KR100275896B1 - 전동차용 전동기의 토오크 제한장치 및 이 토오크 제한장치가 조립된 전동차 - Google Patents

전동차용 전동기의 토오크 제한장치 및 이 토오크 제한장치가 조립된 전동차 Download PDF

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다카노 야스아키
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Abstract

속도센서를 사용하는 일이 없이, 전동차의 구동용전동기의 출력토오크를 지정하는 범위로 제한하는 토오크 제한장치를 제공한다.
보조토오크 설정기(31)에는 인력토오크와 보조비의 관계가 입력되어 있고, 입력토오크가 입력되면 보조전동기(8)에 요구되는 보조토오크 지령신호가 출력된다.
비교기(32)는 입력되는 보조토오크 지령과 전동기(8)의 토오크를 비교하여 그 편차를 비교회로(33), 적분기(34)를 거쳐서 비례ㆍ적분해서 다음 단계의 펄스폭변조(PWM) 제어장치(35)에 입력되어 소정의 듀티로 제어되고, 듀티에 따른 구동전류가 전동기(8)에 공급되어서 인력토오크와 보조비의 관계를 만족시키는 보조토오크가 출력된다.
듀티 상한설정기(36)는 전동기토오크가 듀티의 상한치가 되면, 그 상한치의 듀티에 고정해서 펄스폭변조 제어장치(35)를 제어한다.

Description

전동차용 전동기의 토오크 제한장치 및 이 토오크 제한장치가 조립된 전동차
본 발명은 전동차 등에 있어서, 동력원인 전동기가 소정속도이상 회전하지 않도록 하는 토오크(torque)제한에 적합한, 특히 인력의 구동력을 전동기의 구동력에 의해 보조하는 소위 보조형 자전거라고도 불리는 전기자전거에 사용하는데 적합한 전동차용 전동기의 토오크 제한장치 및 이 토오크 제한장치가 조립되어 있는 전동차에 관한 것이다.
최근에 전기자전거가 주목되고, 또 인력에 의한 인력구동부와 전동기에 의한 전동구동부와의 양쪽을 겸해서 구비하고, 인력에 의한 구동력의 크기에 따라 전동기를 구동시키고, 인력의 구동력을 전동기의 구동력에 의해 보조하는 전기자전거가 인기를 모으고 있다.
이런 종류의 전기자전거는, 예를들면 일본국 특개평 6-107266호 공보(B62M23/02)에 나타내는 바와 같이 차륜에 설치한 속도센서 등의 차속검출수단으로 검출되는 차속신호와 답력검출수단으로 검출되는 인력구동력인 답력신호를 제어기에 입력시켜 미리 정한 테이블데이터에 기초해서 조보비율, 즉 인력구동력에 대한 전동기 구동력의 비율을 차속에 따라 변화시키는 것이 일반적으로 알려져 있다.
이와 같은 인력구동력에 따른 전동기출력을 하는 전동보조식의 전기자전거에 있어서는 속도의 과출력에 의한 위험으로부터 지키기 위해, 도 4의 주행개념도와 같이 인력에 대한 전동기구동력의 비율, 소위, 보조비를 속도15km/h까지는 1로 하고, 15km/h 이상, 24km/h이하에서는 직선적으로 점감하도록 비율을 변화시켜 24km/h이상에서는 전동기구동력에 의한 구동을 정지시켜, 이 범위 내에 수용되도록 하고 있다.
이 관계를 그래프로 표시한 것이 도 5이다.
이 때문에 인력구동용의 토오크를 검출하는 센서와, 주행속도를 검출하는 속도센서와, 전동기구동력을 얼마로 할 것인가를 연산하는 마이크로컴퓨터를 구비하고, 인력구동력에 의한 토오크와 주행속도를 입력시키고, 마이크로컴퓨터가 갖고 있는 테이블데이터에 의해 보조비율을 변경하는 수법을 취하고 있다.
예를들면, 100kgㆍcm의 인력구동에 의한 토오크가 걸렸다고 하면 주행속도가 10km/h이면 전동기구동력에 의한 토오크를 100kgㆍcm이하로 하고, 주행속도가 20km/h이면 보조비는 약 0.44로 감소시키지 않으면 안되므로 44kgㆍcm의 전동기구동력의 출력을 마이크로컴퓨터 내에서 연산해서 출력시키고 있었다.
그러나, 속도센서에 오차가 있을 때나 고장이 난 경우, 마이크로컴퓨터에서는 통상의 연산을 행하고 있는 것이지만, 속도가 실제와 다르기 때문에 실제의 출력이 미리 정한 값을 초과하는 일이 있거나 미리 정한 값보다 지나치게 적어서 보조부족이 생기는 일이 있었다.
또, 속도검출을 하기 위한 속도센서는 회전체인 차륜 등으로부터 검출하지 않으면 안되므로 배선이 필요하고, 구성이 복잡하게 되거나 배선 그 자체가 방해가 되는 일이 있거나 했다.
본 발명은 속도센서를 사용하는 일이 없이, 전동차의 구동용전동기의 출력토오크를 지정한 범위로 제한하는 토오크 제한장치를 얻는 것을 목적으로 하고, 특히 전기자전거의 조보전동기의 토오크를 안전한 범위로 수용하기 위한 토오크 제한장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
도 1은 전동보조식 자전거의 전체사시도
도 2는 판상케이스의 구성을 나타내는 정면도 및 측면도
도 3은 판상케이스 상에서의 전동기의 배치도
도 4는 전동보조식 자전거의 주행개념도
도 5는 통달규정의 차속에 대한 보조비의 관계도
도 6은 인력토오크에 대한 보조비의 설정관계도
도 7은 규정을 만족시키는 차속에 따른 전동기토오크의 특성영역도
도 8은 토오크 제한제어 전의 차속에 대한 전동기토오크의 특성도
도 9는 전동기토오크에 대한 펄스폭 제어의 구동신호 상한의 관계도
도 10은 토오크 제한제어 후의 차속에 대한 전동기토오크의 특성도
도 11은 본 발명의 전동차 토오크 제한장치의 실시예
도 12는 토오크 제한제어 전의 3종류의 차속에 대한 전동기토오크의 특성도
도 13은 전동기토오크에 대한 펄스폭 제어의 구동신호 상한의 관계도
도 14는 토오크 제한제어 후의 3종류의 차속에 대한 전동기토오크의 특성도
도 15는 본 발명의 전동차토오크 제한장치의 다른 실시예.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
8. 전동기
31. 보조토오크 설정기
35. 펄스폭변조 제어장치
36. 듀티 상한설정기
본 발명의 청구항 1에 관한 전동차용 전동기의 토오크 제한장치는 전동차용 전동기에 공급하는 구동전력을 제어하기 위한 제어장치와, 전동기의 구동상태를 검지해서 그 출력신호에 대응하는 복수의 규제치가 미리 설정된 구동전력 상한설정기와를 구비하고 있고, 구동전력 상한설정기가 출력신호가 출력되었을 때에 상기한 규제치의 하나에 기초해서 제어장치에 구동전력의 상한을 규제하는 지령을 부여하므로서 전동기의 토오크를 제한하는 것을 특징으로 한다.
상기한 구성에서 전동기의 구동제어를 행하는 때에는, 우선, 전동기토오크설정기에 의해 전동기의 목표구동토오크 신호가 정해지고, 이 목표구동토오크 신호에 기초하여 전동기를 구동시키는 구동전력, 예를들면 듀티(duty)가 작성된다.
이때, 전동기의 구동상태를 나타내는 전동기출력신호는 전지전류, 전동기전류, 전동기토오크 신호 등이 사용되고, 이 전동기출력신호는 구동전력 상한설정기에 입력되고 구동전력인 듀티의 상한이 정해진다.
따라서, 전동기의 회전수가 적은 때에는 전동기출력신호가 전동기토오크 설정기에 의해 정해진 목표구동토오크 신호와 동등하게 되도록 비교적 적은 듀티 즉 비교적 적은 듀티로 제어되지만, 전동기의 회전수가 증가한 경우에 전동기 출력신호를 전동기토오크 설정기로 정한 목표구동토오크와 동등하게 하기 위해서는 구동전력, 즉 듀티를 증가시키지 않으면 안된다.
이때, 구동전력 상한설정기에 의한 상한의 듀티가 정해지고, 구동전력 상한설정기의 출력에 따라서 제어장치로 작성되는 펄스폭변조의 듀티의 상한이 규제되기 때문에 회전수가 크게 된 때에 증가하는 전동기를 구동시키는 듀티가 억제된다. 이것에 의해 속도센서를 사용하는 일이 없이 전동차의 구동용 전동기의 출력토오크를 지정한 범위로 제한할 수가 있다.
본 발명의 청구항 2에 관한 전동차용 전동기의 토오크 제한장치에 있어서, 구동전력 상한설정기에 의해 제한되어야 할 전동기의 토오크가 미리 설정된 전동기토오크 설정기를 구비하고, 제어장치가 그 전동기토오크 설정기로부터의 출력에 기초해서 작동하는 것을 특징으로 한다.
전동기토오크 설정기에서는 가속기나 인력을 검지하면 토오크센서 등으로부터의 입력에 기초하여 설정되고, 이 전동기토오크 설정기의 설정에 기초하여 전동기가 구동한다.
본 발명의 청구항 3에 관한 전동차용 전동기의 토오크 제한장치에 있어서, 제어장치가 펄스폭변조 제어장치인 것을 특징으로 한다.
전동기구동신호는 전동기에의 구동신호의 펄스폭변조 제어를 행하므로서 제어할 수 있고, 이것에 의해 속도센서를 사용하는 일이 없이 전동차의 구동용전동기의 출력토오크를 지정하는 범위로 제한할 수가 있다.
본 발명의 청구한 4에 관한 전동차용 전동기의 토오크 제한장치에 있어서, 구동전력이 전원인 전지에 의해 공급되고, 출력신호가 그 전지의 출력전류에 기초해서 결정되는 신호인 것을 특징으로 한다.
이것에 의해 전동기의 출력은 전지의 전류의 크기에 대략 비례하기 때문에 속도센서를 사용하는 일이 없이 전동차의 구동용전동기의 출력토오크를 지정하는 범위로 제한할 수가 있다.
본 발명의 청구항 5에 관한 전동차용 전동기의 토오크 제한장치에 있어서 출력신호가 전동기의 출력전류에 기초해서 결정되는 신호인 것을 특징으로 한다.
이것에 의해 전동기의 출력은 전동기의 전류의 크기에 비례하기 때문에 속도센서를 사용하는 일이 없어 전동차의 구동용 전동기의 출력토오크를 지정하는 범위로 제한할 수가 있다.
본 발명의 청구항 6에 관한 전동차용 전동기의 토오크 제한장치에 있어서, 출력신호가 구동전력 상한설정기에 의해 제한되어야 할 전동기의 토오크에 기초해서 결정되는 신호인 것을 특징으로 한다.
이것에 의해 속도센서를 사용하는 일이 없이 전동차의 구동용 전동기의 출력 토오크를 지정하는 범위로 제한할 수가 있다.
본 발명의 청구항 7에 관한 전동차용전동기의 토오크 제한장치에 있어서, 구동전력 상한 설정기가 상기한 제어장치에 의해 제어되는 구동전력을 듀티비에 기초해서 규제하는 것을 특징으로 한다.
이 구동신호는 전동기에의 듀티를 변경하므로서 전동기를 제어할 수 있고, 이것에 의해 속도센서를 사용하는 일이 없이 전동차의 구동용 전동기의 출력토오크를 지정하는 범위로 제한할 수가 있다.
본 발명의 청구항 8에 관한 전동차용 전동기의 토오크 제한장치에 있어서, 구동전력의 전원의 전압을 지정하는 전원전압 지정수단을 구비하고, 구동전압 상한 설정기가 상기한 출력신호와 전원전압 지정수단에 의한 지정신호에 의해 그 구동전력의 상한을 결정하는 것을 특징으로 한다.
이것에 의해 속도센서를 사용하는 일이 없이 특정의 전원전압을 사용하는 경우에 있어서의 전동차의 구동용 전동기의 출력토오크를 지정하는 범위로 제한할 수가 있는 것은 물론, 1종류의 전동기에 대해 전압이 다른 다종류의 전원(예를들면, 전지)으로 호환적으로 사용한 경우에도 전동차의 구동용전동기의 출력토오크를 지정하는 범위로 제한할 수가 있다.
본 발명의 청구항 9에 관한 전동차용 전동기의 토오크 제한장치에 있어서, 전동기의 특성을 지정하는 전동기특성 지정수단을 구비하고, 구동전력 상한설정기가 상기한 출력신호와 전동기특성 지정수단에 의한 지정신호에 이해 그 구동전력의 상한을 결정하는 것을 특징으로 한다.
이것에 의해 속도센서를 사용하는 일이 없이 특정의 전동기특성을 사용하는 경우에 있어서의 전동차의 구동용 전동기의 출력토오크를 지정하는 범위로 제한할 수가 있는 것은 물론, 전동기특성이 다른 다종류이 전동기를 호환적으로 사용한 경우에도 전동차의 구동용 전동기의 출력토오크를 지정하는 범위로 제한할 수가 있다.
본 발명의 청구항 10에 관한 전동차용 전동기의 토오크 제한장치에 있어서 구동전력 상한설정기가 전동차의 구동용 차륜의 크기에 대응하는 구동전력의 상한을 결정하는 것을 특징으로 한다.
이것에 의해 속도센서를 사용하는 일이 없이 특정의 전동기특성과 특정의 전원전압을 사용하는 경우에 있어서의 전동차의 구동용 전동기의 출력토오크를 지정하는 범위로 제한할 수가 있는 것을 물론, 1종류의 전동기에 대해 차륜이 다른 다종류의 전동차를 호환적으로 사용한 경우에도 전동차의 구동용 전동기의 출력토오크를 지정하는 범위로 제한할 수가 있다.
본 발명의 청구항 11에 관한 전동차용 전동기의 토오크 제한장치에 있어서, 전동차용 전동기가 인력구동력을 전동기의 구동력에 의해 보조하는 전동보조식 자전거의 전동기인 것을 특징으로 한다.
이것에 의해 전동보조식 자전거에 있어서 속도센서를 사용하는 일이 없이 전동차의 구동용 전동기의 출력토오크를 지정하는 범위로 제한할 수가 있고, 또 전동기특성이 다른 다종류의 전동기를 호환적으로 사용하는 경우, 혹은 1종류의 전동기에 대해 크기가 다른 다종류의 차륜을 화환적으로 사용한 경우에도 전동차의 구동용 전동기의 출력토오크를 지정하는 범위로 제한할 수가 있기 때문에 전동보조식 자전거의 전동기의 특성맞춤이나 전원(전지), 차륜의 크기의 선택에 여유를 갖게 할 수가 있다.
본 발명의 청구항 12에 관한 전동차용 전동기의 토오크 제한장치에 있어서, 구동전력 상한설정기가 인력구동력에 대한 전동기의 구동력의 비율인 보조비가 규제범위 내로 되도록 그 구동전력의 상한을 결정하는 것을 특징으로 한다.
이것에 이해 전동보조식 자전거에 있어서 속도센서를 사용하는 일이 없이 전동차의 구동용 전동기의 출력토오크를 지정하는 범위로 제한할 수가 있기 때문에 종래의 속도센서를 사용하는 것과 같이 속도가 실제와는 달라서 실제의 출력이 지나치게 커지거나 지나치게 적어서 보조부족이 생기는 것을 방지할 수 있다.
본 발명의 청구항 13에 관한 전동차용 전동기의 토오크 제한장치가 조립된 전동차에 있어서, 청구항 1~11의 어느 것인가에 조립되어 있는 것을 특징으로 한다.
이것에 의해 전동차에 있어서 속도센서를 사용하는 일이 없이 전동차의 구동용전동기의 출력토오크를 지정하는 범위로 제한할 수가 있고, 또 전동기특성이 다른 다종류의 전동기를 호환적으로 사용하는 경우, 혹은 1종류의 전동기에 대해 전압이 다른 다종류의 전원(예를들면, 전지)을 호환적으로 사용한 경우, 또 1종류의 전동기에 대해 크기가 다른 다종류의 차륜을 호환적으로 사용한 경우에도 전동차의 구동용 전동기의 출력토오크를 지정하는 범위로 제한할 수가 있기 때문에 전동차의 전동기의 특성맞춤이나 전원(전지), 차륜의 크기의 선택에 여유를 갖게 할 수가 있다.
본 발명의 청구항 14에 관한 전동차용 전동기의 토오크 제한장치가 조립된 전동차에 있어서 전동차가 인력구동력을 전동기의 구동력에 의해 보조하는 전동보조식 자전거인 것을 특징으로 한다.
이것에 의해 전동보조식 자전거에 있어서 속도센서를 사용하는 일이 없이 전동차의 구동용전동기의 출력토오크를 지정하는 범위로 제할할 수가 있고, 종래의 속도센서를 사용하는 것과 같이 속도가 실제와는 달라서 실제의 출력이 지나치게 커지거나 지나치게 적어서 보조부족이 생기는 것을 방지할 수 있다.
(실시예)
본 발명의 전동차용 전동기의 토오크 제한장치에 대해서 본 출원인이 제공해 온 전동기로 후륜을 직접 회전시키는 형의 전동보조식 자전거, 소위 후륜직접구동형의 전동보조식 자전거의 예를 도면에 기초해서 설명한다.
도 1은 후륜직접구동형의 전동보조식 자전거의 전체사시도이며, 도면 중 (1)은 전동보조식 자전거본체이다.
전동보조식 자전거본체(1)에는 후술하는 전동기(8)가 구비되어 있고, 인력에 의한 토오크의 크기에 따라 전동기(8)의 구동력을 변화시켜 인력에 의한 힘을 전동기(8)에 의한 힘에 의해 보조해서 주행시키도록 되어 있다.
전동보조식 자전거본체(1)의 프레임(4)에는 전륜(2), 후륜(3), 핸들(13) 및 안장(21)이 부착되어 있고, 전륜(2)은 핸들(13)에 의해 조종되게 되어 있다.
후륜(3)의 회전축의 부분에는 반상케이스(5)가 설치되어 있다.
반상케이스(5)는 회전측케이스(6)와 전동보조식 자전거본체(1)에 고정되는 고정측 케이스(7)를 구비하고 있고, 회전측 케이스(6)가 후륜(3)과 일체로 되어서 회전하도록 되어 있다.
또, 반상케이스(5)에는 전동기(8)가 내장되어 있고 전동구동이 필요한 때에 구동해서 후술하는 인력구동부(10)와 함께 상기한 회전측 케이스(6)를 회전시킨다.
이 반상케이스(5)를 구비한 구동부분이 전동구동부(9)이다.
인력구동부(10)는 페달(11)및 체인(12)을 구비하고 있고, 사용자가 페달(11)을 밟으므로서 체인(12)을 거쳐서 상기한 후륜(3)을 회전시킨다.
이 예에서는 체인(12)을 인력의 전달부재로 했으나, 이에 한정되지 않고 체인(12)대신에 벨트, 회전축 등에 의하는 것도 상관없다.
전륜(2)의 조종을 하는 핸들(13)의 양단에는 브레이크 레버(14), (15)가 부착되어 있고, 또 전륜(2) 및 후륜(3)에는 브레이크장치(18), (19)가 설치되어 있고, 브레이크 레버(14), (15)와 브레이크장치(18), (19)는 와이어(16), (17)에 의해 연결되어 있다.
이 브레이크 레버(14), (15)를 당기므로서 와이어(16), (17)가 당겨지고 이 와이어(16), (17)에 의해 각각 전후의 브레이크장치(18), (19)가 동작하도록 되어 있다.
또, 와이어(16), (17)의 도중에는 브레이크 스위치(20)가 설치되어 있고, 브레이크 레버(14), (15)를 조작한 때에 전동기(8)에의 통전이 정지되는 기구로 되어 있다.
후륜(3) 상의 프레임(4)에는 전동기(8)의 전원이 되는 전지부(22)가 부착되어 있다.
이 전지부(22)는 프레임(4)에 슬라이드 착탈가능하게 부착되는 전지케이스(23)와, 그 전지케이스(23)에 수납된 단일형 충전식전지에 의해 구성되어 있고, 전원전압은 대략 24V이다.
또한, 전지케이스(23)는 프레임(4)의 다른 장소에 설치해도 된다.
다음에 도 2, 도 3에 기초하여 상기한 판상케이스(5)에 대해 설명한다.
도 2는 도 1에 나타낸 판상케이스(5)의 구성을 나타내는 정면도이며, 도중(7)은 전동보조식 자전거본체에 고정되는 고정측케이스이다.
고정측 케이스(7)에는 제어기판, 방열판으로 된 제어부(도시생략), 전동기(8), 전동기(8)의 출력측(24)의 출력을 전달하는 제1풀리, 제2풀리의 풀리조(25)와 최종단풀리(28)의 3개의 풀리군으로 된 감속기구(26), 그 감속기구(26)의 각 풀리간 및 최종단풀리(28)를 연결하는 전달벨트(27)가 배치되어 있다.
최종단풀리(28)는 회전측 케이스(6)에 고정되어 있고, 전동기(8)가 회전하면 전동기(8)의 출력축(24)으로부터 최종단풀리(28)까지 전달벨트(27)에 의해 회전하고 감속되어서 최종단풀리(28)와 함께 회전축케이스(6)가 회전한다.
다시 또, 판상케이스(5)에는 페달(11)에 걸리는 인력토오크를 검출하는 토오크센서(41)가 설치되어 있고, 그 토오크센서(41)로부터의 인력토오크신호는 상기한 제어기판에 입력되도록 되어 있다.
그리고, 이 신호를 기초로 해서, 예를들면 크기의 구동력으로 전동기(8)가 구동되도록 제어된다.
또, 최종단풀리(28)에 연결되는 제2풀리의 적은 쪽의 풀리에는 일방향 클러치(도시생략)가 개재되어 있고, 페달(11)의 회전이 전동기(8)의 회전을 상회한 때에 전동기(8)의 구동력을 차단하도록 설치되어 있다.
도 3은 판상케이스(5)내의 전동기(8)의 배치상태를 나타내는 정면도이며, (30)은 고정자, (40)은 자석이다.
다음에 본 발명을 도면을 참조하면서 실시예에 기초해서 설명한다.
재차, 도 5를 참조해서 검토하면, 차속 S(km/h)에 대한 보조비 As(%)의 관계는
As=(24-S)/9 (단 15
Figure kpo00001
S
Figure kpo00002
24) (1)
또, 인력토오크 Tc(kgㆍcm)에 대한 보조비 At(%)의 관계는 도 6에 나타내는 바와 같이
At=Tc/200 (단0
Figure kpo00003
Tc
Figure kpo00004
200) (2)
보조전동기토오크 Tm은 Tm=TcㆍAt로 표시되기 때문에 인력토오크 Tc(kgㆍcm)에 대한 보조전동기토오크 Tm(kgㆍcm)의 관계는
Tm
Figure kpo00005
Tc2/200 (3)
여기서 보조전동기토오크 Tm(kgㆍcm)에 대한 보조비 At(%)의 관계는 (2), (3)식으로부터
200At
Figure kpo00006
(200Tm)1/2
At
Figure kpo00007
(Tm/200)1/2(4)
전동기에 대한 보조비 At(%)는 차속에 대한 보조비As(%)를 절대 초과해서는 안되기 때문에 As
Figure kpo00008
At의 관계가 된다.
따라서, 차속 S(km/h)에 대한 보조전동기토오크 Tm(kgㆍcm)의 관계는 (1), (4)식으로부터
(24-S)/9=As
Figure kpo00009
At
Figure kpo00010
(Tm/200)1/2
(24-S)/9
Figure kpo00011
(Tm/200)1/2
Tm
Figure kpo00012
200｛(24-S)/9｝2(5)
식(5)의 결과로부터 도 6에 나타내는 인력토오크 Tc(kgㆍcm)에 대한 보조비 At(%)의 설정에서는 도 5에 미리 정한 전동보조식 자전거의 속도와 보조비의 관계를 만족시키기 위해서는 차속에 따른 전동기토오크 특성은 도 7에 점선으로 나타내는 것보다도 좌측의 영역에 토오크커어브(torque curve)가 존재하는 것이 아니면 안된다.
그런데, 도 8의 실선으로 나타내는 바와 같은 차속에 대한 전동기토오크의 관계를 갖는 보조전동기를 사용하면 상기한 (5)식의 조건인 점선의 한계선을 초과한 것이 된다.
여기서 보조전동기의 구동제어를 펄스폭제어(PWM제어)에 의한 전류제어로 행하는 경우, 전동기토오크에 대한 펄스폭제어의 듀티 상한의 관계를 도 9에 나타내는 것과 같이 설정하면, 도 8에 실선으로 나타내는 것과 같은 차속에 대한 전동기토오크의 관계를 갖는 보조전동기를 사용해서 최대출력으로 했다고 해도 도 10과 같은 차속에 대한 전동기토오크의 관계가 얻어지고, 차속 15km/h이상에서의 전동기토오크가 억제되고, (5)식의 조건인 점선의 한계선보다도 좌측의 영역에 토오크커어브가 존재하게 된다.
이상과 같은 토오크 제한제어를 행하는 본 발명의 전동차토오크 제한장치를 전동보조식 자전거에 적용한 실시예를 도 11을 사용해서 설명한다.
도 11에 있어서 (8)은 보조용전동기, (31)은 토오크센서(41)로부터의 인력토오크에 기초하여 전동기(8)의 구동토오크가 설정되는 전동기토오크 설정기, 즉 보조토오크 설정기, (32)는 전동기(8)의 회전상태 신호로서 전동기토오크 신호를 피이드백(feed back)입력시키고 보조토오크 설정기(31)로 설정한 값과 비교하는 비교기, (33)은 비례회로, (34)는 적분기, (35)는 전동기(8)를 구동시키기 위해 작성된 토오크신호를 펄스신호로 변환하는 제어장치, 즉 펄스폭변조(PWM)제어장치, (36)은 펄스폭변조 제어장치로부터의 전동기(8)에 출력되는 구동신호의 상한을 제한하는 구동전력 상한설정기, 즉 듀티 상한설정기이다.
다음에 상기한 장치의 토오크 제한장치에 대해 설명한다.
보조토오크 설정기(31)에는 도 6의 토오크센서로부터의 입력토오트에 대한 목표의 전동기토오크 신호의 보조비가 입력되어 있고 입력토오크가 입력되면 그 값에 따른 크기의 보조토오크 지령신호가 출력된다.
비교기(32)는 입력되는 보조토오크지령과 피이드백되는 실제로 구동하는 전동기(8)의 구동토오크신호를 비교하여 그 편차를 비교회로(33), 적분기(34)를 거쳐서 비례ㆍ적분해서 다음 단계의 펄스폭변조(PWM) 제어장치(35)에 입력시켜 소정의 듀티로 제어되고, 듀티에 따른 구동전류가 전동기(8)에 공급되어서 도 6의 입력토오크와 보조비의 관계를 만족시키는 보조토오크가 출력된다.
예를들면, 보조토오크를 100kgㆍcm로 출력시키려고 하는 경우, 실제로 구동하는 전동기의 전동기출력신호가 90kgㆍcm인 경우에는 전동기출력신호가 보조토오크설정기(31)에서 정한 100kgㆍcm가 되도록 보조토오크 지령신호를 작성하여 펄스폭변조 제어장치(35)로 듀티로서 출력시켜서 얻고자하는 희망의 토오크로 접근시키는, 소위, 피이드백 제어가 행해진다.
본 실시예에서는 전동기(8)를 PWM제어에 의해 구동시키기 때문에 스위칭소자를 ON/OFF시키는 것에 의해 제어하는 방법을 표시하고 있으나, 다른 방법으로서 스위칭소자 대신에 전력트랜지스터를 사용하여 전력트랜지스터의 베이스에 걸리는 전압을 변경하므로서 전동기(8)를 제어하는 일반적으로 알려져 있는 저항제어법을 사용해도 상관없다.
또, 본 실시예에서는 피이드백 제어에 의해 전동기의 출력을 목표토오크에 근접시키도록 제어하고 있으나, 일반적인 제어인 전동기출력을 피이드백시키지 않고 전동기를 구동시켜도 상관없다.
여기서, 듀티 상한설정기(36)에는 도 9에 나타내는 전동기토오크에 대한 펄스폭제어의 듀티 상한의 관계를 테이블에 갖고 있다.
그리고, 보조토오크 설정기(31)로부터의 신호에 기초하여 펄스폭변조 제어장치(35)에서 듀티를 작성할 때, 듀티 상한설정기(36)에 의해 전동기토오크 신호에 대응하는 듀티로 펄스폭변조 제어장치(35)의 듀티가 제한된다.
그리고, 듀티의 상한치에 이르기까지는 인력토오크에 대응하는 보조토오크 설정기로부터의 신호에 기초해서 펄스폭변조에 의해 제어되고, 도 9의 관계에 나타내는 전동기토오크신호가 듀티의 상한치가 되면 그 상한치를 듀티의 최대치로 해서 펄스폭변조 제어장치(35)에 입력시켜서 전동기(8)에 출력시키는 듀티를 규제해서 제어하게 된다.
더 상세히 설명하면, 상기한 구성으로 전동기(8)의 구동제어를 행하는 때에는 우선, 보조토오크 설정기(31)에 의해 전동기(8)의 목표구동토오크 신호가 정해지고, 이 목표구동토오크 신호에 기초해서 전동기(8)를 구동시키는 듀티가 작성된다.
이때, 전동기(8)의 구동상태를 나타내는 전동기출력신호는 전동기토오크 신호가 사용되고, 이 전동기출력신호는 듀티 상한설정기(36)에 입력되고, 구동신호인 듀티의 상한이 정해진다.
따라서, 전동기(8)의 회전수가 적은 때에는 전동기출력신호가 보조토오크 설정기(31)에 의해 정한 목표구동토오크 신호와 동등하게 되도록 비교적 적은 듀티로 제어되지만, 전동기(8)의 회전수가 증가해 온 경우에 전동기출력신호를 보조토오크 설정기(31)로 정한 목표구동토오크 신호와 동등하게 하기 위해서는 듀티를 증가시키지 않으면 안되게 된다.
이때, 듀티 상한설정기(36)에 의해 상한의 듀티가 정해지고, 듀티 상한설정기(36)의 출력에 따라 펄스폭변조 제어장치(35)에서 작성되는 펄스폭변조의 듀티의 상한이 규제되므로 회전수가 크게 되었을 때에 증가하는 전동기(8)를 구동시키는 듀티가 억제된다.
이것에 의해 속도센서를 사용하는 일이 없이 전동차의 보조전동기(8)의 출력토오크를 지정하는 범위로 제한할 수가 있다.
또, 이 예에서는 듀티 상한설정기(36)에는 펄스폭제어의 듀티 상한의 관계를 구하기 위해 전동기토오크 신호를 입력시켰으나 전동기토오크신호에 한정하는 일이 없이 전동기토오크와 비례하는 전동기전류 등의 전동기출력신호이면 되는 것이며, 다시 또, 전동기토오크, 전동기출력과 상관관계가 있는 전지전류신호라도 된다.
이 결과, 보조전동기(8)에는 도 10에 나타내는 바와 같은 차속에 대한 전동기토오크의 관계가 되도록 전동기토오크가 억제되고, (5)식의 조건인 점선의 한계선보다도 좌측의 영역에 토오크커어브가 존재하게 되어 전동기의 회전수를 검출하는 일이 없이 전동기토오크 신호에 기초해서 적절한 전동기출력의 운전제어가 달성된다.
상기한 실시예에서는 특정의 특성의 전동기와 특정의 전원전압을 사용하는 경우에 대해 기술했으나, 도 12에 나타내는 바와 같이, 실선 A, B, C와 같이 전동기특성이 다른 3종류의 전동기를 호환적으로 사용하는 경우, 혹은 1종류의 전동기에 대해 전압이 다른 3종류의 전원(예를들면 전지)을 호환적으로 사용했을 때의 전동기특성의 경우, 또 차륜의 크기가 3종류로 다른 경우에 차속에 대한 전동기토오크의 관계는 그 일부준에 있어서 각각 상기한 (5)식의 조건인 점선의 한계선을 초과한 것이 된다.
여기서, 보조전동기의 구동제어를 펄스폭제어에 의한 전류제어로 행하는 경우, 전동기토오크에 대한 펄스폭제어의 듀티 상한의 관계를 각각 도 13의 A, B, C로 나타내는 것과 같이 설정하면, 도 12의 실선으로 나타내는 것과 같은 차속에 대한 전동기토오크의 관계를 갖는 보조전동기를 사용해도 도 14와 같은 차속에 대한 전동기토오크가 얻어지고 차속 15km/h근방 이상에서의 전동기토오크가 억제되고, (5)식의 조건인 점선의 한계선보다도 좌측의 영역에 토오크커어브가 존재하게 된다.
다음에 특성이 다른 전동기를 호환적으로 사용한 경우, 혹은 전압이 다른 전원(예를들면, 전지), 다른 크기의 차륜을 호환적으로 사용한 경우의 본 발명의 다른 실시예를 도 15를 참조해서 설명한다.
도 15에 있어서, 도 11의 실시예의 것과 동일한 기능을 갖는 부재에는 동일한 번호를 부여하고 있다.
듀티 상한설정기(36)에는 도 13에 나타내는 복수의 전동기토오크에 대한 펄스폭제어의 듀티 상한의 관계를 테이블에 갖고 있고, 전동기토오크 신호에 대응하는 듀티로 펄스폭변조 제어장치(35)의 듀티를 제어하고 있다.
(37)은 전동기특성 지정수단, (38)은 전원전압 지정수단이며 (39)는 양지정수단의 선택수단이다.
이 실시예의 토오크 제한동작은 도 13의 것과 기본적으로는 동일하지만, 특성이 다른 전동기를 호환적으로 사용하는 경우에는 선택수단(39)을 전동기특성 지정수단(37)측으로 접속한다.
이것에 의해 듀티 상한설정기(36)에 격납되어 있는 전동기토오크에 대한 펄스폭제어의 듀티 상한의 관계 A, B, C의 복수의 테이블로부터 소정의 테이블을 선택한다.
또, 1종류의 전동기에 대해서 다른 전압의 전원을 호환적으로 사용하는 경우에는 선택수단(39)을 전원전압 지정수단(38)측으로 접속한다.
이것에 의해 듀티 상한설정기(36)에 격납되어 있는 전동기토오크에 대한 펄스폭제어의 듀티 상한의 관계 A, B, C의 복수의 테이블로부터 전원전압에 대응하는 소정의 테이블을 선택한다.
다시 또, 차륜의 크기가 다른 경우, 미리 제어회로를 조립하기 전에 사용하는 테이블에 설정해 두면 소정의 테이블로 구동시킬 수가 있다.
차륜의 크기가 다른 경우에 있어서는 차륜이 큰 쪽으로부터 A, B, C의 순이 된다.
그리고, 듀티의 상한치에 이르기까지는 상기한 설명과 같은 통상의 피이드백제어의 동작을 행하지만, 도 13의 관계로부터 전동기토오크가 듀티의 상한치가 되면 그 상한치의 듀티를 최대치로해서 펄스폭변조 제어장치(35)를 규제해서 제어한다.
그 결과, 보조전동기(8)에는 도 14에 나타내는 것과 같은 차속에 대한 전동기토오크의 관계가 되도록 전동기토오크가 억제되고, (5)식의 조건인 점선의 한계선보다도 좌측의 영역에 토오크커어브가 존재하게 되어 전동기의 회전수를 검출하는 일이 없이 전동기토오크 신호에 기초해서 조건에 합치한 운전제어가 달성된다.
본 실시예에서는 차륜의 크기가 3종류의 다른 자전거를 호환적으로 사용하는 경우에 대해 기술했으나, 자전거의 전면스프로킷과 후면스프로킷에 의해 생기는 중속비가 다른 자전거를 호환적으로 사용하는 경우에도 적용할 수 있다.
이들 실시예는 전동보조식 자전거의 보조전동기의 토오크제한을 예로해서 설명했으나 본 발명은 전동보조식 자전거에 한정되지 않고, 전기자동차 등이 소정속도 이상이 되면 전동기가 회전하지 않도록 설정하는, 즉, 속도제한기 등에도 적용할 수 있는 것이다.
이 경우에는 상기한 도 11 및 도 15의 실시예에 있어서의 인력토오크는 통상의 지령토오크로 변경하면 되고, 보조토오크 설정기는 불필요하게 된다.
기타의 동작은 동일한 것이다.
이상과 같이 본 발명은 속도센서를 사용하는 일이 없이 특정의 전동기특성과 특정의 전원전압을 사용한 경우에 있어서의 전동차의 구동용 전동기의 출력토오크를 지정의 범위로 제한할 수 있는 것은 물론, 전동기특성이 다른 다종류의 전동기를 호환적으로 사용하는 경우, 혹은 1종류의 전동기에 대해 전압이 다른 다종류의 전원(예를들면, 전지)을 호환적으로 사용하는 경우, 또 1종류의 전동기에 대해 차륜의 크기가 다른 다종류의 전동차를 호환적으로 사용한 경우에도 전동차의 구동용전동기의 출력토오크를 지정한 안전한 범위로 제한할 수가 있다.
또, 전동보조식 자전거에 있어서, 속도센서를 사용하는 일이 없이 전동차의 구동용 전동기의 출력토오크를 지정하는 범위로 제한할 수가 있고, 종래의 속도센서를 사용하는 것과 같이 속도가 실제와는 달라서 실제의 출력이 지나치게 커서 위험하거나 지나치게 적어서 보조부족이 생기는 것을 방지할 수 있다.

Claims (8)

  1. 전동차용 전동기에 공급하는 구동전력을 제어하기 위한 제어장치와 상기 전동기의 구동상태를 검지하여 이 전동기 토오크에 기초한 출력신호를 출력하기 위한 검지부와 이 검지부로부터의 출력신호에 대응하는 규제치가 미리 설정된 구동전력 상한 설정기와 이 구동전력 상한 설정기에 의해 제어되는 전동기 토오크가 미리 설정된 전동기 토오크 설정기를 구비하고, 상기 제어장치는 상기 전동기 토오크 설정기로부터의 출력에 기초하여 작동하고, 상기 출력신호가 출력되었을 때, 상기 구동전력 상한 설정기가, 상기 규제치에 기초하여 제어장치에 구동전력의 상한을 규제하는 지령을 부여함으로서 전동기의 토오크를 제한하는 전동차용 전동기의 토오크 제한장치.
  2. 제 1항에 있어서, 구동전력이 전원인 전지에 의해 공급되고, 출력신호가 그 전지의 출력전류에 기초해서 결정되는 신호인 것을 특징으로 하는 전동차용 전동기의 토오크 제한장치.
  3. 제 1항에 있어서, 출력신호가 전동기(8)의 출력전류에 기초해서 결정되는 신호인 것을 특징으로 하는 전동차용 전동기의 토오크 제한장치.
  4. 제 1항에 있어서, 구동전력의 전원의 전압을 지정하는 전원전압 지정수단을 구비하고 구동전압 상한 설정기가 상기한 출력신호와 전원전압 지정수단에 의한 지정신호 의해 그 구동전력의 상한을 결정하는 것을 특징으로 하는 전동차용 전동기의 토오크 제한장치.
  5. 제1항에 있어서, 전동기(8)의 특성을 지정하는 전동기특성 지정수단을 구비하고 구동전력상한 설정기가 상기한 출력신호와 전동기특성 지정수단에 의한 지정신호에 의해 그 구동전력의 상한을 결정하는 것을 특징으로 하는 전동차용 전동기의 토오크 제한 장치.
  6. 제1항에 있어서, 구동전력상한 설정기가 전동차의 구동용차륜의 크기에 대응하는 구동전력의 상한을 결정하는 것을 특징으로 하는 전동차용 전동기의 토오크 제한장치.
  7. 제1항에 있어서, 전동차용 전동기가 인력구동력을 전동기(8)의 구동력에 의해 보조하는 전동보조식 자전거의전동기(8)인 것을 특징으로 하는 전동차용 전동기의 토오크 제한장치.
  8. 제1항에 있어서, 구동전력상한 설정기가 인력구동력에 대한 전동기(8)의 구동력의 비율인 보조비가 규제범위내로 되도록 그 구동전력의 상한을 결정하는 것을 특징으로 하는 전동차용 전동기의 토오크 제한장치.
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