JP2011168181A

JP2011168181A - 電動アシスト自転車用モータ制御方法

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Publication number: JP2011168181A
Application number: JP2010034148A
Authority: JP
Inventors: Masamitsu Edatsune; 真光枝常; Yoshiaki Nakai; 義明中井; Masaya Yoshimura; 昌也吉村
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2010-02-19
Filing date: 2010-02-19
Publication date: 2011-09-01
Anticipated expiration: 2030-02-19
Also published as: EP2537739A1; WO2011101944A1; EP2537739A4; JP4772154B2; EP2537739B1

Abstract

【課題】電動アシストを付加した場合であっても、自転車出力の振幅の増大を抑制することを目的とする。
【解決手段】電動アシストが付加され、踏み力Ｔが周期的に変化する自転車の走行時において、踏み力Ｔが低化する周期であっても、モータ出力の算出に用いる仮想踏み力Ｔｖの最小値を引き上げることにより、モータ出力の低化を抑制することができ、自転車出力の振幅を低減することが可能となる。
【選択図】図３

Description

本発明は、電動モータにより自転車の出力をアシストする電動アシスト自転車用モータ制御方法に関する。

従来の電動アシスト自転車用モータ制御方法について、図７を用いて説明する。
図７は従来のモータ制御方法における踏み力とモータ出力の推移を示す概略図である。
図７に示すように、電動アシスト自転車における自転車出力は、ペダルの踏み力と、踏み力に応じたモータ出力とを合計した出力となる。通常、モータ出力は自転車の速度によってアシスト率を変化させるが、図７では、速度が一定の場合の出力変化を例示している。

このように、従来の電動アシスト自転車では、ペダルの踏み力に応じたモータ出力でアシストしていた。

特開２００１−１２２１８４号公報

ペダルの踏み力はペダルの円運動に応じて周期的に変化する。また、モータ出力はペダルの踏み力に応じて出力値が変化し、それに対応して自転車出力も周期的に変化する。
例えば、図７のＢにおいて、踏み力は０であり、モータ出力および自転車出力はいずれも０となる。また、踏み力が最大となるＣにおける踏み力ｘとすると、モータ出力が加算されて自転車出力はＸとなる。したがって、一定の速度で走行しようとしても、踏み力の周期的な変化により、自転車出力は走行中に最大Ｘの幅で変化していた。アシストがない場合には自転車出力の振幅がｘであったのに対し、電動アシストを付加することにより、自転車出力の振幅がＸとなり、電動アシストにより自転車出力の振幅も増大されていた。

そのため、乗車者が一定の速度で走行しようとしても、自転車出力が安定せず（以下ギクシャク感と称す）、電動アシストを付加することにより乗り味が低下するという問題点があった。また、自転車出力の変化により乗車者の体が前後に振られてバランスをくずすことにより、安全性が阻害されるという問題点があった。特に、加速時や坂道などで踏み力を増大させた場合にこれらの問題点が顕著になる。また、アシスト率を上げることによってもこれらの問題点が顕著になる。

上記問題点を解決するために、本発明の電動アシスト自転車用モータ制御方法は、電動アシストを付加した場合であっても、自転車出力の振幅の増大を抑制することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の電動アシスト自転車用モータ制御方法は、ペダルの踏み力の時間的推移を測定すると共に前記踏み力の最大値を検出する踏み力測定工程と、最小値が前記踏み力の最小値より大きくなる仮想踏み力を前記踏み力から算出する仮想踏み力算出工程と、前記仮想踏み力に第２の係数をかけてモータ出力を算出するモータ出力算出工程と、前記踏み力と前記モータ出力とを合わせた自転車出力を自転車の駆動力として算出する自転車出力算出工程とを有し、前記仮想踏み力の増加中では前記踏み力が最大値となるまでは前記踏み力と前記仮想踏み力とを一致させると共に、前記ペダルの半回転中において、前記仮想踏み力の総和が前記踏み力の総和に対して１より大きい第１の係数をかけた量となり、前記第１の係数と前記第２の係数を合わせてアシスト率となることを特徴とする。

また、前記仮想踏み力算出工程が、前記踏み力の最大値までは前記踏み力を前記仮想踏み力とする第１の工程と、前記仮想踏み力として所定の維持時間前記踏み力の最大値を維持する第２の工程と、前記踏み力の最大値を維持した後に前記踏み力を一定の割合で減少させる仮想直線を想定する第３の工程と、時間毎に前記踏み力と前記仮想直線の値を加算して加算値を算出する第４の工程と、前記加算値が前記踏み力の最大値を超える時間では前記踏み力の最大値を前記仮想踏み力とし、前記加算値が前記踏み力より小さい時間では前記踏み力を前記仮想踏み力とし、前記加算値が前記踏み力の最大値と前記踏み力の間となる時間では前記加算値を前記仮想踏み力とする第５の工程とを有することが好ましい。

また、前記第４の工程において、前記踏み力が前記仮想直線より大きくなる時間から前記踏み力が前記加算値より大きくなる時間までの間に関しては、前記仮想踏み力を前記仮想直線の２倍の値とすることが好ましい。

また、前記維持時間を求める際に、前記踏み力の増加開始から前記踏み力の最大値を検出するまでの前記踏み力の総和を第１の面積として算出する工程と、前記踏み力の最大値を維持した部分の前記仮想踏み力，前記仮想直線および前記踏み力とで囲まれた第２の面積が前記第１の面積に第３の係数をかけた面積となるように前記維持時間を求める工程とを有することが好ましい。

また、前記第１の係数が１．４、前記第２の係数が１．４であっても良い。
また、前記第１の係数が１．４、前記第２の係数が１．４、前記第３の係数が０．８であっても良い。

また、前記第１の係数が１．４、前記第２の係数が１．４、前記第３の係数が０．５であっても良い。
また、車速を細かく制御する走行状況では、前記第３の係数を０．５とすることが好ましい。

また、前記車速を細かく制御する走行状況の判断を、車速，ペダルの回転数または車速の変化率があらかじめ定めた範囲内であるかどうかにより行っても良い。
以上により、電動アシストを付加した場合であっても、自転車出力の振幅の増大を抑制することができる。

以上のように、電動アシストが付加され、踏み力が周期的に変化する自転車の走行時において、踏み力が低化する周期であっても、モータ出力の算出に用いる仮想踏み力の最小値を引き上げることにより、モータ出力の低化を抑制することができ、自転車出力の振幅を低減することが可能となる。

本発明のモータ制御方法で制御されたモータ出力および自転車出力の推移を踏み力との関係で示す概略図実施の形態１におけるモータ制御方法を説明する図本発明の仮想踏み力を算出する方法を例示する図本発明の仮想踏み力を算出する方法を例示するフロー図本発明の踏み力が０になる近傍の仮想踏み力を算出する方法を例示する図本発明の踏み力が０になる近傍の仮想踏み力を算出する方法を例示するフロー図従来のモータ制御方法における踏み力とモータ出力の推移を示す概略図

本発明の電動アシスト自転車用モータ制御方法について図１を用いて説明する。
図１は本発明のモータ制御方法で制御されたモータ出力および自転車出力の推移を踏み力との関係で示す概略図である。

図１に示すように、本発明の電動アシスト自転車用モータ制御方法は、ペダルの踏み力の周期的変化に対応するモータ出力を、踏み力の最大値，最小値となるピークに対してモータ出力のピークが出力する時間を遅らせると共に、最小値自体を引き上げることを特徴とする。この時、ペダルが半回転する間の踏み力の総和とモータ出力の総和が一定の割合になるように制御する。この割合がペダル半回転中のアシスト率の総和となる。

本発明では、まず、実際の踏み力によるペダル半回転中の推移グラフを補正して、最小値を引き上げた仮想踏み力の推移グラフを求める。そして、仮想踏み力に一定の係数αをかけてモータ出力を算出し、踏み力とモータ出力の和を自転車出力として自転車を駆動する。仮想踏み力の推移グラフは、半サイクル中の仮想踏み力の総和が半サイクル中の踏み力の総和に１より大きい一定の係数βをかけた値となり、かつ、踏み力の最小値を引き上げるように踏み力の推移グラフを補正して求める。そして、係数αと係数βとの合計がアシスト率となるように調整する。

このように、電動アシストを付加した場合であっても、踏み力の周期的変化の半サイクル毎にアシスト率の合計を一定にしながら、モータ出力の最小値を引き上げることにより、自転車出力の最大値と最小値との差を低減することができる。これにより、走行時のギクシャク感を低減して乗り味を向上させると共に、安全性を確保することができる。

以下、仮想踏み力の推移グラフの生成方法を中心に、実施の形態について詳細に説明する。
（実施の形態１）
図１に示すように、自転車のペダルを踏む場合、踏み力は、０から最大値ｘの間を周期的に変化する。一般的に、電動アシスト自転車においては、この踏み力にアシスト率をかけて求めた電動モータの出力を自転車の駆動に付加して自転車出力とすることにより、自転車の駆動力をアシストしている。

本発明の電動アシスト自転車用モータ制御方法においては、走行時のギクシャク感を低減するために、踏み力の最大値を踏み力が最大となる時から所定の時間維持すると共にモータ出力の最小値を引き上げて求めた仮想踏み力から、モータ出力を算出することを特徴とする。

以下、モータ出力の制御方法について図２を用いて概略を説明する。
図２は実施の形態１におけるモータ制御方法を説明する図である。
図２に示すように、踏み力を以下に説明する所定の条件で補正して仮想踏み力を算出し、仮想踏み力に一定のアシスト率をかけてモータ出力する。まず、停止状態等の踏み力が最小値である状態からペダルを踏み込んでいくと、踏み力が最大値ｘとなる時間Ａまでの間は、踏み力を仮想踏み力とし、仮想踏み力に比例してモータ出力が大きくなっていき、Ａにおけるモータ出力はｘ１になる。その後、踏み力はｘから小さくなっていくが、本発明では、踏み力がｘから小さくなったとしても、所定の時間ｔ_{＿ｈｏｌｄ}の間、仮想踏み力をｘに維持してモータ出力をｘ１で維持する。そして、所定の時間ｔ_{＿ｈｏｌｄ}経過後、所定の傾きで時間に比例して低化させた直線を用いて仮想踏み力を算出し、仮想踏み力からモータ出力を算出する。その後踏み力が上昇に転じ、一定の傾きで低化させた仮想踏み力を超える場合には、再び仮想踏み力を踏み力と一致させる。そして、求めた仮想踏み力からモータ出力を算出する。このように、踏み力の上昇過程から最大値までは仮想踏み力を踏み力と一致させ、踏み力が低化していく過程では、踏み力を補正して最小値を引き上げた仮想踏み力を算出する。そして、このように定めた仮想踏み力に所定の比率αをかけることによりモータ出力を算出している。このため、モータ出力の最大値を変化させずに最小値を引き上げすることができ、踏み力とモータ出力を合わせた自転車出力の最大値と最小値との差を低減することができる。これにより、走行時のギクシャク感を低減して乗り味を向上させると共に、安全性を確保することができる。

ここで、モータ出力の算出に用いる仮想踏み力は、半サイクル中の仮想踏み力の総和が半サイクル中の踏み力の総和に一定の係数βをかけた値となるように定める。つまり、仮想踏み力が低化する際の傾きをあらかじめ定めることにより、半サイクル中の仮想踏み力を表すグラフの面積が半サイクル中の踏み力を表すグラフの面積に係数βをかけた値になるように所定の時間ｔ_{＿ｈｏｌｄ}を求めることができる。

次に、図３，図４を用いて仮想踏み力算出の具体的な例を説明する。
図３は本発明の仮想踏み力を算出する方法を例示する図、図３は本発明の仮想踏み力を算出する方法を例示するフロー図である。

図３，図４に示すように、まず、ペダルの踏み力を連続的に、または任意の時間ごとに測定して踏み力の最大値Ｔ_ｍａｘを検出する（ステップ１）。そして、踏み初め等の踏み力Ｔが最小値である状態から踏み力が最大となる時間Ａまでの間は仮想踏み力Ｔｖを踏み力Ｔと一致させる（ステップ２）。踏み力の最大値Ｔ_ｍａｘを検出するためには、測定中の踏み力の最大値を更新していき、所定時間最大値が更新されなかった時の踏み力の値を踏み力の最大値Ｔ_ｍａｘとし、その時の時間をＡとすればよい。次に、時間Ａを超えて、例えば上述のような方法で求めた時間ｔ_{＿ｈｏｌｄ}の間、つまり、図３の時間ＡからＨまでの間、仮想踏み力ＴｖをＴ_ｍａｘに維持する（ステップ３，４）。

次に、時間Ｈにおける仮想踏み力から、あらかじめ定めた傾きがａである仮想的な踏み力の直線Ｔ_ｄｅｃを定義する。そして、時間Ｈ以降は、この直線Ｔ_ｄｅｃを用いて仮想踏み力Ｔｖを算出する。

時間Ｈ以降において、直線Ｔ_ｄｅｃと踏み力Ｔとの和を求め（ステップ５）、和が最大値Ｔ_ｍａｘより大きい間は仮想踏み力ＴｖをＴ_ｍａｘとし（ステップ６）、和が最大値Ｔ_ｍａｘより小さくなると仮想踏み力ＴｖをＴ_ｄｅｃ＋Ｔする（ステップ７）。その後、Ｔ_ｄｅｃが０になった後は、再び踏み力Ｔを仮想踏み力Ｔｖとし、以降、踏み力の最大値Ｔ_ｍａｘの検出からＴｖの算出を繰り返す。

このように求めた仮想踏み力Ｔｖに対して、一定の係数αをかけてモータ出力を算出し、踏み力Ｔにモータ出力を加えて自転車出力として自転車を駆動する。
以上のように、踏み力Ｔが０になる場合であっても、少なくとも仮想踏み力ＴｖがＴ_ｄｅｃ以上を確保することができる仮想踏み力Ｔｖを用いてモータ出力を算出し、踏み力Ｔとモータ出力とを合算してその時点の自転車出力として自転車を走行させることができる。モータ出力の最小値を引き上げることにより、自転車出力の最小値を引き上げることができるため、踏み力より求めた駆動力の振幅を小さくすることができ、ギクシャク感を低減することができる。これにより、走行時のギクシャク感を低減して乗り味を向上させると共に、安全性を確保することができる。

さらに、各工程の詳細な実施例を説明する。
まず、図３を用いて、時間ｔ_{＿ｈｏｌｄ}の算出方法の例を詳細に説明する。
図３に示すように、まず、踏み力Ｔが上昇を始めてから踏み力Ｔが最大値Ｔ_ｍａｘとなる時間Ａまでの踏み力Ｔを表すグラフの面積Ｓ１を算出する。次に、時間Ａから最大値Ｔ_ｍａｘを時間ｔ_{＿ｈｏｌｄ}維持し、その後、あらかじめ定めた傾きａで低化する直線Ｔ_ｄｅｃを定義する。そして、最大値Ｔ_ｍａｘを維持した直線と直線Ｔ_ｄｅｃと踏み力Ｔを表すグラフとで囲まれた領域の面積Ｓ２が面積Ｓ１のβ’倍となるように時間ｔ_{＿ｈｏｌｄ}を算出する。ここで、β’はその後算出する半サイクル中の仮踏み力Ｔｖを表すグラフの面積が半サイクル中の踏み力Ｔを表すグラフの面積に係数βをかけた値になるように経験的に求めた値を用いる。また、係数αと係数βと係数β’を用いて仮踏み力Ｔｖおよびモータ出力を算出することにより、踏み力Ｔに所定のアシスト率をかけたモータ出力を算出している。例えば、α＝１．４，β＝１．４，β’＝０．８とすることにより、アシスト率をおよそ２とすることができる。

次に、傾きａについて説明する。直線Ｔ_ｄｅｃの傾きａは、任意の傾きをあらかじめ定めて用いても良いが、人間工学に基づいて、乗車者が快適に感じる乗り味を出すために経験的に求めた傾きを用いることが好ましい。このような傾きは車速によっても左右されるが、例えば、１０〜２０ｋｍ／ｓにおいては、８０〜１２０ｋｇ／ｓが好ましく、１００ｋｇ／ｓ程度に定めることができる。

さらに、上記説明では直線Ｔ_ｄｅｃが０になった時点で仮想踏み力Ｔｖが踏み力Ｔと一致するような仮想踏み力Ｔｖの算出方法を説明したが、仮想踏み力Ｔｖを踏み力Ｔとする切替え部分におけるギクシャク感を低減するために、この切替え部分において、より詳細な制御を行うことも可能である。以下、この部分の制御例を、図５，図６を用いて説明する。

図５は本発明の踏み力が０になる近傍の仮想踏み力を算出する方法を例示する図、図６は本発明の踏み力が０になる近傍の仮想踏み力を算出する方法を例示するフロー図である。

まず、直線Ｔ_ｄｅｃが踏み力Ｔより大きい間の制御は、上述の図４を用いた説明と同様の仮想踏み力Ｔｖの算出を行う（図４のステップ５〜７）。その後、直線Ｔ_ｄｅｃが踏み力Ｔより小さくなると（ステップ８）、踏み力ＴとＴ_ｄｅｃを２倍した値を比較し（ステップ９）、踏み力Ｔの方が小さければＴｖ＝２×Ｔ_ｄｅｃとし（ステップ１０）、踏み力Ｔの方が大きければＴｖ＝Ｔとする（ステップ１１）。このように仮想踏み力Ｔｖを求めることにより、踏み力Ｔが０になる近傍であっても、仮想踏み力Ｔｖを踏み力Ｔとする切替え部分におけるギクシャク感を低減することができる。
（実施の形態２）
実施の形態１においては、仮想踏み力Ｔｖを求める際に、面積Ｓ１と面積Ｓ２の面積比がＳ１：Ｓ２＝１：０．８となるようにモータ出力の維持時間ｔ_{＿ｈｏｌｄ}を算出したが、走行開始直後や車速を細かく制御している場合等の走行が安定していない状況では、面積比をより小さくし、Ｓ１：Ｓ２＝１：０．５程度に制御することが好ましい。面積比を小さくすることにより維持時間ｔ_{＿ｈｏｌｄ}が小さくなる。そのため、踏み力を弱めた時のモータ出力の低化が早くなり、ペダルの踏み力に対するレスポンスが向上し、車速の細かい制御を容易に行うことが可能となる。

例えば、走行開始時には、実施の形態１と同様に、踏み力Ｔが最大と成るＡまでの間は踏み力Ｔを仮想踏み力Ｔｖとする。その後、時間ｔ_{＿ｈｏｌｄ２}の間踏み力の最大値Ｔ_ｍａｘを維持する。

以下、本実施の形態における時間ｔ_{＿ｈｏｌｄ２}の算出例について図３を用いて説明する。
実施の形態１と同様に、まず、踏み力Ｔが上昇を始めてから踏み力Ｔが最大値Ｔ_ｍａｘとなる時間Ａまでの踏み力Ｔを表すグラフの面積Ｓ１を算出する。次に、時間Ａから最大値Ｔ_ｍａｘを時間ｔ_{＿ｈｏｌｄ２}維持し、その後、あらかじめ定めた傾きａで低化する直線Ｔ_ｄｅｃを定義する。そして、最大値Ｔ_ｍａｘを維持した直線と直線Ｔ_ｄｅｃと踏み力Ｔを表すグラフとで囲まれた領域の面積Ｓ２が面積Ｓ１のβ”倍となるように時間ｔ_{＿ｈｏｌｄ２}を算出する。ここで、β”はβ’よりも小さい値とし、例えば、β’が０．８であればβ”を０．５程度とする。以後、実施の形態１と同様に仮想踏み力Ｔｖを算出する。そして、仮想踏み力Ｔｖからモータ出力を算出し、踏み力Ｔｖとモータ出力とを合わせて自転車出力とする。

以上の説明では走行開始時の制御方法を例に説明したが、その他、走行が安定していない状況でも実施の形態２を実施することが好ましい。このような状況を判断する手段として、速度が０の状態から一定時間や、ペダルの回転数，車速の変化率を用いることにより、自動的に走行が安定していない状況を判断して実施の形態２を実施することができる。

例えば、速度０の状態から３秒間は実施の形態２の制御を行い、その後は実施の形態１の制御に切り替えることができる。また、ペダルの回転数や車速をモニターし、変化率が一定値以上になった場合に実施の形態１の制御から実施の形態２の制御に切り替えても良い。さらに、これらの車速や回転数、あるいは車速の変化率を用いた切り替えを組み合わせて実施することもできる。

以上のように、実施の形態１と同様にギクシャク感を低減させながら、細かい速度制御を要する状況では、仮想踏み力Ｔｖの最大値維持時間を短縮することにより、ペダルの踏み力に対するレスポンスを向上させ、車速の細かい制御を容易に行うことが可能となる。これにより、走行時のギクシャク感を低減して乗り味を向上させると共に、高い安全性を確保することができる。

本発明は、電動アシストを付加した場合であっても、自転車出力の振幅を低減することができ、電動モータにより自転車の出力をアシストする電動アシスト自転車用モータ制御方法等に有用である。

Claims

ペダルの踏み力の時間的推移を測定すると共に前記踏み力の最大値を検出する踏み力測定工程と、
最小値が前記踏み力の最小値より大きくなる仮想踏み力を前記踏み力から算出する仮想踏み力算出工程と、
前記仮想踏み力に第２の係数をかけてモータ出力を算出するモータ出力算出工程と、
前記踏み力と前記モータ出力とを合わせた自転車出力を自転車の駆動力として算出する自転車出力算出工程と
を有し、前記仮想踏み力の増加中では前記踏み力が最大値となるまでは前記踏み力と前記仮想踏み力を一致させると共に、前記ペダルの半回転中において、前記仮想踏み力の総和が前記踏み力の総和に対して１より大きい第１の係数をかけた量となり、前記第１の係数と前記第２の係数を合わせてアシスト率となることを特徴とする電動アシスト自転車用モータ制御方法。
前記仮想踏み力算出工程が、
前記踏み力の最大値までは前記踏み力を前記仮想踏み力とする第１の工程と、
前記仮想踏み力として所定の維持時間前記踏み力の最大値を維持する第２の工程と、
前記踏み力の最大値を維持した後に前記踏み力を一定の割合で減少させる仮想直線を想定する第３の工程と、
時間毎に前記踏み力と前記仮想直線の値を加算して加算値を算出する第４の工程と、
前記加算値が前記踏み力の最大値を超える時間では前記踏み力の最大値を前記仮想踏み力とし、前記加算値が前記踏み力より小さい時間では前記踏み力を前記仮想踏み力とし、前記加算値が前記踏み力の最大値と前記踏み力の間となる時間では前記加算値を前記仮想踏み力とする第５の工程と
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用モータ制御方法。
前記第４の工程において、
前記踏み力が前記仮想直線より大きくなる時間から前記踏み力が前記加算値より大きくなる時間までの間に関しては、前記仮想踏み力を前記仮想直線の２倍と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用モータ制御方法。
前記維持時間を求める際に、
前記踏み力の増加開始から前記踏み力の最大値を検出するまでの前記踏み力の総和を第１の面積として算出する工程と、
前記踏み力の最大値を維持した部分の前記仮想踏み力，前記仮想直線および前記踏み力とで囲まれた第２の面積が前記第１の面積に第３の係数をかけた面積となるように前記維持時間を求める工程と
を有することを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の電動アシスト自転車用モータ制御方法。
前記第１の係数が１．４、前記第２の係数が１．４であることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の電動アシスト自転車用モータ制御方法。
前記第１の係数が１．４、前記第２の係数が１．４、前記第３の係数が０．８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用モータ制御方法。
前記第１の係数が１．４、前記第２の係数が１．４、前記第３の係数が０．５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用モータ制御方法。
車速を細かく制御する走行状況では、前記第３の係数を０．５とすることを特徴とする請求項６記載の電動アシスト自転車用モータ制御方法。
前記車速を細かく制御する走行状況の判断を、車速，ペダルの回転数または車速の変化率があらかじめ定めた範囲内であるかどうかにより行うことを特徴とする請求項８記載の電動アシスト自転車用モータ制御方法。