JP4518298B2

JP4518298B2 - 電動補助自転車の制御装置

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Publication number: JP4518298B2
Application number: JP2001055399A
Authority: JP
Inventors: 薫畑中; 慎司古田
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2001-02-28
Filing date: 2001-02-28
Publication date: 2010-08-04
Anticipated expiration: 2021-02-28
Also published as: JP2002255082A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電動補助自転車の制御装置に関し、特に、電動補助装置を備えない自転車（以下、「通常の自転車」と呼ぶ）と同様の走行感覚で運転できるようにするのに好適な電動補助自転車の制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
人力でペダルに加えられた力つまり踏力を後輪に伝達するための人力駆動系と、踏力に応じて人力駆動系に補助動力を付加させることができるモータ駆動系とを備えた電動補助自転車が知られている。この電動補助自転車は踏力とペダル回転数とに応じたモータ出力で人力を補助するよう構成されていて、踏力が大きくなるとモータ出力が大きくなって人力は軽減される。すなわち、モータ出力は踏力比例出力である。
【０００３】
また、電動補助自転車と通常の自転車との重量差分を補助できるようにモータ出力を発生させることが考えられる。例えば、特開平８−１２７３８６号公報には、通常の自転車との重量差分をモータで補助するようにして、手押し走行時の人の負担を軽減するようにした電動補助自転車が提案されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、従来の電動補助自転車は、モータ出力が踏力比例出力であるため、ペダル回転に追従して周期的に大小変化する踏力に対して、この周期的な変化を増幅する方向に補助動力が与えられる。したがって、補助動力によって人の負担は軽減できるが、車速は周期的に変動する傾向がある。
【０００５】
一方、上記公報に記載されたように踏力を考慮せずに自転車の重量差分を補助動力でまかなうようにすれば、車速の周期的な変動は発生しない。しかし、従来は、乗車走行時にも踏力を考慮しないで補助動力を与えるようなことは考えられておらず、単に、手押し走行時の部分的な利用に限定されていた。したがって、傾斜路面の走行までも考慮にいれると、傾斜センサ等、他の補助制御手段が必要であった。
【０００６】
本発明の目的は、上記課題に鑑み、踏力の周期的な変動を増幅させることなく、傾斜路面や平坦路のいずれにおいても通常の自転車と変わらない走行感覚で運転できる電動補助自転車の制御装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明は、人力による駆動力を後輪に伝達するための人力駆動系と、モータによる駆動力を後輪に伝達するモータ駆動系とを備えた電動補助自転車の制御装置において、実走行抵抗に応じた駆動力をモータ駆動系で発生させる制御手段を具備した点に第１の特徴がある。
【０００８】
第１の特徴によれば、走行時に実際に電動自転車が受ける抵抗（実走行抵抗）を減少させるようにモータによる駆動力が発生させられる。したがって、周期的に大小変化する踏力に追従して補助動力を発生させるものよりも車速の変動を小さくすることができるし、路面の傾斜によって生じる走行抵抗の変化にも的確に対応して駆動力発生させることができる。
【０００９】
また、本発明は、前記実走行抵抗が、予定期間中に与えられた人力による駆動力およびモータによる駆動力の総駆動力に対する車速変化量の関数として算出される点に第２の特徴がある。第２の特徴によれば、車両の運転状態に応じて精度よく補助動力を与えることができる。
【００１０】
また、本発明は、車両の実走行抵抗が車両の平地走行時抵抗と略一致するように前記モータ駆動系で発生させる駆動力が制御される点に第３の特徴がある。実走行抵抗が平地走行時と同じになるように補助動力が与えられるので、路面の傾斜にかかわらず、いつも平坦地を走行しているのと変わらない感覚で運転することができる。
【００１１】
また、本発明は、前記平地走行時抵抗が、通常の自転車の平地走行時抵抗に設定される点に第４の特徴がある。第４の特徴によれば、電動補助自転車を、電動補助装置を有しない自転車（通常の自転車）と同じ感覚で軽快に運転することができる。
【００１２】
さらに、本発明は、走行路面の傾斜に変化が生じたことを判断する路面傾斜判断手段を具備し、走行路面が上り傾斜に変化したと判断されたときに前記モータ駆動系で発生させる駆動力を予定期間低減させ、走行路面が下り傾斜に変化したと判断されたときには、前記モータ駆動系で発生させる駆動力を予定期間増大させるように制御される点に第５の特徴がある。
【００１３】
第５の特徴によれば、路面が上り坂または下り坂になった時点で予定期間走行抵抗が増大または低減する。これにより運転者は路面の傾斜変化を実感して運転することができる。
【００１４】
また、さらに本発明は、前記路面傾斜判断手段が、前記実走行抵抗と予定の平地走行抵抗との比の値に基づいて、該比の値が予定値より大きいときは上り坂、該比の値が予定値より小さいときは下り坂であるとそれぞれ判断する手段を有する点に第６の特徴がある。第６の特徴によれば、傾斜センサを設けることなく、実走行抵抗検出手段により路面の傾斜を判断することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。図２は、本発明の一実施形態に係る制御装置を有する電動補助自転車の側面図である。電動補助自転車の車体フレーム１は、車体前方に位置するヘッドパイプ２と、ヘッドパイプ２から後下がりに延びるダウンパイプ３と、ダウンパイプ３に連結されて後方に延びるリヤフォーク４と、ダウンパイプ３の最下端から上方に立ち上がるシートポスト５とを備える。
【００１６】
ヘッドパイプ２にはフロントフォーク６が回動自在に支持される。フロントフォーク６の下端には前輪７が軸支され、フロントフォーク６の上端には操向ハンドル８が取り付けられる。操向ハンドル８には、ブレーキレバー９が設けられ、ブレーキレバー９から引き出されるケーブル１０は、フロントフォーク６に固定された前輪ブレーキ１１に連結される。同様に後輪ブレーキ用のブレーキレバーも操向ハンドル８に設けられるが、図示は省略している。また、ブレーキレバー９には、このブレーキレバー９が操作されたことを感知するブレーキセンサ（図示せず）が設けられる。
【００１７】
シートポスト５の上端に連結される左右一対のステー１２は後下がりに延び、下端近傍でリヤフォーク４と結合される。リヤフォーク４とステー１２とが結合されてなる部材には後輪１３が支持され、さらに前記部材に支持されて後輪１３のハブと同軸上に補助動力源としてのモータ１４が設けられる。モータ１４としては、高トルクかつ低フリクションである三相ブラシレスモータが好ましい。このモータ１４の具体的な構造や制御に関しては後述する。
【００１８】
シートポスト５には、上端にシート１５を備えた支持軸１６が、シート１５の高さを調整可能なように装着される。シート１５の下方でシートポスト５と後輪１３との間にはモータ１４に電力を供給するバッテリ１７が設けられる。バッテリ１７は、シートポスト５に固着されるブラケット１８に保持される。ブラケット１８には給電部１９が設けられ、この給電部１９は、図示しない電線でモータ１４に結合されるとともに、バッテリ１７の電極に接続される。バッテリ１７の上部は、バンド２０とバックル金具２１とからなる締結具でシートポスト５に支持される。
【００１９】
前記ダウンパイプ３とシートポスト５との交差部には、車体の左右に延びるクランク軸２２が支持され、クランク軸２２には、クランク２３を介してペダル２４が結合される。クランク軸２２には図示しない踏力センサを介して駆動スプロケット２５が連結され、ペダル２４に加えられた踏力は踏力センサを介して駆動スプロケット２５に伝達される。駆動スプロケット２５と後輪１３のハブに設けられた従動スプロケット２６間にはチェーン２７が掛け渡される。チェーン２７の張り側および駆動スプロケット２５にはチェーンカバー２８が被せられる。クランク軸２２には、クランク軸２２の回転センサが設けられる（図示せず）。回転センサとしては、自動車用エンジンのクランク軸回転検出に用いられるセンサ等、公知のものを使用できる。
【００２０】
続いて、クランク軸２２に装着された踏力検出装置を説明する。図１７はクランク軸２２周辺の断面図であり、図１８は図１７のＡ−Ａ矢視図である。ダウンパイプ３に固着された支持パイプ１００の両端に螺挿されたキャップ１０１Ｌ，１０１Ｒとクランク軸２２に形成された段差との間にはボールベアリング１０２Ｌ，１０２Ｒがそれぞれ嵌挿され、クランク軸２２を回転自在に支承する。
【００２１】
クランク軸２２の左右端には、ボルト１０３Ｂに適合するナット１０３Ｃでクランク２３がそれぞれ固定される（右側のみ図示）。クランク２３と支持パイプ１００との間にはワンウェイクラッチ１０４の内輪１０５が固定される。内輪１０５の外周には駆動スプロケット２５がブッシュ１０５Ａを介して回動自在に支承されている。駆動スプロケット２５のスラスト方向の位置はナット１０６Ａとプレート１０６Ｂとによって規制されている。
【００２２】
駆動スプロケット２５には蓋体１０７が一体的に設けられていて、これら駆動スプロケット２５と蓋体１０７で囲繞された空間には、伝達プレート１０８が配設されている。伝達プレート１０８は駆動スプロケット２５に対して同軸で、かつクランク軸２２を軸とした回転方向では互いに予定量のずれが許容されるよう支持されている。
【００２３】
駆動スプロケット２５および伝達プレー１０８にまたがって、複数（ここでは６個）の窓１０９が穿設されており、この窓１０９の内側には圧縮コイルばね１１０がそれぞれ収容されている。圧縮コイルばね１１０は駆動スプロケット２５および伝達プレート１０８間で、互いに回転方向のずれが生じたときに、ずれに対する抗力を生ずるように作用する。
【００２４】
伝達プレート１０８のハブの内周にはワンウェイクラッチ１０４の外輪としてのラチェット歯１１１が形成されていて、このラチェット歯１１１は前記内輪１０５に支持されて放射方向にばね１１２で付勢されているラチェット爪１１３と係合する。ワンウェイクラッチ１０４には防塵のためのカバー１１４が設けられる。
【００２５】
伝達プレート１０８には、踏力伝達リング１２４に固着された踏力伝達用の突起部１１５が係合する係止孔１１６が設けられる。駆動用スプロケット２５には、突起部１１５を係止孔１１６に係合可能にするための窓１１７が設けられていて、突起部１１５はこの窓１１７を貫通して、係止孔１１６に嵌合される。
【００２６】
駆動スプロケット２５および伝達プレート１０８にまたがって、前記窓１０９とは別の小窓が複数（ここでは３個）穿設されており、この小窓の内側には圧縮コイルばね１１８がそれぞれ収容される。圧縮コイルばね１１８は伝達プレート１０８をその回転方向１１９側に付勢するように配置されている。すなわち、駆動スプロケット２５と伝達プレート１０８との結合部のガタを吸収する方向に作用しており、伝達プレート１０８の変位が駆動スプロケット２５へ良好な応答性で伝達されるように機能する。
【００２７】
駆動スプロケット２５の、車体寄りつまりダウンパイプ３側には、踏力検知装置のセンサ部分（踏力センサ）４７が装着されている。踏力センサ４７は駆動スプロケット２５に固定された外側リング１２０と、この外側リング１２０に対して回転自在に設けられ、磁気回路を形成するためのセンサ本体１２１とを有する。
【００２８】
外側リング１２０は電気絶縁性を有する材料で形成されており、図示しないボルトで駆動スプロケット２５に固定される。外側リング１２０の、駆動スプロケット２５側にはカバー１２２が設けられ、止めねじ１２３で外側リング１２０に固定されている。
【００２９】
図１９は、センサ本体１２１の拡大断面図である。前記クランク軸２２と同心にコイル１２５が設けられ、このコイル１２５の軸方向両側に配置されて、コイル１２５の外周方向に張り出した一対のコア１２６Ａ，１２６Ｂが設けられる。また、前記コア１２６Ａ，１２６Ｂ間には、環状の第１誘導体１２７と第２誘導体１２８が設けられる。第１誘導体１２７と第２誘導体１２８とは、踏力伝達リング１２４から伝達される踏力に応じて互いに円周方向で変位可能であり、この変位によって、コア１２６Ａ，１２６Ｂ間における部分での互いの重なり量が変化するように構成される。その結果、コイル１２５に通電したとき、コア１２６Ａ，１２６Ｂおよびコアカラー１２９、ならびに第１誘導体１２７および第２誘導体１２８を含む磁気回路の磁束は踏力に応じて変化する。そこで、この磁束の関数であるコイル１２５のインダクタンス変化を検出して踏力検出することができる。なお、図１９において、符号１３０，１３１はセンサ本体１２１の支持部材、符号１３２はベアリング、符号１３３はコイル１２５から引き出されるリード線である。
【００３０】
上記踏力センサは、本出願人による先願（特願平１１−２５１８７０号（整理番号Ａ９９−１０２６））の明細書にさらに詳細に説明されている。なお、踏力センサは上記構造を有するものに限らず、公知のものを使用することもできる。
【００３１】
図３は、モータ１４の断面図である。リヤフォーク４の後端およびステー１２の下端の接合部から後方に張り出したプレート２９には、変速機を組み込んだシリンダ３０が軸３１で支持される。シリンダ３０の外周にはホイールハブ３２が嵌合される。ホイールハブ３２は内筒および外筒を有する環状体であり、内筒の内周面がシリンダ３０の外周に当接する。ホイールハブ３２の側面には、シリンダ３０から張り出した連結板３３がボルト３４によって固定される。ホイールハブ３２の外筒の内周にはモータ１４のロータ側磁極を構成するネオジウム磁石３５が所定間隔をおいて配置される。すなわち外筒は磁石３５を保持したロータコアを構成する。
【００３２】
ホイールハブ３２の内筒の外周には軸受３６が嵌合し、この軸受３６の外周にはステータ支持板３７が嵌合する。ステータ支持板３７の外周にはステータ３８が配置され、ボルト４０によって取り付けられる。ステータ３８はロータコアつまりホイールハブ３２の外筒と所定の細隙を有するように配置され、このステータ３８には、三相コイル３９が巻装される。
【００３３】
ステータ支持板３７の側面には、ホール素子で構成される磁極センサ４１が設けられる。磁極センサ４１は前記ホイールハブ３２から突出して設けられる磁石４２が通過するときの磁束変化を感知して、ロータとしてのホイールハブ３２の位置信号を出力する。磁極センサ４１はモータ１４の各相に対応して３カ所に設けられる。
【００３４】
また、ステータ支持板３７の側面には、磁極センサ４１からの位置信号によって前記三相コイル３９への通電制御を行うための制御基板４３が設けられ、この制御基板４３上にはＣＰＵやＦＥＴ等の制御素子が装着される。なお、制御基板４３は前記磁極センサ４１用の取り付け基板と一体化できる。
【００３５】
ホイールハブ３２の外周には図示しない後輪のリムと連結されるスポーク４４が固着される。さらに、ステータ支持板３７の、前記制御基板４３等が装着された側とは反対側には、ボルト４５によってブラケット４６が固定され、ブラケット４６は前記車体フレームのプレート２９に図示しないボルトで結合される。
【００３６】
このように、後輪１３の軸３１と同軸上に配置したステータとロータとからなる三相ブラシレスモータ１４が設けられ、チェーン１７と従動スプロケット２６とによって伝達される人力に付加される補助動力を発生する。
【００３７】
続いて、上記モータ１４に対する通電制御つまり出力制御について説明する。
図４は、想定走行路における補助動力の発生態様を示す図であり、横軸は時間軸である。ここでは、平坦路から始まり、上り坂および下り坂を経て、再び平坦路を走行する路面を想定する。この想定走行路において、平坦路から徐々に速度を上げ、上り坂にさしかかった後、定速走行する走行パターンを設定する。図中、曲線で示された駆動力は踏力比例で補助動力を発生させた従来の制御に係るものであり、小さい曲線は踏力Ｔaによる駆動力（人力）Ｐhを示し、この曲線と同位相の大きい曲線はモータによる補助動力Ｐmを示す。この図から理解されるように、人力Ｐhと補助動力Ｐmとが１対１の比となるように制御する従来方式では、上り坂において補助動力Ｐmは増大するものの、人力Ｐhも高いレベルにある。
【００３８】
これに対して、本実施形態では、平坦路、上り坂および下り坂のいずれの路面においても所定の駆動力つまり軽快車の平地走行抵抗相当の駆動力を人が分担するように制御する。具体的には、走行によって生じる走行抵抗Ｒaのうち、一般に軽快車と呼ばれる、通常の自転車のうちでも比較的重量の小さい車両を平坦路で運転するときの抵抗分のみを人力で負担し、残りをモータ１４の出力で補助するようにする。これによって、運転者はどのような路面であっても平坦路を軽快車で走行するときのような感覚で運転できる。図４において、走行時に実際に発生する抵抗Ｒaに対して、補助動力Ｐmを与えるようにモータトルクを発生させる。この際、（Ｒa−Ｐm）が所定値となるようにモータトルクは決定される。つまり、運転者は軽快車の平地走行抵抗に相当する所定の踏力Ｔaによって自転車を走行させることができる。
【００３９】
以下に、上記出力制御をさらに詳細に説明する。但し、上記の内容は、本実施形態における出力制御の基本的概念であり、以下に述べる具体的な制御では、種々の変形も含んでいる。
【００４０】
図１は、実走行抵抗に応じてモータ１４の出力を制御する制御装置の要部機能ブロック図であり、この機能における演算部および記憶部等はマイクロコンピュータによって実現できる。同図において、踏力検出部５１は踏力センサ４７の検出信号により踏力Ｔaを検出する。クランク回転数検出部５２はクランク回転センサ４８の検出信号によりクランク回転数ＮCRを検出する。人力算出部５３は、ペダル２４から入力される踏力に比例した駆動力Ｐhを、次式（式１）を使用して算出する。Ｐh＝Ｔa×ＮCR×ｋ1…（式１）。但し、ｋ1は係数である。
【００４１】
総駆動力算出部５４は人力によって得られる駆動力ＰhとモータトルクＴおよびモータ回転数Ｎmに基づくモータ出力とを加算して総駆動力Ｐwを算出する。ここで使用されるモータトルクＴは前回値つまり前回値メモリ６１に格納されている値Ｔ-1である。
【００４２】
モータ回転数検出部５６はモータ回転センサ４９の検出信号によりモータ回転数Ｎmを検出する。車速検出部５７は車速センサ５０の検出信号により車速Ｖを検出する。なお、モータ回転センサ４９および車速センサ５０として前記磁極センサ４１を使用できる。
【００４３】
車速メモリ５８には車速Ｖの前回検出値Ｖ-1が記憶される。車速変化量算出部５９は車速Ｖの前回値Ｖ-1と今回値Ｖとの差ΔＶを算出する。標準走行抵抗演算部６０は車速Ｖにより通常の自転車の平地走行抵抗Ｒrをマップ検索する。
【００４４】
走行抵抗算出部６２は総駆動力Ｐwおよび車速変化量ΔＶに基づいて車速Ｖ毎のマップを検索して実走行抵抗Ｒaを算出する。実走行抵抗Ｒaを求めるマップは後述する。なお、走行抵抗算出部６２では、総駆動力Ｐwに代えて総駆動力Ｐwの積算値を用いてもよい。すなわち、総駆動力積算部５５を設けて、その出力を使用できる。総駆動力積算部５５は、予定時間毎または予定期間毎の総駆動力Ｐwを積算して積算値Ｐ・ｈを求める。例えば、クランク軸２２の１回転中の総駆動力Ｐwの積算値Ｐ・ｈを求める。
【００４５】
補助動力算出部６３は実走行抵抗Ｒaから通常の自転車の平地走行抵抗Ｒrを減算してモータ１４による補助動力Ｐmを算出する。モータトルク算出部６４では、モータ回転数Ｎmと補助動力Ｐmとに基づいてモータ１４に指令するモータトルクＴを算出する。モータトルクＴは予めモータ回転数Ｎmと補助動力Ｐmとの関数として設定されるマップを検索することによって求める。算出されたモータトルクＴはモータ１４の制御部に出力されるとともに、前回値メモリ６１に格納される。
【００４６】
このように、上記制御装置によれば、ペダル２４を一漕ぎする間の投入エネルギに対応する車速変化によって実走行抵抗Ｒaが求められ、この実走行抵抗Ｒaのうち、通常の自転車の平地走行時の走行抵抗分Ｒrを除いた分がモータ１４の出力となって人力に付加される。
【００４７】
図５は、上記制御装置の要部機能（その２）を示すブロック図である。この制御装置では、路面傾斜判断手段を備え、路面傾斜に応じて補助動力Ｐmを増減調整できる。図５において、アシスト車平地走行抵抗算出部６５を備え、車速Ｖに基づいて、予め定めたマップを検索してアシスト車平地走行抵抗Ｒ1を算出する。路面傾斜判断部６６は、走行抵抗算出部６２で算出された実走行抵抗Ｒaとアシスト車平地走行抵抗Ｒ1とに基づき、実走行抵抗Ｒaが平地走行抵抗Ｒ1より予定以上に大きい場合は、上り坂走行であると判断し、実走行抵抗Ｒaが平地走行抵抗Ｒ1より予定より小さい場合は、下り坂走行であると判断する。上り坂開始時は、タイマ６７を起動し、このタイマ６７による計測が終了するまで補助力増大部６８を付勢する。一方、下り坂開始時は、タイマ６９を起動し、このタイマ６９による計測が終了するまで補助動力低減部７０を付勢する。
【００４８】
補助動力増大部６８は補助動力の算出に使用される係数を、補助動力Ｐmが増大するように補正し、補助動力低減部７０は、補助動力の算出に使用される係数を、補助動力Ｐmが低下するように補正する。補助動力算出部６３は、補助動力増大部６８および補助動力低減部７０から供給される補正された係数に従って、路面傾斜に応じて補正された補助動力Ｐmを出力する。
【００４９】
図６は、補助動力決定のタイミングを示す図である。同図には、車速Ｖ、踏力Ｔa、モータによる補助動力Ｐm、並びにこれらの検出・演算タイミングを示す。各センサの検出出力は踏力Ｔaの最小値が検出されたときから、次に踏力Ｔaが最小値になるまでの間に読み込まれる。そして、踏力Ｔaが最小値となったときに、その時点での各センサの検出値をもとに、次回の補助動力Ｐmの演算を開始する。また、踏力Ｔaが最小値となったときに、車速Ｖを検出し、前回の車速との差ΔＶを算出する。例えば、タイミングｔ１，ｔ２，ｔ３で、補助動力Ｐmの演算と、車速差（Ｖ−Ｖ-1）の演算とを行う。また、タイミングｔ１，ｔ２，ｔ３で演算開始された補助動力Ｐmを得るための通電デューティをタイミングｔ１’，ｔ２’，ｔ３’でそれぞれ指示する。
【００５０】
図７は、モータ１４の出力制御回路図であり、図８は通電タイミングと通電デューティを示す図である。図７において、全波整流器７１は３相のステータコイル３９に接続されたＦＥＴ（一般的には個体スイッチング素子）７１ａ，７１ｂ，７１ｃ，７１ｄ，７ｅ，７１ｆを有し、このＦＥＴ７１ａ〜７１ｆはドライバ７２によって通電制御される。通電デューティは前記モータトルク算出部６４から供給される指示に基づいてデューティ設定部７３で設定されドライバ７２に入力される。
【００５１】
補助動力Ｐmを付与する駆動タイミングにおいては、前記デューティ設定部７３からドライバ７２に通電デューティが供給され、ドライバ７２はこの通電デューティに従い、ＦＥＴ７１ａ〜７１ｆを付勢し、バッテリ１７から電流を供給する。一方、回生出力を発生させる場合は、前記駆動タイミングから電気角で１８０度ずれた回生タイミングにおいて、前記デューティ設定部７３からドライバ７２に通電デューティが供給され、ドライバ７２はこの通電デューティに従い、ＦＥＴ７１ａ〜７１ｆを付勢する。回生タイミングでＦＥＴ７１ａ〜７１ｆが付勢されると、ステータコイル３９に発生した電流はＦＥＴ７１ａ〜７１ｆで整流され、バッテリ１７に給電される。
【００５２】
なお、駆動タイミングか回生タイミングであるかは、モータトルク算出部６４から供給される要求モータトルクＴをもとにトルク判断部７４で判断される。モータトルクの要求値Ｔが正であるときは駆動タイミングに通電タイミングを設定し、モータトルクの要求値Ｔが負であるときは回生タイミングに通電タイミングを設定する。
【００５３】
図８において、ＦＥＴ７１ａ〜７１ｆは通電角を電気角１２０度に設定して付勢される。同図は、駆動タイミングでの通電タイミングを示し、回生タイミングでは、ハイ側のＦＥＴ７１ａ，７１ｃ，７１ｅをこの駆動タイミングから電気角で１８０度ずらせる。
【００５４】
図９、図１０は、実走行抵抗に応じた補助動力を発生する処理の要部フローチャートである。同図において、ステップＳ１では、モータ回転センサ４９の検出出力に基づいて車速Ｖを算出する。ステップＳ２では、車速Ｖに基づいて電動補助自転車（以下、「アシスト車」という）の平地走行抵抗Ｒ1、および通常の自転車（軽快車）の平地走行抵抗Ｒrを算出する。例えば、車重量１２ｋｇの軽快車を体重５５ｋｇの人が運転する場合を標準の平地走行抵抗Ｒrとし、車重量２６ｋｇのアシスト車を体重６５ｋｇの人が運転する場合をアシスト車の平地走行抵抗Ｒ1とする。
【００５５】
これら平地走行抵抗Ｒ1、Ｒrは、予め設定されているマップから検索することができる。図１１は、車速Ｖと平地走行抵抗Ｒ1、Ｒrとの関係についてその一例を示すマップである。同図には、アシスト車の平地走行抵抗Ｒ1および通常の自転車の平地走行抵抗Ｒrを、それぞれ車速Ｖの関数として示す。このマップに車速Ｖを適用してアシスト車の平地走行抵抗Ｒ1および通常の自転車の平地走行抵抗Ｒrを求めることができる。
【００５６】
図９に戻り、ステップＳ３では、前回検出した車速Ｖ-1と今回検出した車速Ｖとの差（Ｖ−Ｖ-1）を算出して車速変化量ΔＶ（値が負のときは減速）を求める。ステップＳ４では、踏力センサ４７およびクランク回転センサ４８の検出出力により、それぞれ踏力Ｔaおよびクランク回転数ＮCRを検出する。ステップＳ５では、次式（式２）により、踏力Ｔaおよびクランク回転数ＮCRの関数である踏力比例分の出力つまりモータトルクＴ0を算出する。モータトルクＴ0＝ｆ（Ｔa,ＮCR）…（式２）。
【００５７】
ステップＳ６では、モータ回転センサ４９の出力つまりモータ１４の回転数Ｎmを検出する。ステップＳ７では、前回のモータトルクＴ-1を前回値メモリ６１から読み出す。ステップＳ８では、次式（式３）により、総駆動力Ｐwつまり人力Ｐhと補助動力Ｐm-1との総計を算出する。駆動力Ｐw＝（Ｔa×ＮCR×ｋ1）＋（Ｔ-1×Ｎm×ｋ2）…（式３）。ここで、ｋ1，ｋ2は係数である。
【００５８】
ステップＳ９では、次式（式４）により、駆動力Ｐw、速度変化量ΔＶ、および車速Ｖの関数である実走行抵抗Ｒaを算出する。実走行抵抗Ｒa＝ｆ（Ｐw,ΔＶ,Ｖ）…（式５）。この実走行抵抗Ｒaの算出は、具体的には、駆動力Ｐw、速度変化量ΔＶおよび実走行抵抗Ｒaの関係マップを複数段階の車速Ｖ毎（例えば５ｋｍ/時毎）に準備しておき、このマップを検索して求めることができる。図１２は、駆動力Ｐw、速度変化量ΔＶおよび実走行抵抗Ｒaの関係を、速度変化量ΔＶをパラメータとして設定したマップの一例である。このようなマップを複数段階の車速Ｖ毎に用意する。上述のように、駆動力Ｐwに代えて１サイクルつまりクランク軸２２の１回転毎の総駆動力の積算値Ｐ・ｈを用いてもよい。
【００５９】
ステップＳ１０では、路面の傾斜判断つまり上り坂か下り坂かの判断を行う。
この判断は実走行抵抗Ｒaとアシスト車の平地走行抵抗Ｒ1との比の値によって判断することができる。例えば、比の値（Ｒa/Ｒ1）が「５」以上では上り坂、「−１」では下り坂、これらの中間の値では平坦地と判断する。
【００６０】
上り坂と判断されれば、ステップＳ１１に進み、下り傾斜であることを示すフラグＦ1をクリアにする。ステップＳ１２では、上り坂を示すフラグＦ0がセットされているか否かを判別し、これが肯定ならばステップＳ２３（図１０）に進む。ステップＳ１２が否定ならばステップＳ１３で係数Ｋに「１．２」をセットする。係数Ｋを大きくすることにより、後述のように、補助動力Ｐmが小さくなり、上り坂にさしかかったことを運転者に実感させることができる。
【００６１】
ステップＳ１４では、カウンタ値ｎをインクリメントする。ステップＳ１５では、カウンタ値ｎが「５」になったか否かを判断する。カウンタ値ｎが「５」になったならばステップＳ１６で該カウンタ値ｎをクリアにし、フラグＦ0をクリアにして、ステップＳ２３（図１０）の傾斜補正値算出処理（図１５，図１６に関して後述）を行う。カウンタ値ｎが「５」になっていないときは、ステップＳ２４（図１０）に進む。
【００６２】
一方、下り坂と判断されれば、ステップＳ１７に進み、上り傾斜であることを示すフラグＦ0をクリアにする。ステップＳ１８では、下り坂を示すフラグＦ1がセットされているか否かを判別し、これが肯定ならばステップＳ２３（図１０）に進む。ステップＳ１８が否定ならば係数Ｋに「０．８」をセットする。係数Ｋを小さくすることにより、後述のように、補助動力Ｐmが大きくなり、下り坂になったことを運転者に実感させることができる。ステップＳ２０では、カウンタ値ｍをインクリメントする。ステップＳ２１では、カウンタ値ｍが「３」になったか否かを判断する。カウンタ値ｍが「３」になったならばステップＳ２２で該カウンタ値ｍをクリアにし、フラグＦ1をクリアにして、ステップＳ２３に進む。カウンタ値ｍが「３」になっていないときは、ステップＳ２４（図１０）に進む。ステップＳ１０で平坦地であると判断されたときは、係数Ｋやカウンタ値ｍ、ｎ等の処理を行わず、ステップＳ２４に移行する。
【００６３】
図１０において、ステップＳ２４では、ブレーキスイッチがオンか否かを判断する。ブレーキスイッチがオンになっていれば、ステップＳ２５で係数Ｋに定数「１．２」を乗算してステップＳ２６に進む。この係数Ｋの乗算により後述のように回生出力が大きくなる。ブレーキスイッチがオンでない場合は、ステップＳ２５をスキップしてステップＳ２６に進む。ステップＳ２６では、通常の自転車の平地走行抵抗Ｒrに係数Ｋを乗算する。ステップＳ２７では、次式（式６）により、補助動力Ｐmを算出する。補助動力Ｐm＝Ｒa−Ｒr…（式６）。
【００６４】
上記式６から理解できるように、補助動力Ｐmは通常の自転車の平地走行抵抗Ｒrが大きい場合に小さくなり、この平地走行抵抗Ｒrが小さい場合に大きくなる。ステップＳ２６で平地走行抵抗Ｒrに係数Ｋが乗算されているので、この係数Ｋによって補助動力Ｐmは変化する。したがって、上り坂であると判断されて係数Ｋに「１．２」が設定された場合（ステップＳ１３）、カウンタｎが予定値「５」になるまでの期間は補助動力Ｐmが小さくなって、運転者は負荷の増大を感じる。一方、下り坂であると判断されて係数Ｋに「０．８」が設定された場合（ステップＳ１９）、カウンタｍが予定値「３」になるまでの期間は補助動力Ｐmが大きくなって、運転者は負荷の減少を感じる。
【００６５】
また、前記ステップＳ２５で係数Ｋを大きくした場合には、次の理由で回生出力が増大する。すなわち、ブレーキをかけるような状況では総駆動力Ｐwは小さく、実走行抵抗Ｒaも負の値になっている。したがって、係数Ｋを大きくして走行抵抗Ｒrを大きくすることにより、ステップＳ２７の処理で実走行抵抗Ｒaの負の値は一層大きくなり、回生出力は増大する。こうして、ブレーキ操作時には、モータ１４による回生制動により効果的に制動できる。
【００６６】
ステップＳ２８では、次式（式７）により補助動力Ｐmとモータ回転数Ｎmとの関数であるモータトルクＴを算出する。モータトルクＴ＝ｆ（Ｐm,Ｎm）…（式７）。
【００６７】
なお、モータトルクＴを次のように変更してもよい。ステップＳ２９では、モータトルクＴに、踏力比例分のモータトルクＴ0を加算する。この変更により、走行領域全域で軽快な運転が可能である。
【００６８】
ステップＳ３０では、モータ１４の通電タイミングを制御する。算出されたモータトルクＴが正であればモータ１４を制御する前記全波整流器７１の制御素子（ＦＥＴ）を駆動時のタイミングで付勢する。一方、算出されたモータトルクＴが負であればモータ１４を制御する制御素子（ＦＥＴ）を回生のためのタイミングで付勢する。すなわち、駆動時に対して電気角で１８０度ずれたタイミングを設定する。ステップＳ３１では、通電のデューティをモータトルクＴの絶対値に基づいて決定する。
【００６９】
ステップＳ３２では、下り坂であって、しかも車速Ｖが予定の低速（例えば５ｋｍ/時以下）であるか否かを判断する。この判断が否定の場合は、ステップＳ３３に進んで上記ステップＳ２６，Ｓ２７の設定をモータ１４に出力する。すなわち、下りの押し歩き状態と判断されたような場合は、モータ１４の通電制御は行われず、したがって、回生制御出力は発生しない。
【００７０】
また、ステップＳ２９は次のように変形できる。図１３の変形例において、ステップＳ３４では、平坦地か否かを判断し、平坦地の場合は踏力比例分のモータトルクＴ0を加算する（ステップＳ３５）。また、ステップＳ３５に代えてステップＳ３６のようにモータトルクＴを踏力比例分のモータトルクＴ0で置き換えることができる。これにより、平坦地では、踏力比例による補助動力Ｐmを得て運転することができる。
【００７１】
さらに、ステップＳ２９は次のように変形できる。図１４の変形例において、ステップＳ３７では、車速Ｖが予定の低速（例えば５ｋｍ/時以下）であるか否かを判断し、低速であると判断された場合は、踏力比例分のモータトルクＴ0を加算する（ステップＳ３８）。また、ステップＳ３８に代えてステップＳ３９のようにモータトルクＴを踏力比例分のモータトルクＴ0で置き換える。これにより、例えば、漕ぎ始めには、踏力に比例したモータトルクＴにより補助動力が得られる。
【００７２】
続いて、前記ステップＳ２３の具体例を説明する。ステップＳ２３では、係数Ｋを走行路の傾斜に適合するように補正する。まず、上り坂補正の例を示す。図１５は、上り坂を走行する場合の車速Ｖに対応する係数Ｋの値を示す図である。同図(a)は１秒間の車速変化量が３ｋｍ/時未満の例、同図(b)は車速変化量が３ｋｍ/時以上の例である。なお、係数Ｋの初期値は「１．０」とする。図１５(a)において、漕ぎ始めのように車速Ｖが低い（例えば５ｋｍ/時以下）場合は、係数Ｋを小さくして補助動力Ｐmを大きくする。そして、車速Ｖが増大してきた後は、係数Ｋを初期値に戻す。
【００７３】
図１５(b)において、車速Ｖが低いとき（例えば、５ｋｍ/時、または１０ｋｍ/時）は、係数Ｋを小さくして補助動力Ｐmを大きくする。そして、車速Ｖが増大するに従って、徐々に係数Ｋを初期値に戻していく。すなわち、加速時は、補助動力Ｐmを急には小さくせず、車速Ｖがある程度（例えば、２０ｋｍ/時）大きくなるまでは大きい値に維持する。なお、上り坂の走行の補正例は、平坦地の走行にも適用できる。
【００７４】
次に下り坂補正の例を示す。図１６は、下り坂を走行する場合の車速Ｖに対応する係数Ｋの値を示す図である。係数Ｋの初期値は「１．０」である。図１６において、下り坂で漕ぎ始めたような、車速Ｖが低い（例えば１５ｋｍ/時以下）場合は、係数Ｋを小さくして回生出力を小さくする。そして、車速Ｖが増大してきた場合、例えば、１５ｋｍ/時から２０ｋｍ/時の間は、係数Ｋを車速Ｖの増大に比例させて大きくし、回生出力を徐々に大きくしていく。さらに車速Ｖが増大した場合は、車速Ｖがある程度（例えば、２５ｋｍ/時）大きくなるまで、係数Ｋを急激に（例えば、二次曲線的に）、大きくする。これにより、回生出力は急増し、車速Ｖが急速に制限される。
【００７５】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなとおり、請求項１〜６の発明によれば、踏力の周期的な変化によらないで補助動力を発生させることができるので、車両の速度がきわめて安定になるとともに、路面傾斜に応じて適切な補助動力を与えることができる。
【００７６】
特に、請求項２の発明によれば、車両の運転状態から実走行抵抗がそのつど検出されて精度よく補助動力を発生させることができる。また、請求項３，４の発明によれば、車両を平地走行させるときと同様の感覚で運転することができる。
【００７７】
請求項５，６の発明によれば、運転者は路面の傾斜変化を実感して運転することができる。特に請求項５の発明によれば、通常の自転車と同様の走行感覚により電動補助自転車を運転することができ、請求項６の発明によれば、傾斜センサを設けることなく、実走行抵抗検出手段により路面の傾斜を判断することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る制御装置の要部機能ブロック図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る制御装置を有する電動補助自転車の側面図である。
【図３】モータの断面図である。
【図４】路面状態の変化と駆動力の変化との関係を示す図である。
【図５】傾斜面開始時に補助動力の制御機能を示すブロック図である。
【図６】車速および踏力による補助動力決定のタイミングを示すタイミングチャートである。
【図７】モータの制御回路図である。
【図８】モータの制御タイミングを示すタイミングチャートである。
【図９】実走行抵抗に応じた補助動力を発生する処理の要部フローチャート（その１）である。
【図１０】実走行抵抗に応じた補助動力を発生する処理の要部フローチャート（その２）である。
【図１１】車速と平地走行抵抗との関係を示すマップである。
【図１２】車速変化量と駆動力とによって実走行抵抗を検索するマップの一例を示す図である。
【図１３】ステップＳ２９の変形例に係るフローチャートである。
【図１４】ステップＳ２９の別の変形例に係るフローチャートである。
【図１５】補助動力の補正係数と車速との関係を示す図（その１）である。
【図１６】補助動力の補正係数と車速との関係を示す図（その２）である
【図１７】踏力検出装置を含む人力駆動部の要部断面図である。
【図１８】図１７のＡ−Ａ矢視図である。
【図１９】踏力検出装置の拡大断面図である。
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【符号の説明】
１…車体フレーム、５…シートポスト、８…操向ハンドル、９…ブレーキレバー、１４…モータ、１７…バッテリ、２２…クランク軸、２４…ペダル、２７…チェーン、３２…ホイールハブ、３５…磁石、３７…ステータ支持板、３９…ステータコイル、４１…磁極センサ、４３…基板、４７…踏力センサ、４８…クランク回転センサ、４９…モータ回転センサ、５０…車速センサ、５９…車速変化量算出部、６２…走行抵抗算出部

Claims

人力による駆動力を後輪に伝達するための人力駆動系と、モータ（１４）による駆動力を後輪に伝達するモータ駆動系とを備えた電動補助自転車の制御装置において、
車両（１）の実走行抵抗（Ｒａ）を検出する走行抵抗検出手段（６２）と
前記実走行抵抗（Ｒａ）から前記モータ駆動系で発生される補助動力としての駆動力（Ｐｍ）を減算して得られる前記モータ（１４）のトルクが、人力による駆動力（Ｐｈ）に相当する所定値となるように前記モータ駆動系で駆動力（Ｐｍ）を発生させる制御手段（６３）とを具備し、
前記制御手段（６３）が、車両（１）の実走行抵抗（Ｒａ）が車両（１）の平地走行時抵抗（Ｒｒ）と略一致するように前記モータ駆動系で発生させる駆動力（Ｐｍ）を制御するように構成されていることを特徴とする電動補助自転車の制御装置。
予定期間の車速変化量を検出する車速変化量検出手段（５９）と、
踏力センサ（４７）による検出信号およびクランク回転数（ＮＣＲ）に基づいて人力による駆動力（Ｐｈ）を算出する人力算出手段（５３）と、
前記予定期間中に与えられた前記人力による駆動力（Ｐｈ）およびモータ（１４）による駆動力の総駆動力（Ｐｗ）を検出する駆動力算出手段（５４）とを具備し、
前記走行抵抗検出手段（６２）が、前記総駆動力（Ｐｗ）に対する車速変化量（ΔＶ）の関数として前記実走行抵抗（Ｒａ）を算出することを特徴とする請求項１記載の電動補助自転車の制御装置。
前記平地走行時抵抗（Ｒｒ）が、通常の自転車の平地走行時抵抗に設定されることを特徴とする請求項１記載の電動補助自転車の制御装置。
走行路面の傾斜に変化が生じたことを判断する路面傾斜判断手段（６６）を具備し、
走行路面が上り傾斜に変化したと判断されたときに前記モータ駆動系で発生させる駆動力（Ｐｍ）を予定期間低減させ、走行路面が下り傾斜に変化したと判断されたときには、前記モータ駆動系で発生させる駆動力（Ｐｍ）を予定期間増大させるように制御されることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の電動補助自転車の制御装置。
前記路面傾斜判断手段（６６）が、前記実走行抵抗（Ｒａ）と電動補助自転車（１）の、所定の平地走行抵抗（Ｒ１）との比の値（Ｒａ／Ｒ１）基づいて、該比の値が予定値より大きいときは上り坂、該比の値が予定値より小さいときは下り坂であるとそれぞれ判断する手段を有することを特徴とする請求項４記載の電動補助自転車の制御装置。