JP4841676B2 - 電動アシスト自転車用モータ制御方法および電動アシスト自転車用モータ制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、電動モータにより自転車の出力をアシストする電動アシスト自転車用モータ制御方法および電動アシスト自転車用モータ制御装置に関する。

電動アシスト自転車は、ペダルを踏み込むことによって生じる踏み力に電動モータの出力を付加することにより自転車の駆動力である自転車出力を発生させている。また、電動モータは、ペダルの踏み力に応じて電動モータのモータ出力を可変させてアシスト率を制御している。

以下、図６を用いて、従来の電動モータの制御方法を説明する。
図６は電動アシスト自転車用モータのアシスト率の法規を説明する図である。
図６に示すように、電動アシスト自転車用モータのアシスト率は速度に応じた法規制を受けている。例えば、自転車の速度が０〜１０ｋｍ／ｈの範囲では踏み力に対して２倍以下のアシスト率に押えることが義務付けられ、その後、１０〜２４ｋｍ／ｈの範囲では速度に比例してアシスト率の上限が低減される。そして、２４ｋｍ／ｈ以上の速度では電動モータによるアシストが禁止されている。

このようなアシスト率の制限を遵守するために、従来、一定の出力能力のモータを用い、速度に応じてモータへの入力電流を制御すると共に、踏み力に応じたモータ出力を行うことにより、速度に応じたアシスト率の制御を行っていた。

例えば、２６Ｖの出力能力を有する電動モータを用い、電動モータに入力される電流量を電源入力のデューティを調整すると共に、踏み力に応じて電動モータの出力値を制御していた。具体的には、モータ特性の大きな電動モータを用い、速度に応じて電動モータに入力する電流量を制御して見かけのモータ特性を低減させると共に、踏み力に応じて電動モータの出力値を制御することにより、法規に合わせたアシスト率を発生するようにモータ出力を制御していた（例えば、特許文献１参照）。

特開平１０−５９２６０号公報

しかしながら、従来の電動モータの制御方法では、電流量の制御に際し、電流センサにより実際の電流量を測定しながら電流量の増減を調整している。そのため、電流センサの故障等により実際の電流量が過少に測定された場合には、電流量を必要以上に増加させてしまい、アシスト過大となるという問題点があった。特に、アシスト過大になりすぎると、車速が速くなりすぎ、走行に危険が生じていた。

本発明の電動アシスト自転車用モータ制御方法は、上記問題点を解決するために、電動モータアシストがアシスト過大となることを防止することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の電動アシスト自転車用モータ制御方法は、車速を測定する工程と、法規が規定するアシスト率が一定となる低速領域ではモータへの入力電圧を第１の電圧に固定して踏み力に応じてモータアシストを行う工程と、前記法規の高速漸減部である車速領域では前記入力電圧を第２の電圧から第３の電圧に前記車速に比例して変化させる工程と、前記高速漸減部より車速が速い領域では前記入力電圧を前記第３の電圧に固定することによりモータ出力が出なくなる工程とを有し、前記第１の電圧は前記モータの最大出力電圧であり、前記第３の電圧は前記高速漸減部の最大の車速にて前記モータ出力が０になる電圧であり、前記第２の電圧は前記高速漸減部の最小の車速において前記アシスト率が前記法規を満足する最大の電圧であることを特徴とする。

また、前記車速を自転車の車輪またはペダルの回転数やモータ回転数から求めても良い。
また、前記モータの出力能が２６Ｖで、前記第１の電圧が２６Ｖ、前記第２の電圧が２０Ｖ、前記第３の電圧が２６Ｖであっても良い。

また、前記法規のアシスト率が一定となる低速領域は車速が１０ｋｍ／ｈ未満の領域であり、前記高速漸減部である車速領域は１０ｋｍ／ｈ以上２４ｋｍ／ｈ未満の領域であっても良い。

さらに、本発明の電動アシスト自転車用モータ制御装置は、自転車の駆動をアシストするモータと、車速を測定する速度センサと、前記車速に応じて前記モータへ入力する入力電圧を制御する電圧制御部とを有し、前記モータは、出力能が２６Ｖで、前記入力電圧が２６Ｖかつ前記車速が２４ｋｍ／ｈの時に出力が０になり、前記電圧制御部が、前記車速が１０ｋｍ／ｈ未満の時に前記入力電圧を２６Ｖに制御し、前記車速が１０ｋｍ／ｈ以上２４ｋｍ／ｈ未満の時に前記入力電圧を２０Ｖから２６Ｖに前記車速に比例して変化するように制御し、前記車速が２４ｋｍ／ｈ以上の時に前記アシストを停止することを特徴とする。
また、本発明の電動アシスト自転車用モータ制御装置は、アシスト率が一定となる低速領域および高速漸減部からなる法規を満足するようにアシスト制御を行う電動アシスト自転車用モータ制御装置であって、自転車の駆動をアシストするモータと、車速を測定する速度センサと、前記車速に応じて前記モータへ入力する入力電圧を制御する電圧制御部とを有し、前記モータは、出力能が２６Ｖで、前記入力電圧が２６Ｖかつ前記車速が２４ｋｍ／ｈの時に出力が０になり、前記車速が１０ｋｍ／ｈの時に前記高速漸減部における前記法規を満足する最大の電圧が２０Ｖであり、前記電圧制御部が、前記車速が１０ｋｍ／ｈ未満の時に前記入力電圧を２６Ｖに制御し、前記車速が１０ｋｍ／ｈ以上２４ｋｍ／ｈ未満の時に前記入力電圧を２０Ｖから２６Ｖに前記車速に比例して変化するように制御し、前記車速が２４ｋｍ／ｈ以上の時に前記アシストを停止することを特徴とする。

また、前記速度センサが、前記自転車の車輪あるいはペダルの回転数やモータ回転数を測定する回転センサを備え、前記回転数から前記車速を算出しても良い。
以上により、電動モータアシストがアシスト過大となることを防止することができる。

以上のように、電動モータの特性を入力電圧で制御することにより、電動モータアシストがアシスト過大となることを防止することができる。

本発明の電動アシスト自転車用モータ制御装置の構成を示す図 本発明のモータ特性制御の様子を説明する図 従来のモータ出力の制御構成を説明する図 モータ出力とアシスト率の関係を示す図 本発明の入力電圧に対応したモータ出力の推移を説明する図 電動アシスト自転車用モータのアシスト率の法規を説明する図

前述のように、電動モータによるアシスト率は速度に応じてその上限を法規によって規制されている。また、アシスト率の制御は一定の出力能力を有する電動モータを用い、モータ出力を制御することによって行う。本発明では、従来、入力電流量と踏み力によって制御していたモータ出力を、入力電圧を制御することによって行うことを特徴とする。さらに、所定の走行条件下で、各速度域における最大の踏み力を想定し、想定した踏み力で法規を満たす最大モータ出力を算出して、各速度域で算出したモータ出力になるように入力電圧を制御する。このようにモータ出力を制御し、各速度域で算出したモータ出力でアシストすることにより、踏み力が想定内である限りアシスト率が法規を逸脱することを防ぐことができる。

以下、本発明の電動アシスト自転車用モータ制御方法について、図１〜図５を用いて詳細に説明する。
図１は本発明の電動アシスト自転車用モータ制御装置の構成を示す図、図２は本発明のモータ特性制御の様子を説明する図である。

ここで、９はアシスト率を制限する法規を示し、モータによるアシスト率は踏み力に対して法規９の範囲に収める必要がある。
本発明では、モータ特性６に示すように、高速域でのアシスト率を確保できるモータ出力を得るために、法規９の１０〜２４ｋｍ／ｈの範囲の上限値である高速漸減部の低減率よりも大きなモータ特性を有する電動モータを用いる。例えば、従来から一般的に用いられる２６Ｖ出力の電動モータを用いる。

まず、アシスト率は車速によって制限されるため、速度センサ１により自転車の速度をモニターする。
出力能が２６Ｖのモータを使用することを前提とすると、車速が０〜１０ｋｍ／ｈの場合には、電圧制御部２において、モータ３に入力する入力電圧４を２６Ｖにし、見かけ上のモータ特性がモータ特性６となるように制御する。入力電圧４を２６Ｖにしたモータ特性６を用いて踏み力に比例してモータ出力することにより、アシスト率を踏み力に対して２倍にすることができる。

車速が１０〜２４ｋｍ／ｈの場合には、速度に比例して入力電圧４を２０Ｖから増加させ、車速が２４ｋｍ／ｈの時点で入力電圧４が２６Ｖとなるように電圧制御部２を制御し、見かけ上のモータ特性がモータ特性８となるようにする。モータ３の入力電圧を速度に比例して増加させてモータ特性を制御したモータ３を用いてモータ出力することにより、法規９の高速漸減部に合わせて、速度に応じたモータ出力することができる。ここで、車速が１０ｋｍ／ｈの場合に、所定の走行条件下で想定される最大の踏み力に対して見かけの出力特性が２０Ｖのモータ３（モータ特性７）を用いてアシストすると法規９を満足することができる。そのため、車速が１０ｋｍ／ｈの場合には、モータ出力が２０Ｖになるように入力電圧を調整する。また、車速が２４ｋｍ／ｈの時点で入力電圧４が２６Ｖとなり、アシスト率は０となる。２４ｋｍ／ｈ以上の速度域では、入力電圧４を２６Ｖで維持し、電動モータによるアシストを停止する。

このように速度に応じてモータ３の入力電圧４を制御することにより、法規に則したモータ特性１０を有するモータを用いてアシスト率を制御する場合と同じ効果を奏することができる。

なお、上記説明では、法規を満足するアシスト率を得るために速度に比例して入力電圧を増加させる場合を例に説明したが、使用するモータの特性によっては、速度に比例して入力電圧を低減させることにより法規を満足するアシスト率となるように制御することもある。

以下、従来の入力電流によりモータ出力を制御する方法について詳細に説明し、それと比較することにより本発明の効果を説明する。
図３は従来のモータ出力の制御構成を説明する図であり、図３（ａ）はモータ出力の制御構成を示す回路図、図３（ｂ）は電動モータに入力する電流と出力トルクの関係を示す図、図３（ｃ）は入力電流とモータ特性の関係を示す図である。図４はモータ出力とアシスト率の関係を示す図であり、図４（ａ）は速度と要求されるアシスト率の関係を示す図、図４（ｂ）は踏み力とモータ出力の関係を示す図である。

従来のモータ特性の制御の構成は、図３（ａ）に示すように、モータ３３に電源３４が接続され、モータ３３と電源３４との間に、電流センサ３５と電流制御回路３６とが直列に接続される構成である。電流制御回路３６は直列接続されたスイッチと抵抗のユニットが並列に複数配置される構成である。このような従来のモータ特性制御回路では、モータ３３に入力される電流値を電流センサ３５で測定し、所定の電流値になるように電流制御回路３６のスイッチの開閉を制御している。

また、図３（ｂ）に示すように、モータ特性は入力電流に比例して増減する。そのため、図３（ｃ）に示すように、入力電流を最大入力電流に対してどの程度の割合にするかにより、出力モータ特性を制御していた。図では、最大入力電流を１００％とし、さらに、入力電流を最大入力電流の４０％，８０％とした時の電流特性を例示している。

このように、車速に応じて入力電流を用いてモータ特性を制御することにより、図４（ａ）に示すような速度に応じたアシスト率の制御を行っている。具体的には、車速が１０ｋｍ／ｈ以下であるＡでは、電流制御回路３６を制御することによりモータ３３の入力電流を最大入力電流の８０％に制御し、図４（ｂ）に示すように踏み力に対するモータ３３の出力を制御していた。また、車速が１０〜２４ｋｍ／ｈの範囲であるＢでは、電流制御回路３６を制御することによりモータ３３の入力電流を最大入力電流の４０％に制御し、図４（ｂ）に示すように踏み力に対するモータ３３の出力を制御していた。

このような従来の入力電流によりモータ特性を制御する方法を行う場合、電流センサ３５が故障するとアシスト過大となり、走行に危険が生じるという不具合が生じていた。例えば、電流センサ３５が故障して実際の電流値より低い値を認識した場合、電流制御回路３６は電流値を上げる方向の制御を行い、モータ特性が必要なモータ特性以上となり得る。このまま制御を続けると、モータ特性が上がり続け、結果的にアシスト率が過大となり、速度超過等の走行に危険な状態が生じる可能性があった。

これに対して、本発明のモータ制御方法およびモータ制御装置では、上述のように入力電圧でモータ特性を制御するため、制御装置中に故障が生じたとしても入力電圧に上限があるため、アシスト率が極度に過大になることはない。

図５を用いて説明する。図５は本発明の入力電圧に対応したモータ出力の推移を説明する図である。
図５に示すように、電圧制御部２の電圧センサが故障し、実際の電圧より高い電圧を認識した場合は、入力電圧を２６Ｖ→２４Ｖ、２４Ｖ→２２Ｖのように、入力電圧を下げる方向に制御するためアシスト率が過大になることはない（図５（ａ））。また、実際の電圧より低い電圧を認識した場合は２２Ｖ→２４Ｖ、２４Ｖ→２６Ｖのように、電圧を上げる方向に制御することになるが、車速２４ｋｍ／ｈに対応するモータ出力になった時点でアシスト率が０になるように、それに応じた出力能のモータ３を使用するため、入力電圧を上げてもそれ以上のモータ出力がされることはない。そのため、入力電圧を誤認識してもアシスト率が過大になることはない。具体的には、前述のように、２６Ｖ出力能のモータ３を使用する場合、車速が２４ｋｍ／ｈになった時点で入力電圧が２６Ｖになるように制御し、その時点でアシストを停止している。そのため、電圧センサが実際の電圧より低い電圧を認識して、電圧制御部２が電圧を上げるように制御することにより入力電圧が２６Ｖを超えたとしても、モータ３の出力能が２６Ｖであるため、それ以上のモータ出力が発生することはなく、また、２４ｋｍ／ｈ以上の車速ではアシストを停止する。よって、入力電圧を誤認識してもアシスト率が過大になることはなく、安全な走行状態を維持することができる。

上記説明では、出力能が２６Ｖのモータを用い、一定のアシスト率が許容される上限以下の車速では入力電圧を２６Ｖに制御し、その後、入力電圧を２０Ｖから、法規がアシストすることを許容する最大車速にて入力電圧が２６Ｖになるように速度に比例して入力電圧を増加させたが、モータの出力能は２６Ｖに限らず、アシスト率を法規内に制限できる範囲でモータの出力能を決めることが可能であり、さらに、速度に応じた入力電圧を決定することができる。

また、車速が２４Ｋｍ／ｈでアシスト率を０にする場合を例に説明したが、アシスト率を確実に法規内で制限するために、アシスト率が０となる車速を２４ｋｍ／ｈより遅い速度に設定することも可能である。同時に、各車速域においても、法規の上限値に対してマージンをもつようなアシスト率になるように、入力電圧を制御することも可能である。

また、車速の測定に速度センサを用いたが、回転数センサを用いて車輪またはペダルの回転数あるいはモータ回転数を算出し、回転数から車速を算出しても良い。

本発明は、電動モータアシストがアシスト過大となることを防止でき、電動モータにより自転車の出力をアシストする電動アシスト自転車用モータ制御方法および電動アシスト自転車用モータ制御装置等に有用である。

１ 速度センサ
２ 電圧制御部
３ モータ
４ 入力電圧
５ モータ出力
６ モータ特性
７ モータ特性
８ モータ特性
９ 法規
１０ 制御後のモータ特性
３３ モータ
３４ 電源
３５ 電流センサ
３６ 電流制御回路

Claims (7)

1. 車速を測定する工程と、
   法規が規定するアシスト率が一定となる低速領域ではモータへの入力電圧を第１の電圧に固定して踏み力に応じてモータアシストを行う工程と、
   前記法規の高速漸減部である車速領域では前記入力電圧を第２の電圧から第３の電圧に前記車速に比例して変化させる工程と、
   前記高速漸減部より車速が速い領域では前記入力電圧を前記第３の電圧に固定することによりモータ出力が出なくなる工程と
   を有し、前記第１の電圧は前記モータの最大出力電圧であり、前記第３の電圧は前記高速漸減部の最大の車速にて前記モータ出力が０になる電圧であり、前記第２の電圧は前記高速漸減部の最小の車速において前記アシスト率が前記法規を満足する最大の電圧であることを特徴とする電動アシスト自転車用モータ制御方法。
2. 前記車速を自転車の車輪またはペダルの回転数やモータ回転数から求めることを特徴とする請求項１記載の電動アシスト自転車用モータ制御方法。
3. 前記モータの出力能が２６Ｖで、前記第１の電圧が２６Ｖ、前記第２の電圧が２０Ｖ、前記第３の電圧が２６Ｖであることを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載の電動アシスト自転車用モータ制御方法。
4. 前記法規のアシスト率が一定となる低速領域は車速が１０ｋｍ／ｈ未満の領域であり、前記高速漸減部である車速領域は１０ｋｍ／ｈ以上２４ｋｍ／ｈ未満の領域であ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アシスト自転車用モータ制御方法。
5. 自転車の駆動をアシストするモータと、
   車速を測定する速度センサと、
   前記車速に応じて前記モータへ入力する入力電圧を制御する電圧制御部と
   を有し、
   前記モータは、出力能が２６Ｖで、前記入力電圧が２６Ｖかつ前記車速が２４ｋｍ／ｈの時に出力が０になり、
   前記電圧制御部が、前記車速が１０ｋｍ／ｈ未満の時に前記入力電圧を２６Ｖに制御し、前記車速が１０ｋｍ／ｈ以上２４ｋｍ／ｈ未満の時に前記入力電圧を２０Ｖから２６Ｖに前記車速に比例して変化するように制御し、
   前記車速が２４ｋｍ／ｈ以上の時に前記アシストを停止することを特徴とする電動アシスト自転車用モータ制御装置。
6. アシスト率が一定となる低速領域および高速漸減部からなる法規を満足するようにアシスト制御を行う電動アシスト自転車用モータ制御装置であって、
   自転車の駆動をアシストするモータと、
   車速を測定する速度センサと、
   前記車速に応じて前記モータへ入力する入力電圧を制御する電圧制御部と
   を有し、
   前記モータは、出力能が２６Ｖで、前記入力電圧が２６Ｖかつ前記車速が２４ｋｍ／ｈの時に出力が０になり、前記車速が１０ｋｍ／ｈの時に前記高速漸減部における前記法規を満足する最大の電圧が２０Ｖであり、
   前記電圧制御部が、前記車速が１０ｋｍ／ｈ未満の時に前記入力電圧を２６Ｖに制御し、前記車速が１０ｋｍ／ｈ以上２４ｋｍ／ｈ未満の時に前記入力電圧を２０Ｖから２６Ｖに前記車速に比例して変化するように制御し、
   前記車速が２４ｋｍ／ｈ以上の時に前記アシストを停止することを特徴とする電動アシスト自転車用モータ制御装置。
7. 前記速度センサが、前記自転車の車輪あるいはペダルの回転数やモータ回転数を測定する回転センサを備え、前記回転数から前記車速を算出することを特徴とする請求項５または請求項６のいずれかに記載の電動アシスト自転車用モータ制御装置。

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