JP2013110899A - 補助電源の付いた電動モータ制御機構 - Google Patents

Abstract

【課題】
電動二輪車では、モータを大トルクかつ高回転数を得られるものにすると、モータの重量が増し、一定の蓄電池の容量では走行距離が低下してしまう。走行距離を増す為に蓄電池の容量を増やすと、重量が増し走行性能の低下を招いてしまう。電動芝刈り機では、長時間の作業性を向上させるため、小型のモータを選定すると、芝の状態により必要トルクが得られず回転の低下や停止に陥り作業が出来なくなり、大トルクのモータにすると、一定の作業時間確保のために大容量の蓄電池を必要とし作業性が悪くなってしまう。これらの相反する条件を両立させる事は従来の技術だけでは困難であった。
【解決手段】
従来のモータ使用機構に、トルクが不足した場合にのみ動作するＤＣ−ＤＣコンバータを追加することで、モータと蓄電池を、使用機器の性能に対し必要以上に上げることなく、なおかつ急加速時や急負荷時にも、必要とされる回転数やトルクを確保できる。
【選択図】図３

Description

本考案は、主に、電動モータ（以下、モータ）を制御するための機構部に関するものである。

従来のモータ制御機構は、充電装置により電気を蓄えられた蓄電池の電力を、アクセル開度検出回路（機構・インターフェース）からの値を、速度制御回路において適正な出力値に変換し、その値に基づく電力を電源制御部とモータ駆動制御部（以下、モータドライバ）がモータに配分する。

モータ自体の回転位置（回転角・位相）、回転数（角速度）などの検出は、それぞれを検出可能な機構や回路により得ることができるが、モータの種類によっては、その検出が不要な場合や、回転数を高精度に制御する必要のない場合は、回転位置と回転数を検出する機構および回路は省かれる。

一般に蓄電池を電源として、モータを動力とする機器は、蓄電池からモータドライバを介してモータに供給される電圧・電流値で、モータから引き出せる出力は決まってしまう。なお、蓄電池が供給する電圧と、モータが必要とする電圧が異なる場合は、ＤＣ−ＤＣコンバータを組み合わせる場合があり、そのとき、モータに供給できる電圧は、蓄電池とＤＣ−ＤＣコンバータの定常的に供給可能な最大値で決定される。

モータを使用する機器では、たとえば、電動の二輪車や四輪車で急加速の操作を行うと、モータ負荷が最大となり、その負荷に対応可能な蓄電池とＤＣ−ＤＣコンバータを備える必要がある。

蓄電池の電圧と容量は、電動二輪車場合などでは、急加速や急登坂を伴わない、負荷変動が比較的少ない一般走行で必要とされる動力と、走行可能距離（作動時間）との兼ね合いで決まり、電動芝刈り機などの電動作業機器の場合は、作業時間と芝刈りに必要なモータトルクの兼ね合いで決まる。

図１に示すモータ制御機構において車両の速度制御を行う場合、図４に示す直線（蓄電池電圧のみで駆動できるモータ制御範囲）、Ｘ軸（回転速度ｎ）およびＹ軸（トルクｔ）で囲まれた範囲において、モータ制御が可能である。

図４の点Ａは停止状態、点Ｂ、Ｃ、Ｄはアクセルを操作して一定速度（定常状態）でモータトルクと走行負荷がバランスした状態を示す。モータ回転数（車速）の低い領域である、点Ａから点Ｂへ移行する場合、アクセル操作によりモータトルクは点Ａ１から点Ｂ１へと大きなモータトルクにより、大きな加速度が得られる。しかし、モータ回転数（車速）の高い領域である点Ｃから点Ｄへの加速はモータトルクが点Ｃ１から点Ｄ１へと駆動できる制御範囲に制限され、加速度が小さくなってしまう。

この特性をガソリンエンジンと比較すると、点Ａ、点Ｂ付近の低中回転域（低中速度域）ではトルクが一定であるが、点Ｃから点Ｄの高回転域（高速度域）においては加速のために得られるトルクが小さくなり、中高回転域でトルクが最大になるガソリンエンジンと比較すると、運転者（操作者）に性能の不足を感じさせてしまう。

電動機器のシステムとして、一旦、蓄電池容量とモータ性能を決定した後でシステムの仕様変更の要求があった場合、たとえば、蓄電池は変更せず、モータをより動力性能の高い仕様に変更すると、モータは重くなり、走行抵抗の増大による走行距離の低下を招く。また、モータ仕様を変えずに、蓄電池の電力供給能力を上げた場合でも、同様に重量増による走行距離の低下を誘引する場合もあり、さらに、後者の場合は、モータへの電力過供給によるモータ焼損の可能性もある。

このため、動力性能を向上させる駆動能力の大きいモータには、モータ駆動能力に見合った容量の蓄電池にしないと、走行性能（作業性能）向上と、充電一回あたりの走行距離（作業時間）を確保できない。

芝刈り機のブレードの動力として、操作性や取廻し性に優れ、かつ長時間の運転（作業）が可能な小型のモータを選択した場合、芝目が多い場所や硬い雑草が混在している場所などでは、ブレードを回転させる必要トルクが足りずに、モータが停止してしまう場合がある。また、トルクの大きなモータを選択すると、一定の作業時間の確保のために大きな蓄電池が必要となり、操作性や取廻し性が悪くなる。

定常負荷と走行距離（作業時間）を考慮した蓄電池の容量で、モータ性能を決めた場合、電動二輪車ではモータ高回転域での加速性能、電動芝刈り機等では瞬間的な過負荷への対応が困難であることが、現状の電動装置の課題であった。そのため、性能重視で機器を選ぶと、大型モータ、大型蓄電池の機器を選ばざるを得なかった。

従来のモータ使用機構に、トルクが不足した場合にのみ動作するＤＣ−ＤＣコンバータを追加することで、モータと蓄電池の性能を通常の走行性能に見合ったままとし、大きなトルクを必要とする加速時や、負荷が急激に増大し回転数が低下しかけた時のみ、このＤＣ−ＤＣコンバータを作動させ、蓄電池の電圧にＤＣ−ＤＣコンバータ電圧を加算しモータに大きな電圧を供給し、加速時のトルクや一時的な負荷の増加に伴う回転数を確保する。

稼働時間内で必要性能を維持した動作が可能な容量の蓄電池・定常負荷に対し、見合った性能のモータを選定したシステムでも、モータの回転数やトルクを急激に変化させる時の一時的なトルク不足を解消し、使い勝手の良いシステムの提供が可能となる。
尚、低負荷や一定のトルクで作動する際に供給する電圧は、モータを作動させる時の連続定格領域の電圧・電力であるが、ＤＣ−ＤＣコンバータ電圧が加算された状態でのモータ性能は、短時間定格の枠内での使用に限定することで、モータの劣化を心配することなく使用することが可能となる。

電動二輪車等では高速時の加速性能低下を補い、電動芝刈り機等では、一部雑草の多い所に遭遇した場合も、モータの短期間定格領域特性での大きなトルクで作業を継続させ脱出してしまうといった使用法が可能となる。

電動二輪車用の一般的な構成図 電動芝刈り機の一般的な構成図 急負荷時にモータの出力を補助する機構を備えた電動二輪車用の構成図 モータのトルク回転数特性を図に表したものである。 補助電源付き電動二輪車の動作をフローチャートで表した図である。 補助電源付き電動芝刈り機の動作をフローチャート表した図である。

本実施例は、電動二輪車を駆動するモータ１１２の電力源として、蓄電池１０２と、一時的な電力不足を補う電源として追加された、ＤＣ−ＤＣコンバータ３０１を用いたものである。
一般的な電動二輪車に用いられる、基本的な構成を図１に、本発明の構成を図３に示す。互いに同一、または類似の部分には同じ符号を付してある。

電源部を構成する要素として、従来の蓄電池１０２に加え、補助電源用として動作するＤＣ−ＤＣコンバータ３０１が加わる。このＤＣ−ＤＣコンバータ３０１への電源供給源は、蓄電池１０２であり、ＤＣ−ＤＣコンバータ３０１の出力電圧は、蓄電池１０２電圧と合算した状態でモータドライバ１０８に供給され、モータ１１２の駆動電源となっている。

また、充電装置１０１は蓄電池１０２を充電する為に必要であり、通常の走行中など作動時は外されているが、説明上の観点から取り付けられており、蓄電池１０２および他の構成部品とは切り離された状態を基にしている。

蓄電池１０２の電力は、モータドライバ１０８に電源を供給する電源制御装置１０５と、速度制御を行う機器に電力を供給する為の回路・センサ用電源供給部１０６へと供給しており、これには一般的に定電圧装置が用いられる。

回路・センサ用電源供給部１０６は、速度制御装置１０９および、微分フィル多機能の動作に必要な一定の電力を供給するものであるが、蓄電池１０２がどの程度充電されているかを推定表示する為の、図示しない蓄電池電圧信号なども含まれるものとする。

電源制御装置１０５は、電源の投入・切断用の主電源スイッチと、短絡時などの異常時に各機器を停止するヒューズなどで構成され、さらに、モータ１１２が減速するときの発電量を蓄電池１０２に戻す回生制御が出来る物や、蓄電池１０２の電圧を昇圧しモータドライバに適正電圧を供給するＤＣ−ＤＣコンバータ（３０１とは別）など、構成に応じた機能が追加された、モータドライバ１０８に適正な電力・電圧を供給する為の物である。

動力を発生するモータ１１２は、ブラシ付きＤＣモータの場合や、ブラシレスモータの場合もあるが、一般的に電動二輪車では、ブラシレスモータを利用する為、モータドライバ１０８は回転位置検出部１１０を持ち、速度制御装置１０９からの速度指令信号に従いモータ１１２に電力を供給する。

アクセル１０３は、使用者が意図した速度となるように速度指示を与えるもので、アクセル操作量をアクセル開度検出回路１０７で信号に変換された物を取り出し、速度制御装置１０９へ送られる。

速度制御装置１０９は、アクセル開度検出回路１０７で検出された信号が読み込まれ、モータドライバが受け取る信号の整合性を図る物である。また、回転検出装置１１１は、モータの回転状況を検出し、電動二輪車の速度上限制御や速度計への速度表示などの信号を、速度制御装置１０９へ送る役割を果たしている。

通常の一定速度での動作は、アクセル開度検出回路１０７からの信号に従ったモータ回転で一定走行するが、速度を増減する場合は、アクセル開度検出回路１０７の信号レベルの変化量に応じたモータトルク変動に従い、速さが変化する。目的速度に近づいた時点で、一定走行に適したアクセル量に戻し、新たな速度での走行状態に移る事になる。

ＤＣ−ＤＣコンバータ３０１の作動判断自体は、
まず、急加速や登板の時に、使用者によるアクセル１０３の操作があり、アクセル開度検出回路１０７で開度に応じた信号に変換される。
次に、アクセル開度指令を取り込む速度制御装置１０９に追加した微分フィルタ機能３０２が操作変化に応じた信号の変化を微分量として取り出す。
その後、微分量の変化を基に、蓄電池１０２からの電力の上限を、モータ１１２が必要とする電力が上回ると判断した時に、速度制御装置１０９から、急加速指令が出され、速度制御装置１０９に追加された起動命令装置３０３がＤＣ−ＤＣコンバータ３０１に対し起動命令を行う。
モータ１１２を短時間定格の枠内で動作させることで、加速性能を蓄電池１０２のみの電力で動作させる場合に対し、ＤＣ−ＤＣコンバータ３０１の動力を足す事で補っている。

モータのトルク回転数特性を表した図４では、一定速度での走行時であるＣ点から、アクセル１０３を操作し加速したＤ点の状態に移行するのに、Ｃ点−Ｄ点間の実線で示されたように蓄電池電圧のみのトルク範囲を超えないように、緩やかに時間をかけて回転速度を上げていくのではなく、Ｃ点−Ｄ点間の破線で示されたように蓄電池電圧にＤＣ−ＤＣコンバータ電圧供給を加算したトルク領域を使用することで、回転速度を急速に上げることが可能となる。低回転でのＡ点−Ｂ点間の状態移行も同じ用に動作するが、モータトルクは低回転域では比較的大きく、効果的に働くのは高回転域となる。但し、坂道発進などで、この領域でもＤＣ−ＤＣコンバータを働かせることで、低回転域のトルク不足を補う事も可能である。

次に、補助電源付きの電動二輪車を駆動させるために行う処理について、図５のフローチャートを基に説明する。

Ｓ４０１において使用者が電動二輪車の電源を入れると同時にＤＣ−ＤＣコンバータ３０１が待機状態になる。走行を開始しＳ４０２において低速域での一定速度の走行など、低負荷状態での通常動作が始まる。さらに動作を継続するかはＳ４０３で使用者が走行を継続させるかの判断をするが、ここでは動作を継続させる。

Ｓ４０４において使用者がアクセル操作を行い加速やトルクの増加があった場合、アクセル１０３の信号の変化をＳ４０５で微分フィルタ機能３０２を通し微分量として取り出す。この時、微分量が小さく、蓄電池１０２の電力のみで、動作に支障がない場合は、Ｓ４０２の通常動作を継続して行う。一方、微分量が大きく、蓄電池１０２の電力のみでは、不足する場合に起動命令が出されＳ４０６の段階にすすみ、Ｓ４０７でＤＣ−ＤＣコンバータ３０１が起動する。

ＤＣ−ＤＣコンバータ３０１が動作し、モータトルクが増加した状態で動作している状態がＳ４０８の段階である。

負荷の減少あるいは一定速度での走行になると、微分量が小さくなり、蓄電池１０２の電力のみで動作が可能となるＳ４０９の状態になると、ＤＣ−ＤＣコンバータ３０１が待機状態となり、Ｓ４０２の通常動作に戻る。

使用者が動作を停止させたい時は、通常動作時のＳ４０３で、電源スイッチなどを操作し、電源を切る。尚、図５のフローチャートの中では、通常動作時に電源スイッチを切るようになっているが、動作状況に左右されずに、どの段階でも電源を切ることは可能である。

図２の様に負荷変動に対しても安定した回転を要求する機器に対しては、微分フィルタ機能３０２に回転検出部１１１の信号を供給し、ＤＣ−ＤＣコンバータ３０１を駆動、瞬時的な回転信号の負荷による変動を検出し、モータトルクを増加させる事により、負荷の一時的増加に対し安定した回転を得られる。これは電動芝刈り機の場合では、草が通常より密集した部分を刈り取ろうとしたと時などに、回転数の低下を防ぐことが出来る。

また、図４のＥ点で一定の高い速度で作動する機器においては、一時的な負荷の増加によりＦ点になった場合、蓄電池１０２の電圧トルクが足りなくなり回転速度の低下により負荷がさらに増し、回転が停止してしまう状況に陥ることがある。このような状況を未然に防ぐために、蓄電池１０２の電圧にＤＣ−ＤＣコンバータ３０１の電圧を加算したトルク領域を使うことで、回転の停止を招くような状態を、回転速度を落とす事無く、脱却し作業を続けることが可能である。この様な状態は電動芝刈り機の刈り取りブレード等でありえる状態であり、微分フィルタ機能３０２が回転の急激な低下を起こしそうな回転変化を検出することで対応する。

補助電源付き電動芝刈り機の場合では、補助電源付き電動二輪車に対し、図３の、アクセル１０３がブレード動作スイッチ２０３に、ブレーキスイッチ１０４が停止スイッチ２０４になる。また、アクセル開度検出回路１０７の代わりとして、刈り取りブレードを動作させるための操作スイッチ入力検出回路２０７に変更される。その他大部分についての構成は、ほぼ同様なものとなる。動作順序は図６のようになり、Ｓ５０４からＳ５１０の間が、本発明に該当する部分である。

この様に、通常の一定または負荷の変化が少ない状態でのモータ駆動は、供給電源の蓄電池１０２との組み合わせで連続特性の枠を利用する機器に、一時的に供給電圧を追加できるＤＣ−ＤＣコンバータ３０１を追加し、早期の状態移行や、突発負荷に対しての回転維持にはモータ１１２の短時間定格特性を使う事で、機器の使い勝手を向上させるものである。

ＤＣ−ＤＣコンバータ３０１は常に電力をモータドライバ１０８に供給しているわけではないので待機状態にある時は、発熱と消費電力を極めて小さく抑えることが出来るため、過度の放熱性を施す必要がなく、蓄電池１０２での動作時間を大幅に伸ばすことが可能になる。
以上、実施形態に基づいて説明したが、上述の実施例に限定されるものではない。

１０１ 充電装置
１０２ 蓄電池
１０３ アクセル
１０４ ブレーキスイッチ
１０５ 電源制御装置
１０６ 回路・センサ用電源供給部
１０７ アクセル開度検出回路
１０８ モータドライバ
１０９ 速度制御装置
１１０ 回転位置検出部
１１１ 回転検出装置
１１２ モータ
２０３ ブレード動作スイッチ
２０４ 停止スイッチ
２０７ 動作スイッチ入力検出回路
３０１ ＤＣ−ＤＣコンバータ
３０２ 微分フィルタ機能
３０３ 起動命令装置

Claims (7)

1. 少なくともモータドライバと速度制御装置等から成る電子制御部を有する電動モータの回転制御機構において、電子制御部に供給される電源と同一の電源から電力の供給を受けるＤＣ−ＤＣコンバータと、当該電子制御部の電源に当該ＤＣ−ＤＣコンバータの出力を加算する手段を有し、前記速度制御装置内の監視機構が、前記電子制御部に供給される電源のみで前記電動モータを制御可能な範囲を超える状態を検出した時に、前記速度制御装置は前記ＤＣ−ＤＣコンバータを作動させ、前記速度制御装置の電源と前記ＤＣ−ＤＣコンバータ出力の合算電圧で前記電動モータの速度を制御する事を特徴とする補助電源の付いた電動モータ制御機構。
   
2. 前記監視機構は、前記電動モータの回転速度を一定に保った状態で継続使用される機器に使用され、電動モータの速度変化を監視する機能を有する回転監視装置である事を特徴とする請求項１記載の補助電源の付いた電動モータ制御機構。
   
3. 前記監視機構は、前記電動モータを速度指示手段により可変させる機器において、前記速度変更指示手段の速度指示信号を監視する機能を有する速度指示信号監視装置である事を特徴とする請求項１記載の補助電源の付いた電動モータ制御機構。
   
4. 前記速度指示手段は、アクセルとアクセル開度検出回路から成り、前記アクセルの操作量を前記アクセル開度検出回路が検出する事を特徴とする請求項１、３記載の補助電源の付いた電動モータ制御機構。
   
5. 前記監視機構は微分フィルタ機能を有し、前記電動モータの速度変化又は、前記速度指示信号の変化を微分量として取り出し、前記電動モータが必要とする電力が、前記電源の電力を上回る量である場合に、前記ＤＣ−ＤＣコンバータを起動状態にする事を特徴とした請求項２〜４記載の補助電源の付いた電動モータ制御機構。
   
6. 前記ＤＣ−ＤＣコンバータの発生電圧は、前記微分量の変化に比例した可変電圧で前記電動モータを駆動させる事で、可変制御が可能なことを特徴とする、請求項１〜５記載の補助電源の付いた電動モータ制御機構。
   
7. 前記ＤＣ−ＤＣコンバータが待機状態にある時は、完全な停止状態にするのではなく、前記ＤＣ−ＤＣコンバータが動作状態を維持する事が可能な最小限の電力で継続動作させておくことで、動作指令の発生時に、動作時の状態に迅速に移行する事を特徴とした、請求項１〜６記載の補助電源の付いた電動モータ制御機構。

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