JP3081523B2 - Bicycle with electric motor - Google Patents

Bicycle with electric motor

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JP3081523B2
JP3081523B2 JP08030041A JP3004196A JP3081523B2 JP 3081523 B2 JP3081523 B2 JP 3081523B2 JP 08030041 A JP08030041 A JP 08030041A JP 3004196 A JP3004196 A JP 3004196A JP 3081523 B2 JP3081523 B2 JP 3081523B2
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torque
electric motor
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transfer function
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、人力により駆動可
能な自転車機構に電動モータを連結して、人力による駆
動力を補助する電動モータ付自転車に関するものであ
る。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a bicycle with an electric motor which assists a driving force by a human power by connecting an electric motor to a bicycle mechanism which can be driven by a human power.

【0002】[0002]

【従来の技術】図13及び図14は従来の電動モータ付
自転車の制御系の構成を表わしている。ペダルを踏むこ
とによって発生する人力トルクはトルク検出機構(5)に
より検出され、該検出信号はモータトルク調整回路(6)
へ送出される。これに応じてモータトルク調整回路(6)
では、入力されたトルク検出信号に応じたモータトルク
指令が作成され、電動モータ(2)へ供給される。この結
果、自転車機構(1)には、人力トルクに加え、該人力ト
ルク値に応じた大きさのモータ出力トルクが供給され、
人力による駆動力が補助される。トルク検出機構(5)と
しては、例えば、電動モータの出力軸に遊星歯車機構を
連結して歯車間のトルクを検出する方式(例えば特開平
5−58379号)や、ペダルとスプロケット間のトル
クをトーションバーのねじれで検出する方式(例えば特
開平4−321482号)が知られている。
2. Description of the Related Art FIGS. 13 and 14 show a configuration of a control system of a conventional bicycle with an electric motor. The manual torque generated by depressing the pedal is detected by a torque detection mechanism (5), and the detection signal is transmitted to a motor torque adjustment circuit (6).
Sent to According to this, the motor torque adjustment circuit (6)
Then, a motor torque command corresponding to the input torque detection signal is created and supplied to the electric motor (2). As a result, in addition to the human-powered torque, the motor output torque having a magnitude corresponding to the human-powered torque value is supplied to the bicycle mechanism (1),
The driving force by human power is assisted. As the torque detecting mechanism (5), for example, a method of connecting a planetary gear mechanism to an output shaft of an electric motor to detect torque between gears (for example, Japanese Patent Laid-Open No. 5-58379), or a method for detecting torque between a pedal and a sprocket There is known a method of detecting the torsion bar by twisting (for example, JP-A-4-321482).

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、一般に
トルク検出機構は構造が複雑であるため、電動モータ付
自転車全体の構成が複雑となり、重量が大きくなる問題
があった。本発明の目的は、トルク検出機構を用いるこ
となく、人力トルクに応じたモータ出力トルクを発生さ
せることができる簡易な構成の電動モータ付自転車を提
供することである。
However, since the structure of the torque detecting mechanism is generally complicated, the structure of the entire bicycle with the electric motor is complicated, and there is a problem that the weight is increased. An object of the present invention is to provide a bicycle with an electric motor having a simple configuration capable of generating a motor output torque according to human power torque without using a torque detection mechanism.

【0004】[0004]

【課題を解決する為の手段】本発明に係る電動モータ付
自転車は、人力により駆動可能な自転車機構に電動モー
タが連結されると共に、自転車機構の車輪回転角度又は
回転角速度に応じた信号を検出するセンサと、該センサ
検出信号に基づいて電動モータの出力トルクを制御する
制御回路とが装備されている。
In the bicycle with an electric motor according to the present invention, an electric motor is connected to a bicycle mechanism which can be driven by human power, and a signal corresponding to a wheel rotation angle or a rotation angular velocity of the bicycle mechanism is detected. And a control circuit for controlling the output torque of the electric motor based on the sensor detection signal.

【0005】上記制御回路は、人力及び電動モータによ
って自転車機構に与えられるトルクを入力信号とし、車
輪回転角度又は回転角速度に応じた信号を出力信号とす
る自転車機構伝達関数の逆関数に基づいて、前記センサ
検出信号から自転車機構に対する入力トルク値を導出す
る第1演算処理手段と、前記導出された自転車機構に対
する入力トルク値から電動モータの出力トルク値を減算
して人力トルク値を導出する第2演算処理手段と、前記
導出された人力トルク値に応じたモータトルク指令を作
成し、電動モータへ供給するモータトルク調整手段とを
具えている。
The above-mentioned control circuit is based on an inverse function of a bicycle mechanism transfer function in which a human power and a torque given to the bicycle mechanism by an electric motor are used as an input signal, and a signal corresponding to a wheel rotation angle or a rotation angular velocity is an output signal. A first arithmetic processing unit for deriving an input torque value for the bicycle mechanism from the sensor detection signal; and a second operation unit for deriving a manual torque value by subtracting an output torque value of the electric motor from the derived input torque value for the bicycle mechanism. It has arithmetic processing means and motor torque adjusting means for creating a motor torque command according to the derived manual torque value and supplying it to the electric motor.

【0006】上記本発明の電動モータ付自転車において
は、人力及び電動モータによるトルクが自転車機構に入
力され、自転車機構の車輪回転角度又は回転角速度に応
じた信号がセンサによって検出される。該センサ検出信
号は第1演算処理手段に入力される。ここで第1演算処
理手段は、その伝達関数として、自転車機構伝達関数の
逆関数を有しているので、自転車機構伝達関数とは入出
力関係が逆となって、車輪回転角度又は回転角速度に応
じたセンサ検出信号(自転車機構伝達関数の出力値)が入
力されることによって、自転車機構に対する入力トルク
値、即ち人力によるトルク成分と電動モータによるトル
ク成分の合計値(自転車機構伝達関数の入力値)が導出さ
れることになる。この様にして導出された自転車機構に
対する入力トルク値は、第2演算処理手段に入力され、
電動モータによるトルク成分(電動モータの出力トルク
値)が減算されることによって、人力によるトルク成分
(人力トルク値)が導出される。従って、トルク検出機構
を用いることなく、人力トルク値を得ることができる。
この様にして導出された人力トルク値は、モータトルク
調整手段に入力されて、該人力トルク値に応じたモータ
トルク指令が作成され、電動モータへ供給される。この
結果、電動モータは人力トルクに応じたモータ出力トル
クを発生する。
In the bicycle with an electric motor according to the present invention, human power and torque from the electric motor are input to the bicycle mechanism, and a signal corresponding to a wheel rotation angle or a rotation angular velocity of the bicycle mechanism is detected by a sensor. The sensor detection signal is input to a first arithmetic processing unit. Here, since the first arithmetic processing means has an inverse function of the bicycle mechanism transfer function as its transfer function, the input / output relationship with the bicycle mechanism transfer function is reversed, and the wheel rotation angle or the rotation angular velocity is reduced. By inputting the corresponding sensor detection signal (output value of the bicycle mechanism transfer function), the input torque value to the bicycle mechanism, that is, the total value of the torque component by the human power and the torque component by the electric motor (the input value of the bicycle mechanism transfer function) ) Will be derived. The input torque value for the bicycle mechanism derived in this way is input to the second arithmetic processing means,
By subtracting the torque component from the electric motor (output torque value of the electric motor), the torque component due to human power
(Manual torque value) is derived. Therefore, a manual torque value can be obtained without using a torque detection mechanism.
The manual torque value derived in this way is input to the motor torque adjusting means, and a motor torque command corresponding to the manual torque value is created and supplied to the electric motor. As a result, the electric motor generates a motor output torque corresponding to the manual torque.

【0007】具体的には、自転車機構伝達関数は、人力
及び電動モータによるトルクを入力信号とし、該入力信
号から損失トルク値を減算する減算処理部と、該減算結
果に自転車機構の慣性力及び粘性抵抗をパラメータとす
る伝達関数による演算処理を施して回転角速度を導出す
る伝達関数部とから構成されている。
Specifically, the bicycle mechanism transfer function includes a subtraction processing unit that takes a human power and a torque from an electric motor as input signals, and subtracts a loss torque value from the input signal, and outputs the inertia force of the bicycle mechanism and the subtraction result to the subtraction result. And a transfer function unit for performing an operation process using a transfer function using the viscous resistance as a parameter to derive a rotational angular velocity.

【0008】該具体的構成においては、人力及び電動モ
ータによるトルクが減算処理部に入力され、損失トルク
値が減算されることによって、実際に自転車走行に寄与
する自転車機構の駆動トルク値が算出される。算出され
た自転車機構の駆動トルク値は、伝達関数部へ入力され
る。ここで、自転車機構の駆動トルクと車輪回転角速度
の関係は、自転車機構の慣性力と粘性抵抗をパラメータ
として規定することができる。従って、この関係を伝達
関数とする伝達関数部によって、上記算出された駆動ト
ルク値から実際の自転車走行における車輪回転角速度が
導出される。
In this specific configuration, the manpower and the torque from the electric motor are input to the subtraction processing unit, and the drive torque value of the bicycle mechanism that actually contributes to the running of the bicycle is calculated by subtracting the loss torque value. You. The calculated driving torque value of the bicycle mechanism is input to the transfer function unit. Here, the relationship between the driving torque of the bicycle mechanism and the wheel rotational angular velocity can be defined by using the inertial force and the viscous resistance of the bicycle mechanism as parameters. Accordingly, a wheel rotation angular velocity in actual bicycle running is derived from the calculated drive torque value by a transfer function unit having this relationship as a transfer function.

【0009】又、具体的には、前記伝達関数部の後段
に、前記導出された車輪回転角速度に基づいて、自転車
走行時に受ける空気抵抗による第1損失トルク成分を導
出する第2伝達関数部が接続され、該第1損失トルク成
分が前記損失トルク値として前記減算処理部へ入力され
る。
[0009] More specifically, a second transfer function section that derives a first loss torque component due to air resistance received during running of the bicycle based on the derived wheel rotational angular velocity is provided downstream of the transfer function section. And the first loss torque component is input to the subtraction processing unit as the loss torque value.

【0010】ここで、自転車走行時の空気抵抗は、自転
車走行速度の自乗に比例すると考えられるので、第2伝
達関数部により、車輪回転角度に自乗演算を施して適当
な係数を乗算することによって、空気抵抗による第1損
失トルク成分を導出することができる。これによって、
自転車走行時に受ける空気抵抗が自転車機構伝達関数に
組み込まれることになる。
Here, since the air resistance during bicycle running is considered to be proportional to the square of the bicycle running speed, the second transfer function section performs a square operation on the wheel rotation angle and multiplies it by an appropriate coefficient. , A first loss torque component due to air resistance can be derived. by this,
The air resistance received when the bicycle runs is incorporated into the bicycle mechanism transfer function.

【0011】更に具体的には、前記第2伝達関数部と前
記減算処理部の間に、前記空気抵抗による第1損失トル
ク成分に外乱ランダムノイズによる第2損失トルク成分
を加算する加算処理部が介在し、該加算結果が前記損失
トルク値として前記減算処理部へ入力される。
More specifically, an addition processing unit for adding a second loss torque component due to disturbance random noise to a first loss torque component due to the air resistance is provided between the second transfer function unit and the subtraction processing unit. The result of the addition is input to the subtraction processing unit as the loss torque value.

【0012】該具体的構成においては、加算処理部によ
って、自転車走行時に受ける第1損失トルク成分に外乱
ランダムノイズによる第2損失トルク成分を加算する。
これによって、自転車走行時に受ける空気抵抗に加え、
外乱ランダムノイズが自転車機構伝達関数に組み込まれ
ることになる。
In the specific configuration, the second processing unit adds the second loss torque component due to the random disturbance noise to the first loss torque component received when the bicycle is running.
As a result, in addition to the air resistance received when riding a bicycle,
Disturbance random noise will be incorporated into the bicycle mechanism transfer function.

【0013】又、具体的には、前記第1演算処理手段の
後段に、ペダルの回転周波数よりも高い周波数の高周波
成分を除去するノイズ除去手段を具えている。
More specifically, a noise removing means for removing a high-frequency component having a frequency higher than the rotation frequency of the pedal is provided at a stage subsequent to the first arithmetic processing means.

【0014】上記外乱ランダムノイズが自転車機構伝達
関数に組み込まれていない場合、第1演算処理手段から
は、外乱ランダムノイズによる第2損失トルク成分が含
まれた出力信号が導出される。ここで、一般的に、外乱
ランダムノイズによる第2損失トルク成分の周波数はペ
ダルの回転周波数に比べて充分高い。従って、ノイズ除
去手段により、第1演算処理手段の出力信号から高周波
成分を除去することによって、前記出力信号の中から外
乱ランダムノイズによる第2損失トルク成分を差し引く
ことが出来、この結果、人力によるトルク成分と電動モ
ータによるトルク成分の合計値(自転車機構伝達関数に
対する入力トルク値)が導出されることになる。
If the disturbance random noise is not incorporated in the bicycle mechanism transfer function, an output signal including a second torque loss component due to the disturbance random noise is derived from the first arithmetic processing means. Here, generally, the frequency of the second loss torque component due to disturbance random noise is sufficiently higher than the rotation frequency of the pedal. Therefore, by removing the high frequency component from the output signal of the first arithmetic processing means by the noise removing means, the second loss torque component due to disturbance random noise can be subtracted from the output signal. The total value of the torque component and the torque component by the electric motor (input torque value for the bicycle mechanism transfer function) is derived.

【0015】更に具体的には、前記第2演算処理手段と
モータトルク調整手段の間に、制御回路の動作の安定化
を図るための伝達関数を有する第3演算処理手段が介在
している。従って、制御回路が外乱によって不安定とな
る構成を有している場合にも、制御回路の動作は安定
し、常に適切な人力トルク値が算出される。
More specifically, third arithmetic processing means having a transfer function for stabilizing the operation of the control circuit is interposed between the second arithmetic processing means and the motor torque adjusting means. Therefore, even when the control circuit has a configuration that is unstable due to disturbance, the operation of the control circuit is stable, and an appropriate human torque value is always calculated.

【0016】本発明に係る電動モータ付自転車の他の構
成において、制御回路は、人力及び電動モータによる駆
動トルクから負荷トルクを減算したトルク値を自転車機
構に対する入力信号とし、車輪回転角度又は回転角速度
に応じた信号を出力信号とする自転車機構伝達関数の逆
関数に基づいて、前記センサ検出信号から自転車機構に
対する入力トルク値を導出する第1演算処理手段と、前
記導出された自転車機構に対する入力トルク値から電動
モータの出力トルク値を減算して観測トルク値を導出す
る第2演算処理手段と、前記導出された観測トルク値の
変動においてペダルの回転周期の1/2周期で現われる
極小値に基づいて、自転車機構に対する負荷トルク値を
推定し、前記観測トルク値に該負荷トルク値を加算して
自転車機構に与えられる人力トルク値を導出する第3演
算処理手段と、前記導出された人力トルク値に応じたモ
ータトルク指令を作成し、電動モータへ供給するモータ
トルク調整手段とを具えている。
In another configuration of the bicycle with an electric motor according to the present invention, the control circuit uses, as an input signal to the bicycle mechanism, a torque value obtained by subtracting a load torque from a human power and a driving torque by the electric motor, and outputs a wheel rotation angle or a rotation angular velocity. A first arithmetic processing means for deriving an input torque value for the bicycle mechanism from the sensor detection signal based on an inverse function of a bicycle mechanism transfer function having a signal corresponding to the output signal, and an input torque for the derived bicycle mechanism. Second arithmetic processing means for subtracting the output torque value of the electric motor from the value to derive the observed torque value, and based on a minimum value appearing in a half cycle of the pedal rotation in the variation of the derived observed torque value. The load torque value for the bicycle mechanism is estimated, the load torque value is added to the observed torque value, and the load torque value is given to the bicycle mechanism. A third arithmetic processing means for deriving the human power torque value, to create a motor torque command corresponding to the derived human power torque value, which comprises a motor torque adjusting means for supplying to the electric motor.

【0017】上記本発明の電動モータ付自転車において
は、人力及び電動モータによる駆動トルク(τh+τm)か
ら負荷トルクτaを減算したトルク値(τh+τm−τa)が
自転車機構に入力され、自転車機構の車輪回転角度又は
回転角速度に応じた信号がセンサによって検出される。
該センサ検出信号は第1演算処理手段に入力される。こ
こで第1演算処理手段は、その伝達関数として、自転車
機構伝達関数の逆関数を有しているので、自転車機構伝
達関数とは入出力関係が逆となって、車輪回転角度又は
回転角速度に応じたセンサ検出信号(自転車機構伝達関
数の出力値)が入力されることによって、自転車機構に
対する入力トルク値、即ち人力及び電動モータによる駆
動トルク(τh+τm)から負荷トルクτaを減算したトル
ク値(自転車機構伝達関数の入力値:τh+τm−τa)が
導出されることになる。この様にして導出された自転車
機構に対する入力トルク値は、第2演算処理手段に入力
され、電動モータによるトルク成分(電動モータの出力
トルク値)が減算されることによって、人力によるトル
ク成分(人力トルク値τh)から負荷トルク成分τaを減算
したトルク値(観測トルク値:τh−τa)が導出される。
該観測トルク値は第3演算処理手段へ入力される。
In the bicycle with an electric motor according to the present invention, a torque value (τh + τm−τa) obtained by subtracting the load torque τa from the human power and the driving torque (τh + τm) by the electric motor is input to the bicycle mechanism, and the wheel rotation of the bicycle mechanism is performed. A signal corresponding to the angle or the rotational angular velocity is detected by the sensor.
The sensor detection signal is input to a first arithmetic processing unit. Here, since the first arithmetic processing means has an inverse function of the bicycle mechanism transfer function as its transfer function, the input / output relationship with the bicycle mechanism transfer function is reversed, and the wheel rotation angle or the rotation angular velocity is reduced. By inputting the corresponding sensor detection signal (output value of the bicycle mechanism transfer function), the input torque value to the bicycle mechanism, that is, the torque value (bicycle value obtained by subtracting the load torque τa from the driving torque (τh + τm) by the human power and the electric motor). The input value of the mechanism transfer function: τh + τm-τa) is derived. The input torque value for the bicycle mechanism derived in this manner is input to the second arithmetic processing means, and the torque component (output torque value of the electric motor) by the electric motor is subtracted to obtain the torque component (manpower) by human power. A torque value (observed torque value: τh-τa) obtained by subtracting the load torque component τa from the torque value τh) is derived.
The observed torque value is input to the third calculation processing means.

【0018】ところで、自転車のペダルを漕いで自転車
機構に人力トルクを与える過程においては、ペダルに対
する踏力の方向とクランクアームの傾斜角度との関係か
ら、人力トルクの大きさは、何れか一方のペダルが上死
点或いは下死点に達したときに零となり、ペダルの回転
角度が90度のときに最大値となる。このため、人力ト
ルク値の変動には、ペダルの回転周期の1/2周期で零
となる極小値が現われる。一方、自転車機構に与えられ
る負荷トルク成分は、自転車及び人体が受ける風圧や路
面の傾斜による負荷が支配的であるので、その大きさ
は、ペダルの回転周期よりも充分に長い周期で変動す
る。従って、人力トルク成分τhから負荷トルク成分τa
を減算した値である観測トルク値(τh−τa)の変動にお
いても、ペダルの回転周期の1/2周期で極小値が現わ
れることになる。そして、その極小値の発生時点で、人
力トルク成分τhは零であるから、観測トルク値の極小
値は、負荷トルク成分τaの符号を反転した値(−τa)と
一致する。
In the process of applying a manual torque to the bicycle mechanism by pedaling the bicycle pedal, the magnitude of the manual torque is determined by the relationship between the direction of the pedaling force applied to the pedal and the inclination angle of the crank arm. Becomes zero when it reaches the top dead center or the bottom dead center, and becomes the maximum value when the rotation angle of the pedal is 90 degrees. For this reason, a minimum value which becomes zero in a half cycle of the rotation cycle of the pedal appears in the fluctuation of the manual torque value. On the other hand, the load torque component applied to the bicycle mechanism is dominated by the load due to the wind pressure applied to the bicycle and the human body and the inclination of the road surface, so that the magnitude fluctuates in a cycle sufficiently longer than the rotation cycle of the pedal. Therefore, the load torque component τa
In the variation of the observed torque value (τh−τa) obtained by subtracting the minimum value, a minimum value appears in a half cycle of the rotation cycle of the pedal. At the time when the minimum value occurs, the human torque component τh is zero, so the minimum value of the observed torque value matches the value (−τa) obtained by inverting the sign of the load torque component τa.

【0019】そこで、この周期的に得られる観測トルク
値の極小値に基づいて、時間的に連続した負荷トルク値
τaを推定し、これを観測トルク値(τh−τa)に加算す
れば、人力トルク値τhが導出されることになる。斯く
して、トルク検出機構を用いることなく、人力トルク値
を得ることが出来るのである。この様にして導出された
人力トルク値は、モータトルク調整手段に入力されて、
該人力トルク値に応じたモータトルク指令が作成され、
電動モータへ供給される。この結果、電動モータは人力
トルクに応じたモータ出力トルクを発生する。
Therefore, based on the minimum value of the periodically obtained observed torque value, a temporally continuous load torque value τa is estimated and added to the observed torque value (τh−τa). The torque value τh will be derived. Thus, a human-powered torque value can be obtained without using a torque detection mechanism. The manual torque value thus derived is input to the motor torque adjusting means,
A motor torque command corresponding to the manual torque value is created,
Supplied to the electric motor. As a result, the electric motor generates a motor output torque corresponding to the manual torque.

【0020】具体的には、自転車機構伝達関数は、自転
車機構の慣性力及び粘性抵抗をパラメータとする伝達関
数であって、人力及び電動モータによる駆動トルクから
負荷トルクを減算したトルク値を自転車機構に対する入
力信号とし、該入力信号から回転角速度を導出するもの
である。
Specifically, the bicycle mechanism transfer function is a transfer function using the inertia force and the viscous resistance of the bicycle mechanism as parameters, and calculates a torque value obtained by subtracting a load torque from a driving torque by a human power and an electric motor. , And the rotational angular velocity is derived from the input signal.

【0021】ここで、自転車機構に対する入力信号は、
実際に自転車走行に寄与する自転車機構の駆動トルク値
であり、自転車機構の駆動トルクと車輪回転角速度の関
係は、自転車機構の慣性力と粘性抵抗をパラメータとし
て規定することができる。従って、この関係を伝達関数
とする自転車機構伝達関数によって、入力信号から実際
の自転車走行における車輪回転角速度が導出される。
Here, the input signal to the bicycle mechanism is
It is a driving torque value of the bicycle mechanism that actually contributes to the running of the bicycle, and the relationship between the driving torque of the bicycle mechanism and the wheel rotational angular velocity can be defined using the inertial force and the viscous resistance of the bicycle mechanism as parameters. Therefore, the wheel rotation angular velocity in actual bicycle running is derived from the input signal by a bicycle mechanism transfer function having this relationship as a transfer function.

【0022】又、具体的には、自転車機構伝達関数は、
人力及び電動モータによる駆動トルクから負荷トルクを
減算したトルク値を自転車機構に対する入力信号とし、
該入力信号から自転車走行時に受ける空気抵抗による負
荷トルク成分を減算する減算処理部と、該減算結果に自
転車機構の慣性力及び粘性抵抗をパラメータとする伝達
関数による演算処理を施して回転角速度を導出する第1
伝達関数部と、前記導出された回転角速度に基づいて、
自転車走行時に受ける空気抵抗による負荷トルク成分を
導出する第2伝達関数部とから構成され、前記導出され
た負荷トルク成分が前記減算処理部へ入力される。
Specifically, the bicycle mechanism transfer function is
A torque value obtained by subtracting the load torque from the driving torque by the human power and the electric motor is used as an input signal to the bicycle mechanism,
A subtraction processing unit for subtracting a load torque component due to air resistance received during cycling from the input signal; and performing a calculation process using a transfer function using the inertia force and the viscous resistance of the bicycle mechanism as parameters as a parameter to derive a rotational angular velocity. First
Based on a transfer function part and the derived rotational angular velocity,
And a second transfer function unit for deriving a load torque component due to air resistance received when the bicycle is running. The derived load torque component is input to the subtraction processing unit.

【0023】該具体的構成においては、人力及び電動モ
ータによる駆動トルクから負荷トルクを減算したトルク
値が減算処理部に入力されて、負荷トルク成分が減算さ
れ、実際に自転車走行に寄与する自転車機構の駆動トル
ク値が算出される。算出された自転車機構の駆動トルク
値は、第1伝達関数部へ入力される。ここで、自転車機
構の駆動トルクと車輪回転角速度の関係は、自転車機構
の慣性力と粘性抵抗をパラメータとして規定することが
できる。従って、この関係を伝達関数とする第1伝達関
数部によって、上記算出された駆動トルク値から実際の
自転車走行における車輪回転角速度が導出される。又、
自転車走行時の空気抵抗は、自転車走行速度の自乗に比
例すると考えられるので、第2伝達関数部により、車輪
回転角度に自乗演算を施して適当な係数を乗算すること
によって、空気抵抗による負荷トルク成分を導出するこ
とができる。これによって、自転車走行時に受ける空気
抵抗が自転車機構伝達関数に組み込まれることになる。
In the specific structure, a torque value obtained by subtracting the load torque from the driving torque by the human power and the electric motor is input to the subtraction processing unit, and the load torque component is subtracted, and the bicycle mechanism that actually contributes to the bicycle running is provided. Is calculated. The calculated driving torque value of the bicycle mechanism is input to the first transfer function unit. Here, the relationship between the driving torque of the bicycle mechanism and the wheel rotational angular velocity can be defined by using the inertial force and the viscous resistance of the bicycle mechanism as parameters. Therefore, the first transfer function unit using this relationship as a transfer function derives the wheel rotation angular velocity during actual bicycle running from the calculated drive torque value. or,
Since the air resistance during bicycle running is considered to be proportional to the square of the bicycle running speed, the second transfer function section performs a square operation on the wheel rotation angle and multiplies it by an appropriate coefficient to obtain the load torque due to the air resistance. The components can be derived. As a result, the air resistance received when the bicycle runs is incorporated into the bicycle mechanism transfer function.

【0024】更に具体的には、前記第3演算処理手段と
モータトルク調整手段の間には、制御回路の動作の安定
化を図るための伝達関数を有する第4演算処理手段が介
在している。従って、制御回路が外乱によって不安定と
なる構成を有している場合にも、制御回路の動作は安定
し、常に適切な人力トルク値が算出される。
More specifically, fourth arithmetic processing means having a transfer function for stabilizing the operation of the control circuit is interposed between the third arithmetic processing means and the motor torque adjusting means. . Therefore, even when the control circuit has a configuration that is unstable due to disturbance, the operation of the control circuit is stable, and an appropriate human torque value is always calculated.

【0025】[0025]

【発明の効果】本発明に係る電動モータ付自転車によれ
ば、トルク検出機構を省略することができるので、電動
モータ付自転車全体の構造を従来よりも簡易化し、重量
を軽減することが可能である。
According to the bicycle with the electric motor according to the present invention, since the torque detecting mechanism can be omitted, the structure of the entire bicycle with the electric motor can be simplified and the weight can be reduced. is there.

【0026】[0026]

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を4つ
の実施例に基づき、図面に沿って具体的に説明する。第1実施例 図2に示す本実施例の電動モータ付自転車は、自転車機
構伝達関数に自転車走行時に受ける空気抵抗及び外乱ラ
ンダムノイズを組み込んだものである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Embodiments of the present invention will be specifically described below based on four examples with reference to the drawings. First Embodiment The bicycle with an electric motor according to the present embodiment shown in FIG. 2 incorporates air resistance and disturbance random noise received during running of a bicycle into a bicycle mechanism transfer function.

【0027】図1は、本実施例の電動モータ付自転車の
全体構成を表わしており、人力により駆動可能な自転車
機構(1)の車輪には、人力による駆動力を補助する電動
モータ(2)が連結されると共に、車輪の回転角度を検出
する回転角度センサ(3)が取り付けられている。又、回
転角度センサ(3)から得られる車輪回転角度の検出信号
に基づいて、電動モータの出力トルクを制御するパワー
アシストコントローラー(4)が装備されている。回転角
度センサ(3)としては、例えば、周知のロータリーエン
コーダ等、簡易な構成のセンサが採用可能である。
FIG. 1 shows the entire structure of a bicycle with an electric motor according to the present embodiment. The wheels of a bicycle mechanism (1) which can be driven by human power have an electric motor (2) which assists the driving power by human power. Are connected, and a rotation angle sensor (3) for detecting the rotation angle of the wheel is attached. Further, a power assist controller (4) for controlling the output torque of the electric motor based on a wheel rotation angle detection signal obtained from the rotation angle sensor (3) is provided. As the rotation angle sensor (3), for example, a sensor having a simple configuration such as a well-known rotary encoder can be adopted.

【0028】ペダルを踏むことによって発生する人力ト
ルクと、電動モータ(2)によって発生するモータ出力ト
ルクが、自転車機構(1)に与えられることによって、自
転車機構(1)の車輪が回転駆動される。車輪回転角度は
回転角度センサ(3)により検出され、該回転角度検出信
号は、パワーアシストコントローラー(4)に入力され
る。これに応じて、パワーアシストコントローラー(4)
はモータトルク指令を作成し、電動モータ(2)へ供給す
る。これによって車輪が駆動される。
The human-power torque generated by depressing the pedal and the motor output torque generated by the electric motor (2) are given to the bicycle mechanism (1), whereby the wheels of the bicycle mechanism (1) are driven to rotate. . The wheel rotation angle is detected by a rotation angle sensor (3), and the rotation angle detection signal is input to a power assist controller (4). In response, the power assist controller (4)
Creates a motor torque command and supplies it to the electric motor (2). This drives the wheels.

【0029】図2は、本実施例の電動モータ付自転車の
制御系を表わすブロック図である。先ず、パワーアシス
トコントローラー(4)について具体的に説明し、その
後、パワーアシストコントローラー(4)の設計に必要な
自転車機構(1)のモデル化について説明する。
FIG. 2 is a block diagram showing a control system of the bicycle with an electric motor according to the present embodiment. First, the power assist controller (4) will be specifically described, and then modeling of the bicycle mechanism (1) necessary for designing the power assist controller (4) will be described.

【0030】図2において、ペダルを踏むことによって
発生する人力トルク値τhと、電動モータが発生するモ
ータ出力トルク値τmが、自転車機構(1)へ同時に与え
られ、自転車機構(1)の車輪が駆動される。そして、車
輪の回転角度θが回転角度センサ(3)によって検出さ
れ、車輪回転角度θの検出信号はパワーアシストコント
ローラー(4)に入力される。
In FIG. 2, the human-powered torque value τh generated by depressing the pedal and the motor output torque value τm generated by the electric motor are simultaneously applied to the bicycle mechanism (1), and the wheels of the bicycle mechanism (1) are turned on. Driven. Then, the rotation angle θ of the wheel is detected by the rotation angle sensor (3), and a detection signal of the wheel rotation angle θ is input to the power assist controller (4).

【0031】パワーアシストコントローラー(4)におい
ては、回転角度センサ(3)から得られる車輪回転角度θ
の検出信号が微分演算器(41)に入力され、車輪回転角速
度ωが算出される。算出された車輪回転角速度ωは逆関
数演算器(42)に入力される。ここで、逆関数演算器(42)
は、後述の自転車機構(1)のモデルにおいて、人力トル
ク値τhとモータ出力トルク値τmの入力から車輪回転角
速度ωの導出に至るまでの自転車機構伝達関数Pn(s)
の逆関数Pn(s)-1を有しており、該逆関数Pn(s)
-1は、自転車機構伝達関数Pn(s)とは入出力関係が逆
となっている。従って、該逆関数Pn(s)-1に車輪回転
角速度ωが入力されることによって、人力トルク値τh
とモータ出力トルク値τmの合計値(τh+τm)が導出さ
れることになる。導出された人力トルク値τhとモータ
出力トルク値τmの合計値(τh+τm)は、減算器(43)に
入力され、モータ出力トルク値τmが減算されることに
よって、人力トルク値τhが導出される。導出された人
力トルク値τhは、安定化処理回路(44)に入力される。
ここで安定化処理回路(44)は、制御回路動作の安定化を
図るための伝達関数Q(s)を有し、該伝達関数Q(s)に
よる演算処理によって常に適切な人力トルク値τh′が
算出される。該伝達関数Q(s)の決定には周知の手法
(例えば、日本ロボット学会誌11巻4号1993年5
月、6頁〜13頁参照)を採用することができる。この
様にして導出された人力トルク値τh′は、モータトル
ク調整回路(45)に入力され、該人力トルク値τh′に応
じたモータトルク指令が作成され、電動モータ(2)へ供
給される。尚、モータトルク調整回路(45)の調整ゲイン
は、一定値、或いは自転車の走行速度等をパラメータと
する任意の関数によって規定することができる。この結
果、電動モータ(2)は、ペダルを踏むことによって発生
する人力トルクに応じたモータ出力トルクを発生する。
In the power assist controller (4), the wheel rotation angle θ obtained from the rotation angle sensor (3)
Is input to the differential calculator (41), and the wheel rotational angular velocity ω is calculated. The calculated wheel rotational angular velocity ω is input to the inverse function calculator (42). Here, the inverse function calculator (42)
Is a bicycle mechanism transfer function Pn (s) from the input of the manual torque value τh and the motor output torque value τm to the derivation of the wheel rotational angular velocity ω in a model of the bicycle mechanism (1) described later.
And the inverse function Pn (s) -1 of
-1 has an input / output relationship opposite to that of the bicycle mechanism transfer function Pn (s). Therefore, by inputting the wheel rotational angular velocity ω to the inverse function Pn (s) −1 , the manual torque value τh
And the sum of the motor output torque value τm (τh + τm). The sum (τh + τm) of the derived manpower torque value τh and the motor output torque value τm is input to the subtractor (43), and the manpower torque value τh is derived by subtracting the motor output torque value τm. . The derived manual torque value τh is input to the stabilization processing circuit (44).
Here, the stabilization processing circuit (44) has a transfer function Q (s) for stabilizing the operation of the control circuit. Is calculated. A well-known method is used to determine the transfer function Q (s).
(For example, Journal of the Robotics Society of Japan, Vol. 11, No. 4, May 1993
Month, see pages 6 to 13). The manual torque value τh ′ thus derived is input to the motor torque adjustment circuit (45), and a motor torque command corresponding to the manual torque value τh ′ is created and supplied to the electric motor (2). . Note that the adjustment gain of the motor torque adjustment circuit (45) can be defined by a constant value or an arbitrary function using the running speed of the bicycle as a parameter. As a result, the electric motor (2) generates a motor output torque corresponding to the human power torque generated by depressing the pedal.

【0032】次に、自転車機構(1)のモデル化について
説明する。図3は、自転車機構(1)のモデルの基本的な
構成を示しており、ペダルを踏むことによって発生する
人力トルク値τhと、電動モータによって発生するモー
タ出力トルク値τmの合計値(τh+τm)が減算部(11)に
入力され、ここで損失トルク値τlが減算されることに
よって、実際に自転車走行に寄与する自転車機構(1)の
駆動トルク値τが算出される。算出された駆動トルク値
τはトルク−角速度変換部(12)に入力される。ここで、
自転車機構(1)の駆動トルク値τと車輪回転角速度ωの
関係は、自転車走行時における自転車機構(1)の慣性力
Jと粘性抵抗Dをパラメータとして規定することがで
き、トルク−角速度変換部(12)は下記数1の伝達関数G
(s)で表わされる。
Next, modeling of the bicycle mechanism (1) will be described. FIG. 3 shows a basic configuration of a model of the bicycle mechanism (1), and is a total value (τh + τm) of a manual torque value τh generated by depressing a pedal and a motor output torque value τm generated by an electric motor. Is input to the subtraction unit (11), and the drive torque value τ of the bicycle mechanism (1) that actually contributes to the bicycle running is calculated by subtracting the loss torque value τ1. The calculated drive torque value τ is input to the torque-angular velocity conversion unit (12). here,
The relationship between the driving torque value τ of the bicycle mechanism (1) and the wheel rotational angular velocity ω can be defined by using the inertia force J and the viscous resistance D of the bicycle mechanism (1) during running of the bicycle as parameters. (12) is the transfer function G of the following equation 1.
(s).

【0033】[0033]

【数1】G(s)=1/(Js+D)## EQU1 ## G (s) = 1 / (Js + D)

【0034】従って、前記トルク−角速度変換部(12)に
より、実際の自転車走行における車輪回転角速度ωが導
出される。導出された車輪回転角速度ωは積分演算部(1
3)に入力され、積分が施されることによって、車輪回転
角度θが導出される。
Therefore, the torque-angular velocity converter (12) derives the wheel rotational angular velocity ω during actual bicycle running. The derived wheel rotational angular velocity ω is calculated by an integral operation unit (1
The wheel rotation angle θ is derived by inputting to 3) and performing integration.

【0035】図4は、更に前記損失トルク値τlを要素
として取り込んだ自転車機構(1)のモデルの具体的な構
成を示している。前記トルク−角速度変換部(12)により
導出された車輪回転角速度ωは、積分演算部(13)に入力
されると共に、自乗演算部(14)に入力される。ここで、
自転車走行時の空気抵抗は、自転車走行速度の自乗に比
例すると考えられる。従って、自乗演算部(14)にて車輪
回転角速度ωを自乗した後、風圧トルク算出部(15)にて
該自乗値に空気の粘性に応じた係数C1を乗算すること
により、空気抵抗による第1損失トルク成分τeが導出
されることになる。導出された第1損失トルク成分τe
は加算部(16)に入力され、外乱ランダムノイズによる第
2損失トルク成分τdが加算されることによって、自転
車走行時に受ける正確な損失トルク値τlが導出され
る。導出された損失トルク値τlは、前記減算部(11)に
入力される。上述の如く、自転車機構(1)をモデル化
し、自転車機構伝達関数Pn(s)を導出した後、周知の
手法によってその逆関数Pn(s)-1を求めることによ
り、車輪回転角速度ωを入力信号とし、人力及び電動モ
ータによって自転車機構(1)に与えられる入力トルク
(τh+τm)を出力信号とする逆システムの伝達関数が得
られることになる。
FIG. 4 shows a specific structure of a model of the bicycle mechanism (1) in which the loss torque value τl is further taken as an element. The wheel rotational angular velocity ω derived by the torque-angular velocity conversion section (12) is input to the integral calculation section (13) and also to the square calculation section (14). here,
It is considered that the air resistance during cycling is proportional to the square of the cycling speed. Therefore, after squaring the wheel rotation angular velocity ω in the square calculation unit (14), the wind pressure torque calculation unit (15) multiplies the square value by a coefficient C1 according to the viscosity of the air, so that One loss torque component τe is derived. Derived first loss torque component τe
Is input to the addition unit (16), and the second loss torque component τd due to disturbance random noise is added to derive an accurate loss torque value τl received during running of the bicycle. The derived loss torque value τl is input to the subtraction unit (11). As described above, the bicycle mechanism (1) is modeled, the bicycle mechanism transfer function Pn (s) is derived, and the inverse function Pn (s) -1 is obtained by a well-known method to input the wheel rotational angular velocity ω. Input torque given to bicycle mechanism (1) by human power and electric motor as signal
The transfer function of the inverse system having (τh + τm) as the output signal is obtained.

【0036】図5は、本発明のパワーアシストコントロ
ーラー(4)の制御手続きを表わしている。人力及びモー
タ出力によって自転車が駆動され始めると、先ずステッ
プS1にて、モータ出力トルク値τmを0に初期化し、
ステップS2にて、回転角度センサ(3)から車輪回転角
度θの検出信号を取り込む。
FIG. 5 shows a control procedure of the power assist controller (4) of the present invention. When the bicycle starts to be driven by human power and motor output, first, in step S1, the motor output torque value τm is initialized to 0,
In step S2, a detection signal of the wheel rotation angle θ is fetched from the rotation angle sensor (3).

【0037】ステップS3では、前記検出した車輪回転
角度θを微分演算器(41)に入力することにより、車輪回
転角速度ωを算出した後、ステップS4にて、車輪回転
角速度ωが正であるか否かを判断し、NOと判断された
場合は、ステップS1に戻る。 ステップS4にてYE
Sと判断された場合は、ステップS5に移行し、車輪回
転角速度ωを逆関数演算器(42)に入力することにより、
人力トルク値τhとモータ出力トルク値τmの合計値(τh
+τm)を導出する。その後、ステップS6では、人力ト
ルク値τhとモータ出力トルク値τmの合計値(τh+τm)
を減算器(43)に入力してモータ出力トルク値τmを減算
することにより、人力トルク値τhを算出する。そし
て、ステップS7にて、人力トルク値τhを安定化処理
回路(44)に入力することによって、制御回路動作を安定
化するための適切な人力トルク値τh′を算出する。次
にステップS8では、人力トルク値τh′をモータトル
ク調整回路(45)に入力することにより、人力トルク値τ
h′に応じたモータトルク指令を作成して電動モータ
(2)に供給し、ステップS2に戻る。
In step S3, the detected wheel rotation angle θ is input to the differential calculator (41) to calculate the wheel rotation angular speed ω. In step S4, the wheel rotation angular speed ω is determined to be positive. It is determined whether or not the answer is NO, and if NO, the process returns to step S1. YE in step S4
If determined to be S, the process proceeds to step S5, in which the wheel rotation angular velocity ω is input to the inverse function calculator (42).
The sum of the human input torque value τh and the motor output torque value τm (τh
+ Τm). Then, in step S6, the total value (τh + τm) of the manual torque value τh and the motor output torque value τm
Is input to the subtractor (43) to subtract the motor output torque value τm, thereby calculating the manual torque value τh. Then, in step S7, an appropriate manual torque value τh ′ for stabilizing the operation of the control circuit is calculated by inputting the manual torque value τh to the stabilization processing circuit (44). Next, in step S8, the manual torque value τh ′ is input to the motor torque adjustment circuit (45), thereby
Create motor torque command according to h '
It supplies to (2), and returns to step S2.

【0038】上記手続きによれば、電動モータ(2)の出
力トルクを、ペダルの踏みこみによって発生する人力ト
ルクに応じて変化させることができ、これによって適切
な補助駆動力が得られる。例えば、登り坂では、大きな
力でペダルを踏みつけることによって、自転車機構に対
して入力される人力トルクが大きくなり、この結果、電
動モータによって自転車機構に供給されるモータ出力ト
ルクが大きくなり、人力による駆動力が軽減される。こ
れに対し、下り坂では、ペダルを踏むのに大きな力は不
要であるので、自転車機構に対して入力される人力トル
クは小さくなり、この結果、電動モータによって自転車
機構に供給されるモータ出力トルクは小さくなる。
According to the above procedure, the output torque of the electric motor (2) can be changed according to the manual torque generated by depressing the pedal, whereby an appropriate auxiliary driving force can be obtained. For example, on an uphill, by depressing the pedal with a large force, the manpower torque input to the bicycle mechanism increases, and as a result, the motor output torque supplied to the bicycle mechanism by the electric motor increases, The driving force is reduced. On the other hand, on a downhill, since a large force is not required to depress the pedal, the manpower torque input to the bicycle mechanism is reduced, and as a result, the motor output torque supplied to the bicycle mechanism by the electric motor is reduced. Becomes smaller.

【0039】第2実施例 上記第1実施例においては、自転車機構伝達関数に自転
車走行時に受ける空気抵抗及び外乱ランダムノイズが組
み込まれているのに対し、図6に示す本実施例の電動モ
ータ付自転車においては、自転車機構伝達関数に自転車
走行時に受ける空気抵抗のみが組み込まれ、パワーアシ
ストコントローラー(40)にローパスフィルタ回路(47)を
設けることによって、外乱ランダムノイズを除去するも
のである。本実施例の電動モータ付自転車の全体構成
は、図1に示す第1実施例と同一である。
Second Embodiment In the first embodiment described above, the air resistance and disturbance random noise received when the bicycle is running are incorporated in the bicycle mechanism transfer function. On the other hand, with the electric motor of this embodiment shown in FIG. In a bicycle, only the air resistance received when the bicycle is running is incorporated in the bicycle mechanism transfer function, and the power assist controller (40) is provided with a low-pass filter circuit (47) to remove disturbance random noise. The overall configuration of the bicycle with an electric motor according to the present embodiment is the same as that of the first embodiment shown in FIG.

【0040】図6は、本実施例の電動モータ付自転車の
制御系を表わすブロック図であり、上記第1実施例と同
様に、先ず、パワーアシストコントローラー(40)につい
て具体的に説明し、その後、自転車機構(1)のモデル化
について説明する。
FIG. 6 is a block diagram showing a control system of the bicycle with an electric motor according to the present embodiment. As in the first embodiment, first, the power assist controller (40) will be specifically described, and thereafter, The modeling of the bicycle mechanism (1) will be described.

【0041】図6において、ペダルを踏むことによって
発生する人力トルク値τhと、電動モータが発生するモ
ータ出力トルク値τmが、自転車機構(1)へ同時に与え
られ、自転車機構(1)の車輪が駆動される。そして、車
輪の回転角度θが回転角度センサ(3)によって検出さ
れ、車輪回転角度θの検出信号はパワーアシストコント
ローラー(40)に入力される。
In FIG. 6, the human-powered torque value τh generated by depressing the pedal and the motor output torque value τm generated by the electric motor are simultaneously applied to the bicycle mechanism (1). Driven. Then, the rotation angle θ of the wheel is detected by the rotation angle sensor (3), and a detection signal of the wheel rotation angle θ is input to the power assist controller (40).

【0042】パワーアシストコントローラー(40)におい
ては、回転角度センサ(3)から得られる車輪回転角度θ
の検出信号が微分演算器(41)に入力され、車輪回転角速
度ωが算出される。算出された車輪回転角速度ωは逆関
数演算器(46)に入力される。ここで、逆関数演算器(46)
は、後述の自転車機構(1)のモデルにおいて、人力トル
ク値τhとモータ出力トルク値τmの合計値から外乱ラン
ダムノイズによる損失トルク成分τdを減算したトルク
値(τh+τm−τd)を入力信号として、車輪回転角速度
ωの導出に至るまでの自転車機構伝達関数Pn′(s)の
逆関数Pn′(s)-1を有している。該逆関数Pn′(s)-1
は、自転車機構伝達関数Pn′(s)とは入出力関係が逆
となっており、該逆関数Pn′(s)-1に車輪回転角速度
ωが入力されることによって、前記入力トルク値(τh+
τm−τd)が導出されることになる。
In the power assist controller (40), the wheel rotation angle θ obtained from the rotation angle sensor (3)
Is input to the differential calculator (41), and the wheel rotational angular velocity ω is calculated. The calculated wheel rotational angular velocity ω is input to the inverse function calculator (46). Here, the inverse function calculator (46)
In the model of the bicycle mechanism (1) described below, a torque value (τh + τm−τd) obtained by subtracting a loss torque component τd due to disturbance random noise from a total value of a human-power torque value τh and a motor output torque value τm as an input signal It has an inverse function Pn '(s) -1 of the bicycle mechanism transfer function Pn' (s) up to the derivation of the wheel rotational angular velocity ω. The inverse function Pn '(s) -1
Has an input / output relationship opposite to that of the bicycle mechanism transfer function Pn '(s). When the wheel rotation angular velocity ω is input to the inverse function Pn' (s) -1 , the input torque value ( τh +
τm−τd) will be derived.

【0043】導出されたトルク値(τh+τm−τd)はロ
ーパスフィルタ回路(47)へ入力され、ペダルの回転周波
数よりも高い周波数成分が除去される。ここで、一般的
に、外乱ランダムノイズによる損失トルク成分τdの周
波数はペダルの回転周波数に比べて充分に高い。従っ
て、ローパスフィルタ回路(47)からは、前記導出された
トルク値(τh+τm−τd)から外乱ランダムノイズによ
る損失トルク成分τdが除去された信号、即ち、人力ト
ルク値τhとモータ出力トルク値τmの合計値(τh+τm)
が出力される。
The derived torque value (τh + τm-τd) is input to a low-pass filter circuit (47), and a frequency component higher than the rotation frequency of the pedal is removed. Here, generally, the frequency of the loss torque component τd due to disturbance random noise is sufficiently higher than the rotation frequency of the pedal. Therefore, from the low-pass filter circuit (47), a signal in which the loss torque component τd due to disturbance random noise is removed from the derived torque value (τh + τm−τd), that is, the signal of the human-power torque value τh and the motor output torque value τm Total value (τh + τm)
Is output.

【0044】導出された人力トルク値τhとモータ出力
トルク値τmの合計値(τh+τm)は、減算器(43)に入力
され、モータ出力トルク値τmが減算されることによっ
て、人力トルク値τhが導出される。その後、人力トル
ク値τhに対して上記第1実施例と同様の処理が施さ
れ、電動モータ(2)からは、ペダルを踏むことによって
発生する人力トルクに応じたモータ出力トルクが出力さ
れることになる。
The sum (τh + τm) of the derived manpower torque value τh and the motor output torque value τm is input to a subtractor (43), and the manpower torque value τh is reduced by subtracting the motor output torque value τm. Derived. Thereafter, the same processing as in the first embodiment is performed on the human torque value τh, and the electric motor (2) outputs a motor output torque corresponding to the human torque generated by depressing the pedal. become.

【0045】次に、自転車機構(1)のモデル化について
説明する。図6に示す如く、ペダルを踏むことによって
発生する人力トルク値τhと、電動モータによって発生
するモータ出力トルク値τmの合計値(τh+τm)が第1
減算部(17)に入力され、外乱ランダムノイズによる損失
トルク成分τdが減算される。該減算結果は、第2減算
部(18)に入力され、自転車走行時に受ける空気抵抗によ
る損失トルク成分τeが減算されることによって、実際
に自転車走行に寄与する自転車機構(1)の駆動トルク値
τが算出される。算出された駆動トルク値τはトルク−
角速度変換部(12)に入力される。ここで、トルク−角速
度変換部(12)は、上記数1の伝達関数G(s)で表わさ
れ、上記第1実施例と同様に、実際の自転車走行におけ
る車輪回転角速度ωが導出される。導出された車輪回転
角速度ωは積分演算部(13)に入力され、積分が施される
ことによって、車輪回転角度θが導出される。又、前記
導出された車輪回転角速度ωは自乗演算部(14)にも同時
に入力され、車輪回転角速度ωを自乗した後、風圧トル
ク算出部(15)にて該自乗値に空気の粘性に応じた係数C
1を乗算することにより、空気抵抗による損失トルク成
分τeが導出される。導出された損失トルク成分τeは前
記減算部(18)に入力される。
Next, modeling of the bicycle mechanism (1) will be described. As shown in FIG. 6, the total value (τh + τm) of the manual torque value τh generated by depressing the pedal and the motor output torque value τm generated by the electric motor is the first value.
The loss torque component τd due to disturbance random noise is input to the subtraction unit (17). The result of the subtraction is input to a second subtraction unit (18), and the driving torque value of the bicycle mechanism (1) that actually contributes to the cycling by subtracting the loss torque component τe due to the air resistance received during the cycling. τ is calculated. The calculated drive torque value τ is the torque −
It is input to the angular velocity converter (12). Here, the torque-angular velocity converter (12) is represented by the transfer function G (s) of the above equation 1, and the wheel rotational angular velocity ω in actual bicycle running is derived as in the first embodiment. . The derived wheel rotation angular velocity ω is input to the integration calculation unit (13), and is integrated to derive the wheel rotation angle θ. The derived wheel rotational angular velocity ω is also input to the square calculating section (14) at the same time, and after squaring the wheel rotational angular velocity ω, the wind pressure torque calculating section (15) calculates the square value according to the viscosity of the air. Coefficient C
By multiplying by 1, a torque loss component τe due to air resistance is derived. The derived loss torque component τe is input to the subtraction unit (18).

【0046】自転車機構(1)を、上述の如くモデル化す
ることにより、人力トルク値τhとモータ出力トルク値
τmの合計値から外乱ランダムノイズによる損失トルク
成分τdを減算したトルク値(τh+τm−τd)を入力信号
として、車輪回転角速度ωの導出に至るまでの自転車機
構伝達関数Pn′(s)を得ることが出来る。そして、該
伝達関数Pn′(s)からその逆伝達関数Pn′(s)-1を求
めることによって、車輪回転角速度ωを入力信号とし、
前記入力トルク値(τh+τm−τd)を出力信号とする逆
システムの伝達関数が得られることになる。
By modeling the bicycle mechanism (1) as described above, the torque value (τh + τm−τd) obtained by subtracting the loss torque component τd due to disturbance random noise from the total value of the manual torque value τh and the motor output torque value τm. ) Can be used as an input signal to obtain the bicycle mechanism transfer function Pn '(s) up to the derivation of the wheel rotational angular velocity ω. Then, by obtaining the inverse transfer function Pn '(s) -1 from the transfer function Pn' (s), the wheel rotation angular velocity ω is used as an input signal,
A transfer function of an inverse system using the input torque value (τh + τm−τd) as an output signal is obtained.

【0047】上記本実施例の電動モータ付自転車によれ
ば、逆関数演算器(46)に外乱ランダムノイズ除去の要素
が組み込まれていない場合においても、ローパスフィル
タ回路(47)によって、外乱ランダムノイズによる損失ト
ルク成分τdを除去することが出来る。これによって、
実際にペダルを踏むことにより発生する人力トルクを求
めることが出来、該人力トルクに応じたモータ出力トル
クを電動モータ(2)に与えることによって、適切な補助
駆動力を得ることが出来る。
According to the bicycle with an electric motor according to the present embodiment, even when the inverse function calculator (46) does not incorporate a disturbance random noise elimination element, the disturbance random noise is controlled by the low-pass filter circuit (47). Τd can be removed. by this,
It is possible to obtain the manpower torque generated by actually depressing the pedal, and to provide a motor output torque corresponding to the manpower torque to the electric motor (2) to obtain an appropriate auxiliary driving force.

【0048】第3実施例 図7に示す本実施例の電動モータ付自転車は、パワーア
シストコントローラー(8)に人力トルク値算出回路(82)
を設けることによって、自転車機構(1)に対する負荷ト
ルク値を推定し、該推定値に基づいて、人力によって自
転車機構(1)に与えられるトルク値を導出するものであ
る。本実施例の全体構成は、図1に示す第1実施例と同
一である。
Third Embodiment A bicycle with an electric motor according to this embodiment shown in FIG. 7 has a power assist controller (8) and a human-powered torque value calculating circuit (82).
Is provided, a load torque value for the bicycle mechanism (1) is estimated, and a torque value given to the bicycle mechanism (1) by human power is derived based on the estimated value. The overall configuration of this embodiment is the same as that of the first embodiment shown in FIG.

【0049】図7は、本実施例の電動モータ付自転車の
制御系を表わすブロック図である。先ず、パワーアシス
トコントローラー(8)について具体的に説明し、その
後、自転車機構(1)のモデル化について説明する。
FIG. 7 is a block diagram showing a control system of the bicycle with an electric motor according to the present embodiment. First, the power assist controller (8) will be specifically described, and then modeling of the bicycle mechanism (1) will be described.

【0050】図7において、ペダルを踏むことによって
発生する人力トルク値τhと、電動モータが発生するモ
ータ出力トルク値τmの合計値、即ち駆動トルク値か
ら、負荷トルクτaを減算したトルク値(τh+τm−τa)
が、自転車機構(1)へ入力され、自転車機構(1)の車輪
が駆動される。ここで、負荷トルクτaは、空気抵抗に
よる負荷トルク成分τe、路面の傾斜による負荷トルク
成分τs及び外乱ランダムノイズによる負荷トルク成分
τdの合計値(τe+τs+τd)として与えられる。そし
て、車輪の回転角度θが、回転角度センサ(3)によって
検出され、車輪回転角度θの検出信号はパワーアシスト
コントローラー(8)に入力される。
In FIG. 7, the torque value (τh + τm) obtained by subtracting the load torque τa from the total value of the human output torque value τh generated by depressing the pedal and the motor output torque value τm generated by the electric motor, that is, the drive torque value. −τa)
Is input to the bicycle mechanism (1), and the wheels of the bicycle mechanism (1) are driven. Here, the load torque τa is given as a total value (τe + τs + τd) of a load torque component τe due to air resistance, a load torque component τs due to road surface inclination, and a load torque component τd due to disturbance random noise. Then, the rotation angle θ of the wheel is detected by the rotation angle sensor (3), and a detection signal of the wheel rotation angle θ is input to the power assist controller (8).

【0051】パワーアシストコントローラー(8)におい
ては、回転角度センサ(3)から得られる車輪回転角度θ
の検出信号が微分演算器(41)に入力され、車輪回転角速
度ωが算出される。算出された車輪回転角速度ωは逆関
数演算器(81)に入力される。ここで、逆関数演算器(81)
は、後述の自転車機構(1)のモデルにおいて、前記入力
トルク値(τh+τm−τa)を入力信号として、車輪回転
角速度ωの導出に至るまでの自転車機構伝達関数Rn
(s)の逆関数Rn(s)-1を有している。逆関数Rn(s)-1
は、自転車機構伝達関数Rn(s)とは入出力関係が逆と
なっており、該逆関数Rn(s)-1に車輪回転角速度ωが
入力されることによって、前記入力トルク値(τh+τm
−τa)が導出されることになる。
In the power assist controller (8), the wheel rotation angle θ obtained from the rotation angle sensor (3)
Is input to the differential calculator (41), and the wheel rotational angular velocity ω is calculated. The calculated wheel rotational angular velocity ω is input to the inverse function calculator (81). Here, the inverse function calculator (81)
In the model of the bicycle mechanism (1) described below, the input torque value (τh + τm−τa) is used as an input signal, and the bicycle mechanism transfer function Rn up to the derivation of the wheel rotational angular velocity ω is obtained.
It has the inverse function Rn (s) -1 of (s). Inverse function Rn (s) -1
Has an input / output relationship opposite to that of the bicycle mechanism transfer function Rn (s), and the input torque value (τh + τm) is input by inputting the wheel rotation angular velocity ω to the inverse function Rn (s) -1.
−τa) will be derived.

【0052】導出されたトルク値(τh+τm−τa)は減
算器(43)に入力され、モータ出力トルク値τmが減算さ
れることによって、観測トルク値(τh−τa)が導出され
る。導出された観測トルク値(τh−τa)は、人力トルク
値算出回路(82)に入力される。
The derived torque value (τh + τm−τa) is input to a subtractor (43), and the observed torque value (τh−τa) is derived by subtracting the motor output torque value τm. The derived observed torque value (τh−τa) is input to the manual torque value calculation circuit (82).

【0053】ここで、人力トルク値算出回路(82)の動作
原理について具体的に説明する。図9に矢印Aで示す如
く、一方のペダル(9a)に対し、垂直下方に踏力を与える
と、クランクアーム(90)は、矢印Bで示す如く時計方向
に回転する。ここで、クランクアーム(90)の傾斜角(ク
ランク角)を、該一方のペダル(9a)が上死点に達したと
きに0度として時計方向にとることとする。このとき、
自転車のペダルを漕ぐ過程において、自転車機構(1)に
与えられる人力トルクτhの大きさは、図10に示す如
く、一方のペダル(9a)が上死点或いは下死点に達したと
き、即ちクランク角が0度或いは180度のときに零と
なり、クランク角が90度或いは270度のときに最大
値となる。このため、人力トルクτhの変動には、ペダ
ル回転周期の1/2周期で零となる極小値が現われる。
Here, the operation principle of the manual torque value calculating circuit (82) will be specifically described. As shown by an arrow A in FIG. 9, when a pedaling force is applied vertically downward to one of the pedals (9a), the crank arm (90) rotates clockwise as shown by an arrow B. Here, the tilt angle (crank angle) of the crank arm (90) is set to 0 degrees when the one pedal (9a) reaches the top dead center, and is taken clockwise. At this time,
In the process of pedaling the bicycle, the magnitude of the human torque τh applied to the bicycle mechanism (1) is, as shown in FIG. 10, when one of the pedals (9a) reaches the top dead center or the bottom dead center, It becomes zero when the crank angle is 0 or 180 degrees, and becomes the maximum value when the crank angle is 90 or 270 degrees. For this reason, a minimum value that becomes zero in a half cycle of the pedal rotation cycle appears in the fluctuation of the human input torque τh.

【0054】一方、前記負荷トルクτaは、前述の如
く、空気抵抗による負荷トルク成分τe、路面の傾斜に
よる負荷トルク成分τs及び外乱ランダムノイズによる
負荷トルク成分τdの合計値(τe+τs+τd)であるが、
空気抵抗による負荷トルク成分τe及び路面の傾斜によ
る負荷トルク成分τsが支配的である。従って、負荷ト
ルクτaの大きさは、ペダルの回転周期よりも充分に長
い周期で変動する。
On the other hand, the load torque τa is a total value (τe + τs + τd) of the load torque component τe due to the air resistance, the load torque component τs due to the inclination of the road surface, and the load torque component τd due to the disturbance random noise, as described above.
The load torque component τe due to the air resistance and the load torque component τs due to the inclination of the road surface are dominant. Therefore, the magnitude of the load torque τa fluctuates in a cycle sufficiently longer than the rotation cycle of the pedal.

【0055】例えば図8(a)の如く路面の傾斜が変化し
たとき、平坦な路面では、負荷トルクは略零であるが、
上り斜面では、その傾斜に応じた正の負荷トルクが発生
し、下り斜面では、その傾斜に応じた負の負荷トルクが
発生する。即ち、負荷トルクτaは、路面の傾斜の変化
に応じた周期で変動することになり、この周期は一般に
ペダル回転周期よりも充分に長い(図8(c)参照)。
For example, when the inclination of the road surface changes as shown in FIG. 8A, the load torque is substantially zero on a flat road surface,
On an uphill slope, a positive load torque is generated according to the slope, and on a downhill slope, a negative load torque is generated according to the slope. That is, the load torque τa varies in a cycle corresponding to the change in the slope of the road surface, and this cycle is generally sufficiently longer than the pedal rotation cycle (see FIG. 8C).

【0056】この結果、人力トルク値τhから負荷トル
ク値τaを減算した値である観測トルク値(τh−τa)の
変動においても、図8(b)に示す如く、ペダルの回転周
期の1/2周期で極小値mが現われることになる。そし
て、その極小値mの発生時点で、人力トルク値τhは零
であるから、観測トルク値の極小値mは、負荷トルク値
τaの符号を反転した値(−τa)と一致する。
As a result, as shown in FIG. 8 (b), the fluctuation of the observed torque value (τh−τa) which is the value obtained by subtracting the load torque value τa from the manual torque value τh, as shown in FIG. The minimum value m appears in two cycles. When the minimum value m is generated, the human-power torque value τh is zero. Therefore, the minimum value m of the observed torque value matches the value (−τa) obtained by reversing the sign of the load torque value τa.

【0057】そこで、人力トルク値算出回路(82)によ
り、図8(b)に示す如く周期的に得られる観測トルク値
の極小値mに基づいて、同図(c)に示す負荷トルク値τ
aを推定し、この推定負荷トルク値τaを観測トルク値
(τh−τa)に加算することによって、同図(d)に示す人
力トルク値τhを導出することが出来る。
Then, based on the minimum value m of the observed torque value obtained periodically as shown in FIG. 8B, the load torque value τ shown in FIG.
a and estimate the estimated load torque value τa as the observed torque value.
By adding to (τh−τa), the human-power torque value τh shown in FIG.

【0058】尚、負荷トルク値τaの推定には、過去の
観測トルクの極小値の変動に基づいて、次の極小値が得
られるまでの負荷トルクを予測する方法や、現在の観測
トルクの極小値をペダル回転周期の1/2周期の期間だ
け保持することにより、ペダル回転周期の1/2周期の
遅れで負荷トルクを更新する方法など、周知の種々の方
法が採用出来る。これによって、図8(c)に示す負荷ト
ルクτaに近似した推定負荷トルク値を得ることが出来
る。
In order to estimate the load torque value τa, a method of predicting the load torque until the next minimum value is obtained based on the change of the minimum value of the past observation torque, the minimum value of the current observation torque, By holding the value for a half period of the pedal rotation period, various known methods such as a method of updating the load torque with a delay of a half period of the pedal rotation period can be adopted. As a result, an estimated load torque value approximate to the load torque τa shown in FIG. 8C can be obtained.

【0059】その後、人力トルクτhに対して上記第1
実施例と同様の処理が施され、電動モータ(2)からは、
ペダルを踏むことによって発生する人力トルクに応じた
モータ出力トルクが出力されることになる。
Thereafter, the first torque is applied to the manual torque τh.
The same processing as in the embodiment is performed, and from the electric motor (2),
The motor output torque corresponding to the manual torque generated by depressing the pedal is output.

【0060】次に、自転車機構(1)のモデル化について
説明する。図7に示す如く、ペダルを踏むことによって
発生する人力トルク値τhと、電動モータによって発生
するモータ出力トルク値τmの合計値(τh+τm)から負
荷トルクτaを減算したトルク値(τh+τm−τa)、即ち
実際に自転車走行に寄与する自転車機構(1)の駆動トル
ク値τが、トルク−角速度変換部(12)に入力される。こ
こで、トルク−角速度変換部(12)は、上記数1の伝達関
数G(s)で表わされ、上記第1実施例と同様に、実際の
自転車走行における車輪回転角速度ωが導出される。導
出された車輪回転角速度ωは積分演算部(13)に入力さ
れ、積分が施されることによって、車輪回転角度θが導
出される。
Next, modeling of the bicycle mechanism (1) will be described. As shown in FIG. 7, a torque value (τh + τm−τa) obtained by subtracting the load torque τa from a total value (τh + τm) of the human output torque value τh generated by depressing the pedal and the motor output torque value τm generated by the electric motor; That is, the drive torque value τ of the bicycle mechanism (1) that actually contributes to the running of the bicycle is input to the torque-angular velocity converter (12). Here, the torque-angular velocity converter (12) is represented by the transfer function G (s) of the above equation 1, and the wheel rotational angular velocity ω in actual bicycle running is derived as in the first embodiment. . The derived wheel rotation angular velocity ω is input to the integration calculation unit (13), and is integrated to derive the wheel rotation angle θ.

【0061】自転車機構(1)を、上述の如くモデル化す
ることにより、人力トルク値τhとモータ出力トルク値
τmの合計値から負荷トルク値τaを減算したトルク値
(τh+τm−τa)を入力信号として、車輪回転角速度ω
の導出に至るまでの自転車機構伝達関数Rn(s)を得る
ことが出来る。そして、該伝達関数Rn(s)からその逆
伝達関数Rn(s)-1を求めることによって、車輪回転角
速度ωを入力信号とし、前記入力トルク値(τh+τm−
τa)を出力信号とする逆システムの伝達関数が得られる
ことになる。
By modeling the bicycle mechanism (1) as described above, the torque value obtained by subtracting the load torque value τa from the total value of the manual torque value τh and the motor output torque value τm is obtained.
(τh + τm−τa) as an input signal and the wheel rotation angular velocity ω
Can be obtained up to the derivation of the bicycle mechanism transfer function Rn (s). Then, by calculating the inverse transfer function Rn (s) -1 from the transfer function Rn (s), the wheel rotational angular velocity ω is used as an input signal, and the input torque value (τh + τm−
The transfer function of the inverse system having τa) as the output signal is obtained.

【0062】図11は、本発明のパワーアシストコント
ローラー(8)の制御手続きを表わしている。人力及びモ
ータ出力によって自転車が駆動され始めると、先ずステ
ップS10にて、モータ出力トルク値τm及び負荷トル
ク値τaを0に初期化し、ステップS11にて、回転角
度センサ(3)から車輪回転角度θの検出信号を取り込
む。
FIG. 11 shows a control procedure of the power assist controller (8) of the present invention. When the bicycle starts to be driven by human power and motor output, first, in step S10, the motor output torque value τm and the load torque value τa are initialized to 0, and in step S11, the wheel rotation angle θ is obtained from the rotation angle sensor (3). Capture the detection signal.

【0063】ステップS12では、前記検出した車輪回
転角度θを微分演算器(41)に入力することにより、車輪
回転角速度ωを算出した後、ステップS13にて、車輪
回転角速度ωが正であるか否かを判断する。ステップS
13にてNOと判断された場合は、ステップS10に戻
る。ステップ13にてYESと判断された場合は、ステ
ップS14に移行し、車輪回転角速度ωを逆関数演算器
(81)に入力することにより、人力トルク値τhとモータ
出力トルク値τmの合計値から負荷トルク値τaを減算し
たトルク値(τh+τm−τa)を導出する。その後、ステ
ップS15では、前記トルク値(τh+τm−τa)を減算
器(43)に入力してモータ出力トルク値τmを減算するこ
とにより、観測トルク値(τh−τa)を算出する。次に、
ステップS16にて、ペダル回転角度φが0°或いは1
80°であるか否かを判断し、YESと判断された場合
は、ステップS17に移行して、上述の如く負荷トルク
値τaを推定する。そして、ステップS18にて、この
推定負荷トルク値τaを観測トルク値(τh−τa)に加算
することによって、人力トルク値τaを導出する。一
方、ステップS16にてNOと判断された場合には、ス
テップS18に移行し、現在の観測トルク値(τh−τa)
にそのときの推定負荷トルク値τaを加算することによ
って、人力トルク値τhを導出する。そして、ステップ
S19にて、人力トルク値τhを安定化処理回路(44)に
入力することによって、制御回路動作を安定化するため
の適切な人力トルク値τh′を算出する。次にステップ
S20では、人力トルク値τh′をモータトルク調整回
路(45)に入力することにより、人力トルク値τh′に応
じたモータトルク指令を作成して電動モータ(2)に供給
し、ステップS11に戻る。
In step S12, the detected wheel rotation angle θ is input to the differentiator (41) to calculate the wheel rotation angular velocity ω. In step S13, whether the wheel rotation angular velocity ω is positive is determined. Determine whether or not. Step S
If NO is determined in step 13, the process returns to step S10. If YES is determined in the step 13, the process proceeds to a step S14, and the wheel rotation angular velocity ω is calculated by an inverse function calculator.
By inputting to (81), a torque value (τh + τm−τa) is obtained by subtracting the load torque value τa from the total value of the manual torque value τh and the motor output torque value τm. Then, in step S15, the observed torque value (τh-τa) is calculated by inputting the torque value (τh + τm−τa) to the subtractor (43) and subtracting the motor output torque value τm. next,
In step S16, the pedal rotation angle φ is 0 ° or 1
It is determined whether the angle is 80 °, and if YES, the process proceeds to step S17 to estimate the load torque value τa as described above. Then, in step S18, the human-powered torque value τa is derived by adding the estimated load torque value τa to the observed torque value (τh−τa). On the other hand, if NO is determined in the step S16, the process shifts to a step S18, where the current observed torque value (τh−τa)
Is added to the estimated load torque value τa at that time to derive the manual torque value τh. Then, in step S19, an appropriate manual torque value τh ′ for stabilizing the operation of the control circuit is calculated by inputting the manual torque value τh to the stabilization processing circuit (44). Next, in step S20, the human torque value τh ′ is input to the motor torque adjustment circuit (45), thereby generating a motor torque command corresponding to the human torque value τh ′ and supplying it to the electric motor (2). It returns to S11.

【0064】第4実施例 上記第3実施例においては、自転車機構伝達関数に負荷
トルクが組み込まれていないのに対し、図12に示す本
実施例の電動モータ付自転車においては、自転車機構伝
達関数に自転車走行時に受ける空気抵抗による負荷トル
ク成分を組み込んだものである。本実施例の電動モータ
付自転車の全体構成は、図1に示す第1実施例と同一で
ある。
Fourth Embodiment In the third embodiment, the load torque is not incorporated in the bicycle mechanism transfer function. On the other hand, in the bicycle with the electric motor of this embodiment shown in FIG. And a load torque component due to air resistance received when riding a bicycle. The overall configuration of the bicycle with an electric motor according to the present embodiment is the same as that of the first embodiment shown in FIG.

【0065】図12は、本実施例の電動モータ付自転車
の制御系を表わすブロック図である。先ず、パワーアシ
ストコントローラー(80)について具体的に説明し、その
後、自転車機構(1)のモデル化について説明する。
FIG. 12 is a block diagram showing a control system of the bicycle with an electric motor according to the present embodiment. First, the power assist controller (80) will be specifically described, and then modeling of the bicycle mechanism (1) will be described.

【0066】図12において、ペダルを踏むことによっ
て発生する人力トルク値τhと、電動モータが発生する
モータ出力トルク値τmの合計値、即ち駆動トルク値(τ
h+τm)から、負荷トルクτa′を減算したトルク値(τh
+τm−τa′)が、自転車機構(1)へ入力され、自転車
機構(1)の車輪が駆動される。ここで、負荷トルクτ
a′は、路面の傾斜による負荷トルク成分τsと外乱ラン
ダムノイズによる負荷トルク成分τdの合計値(τs+τ
d)であって、自転車走行時に受ける空気抵抗による負荷
トルク成分τeは含まれない。そして、車輪の回転角度
θが、回転角度センサ(3)によって検出され、車輪回転
角度θの検出信号はパワーアシストコントローラー(80)
に入力される。
In FIG. 12, the total value of the human-power torque value τh generated by depressing the pedal and the motor output torque value τm generated by the electric motor, that is, the drive torque value (τ
h + τm) minus the load torque τa ′ (τh
+ Τm−τa ′) is input to the bicycle mechanism (1), and the wheels of the bicycle mechanism (1) are driven. Where the load torque τ
a ′ is the total value (τs + τ) of the load torque component τs due to the inclination of the road surface and the load torque component τd due to the random disturbance noise.
d), which does not include the load torque component τe due to the air resistance received during bicycle running. Then, the rotation angle θ of the wheel is detected by the rotation angle sensor (3), and the detection signal of the wheel rotation angle θ is transmitted to the power assist controller (80).
Is input to

【0067】パワーアシストコントローラー(80)におい
ては、回転角度センサ(3)から得られる車輪回転角度θ
の検出信号が微分演算器(41)に入力され、車輪回転角速
度ωが算出される。算出された車輪回転角速度ωは逆関
数演算器(83)に入力される。ここで、逆関数演算器(83)
は、後述の自転車機構(1)のモデルにおいて、前記入力
トルク値(τh+τm−τa′)を入力信号として、車輪回
転角速度ωの導出に至るまでの自転車機構伝達関数R
n′(s)の逆関数Rn′(s)-1を有している。逆関数R
n′(s)-1は、自転車機構伝達関数Rn′(s)とは入出力
関係が逆となっており、該逆関数Rn′(s)-1に車輪回
転角速度ωが入力されることによって、前記入力トルク
値(τh+τm−τa′)が導出されることになる。
In the power assist controller (80), the wheel rotation angle θ obtained from the rotation angle sensor (3)
Is input to the differential calculator (41), and the wheel rotational angular velocity ω is calculated. The calculated wheel rotational angular velocity ω is input to the inverse function calculator (83). Here, the inverse function calculator (83)
In the model of the bicycle mechanism (1) described later, the input torque value (τh + τm−τa ′) is used as an input signal, and the bicycle mechanism transfer function R up to the derivation of the wheel rotational angular velocity ω is obtained.
It has the inverse function Rn '(s) -1 of n' (s). Inverse function R
n ′ (s) −1 has an input / output relationship opposite to that of the bicycle mechanism transfer function Rn ′ (s), and the wheel rotation angular velocity ω is input to the inverse function Rn ′ (s) −1. As a result, the input torque value (τh + τm−τa ′) is derived.

【0068】導出されたトルク値(τh+τm−τa′)は
減算器(43)に入力され、モータ出力トルク値τmが減算
されることによって、観測トルク値(τh−τa′)が導出
される。導出された観測トルク値(τh−τa′)は、人力
トルク値算出回路(84)に入力され、上記第3実施例と同
一の原理により負荷トルク値τa′を推定し、この推定
負荷トルク値τa′を観測トルク値(τh−τa′)に加算
することによって、人力トルク値τhを導出する。ここ
で、負荷トルク値τa′は、路面の傾斜による負荷トル
ク成分τs及び外乱ランダムノイズによる負荷トルク成
分τdの合計値(τs+τd)であるが、路面の傾斜による
負荷トルク成分τsが支配的であるので、負荷トルク値
τa′の変動周期はペダルの回転周期よりも充分に長
い。従って、上記第3実施例と同様に、観測トルク値
(τh−τa′)の変動において、ペダルの回転周期の1/
2周期で極小値が現われ、該極小値に基づいて負荷トル
ク値τa′を推定することが出来る。
The derived torque value (τh + τm−τa ′) is input to the subtractor (43), and the observed torque value (τh−τa ′) is derived by subtracting the motor output torque value τm. The derived observed torque value (τh−τa ′) is input to a human-powered torque value calculation circuit (84), and a load torque value τa ′ is estimated according to the same principle as that of the third embodiment. The human input torque value τh is derived by adding τa ′ to the observed torque value (τh−τa ′). Here, the load torque value τa ′ is the total value (τs + τd) of the load torque component τs due to the road surface inclination and the load torque component τd due to the disturbance random noise, but the load torque component τs due to the road surface inclination is dominant. Therefore, the fluctuation cycle of the load torque value τa ′ is sufficiently longer than the rotation cycle of the pedal. Therefore, similarly to the third embodiment, the observed torque value
In the variation of (τh−τa ′), 1/100 of the pedal rotation cycle
The minimum value appears in two cycles, and the load torque value τa ′ can be estimated based on the minimum value.

【0069】その後、人力トルクτhに対して上記第1
実施例と同様の処理が施され、電動モータ(2)からは、
ペダルを踏むことによって発生する人力トルクに応じた
モータ出力トルクが出力されることになる。
Thereafter, the first torque is applied to the manual torque τh.
The same processing as in the embodiment is performed, and from the electric motor (2),
The motor output torque corresponding to the manual torque generated by depressing the pedal is output.

【0070】次に、自転車機構(1)のモデル化について
説明する。図12に示す如く、ペダルを踏むことによっ
て発生する人力トルク値τhと、電動モータによって発
生するモータ出力トルク値τmの合計値から負荷トルク
τa′(τs+τd)を減算したトルク値(τh+τm−τa′)
が減算部(71)に入力され、自転車走行時に受ける空気抵
抗による負荷トルク成分τeが減算されることによっ
て、実際に自転車走行に寄与する自転車機構(1)の駆動
トルク値τが算出される。算出された駆動トルク値τは
トルク−角速度変換部(12)に入力される。ここで、トル
ク−角速度変換部(12)は、上記数1の伝達関数G(s)で
表わされ、上記第1実施例と同様に、実際の自転車走行
における車輪回転角速度ωが導出される。導出された車
輪回転角速度ωは積分演算部(13)に入力され、積分が施
されることによって、車輪回転角度θが導出される。
又、前記導出された車輪回転角速度ωは自乗演算部(14)
にも同時に入力され、車輪回転角速度ωを自乗した後、
風圧トルク算出部(15)にて該自乗値に空気の粘性に応じ
た係数C1を乗算することにより、空気抵抗による負荷
トルク成分τeが導出される。導出された負荷トルク成
分τeは前記減算部(71)に入力される。
Next, modeling of the bicycle mechanism (1) will be described. As shown in FIG. 12, the torque value (τh + τm−τa ′) obtained by subtracting the load torque τa ′ (τs + τd) from the total value of the manual torque value τh generated by depressing the pedal and the motor output torque value τm generated by the electric motor. )
Is input to the subtraction unit (71), and the load torque component τe due to the air resistance received during the running of the bicycle is subtracted to calculate the driving torque value τ of the bicycle mechanism (1) that actually contributes to the running of the bicycle. The calculated drive torque value τ is input to the torque-angular velocity conversion unit (12). Here, the torque-angular velocity converter (12) is represented by the transfer function G (s) of the above equation 1, and the wheel rotational angular velocity ω in actual bicycle running is derived as in the first embodiment. . The derived wheel rotation angular velocity ω is input to the integration calculation unit (13), and is integrated to derive the wheel rotation angle θ.
Also, the derived wheel rotational angular velocity ω is a square calculation unit (14)
At the same time, and after squaring the wheel rotation angular velocity ω,
A load torque component τe due to air resistance is derived by multiplying the square value by a coefficient C1 according to the viscosity of air in a wind pressure torque calculation unit (15). The derived load torque component τe is input to the subtraction unit (71).

【0071】自転車機構(1)を、上述の如く、自転車機
構(1)に対する負荷トルクから自転車走行時に受ける空
気抵抗による負荷トルク成分τeを分離し、該負荷トル
ク成分τeを自転車機構(1)としてモデル化することに
より、空気抵抗を組み込んだ自転車機構伝達関数Rn′
(s)を得ることが出来る。そして、該伝達関数Rn′
(s)からその逆伝達関数Rn′(s)-1を求めることによ
って、車輪回転角速度ωを入力信号とし、人力トルク値
τhとモータ出力トルク値τmの合計値から、前記負荷ト
ルク成分τeを含まない負荷トルク値τa′を減算したト
ルク値(τh+τm−τa′)を出力信号とする逆システム
の伝達関数が得られることになる。
As described above, the bicycle mechanism (1) separates the load torque component τe due to the air resistance received during running the bicycle from the load torque on the bicycle mechanism (1), and uses the load torque component τe as the bicycle mechanism (1). By modeling, the bicycle mechanism transfer function Rn 'incorporating air resistance
(s) can be obtained. And the transfer function Rn '
By calculating the inverse transfer function Rn ′ (s) −1 from (s), the wheel rotational angular velocity ω is used as an input signal, and the load torque component τe is calculated from the total value of the manual torque value τh and the motor output torque value τm. As a result, a transfer function of an inverse system is obtained in which a torque value (τh + τm−τa ′) obtained by subtracting a load torque value τa ′ not included is used as an output signal.

【0072】上記第1乃至第4実施例の電動モータ付自
転車によれば、簡易な構成の回転角度センサを装備する
ことにより、人力トルクに応じたモータ出力トルクを発
生させることができるので、複雑な構成のトルク検出機
構は不要であり、これによって自転車機構を従来よりも
簡易化し、軽量化することが可能である。
According to the bicycles with the electric motors of the first to fourth embodiments, by providing a rotation angle sensor having a simple configuration, a motor output torque can be generated in accordance with human-powered torque. There is no need for a torque detecting mechanism having a simple structure, and thus the bicycle mechanism can be simplified and lightened as compared with the conventional one.

【0073】上記実施の形態の説明は、本発明を説明す
るためのものであって、特許請求の範囲に記載の発明を
限定し、或は範囲を減縮する様に解すべきではない。
又、本発明の各部構成は上記実施の形態に限らず、特許
請求の範囲に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能で
あることは勿論である。
The description of the above embodiments is for the purpose of illustrating the present invention, and should not be construed as limiting the invention described in the claims or reducing the scope thereof.
In addition, the configuration of each part of the present invention is not limited to the above-described embodiment, and it goes without saying that various modifications can be made within the technical scope described in the claims.

【0074】例えば、上記何れの実施例においても、パ
ワーアシストコントローラーの入力信号としては、車輪
回転角度の検出信号に限らず、回転角速度センサによっ
て検出した回転角速度を直接に逆関数演算器へ入力する
方式を用いることも可能である。この場合、微分演算器
は省略することができる。
For example, in any of the above embodiments, the input signal of the power assist controller is not limited to the detection signal of the wheel rotation angle, and the rotation angular velocity detected by the rotation angular velocity sensor is directly input to the inverse function calculator. It is also possible to use a method. In this case, the differential calculator can be omitted.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の電動モータ付自転車の全体構成を表わ
す図である。
FIG. 1 is a diagram illustrating an entire configuration of a bicycle with an electric motor according to the present invention.

【図2】第1実施例の電動モータ付自転車の制御系を表
わすブロック図である。
FIG. 2 is a block diagram illustrating a control system of the bicycle with the electric motor according to the first embodiment.

【図3】自転車機構のモデルの基本的な構成を表わすブ
ロック図である。
FIG. 3 is a block diagram illustrating a basic configuration of a model of a bicycle mechanism.

【図4】損失トルクを要素として取り込んだ自転車機構
のモデルの具体的な構成を表わすブロック図である。
FIG. 4 is a block diagram illustrating a specific configuration of a model of a bicycle mechanism in which loss torque is taken as an element.

【図5】第1実施例のパワーアシストコントローラーに
よる制御手続きを表わすフローチャートである。
FIG. 5 is a flowchart illustrating a control procedure performed by the power assist controller according to the first embodiment.

【図6】第2実施例の電動モータ付自転車の制御系を表
わすブロック図である。
FIG. 6 is a block diagram illustrating a control system of a bicycle with an electric motor according to a second embodiment.

【図7】第3実施例の電動モータ付自転車の制御系を表
わすブロック図である。
FIG. 7 is a block diagram illustrating a control system of a bicycle with an electric motor according to a third embodiment.

【図8】自転車走行における観測トルク値、負荷トルク
値及び人力トルク値の変動を表わすグラフである。
FIG. 8 is a graph showing fluctuations in an observed torque value, a load torque value, and a human-powered torque value in running a bicycle.

【図9】ペダルに対する踏力の方向とクランク角の関係
を説明する図である。
FIG. 9 is a diagram illustrating the relationship between the direction of the pedaling force applied to the pedal and the crank angle.

【図10】自転車機構に与えられる人力トルク値とクラ
ンク角の関係を表わすグラフである。
FIG. 10 is a graph showing a relationship between a manual torque value applied to a bicycle mechanism and a crank angle.

【図11】第3実施例のパワーアシストコントローラー
による制御手続きを表わすフローチャートである。
FIG. 11 is a flowchart illustrating a control procedure by the power assist controller according to the third embodiment.

【図12】第4実施例の電動モータ付自転車の制御系を
表わすブロック図である。
FIG. 12 is a block diagram illustrating a control system of a bicycle with an electric motor according to a fourth embodiment.

【図13】従来の電動モータ付自転車の全体構成を表わ
す図である。
FIG. 13 is a diagram illustrating an entire configuration of a conventional bicycle with an electric motor.

【図14】該電動モータ付自転車の制御系を表わすブロ
ック図である。
FIG. 14 is a block diagram showing a control system of the bicycle with an electric motor.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

(1) 自転車機構 (2) 電動モータ (3) 回転角度センサ (4) パワーアシストコントローラー (1) Bicycle mechanism (2) Electric motor (3) Rotation angle sensor (4) Power assist controller

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平5−310175(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) B62M 23/02 G01L 3/00 - 3/26 ────────────────────────────────────────────────── (5) References JP-A-5-310175 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. Cl. 7 , DB name) B62M 23/02 G01L 3/00-3 / 26

Claims (10)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 人力により駆動可能な自転車機構に電動
モータを連結して、人力による駆動力を補助する電動モ
ータ付自転車において、自転車機構には、自転車機構の
車輪回転角度又は回転角速度に応じた信号を検出するセ
ンサと、該センサ検出信号に基づいて電動モータの出力
トルクを制御する制御回路とが装備され、該制御回路
は、 人力及び電動モータによって自転車機構に与えられるト
ルクを入力信号とし、車輪回転角度又は回転角速度に応
じた信号を出力信号とする自転車機構伝達関数の逆関数
に基づいて、前記センサ検出信号から自転車機構に対す
る入力トルク値を導出する第1演算処理手段と、 前記導出された自転車機構に対する入力トルク値から電
動モータの出力トルク値を減算して人力トルク値を導出
する第2演算処理手段と、 前記導出された人力トルク値に応じたモータトルク指令
を作成し、電動モータへ供給するモータトルク調整手段
とを具えたことを特徴とする電動モータ付自転車。
1. A bicycle with an electric motor which assists a driving force by a human power by connecting an electric motor to a bicycle mechanism which can be driven by a human power, wherein the bicycle mechanism has a wheel rotation angle or a rotation angular velocity according to the bicycle mechanism. A sensor for detecting a signal, and a control circuit for controlling the output torque of the electric motor based on the sensor detection signal, wherein the control circuit uses human power and torque given to the bicycle mechanism by the electric motor as input signals, First operation processing means for deriving an input torque value for the bicycle mechanism from the sensor detection signal based on an inverse function of a bicycle mechanism transfer function that outputs a signal corresponding to a wheel rotation angle or a rotation angular velocity as an output signal; Calculating means for subtracting the output torque value of the electric motor from the input torque value for the bicycle mechanism to derive a human-powered torque value , To create a motor torque command corresponding to the derived human power torque value, bicycles electric motor, characterized in that it comprises a motor torque adjusting means for supplying to the electric motor.
【請求項2】 自転車機構伝達関数は、前記入力信号か
ら損失トルク値を減算する減算処理部と、該減算結果に
自転車機構の慣性力及び粘性抵抗をパラメータとする伝
達関数による演算処理を施して回転角速度を導出する伝
達関数部とから構成される請求項1に記載の電動モータ
付自転車。
2. A bicycle mechanism transfer function, comprising: a subtraction processing unit for subtracting a loss torque value from the input signal; and performing an arithmetic process by a transfer function using the inertial force and the viscous resistance of the bicycle mechanism as parameters. The electric motor-equipped bicycle according to claim 1, further comprising a transfer function unit that derives a rotational angular velocity.
【請求項3】 前記伝達関数部の後段に、前記導出され
た車輪回転角速度に基づいて、自転車走行時に受ける空
気抵抗による損失トルク成分を導出する第2伝達関数部
が接続され、該損失トルク成分が前記損失トルク値とし
て前記減算処理部へ入力される請求項2に記載の電動モ
ータ付自転車。
3. A second transfer function unit that derives a loss torque component due to air resistance received during running of the bicycle based on the derived wheel rotational angular velocity is connected to a stage subsequent to the transfer function unit. 3. The bicycle with an electric motor according to claim 2, wherein the torque loss value is input to the subtraction processing unit.
【請求項4】 前記第2伝達関数部と前記減算処理部の
間に、前記空気抵抗による第1損失トルク成分に外乱ラ
ンダムノイズによる第2損失トルク成分を加算する加算
処理部が介在し、該加算結果が前記損失トルク値として
前記減算処理部へ入力される請求項3に記載の電動モー
タ付自転車。
4. An addition processing unit for adding a second loss torque component due to disturbance random noise to a first loss torque component due to the air resistance is interposed between the second transfer function unit and the subtraction processing unit. The bicycle with an electric motor according to claim 3, wherein a result of the addition is input to the subtraction processing unit as the loss torque value.
【請求項5】 前記第1演算処理手段の後段に、ペダル
の回転周波数よりも高い周波数の高周波成分を除去する
ノイズ除去手段を具えている請求項3に記載の電動モー
タ付自転車。
5. The bicycle with an electric motor according to claim 3, further comprising a noise removing unit that removes a high-frequency component having a frequency higher than the rotation frequency of the pedal, after the first arithmetic processing unit.
【請求項6】 前記第2演算処理手段とモータトルク調
整手段の間には、制御回路の動作の安定化を図るための
伝達関数を有する第3演算処理手段が介在している請求
項1乃至請求項5の何れかに記載の電動モータ付自転
車。
6. A third arithmetic processing means having a transfer function for stabilizing the operation of a control circuit is interposed between the second arithmetic processing means and the motor torque adjusting means. A bicycle with an electric motor according to claim 5.
【請求項7】 人力により駆動可能な自転車機構に電動
モータを連結して、人力による駆動力を補助する電動モ
ータ付自転車において、自転車機構には、自転車機構の
車輪回転角度又は回転角速度に応じた信号を検出するセ
ンサと、該センサ検出信号に基づいて電動モータの出力
トルクを制御する制御回路とが装備され、該制御回路
は、 人力及び電動モータによる駆動トルクから負荷トルクを
減算したトルク値を自転車機構に対する入力信号とし、
車輪回転角度又は回転角速度に応じた信号を出力信号と
する自転車機構伝達関数の逆関数に基づいて、前記セン
サ検出信号から自転車機構に対する入力トルク値を導出
する第1演算処理手段と、 前記導出された自転車機構に対する入力トルク値から電
動モータの出力トルク値を減算して観測トルク値を導出
する第2演算処理手段と、 前記導出された観測トルク値の変動においてペダルの回
転周期の1/2周期で現われる極小値に基づいて、自転
車機構に対する負荷トルク値を推定し、前記観測トルク
値に該負荷トルク値を加算して自転車機構に与えられる
人力トルク値を導出する第3演算処理手段と、 前記導出された人力トルク値に応じたモータトルク指令
を作成し、電動モータへ供給するモータトルク調整手段
とを具えたことを特徴とする電動モータ付自転車。
7. A bicycle with an electric motor for assisting a driving force by a human power by connecting an electric motor to a bicycle mechanism which can be driven by a human power, wherein the bicycle mechanism has a wheel rotation angle or a rotation angular velocity according to the bicycle mechanism. A sensor for detecting the signal, and a control circuit for controlling the output torque of the electric motor based on the sensor detection signal. The control circuit calculates a torque value obtained by subtracting the load torque from the driving torque by the human power and the electric motor. As an input signal to the bicycle mechanism,
First arithmetic processing means for deriving an input torque value for the bicycle mechanism from the sensor detection signal based on an inverse function of a bicycle mechanism transfer function that outputs a signal corresponding to a wheel rotation angle or a rotation angular velocity; Second operation processing means for subtracting the output torque value of the electric motor from the input torque value for the bicycle mechanism to derive the observed torque value, and 変 動 the rotation period of the pedal in the variation of the derived observed torque value A third arithmetic processing means for estimating a load torque value for the bicycle mechanism based on the minimum value appearing in the above, and deriving a human torque value given to the bicycle mechanism by adding the load torque value to the observed torque value; Motor torque adjusting means for generating a motor torque command according to the derived manual torque value and supplying the command to the electric motor. Bicycle with an electric motor.
【請求項8】 自転車機構伝達関数は、自転車機構の慣
性力及び粘性抵抗をパラメータとする伝達関数であっ
て、前記入力信号から回転角速度を導出するものである
請求項7に記載の電動モータ付自転車。
8. The bicycle motor transfer function according to claim 7, wherein the bicycle mechanism transfer function is a transfer function using the inertial force and the viscous resistance of the bicycle mechanism as parameters, and is for deriving a rotational angular velocity from the input signal. bicycle.
【請求項9】 自転車機構伝達関数は、前記入力信号か
ら自転車走行時に受ける空気抵抗による負荷トルク成分
を減算する減算処理部と、該減算結果に自転車機構の慣
性力及び粘性抵抗をパラメータとする伝達関数による演
算処理を施して回転角速度を導出する第1伝達関数部
と、前記導出された回転角速度に基づいて、自転車走行
時に受ける空気抵抗による負荷トルク成分を導出する第
2伝達関数部とから構成され、前記導出された負荷トル
ク成分が前記減算処理部へ入力される請求項7に記載の
電動モータ付自転車。
9. A bicycle mechanism transfer function for subtracting a load torque component due to air resistance received during cycling from the input signal, and transmitting the subtraction result using the inertia force and viscous resistance of the bicycle mechanism as parameters. A first transfer function unit that derives a rotational angular velocity by performing an arithmetic process using a function, and a second transfer function unit that derives a load torque component due to air resistance received during running of a bicycle based on the derived rotational angular speed. The bicycle with an electric motor according to claim 7, wherein the derived load torque component is input to the subtraction processing unit.
【請求項10】 前記第3演算処理手段とモータトルク
調整手段の間には、制御回路の動作の安定化を図るため
の伝達関数を有する第4演算処理手段が介在している請
求項7乃至請求項9の何れかに記載の電動モータ付自転
車。
10. A fourth arithmetic processing means having a transfer function for stabilizing the operation of a control circuit is interposed between the third arithmetic processing means and the motor torque adjusting means. A bicycle with an electric motor according to claim 9.
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