JP2007223579A - Bicycle with electric motor and program for controlling it - Google Patents
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Description
本発明は、ペダルから加えられる人力エネルギに応じて電動モータを動かして人力エネルギを軽減する電動モータ付自転車とその制御方法及び記憶媒体に関し、詳しくは、人力エネルギを検出するトルク検出機構を用いずに、人力エネルギに応じて電動モータを制御する電動モータ付自転車とそれを制御するプログラムに関する。 The present invention relates to a bicycle with an electric motor that moves an electric motor in accordance with human energy applied from a pedal to reduce human energy, a control method thereof, and a storage medium, and more particularly, without using a torque detection mechanism that detects human energy. Furthermore, the present invention relates to a bicycle with an electric motor that controls an electric motor in accordance with human energy and a program that controls the bicycle.
ペダルから加えられる人力トルク、即ち踏力に応じて電動モータを動かして推力を補助(アシスト)する電動モータ付自転車が知られている。この踏力を後輪で検出するためのトルク検出機構の技術としては、特許文献1、2に記載されたものがある。このトルク検出機構は構造が複雑で重量も重くなるため、特許文献3では、トルク検出機構を用いずに、回転角度センサにより検出した車輪の回転角度と自転車機構伝達関数の逆関数に基づいて、推力を補助する電動モータの出力トルクを制御する技術が提案されている。 2. Description of the Related Art A bicycle with an electric motor is known that assists thrust by moving an electric motor according to human power torque applied from a pedal, that is, pedaling force. As a technology of a torque detection mechanism for detecting the pedaling force with the rear wheel, there are those described in
しかしながら、上記特許文献3の技術では、車輪の回転角度と自転車機構伝達関数の逆関数Pn(s)−1に基づき、人力トルクに応じて電動モータの出力トルクを制御するとしているが、そこからモータ出力と人力トルクとを算出する手段が示されていない他、Pn(s)−1なる関数に具体性がないため、実現が不可能であった。However, in the technique of
本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであり、人力エネルギを検出するトルク検出機構を用いずに、人力エネルギに応じて電動モータを制御することが、具体的で容易に実現可能である電動モータ付自転車とそれを制御するプログラムを提供することを課題とする。 The present invention has been made to solve the above problems, and it is concrete and easy to control an electric motor according to human energy without using a torque detection mechanism for detecting human energy. It is an object of the present invention to provide a bicycle with an electric motor and a program for controlling the bicycle.
上記の課題を解決するため、本発明による請求項1記載の電動モータ付自転車は、自転車に推力を補助するためのトルクを発生させる電動モータと、指定された印加電圧で前記電動モータの回転を制御するモータ制御部と、前記電動モータのモータ電流を測定するモータ電流測定部と、自転車の運転・停止を判定する運転・停止判定部と、前記判定が運転の時に動作し、所定の印加電圧を前記モータ制御部に指定して前記モータ電流測定部で測定したモータ電流値からモータトルクを算出すると共に、前記指定する印加電圧を変化させて前記モータ電流測定部で測定したモータ電流値から回転速度を算出し、前記モータトルクと回転速度から人力によるトルクを算出し、この人力によるトルクを補助するモータトルクを決定し、前記補助するモータトルクを発生する印加電圧を所定期間だけ前記モータ制御部に指定した後、以上の処理の繰り返しを指示するアシスト制御処理部と、を備えることを特徴とする。 In order to solve the above-mentioned problems, a bicycle with an electric motor according to
また、本発明による請求項2の構成では、請求項1記載の電動モータ付自転車において、前記アシスト制御処理部が、前記モータ制御部に2つの印加電圧V1、V2を極短時間づつ順次に指定し、この時に前記モータ電流測定部で測定した電流値を求め、この電流値から前記印加電圧V1、V2で発生するモータトルクTm1、Tm2を算出するモータトルク算出機能手段と、前記各印加電圧V1、V2の指定後に前記モータ制御部に極短時間内に印加電圧を走査しながら指定し、この時に前記モータ電流測定部で測定した電流値を求め、この電流値がゼロ又は略ゼロの時の印加電圧から前記電動モータの回転速度Nx1、Nx2を算出する回転速度算出機能手段と、前記算出したモータトルクTm1、Tm2と回転速度Nx1、Nx2から人力によるトルクTaを算出する人力トルク算出機能手段と、前記人力によるトルクTaに応じた補助トルクの発生に必要なモータ電流値を算出し、前記モータ電流測定部で測定した電流値が前記必要なモータ電流値となる印加電圧を前記モータ制御部に所定時間だけ指定し、この所定時間の経過後、前記モータトルク算出機能手段からの制御の繰り返しを指示するアシスト出力決定機能手段とを、備えることを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, in the bicycle with an electric motor according to the first aspect, the assist control processing unit sequentially designates two applied voltages V1 and V2 to the motor control unit in an extremely short time. At this time, a current value measured by the motor current measuring unit is obtained, motor torque calculation function means for calculating motor torques Tm1 and Tm2 generated by the applied voltages V1 and V2 from the current value, and each applied voltage V1 , V2 is specified while scanning the applied voltage to the motor control unit within a very short time, and the current value measured by the motor current measurement unit is obtained at this time. When this current value is zero or substantially zero, Rotational speed calculation function means for calculating the rotational speeds Nx1 and Nx2 of the electric motor from the applied voltage, and the calculated motor torques Tm1 and Tm2 and the rotational speeds Nx1 and Nx2. A manual torque calculation function means for calculating a torque Ta by force, a motor current value required for generating an auxiliary torque corresponding to the torque Ta by the human power, and a current value measured by the motor current measuring unit Provided with an assist output determination function means that designates an applied voltage to be a motor current value for a predetermined time in the motor control section and instructs the repetition of control from the motor torque calculation function means after the elapse of the predetermined time. It is characterized by.
あるいは、本発明による請求項3記載の電動モータ付自転車は、自転車に推力を補助するためのトルクを発生させる電動モータと、指定された印加電圧で前記電動モータの回転を制御するモータ制御部と、前記電動モータの回転速度を検出する回転速度検出部と、前記電動モータのモータ電流を測定するモータ電流測定部と、自転車の運転・停止を判定する運転・停止判定部と、前記判定が運転の時に動作し、所定の印加電圧を前記モータ制御部に指定して前記モータ電流測定部で測定したモータ電流値からモータトルクを算出すると共に、前記回転速度検出部を用いて回転速度を検出し、前記モータトルクと回転速度から人力によるトルクを算出し、この人力によるトルクを補助するモータトルクを決定し、前記補助するモータトルクを発生する印加電圧を前記モータ制御部に所定期間だけ指定した後、以上の処理の繰り返しを指示するアシスト制御処理部と、を備えることを特徴とする。 Alternatively, the bicycle with an electric motor according to
また、本発明による請求項4の構成では、請求項3記載の電動モータ付自転車において、前記アシスト制御処理部が、前記モータ制御部に2つの印加電圧V1、V2を極短時間づつ順次に指定し、この時に前記モータ電流測定部で測定した電流値を求め、この電流値から前記印加電圧V1、V2で発生するモータトルクTm1、Tm2を算出するモータトルク算出機能手段と、前記各印加電圧V1、V2の指定後に前記回転速度検出部を用いて前記電動モータの回転速度Nx1、Nx2を検出する回転速度検出機能手段と、前記算出したモータトルクTm1、Tm2と前記検出した回転速度Nx1、Nx2から人力によるトルクTaを算出する人力トルク算出機能手段と、前記人力によるトルクTaに応じた補助トルクの発生に必要なモータ電流値を算出し、前記モータ電流測定部で測定した電流値が前記必要なモータ電流値となる印加電圧を前記モータ制御部に所定時間だけ指定し、この所定時間の経過後、前記モータトルク算出機能手段からの制御の繰り返しを指示するアシスト出力決定機能手段とを、備えることを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, in the bicycle with an electric motor according to the third aspect, the assist control processing unit sequentially designates two applied voltages V1 and V2 to the motor control unit in an extremely short time. At this time, a current value measured by the motor current measuring unit is obtained, motor torque calculation function means for calculating motor torques Tm1 and Tm2 generated by the applied voltages V1 and V2 from the current value, and each applied voltage V1 , V2 from the rotational speed detection function means for detecting the rotational speeds Nx1 and Nx2 of the electric motor using the rotational speed detector, and the calculated motor torques Tm1 and Tm2 and the detected rotational speeds Nx1 and Nx2. Human power torque calculation function means for calculating torque Ta due to human power, and a motor necessary for generating auxiliary torque according to the torque Ta due to human power The current value measured by the motor current measurement unit is calculated and the applied voltage at which the current value measured by the motor current measurement unit becomes the required motor current value is specified to the motor control unit for a predetermined time. Assist output determination function means for instructing repetition of control from the function means.
また、本発明による請求項5の構成では、請求項3又は4記載の電動モータ付自転車において、前記回転速度検出部が、ロータマグネット位置検出素子、又は速度発電機、又はインクリメントエンコーダとその検出素子を使用するものであることを特徴とする。 According to a fifth aspect of the present invention, in the bicycle with an electric motor according to the third or fourth aspect, the rotational speed detection unit is a rotor magnet position detection element, a speed generator, an increment encoder, and its detection element. Is used.
あるいは、本発明による請求項6記載の電動モータ付自転車を制御するプログラムは、自転車に推力を補助するためのトルクを発生させる電動モータと、指定された印加電圧で前記電動モータの回転を制御するモータ制御部と、前記電動モータのモータ電流を測定するモータ電流測定部とを備える電動モータ付自転車を制御するプログラムであって、
所定の印加電圧を前記モータ制御部に指定して前記モータ電流測定部で測定したモータ電流値からモータトルクを算出すると共に、前記指定する印加電圧を変化させて前記モータ電流測定部で測定したモータ電流値から回転速度を算出する第1の処理と、前記モータトルクと回転速度から人力によるトルクを算出する第2の処理と、この人力によるトルクを補助するモータトルクを決定し、前記補助するモータトルクを発生する印加電圧を所定期間だけ前記モータ制御部に指定した後、以上の処理の繰り返しを指示する第3の処理とを、コンピュータに実行させるためのプログラムであることを特徴とする。Alternatively, the program for controlling a bicycle with an electric motor according to claim 6 of the present invention controls the rotation of the electric motor with a specified applied voltage and an electric motor that generates torque for assisting the bicycle with thrust. A program for controlling a bicycle with an electric motor, comprising: a motor control unit; and a motor current measurement unit that measures a motor current of the electric motor,
A motor that calculates a motor torque from a motor current value measured by the motor current measuring unit by designating a predetermined applied voltage to the motor control unit, and that is measured by the motor current measuring unit while changing the designated applied voltage. A first process for calculating a rotation speed from the current value; a second process for calculating a torque by human power from the motor torque and the rotation speed; and determining a motor torque for assisting the torque by human power, and the assisting motor. A program for causing a computer to execute a third process for instructing repetition of the above process after an applied voltage for generating a torque is specified in the motor control unit for a predetermined period of time.
また、本発明による請求項7の構成では、請求項6記載のプログラムにおいて、前記第1の処理が、前記モータ制御部に2つの印加電圧V1、V2を極短時間づつ順次に指定し、この時に前記モータ電流測定部で測定した電流値を求め、この電流値から前記印加電圧V1、V2で発生するモータトルクTm1、Tm2を算出するモータトルク算出する処理と、前記各印加電圧V1、V2の指定後に前記モータ制御部に極短時間内に印加電圧を走査しながら指定し、この時に前記モータ電流測定部で測定した電流値を求め、この電流値がゼロ又は略ゼロの時の印加電圧から前記電動モータの回転速度Nx1、Nx2を算出する処理から成り、前記第2の処理が、前記算出したモータトルクTm1、Tm2と回転速度Nx1、Nx2から人力によるトルクTaを算出する処理から成り、前記第3の処理が、前記人力によるトルクTaに応じた補助トルクの発生に必要なモータ電流値を算出し、前記モータ電流測定部で測定した電流値が前記必要なモータ電流値となる印加電圧を前記モータ制御部に所定時間だけ指定し、この所定時間の経過後、前記第1の処理からの繰り返しを指示する処理から成ることを特徴とする。 According to a seventh aspect of the present invention, in the program according to the sixth aspect, the first process sequentially designates the two applied voltages V1 and V2 to the motor control unit in an extremely short time. Sometimes, a current value measured by the motor current measuring unit is obtained, a motor torque calculation process for calculating motor torques Tm1 and Tm2 generated at the applied voltages V1 and V2 from the current value, and a process for calculating the applied voltages V1 and V2. After specifying, specify the motor control unit while scanning the applied voltage within a very short time, obtain the current value measured by the motor current measurement unit at this time, from the applied voltage when this current value is zero or almost zero The process comprises calculating the rotational speeds Nx1 and Nx2 of the electric motor, and the second process is performed manually from the calculated motor torques Tm1 and Tm2 and the rotational speeds Nx1 and Nx2. Comprising a process of calculating torque Ta, the third process calculates a motor current value necessary for generating an auxiliary torque according to the torque Ta by the human power, and the current value measured by the motor current measuring unit is the It is characterized in that it comprises a process of specifying an applied voltage as a necessary motor current value for a predetermined time in the motor control unit and instructing repetition from the first process after the elapse of the predetermined time.
あるいは、本発明による請求項8記載の電動モータ付自転車を制御するプログラムは、自転車に推力を補助するためのトルクを発生させる電動モータと、指定された印加電圧で前記電動モータの回転を制御するモータ制御部と、前記電動モータの回転速度を検出する回転速度検出部と、前記電動モータのモータ電流を測定するモータ電流測定部とを備える電動モータ付自転車を制御するプログラムであって、
所定の印加電圧を前記モータ制御部に指定して前記モータ電流測定部で測定したモータ電流値からモータトルクを算出すると共に、前記回転速度検出部を用いて回転速度を検出する第1の処理と、前記モータトルクと回転速度から人力によるトルクを算出する第2の処理と、この人力によるトルクを補助するモータトルクを決定し、前記補助するモータトルクを発生する印加電圧を前記モータ制御部に所定期間だけ指定した後、以上の処理の繰り返しを指示する第3の処理とを、コンピュータに実行させるためのプログラムであることを特徴とする。Alternatively, the program for controlling a bicycle with an electric motor according to claim 8 of the present invention controls the rotation of the electric motor with an electric motor that generates torque for assisting the bicycle with thrust and a specified applied voltage. A program for controlling a bicycle with an electric motor, comprising: a motor control unit; a rotation speed detection unit that detects a rotation speed of the electric motor; and a motor current measurement unit that measures a motor current of the electric motor,
A first process of calculating a motor torque from a motor current value measured by the motor current measurement unit by designating a predetermined applied voltage to the motor control unit and detecting a rotation speed using the rotation speed detection unit; A second process for calculating a torque by human power from the motor torque and the rotation speed, a motor torque for assisting the torque by the human power is determined, and an applied voltage for generating the assisting motor torque is set to the motor control unit in advance. It is a program for causing a computer to execute the third process for instructing the repetition of the above process after designating only the period.
また、本発明による請求項9の構成では、請求項8記載のプログラムにおいて、前記第1の処理が、前記モータ制御部に2つの印加電圧V1、V2を極短時間づつ順次に指定し、この時に前記モータ電流測定部で測定した電流値を求め、この電流値から前記印加電圧V1、V2で発生するモータトルクTm1、Tm2を算出する処理と、前記各印加電圧V1、V2の指定後に前記回転速度検出部を用いて前記電動モータの回転速度Nx1、Nx2を検出する処理から成り、前記第2の処理が、前記算出したモータトルクTm1、Tm2と前記検出した回転速度Nx1、Nx2から人力によるトルクTaを算出する処理から成り、前記第3の処理が、前記人力によるトルクTaに応じた補助トルクの発生に必要なモータ電流値を算出し、前記モータ電流測定部で測定した電流値が前記必要なモータ電流値となる印加電圧を前記モータ制御部に所定時間だけ指定し、この所定時間の経過後、前記第1の処理からの繰り返しを指示する処理から成ることを特徴とする。 According to a ninth aspect of the present invention, in the program according to the eighth aspect, the first process sequentially designates the two applied voltages V1 and V2 to the motor control unit in an extremely short time. Sometimes, a current value measured by the motor current measuring unit is obtained, motor torques Tm1 and Tm2 generated by the applied voltages V1 and V2 are calculated from the current values, and the rotation after the designation of the applied voltages V1 and V2 is performed. The process comprises detecting the rotational speeds Nx1 and Nx2 of the electric motor using a speed detector, and the second process is a manual torque based on the calculated motor torques Tm1 and Tm2 and the detected rotational speeds Nx1 and Nx2. And the third process calculates a motor current value necessary for generating an auxiliary torque corresponding to the torque Ta by the human power, and the third process. An applied voltage at which the current value measured by the current measuring unit becomes the required motor current value is specified to the motor control unit for a predetermined time, and after this predetermined time has elapsed, an instruction to repeat from the first process is instructed. It consists of processing.
本発明の構成によれば、人力エネルギを検出する複雑なトルク検出機構を用いずに、人力エネルギに応じて電動モータを制御することが、具体的で容易に実現可能であるという効果が得られる。特に、請求項1の構成によれば、回転速度検出機構を用いないので、より一層、簡素な構造で実現可能であるという効果が得られる。 According to the configuration of the present invention, there is an effect that it is concretely and easily realizable to control the electric motor according to the human power energy without using a complicated torque detection mechanism for detecting the human power energy. . In particular, according to the configuration of the first aspect, since the rotational speed detection mechanism is not used, an effect that it can be realized with a simpler structure can be obtained.
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。説明は、実施例を用いて具体的に行う。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. The description will be made specifically using examples.
図1は、本発明の第1の実施例である電動モータ付自転車の電気的な構成を示すブロック図である。本実施例では、トルク検出機構及び回転速度検出機構を使用しない例について述べる。 FIG. 1 is a block diagram showing an electrical configuration of a bicycle with an electric motor according to a first embodiment of the present invention. In this embodiment, an example in which the torque detection mechanism and the rotation speed detection mechanism are not used will be described.
自転車には、人力による推力を補助するためのトルクを発生させる電動モータ1を備える。電動モータ1としては、多相のブラシレスモータ等が好適である。モータ制御部2は、アシスト制御処理部3から指定される印加電圧により電動モータ1の回転を制御する。この時に電動モータ1の回転磁界の転極を制御するため、及び、自転車の運転・停止を判定するため、ロータマグネット位置検出部4を設ける。自転車の運転・停止の判定は、運転・停止判定部5で行われる。モータ電流測定部6は、逐次、モータ電流を測定し、A/D変換器を備えて、測定した電流値をアシスト制御処理部3へデジタル値で入力する。アシスト制御処理部3は、所定の印加電圧で測定された電流値をもとに電動モータ1の発生トルクと回転速度を算出し、算出された発生トルクと回転速度から人力によるトルクを算出する人力トルク算出処理と、算出された人力トルクに応じて推力を補助するために必要なトルクを発生させる印加電圧をモータ制御部2に指定するアシスト処理とを、繰り返し行う。 The bicycle includes an
モータ制御部2は、駆動モータ1のステータに巻かれた駆動コイルに、指定された印加電圧で回転磁界を発生させて駆動モータ1のロータを回転させる。このとき、ロータマグネット位置検出部4の検出信号により、回転磁界の転極のタイミングを制御する。ロータマグネット位置検出部4の検出信号は、駆動モータ1に電圧が印加されて回転すれば当然に出力されるが、駆動モータ1に電圧を印加しない場合でも、自転車が慣性で走行している場合には、ロータが回転して出力され、走行が停止されると出力されない。そこで運転・停止判定部5は、ロータマグネット位置検出部4の検出信号が一定時間以内に再入力されれば運転状態と判定し、一定時間以内に再入力されなければ停止状態と判定する。運転・停止の判定信号はアシスト制御処理部3に入力され、アシスト制御処理部3は運転状態の場合には人力トルク算出処理とアシスト処理とを実行し、停止状態の場合にはこれらの処理を停止する。なお、この運転・停止の判定処理は、アシスト制御処理部3でも処理可能であるが、運転における安全処理を施すには独立させるのが好ましい。 The
アシスト制御処理部3は、マイクロコンピュータ及びそのプログラムとデータ等を格納するメモリ等からなり、モータトルク算出機能手段31、回転速度算出機能手段32、人力トルク算出機能手段33、及びアシスト出力決定機能手段34を有する。これらの機能手段は、プログラムによって実現されるが、一部又は全部をハードウェアによって構成してもよい。 The assist
モータトルク算出機能手段31は、モータ制御部2に2つの印加電圧V1、V2を極短時間づつ順次に指定し、この時にモータ電流測定部6で測定した電流値Im1、Im2を求め、この電流値から印加電圧V1、V2で発生するモータトルクTm1、Tm2を算出する。即ち、モータトルクとモータ電流とは比例関係にあるので、モータに固有の比例定数をKtとすると、モータトルクTm1、Tm2は、Tm1=Kt・Im1、Tm2=Kt・Im2の式(1)で算出できる。印加電圧の指定は、数10から数100msecで行う。印加電圧V1、V2は、運転状態に入った初回には、運転に危険を及ぼさないように比較的小さな値とする。以降には、アシスト処理で決定された印加電圧Vの近傍の値に設定する。例えば、V1としては0.8・V、V2としては1.2・V、あるいはその逆の値などが考えられる。 The motor torque calculation function means 31 sequentially designates the two applied voltages V1 and V2 to the
回転速度算出機能手段32は、印加電圧V1が指定された後、及び印加電圧V2が指定された後、それぞれモータ制御部2に極短時間内に印加電圧を走査しながら指定し、この時にモータ電流測定部6で測定した電流値を求め、この電流値がゼロ又は略ゼロの時の印加電圧Vxd1、Vxd2から電動モータ1の回転速度Nx1、Nx2を、モータの基本式から導かれるNx1=Vxd1/Ks、Nx2=Vxd2/Ksの式(2)で算出する。ただし、Ksはモータ固有の定数である。 The rotation speed calculation function means 32 designates the
人力トルク算出機能手段33は、上記のモータトルクTm1、Tm2と回転速度Nx1、Nx2から、人力によるトルクTaを、Ta=(Nx2・Tm1−Nx1・Tm2)/(Nx1−Nx2)の式(3)から算出する。アシスト出力決定機能手段34は、算出された人力によるトルクTaに応じて推力を補助するために必要なモータトルク(アシスト力)TasiをTasi=f・Ta(fは補助率)で決定し、このモータトルクTasiを発生させるために必要なモータ電流ImをImasi=Tasi/Ktで算出し、モータ電流測定部6の測定電流がImasiとなるようにモータ制御部2に指定する印加電圧Vasiを決定して、所定時間(例えば、数100msec)出力する。所定時間が経過した場合には、モータトルク算出機能手段31を起動して、再び一連の処理を繰り返す。 The human torque calculation function means 33 calculates the torque Ta due to human power from the motor torques Tm1 and Tm2 and the rotational speeds Nx1 and Nx2, using the formula (3) of Ta = (Nx2 · Tm1−Nx1 · Tm2) / (Nx1−Nx2). ). The assist output determination function means 34 determines a motor torque (assist force) Tasi required for assisting the thrust according to the calculated torque Ta by human power by Tasi = f · Ta (f is an assist rate). The motor current Im required to generate the motor torque Tasi is calculated by Imasi = Tasi / Kt, and the applied voltage Vasi designated to the
次に、上記モータの回転速度の算出式(2)の根拠を示す。図2(a)、(b)は、そのための説明図である。印加電圧をVx、モータMの逆起電圧をVr、モータMの固有の抵抗をRm、モータ電流をIm、モータの回転速度をNx[rpm]、Ksをモータ固有の定数とすると、Vx−Vr=Im・Rm、Vr=Ks・Nx(Ksは定数)である。なお、Rsはモータ電流検出用の抵抗であり抵抗Rmに対して無視し得るものとする。ここで、モータの印加電圧Vxを高速に走査しながらVx1、Vx2、・・・Vx7と変化させたとき、印加電圧Vx5の時のモータ電流Im5が=0又は≒0になったとすると、Vx5=Vr=Ks・Nxとなる。即ち、モータ電流Imがゼロ又は略ゼロの時の印加電圧Vx5が既知であるからモータの回転速度Nxが算出できる。従って、モータ電流Imがゼロ又は略ゼロの時の印加電圧VxがVxd1、Vxd2のときのモータ回転速度Nx1、Nx2は、Nx1=Vxd1/Ks、Nx2=Vxd2/Ksとなる。ここで、モータの回転軸は、直接又は減速ギヤ等で自転車の車軸に接続されており、人力トルクや坂道での加速トルクによっても回転している(10:1の減速ギヤを介している場合、車輪の回転数の10倍の速さで回転する)ので、算出された回転速度Nx1、Nx2は自転車の回転速度をも表している。 Next, the basis of the calculation formula (2) of the rotational speed of the motor will be shown. 2A and 2B are explanatory diagrams for this purpose. Assuming that the applied voltage is Vx, the back electromotive voltage of the motor M is Vr, the specific resistance of the motor M is Rm, the motor current is Im, the rotation speed of the motor is Nx [rpm], and Ks is a constant specific to the motor, Vx−Vr = Im · Rm, Vr = Ks · Nx (Ks is a constant). Note that Rs is a resistance for motor current detection and can be ignored with respect to the resistance Rm. Here, assuming that the motor current Im5 at the applied voltage Vx5 becomes 0 or ≈0 when the applied voltage Vx of the motor is changed to Vx1, Vx2,... Vx7 while scanning at high speed, Vx5 = Vr = Ks · Nx. That is, since the applied voltage Vx5 when the motor current Im is zero or substantially zero is known, the rotational speed Nx of the motor can be calculated. Therefore, the motor rotation speeds Nx1 and Nx2 when the applied voltage Vx is Vxd1 and Vxd2 when the motor current Im is zero or substantially zero are Nx1 = Vxd1 / Ks and Nx2 = Vxd2 / Ks. Here, the rotating shaft of the motor is connected to the bicycle axle directly or by a reduction gear or the like, and is also rotated by human torque or acceleration torque on a hill (in the case of a 10: 1 reduction gear) Therefore, the calculated rotational speeds Nx1 and Nx2 also represent the rotational speed of the bicycle.
続いて、上記人力トルクの算出式(3)の根拠を示す。モータに電圧を印加してから定常状態の回転速度N[rpm]になるまでの加速時間t[sec]は、加速トルクをT[N・m]とすると、t=GD2・N/38.2・Tであることが広く知られている。ただし、GD2[Kg・m2]はモータ軸に換算した慣性負荷である。従って、T=(GD2/38.2)・N/tとなり、加速時間t後の定常状態での加速トルクと回転速度とは、比例関係(T=K・N:Kは定数)にある。ここで、加速トルクTを人力トルクTa+モータトルクTmであると考えて、極短時間にモータへの印加電圧をV1、V2と変化させ、モータトルクをTm1、Tm2に変化させた場合、人力トルクTaは、極短時間のモータトルク変化のなかでは同一値とみなせるので、人力トルクTa+モータトルクTm1、Tm2と定常状態の回転速度Nx1、Nx2の関係は、Ta+Tm1=K・Nx1、Ta+Tm2=K・Nx2となる。この2式からKを消去すると、Ta+Tm2=(Ta+Tm1)・Nx2/Nx1となる。この式から人力によるトルクTaの算出式として、Ta=(Nx2・Tm1−Nx1・Tm2)/(Nx1−Nx2)の式(3)が導かれる。Subsequently, the basis of the calculation formula (3) for the human power torque will be described. The acceleration time t [sec] from when the voltage is applied to the motor until the rotational speed N [rpm] in the steady state is reached is T = GD 2 · N / 38. 2 · T is widely known. However, GD 2 [Kg · m 2 ] is an inertial load converted to the motor shaft. Therefore, T = (GD 2 /38.2)·N/t, and the acceleration torque and the rotational speed in the steady state after the acceleration time t are in a proportional relationship (T = K · N: K is a constant). . Here, assuming that the acceleration torque T is human power torque Ta + motor torque Tm, when the applied voltage to the motor is changed to V1 and V2 in a very short time and the motor torque is changed to Tm1 and Tm2, human torque Since Ta can be regarded as the same value within a very short time of motor torque change, the relationship between human torque Ta + motor torques Tm1, Tm2 and rotational speeds Nx1, Nx2 in the steady state is Ta + Tm1 = K · Nx1, Ta + Tm2 = K · Nx2. If K is deleted from these two equations, Ta + Tm2 = (Ta + Tm1) · Nx2 / Nx1. From this formula, the formula (3) of Ta = (Nx2 · Tm1−Nx1 · Tm2) / (Nx1−Nx2) is derived as a formula for calculating the torque Ta by human power.
以上の構成による動作例を述べる。図3は、本実施例の動作例を示すフローチャートである。また、図4は、本実施例の動作例を示すタイムチャートである。まず、運転・停止判定部5による自転車の運転・停止の判定(ステップ1)において、運転状態であると判定されると、モータトルク算出機能手段31は、モータ制御部2に極短時間だけ印加電圧V1を指定し、モータ電流測定部6で測定した電流値Im1を求め、この電流値からモータトルクTm1をTm1=Kt・Im1で算出する(ステップ2)。次に、回転速度算出機能手段32は、高速で印加電圧を走査し、モータ電流測定部6で測定した電流値がゼロ又は略ゼロになった時の印加電圧Vxd1を求め、この電圧値から回転速度Nx1を、Nx1=Vxd1/Ksで算出する(ステップ3)。次に、モータトルク算出機能手段31は、モータ制御部2に極短時間だけ印加電圧V2を指定し、モータ電流測定部6で測定した電流値Im2を求め、この電流値からモータトルクTm2をTm2=Kt・Im2で算出する(ステップ4)。次に、回転速度算出機能手段32は、高速で印加電圧を走査し、モータ電流測定部6で測定した電流値がゼロ又は略ゼロになったときの印加電圧Vxd2を求め、この電圧値から回転速度Nx2を、Nx2=Vxd2/Ksで算出する(ステップ5)。 An operation example with the above configuration will be described. FIG. 3 is a flowchart showing an operation example of this embodiment. FIG. 4 is a time chart showing an operation example of this embodiment. First, when it is determined that the vehicle is in a driving state in the driving / stop determination unit 5 (step 1), the motor torque
次に、人力トルク算出機能手段33は、上記で算出されたモータトルクTm1、Tm2と回転速度Nx1、Nx2から、人力トルクTaを、Ta=(Nx2・Tm1−Nx1・Tm2)/(Nx1−Nx2)で算出する(ステップ6)。次に、アシスト出力決定機能手段34は、算出された人力トルクTaに応じて、推力を補助するために必要なトルクTasi=f・Taを発生させる新たな印加電圧Vasiを、モータ電流測定部6で測定したモータ電流値ImがIm=Tasi/Kt=Imasiとなるようにモータ制御部2に指定する(ステップ7)。次に、所定時間が経過したら、指定の印加電圧をゼロにしてステップ1に戻り(ステップ8)、以降の処理を繰り返す。ステップ1において、停止状態であると判定されると、全ての機能手段による処理を停止させて初期状態とし、運転状態になるのを待つ(ステップ9)。 Next, the human torque calculation function means 33 calculates the human torque Ta from the motor torques Tm1 and Tm2 calculated above and the rotational speeds Nx1 and Nx2, Ta = (Nx2 · Tm1−Nx1 · Tm2) / (Nx1−Nx2). ) (Step 6). Next, the assist output determination function means 34 generates a new applied voltage Vasi that generates a torque Tasi = f · Ta necessary for assisting thrust in accordance with the calculated human power torque Ta. The
図5は、本発明の第2の実施例である電動モータ付自転車の電気的な構成を示すブロック図である。本実施例では、トルク検出機構は使用しないが、回転速度検出機構を使用する例について述べる。 FIG. 5 is a block diagram showing an electrical configuration of a bicycle with an electric motor according to a second embodiment of the present invention. In this embodiment, the torque detection mechanism is not used, but an example in which the rotation speed detection mechanism is used will be described.
本実施例において、実施例1と同様に構成される要素には実施例1と同符号を付して、その説明を省略する。本実施例が実施例1と異なる点は、回転速度検出機構を使用することである。回転速度検出機構は、車軸又はモータの回転軸に設けた回転速度検出素子と回転速度検出部から成る。回転速度検出素子としては、ロータマグネット位置検出素子、又は速度発電機、又はインクリメントエンコーダとその検出素子等があるが、ここでは、ロータマグネット位置検出素子を用いる場合を例とする。その場合、回転速度検出部への入力として、ロータマグネット位置検出部4の検出信号を共用することができるので、新たな回転速度検出素子は不要である。回転速度検出部は、ロータマグネット位置検出部4からの検出信号間を計時パルスで計数し、この計数値を回転速度に変換する。計数及び計数値から回転速度への変換の処理は、アシスト制御処理部3′で行うのが効率的であるが、その処理手段をハードウェアで構成しても構わない。本実施例では、その処理をアシスト制御処理部3′で行うこととする、速度発電機を用いる場合には、速度検出電圧をA/D変換してアシスト制御処理部3′へ入力する。 In the present embodiment, elements similar to those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals as those in the first embodiment, and description thereof is omitted. This embodiment is different from the first embodiment in that a rotation speed detection mechanism is used. The rotation speed detection mechanism includes a rotation speed detection element and a rotation speed detection unit provided on an axle or a rotation shaft of a motor. Examples of the rotational speed detection element include a rotor magnet position detection element, a speed generator, or an increment encoder and its detection element. Here, a case where a rotor magnet position detection element is used is taken as an example. In this case, since the detection signal of the rotor magnet
アシスト制御処理部3′は、所定の印加電圧で測定された電流値をもとに電動モータ1の発生トルクを算出すると共に、ロータマグネット位置検出部4での検出信号から回転速度を検出し、算出された発生トルクと検出された回転速度から人力によるトルクを算出する人力トルク算出処理と、算出された人力トルクに応じて推力を補助するために必要なトルクを発生させる印加電圧をモータ制御部2に指定するアシスト処理とを、繰り返し行う。アシスト制御処理部3′は、運転・停止判定部5の判定が運転状態の場合には人力トルク算出処理とアシスト処理とを実行し、停止状態の場合にはこれらの処理を停止する。アシスト制御処理部3′は、マイクロコンピュータ及びそのプログラムとデータ等を格納するメモリ等からなり、モータトルク算出機能手段31、人力トルク算出機能手段33、アシスト出力決定機能手段34、及び回転速度検出機能手段35を有する。これらの機能手段は、プログラムによって実現されるが、一部又は全部をハードウェアによって構成してもよい。 The assist
モータトルク算出機能手段31は、実施例1と同様にモータ制御部2に2つの印加電圧V1、V2を極短時間づつ順次に指定し、この時にモータ電流測定部6で測定した電流値Im1、Im2を求め、この電流値から印加電圧V1、V2で発生するモータトルクTm1、Tm2を式(1)で算出する。回転速度検出機能手段35は、モータトルク算出機能手段31により印加電圧V1が指定された後、及び印加電圧V2が指定された後、それぞれのタイミングでロータマグネット位置検出部4からの検出信号間を計時パルスで計数し、この計数値を変換して電圧V1、V2が印加された時の回転速度Nx1、Nx2を検出する。以下、実施例1と同様に、人力トルク算出機能手段33は、上記のモータトルクTm1、Tm2と回転速度Nx1、Nx2から、人力によるトルクTaを、式(3)から算出する。アシスト出力決定機能手段34は、算出された人力によるトルクTaに応じて推力を補助するために必要なモータトルク(アシスト力)Tasiを決定し、このモータトルクTasiを発生させるために必要なモータ電流Imasiを算出し、モータ電流測定部6の測定電流がImasiとなるようにモータ制御部2に指定する印加電圧Vasiを決定して、所定時間出力する。所定時間が経過すると、モータトルク算出機能手段31を起動して、再び一連の動作を繰り返す。 Similarly to the first embodiment, the motor torque
以上の構成による動作例は、図3において、印加電圧に対応する回転速度Nx1、Nx2の求め方が上記のとおり異なるのみで、基本的な処理の流れは同様である。 In the operation example with the above configuration, the basic processing flow is the same except that the rotational speeds Nx1 and Nx2 corresponding to the applied voltage are different as described above in FIG.
以上、本発明の実施例を図面により詳しく述べてきたが、具体的な構成は本実施例に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても本発明に含まれる。例えば、上述の実施例では、電動モータで車軸を直接回転するものであったが、電動モータがペダル軸を回転させるアシスト形式のものなど、他のアシスト形式のものであっても同様に適用可能である。また、運転、停止の判定は最終的に回転速度に反映されるので、省略することも可能である。 The embodiment of the present invention has been described in detail with reference to the drawings. However, the specific configuration is not limited to the present embodiment, and the present invention can be changed even if there is a design change or the like without departing from the gist of the present invention. include. For example, in the above-described embodiment, the axle is directly rotated by the electric motor, but the present invention can be similarly applied to other assist types such as an assist type in which the electric motor rotates the pedal shaft. It is. In addition, since the determination of operation and stop is finally reflected in the rotation speed, it can be omitted.
本発明は、どのようなアシスト形式の電動アシスト自転車にも好適に利用可能である。 The present invention can be suitably used for any assist type electric assist bicycle.
1…電動モータ
2…モータ制御部
3、3′…アシスト制御処理部
31…モータトルク算出機能手段
32…回転速度算出機能手段
33…人力トルク算出機能手段
34…アシスト出力決定機能手段
35…回転速度検出機能手段
4…ロータマグネット位置検出部
5…運転・停止判定部
6…モータ電流測定部DESCRIPTION OF
Claims (9)
所定の印加電圧を前記モータ制御部に指定して前記モータ電流測定部で測定したモータ電流値からモータトルクを算出すると共に、前記指定する印加電圧を変化させて前記モータ電流測定部で測定したモータ電流値から回転速度を算出する第1の処理と、前記モータトルクと回転速度から人力によるトルクを算出する第2の処理と、この人力によるトルクを補助するモータトルクを決定し、前記補助するモータトルクを発生する印加電圧を所定期間だけ前記モータ制御部に指定した後、以上の処理の繰り返しを指示する第3の処理とを、コンピュータに実行させるためのプログラム。An electric motor that generates torque for assisting thrust in the bicycle; a motor control unit that controls rotation of the electric motor with a specified applied voltage; and a motor current measurement unit that measures a motor current of the electric motor. A program for controlling a bicycle with an electric motor,
A motor that calculates a motor torque from a motor current value measured by the motor current measuring unit by designating a predetermined applied voltage to the motor control unit, and that is measured by the motor current measuring unit while changing the designated applied voltage. A first process for calculating a rotation speed from the current value; a second process for calculating a torque by human power from the motor torque and the rotation speed; and determining a motor torque for assisting the torque by human power, and the assisting motor. A program for causing a computer to execute a third process for instructing repetition of the above process after an applied voltage for generating a torque is specified in the motor control unit for a predetermined period.
所定の印加電圧を前記モータ制御部に指定して前記モータ電流測定部で測定したモータ電流値からモータトルクを算出すると共に、前記回転速度検出部を用いて回転速度を検出する第1の処理と、前記モータトルクと回転速度から人力によるトルクを算出する第2の処理と、この人力によるトルクを補助するモータトルクを決定し、前記補助するモータトルクを発生する印加電圧を前記モータ制御部に所定期間だけ指定した後、以上の処理の繰り返しを指示する第3の処理とを、コンピュータに実行させるためのプログラム。An electric motor that generates torque for assisting a bicycle with thrust, a motor control unit that controls rotation of the electric motor with a specified applied voltage, and a rotation speed detection unit that detects the rotation speed of the electric motor; A program for controlling a bicycle with an electric motor comprising a motor current measuring unit for measuring a motor current of the electric motor,
A first process of calculating a motor torque from a motor current value measured by the motor current measurement unit by designating a predetermined applied voltage to the motor control unit and detecting a rotation speed using the rotation speed detection unit; A second process for calculating a torque by human power from the motor torque and the rotation speed, a motor torque for assisting the torque by the human power is determined, and an applied voltage for generating the assisting motor torque is set to the motor control unit in advance. A program for causing a computer to execute a third process for instructing repetition of the above process after designating only a period.
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