JP2020142739A - モータ駆動制御装置及び電動アシスト車 - Google Patents

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Yasuo Hosaka
康夫 保坂
弘和 白川
Hirokazu Shirakawa
弘和 白川
太一 ▲柳▼岡
太一 ▲柳▼岡
Taichi Yanaoka
照明 川東
Teruaki Kawahigashi
照明 川東
敬英 能村
Takahide Nomura
敬英 能村
憲和 森口
Norikazu Moriguchi
憲和 森口
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Abstract

【課題】トルクセンサ異常を早期に検出する。【解決手段】本発明のモータ駆動制御装置は、(A)人力を補助するようにモータを駆動する駆動部と、(B)人力による入力トルクを計測するトルクセンサの出力が所定の第1の閾値以上であり且つ所定時間内におけるトルクセンサの出力変化量が第2の閾値以上であるという第1の条件が満たされたか否かを判定し、第1の条件が満たされていると判定した場合には、駆動部の駆動を停止又は抑制するように制御する制御部とを有する。【選択図】図3

Description

本発明は、電動アシスト車の駆動制御技術に関する。
電動アシスト車の一例である電動アシスト自転車等では、ユーザがペダルを漕ぐことによって入力されるペダル踏力やペダル回転からアシスト駆動量が決定される。従って、このような情報を正しく計測することはシステムとして重要である。
そのなかで、ペダル踏力を検出するのは一般にトルクセンサと呼ばれるセンサであるが、これは機械部品、回路部品等を含むため、使用中に故障する場合がある。
この故障を検出する手段としては、ペダルの回転情報を検出し、正回転していない場合におけるトルクセンサの出力が予め定めた規定値を超えたときに、トルクセンサの異常と判定する手法が既に存在している(例えば特許文献1)。
また、一般的に、電動アシスト自転車に搭載されるセンサは、トルクセンサ以外にも、ペダル回転センサや車両速度センサなどを含む。そのため、これらの全てのセンサを併せて用いて、どれか1つのセンサが故障した場合の挙動を検出する手法も存在している(例えば特許文献2)。
上で述べた第1の手法では、ペダルが正回転していない、という条件があるため、通常走行中には検出が難しい。また、上で述べた第2の手法では、3つのセンサが存在することが前提となっており、より少ないパラメータにて故障判定できることが好ましい。
特開平9−286377号公報 日本特許第6228442号公報
本発明の目的は、一側面によれば、トルクセンサ異常を早期に検出するための新規な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)人力を補助するようにモータを駆動する駆動部と、(B)人力による入力トルクを計測するトルクセンサの出力が所定の第1の閾値以上であり且つ所定時間内におけるトルクセンサの出力変化量が第2の閾値以上であるという第1の条件が満たされたか否かを判定し、第1の条件が満たされていると判定した場合には、駆動部の駆動を停止又は抑制するように制御する制御部とを有する。
一側面によれば、トルクセンサ異常を早期に検出することができるようになる。
図1は、電動アシスト自転車の外観を示す図である。 図2は、モータ駆動制御装置の構成例を示す図である。 図3は、モータ制御部の構成例を示す図である。 図4は、条件判定部の判定を説明するための図である。 図5は、条件判定部の判定を説明するための図である。 図6は、条件判定部の判定を説明するための図である。 図7は、条件判定部の判定を説明するための図である。 図8は、条件判定部の判定を説明するための図である。 図9は、条件判定部の判定を説明するための図である。 図10は、実施の形態における処理フローを示す図である。 図11は、実施の形態における処理フローを示す図である。
以下、本発明の実施の形態について、電動アシスト車の一例である電動アシスト自転車の例をもって説明する。しかしながら、本発明の実施の形態は、電動アシスト自転車だけに適用対象を限定するものではなく、人力に応じて移動する移動体(例えば、台車、車いす、昇降機など)の移動を補助するモータなどに対するモータ駆動制御装置についても適用可能である。
図1は、本実施の形態における電動アシスト車の一例である電動アシスト自転車の一例を示す外観図である。この電動アシスト自転車1は、モータ駆動装置を搭載している。モータ駆動装置は、バッテリパック101と、モータ駆動制御装置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、ブレーキセンサ107とを有する。
また、電動アシスト自転車1は、前輪、後輪、前照灯、フリーホイール、変速機等も有している。
バッテリパック101は、例えば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よい。そして、バッテリパック101は、モータ駆動制御装置102を介してモータ105に対して電力を供給し、回生時にはモータ駆動制御装置102を介してモータ105からの回生電力によって充電も行う。
トルクセンサ103は、クランク軸周辺に設けられており、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装置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、クランク軸周辺に設けられており、回転に応じた信号をモータ駆動制御装置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、例えば電動アシスト自転車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)をモータ駆動制御装置102に出力する。
モータ駆動制御装置102は、モータ105の回転センサ、ブレーキセンサ107、トルクセンサ103及びペダル回転センサ104等からの信号に基づき所定の演算を行って、モータ105の駆動を制御し、モータ105による回生の制御も行う。
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(すなわち、電源スイッチのオン及びオフ)、アシスト有りの場合には希望アシスト比等の入力をユーザから受け付けて、当該指示入力等をモータ駆動制御装置102に出力する。また、操作パネル106は、モータ駆動制御装置102によって演算された結果である走行距離、走行時間、消費カロリー、回生電力量等のデータを表示する機能を有する場合もある。また、操作パネル106は、LED(Light Emitting Diode)などによる表示部を有している場合もある。これによって、例えばバッテリパック101の充電レベルや、オンオフの状態、希望アシスト比に対応するモードなどを運転者に提示する。
ブレーキセンサ107は、運転者のブレーキ操作を検出して、ブレーキ操作に関する信号(例えば、ブレーキの有無を表す信号)をモータ駆動制御装置102に出力する。具体的には、磁石とリードスイッチを用いたセンサである。
本実施の形態に係るモータ駆動制御装置102に関連する構成を図2に示す。モータ駆動制御装置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、モータ回転入力部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、ブレーキ入力部1028と、AD(Analog-Digital)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(例えばアシストのオン/オフなど)、ペダル回転入力部1022からの入力、モータ回転入力部1024からの入力、トルク入力部1027からの入力、ブレーキ入力部1028からの入力、AD入力部1029からの入力を用いて所定の演算を行って、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。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。
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(クランク回転位相角とも呼ぶ。なお、回転方向を表す信号を含む場合もある)を、ディジタル化して演算部1021に出力する。モータ回転入力部1024は、モータ105が出力するホール信号からモータ105の回転(本実施の形態においては前輪の回転)に関する信号(例えば回転位相角、回転方向など)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。ブレーキ入力部1028は、ブレーキセンサ107からのブレーキ有り又は無しを表す信号をディジタル化して演算部1021に出力する。AD入力部1029は、二次電池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。
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(Pulse Width Modulation)のデューティー比に相当するPWM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。演算部1021の演算結果によって、モータ105は、力行駆動される場合もあれば、回生駆動される場合もある。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、図3に、演算部1021におけるモータ制御部3000に関連する機能ブロック構成例(本実施の形態に係る部分)を示す。モータ制御部3000は、条件判定部3100と、制御部3200とを有する。
条件判定部3100は、トルク入力部1027からの出力電圧値と、モータ回転入力部1024からのモータ回転入力又はペダル回転入力部1022からのペダル回転入力とに基づき、トルクセンサの異常が発生しているか否かを判定し、トルクセンサの異常が発生している場合には、制御部3200にモータ駆動の停止を指示する。
制御部3200は、例えばモータ回転入力部1024からのモータ回転入力と、トルク入力部1027からのトルク入力と、ペダル回転入力部1022からペダル回転入力とに応じて、モータ駆動のための所定の演算を行って、モータ駆動タイミング生成部1026及び可変遅延回路1025への出力を生成する。本実施の形態では、制御部3200は、条件判定部3100からの停止指示があれば、モータ駆動を停止する。なお、制御部3200はモータ駆動の抑制を行う場合もある。
制御部3200は、例えば、モータ回転入力から計算される車速と、ペダル回転入力から計算されるペダル回転換算車速と、トルク入力(入力ペダルトルク)とに基づき、どの程度(0の場合も含む)アシストするようにモータ駆動を行うか決定し、それに応じてモータ駆動タイミング生成部1026及び可変遅延回路1025を介してFETブリッジ1030のスイッチングを制御することで、モータ105の駆動を制御する。上でも述べたように、条件判定部3100により停止指示があれば、上で述べたような演算の結果にかかわらずモータ駆動を停止させる。なお、極低レベルのアシストを継続させる場合もある。
図4乃至図9を用いて、条件判定部3100の判定についてその概要を説明する。本実施の形態では、トルクセンサ103の出力電圧を計測して、計測された電圧を入力ペダルトルクに変換してトルク入力として制御に用いている。そこで、図4乃至図9においても、電圧をベースに説明する。
図4(a)は、トルクセンサ103の出力電圧の時間変化を表しており、(b)は条件判定部3100の判定結果を表している。一般的に、ユーザがペダルを漕ぐと、時刻t1より前のように、波打った形でトルクセンサ103の出力電圧は変化する。しかし、時刻t1で、トルクセンサ103が急に壊れたりすると、トルクセンサ103の出力電圧は急激に上昇して判定閾値を超え(時刻t2)、上限値に達することになる。なお、電圧が低下する故障もあるが、電圧が高いほどトルクが大きいと判定される場合においては入力ペダルトルクが低下したことになるので問題が少ない。本実施の形態における第2の条件としては、このようにトルクセンサ103の出力電圧が判定閾値を超えた時点t2から、時間T1の間、トルクセンサ103の出力電圧が判定閾値以上の状態が継続されると、その時点t3で異常と判定するものである。
但し、このような第2の条件は、誤判定を避けるため十分な時間T1をもって判断される。一方で、例えば電動アシスト自転車1が一定速度以上で走行している場合又はユーザによるペダル回転速度[rpm]が一定値以上である場合、過剰にアシストしてさらに加速する恐れがあるので、そのような場合には時間T1よりも短い時間T2で異常判定して、アシストを停止すべきである。図5にこのような第3の条件に基づく判定例を示す。
図5(a)は、図4(a)と同じトルクセンサ103の出力電圧の時間変化を表しているが、(b)は、ペダル回転速度の時間変化を表している。(c)は、条件判定部3100の判定結果を表している。時刻t1でトルクセンサ103が急に壊れたりすると、トルクセンサ103の出力電圧は急激に上昇して判定閾値を超え(時刻t2)、上限値に達することになるのは図4と同じである。
一方、図5(b)に示すように、ペダル回転速度は判定閾値を時刻t1及びt2でも超えているので、時刻t2から時間T1よりも短い時間T2の間、トルクセンサ103の出力電圧が判定閾値以上であることを確認した時刻t4において、図5(c)に示すように異常と判定して、アシストを停止させる。これによって早期にアシストを停止させる。
但し、トルクセンサ103が急に壊れたりすると、出力電圧は急激に変化することが分かっているので、この出力電圧の傾きに着目する方が、より早期に異常判定できる。図6は、第1の条件に基づく判定例を示す。
図6(a)は、図4(a)と同じトルクセンサ103の出力電圧の時間変化を表している。上で述べたように、トルクセンサ103が急に壊れたりすると、トルクセンサ103の出力電圧は急激に上昇して判定閾値を超え、上限値に達することになる。例えば、トルクセンサ103の出力電圧が判定閾値以上であることを確認した後、例えば時刻t6において、時刻t6の出力電圧値と時間Δt前(時刻t5)の出力電圧値との差ΔVが、閾値ΔVth以上であるか否かを判断する。もし、ΔVが閾値ΔVth以上であれば、図6(b)に示すように、時刻t6の時点で、異常判定してアシストを停止させる。
このようにして早期に異常を判定できるようになる。
なお、図4乃至図6は、トルクセンサ103が急に壊れた場合を示しているので、第1の条件のみで判断できる。しかしながら、トルクセンサ103は徐々に壊れてゆくような場合もある。
例えば、図7(a)は、トルクセンサ103の出力電圧の時間変化を表しているが、ここでは、徐々に出力電圧が上方にシフトしてゆくようなケースを表している。このような場合、第2の条件であれば、図4と同様に、トルクセンサ103の出力電圧が判定閾値以上となった時刻t11から、継続的に時間T1の間、トルクセンサ103の出力電圧が判定閾値以上となっていれば、時刻t11から時間T1後の時刻t12で異常判定される。
また、図8(a)は、図7(a)と同じトルクセンサ103の出力電圧の時間変化を表しているが、図8(b)は、ペダル回転速度の時間変化を表しており、ペダル回転速度はずっと判定閾値を超えている。そのような場合には、第3の条件に基づき、トルクセンサ103の出力電圧が判定閾値を超えた時点t11から、継続的に時間T2の間、トルクセンサ103の出力電圧が判定閾値以上となっていれば、時刻t11から時間T2後の時刻t13で異常判定される。
しかしながら、このような場合、第1の条件では異常判定できない場合がある。図9(a)は、図7(a)と同じトルクセンサ103の出力電圧の時間変化を表している。しかしながら、トルクセンサ103の出力電圧が判定閾値以上となってから、時間Δt前の出力電圧との差異ΔVが、閾値ΔVth以上となっている部分が発生しない。したがって、図9(b)に示すように、第1の条件では、異常判定がなされない。
このように、第1乃至第3の条件を組み合わせると、トルクセンサ103の様々な異常パターンに対処できるようになる。
次に、図10及び図11を用いて、条件判定部3100の具体的な処理内容について説明する。なお、以下の処理は、フレーム周期毎に実行されるものである。
条件判定部3100は、異常フラグがオフにセットされているか否かを判断する(ステップS1)。なお、異常フラグは初期的にはオフにセットされているものとする。異常フラグがオンにセットされている場合には、条件判定部3100は、T1を計測するためのタイマ1の計測値とT2を計測するためのタイマ2の計測値とをクリアする(ステップS15)。そして処理は端子Bを介して図11のステップS29に移行する。タイマ1及びタイマ2は、常に時間を計測しているが、クリアされるとその時点から例えばゼロから再度計測を開始するものとする。
一方、異常フラグがオフにセットされている場合には、条件判定部3100は、トルクセンサ103の出力電圧の変化が一定値以上であるか否かを判断する(ステップS3)。すなわち、ΔV=(現在の出力電圧値−一定時間前の出力電圧値)が閾値ΔVth以上であるか否かを判断する。一定時間及び閾値Vthについては、異常の発生態様などに基づき、予め適切な値を設定しておく。
ステップS3の条件が満たされると、条件判定部3100は、変化フラグをオンにセットする(ステップS5)。変化フラグは初期的にはオフになっているものとする。一方、ステップS3の条件が満たされない場合には、変化フラグをオフにセットする(ステップS7)。
ステップS5又はS7の後に、条件判定部3100は、トルクセンサ103の出力電圧が判定閾値以上であるか否かを判断する(ステップS9)。この条件が満たされていない場合には、処理はステップS15に移行する。すなわち、出力電圧が判定閾値以上となっていなければ、特段の問題は無いので、時間の計測は行わない。一方、トルクセンサ103の出力電圧が判定閾値以上であれば、条件判定部3100は、変化フラグがオンにセットされているか否かを判断する(ステップS11)。変化フラグがオンにセットされていれば、第1の条件を満たしたことになるので、条件判定部3100は、異常フラグをオンにセットする(ステップS13)。この異常フラグのオンは、制御部3200へのアシスト停止の指示となる。そして処理は端子Aを介して図11の処理に移行する。一方、変化フラグがオンでなければ、処理は端子Aを介して図11の処理に移行する。
図11の処理の説明に移行して、条件判定部3100は、例えばモータ回転入力から算出される車速又はペダル回転入力から算出されるペダル回転速度[rpm]が閾値以上であるか否かを判断する(ステップS17)。この条件が満たされていない場合には、条件判定部3100は、タイマ1の値をクリアする(ステップS19)。すなわち、第3の条件は満たされていないと判断される。そして処理はステップS25に移行する。
一方、ステップS17の条件が満たされている場合には、条件判定部3100は、タイマ2の値が閾値T2以上であるか否かを判断する(ステップS21)。この条件を満たさない場合には、処理はステップS25に移行する。一方、ステップS21の条件が満たされている場合には、条件判定部3100は、異常フラグをオンにセットする(ステップS23)。これによって第3の条件が満たされたと判定される。この異常フラグのオンは、制御部3200へのアシスト停止の指示となる。
さらに、条件判定部3100は、タイマ1の値が閾値T1以上であるか否かを判断する(ステップS25)。この条件を満たさない場合には、処理はステップS29に移行する。一方、ステップS25の条件が満たされた場合には、条件判定部3100は、異常フラグをオンにセットする(ステップS23)。これによって第2の条件が満たされたと判定される。この異常フラグのオンは、制御部3200へのアシスト停止の指示となる。
そして、条件判定部3100は、例えばユーザから電源断などの指示が行われて処理終了すべきか否かを判断する(ステップS29)。処理終了でなければ、処理は端子Cを介して図10のステップS1に戻る。一方、処理終了であれば、処理を終了する。
以上のような処理を実行することで、トルクセンサ103の異常を早期に検出できるようになる。また、様々な異常発生態様に対処できるようになる。
さらに、上で述べた機能ブロック図は一例であって、1の機能ブロックを複数の機能ブロックに分けても良いし、複数の機能ブロックを1つの機能ブロックに統合しても良い。処理フローについても、処理内容が変わらない限り、ステップの順番を入れ替えたり、複数のステップを並列に実行するようにしても良い。例えば、ステップS3乃至S7をステップS9の後に移動させても良い場合がある。
演算部1021は、一部又は全部を専用の回路にて実装しても良いし、予め用意したプログラムを実行することで、上で述べたような機能を実現させるようにしても良い。
また、各実施の形態において説明した各技術的要素については、その目的に応じて任意に削除したり、任意に組み合わせたりすることができる。
以上述べた実施の形態をまとめると以下のようになる。
本実施の形態に係るモータ駆動制御装置は、(A)人力を補助するようにモータを駆動する駆動部と、(B)人力による入力トルクを計測するトルクセンサの出力が所定の第1の閾値以上であり且つ所定時間内におけるトルクセンサの出力変化量が第2の閾値以上であるという第1の条件が満たされたか否かを判定し、第1の条件が満たされていると判定した場合には、駆動部の駆動を停止又は抑制するように制御する制御部とを有する。
このようにすれば、急激にトルクセンサの出力が変化するような異常発生時に即時に異常を判定してアシストを停止させることができるようになる。
また、上で述べた制御部は、トルクセンサの出力が所定の第1の閾値以上である時間が第1の時間以上であるという第2の条件が満たされたか否かを判定し、第2の条件が満たされていると判定した場合には、駆動部の駆動を停止又は抑制するように制御するようにしても良い。トルクセンサの出力が所定の第1の閾値以上である状態の継続性のみによっても、異常が判定できる。
さらに、上で述べた制御部は、トルクセンサの出力が所定の第1の閾値以上である時間が第1の時間より短い第2の時間以上であり且つモータの駆動により移動する車両の速度又はペダル回転速度が閾値以上であるという第3の条件が満たされたか否かを判定し、第3の条件が満たされていると判定した場合には、駆動部の駆動を停止又は抑制するように制御するようにしてもよい。このように速度が速い場合や、ペダルを速く漕いでいる場合には、早期に異常判定をして、過剰なアシストを停止又は抑制させるものである。
このような構成は、実施の形態に述べられた事項に限定されるものではなく、実質的に同一の効果を奏する他の構成にて実施される場合もある。
3000 モータ制御部
3100 条件判定部
3200 制御部

Claims (4)

  1. 人力を補助するようにモータを駆動する駆動部と、
    前記人力による入力トルクを計測するトルクセンサの出力が所定の第1の閾値以上であり且つ所定時間内における前記トルクセンサの出力変化量が第2の閾値以上であるという第1の条件が満たされたか否かを判定し、前記第1の条件が満たされていると判定した場合には、前記駆動部の駆動を停止又は抑制するように制御する制御部と、
    を有するモータ駆動制御装置。
  2. 前記制御部は、
    前記トルクセンサの出力が所定の第1の閾値以上である時間が第1の時間以上であるという第2の条件が満たされたか否かを判定し、前記第2の条件が満たされていると判定した場合には、前記駆動部の駆動を停止又は抑制するように制御する
    請求項1記載のモータ駆動制御装置。
  3. 前記制御部は、
    前記トルクセンサの出力が所定の第1の閾値以上である時間が第1の時間より短い第2の時間以上であり且つ前記モータの駆動により移動する車両の速度又はペダル回転速度が閾値以上であるという第3の条件が満たされたか否かを判定し、前記第3の条件が満たされていると判定した場合には、前記駆動部の駆動を停止又は抑制するように制御する
    請求項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つ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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