を制御するコントローラと、走行中ペダル回転に同期して上ピーク値及びボトム値を繰り返して変動する前記トルクセンサ出力又は停車中の前記トルクセンサのゼロ点値に基づいて該トルクセンサの正常・異常を判別するトルクセンサ判別手段とを備え、走行中又は停車中に前記トルクセンサ判別手段によりトルクセンサ出力の異常を検知した場合に前記モータによるアシストを中断する電動補助自転車のトルクセンサ異常判別方法において、前記モータによるアシストの中断回数が連続して所定回数に達したときに前記トルクセンサ自体の異常と判別してエラー表示を行うとともに前記モータによるアシストを停止することを特徴とする電動補助自転車のトルクセンサ異常判別方法を提供する。

本発明によれば、トルクセンサ出力のボトム値又はゼロ点値の異常が検出されたときに、その後のアシストを完全に停止するのでなく、一旦アシスト中断とし、中断後再び踏力が検出されたらアシストを開始してアシスト走行を続ける。このアシスト中断が所定回数連続して繰り返された場合に、トルクセンサ自体の故障と看做してその後のアシストを完全に停止するとともにエラー表示を行ってトルクセンサの故障を運転者に知らせる。これにより、アシストが中断してもその後所定回数のアシスト走行が繰り返されるため、走行中、急にアシストが停止してペダルが重くなって運転感覚が低下することが防止され、特に坂道の途中等で運転しにくくなることがなくなり、安定したアシスト運転が行われる。また、これとともに、所定回数の中断後にトルクセンサの故障が判別されアシストが完全に停止してエラー表示されるため、不適正なアシスト走行が防止され、運転者は故障したトルクセンサに対し迅速な処置を施すことができる。

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１２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。この合力機構は例えば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トルクセンサ（図示しない）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）及び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。

図２は本発明の実施形態に係る電動補助自転車のトルク制御装置のブロック構成図であり、図３はその要部の本発明の基本構成のブロック図である。
このトルク制御装置は、ペダル踏力を検出するトルクセンサ４１と、このトルクセンサ４１の検出トルクに基づいてパルスモータからなる電動モータ４２の駆動電流を算出してこれを駆動制御するためのコントローラ４３と、コントローラ４３からの駆動信号により電動モータ４２を駆動するためのモータ駆動回路４４と、モータ４２の電流を検出するための電流検出回路（電流計）４５と、モータ４２の回転を検出するためのエンコーダ４６とにより構成される。

コントローラ４３は、例えばＣＰＵからなり、予め設定されたソフトプログラム又はハード回路によるモータ回転数計算手段４７、車速計算手段４８、トルクセンサ値加工フィルタ手段４９、トルク−電流計算手段５０、デューティ計算手段５１とを備える。トルクセンサ値加工フィルタ手段４９の出力側は、トルクセンサ異常判別手段５２に接続される。このトルクセンサ異常判別手段５２の出力側は、異常表示用のＬＥＤ５３に接続される。

電源スイッチ５４（図３）がオンにされると、トルクセンサ４１によるペダル踏力検出動作が開始される。トルクセンサ４１で検出されたペダル踏力は、トルクセンサ値加工フィルタ手段４９でノイズ等を除去されるとともに、検出トルク及び車速に基づいて演算加工され、ペダル踏力に応じた出力電圧（加工トルク値）が得られる。車速は、コントローラ４３内で、エンコーダ４６からのパルス信号に基づいて、モータ回転数計算手段４７及び車速計算手段４８により演算され、トルクセンサ値加工フィルタ手段４９に入力される。

加工された後の加工トルク値はトルク−電流計算手段５０に入力され、加工トルクに応じた電流指令値が算出される。この電流指令値に基づき、デューティ計算手段５１で駆動パルスのデューティ比が算出され、ＰＷＭ出力としてモータ駆動回路４４に入力され、モータ４２を駆動する。モータ４２の駆動電流は電流検出回路４５で検出されデューティ計算回路５１に戻されてフィードバック制御される。

本実施形態では、トルクセンサ４１からのトルク検出値を加工した加工トルク値に基づいて、後述のように、トルクセンサの異常を判別（図３に示すようにトルクセンサ不良を識別）するトルクセンサ異常判別手段５２が備わる。

図４は、トルクセンサからのトルク検出出力の変動を示すトルク波形のグラフである。横軸は時間、縦軸はトルク検出値（電圧）を示す。実線のａは正常トルクセンサの出力波形であり、点線のｂは異常トルクセンサの出力波形であり、一点鎖線のｃは踏力がかかった状態でゼロ点計測された正常トルクセンサの出力波形である。Ａは正常トルクセンサのゼロ点を示し、Ｂは異常トルクセンサのゼロ点を示す。時間ｔ０が電源を投入してアシスト制御を開始するときのゼロ点計測時間である。ｔ１の時点からペダルを踏み込んで走行が開始される。各グラフａ，ｂ，ｃは、最上点（上ピーク値）と最下点（ボトム値）を繰り返す脈動波形であり、連続する最上点と最下点間の幅（トルク振幅）がペダルの踏み込み力の強さに対応する。

正常トルクセンサの場合、グラフａに示すように、走行中のボトム値は常にゼロ点Ａ近くまで下がる。
異常トルクセンサの場合、グラフｂに示すように、走行中のボトム値は常にゼロ点Aより高いゼロ点Ｂ近くまでしか下がらない。

一方、正常トルクセンサでゼロ点計測時間ｔ０の間ペダルに足を乗せて踏み込んだ状態の場合、グラフｃに示すように、ゼロ点計測時間ｔ０でのトルク検出値はペダル踏力分だけ本来のゼロ点Ａよりも高くなる。しかしトルクセンサ自体は正常であるため、その後の走行中は、トルク検出波形の最下点は低下して正常なゼロ点Ａに近付く。

時間ｔ３でペダル回転駆動を停止している。これは停車又は惰性走行状態である。この時間ｔ３以降はトルクセンサのゼロ点電圧（無負荷運転電圧）を示す。グラフａ，ｃは正常なゼロ点電圧Ａを出力し、グラフｂはＡより高いゼロ点電圧Ｂを出力する。このようなペダル踏力がなくなった状態は、車速により又は出力の脈動がなくなることにより検出できる。

このようなトルク検出データ特性を利用することにより、グラフｂ，ｃのように、アシスト制御開始のゼロ点計測時（時間ｔ０）に、ゼロ点が本来のＡ点より大きなＢ点以上になった場合に、トルクセンサ自体の異常（グラフｂ）か又はトルクセンサは正常でゼロ点計測状態が異常（グラフｃ）かを判別することができる。

この判別方法として、ゼロ点Ａとゼロ点Ｂとの間の中間点に閾値を設定し、ｔ１時点後のトルク検出データの波形でボトム値がこの閾値以下に低下した場合には正常なトルクセンサ（グラフｃ）であると判別する。トルクセンサ自体が異常の場合（グラフｂ）の検出波形ではボトム値は常にゼロ点Ｂ以上であり、閾値より低下することはない。

図５は、本発明に係る電動補助自転車のトルクセンサ異常判別方法のフローチャートである。各ステップのジョブは以下の通りである。

ステップＳ１：
電源投入後最初のアシストモードかどうかを判別する。すなわち、メインスイッチをオンにしてペダルを踏み始めると、トルクセンサによりペダルが踏み込まれたことが検出されアシストモードに入る。このアシストモードが、電源が入った後の第１回目のアシストモードかどうかを判別する。第１回目でなければステップＳ３に進む。

ステップＳ２：
１回目のアシストモードのときにボトム電圧判定フラグをセットする。すなわち、トルクセンサからの出力電圧からボトム電圧を検出してトルクセンサ出力の異常を判別する処理を実行していることを示すフラグをセットする。

ステップＳ３：
アシストモードに移行済みかどうかを判別する。すなわち、アシストモードに入ったときに、既にペダルを踏み込んで走行しているか又はまだ停車中の発進前の状態かどうかを判別する。Ｎｏであればフローを抜ける。

ステップＳ４：
アシストモードに移行済みの場合に、トルクセンサ出力のボトム電圧が２．０Ｖ未満かどうかを判別する。ボトム電圧が２．０Ｖ未満であればトルクセンサ出力は正常であると判別し、２．０Ｖ以上であれば異常と判別する。

ステップＳ５：
ボトム電圧が２．０Ｖ未満の場合、トルクセンサ出力は正常であるため、ボトム電圧によるトルクセンサ異常判定フラグをクリアする。

ステップＳ６：
ボトム電圧判断により、アシストが中断されたかどうかを判別する。例えばボトム電圧が所定の閾値（上記ステップＳ５の２．０Ｖより低い値）より高い場合はアシストを一時中止してステップＳ７に進む。このようなアシスト中断以外はステップＳ１１に進む。

ステップＳ７：
ボトム電圧判定フラグがセットされているかどうかを判別する。フラグがセットされていれば、明らかに故障しているトルクセンサと判断してステップＳ１０に進む。フラグがクリアされている状態であれば、今回のアシスト中断による中断回数の更新のためにステップＳ８に進む。

ステップＳ８：
アシスト中断回数を一回インクリメントする。

ステップＳ９：
アシスト中断回数が５回連続したかどうかを判別する。５回に達していなければそのままフローを抜ける。５回連続してアシスト中断していればステップＳ１０に進む。

ステップＳ１０：
トルクセンサ出力のボトム電圧あるいはゼロ点電圧により出力値の異常が検知されたときのアシスト中断回数が５回に達したときに、トルクセンサ自体の故障と判断して、トルクセンサのエラー表示を行うとともに、アシストを完全に停止しメインスイッチをオフにするまでアシストを行わない。

ステップＳ１１：
現在の状態がスタート待ち状態かどうかを判別する。停車中で且つペダルの踏み込みがないと判断し、アシストを停止している状態であればステップＳ１２に進む。走行中又は停車中で且つボトム電圧閾値の条件以外でのアシストが中断されている状態であればそのままフローを抜ける。

ステップＳ１２：
アシスト中断回数をリセットしてフローを抜ける。

本発明が適用される電動補助自転車の側面図。 本発明に係る電動補助自転車のトルク制御装置の構成図。 図２のトルク制御装置の要部構成及び動作図。 トルクセンサの出力波形図。 本発明の実施例のフローチャート。

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、
４３：コントローラ、４４：モータ駆動回路、
４５：電流検出回路（電流計）、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手段、５０：トルク−電流計算手段、
５１：デューティ計算手段、５２：トルクセンサ異常判別手段、
５３：ＬＥＤ、５４：電源スイッチ。

Claims (1)

1. ペダルを回転駆動する踏力を検出するためのトルクセンサと、
   該踏力を補助するアシスト用モータと、
   前記トルクセンサの出力に応じて前記モータの駆動電流を制御するコントローラと、
   走行中ペダル回転に同期して上ピーク値及びボトム値を繰り返して変動する前記トルクセンサ出力又は停車中の前記トルクセンサのゼロ点値に基づいて該トルクセンサの正常・異常を判別するトルクセンサ判別手段とを備え、
   走行中又は停車中に前記トルクセンサ判別手段によりトルクセンサ出力の異常を検知した場合に前記モータによるアシストを中断する電動補助自転車のトルクセンサ異常判別方法において、
   前記モータによるアシストの中断回数が連続して所定回数に達したときに前記トルクセンサ自体の異常と判別してエラー表示を行うとともに前記モータによるアシストを停止することを特徴とする電動補助自転車のトルクセンサ異常判別方法。
   

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