JP3680201B2 - アシスト電動車用直流電動機のトルク制御方法、トルク制御装置及びアシスト電動車 - Google Patents
アシスト電動車用直流電動機のトルク制御方法、トルク制御装置及びアシスト電動車 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、操作力を補助するタイプの電動車（アシスト電動車）に適用するアシスト電動車用直流電動機のトルク制御方法、トルク制御装置及びアシスト電動車に係り、とくに駆動時だけでなく制動時も操作力（操作量）に比例した制動力を発生させ得るようにして円滑な制動動作を実現したアシスト電動車用直流電動機のトルク制御方法、トルク制御装置及びアシスト電動車に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に操作力（操作量）を補助するタイプの電動車、つまりアシスト電動車では操作力に比例した駆動力を発生させ操作力と同一の方向に加える（加算する）ことが求められる。つまり、軽く押せば補助力も小さく、強く押せば補助力も強くなる。
【０００３】
この種のアシスト式電動台車、アシスト式電動車椅子等のアシスト電動車は、バッテリー等の直流電源を用いた直流電動機に操作力に比例したトルクを発生させ、そのトルクでアシストを行う構成が一般的である。直流電動機のトルクは電流に比例するため結局操作力に比例する電流を流す制御を行う。
【０００４】
図６に、このような目的に使う直流電動機の従来のトルク制御装置を示す。この図において、Ｍは直流電動機、Ｅは直流電源（バッテリ）、Ｑ１乃至Ｑ４はスイッチング素子としてのトランジスタ、Ｄ１乃至Ｄ４は各トランジスタＱ１乃至Ｑ４に逆並列に接続されたダイオードである。ここで、直流電動機Ｍの正転、逆転の切り換えのため、トランジスタＱ１，Ｑ３の直列回路と、トランジスタＱ２，Ｑ４の直列回路とを並列接続し（いわゆるブリッジ接続）、各直列回路の２個のトランジスタの接続点間に直流電動機Ｍを接続し、各直列回路を直流電動機に流れる電流を検出するための電流検出手段ＤＥを介して直流電源Ｅに接続している。制御回路ＣＮは例えば直流電動機Ｍの正転時にトランジスタＱ１，Ｑ４を導通させ、逆転時トランジスタＱ２，Ｑ３を導通させる制御を行うものである。比較回路ＣＭＰは正負操作入力（正負操作信号）と電流検出手段ＤＥの電流検出値とを比較して、比較結果を制御回路ＣＮに出力している。
【０００５】
図６の従来装置において、正負操作入力が例えば正の場合（つまり操作量が正の場合）、トランジスタＱ１及びＱ４がオン（導通）し、直流電源Ｅ−Ｑｌ−直流電動機Ｍ−Ｑ４−電流検出手段の検出抵抗−直流電源Ｅの経路で電流が流れ、直流電動機Ｍが正転方向に駆動される。正負操作入力が逆に負の場合（つまり操作量が負の場合）、トランジスタＱ２及びＱ３がオン（導通）し、直流電源Ｅ−Ｑ２−直流電動機Ｍ−Ｑ３−電流検出手段ＤＥの検出抵抗−直流電源Ｅの経路で電流が流れ、直流電動機Ｍが逆転方向に駆動される。
【０００６】
いま直流電動機Ｍの電流制御を正回転の場合で説明する。トランジスタＱｌ，Ｑ４がオンして直流電動機Ｍが通電されると、直流電動機の電流は上昇して行く。電流が正負操作入力（操作量）から決まる規定の電流値に達すると、正負操作信号と電流検出手段ＤＥの検出値とを比較する比較回路ＣＭＰより一致信号が出て、電流検出手段ＤＥの電圧降下を比較回路ＣＭＰを介し監視している制御回路ＣＮがトランジスタＱ４を遮断する。このとき直流電動機の電流は、直流電動機Ｍ−Ｄ２−Ｑ１−直流電動機の経路で流れ続け急激に落ちることはない。短い時間の後、再びＱ４がオンされると直流電動機の電流は上昇し以後同じサイクルが繰り返される。従ってＱ４で電流を遮断しても直流電動機電流は一定に保たれ直流電動機は定電流駆動される（フライホイル効果による）。この目的のため正転の場合はＱ１、逆転の場合はＱ２はオンのまま保たれる。この方式によると直流電動機は正転、逆転のいずれの方向にも操作量に比例した電流でなめらかに駆動できる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、この駆動方式の問題点は、制動トルクが制御できない点にある。このことを図７で説明すると、例えばトランジスタＱ１，Ｑ４がオンし、直流電動機Ｍが正転している場合、単にＱ１，Ｑ４をオフすると直流電動機電流が遮断され空転を続け制動力は発生しない。制動するには直流電動機Ｍに逆転方向の電流を流す必要があり、このためＱ２，Ｑ３をオンさせると直流電動機には瞬時、直流電源Ｅ−Ｑ２−直流電動機Ｍ−Ｑ３−検出抵抗−直流電源Ｅの経路で逆転電流が流れるが電流値が操作量から決まる値に達すると制御回路ＣＮによりＱ３がオフされる。この状態では直流電動機はまだ正転を続けており図７中の矢印方向に起電力を生じている。
【０００８】
従ってトランジスタＱ３がオフすると図７の直流電動機Ｍ−Ｄ１−Ｑ２−直流電動機の経路を発電制動電流が流れる。この電流は直流電動機やダイオード、トランジスタの内部抵抗でしか制限されないため、非常に大きな値となり又検出抵抗を通らないため制御できない。従って意志に反した大きな制動力が発生し衝撃が大きかった。このためこの制御方式をとるアシスト電動車は制動力を制御できず、制動時の衝撃が大きいという問題があった。
【０００９】
本発明の第１の目的は、上記の点に鑑み、駆動時だけでなく制動時も操作力、つまり操作入力に比例する制動力を発生させ、円滑な制動動作を実現したアシスト電動車用直流電動機のトルク制御方法及び装置を提供することにある。
【００１０】
本発明の第２の目的は、駆動時だけでなく制動時も操作力、つまり操作入力に比例する制動力を発生させ得、駆動力のみならず制動力をもアシスト出来るアシスト電動車を提供することにある。
【００１１】
本発明のその他の目的や新規な特徴は後述の実施の形態において明らかにする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明のアシスト電動車用直流電動機のトルク制御方法は、２個のスイッチング素子の直列回路を２個並列に直流電源に接続し、両直列回路の２個のスイッチング素子の接続点間に直流電動機を接続し、各スイッチング素子に逆並列にフライホイル効果のためのダイオードを接続した回路を用い、操作入力の正転又は逆転の回転方向指令に対応させて両直列回路の２個のスイッチング素子のうちのいずれか一方をそれぞれ導通状態として前記直流電動機に当該操作入力に比例した電流を通電する構成であって、
前記操作入力の正転又は逆転の回転方向指令と前記直流電動機の回転方向とが反対である期間、両直列回路の一方のスイッチング素子を互いに同じタイミングで導通状態として、発電制動の発生を防いで前記操作入力に比例制御される逆転制動により制動することを特徴としている。
【００１３】
本発明のアシスト電動車用直流電動機のトルク制御装置は、２個のスイッチング素子の直列回路を２個並列に直流電源に接続し、両直列回路の２個のスイッチング素子の接続点間に直流電動機を接続し、各スイッチング素子に逆並列にフライホイル効果のためのダイオードを接続し、操作入力の正転又は逆転の回転方向指令に対応させて制御回路により両直列回路の２個のスイッチング素子のうちのいずれか一方をそれぞれ導通状態として前記直流電動機に当該操作入力に比例した電流を通電する構成であって、
前記直流電動機の回転方向を検出する回転方向検出手段を設け、前記操作入力の正転又は逆転の回転方向指令と前記回転方向検出手段で検出された回転方向とが反対である期間、前記制御回路によって両直列回路の一方のスイッチング素子を互いに同じタイミングで導通状態として、発電制動の発生を防いで前記操作入力に比例制御される逆転制動により制動することを特徴としている。
【００１４】
本発明のアシスト電動車は、駆動輪に回転補助のための回転トルクを与える直流電動機を具備した構成において、
２個のスイッチング素子の直列回路を２個並列に直流電源に接続し、両直列回路の２個のスイッチング素子の接続点間に前記直流電動機を接続し、各スイッチング素子に逆並列にフライホイル効果のためのダイオードを接続し、操作入力の正転又は逆転の回転方向指令に対応させて制御回路により両直列回路の２個のスイッチング素子のうちのいずれか一方をそれぞれ導通状態として前記直流電動機に当該操作入力に比例した電流を通電するとともに、前記直流電動機の回転方向を回転方向検出手段で検出するトルク制御装置とを備え、
前記トルク制御装置は、前記操作入力の正転又は逆転の回転方向指令と前記回転方向検出手段で検出された回転方向とが反対である期間、前記制御回路によって両直列回路の一方のスイッチング素子を互いに同じタイミングで導通状態として、発電制動の発生を防いで前記操作入力に比例制御される逆転制動により制動することを特徴としている。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るアシスト電動車用直流電動機のトルク制御装置及びアシスト電動車の実施の形態を図面に従って説明する。
【００１６】
図１は本発明の第１の実施の形態であって、アシスト電動車用直流電動機のトルク制御装置を示す。この場合、直流電動機Ｍの回転方向を検出する回転方向検出手段としてのロータリーエンコーダＲＥ及び第１方向判別器ＤＤ１が設けられている。第１方向判別器ＤＤ１は、直流電動機Ｍに連結されたロータリーエンコーダＲＥのａ相、ｂ相の検出信号を受けて直流電動機Ｍの正転状態、逆転状態を判別するようにしている。また、正負操作入力（制御信号としての正負操作信号）は比較回路ＣＭＰにその絶対値（操作量の大きさ）が与えられるとともに、正負の符号が第２方向判別器ＤＤ２に与えられる。第２方向判別器ＤＤ２は正負操作入力の正負の符号から正の回転方向指令（正転）であるか、負の回転方向指令（逆転）であるかを判別する。
【００１７】
駆動モード判別器ＭＤは、第１方向判別器ＤＤ１で判別した実際の直流電動機Ｍの回転方向と、第２方向判別器ＤＤ２で判別した正転又は逆転の回転方向指令とから、正転駆動モード、正転制動モード、逆転駆動モード、逆転制動モードの４つのモードのうち、どのモードに該当するかを判別して制御回路ＣＮに判別結果を出力する。
【００１８】
なお、その他の構成は前述した図６の従来回路と同様であり、同一又は相当部分に同一符号を付して説明を省略する。
【００１９】
このアシスト電動車用直流電動機のトルク制御装置において、直流電動機Ｍが正転状態で正負操作入力の回転方向指令が正転を指示している場合、正転駆動モードとなり制御回路ＣＮは図２（Ａ）の正転駆動モードのトランジスタの制御チャートの如くトランジスタＱ１，Ｑ４を駆動する。この場合の動作は従来の場合と同じで、トランジスタＱｌ，Ｑ４がオンして直流電動機Ｍが通電されると、直流電動機の電流は上昇して行く。電流が正負操作入力の絶対値（操作量の大きさ）から決まる規定の電流値に達すると（比較回路ＣＭＰで検出する）、電流検出手段ＤＥ（例えば低抵抗の検出抵抗）の電圧降下を比較回路ＣＭＰを介して監視している制御回路ＣＮがトランジスタＱ４を遮断する。このとき直流電動機の電流は、直流電動機Ｍ−Ｄ２−Ｑ１−直流電動機の経路で流れ続け急激に落ちることはない。短い時間の後、再びＱ４がオンされると直流電動機の電流は上昇し以後同じサイクルが繰り返される。従ってＱ４で電流を遮断しても直流電動機電流は一定に保たれ直流電動機は定電流駆動される（フライホイル効果による）。この目的のため正転の場合はＱ１はオンのまま保たれる。
【００２０】
また、直流電動機Ｍが正転状態で正負操作入力の回転方向指令が逆転を指示している場合（正転駆動モードから回転方向指令が逆転した場合）、正転制動モードとなり制御回路ＣＮは図２（Ｂ）の正転制動モードのトランジスタの制御チャートの如くトランジスタＱ２，Ｑ３を駆動する。この場合、トランジスタＱ２，Ｑ３のオン期間は一致しているから、従来の図７で説明した直流電動機Ｍの発電に起因する発電電流はトランジスタＱ２がトランジスタＱ３と同じタイミングでオン、オフすることで遮断され、直流電動機Ｍ−Ｄ１−Ｑ２−直流電動機の経路で発電制動電流が流れることを回避できる。このように、制動の場合は、直流電動機Ｍが停止するまでの間制御されない発電制動の発生を防ぎ、反転した操作入力に比例制御される逆転制動（プラグ制動）により制動する。
【００２１】
直流電動機Ｍが逆転状態で正負操作入力の回転方向指令が逆転を指示している場合、逆転駆動モードとなり制御回路ＣＮは図２（Ｃ）の逆転駆動モードのトランジスタの制御チャートの如くトランジスタＱ２，Ｑ３を駆動する。この場合の動作は従来の場合と同じで、トランジスタＱ２，Ｑ３がオンして直流電動機Ｍが通電されると、直流電動機の電流は上昇して行く。電流が正負操作入力の絶対値（操作量の大きさ）から決まる規定の電流値に達すると、電流検出手段ＤＥ（例えば低抵抗の検出抵抗）の電圧降下を監視している制御回路ＣＮがトランジスタＱ３を遮断する。このとき直流電動機の電流は、直流電動機Ｍ−Ｄ１−Ｑ２−直流電動機の経路で流れ続け急激に落ちることはない。短い時間の後、再びＱ３がオンされると直流電動機の電流は上昇し以後同じサイクルが繰り返される。従ってＱ３で電流を遮断しても直流電動機電流は一定に保たれ直流電動機は定電流駆動される（フライホイル効果による）。この目的のため逆転の場合はＱ２はオンのまま保たれる。
【００２２】
直流電動機Ｍが逆転状態で正負操作入力の回転方向指令が正転を指示している場合、逆転制動モードとなり制御回路ＣＮは図２（Ｄ）の逆転制動モードのトランジスタの制御チャートの如くトランジスタＱ１，Ｑ４を駆動する。この場合、トランジスタＱ１，Ｑ４のオン期間は一致しているから、従来の図７で説明した直流電動機Ｍの発電に起因する発電電流はトランジスタＱ１がトランジスタＱ４と同じタイミングでオン、オフすることで遮断され、直流電動機Ｍ−Ｄ２−Ｑ１−直流電動機の経路で発電制動電流が流れることを回避できる。
【００２３】
この第１の実施の形態で述べたアシスト電動車用直流電動機のトルク制御装置によれば、従来の単なる正転、逆転の２モードによる制御ではなく、正転駆動モード、正転制動モード、逆転駆動モード、逆転制動モードの４つのモードで直流電動機Ｍのトルク制御を実行している。すなわち、直流電動機Ｍの実際の正転又は逆転の回転方向を、ロータリーエンコーダＲＥ及び第１方向判別器ＤＤ１を有する回転方向検出手段で検出し、駆動モード判別器ＭＤにて、第１方向判別器ＤＤ１で判別した実際の直流電動機Ｍの回転方向と、正負操作入力を受ける第２方向判別器ＤＤ２で判別した正転又は逆転の回転方向指令とから、正転駆動モード、正転制動モード、逆転駆動モード、逆転制動モードの４つのモードのうち、どのモードに該当するかを判別して制御回路ＣＮを介し図２（Ａ）〜（Ｄ）の４通りの動作を実行している。
【００２４】
これにより、正転制動モード、逆転制動モード時に、直流電動機Ｍの発電に起因する発電電流の経路を遮断でき、電流検出手段ＤＥを通らない制御不能の発電制動電流による制動がかからないようにでき、操作入力に比例した逆転制動トルクのみを発生させることで、操作入力に比例した制動トルク制御が可能である。
【００２５】
図３乃至図５は本発明の第２の実施の形態であって、第１の実施の形態のアシスト電動車用直流電動機のトルク制御装置を具備したアシスト電動車を示す。
【００２６】
図３及び図４はアシスト電動車の機械的構造を示すもので、１は車体枠であり、該車体枠１に駆動輪２及び従動輪３が取り付けられている。ここで、駆動輪２は車体枠１の正面方向に向き固定で、回転自在に取り付けられる。また、従動輪３は、車体枠１に対して任意方向に向きを変換できる如く枢支されたブラケット４に回転自在に取り付けられるもので、キャスター構造をなしている。
【００２７】
車体枠１の下面側には、電動機取付フレーム１０に直流電動機Ｍ（ここでは減速器付の構造を例示する）が取り付けられ、チェーン、ベルト１１等を用いた巻掛け伝動機構を介して直流電動機Ｍの回転トルクを駆動輪２に伝達している。
【００２８】
車体枠１の後部には操作ハンドル２０を取り付けたボックス部２１が固定配置され、該ボックス部２１内に図５に示すセンサアンプＳＡ及びトルク制御装置３０が収納される。センサＳは操作ハンドル２０に加えられた機械的な正負（前進、後退）の操作入力を電気的な正負操作入力信号に変換する変換器であり、例えば図３の操作ハンドル２０の基部に取り付けられる歪検出器等である。なお、トルク制御装置３０は図１に示す第１の実施の形態の構成部分である。
【００２９】
このアシスト電動車において、操作ハンドル２０で前進方向に操作すると、アシスト電動車は前進するとともに操作ハンドル２０に加わった機械的操作入力に比例する電気的正負操作入力信号がセンサＳから出力され、これがセンサアンプＳＡで増幅されてトルク制御装置３０に与えられ、前記機械的操作入力に比例したアシスト用正転回転トルクが直流電動機Ｍから駆動輪２に供給される（正転駆動モード）。
【００３０】
アシスト電動車の前進状態にて操作ハンドル２０を後退方向に操作すると、アシスト電動車の前進が制動される正転制動モードとなる。つまり、アシスト電動車は前進しているが操作ハンドル２０に加わった逆向きの機械的操作入力に比例する電気的正負操作入力信号がセンサＳから出力され、これがセンサアンプＳＡで増幅されてトルク制御装置３０に与えられ、前記機械的操作入力に比例した制動アシスト用逆転回転トルクが直流電動機Ｍから駆動輪２に供給される。このとき、前述したように直流電動機Ｍの発電制動トルクは発生しない回路構成としてあるため、制動時の制動トルクも操作者の意志による操作量に比例することになり思い通りの制動がかけられる。従って、なめらかに制動可能なアシスト電動車が実現できる。
【００３１】
なお、アシスト電動車の後退方向の駆動は逆転駆動モード、後退状態で操作ハンドルを前進方向に操作する制動は逆転制動モードによる直流電動機Ｍのトルク制御が同様に行われる。
【００３２】
このように、第２の実施の形態で説明したアシスト電動車によれば、駆動のアシスト及び制動のアシストを操作ハンドル２０に加える機械的操作入力に比例させたトルクで実行でき、円滑なアシスト電動車の操作が可能である。このため、荷崩れ防止、乗り心地の改善が可能である。
【００３３】
以上本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明はこれに限定されることなく請求項の記載の範囲内において各種の変形、変更が可能なことは当業者には自明であろう。例えば、機械的操作入力手段、機械的操作入力を電気的正負操作信号に変換する変換器等は種々の構成が可能である。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、駆動時の駆動トルクだけでなく制動時の制動トルクも操作者の意志による操作量、つまり操作入力に比例させることが可能となり、円滑な制動動作を実現したアシスト電動車用直流電動機のトルク制御装置を実現でき、並びに該トルク制御装置を具備することで円滑な前進、後退、制動動作の動力補助が可能なアシスト電動車を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態であってアシスト電動車用直流電動機のトルク制御装置を示すブロック図である。
【図２】正転駆動モード、正転制動モード、逆転駆動モード、逆転制動モードの４つのモードにおけるトランジスタの制御チャート図である。
【図３】本発明の第２の実施に係るアシスト電動車の側面図である。
【図４】同平面図である。
【図５】第２の実施の形態に係るアシスト電動車の制御ブロック図である。
【図６】従来のアシスト電動車用直流電動機のトルク制御装置のブロック図である。
【図７】図６において発電制動電流の経路を示すブロック図である。
【符号の説明】
１ 車体枠
２ 駆動輪
３ 従動輪
１０ 電動機取付フレーム
２０ 操作ハンドル
２１ ボックス部
３０ トルク制御装置
ＣＭＰ 比較回路
ＣＮ 制御回路
Ｄ１〜Ｄ４ ダイオード
ＤＤ１，ＤＤ２ 方向判別器
ＤＥ 電流検出手段
Ｅ 直流電源
Ｍ 直流電動機
ＭＤ 駆動モード判別器
Ｑ１〜Ｑ４ トランジスタ
ＲＥ ロータリーエンコーダ
Ｓ センサ
ＳＡ センサアンプ
【発明の属する技術分野】
本発明は、操作力を補助するタイプの電動車（アシスト電動車）に適用するアシスト電動車用直流電動機のトルク制御方法、トルク制御装置及びアシスト電動車に係り、とくに駆動時だけでなく制動時も操作力（操作量）に比例した制動力を発生させ得るようにして円滑な制動動作を実現したアシスト電動車用直流電動機のトルク制御方法、トルク制御装置及びアシスト電動車に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に操作力（操作量）を補助するタイプの電動車、つまりアシスト電動車では操作力に比例した駆動力を発生させ操作力と同一の方向に加える（加算する）ことが求められる。つまり、軽く押せば補助力も小さく、強く押せば補助力も強くなる。
【０００３】
この種のアシスト式電動台車、アシスト式電動車椅子等のアシスト電動車は、バッテリー等の直流電源を用いた直流電動機に操作力に比例したトルクを発生させ、そのトルクでアシストを行う構成が一般的である。直流電動機のトルクは電流に比例するため結局操作力に比例する電流を流す制御を行う。
【０００４】
図６に、このような目的に使う直流電動機の従来のトルク制御装置を示す。この図において、Ｍは直流電動機、Ｅは直流電源（バッテリ）、Ｑ１乃至Ｑ４はスイッチング素子としてのトランジスタ、Ｄ１乃至Ｄ４は各トランジスタＱ１乃至Ｑ４に逆並列に接続されたダイオードである。ここで、直流電動機Ｍの正転、逆転の切り換えのため、トランジスタＱ１，Ｑ３の直列回路と、トランジスタＱ２，Ｑ４の直列回路とを並列接続し（いわゆるブリッジ接続）、各直列回路の２個のトランジスタの接続点間に直流電動機Ｍを接続し、各直列回路を直流電動機に流れる電流を検出するための電流検出手段ＤＥを介して直流電源Ｅに接続している。制御回路ＣＮは例えば直流電動機Ｍの正転時にトランジスタＱ１，Ｑ４を導通させ、逆転時トランジスタＱ２，Ｑ３を導通させる制御を行うものである。比較回路ＣＭＰは正負操作入力（正負操作信号）と電流検出手段ＤＥの電流検出値とを比較して、比較結果を制御回路ＣＮに出力している。
【０００５】
図６の従来装置において、正負操作入力が例えば正の場合（つまり操作量が正の場合）、トランジスタＱ１及びＱ４がオン（導通）し、直流電源Ｅ−Ｑｌ−直流電動機Ｍ−Ｑ４−電流検出手段の検出抵抗−直流電源Ｅの経路で電流が流れ、直流電動機Ｍが正転方向に駆動される。正負操作入力が逆に負の場合（つまり操作量が負の場合）、トランジスタＱ２及びＱ３がオン（導通）し、直流電源Ｅ−Ｑ２−直流電動機Ｍ−Ｑ３−電流検出手段ＤＥの検出抵抗−直流電源Ｅの経路で電流が流れ、直流電動機Ｍが逆転方向に駆動される。
【０００６】
いま直流電動機Ｍの電流制御を正回転の場合で説明する。トランジスタＱｌ，Ｑ４がオンして直流電動機Ｍが通電されると、直流電動機の電流は上昇して行く。電流が正負操作入力（操作量）から決まる規定の電流値に達すると、正負操作信号と電流検出手段ＤＥの検出値とを比較する比較回路ＣＭＰより一致信号が出て、電流検出手段ＤＥの電圧降下を比較回路ＣＭＰを介し監視している制御回路ＣＮがトランジスタＱ４を遮断する。このとき直流電動機の電流は、直流電動機Ｍ−Ｄ２−Ｑ１−直流電動機の経路で流れ続け急激に落ちることはない。短い時間の後、再びＱ４がオンされると直流電動機の電流は上昇し以後同じサイクルが繰り返される。従ってＱ４で電流を遮断しても直流電動機電流は一定に保たれ直流電動機は定電流駆動される（フライホイル効果による）。この目的のため正転の場合はＱ１、逆転の場合はＱ２はオンのまま保たれる。この方式によると直流電動機は正転、逆転のいずれの方向にも操作量に比例した電流でなめらかに駆動できる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、この駆動方式の問題点は、制動トルクが制御できない点にある。このことを図７で説明すると、例えばトランジスタＱ１，Ｑ４がオンし、直流電動機Ｍが正転している場合、単にＱ１，Ｑ４をオフすると直流電動機電流が遮断され空転を続け制動力は発生しない。制動するには直流電動機Ｍに逆転方向の電流を流す必要があり、このためＱ２，Ｑ３をオンさせると直流電動機には瞬時、直流電源Ｅ−Ｑ２−直流電動機Ｍ−Ｑ３−検出抵抗−直流電源Ｅの経路で逆転電流が流れるが電流値が操作量から決まる値に達すると制御回路ＣＮによりＱ３がオフされる。この状態では直流電動機はまだ正転を続けており図７中の矢印方向に起電力を生じている。
【０００８】
従ってトランジスタＱ３がオフすると図７の直流電動機Ｍ−Ｄ１−Ｑ２−直流電動機の経路を発電制動電流が流れる。この電流は直流電動機やダイオード、トランジスタの内部抵抗でしか制限されないため、非常に大きな値となり又検出抵抗を通らないため制御できない。従って意志に反した大きな制動力が発生し衝撃が大きかった。このためこの制御方式をとるアシスト電動車は制動力を制御できず、制動時の衝撃が大きいという問題があった。
【０００９】
本発明の第１の目的は、上記の点に鑑み、駆動時だけでなく制動時も操作力、つまり操作入力に比例する制動力を発生させ、円滑な制動動作を実現したアシスト電動車用直流電動機のトルク制御方法及び装置を提供することにある。
【００１０】
本発明の第２の目的は、駆動時だけでなく制動時も操作力、つまり操作入力に比例する制動力を発生させ得、駆動力のみならず制動力をもアシスト出来るアシスト電動車を提供することにある。
【００１１】
本発明のその他の目的や新規な特徴は後述の実施の形態において明らかにする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明のアシスト電動車用直流電動機のトルク制御方法は、２個のスイッチング素子の直列回路を２個並列に直流電源に接続し、両直列回路の２個のスイッチング素子の接続点間に直流電動機を接続し、各スイッチング素子に逆並列にフライホイル効果のためのダイオードを接続した回路を用い、操作入力の正転又は逆転の回転方向指令に対応させて両直列回路の２個のスイッチング素子のうちのいずれか一方をそれぞれ導通状態として前記直流電動機に当該操作入力に比例した電流を通電する構成であって、
前記操作入力の正転又は逆転の回転方向指令と前記直流電動機の回転方向とが反対である期間、両直列回路の一方のスイッチング素子を互いに同じタイミングで導通状態として、発電制動の発生を防いで前記操作入力に比例制御される逆転制動により制動することを特徴としている。
【００１３】
本発明のアシスト電動車用直流電動機のトルク制御装置は、２個のスイッチング素子の直列回路を２個並列に直流電源に接続し、両直列回路の２個のスイッチング素子の接続点間に直流電動機を接続し、各スイッチング素子に逆並列にフライホイル効果のためのダイオードを接続し、操作入力の正転又は逆転の回転方向指令に対応させて制御回路により両直列回路の２個のスイッチング素子のうちのいずれか一方をそれぞれ導通状態として前記直流電動機に当該操作入力に比例した電流を通電する構成であって、
前記直流電動機の回転方向を検出する回転方向検出手段を設け、前記操作入力の正転又は逆転の回転方向指令と前記回転方向検出手段で検出された回転方向とが反対である期間、前記制御回路によって両直列回路の一方のスイッチング素子を互いに同じタイミングで導通状態として、発電制動の発生を防いで前記操作入力に比例制御される逆転制動により制動することを特徴としている。
【００１４】
本発明のアシスト電動車は、駆動輪に回転補助のための回転トルクを与える直流電動機を具備した構成において、
２個のスイッチング素子の直列回路を２個並列に直流電源に接続し、両直列回路の２個のスイッチング素子の接続点間に前記直流電動機を接続し、各スイッチング素子に逆並列にフライホイル効果のためのダイオードを接続し、操作入力の正転又は逆転の回転方向指令に対応させて制御回路により両直列回路の２個のスイッチング素子のうちのいずれか一方をそれぞれ導通状態として前記直流電動機に当該操作入力に比例した電流を通電するとともに、前記直流電動機の回転方向を回転方向検出手段で検出するトルク制御装置とを備え、
前記トルク制御装置は、前記操作入力の正転又は逆転の回転方向指令と前記回転方向検出手段で検出された回転方向とが反対である期間、前記制御回路によって両直列回路の一方のスイッチング素子を互いに同じタイミングで導通状態として、発電制動の発生を防いで前記操作入力に比例制御される逆転制動により制動することを特徴としている。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るアシスト電動車用直流電動機のトルク制御装置及びアシスト電動車の実施の形態を図面に従って説明する。
【００１６】
図１は本発明の第１の実施の形態であって、アシスト電動車用直流電動機のトルク制御装置を示す。この場合、直流電動機Ｍの回転方向を検出する回転方向検出手段としてのロータリーエンコーダＲＥ及び第１方向判別器ＤＤ１が設けられている。第１方向判別器ＤＤ１は、直流電動機Ｍに連結されたロータリーエンコーダＲＥのａ相、ｂ相の検出信号を受けて直流電動機Ｍの正転状態、逆転状態を判別するようにしている。また、正負操作入力（制御信号としての正負操作信号）は比較回路ＣＭＰにその絶対値（操作量の大きさ）が与えられるとともに、正負の符号が第２方向判別器ＤＤ２に与えられる。第２方向判別器ＤＤ２は正負操作入力の正負の符号から正の回転方向指令（正転）であるか、負の回転方向指令（逆転）であるかを判別する。
【００１７】
駆動モード判別器ＭＤは、第１方向判別器ＤＤ１で判別した実際の直流電動機Ｍの回転方向と、第２方向判別器ＤＤ２で判別した正転又は逆転の回転方向指令とから、正転駆動モード、正転制動モード、逆転駆動モード、逆転制動モードの４つのモードのうち、どのモードに該当するかを判別して制御回路ＣＮに判別結果を出力する。
【００１８】
なお、その他の構成は前述した図６の従来回路と同様であり、同一又は相当部分に同一符号を付して説明を省略する。
【００１９】
このアシスト電動車用直流電動機のトルク制御装置において、直流電動機Ｍが正転状態で正負操作入力の回転方向指令が正転を指示している場合、正転駆動モードとなり制御回路ＣＮは図２（Ａ）の正転駆動モードのトランジスタの制御チャートの如くトランジスタＱ１，Ｑ４を駆動する。この場合の動作は従来の場合と同じで、トランジスタＱｌ，Ｑ４がオンして直流電動機Ｍが通電されると、直流電動機の電流は上昇して行く。電流が正負操作入力の絶対値（操作量の大きさ）から決まる規定の電流値に達すると（比較回路ＣＭＰで検出する）、電流検出手段ＤＥ（例えば低抵抗の検出抵抗）の電圧降下を比較回路ＣＭＰを介して監視している制御回路ＣＮがトランジスタＱ４を遮断する。このとき直流電動機の電流は、直流電動機Ｍ−Ｄ２−Ｑ１−直流電動機の経路で流れ続け急激に落ちることはない。短い時間の後、再びＱ４がオンされると直流電動機の電流は上昇し以後同じサイクルが繰り返される。従ってＱ４で電流を遮断しても直流電動機電流は一定に保たれ直流電動機は定電流駆動される（フライホイル効果による）。この目的のため正転の場合はＱ１はオンのまま保たれる。
【００２０】
また、直流電動機Ｍが正転状態で正負操作入力の回転方向指令が逆転を指示している場合（正転駆動モードから回転方向指令が逆転した場合）、正転制動モードとなり制御回路ＣＮは図２（Ｂ）の正転制動モードのトランジスタの制御チャートの如くトランジスタＱ２，Ｑ３を駆動する。この場合、トランジスタＱ２，Ｑ３のオン期間は一致しているから、従来の図７で説明した直流電動機Ｍの発電に起因する発電電流はトランジスタＱ２がトランジスタＱ３と同じタイミングでオン、オフすることで遮断され、直流電動機Ｍ−Ｄ１−Ｑ２−直流電動機の経路で発電制動電流が流れることを回避できる。このように、制動の場合は、直流電動機Ｍが停止するまでの間制御されない発電制動の発生を防ぎ、反転した操作入力に比例制御される逆転制動（プラグ制動）により制動する。
【００２１】
直流電動機Ｍが逆転状態で正負操作入力の回転方向指令が逆転を指示している場合、逆転駆動モードとなり制御回路ＣＮは図２（Ｃ）の逆転駆動モードのトランジスタの制御チャートの如くトランジスタＱ２，Ｑ３を駆動する。この場合の動作は従来の場合と同じで、トランジスタＱ２，Ｑ３がオンして直流電動機Ｍが通電されると、直流電動機の電流は上昇して行く。電流が正負操作入力の絶対値（操作量の大きさ）から決まる規定の電流値に達すると、電流検出手段ＤＥ（例えば低抵抗の検出抵抗）の電圧降下を監視している制御回路ＣＮがトランジスタＱ３を遮断する。このとき直流電動機の電流は、直流電動機Ｍ−Ｄ１−Ｑ２−直流電動機の経路で流れ続け急激に落ちることはない。短い時間の後、再びＱ３がオンされると直流電動機の電流は上昇し以後同じサイクルが繰り返される。従ってＱ３で電流を遮断しても直流電動機電流は一定に保たれ直流電動機は定電流駆動される（フライホイル効果による）。この目的のため逆転の場合はＱ２はオンのまま保たれる。
【００２２】
直流電動機Ｍが逆転状態で正負操作入力の回転方向指令が正転を指示している場合、逆転制動モードとなり制御回路ＣＮは図２（Ｄ）の逆転制動モードのトランジスタの制御チャートの如くトランジスタＱ１，Ｑ４を駆動する。この場合、トランジスタＱ１，Ｑ４のオン期間は一致しているから、従来の図７で説明した直流電動機Ｍの発電に起因する発電電流はトランジスタＱ１がトランジスタＱ４と同じタイミングでオン、オフすることで遮断され、直流電動機Ｍ−Ｄ２−Ｑ１−直流電動機の経路で発電制動電流が流れることを回避できる。
【００２３】
この第１の実施の形態で述べたアシスト電動車用直流電動機のトルク制御装置によれば、従来の単なる正転、逆転の２モードによる制御ではなく、正転駆動モード、正転制動モード、逆転駆動モード、逆転制動モードの４つのモードで直流電動機Ｍのトルク制御を実行している。すなわち、直流電動機Ｍの実際の正転又は逆転の回転方向を、ロータリーエンコーダＲＥ及び第１方向判別器ＤＤ１を有する回転方向検出手段で検出し、駆動モード判別器ＭＤにて、第１方向判別器ＤＤ１で判別した実際の直流電動機Ｍの回転方向と、正負操作入力を受ける第２方向判別器ＤＤ２で判別した正転又は逆転の回転方向指令とから、正転駆動モード、正転制動モード、逆転駆動モード、逆転制動モードの４つのモードのうち、どのモードに該当するかを判別して制御回路ＣＮを介し図２（Ａ）〜（Ｄ）の４通りの動作を実行している。
【００２４】
これにより、正転制動モード、逆転制動モード時に、直流電動機Ｍの発電に起因する発電電流の経路を遮断でき、電流検出手段ＤＥを通らない制御不能の発電制動電流による制動がかからないようにでき、操作入力に比例した逆転制動トルクのみを発生させることで、操作入力に比例した制動トルク制御が可能である。
【００２５】
図３乃至図５は本発明の第２の実施の形態であって、第１の実施の形態のアシスト電動車用直流電動機のトルク制御装置を具備したアシスト電動車を示す。
【００２６】
図３及び図４はアシスト電動車の機械的構造を示すもので、１は車体枠であり、該車体枠１に駆動輪２及び従動輪３が取り付けられている。ここで、駆動輪２は車体枠１の正面方向に向き固定で、回転自在に取り付けられる。また、従動輪３は、車体枠１に対して任意方向に向きを変換できる如く枢支されたブラケット４に回転自在に取り付けられるもので、キャスター構造をなしている。
【００２７】
車体枠１の下面側には、電動機取付フレーム１０に直流電動機Ｍ（ここでは減速器付の構造を例示する）が取り付けられ、チェーン、ベルト１１等を用いた巻掛け伝動機構を介して直流電動機Ｍの回転トルクを駆動輪２に伝達している。
【００２８】
車体枠１の後部には操作ハンドル２０を取り付けたボックス部２１が固定配置され、該ボックス部２１内に図５に示すセンサアンプＳＡ及びトルク制御装置３０が収納される。センサＳは操作ハンドル２０に加えられた機械的な正負（前進、後退）の操作入力を電気的な正負操作入力信号に変換する変換器であり、例えば図３の操作ハンドル２０の基部に取り付けられる歪検出器等である。なお、トルク制御装置３０は図１に示す第１の実施の形態の構成部分である。
【００２９】
このアシスト電動車において、操作ハンドル２０で前進方向に操作すると、アシスト電動車は前進するとともに操作ハンドル２０に加わった機械的操作入力に比例する電気的正負操作入力信号がセンサＳから出力され、これがセンサアンプＳＡで増幅されてトルク制御装置３０に与えられ、前記機械的操作入力に比例したアシスト用正転回転トルクが直流電動機Ｍから駆動輪２に供給される（正転駆動モード）。
【００３０】
アシスト電動車の前進状態にて操作ハンドル２０を後退方向に操作すると、アシスト電動車の前進が制動される正転制動モードとなる。つまり、アシスト電動車は前進しているが操作ハンドル２０に加わった逆向きの機械的操作入力に比例する電気的正負操作入力信号がセンサＳから出力され、これがセンサアンプＳＡで増幅されてトルク制御装置３０に与えられ、前記機械的操作入力に比例した制動アシスト用逆転回転トルクが直流電動機Ｍから駆動輪２に供給される。このとき、前述したように直流電動機Ｍの発電制動トルクは発生しない回路構成としてあるため、制動時の制動トルクも操作者の意志による操作量に比例することになり思い通りの制動がかけられる。従って、なめらかに制動可能なアシスト電動車が実現できる。
【００３１】
なお、アシスト電動車の後退方向の駆動は逆転駆動モード、後退状態で操作ハンドルを前進方向に操作する制動は逆転制動モードによる直流電動機Ｍのトルク制御が同様に行われる。
【００３２】
このように、第２の実施の形態で説明したアシスト電動車によれば、駆動のアシスト及び制動のアシストを操作ハンドル２０に加える機械的操作入力に比例させたトルクで実行でき、円滑なアシスト電動車の操作が可能である。このため、荷崩れ防止、乗り心地の改善が可能である。
【００３３】
以上本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明はこれに限定されることなく請求項の記載の範囲内において各種の変形、変更が可能なことは当業者には自明であろう。例えば、機械的操作入力手段、機械的操作入力を電気的正負操作信号に変換する変換器等は種々の構成が可能である。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、駆動時の駆動トルクだけでなく制動時の制動トルクも操作者の意志による操作量、つまり操作入力に比例させることが可能となり、円滑な制動動作を実現したアシスト電動車用直流電動機のトルク制御装置を実現でき、並びに該トルク制御装置を具備することで円滑な前進、後退、制動動作の動力補助が可能なアシスト電動車を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態であってアシスト電動車用直流電動機のトルク制御装置を示すブロック図である。
【図２】正転駆動モード、正転制動モード、逆転駆動モード、逆転制動モードの４つのモードにおけるトランジスタの制御チャート図である。
【図３】本発明の第２の実施に係るアシスト電動車の側面図である。
【図４】同平面図である。
【図５】第２の実施の形態に係るアシスト電動車の制御ブロック図である。
【図６】従来のアシスト電動車用直流電動機のトルク制御装置のブロック図である。
【図７】図６において発電制動電流の経路を示すブロック図である。
【符号の説明】
１ 車体枠
２ 駆動輪
３ 従動輪
１０ 電動機取付フレーム
２０ 操作ハンドル
２１ ボックス部
３０ トルク制御装置
ＣＭＰ 比較回路
ＣＮ 制御回路
Ｄ１〜Ｄ４ ダイオード
ＤＤ１，ＤＤ２ 方向判別器
ＤＥ 電流検出手段
Ｅ 直流電源
Ｍ 直流電動機
ＭＤ 駆動モード判別器
Ｑ１〜Ｑ４ トランジスタ
ＲＥ ロータリーエンコーダ
Ｓ センサ
ＳＡ センサアンプ
Claims (3)
- ２個のスイッチング素子の直列回路を２個並列に直流電源に接続し、両直列回路の２個のスイッチング素子の接続点間に直流電動機を接続し、各スイッチング素子に逆並列にフライホイル効果のためのダイオードを接続した回路を用い、操作入力の正転又は逆転の回転方向指令に対応させて両直列回路の２個のスイッチング素子のうちのいずれか一方をそれぞれ導通状態として前記直流電動機に当該操作入力に比例した電流を通電するアシスト電動車用直流電動機のトルク制御方法であって、
前記操作入力の正転又は逆転の回転方向指令と前記直流電動機の回転方向とが反対である期間、両直列回路の一方のスイッチング素子を互いに同じタイミングで導通状態として、発電制動の発生を防いで前記操作入力に比例制御される逆転制動により制動することを特徴とするアシスト電動車用直流電動機のトルク制御方法。 - ２個のスイッチング素子の直列回路を２個並列に直流電源に接続し、両直列回路の２個のスイッチング素子の接続点間に直流電動機を接続し、各スイッチング素子に逆並列にフライホイル効果のためのダイオードを接続し、操作入力の正転又は逆転の回転方向指令に対応させて制御回路により両直列回路の２個のスイッチング素子のうちのいずれか一方をそれぞれ導通状態として前記直流電動機に当該操作入力に比例した電流を通電するアシスト電動車用直流電動機のトルク制御装置であって、
前記直流電動機の回転方向を検出する回転方向検出手段を設け、前記操作入力の正転又は逆転の回転方向指令と前記回転方向検出手段で検出された回転方向とが反対である期間、前記制御回路によって両直列回路の一方のスイッチング素子を互いに同じタイミングで導通状態として、発電制動の発生を防いで前記操作入力に比例制御される逆転制動により制動することを特徴とするアシスト電動車用直流電動機のトルク制御装置。 - 駆動輪に回転補助のための回転トルクを与える直流電動機を具備したアシスト電動車において、
２個のスイッチング素子の直列回路を２個並列に直流電源に接続し、両直列回路の２個のスイッチング素子の接続点間に前記直流電動機を接続し、各スイッチング素子に逆並列にフライホイル効果のためのダイオードを接続し、操作入力の正転又は逆転の回転方向指令に対応させて制御回路により両直列回路の２個のスイッチング素子のうちのいずれか一方をそれぞれ導通状態として前記直流電動機に当該操作入力に比例した電流を通電するとともに、前記直流電動機の回転方向を回転方向検出手段で検出するトルク制御装置とを備え、
前記トルク制御装置は、前記操作入力の正転又は逆転の回転方向指令と前記回転方向検出手段で検出された回転方向とが反対である期間、前記制御回路によって両直列回路の一方のスイッチング素子を互いに同じタイミングで導通状態として、発電制動の発生を防いで前記操作入力に比例制御される逆転制動により制動することを特徴とするアシスト電動車。
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