JP2015020482A - モータ駆動制御装置及び電動アシスト車 - Google Patents

モータ駆動制御装置及び電動アシスト車 Download PDF

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Abstract

【課題】適切なタイミングで省電力化する。
【解決手段】本モータ駆動制御装置は、(A)モータの駆動を制御する制御部と、(B)ペダル入力トルクが、ペダル回転速度に応じて設定される閾値を超えるか否かを判断し、ペダル入力トルクが閾値以下であれば、制御部にモータの駆動を抑制させる指示を行う指示部とを有する。好ましくは、ペダル回転速度が小さい場合に小さな閾値を用い、ペダル回転速度が大きい場合に大きな閾値を用いる。
【選択図】図1

Description

本発明は、電動アシスト車におけるモータ駆動制御技術に関する。
電動アシスト自転車などの電動モータは、1回の充電で可能な限り走行距離を伸ばすことを求められる。このため、微小な入力トルクの場合、モータ駆動を行わない制御を行うと効果的である。従って、固定の閾値を設け、固定の閾値より小さいトルク入力が一定時間以上継続する場合には、モータ駆動を停止する技術が存在する。
しかしながら、このような技術を単純に採用すると、発進時や坂道の登坂時など駆動力を求められる時であっても、ペダル操作のリップルによっては、トルク入力が少なくなってしまう時間にモータ駆動がオフになるといった現象が生じてしまい、駆動力不足になってしまう。これに対して固定の閾値に小さな値を採用することでこのような現象を回避できるが、モータ駆動が停止する時間が減少することになる。
特開平8−230751号公報
従って、本発明の目的は、一側面によれば、適切なタイミングで省電力化できるようにするための技術を提供することである。
本発明に係るモータ駆動制御装置は、(A)モータの駆動を制御する制御部と、(B)ペダル入力トルクが、ペダル回転速度に応じて設定される閾値を超えるか否かを判断し、ペダル入力トルクが閾値以下であれば、制御部にモータの駆動を抑制させる指示を行う指示部とを有する。
このように、ペダル回転速度に現れる運転状況に応じた適切な閾値を設定すれば、適切なタイミングでモータ駆動を抑制でき、省電力化が図られるようになる。例えば、ペダル回転速度が小さい場合に小さな閾値を用いれば、ペダル回転速度が小さくてもモータによるアシストがある方が好ましい場合にはモータ駆動を抑制させる機会が少なくなる。また、ペダル回転速度が大きい場合に大きな閾値を用いれば、ある程度の車速が出ている場合にモータ駆動抑制の頻度が高くなって省電力が図られる。
なお、上記モータの駆動を抑制させる指示が、モータの駆動を停止させる指示である場合もある。これによって、より省電力化が図られる。
また、上で述べた指示部は、ペダル入力トルクが閾値を超える場合には、当該閾値以上の所定範囲において、ゼロより大きく且つペダル入力トルク以下のトルクに基づきモータの駆動を行うように制御部に指示を行うようにしても良い。ペダル入力トルクが閾値をまたいで変動する際に与えるショックを抑えることができるようになる。
さらに、上で述べた指示部は、ペダル回転速度が第1の値未満であれば第1の閾値を用い、ペダル回転速度が第2の値より大きいならば第1の閾値より大きい第2の閾値を用い、ペダル回転速度が第1の値以上で第2の値以下であれば、ペダル回転速度と第1の値との差に応じた、第1の閾値と第2の閾値との間の第3の閾値を用いるようにしても良い。これによって適切な閾値設定ができるようになる。
また、上で述べた指示部は、ペダル入力トルクが閾値を超える場合には、ペダル入力トルクと閾値との差に比例した、ペダル入力トルク以下のトルクに基づきモータの駆動を行うように制御部に指示を行うようにしても良い。このようにすれば、自然な形で変化するトルク入力に応じたモータ駆動が可能になる。
なお、上で述べたような処理をマイクロプロセッサに実施させるためのプログラムを作成することができ、当該プログラムは、例えばフレキシブル・ディスク、CD−ROMなどの光ディスク、光磁気ディスク、半導体メモリ(例えばROM)、ハードディスク等のコンピュータ読み取り可能な記憶媒体又は記憶装置に格納される。なお、処理途中のデータについては、RAM(Random Access Memory)等の記憶装置に一時保管される。
一側面によれば、適切なタイミングで省電力化が図られるようになる。
図1は、モータ付き自転車の外観を示す図である。 図2は、モータ駆動制御器の機能ブロック図である。 図3は、演算部の機能ブロック図である。 図4は、ペダル入力トルクと除去後トルクとの関係の一例を表す図である。 図5は、ペダル入力トルクの閾値設定を表す図である。 図6は、ペダル入力トルクと除去後トルクとの関係の他の例を表す図である。 図7は、指示部の処理内容を示す図である。 図8は、指示部の処理内容を示す図である。 図9は、マイクロプロセッサで実施する場合の機能ブロック図である。
図1は、本実施の形態における電動アシスト車であるモータ付き自転車の一例を示す外観図である。このモータ付き自転車1は、モータ駆動装置を搭載している。モータ駆動装置は、二次電池101と、モータ駆動制御器102と、トルクセンサ103と、ペダル回転センサ104と、モータ105と、操作パネル106とを有する。
二次電池101は、例えば供給最大電圧(満充電時の電圧)が24Vのリチウムイオン二次電池であるが、他種の電池、例えばリチウムイオンポリマー二次電池、ニッケル水素蓄電池などであっても良い。
トルクセンサ103は、クランク軸に取付けられたホイールに設けられており、搭乗者によるペダルの踏力を検出し、この検出結果をモータ駆動制御器102に出力する。また、ペダル回転センサ104は、トルクセンサ103と同様に、クランク軸に取付けられたホイールに設けられており、回転に応じた信号をモータ駆動制御器102に出力する。
モータ105は、例えば周知の三相直流ブラシレスモータであり、例えばモータ付き自転車1の前輪に装着されている。モータ105は、前輪を回転させるとともに、前輪の回転に応じてローターが回転するように、ローターが前輪に連結されている。さらに、モータ105はホール素子等の回転センサを備えてローターの回転情報(すなわちホール信号)をモータ駆動制御器102に出力する。
操作パネル106は、例えばアシストの有無に関する指示入力等をユーザから受け付けて、当該指示入力をモータ駆動制御器102に出力する。また、操作パネル106その他の手段は、変速機の変速比(ギア比とも呼ぶ)を表す信号をモータ駆動制御器102に出力する場合もある。
このようなモータ付き自転車1のモータ駆動制御器102に関連する構成を図2に示す。モータ駆動制御器102は、制御器1020と、FET(Field Effect Transistor)ブリッジ1030とを有する。FETブリッジ1030には、モータ105のU相についてのスイッチングを行うハイサイドFET(Suh)及びローサイドFET(Sul)と、モータ105のV相についてのスイッチングを行うハイサイドFET(Svh)及びローサイドFET(Svl)と、モータ105のW相についてのスイッチングを行うハイサイドFET(Swh)及びローサイドFET(Swl)とを含む。このFETブリッジ1030は、コンプリメンタリ型スイッチングアンプの一部を構成している。
また、制御器1020は、演算部1021と、ペダル回転入力部1022と、車速入力部1024と、可変遅延回路1025と、モータ駆動タイミング生成部1026と、トルク入力部1027と、AD入力部1029とを有する。
演算部1021は、操作パネル106からの入力(例えばオン/オフ等)、車速入力部1024からの入力、ペダル回転入力部1022からの入力、トルク入力部1027からの入力、AD入力部1029からの入力を用いて以下で述べる演算を行って、モータ駆動タイミング生成部1026及び可変遅延回路1025に対して出力を行う。なお、演算部1021は、メモリ10211を有しており、メモリ10211は、演算に用いる各種データ及び処理途中のデータ等を格納する。さらに、演算部1021は、プログラムをプロセッサが実行することによって実現される場合もあり、この場合には当該プログラムがメモリ10211に記録されている場合もある。
車速入力部1024は、モータ105が出力するホール信号から現在車速を算出して、演算部1021に出力する。ペダル回転入力部1022は、ペダル回転センサ104からの、ペダル回転位相角等を表す信号を、ディジタル化して演算部1021に出力する。トルク入力部1027は、トルクセンサ103からの踏力に相当する信号をディジタル化して演算部1021に出力する。AD(Analog-Digital)入力部1029は、二次電池101からの出力電圧をディジタル化して演算部1021に出力する。また、メモリ10211は、演算部1021とは別に設けられる場合もある。
演算部1021は、演算結果として進角値を可変遅延回路1025に出力する。可変遅延回路1025は、演算部1021から受け取った進角値に基づきホール信号の位相を調整してモータ駆動タイミング生成部1026に出力する。演算部1021は、演算結果として例えばPWMのデューティー比に相当するPWM(Pulse Width Modulation)コードをモータ駆動タイミング生成部1026に出力する。モータ駆動タイミング生成部1026は、可変遅延回路1025からの調整後のホール信号と演算部1021からのPWMコードとに基づいて、FETブリッジ1030に含まれる各FETに対するスイッチング信号を生成して出力する。
なお、モータ駆動の基本動作については、国際公開第WO2012/086459号パンフレット等に記載されており、本実施の形態の主要部ではないので、ここでは説明を省略する。
次に、演算部1021の機能ブロック図を図3に示す。演算部1021は、ペダル回転速度算出部1201と、指示部1202と、アシストトルク演算部1203と、PWMコード生成部1204とを有する。アシストトルク演算部1203とPWMコード生成部1204とは、モータ駆動の制御部として動作する。
ペダル回転速度算出部1201は、ペダル回転入力部1022からのペダル回転位相角等のデータから、ペダル回転速度を算出する。なお、ペダル回転速度算出部1201は、ペダル操作のリップルに対処するため、ローパスフィルタ等のフィルタにより平滑化されたペダル回転速度を出力するようにしても良い。
指示部1202は、ペダル回転速度に応じて以下に述べる処理を行うことで停止指示、又はペダル入力トルクに対する低トルク除去処理を行った結果である除去後トルクをアシストトルク演算部1203に出力する。
アシストトルク演算部1203は、指示部1202からの停止指示に応じて、PWMコード生成部1204に対してモータ駆動を停止させる指示を出力する。PWMコード生成部1204は、アシストトルク演算部1203からモータ駆動を停止させる指示を受け付けると、モータ駆動タイミング生成部1026等に対してモータを停止するための信号を出力する。なお、アシストトルク演算部1203が、直接モータを停止させる指示を出力するようにしても良い。
一方、アシストトルク演算部1203は、指示部1202から除去後トルクを受け付けると、例えば除去後トルク及び車速入力部1204からの車速などに基づき所定の演算を行って、PWMのデューティー比に関係するデューティーコードを、PWMコード生成部1204に出力する。このアシストトルク演算部1203の演算については、例えば国際公開WO2012/086458号パンフレット等に詳細に述べられているような演算である。簡単に述べれば、ペダル入力トルクを所定のルールに従ってデューティー比に相当する第1のデューティーコードに変換し、車速を所定のルールに従ってデューティー比に相当する第2のデューティーコードに変換し、第1及び第2のデューティーコードを加算することで、PWMコード生成部1204に出力すべきデューティーコードを算出する。
次に、指示部1202等による処理内容について図4乃至図8を用いて説明する。
まず、図4乃至図6を用いて処理の概要を説明する。本実施の形態では、ペダル回転速度が低速の場合には、発進時や坂道の登坂時といった状態である場合もあるため、ペダル入力トルクが小さな値を示している場合でも、当該ペダル入力トルクに応じたモータ駆動を行って、発進や登坂をアシストする。すなわち、ペダル入力トルクを無視してモータ駆動を停止させるための閾値を小さく設定する。一方、ペダル回転速度が高速である場合には、十分に車速も上がっているため、ペダル入力トルクが小さな値である場合には無視してモータ駆動を停止させることで、電力消費を抑える。
このため、図4に示すようなペダル入力トルクと除去後トルクとの関係になるように制御する。図4において、横軸はペダル入力トルクを表し、縦軸は除去後トルクを表す。ペダル回転速度が低速である場合には、ペダル入力トルクの閾値T1が採用される。そして細線L1で示すように、閾値T1以下のペダル入力トルクの場合には、モータ駆動が停止され(ここでは便宜的に除去後トルク「0」)、閾値T1を超える場合には、例えば除去後トルク=ペダル入力トルクとして除去後トルクを出力する。なお、モータ駆動を停止させるのではなく、現状の駆動量よりも少なくなるようにしてもよい。
ペダル回転速度が第1の中速である場合には、ペダル入力トルクの閾値T11が採用される。そして、中線L2で示すように、閾値T11以下のペダル入力トルクの場合には、モータ駆動が停止され、閾値T11を超える場合には、例えば除去後トルク=ペダル入力トルクとして除去後トルクを出力する。
さらに、ペダル回転速度が第2の中速である場合には、ペダル入力トルクの閾値T12が採用される。そして、太線L3で示すように、閾値T12以下のペダル入力トルクの場合には、モータ駆動が停止され、閾値T12を超える場合には、例えば除去後トルク=ペダル入力トルクとして除去後トルクを出力する。
そして、ペダル回転速度が高速である場合には、ペダル入力トルクの閾値T2が採用される。そして、極太線L4で示すように、閾値T2以下のペダル入力トルクの場合には、モータ駆動が停止され、閾値T2を超える場合には、例えば除去後トルク=ペダル入力トルクとして除去後トルクを出力する。
閾値の設定は、例えば図5に示すような形で行われる。図5の横軸はペダル回転速度を表し、縦軸は閾値を表す。図5からも分かるように、ペダル回転速度がP1より小さければ、閾値はT1固定となる。一方、ペダル回転速度がP2より大きい場合には、閾値はT2固定となる。ペダル回転速度がP1以上P2以下の範囲においては、以下で表される閾値が採用される。
閾値T=T1+(T2−T1)×(ペダル回転速度−P1)/(P2−P1)
このように、ペダル回転速度P1乃至P2の間については、ペダル回転速度−P1に比例した形で閾値を決定する。
なお、図4は、閾値の変化と、ペダル入力トルクと除去後トルクとの関係を説明するための図であって、好ましくない場合がある。すなわち、ペダル入力トルクが閾値付近で変動すると、モータの停止とペダル入力トルクに応じたモータ駆動とが頻繁に切り替えられたり、乗員にショックを与えるような動作を行うことになる場合がある。よって、図6に示すように、その時の閾値を超えると直ぐに除去後トルク=ペダル入力トルクとするのではなく、ペダル入力トルクの増加に応じて徐々にペダル入力トルクと同じ値になるように増加させるようにする。
すなわち、ペダル回転速度が低速である場合には、ペダル入力トルクの閾値T1が採用される。そして細線R1で示すように、閾値T1以下のペダル入力トルクの場合には、モータ駆動が停止され(ここでは便宜的に除去後トルク「0」)、閾値T1を超える場合には、ペダル入力トルク−T1に比例して除去後トルクを増加させ、除去後トルク=ペダル入力トルクとなると、除去後トルク=ペダル入力トルクとして除去後トルクを出力する。
ペダル回転速度が第1の中速である場合には、ペダル入力トルクの閾値T11が採用される。そして、中線R2で示すように、閾値T11以下のペダル入力トルクの場合には、モータ駆動が停止され、閾値T11を超える場合には、ペダル入力トルク−T11に比例して除去後トルクを増加させ、除去後トルク=ペダル入力トルクとなると、除去後トルク=ペダル入力トルクとして除去後トルクを出力する。
さらに、ペダル回転速度が第2の中速である場合には、ペダル入力トルクの閾値T12が採用される。そして、太線R3で示すように、閾値T12以下のペダル入力トルクの場合には、モータ駆動が停止され、ペダル入力トルク−T12に比例して除去後トルクを増加させ、除去後トルク=ペダル入力トルクとなると、除去後トルク=ペダル入力トルクとして除去後トルクを出力する。
そして、ペダル回転速度が高速である場合には、ペダル入力トルクの閾値T2が採用される。そして、極太線R4で示すように、閾値T2以下のペダル入力トルクの場合には、モータ駆動が停止され、閾値T2を超える場合には、ペダル入力トルク−T2に比例して除去後トルクを増加させ、除去後トルク=ペダル入力トルクとなると、除去後トルク=ペダル入力トルクとして除去後トルクを出力する。
ペダル入力トルクが閾値以上であれば、除去後トルク=min{ペダル入力トルク,(ペダル入力トルク−閾値)×比例係数}と表される。min{A,B}は、AとBのうち小さい方を出力する関数を表す。
なお、(ペダル入力トルク−閾値)に比例する除去後トルクを算出するのではなく、他の形状のカーブを採用するようにしても良い。
次に、指示部1202の処理内容を図7及び図8を用いて説明する。
指示部1202は、ペダル入力トルクが0を超えているか否かを判断する(ステップS1)。ペダル入力トルクが0である場合には、本実施の形態ではモータ駆動を停止させるものとして、処理は端子Aを介して図8の処理に移行する。
一方、ペダル入力トルクが0を超える場合には、ペダル回転速度がペダル回転速度の閾値P1より小さいか判断する(ステップS3)。ペダル回転速度が閾値P1より小さい場合には、指示部1202は、ペダル入力トルクの閾値を予め定められた閾値の下限値T1に設定する(ステップS5)。そして処理はステップS13に移行する。
一方、ペダル回転速度がP1以上であれば、指示部1202は、ペダル回転速度がP2より大きいか判断する(ステップS7)。ペダル回転速度がP2より大きい場合には、指示部1202は、ペダル入力トルクの閾値を予め定められた閾値の上限値T2に設定する(ステップS9)。そして処理はステップS13に移行する。
一方、ペダル回転速度がP2以下であれば、指示部1202は、ペダル入力トルクの閾値を、ペダル回転速度に応じて設定する(ステップS11)。上で述べた例では図5に示したとおりである。そして処理はステップS13に移行する。
そして、指示部1202は、ペダル入力トルクが閾値より大きいか判断する(ステップS13)。ペダル入力トルクが閾値以下であれば、処理は端子Aを介して図8の処理に移行する。一方、ペダル入力トルクが閾値より大きい場合には、処理は端子Bを介して図8の処理に移行する。
端子Aの後には、指示部1202は、モータ駆動の停止を、アシストトルク演算部1203に出力する(ステップS19)。なお、モータ駆動の停止ではなく、モータ駆動の抑制を指示する場合もある。モータ駆動量を削減できれば省電力化が図られるためである。そして処理はステップS21に移行する。
また、端子Bの後には、指示部1202は、ペダル入力トルクから除去後トルクを算出する(ステップS15)。図4に示すように、除去後トルク=ペダル入力トルクとしても良い。但し、ペダル入力トルクに対して係数を乗ずる又は加算するようにしても良い。また、図6に示すように、閾値以上の所定範囲において、ゼロより大きく且つペダル入力トルク以下の、(ペダル入力トルク−閾値)に応じた除去後トルクを算出する。所定の範囲は、用いられる関数に応じて決定される。図6の例では、(ペダル入力トルク−閾値)に比例するだけではなく、他の関数であっても良い。さらに、比例係数を用いる場合であっても、例えば(ペダル入力トルク−閾値)に応じて比例係数を用いるようにしても良い。
そして、アシストトルク演算部1203は、指示部1202からの除去後トルク及び車速などに基づき所定の演算を行って、PWMのデューティー比に関係するデューティーコードを、PWMコード生成部1204に出力する。また、PWMコード生成部1204は、デューティーコードに対して、AD入力部1029からのバッテリ電圧/基準電圧(例えば24V)を乗じてPWMコードを生成し、モータ駆動タイミング生成部1026に出力する。このようにして、モータ駆動が制御される(ステップS17)。
その後、指示部1202は、電源断など処理終了が指示されたか否かを判断する(ステップS21)。処理終了が指示されていない場合には、処理は端子Cを介してステップS1に戻る。一方、処理終了が指示されていれば、処理を終了する。
このような処理を実行することで、ペダル回転速度が低速の場合にはペダル入力トルクの閾値を低めに抑えて、発進時や坂道の登坂時といった状態でペダル入力トルクが小さな値を示している場合でも、当該ペダル入力トルクに応じたモータ駆動を行って、発進や登坂をアシストできるようになる。
一方、ペダル回転速度が高速の場合には、十分に車速も上がっているため、ペダル入力トルクが小さな値である場合には無視してモータ駆動を停止させることで、電力消費を抑えることができるようになる。
以上本発明の実施の形態を説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、上で述べた機能ブロック図は説明の都合上機能ブロック分けを行っており、実際の回路構成は異なる場合もあるし、プログラムで実現する場合にも、プログラムモジュール構成とは一致しない場合もある。さらに、上で述べた機能を実現する具体的な演算手法は複数存在しており、いずれを採用しても良い。
また、モータ駆動制御器102の一部又は全部については専用の回路で実現される場合もあれば、マイクロプロセッサがプログラムを実行することで上記のような機能が実現される場合もある。
この場合、モータ駆動制御器102は、図9に示すように、RAM(Random Access Memory)4501とプロセッサ4503とROM(Read Only Memory)4507とセンサ群4515とがバス4519で接続されている。本実施の形態における処理を実施するためのプログラム及び存在している場合にはオペレーティング・システム(OS:Operating System))は、ROM4507に格納されており、プロセッサ4503により実行される際にはROM4507からRAM4501に読み出される。なお、ROM4507は、閾値その他のパラメータをも記録しており、このようなパラメータも読み出される。プロセッサ4503は、上で述べたセンサ群4515を制御して、測定値を取得する。また、処理途中のデータについては、RAM4501に格納される。なお、プロセッサ4503は、ROM4507を含む場合もあり、さらに、RAM4501を含む場合もある。本技術の実施の形態では、上で述べた処理を実施するための制御プログラムは、コンピュータ読み取り可能なリムーバブル・ディスクに格納されて頒布され、ROMライタによってROM4507に書き込まれる場合もある。このようなコンピュータ装置は、上で述べたプロセッサ4503、RAM4501、ROM4507などのハードウエアとプログラム(場合によってはOSも)とが有機的に協働することにより、上で述べたような各種機能を実現する。
1201 ペダル回転速度算出部
1202 指示部
1203 アシストトルク演算部
1204 PWMコード生成部

Claims (6)

  1. モータの駆動を制御する制御部と、
    ペダル入力トルクが、ペダル回転速度に応じて設定される閾値を超えるか否かを判断し、前記ペダル入力トルクが前記閾値以下であれば、前記制御部に前記モータの駆動を抑制させる指示を行う指示部と、
    を有するモータ駆動制御装置。
  2. 前記モータの駆動を抑制させる指示が、前記モータの駆動を停止させる指示である
    請求項1記載のモータ駆動制御装置。
  3. 前記指示部は、
    前記ペダル入力トルクが前記閾値を超える場合には、当該閾値以上の所定範囲において、ゼロより大きく且つ前記ペダル入力トルク以下のトルクに基づき前記モータの駆動を行うように前記制御部に指示を行う
    請求項1又は2記載のモータ駆動制御装置。
  4. 前記指示部は、
    前記ペダル回転速度が第1の値未満であれば第1の閾値を用い、
    前記ペダル回転速度が第2の値より大きいならば前記第1の閾値より大きい第2の閾値を用い、
    前記ペダル回転速度が前記第1の値以上で前記第2の値以下であれば、前記ペダル回転速度と前記第1の値との差に応じた、前記第1の閾値と前記第2の閾値との間の第3の閾値を用いる
    請求項1乃至3のいずれか1つ記載のモータ駆動制御装置。
  5. 前記指示部は、
    前記ペダル入力トルクが前記閾値を超える場合には、前記ペダル入力トルクと前記閾値との差に比例した、前記ペダル入力トルク以下のトルクに基づき前記モータの駆動を行うように前記制御部に指示を行う
    請求項3記載のモータ駆動制御装置。
  6. 請求項1乃至5のいずれか1項記載のモータ駆動制御装置を有する電動アシスト車。
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