JP2015044526A - モータ駆動制御装置及び電動アシスト車 - Google Patents

Abstract

【課題】トルクセンサの故障に早期に対応できるようにする。【解決手段】本モータ駆動制御装置は、モータの駆動を制御する制御部と、ペダル入力トルクの変動が所定幅未満である状態が、ペダル回転が所定回転数以上となる期間継続する事象を検出すると、上記制御部に、モータの駆動を抑制させる指示部とを有する。予め定められた一定時間ではなく、ペダル回転数を基準に、ペダル入力トルクの変動が所定幅未満である状態の継続の有無を判断することによって、早期にトルクセンサの故障に対して適切な処置を行うことができるようになる。【選択図】図７

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の駆動制御は、トルクセンサ、車速センサやモータ電流センサなどの信号に基づき、目的に応じた電動モータの駆動制御を行っている。駆動制御は、安全性、法律順守性、アシスト感、発進性などの様々な観点においてなされるが、適切な駆動制御を行うにはセンサが常に正しい値を出力することが前提となる。

例えばトルクセンサの出力は、例えば図１の左側に示すように、典型的には、運転者によるペダル回転操作に伴い脈を打つように変化する。しかしながら、図１の右側に示すように、トルクセンサに故障が発生すると、運転者のペダル操作に拘わらず一定値を出力するようになる場合がある。

このような場合、トルクセンサの出力に従ってモータ駆動を行うと、運転者の意図に反したアシストを行うことになってしまう。

そこで、ある従来技術は、踏力の変動の幅が小さい状態が一定時間以上継続すれば、モータ駆動を停止するという手法で、上記問題に対処している。

しかしながら、この従来技術では、誤判定のリスクを回避するために、ペダル低速回転時を基準に「一定時間」をある程度長く設定することになる。これは、一定時間を短く設定してしまうと、その短い時間内では、ペダルが低速回転しているため踏力の変動が小さい状態と、上で述べたように故障により踏力の変動の幅が小さい状態とを区別できなくなってしまうためである。

しかしながら、トルクセンサが故障しているという場合には、早期に故障に対して処置を行うことが好ましい。

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、トルクセンサの故障に早期に対応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）ペダル入力トルクの変動が所定幅未満である状態が、ペダル回転が所定回転数以上となる期間継続する事象を検出すると、上記制御部に、モータの駆動を抑制させる指示部とを有する。

一定時間ではなく、ペダル回転数を基準に、ペダル入力トルクの変動が所定幅未満である状態の継続の有無を判断することによって、早期にトルクセンサの故障に対して適切な処置を行うことができるようになる。例えば所定回転数が「１」であるとすると、ペダル１回転のうちにほとんどペダル入力トルクが変化しなければ異常が発生していると判定でき、ペダルが高速に回転していれば短時間で異常を検出できる。なお、ペダルが低速に回転している場合であっても、従来技術のように時間的なマージンを大きく取る必要はないので、早期に異常を検出できる。

なお、上記モータの駆動の抑制は、モータの駆動の停止を含む場合もある。また、運転者に報知する場合もある。

さらに、上で述べたペダル入力トルクが、オフセット値で較正された値である場合もある。

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る。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、トルクセンサの故障に早期に対応できるようになる。

図１は、従来技術の問題を説明するための図である。 図２は、モータ付き自転車の外観を示す図である。 図３は、モータ駆動制御器の機能ブロック図である。 図４は、演算部の機能ブロック図である。 図５は、演算部の処理フローを示す図である。 図６は、演算部の処理フローを示す図である。 図７（ａ）及び（ｂ）は、本実施の形態に係る動作を模式的に示す図である。 図８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２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、運転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に出力するものとする。

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３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（Ｓ_uh）及びローサイドＦＥＴ（Ｓ_ul）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（Ｓ_vh）及びローサイドＦＥＴ（Ｓ_vl）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（Ｓ_wh）及びローサイドＦＥＴ（Ｓ_wl）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（例えばギア比、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う。その上で、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（モータ駆動輪速度とも呼ぶ）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２０１２／０８６４５９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、本実施の形態に係る主要な処理を行う演算部１０２１の機能ブロック図を図４に示す。演算部１０２１は、オフセット値格納部１２０４と、指示部１２０１と、アシストトルク演算部１２０２と、ＰＷＭコード生成部１２０３とを有する。アシストトルク演算部１２０２とＰＷＭコード生成部１２０３とは、モータの駆動制御部として動作する。

指示部１２０１は、ペダル回転入力部１０２２からのペダル回転入力（例えば位相角又は回転数）と、トルク入力部１０２７からのペダル入力トルク（ここではセンサ値）と、オフセット値格納部１２０４に格納されているペダル入力トルクの較正用のオフセット値とから、トルクセンサ１０３の故障など異常を表す事象が発生しているか否かを判断する処理を実行する。指示部１２０１は、異常を表す事象が発生していると判断すると、モータ駆動を抑制させる抑制指示又は停止させる停止指示をアシストトルク演算部１２０２に出力し、異常を表す事象が発生していないと判断すると、オフセット値で較正したペダル入力トルク（以下、較正後ペダル入力トルクと呼ぶ）を、アシストトルク演算部１２０２に出力する。なお、抑制指示又は停止指示に代わって、較正後ペダル入力トルク＝「ゼロ」を出力する場合もある。

アシストトルク演算部１２０２は、指示部１２０１からの較正後ペダル入力トルク（ゼロの場合もある）及び車速入力部１０２４からの車速などに基づき所定の演算を行う。つづいて、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１２０３に出力する。このアシストトルク演算部１２０２の演算については、例えば国際公開第２０１２／０８６４５８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する。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する。これら第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１２０３に出力すべきデューティーコードを算出する。

上で述べたように、アシストトルク演算部１２０２は、指示部１２０１からの停止指示又は抑制指示に応じて、ＰＷＭコード生成部１２０３に対してモータ駆動を停止又は抑制させる指示を出力する。ＰＷＭコード生成部１２０３は、アシストトルク演算部１２０２からモータ駆動を停止又は抑制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又は抑制するための信号を出力する。なお、アシストトルク演算部１２０２が、直接モータを停止又は抑制させる停止指示又は抑制指示を出力するようにしても良い。

次に、本実施の形態に係る演算部１０２１による処理内容について図５及び図６を用いて説明する。

なお、本実施の形態では、演算部１０２１によるステップＳ１乃至Ｓ２５の実行間隔が、トルクセンサ１０３による測定の時間間隔よりも非常に短いものとする。

まず、指示部１２０１は、ペダル入力トルク（センサ値）を、トルク入力部１０２７から取得する（ステップＳ１）。そして、指示部１２０１は、較正後ペダル入力トルクＴＱＮを、センサ値−オフセット値格納部１２０４に格納されているオフセット値により算出する（ステップＳ３）。

その後、指示部１２０１は、較正後ペダル入力トルクＴＱＮが０を超えているか否かを判断する（ステップＳ５）。較正後ペダル入力トルクＴＱＮが０以下であれば、処理は端子Ｂを介して図６の処理に移行する。

一方、較正後ペダル入力トルクＴＱＮが０を超えていれば、指示部１２０１は、トルクの変動ΔＴＱを、｜ＴＱＮ−基準トルクＴＱＢ｜によって算出する（ステップＳ７）。初期的には、基準トルクＴＱＢは０等を設定しておく。また、基準トルクＴＱＢは、以下で述べるが、例えばペダル回転数が回転閾値以上となるとその時の較正後ペダル入力トルクで更新される。

そして、指示部１２０１は、トルクの変動ΔＴＱが、変動閾値未満であるか否かを判断する（ステップＳ９）。変動閾値は、例えば｜基準トルクＴＱＢ｜の所定割合（例えば１０％）と決定される。但し、変動閾値は固定値であっても良い。

トルクの変動ΔＴＱが変動閾値以上であれば、指示部１２０１は、故障の判定カウンタを０に初期化する（ステップＳ１０）。そして処理は端子Ａを介して図６の処理に移行する。

一方、トルクの変動ΔＴＱが変動閾値未満であれば、指示部１２０１は、ペダル回転入力部１０２２から得られるペダル回転数（位相角）が回転閾値以上であるか否かを判断する（ステップＳ１１）。例えば、０．２回転を回転閾値として用いる。トルクが入力されるような範囲での最大のペダル周波数は通常１２０ｒｐｍ程度で、０．２回転は１００ｍｓ程度である。一方、ステップＳ１乃至Ｓ２５の動作周期は、典型的には、１０ｍｓ以下であるので、ペダル回転が速い場合でも、上記のような回転閾値程度のペダル回転数の変化を適切に検出できる。

従って、ペダル回転数が回転閾値未満であれば、処理はステップＳ１５に移行する。一方、ペダル回転数が回転閾値以上であれば、指示部１２０１は、判定カウンタを１インクリメントする（ステップＳ１３）。

そして、指示部１２０１は、判定カウンタの値が、判定閾値以上となったか否かを判断する（ステップＳ１５）。例えば、１回転分の回転を検出することを目標とする場合には、判定閾値は「５」となる。判定カウンタの値が、判定閾値以上であれば、処理は端子Ｂを介して図６の処理に移行する。一方、判定カウンタの値が、判定閾値未満であれば、処理は端子Ａを介して図６の処理に移行する。

図６の処理の説明に移行して、端子Ｂの後に、指示部１２０１は、較正後ペダル入力トルクをゼロにクリアして、アシストトルク演算部１２０２に出力するか、アシストトルク演算部１２０２等に対してモータ駆動を停止又は抑制させるように指示を出力する（ステップＳ１９）。ペダル入力トルクをゼロにクリアして、アシストトルク演算部１２０２に出力する場合には、アシストトルク演算部１２０２は、ペダル入力トルクがゼロであるものとして例えば車速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１２０３に出力する。また、ＰＷＭコード生成部１２０３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。

なお、モータ駆動を抑制させる場合には、非常に小さな値の較正後ペダル入力トルクをアシストトルク演算部１２０２に出力する。車速分についても抑制させるために負の値の較正後ペダル入力トルクを出力する場合もある。そして処理はステップＳ２１に移行する。さらに、上で述べたように強制的にモータ駆動を停止又は抑制させる場合もある。

一方、端子Ａの後に、指示部１２０１は、較正後ペダル入力トルクをアシストトルク演算部１２０２に出力する。そうすると、アシストトルク演算部１２０２は、指示部１２０１からの較正後ペダル入力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１２０３に出力する。また、ＰＷＭコード生成部１２０３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）。

そして、指示部１２０１は、ペダル回転入力部１０２２から取得したペダル回転数が回転閾値以上であるか否かを判断する（ステップＳ２１）。例えば、この回転閾値は、ステップＳ１１における回転閾値と同じであるが、異なるようにしても良い。ペダル回転数が回転閾値未満であれば、処理はステップＳ２５に移行する。一方、ペダル回転数が回転閾値以上であれば、指示部１２０１は、基準トルクＴＱＢを現在の較正後ペダル入力トルクで更新する（ステップＳ２３）。そして処理はステップＳ２５に移行する。

そして、指示部１２０１は、処理終了が指示されたか判断する（ステップＳ２５）。そして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た場合には、処理を終了する。

このようにすれば、ペダル入力トルクの変動が所定幅未満である状態が、ペダル回転が所定回転数以上となる期間継続する事象を検出することができ、さらにこのような事象に対してモータの駆動を停止又は抑制させることができるようになる。

このような処理フローに従った動作の一例を図７を用いて説明する。図７（ａ）は、較正後ペダル入力トルクの時間変化の一例を示しており、図７（ｂ）は、判定カウンタのカウント値の時間変化の一例を示している。

図７（ａ）に示すように、およそペダル０．２回転を経過すると、トルクセンサ１０３の故障等のため、較正後ペダル入力トルクの変動幅は閾値として設定される基準トルクＴＱＢの上下１０％以内に留まる状態になる。

このような場合、図７（ｂ）に示すように、ペダル０．４回転、０．６回転、０．８回転、１．０回転、１．２回転のタイミングで判定カウンタは１つずつカウントアップする。そうすると、ペダル１．２回転のタイミングで、較正後ペダル入力トルクがあまり変動しなくなってからペダル１回転分である判定カウンタ値＝「５」となる。ここで、図７（ａ）に模式的に示すように、例えば較正後ペダル入力トルクがゼロとなるように制御する。但し、上で述べたようにモータ駆動を停止又は抑制させるようにしても良い。

なお、ペダル回転がこれより遅い場合には、図７（ｂ）において点線で模式的に示すように、判定カウンタのカウントアップが遅くなるため、較正後ペダル入力トルクをゼロにしたり、モータ駆動を停止又は抑制させるような制御動作も遅くなる。

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、判定カウンタを用いずに、ペダル回転入力部１０２２から取得されるペダル回転の位相角を所定の間隔で累積して所定回転数に相当する累積位相角が得られれば、モータ駆動の停止又は抑制をさせるようにしても良い。

さらに、図５及び図６の処理については、一度トルクセンサ１０３の故障が発生すると、ほぼ出力されるペダル入力トルクが一定となる場合を想定している。しかしながら、この想定が該当しない場合には、例えば、最初にステップＳ１５で判定カウンタの値が判定閾値以上となった場合にはフラグをセットし、例えばステップＳ９の前でフラグがセットされているか否かを判定して、フラグがセットされている場合には、ステップＳ１０には遷移しないようにする場合もある。

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。

さらに、上ではアシストトルク演算部１２０２が、車速に応じた制御を行うようにする例を示したが、車速を用いずにアシストトルクの算出を行うようにしても良い。

この場合、モータ駆動制御器１０２は、図８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 指示部
１２０２ アシストトルク演算部
１２０３ ＰＷＭコード生成部
１２０４ オフセット値格納部

Claims (4)

1. モータの駆動を制御する制御部と、
   ペダル入力トルクの変動が所定幅未満である状態が、ペダル回転が所定回転数以上となる期間継続する事象を検出すると、前記制御部に、前記モータの駆動を抑制させる指示部と、
   を有するモータ駆動制御装置。
2. 前記モータの駆動の抑制が、前記モータの駆動の停止を含む
   請求項１記載のモータ駆動制御装置。
3. 前記ペダル入力トルクが、オフセット値で較正された値である
   請求項１又は２記載のモータ駆動制御装置。
4. 請求項１乃至３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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