JP2015182600A - 電動アシスト自転車 - Google Patents

Abstract

【課題】平滑化処理が機能している状況においてペダルの踏み直しが行われた場合の走行フィーリングを向上することができる電動アシスト自転車を得ること。
【解決手段】電動アシスト自転車は、ペダルから入力される入力トルクを検出し、入力トルクの変化を平滑化した平滑化トルク値を算出し、平滑化トルク値と予め設定されたアシスト比とに基づいてアシストトルク値を算出し、アシストトルク値に応じてモータを駆動する制御を行うコントローラを有しており、コントローラは、ペダルの走行中のペダルの踏み直しを検出する踏み直し検出手段と、走行中のペダルの踏み直しの検出により、平滑化トルク値を算出するための平滑化率と、アシスト比と、平滑化トルク値の少なくとも一つを補正する補正手段を有している。
【選択図】図６

Description

本発明は、電動アシスト自転車に関する。

電動アシスト自転車では、ペダル入力トルクを平滑化処理し、その平滑化したトルクに基づいてモータ制御を行っている。そして、特許文献１には、ペダル入力トルクの平滑化処理によって電動アシスト自転車の漕ぎ出し時に出力トルクが制限されるのを防ぐモータ駆動制御の技術が開示されている。

ＷＯ２０１２／０８６４５８

ペダル入力トルクの平滑化処理により、ペダル踏力が小さくなるペダル位置であっても所定の出力トルクが出力されるので、良好なアシスト感が得られ、モータの駆動ロスも少なくすることができるが、例えば平地から上り坂に差し掛かった場合や走行速度を一時的に上げる場合など、走行中にペダル踏力を増大させる踏み込み（以下、「走行中のペダルの踏み直し」という）をしたときには、搭乗者の意図に沿った出力トルクが得られないおそれがある。特許文献１の技術は、電動アシスト自転車の停車を検出して、漕ぎ出し時に補助を与えるものであり、走行中のペダルの踏み直しには対応できない。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、平滑化処理が機能している状況において走行中のペダルの踏み直しが行われた場合の走行フィーリングを向上することができる電動アシスト自転車を提供することである。

上記課題を解決する本発明は、ペダルの踏力に応じた補助動力を発生させるモータを備えた電動アシスト自転車であって、ペダルから入力される入力トルクを検出し、入力トルクの変化を平滑化した平滑化トルク値を算出し、平滑化トルク値と予め設定されたアシスト比とに基づいてアシストトルク値を算出し、アシストトルク値に応じてモータを駆動する制御を行う制御部を有し、制御部は、走行中のペダルの踏み直しを検出する踏み直し検出手段と、走行中のペダルの踏み直しの検出により、平滑化トルク値を算出するための平滑化率と、アシスト比と、平滑化トルク値の少なくとも一つを補正する補正手段とを有することを特徴としている。

本発明によれば、平滑化率と、アシスト比と、平滑化トルク値の少なくとも一つを補正することにより、走行中のペダルの踏み直しに対してアシストトルク値を一時的に増大させることができる。したがって、乗員の意思に沿った適切な補助動力を得ることができ、走行フィーリングを向上させることができる。

本発明の電動アシスト自転車は、補正手段が平滑化率を減少させる補正を行うことを特徴としている。したがって、平滑化を緩和し、もしくは、平滑化をなしにすることができ、平滑化トルク値を入力トルク値に近づける、もしくは平滑化トルク値を入力トルク値と同一の値にすることができる。したがって、走行中のペダルの踏み直しにおいて、乗員の意思に沿った適切な補助動力を得ることができ、走行フィーリングを向上させることができる。

本発明の電動アシスト自転車は、補正手段がアシスト比を増大させる補正を行うことを特徴としている。したがって、走行中のペダルの踏み直しにおいてアシストトルク値を一時的に増大させることができ、乗員の意思に沿った適切な補助動力を得ることができ、走行フィーリングを向上させることができる。

本発明の電動アシスト自転車は、補正手段が入力トルクの複数時点における入力トルク値を用いて平滑化トルク値を算出し、複数時点のうち入力トルクの入力が不足している時点の割合である欠損率を算出し、入力トルクと欠損率に基づいて補正値を算出し、補正値を用いて平滑化トルク値を補正することを特徴としている。したがって、走行中のペダルの踏み直しにおいて、平滑化トルク値を入力トルク値に近づけることができ、乗員の意思に近い適切な補助動力を得ることができ、走行フィーリングを向上させることができる。

本発明の電動アシスト自転車において、踏み直し検出手段は、入力トルクの変化の微分値が予め設定された閾値以上となった場合に走行中のペダルの踏み直しであると判断することを特徴としている。したがって、走行中のペダルの踏み直しの検出を迅速かつ正確に行うことができる。

本発明の電動アシスト自転車において、踏み直し検出手段は、自車の後方への傾斜角度に基づいて走行中のペダルの踏み直しを検出することができる。また、自車の現在位置と自車周囲の地図情報に基づいて走行中のペダルの踏み直しを検出することもできる。

本発明の電動アシスト自転車において、補正手段は、走行中のペダルの踏み直しを検出してからの経過時間とペダル回転数に基づいて補正期間の終了時点を決定することを特徴としている。これにより、例えば補正状態が必要以上に継続されるのを防ぐことができる。

本発明によれば、走行中のペダルの踏み直しに対してアシストトルク値を一時的に増大させることができる。したがって、乗員の意思に沿った適切な補助動力を得ることができ、走行フィーリングを向上させることができる。

電動アシスト自転車の全体図。 電動アシスト自転車の制御システムの全体構成図。 アシスト制御の機能ブロック図。 入力トルク値と平滑化後の平滑化トルク値の変化を示すグラフ。 平滑化率を可変させた状態を示すグラフ。 入力トルク値の変化と、補正処理ありとなしにおけるアシストトルク値の変化を示すグラフ。 走行速度とアシスト比との関係を示すグラフ。

次に、本発明に係る電動アシスト自転車の一実施形態について図面を用いて説明する。
図１は、電動アシスト自転車の全体図、図２は、電動アシスト自転車の制御システムの全体を説明する構成図である。

電動アシスト自転車１は、ペダル５の踏力を主駆動力として後輪４に付与する人力駆動装置と、ペダル５の踏力に応じた補助駆動力を前輪３に付与するモータ駆動装置とを備えている。人力駆動装置は、一般的な自転車と同じものが用いられており、例えば図１に示すように、車体フレーム２にクランクがペダル５と一体に回転可能に支持され、クランクに取り付けられたフロントスプロケットと、後輪４に取り付けられたリヤスプロケットとの間がチェーンで連結されて、ペダル５の回転により後輪４を回転させることができるようになっている。

モータ駆動装置は、図２に示すように、コントローラ１２と、モータ１３と、バッテリ１４と、トルクセンサ１５と、回転センサ１６と、ブレーキセンサ１７と、ライト（前照灯）１９と、操作パネル１８を有している。コントローラ１２は、電動アシスト自転車１のシステム全体を管理する制御部２１を有している。制御部２１は、例えば、トルクセンサ１５からのトルク信号に基づいてモータ１３を駆動するアシスト制御と、減速時にモータ１３で発電した電力をバッテリ１４に充電する回生制御と、モータ１３を制御するモータ制御と、ライト１９の点灯を制御するライト制御を行う。

モータ１３は、周知の三相直流ブラシレスモータであり、前輪３のハブ内に設けられている。バッテリ１４は、モータ１３を駆動する駆動源であり、リチウムイオン二次電池やリチウムポリマー二次電池等の繰り返し充放電が可能な二次電池が用いられている。

トルクセンサ１５は、ペダル５の入力トルクに応じたトルク信号を出力し、回転センサ１６は、ペダル５の回転に応じた回転信号を出力する。トルクセンサ１５と回転センサ１６は、例えばクランクのクランク軸に装着されている。ブレーキセンサ１７は、ブレーキレバーの操作状態を検出するものであり、ブレーキレバーを手で握ることによりオンの信号を出力し、ブレーキレバーを離すことによりオフの信号を出力する。操作パネル１８は、ハンドル６に取り付けられており、例えばアシストの有無の指示入力やアシスト比の設定入力をユーザから受け付けて、コントローラ１２に出力する。

図３は、アシスト制御の機能ブロック図である。
制御部２１によるアシスト制御では、トルクセンサ１５から出力されるトルク信号を用いてトルク検出部３１で入力トルクの検出がなされる。トルク検出部３１では、不感帯フィルタを用いてトルク信号からノイズを除去する処理が行われ、ノイズ除去後のトルク信号に基づいて入力トルクが検出される。トルク検出部３１で検出された入力トルクは、平滑化処理部３２で平滑化され、平滑化トルク値が演算される。

そして、アシストトルク値演算部３３で、平滑化トルク値と予め設定されたアシスト比に基づいてアシスト量であるアシストトルク値が演算される。アシストトルク値は、電動アシスト自転車１が変速ギヤ付きの場合には、ギヤ段位置（ギヤ比）の情報も用いて演算される。そして、アシストトルク値は、ブレーキセンサ１７がオン、すなわち、ブレーキレバーが操作されている場合には、０に設定され、また、一定車速以上では車速の上昇に応じて漸次低減される。アシストトルク値演算部３３は、モータ１３が出力するホール信号に基づいて車速を演算する。そして、駆動ＰＷＭ量演算部３４で、アシストトルク値に基づいてモータ１３を駆動するための駆動ＰＷＭ量が演算され、駆動ＰＷＭ量に基づいてモータ駆動回路３５でモータ１３の駆動制御が行われる。

図４は、入力トルク値と平滑化後の平滑化トルク値の一例を示すグラフである。図４に示すように、入力トルク値は、ペダル５の回転に応じて波状に変化しており、その入力トルク値の変化が平滑化処理部３２で平滑化されて、平滑化トルク値となる。平滑化処理部３２は、予め設定された平滑化率で入力トルク値を平滑化する。平滑化処理部３２の平滑化率は、操作パネルの操作による設定変更や走行状況等に応じて変更することも可能である。

平滑化処理部３２における平滑化処理については、従来から種々の方法が存在するが、本実施の形態では、入力トルクの複数時点における入力トルク値を用いて平滑化トルク値を算出する。具体的には、可変周期の入力トルクの１周期に相当する可変期間におけるペダル入力トルクの移動平均または加重移動平均を採用する。例えば入力トルクの１周期を24分割した各タイミングにおける入力トルク値について移動平均または加重移動平均を算出する。平滑化率の変更は、平滑化処理部３２のフィルタ定数を変更することによって行うことができる。例えば、各タイミングにおける入力トルク値から移動平均を算出する際に用いる入力トルク値の個数を減らすことによって、平滑化率を小さくすることができる。

図５は、平滑化率を変更した場合における各平滑化トルク値を示すグラフである。本実施形態では、平滑化率としてレベル０〜ｎのいずれかを選択可能となっており、レベルが大きくなるに応じて、平滑化率が大きくなる。例えば、平滑化率の設定を平滑化率０％であるレベル０にした場合、平滑化トルク値は、入力トルク値そのものとなり、その変化はペダルの回転に応じて大きく波打った変化を示す。また、平滑化率の設定を平滑化率１００％であるレベルｎにした場合、最も平滑化された状態となる。

次に、本発明の特徴的な構成である走行中のペダルの踏み直しの検出による補正処理について説明する。図６は、入力トルク値の変化と、補正処理ありとなしにおけるアシストトルク値の変化を示すグラフである。

制御部２１は、平滑化処理が機能している状況において、走行中のペダルの踏み直しを検出した場合に（踏み直し検出手段）、平滑化率とアシスト比と平滑化トルク値の少なくとも一つを補正する補正処理を行う（補正手段）。

補正処理を行わない場合、アシストトルク値は、図６に補正処理なしトルク値として示すように、入力トルクよりも遅れて立ち上がることとなる。したがって、例えば平地から上り坂に差し掛かり上り坂を上り始める場合や平地を走行中に瞬間的に加速したい場合など、一時的に大トルクが欲しいときに応答性が悪く、乗員に違和感を与え、走行フィーリングが悪化するおそれがある。

本発明では、走行中のペダルの踏み直しの検出により、平滑化率とアシスト比と平滑化トルク値の少なくとも一つを補正する補正処理を行うので、アシストトルク値を入力トルクの立ち上がりに沿って立ち上がらせることができる。したがって、乗員の意思に近い適切な補助動力を得ることができ、走行フィーリングを向上させることができる。

＜踏み直し検出手段＞
走行中のペダルの踏み直しは、入力トルク値の変化や走行環境に基づいて検出することができる。
入力トルク値の変化に基づく方法では、例えば、車速に基づいて走行中であるか否かを判断し、走行中である場合は入力トルク値の変化を監視する。そして、入力トルク値が増大する立ち上がり速度、すなわち、入力トルク値の時間微分値が予め設定された閾値以上となったときに、走行中のペダルの踏み直しが行われたと判断する。例えば、図６に示すように、入力トルク値の立ち上がり角度θが所定の閾値よりも大きくなった場合に、走行中にペダルの踏み直しが行われたと判断する。したがって、走行中のペダルの踏み直しを迅速かつ正確に検出することができる。

また、走行環境に基づく方法では、例えば（ａ１）電動アシスト自転車１の加速度とペダル５を踏み込む踏み込み加速度に基づいて判断する方法、（ａ２）ＧＰＳを用いた自車位置情報と自車位置周辺の地図情報に基づいて判断する方法、（ａ３）車体フレーム２の前後方向の傾きを検出する傾斜センサからの信号に基づいて判断する方法が挙げられる。

上記方法（ａ１）では、走行中における電動アシスト自転車１の加速度とペダル５の踏み込み加速度を監視し、それぞれが予め設定されている各々の閾値を超えて大きくなったときに、走行中のペダルの踏み直しが行われたと判断する。自転車１の加速度は、モータ１３のホール信号から算出し、あるいは、車体フレーム２に加速度センサを設けて検出してもよい。ペダル５の踏み込み加速度は、回転センサ１６の信号に基づいて算出することができる。

上記方法（ａ２）では、自車位置情報と地図情報に基づいて前方の上り坂を検出し、自車が平地から上り坂に差し掛かり上り坂を上り始める際に、走行中のペダルの踏み直しが行われたと判断する。自車位置情報と地図情報は、例えば自転車１にナビゲーション装置を取り付けて、かかるナビゲーション装置から取得することができる。

そして、上記方法（ａ３）では、傾斜センサを車体フレーム２に設けて車体フレーム２の後方への傾きを検出し、平地を走行する水平姿勢状態から所定の傾斜角度よりも後方に傾いた後傾姿勢状態に基準時間よりも短い時間で移行したときに、走行中のペダルの踏み直しが行われたと判断する。

走行中のペダルの踏み直しを検出する方法は、上記した各実施例のいずれか一つに限定されるものではなく、少なくとも二つを組み合わせてもよい。例えば入力トルク値の変化に基づく方法と、走行環境に基づく（ａ１）〜（ａ３）の少なくとも一つとを組み合わせてもよい。このように、複数の検出方法を組み合わせることによって、走行中のペダルの踏み直しの検出精度を高めることができ、精度の高いアシスト制御を行うことができる。

＜補正手段＞
具体的な補正方法として、（ｂ１）平滑化率を減少させる方法、（ｂ２）アシスト比を増大させる方法、（ｂ３）欠損率を用いて平滑化トルク値を補正する方法の少なくとも一つが用いられる。

上記の（ｂ１）平滑化率を減少させる方法では、平滑化率の設定を予め設定されたレベル数だけ一時的に減少させて、平滑化の緩和もしくは平滑化なしにする。これにより、走行中のペダルの踏み直しから所定期間だけ平滑化トルク値を入力トルク値に近づける、もしくは平滑化トルク値を入力トルク値と同一の値にすることができる。したがって、乗員の意思に沿った適切な補助動力を得ることができ、走行フィーリングを向上させることができる。

平滑化率の設定を減少させるレベル数は、固定値でもよく、また、入力トルク値の立ち上がり速度や車速等の種々のパラメータに応じて可変に設定してもよい。例えば入力トルク値の立ち上がり速度が大きくなるに応じて、減少させるレベル数を増加させる設定にすることにより、乗員がより大きな踏力でペダルの踏み直しを行った場合に、入力トルクの平滑化が大きく緩和される。したがって、入力トルク値に対して平滑化トルク値をより一層近づけることができ、より大きなアシストトルク値を得ることができる。また、例えば車速が小さい低速走行中の場合には、車速が大きい高速走行中の場合と比較して、減少させるレベル数を増加させる設定にすることにより、低速走行中にペダルの踏み直しが行われた場合に、入力トルクの平滑化が大きく緩和される。したがって、入力トルク値に対して平滑化トルク値をより一層近づけることができ、大きなアシストトルク値を得ることができ、低速走行中における走行安定性を向上させることができる。平滑化率は、予め設定された補正期間の終了により一気に元に戻してもよく、また、時間経過に応じて段階的に元に戻してもよい。

上記の（ｂ２）アシスト比を増大させる方法では、アシスト比を予め設定された大きさだけ一時的に増大させる処理を行う。アシストトルク値は、平滑化トルク値とアシスト比に基づいて算出されるので、アシスト比の増大に応じて、アシストトルク値も増大される。したがって、走行中のペダルの踏み直しの検出により、所定期間だけアシストトルク値を増大させることができる。したがって、乗員の意思に沿った適切な補助動力を得ることができ、走行フィーリングを向上させることができる。

図７は、走行速度とアシスト比との関係を示すグラフである。例えば法定規格によりアシスト比の最大値が２．０に規定されている場合には、現在のアシスト比からアシスト比２．０までの間の値となるように増大される。図７では、アシスト比を１．０から１．４に増大する例が示されている。

アシスト比は、予め設定された固定比率分だけ増大させてもよく、また、入力トルク値の立ち上がり速度に応じて可変に設定してもよい。アシスト比を増大させる比率を可変に設定する場合には、例えば入力トルク値の立ち上がり速度が大きくなるに応じて、比率を増大させる。これにより、走行中のペダルの踏み直しの際に、ペダル踏力の大きさに応じてアシストトルク値が増大され、乗員がより大きな踏力で踏み込みを行った場合に、それに応じたより大きな補助動力を得ることができる。なお、法定規格等によりアシスト比の最大値が決まっている場合には、最大値までの間の値となるように増大される。アシスト比は、予め設定された補正期間の終了により一気に元に戻してもよく、また、時間経過に応じて段階的に元に戻してもよい。

上記方法（ｂ１）、（ｂ２）において、補正期間の終了時点は、ペダル回転数と経過時間に基づいて決定される。例えば、ペダルの踏み直しを検出してからペダルが１回転もしくは２回転した時点、もしくは所定の経過時間が経過した時点を、補正期間の終了時点とすることができる。これにより、例えばアシストトルク値が増大補正された状態が必要以上に継続されるのを防ぐことができ、乗員の意思に沿った補助動力を与えることができる。所定の経過時間は、固定でもよく、また、平滑率を減少させるレベル数や、アシスト比等の各種パラメータに応じて可変させてもよい。

上記（ｂ３）平滑化トルク値を補正する方法では、複数時点のうち入力トルクの入力が不足している時点の割合である欠損率を算出し、入力トルクと欠損率に基づいて補正値を算出し、補正値を用いて平滑化トルク値を補正する。

これにより、走行中のペダルの踏み直しから所定期間だけ平滑化トルク値を入力トルク値に近づけることができる。したがって、乗員の意思に近い適切な補助動力を得ることができ、走行フィーリングを向上させることができる。

具体的な構成として、例えばアシストトルク値演算部３３は、ゼロ検出部と、欠損率算出部を有している。ゼロ検出部は、トルク検出３１からの入力トルク値に０が出現するとオンになる検出信号を出力し、０以外が出現するとオフになる検出信号を出力する。欠損率算出部は、カウンタを有しており、ゼロ検出部からオンである検出信号を受信すると、カウンタのカウント値を１アップさせ、オフである検出信号を受信すると、カウント値を１ダウンさせる。そして、欠損率算出部は、走行中のペダルの踏み直しの検出により、入力トルクの１周期分（ペダルの半回転分に相当）のサンプル数と同一の値（例えば２４）をロードし、その値でカウンタ値を除することにより欠損率を算出する。この欠損値を入力トルク値に乗じることにより補正値が算出され、補正値と平滑化トルク値とを加算することによって、補正後の平滑化トルク値を得ることができる。

上記した補正方法（ｂ１）〜（ｂ３）は、いずれか一つに限定されるものではなく、少なくとも二つを組み合わせてもよく、例えば、（ｂ１）平滑化率を減少させる方法と、（ｂ２）アシスト比を増大させる方法を組み合わせてもよい。例えば、補正方法（ｂ１）と、（ｂ２）を組み合わせて、平滑化率を減少させると共に、アシスト比を増大させることにより、平滑化トルク値を増大させると共に、アシストトルク値を増大させることができる。このように、複数の補正方法を組み合わせることによって、走行中のペダルの踏み直しの検出によりアシストトルク値を増大させて、乗員の意思に沿った適切な補助動力を得ることができ、走行フィーリングを向上させることができる。

上記した本発明の電動アシスト自転車１によれば、入力トルクの平滑化処理が行われている状況において、走行中のペダルの踏み直しが検出されると、平滑化率とアシスト比と平滑化トルク値の少なくとも一つを補正する処理が行われる。したがって、乗員の意思に沿った適切な補助動力を得ることができ、走行フィーリングを向上させることができる。

尚、上記した実施の形態では、走行中のペダルの踏み直しの場合について説明したが、さらに加えて、停車状態からの漕ぎ出しの場合にも補正処理を行ってもよい。これにより、例えば図６に示すように、スタート時にも平滑化トルク値を入力トルクの変化に追従させることができ、適切な補助が可能となる。

本発明の構成は、上記した実施の形態の内容に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更及び組み合わせが可能である。

１ 電動アシスト自転車
５ ペダル
１２ コントローラ
１３ モータ
１６ 回転センサ
１５ トルクセンサ
２１ 制御部
３１ トルク検出部
３２ 平滑化処理部
３３ アシストトルク値演算部
３５ モータ駆動回路

Claims (8)

1. ペダルの踏力に応じた補助動力を発生させるモータを備えた電動アシスト自転車であって、
   前記ペダルから入力される入力トルクを検出し、該入力トルクの変化を平滑化した平滑化トルク値を算出し、該平滑化トルク値と予め設定されたアシスト比とに基づいてアシストトルク値を算出し、該アシストトルク値に応じてモータを駆動する制御を行う制御部を有し、
   該制御部は、
   走行中の前記ペダルの踏み直しを検出する踏み直し検出手段と、
   該走行中のペダルの踏み直しの検出により、前記平滑化トルク値を算出するための平滑化率と、前記アシスト比と、前記平滑化トルク値の少なくとも一つを補正する補正手段と、
   を有することを特徴とする電動アシスト自転車。
2. 前記補正手段は、前記平滑化率を減少させることを特徴とする請求項１に記載の電動アシスト自転車。
3. 前記補正手段は、前記アシスト比を増大させることを特徴とする請求項１に記載の電動アシスト自転車。
4. 前記補正手段は、入力トルクの複数時点における入力トルク値を用いて平滑化トルク値を算出し、複数時点のうち入力トルクの入力が不足している時点の割合である欠損率を算出し、前記入力トルクと前記欠損率に基づいて補正値を算出し、該補正値を用いて前記平滑化トルク値を補正することを特徴とする請求項１に記載の電動アシスト自転車。
5. 前記踏み直し検出手段は、前記入力トルク値の変化の微分値が予め設定された閾値以上となった場合に前記走行中のペダルの踏み直しであると判断することを特徴とする請求項１に記載の電動アシスト自転車。
6. 前記踏み直し検出手段は、自車の後方への傾斜角度に基づいて前記走行中のペダルの踏み直しを検出することを特徴とする請求項１に記載の電動アシスト自転車。
7. 前記踏み直し検出手段は、自車の現在位置と自車周囲の地図情報に基づいて前記走行中のペダルの踏み直しを検出することを特徴とする請求項１に記載の電動アシスト自転車。
8. 前記補正手段は、前記走行中のペダルの踏み直しを検出してからの経過時間と前記ペダルの回転数に基づいて補正期間の終了時点を決定することを特徴とする請求項１に記載の電動アシスト自転車。

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