KR20130013115A

KR20130013115A - 전동식 자전거의 모터제어방법 및 시스템

Info

Publication number: KR20130013115A
Application number: KR1020110074537A
Authority: KR
Inventors: 이선복; 양원우; 김용대; 신동진
Original assignee: (주) 임베디드 솔루션
Priority date: 2011-07-27
Filing date: 2011-07-27
Publication date: 2013-02-06

Abstract

자전거의 페달을 밟는 사람의 힘과 바퀴의 회전수에 따라 전동 모터에서 발생하는 구동력을 최적으로 제어하여 자전거 사용자의 편의성과 안전성을 동시에 추구하도록 하기 위한 전동식 자전거의 모터제어방법 및 시스템이 개시된다. 본 발명은 양쪽 페달에 부착된 토크 센서로부터 입력되는 토크 값을 통하여 페달을 밟는 사람의 인력과 바퀴 및 페달에 부착된 RPM센서들로부터 입력되는 RPM값을 통하여 바퀴 및 페달의 회전수를 검출하는 단계; 및 검출된 토크 값 및 RPM값들의 기초로 하여 사용자가 선택한 주행모드에 따라 자전거의 직전 구동력과 대비하여 설정 범위내에서 페달을 구르는 힘과 비례하여 모터의 출력을 증가시키고, 바퀴의 회전수와 반비례하여 모터의 출력을 감소시키도록 모터를 제어하는 단계를 포함한다.

Description

전동식 자전거의 모터제어방법 및 시스템{method and system for controlling motor of electrical powered cycle}

본 발명은 전동식 자전거의 모터제어방법 및 시스템에 관한 것으로, 특히 자전거 사용자의 운동 효과를 극대화하기 위하여 자전거의 페달을 밟는 사람의 힘과 페달의 회전수에 따라 전동 모터에서 발생하는 구동력을 최적으로 제어하여 자전거 사용자의 편의성과 안전성을 동시에 추구하도록 하기 위한 전동식 자전거의 모터제어방법 및 시스템에 관한 것이다.

일반적으로, 전동 자전거는 배터리에서 출력되는 전기의 힘으로 모터를 회전시켜 회전력을 바퀴에 전달한다. 전동 자전거는 손잡이 등에 부착된 모터 제어장치를 이용하여 모터를 제어하고, 이에 따라 모터는 제어신호에 대응되도록 일정하게 구동된다.

이와 같은 종래의 전동 자전거는 사용자의 조작신호에 대응하여 모터가 일정하게 구동됨으로서 도로의 상황이나 이동 속도에 따라 위험한 상황을 발생시킬 수도 있다. 즉, 전동 자전거가 내리막길에서 갑자기 구동력을 높이면 경사와 무관하게 가속을 하고, 정지 상태에서 갑자기 구동력을 높일 경우 급출발을 하는 등 사용자의 안전을 위협하는 동작을 하게 된다.

종래의 전동식 자전거는 사용자의 판단에 따라 내리막길에서 브레이크를 사용하였고, 이로 인하여 내리막길에서는 잦은 브레이크의 사용으로 브레이크 패드의 마모가 심하였으며, 브레이크를 작동하지 않을 때에는 과속 사고의 위험이 있게 되는 등 그 제어에 어려움을 겪을 수 있는 문제점이 있었다.

또한, 종래의 전동식 자전거는 내리막길의 하강시에도 배터리가 소모되고 배터리를 자주 충전시켜야 하는 등 사용상의 불편함이 있음과 더불어, 배터리의 고중량 및 저효율이 문제점으로 되고 있다.

종래의 전동식 자전거는 사용자의 운동효과를 고려하지 않고 전기동력을 이용한 운송수단으로 주로 이용되고 있고, 유산소 운동을 위한 자전거 사용자는 인력자전거를 이용하고 있다. 그러나, 운동효과를 위하여 무리한 힘으로 자전거를 주행함으로 인하여 근섬유 파괴, 무릎인대 및 관절손상 등 역효과가 발생하는 경우가 빈번히 발생하고 있다.

안전하면서도 운동효과를 극대화 하기 위한 자전거 이용방법은 힘보다도 페달의 회전속도를 일정속도 이상 유지하는 것이 중요하다. 무리한 힘으로 느린 페달의 회전속도로 주행하여 운동할 경우, 다리 근육만 편중되게 발달하거나 운동중 젖산이 분비되어 근육피로가 축적되고 회복이 지연되며, 심할 경우 근섬유 파괴, 무릎인대 및 관절 손상 등의 사고가 빈번히 발생하게 된다.

따라서 자전거를 이용한 안전하면서도 효율적인 운동방법은 페달을 밟는 힘보다는 페달의 회전속도를 일정속도로 유지하는 것이 중요하다. 이러한 방법으로 주행할 경우 근육 및 관절에 무리가 없이 유산소 운동효과를 높여 심폐기능을 향상시킬 수 있다.

그러나, 페달의 회전속도가 과도할 경우에는 빠른 발의 움직임을 유지하기 위해 불필요한 에너지 소비가 발생하여 운동효율이 저하되고 심할 경우 올라오는 페달을 당겨주기 위한 다리의 운동으로 인하여 무릎 뒤쪽의 인대 손상의 가능성이 있다.

일반인의 안전하면서도 효율적인 자전거 페달 회전속도는 약 70~85rpm, 동호인 수준의 경우 80~90rpm, 선수수준의 경우 90~110rpm이다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하고자 발명된 것으로, 사용자가 자전거의 페달을 밟는 힘에 의하여 생성된 구동력에 의하여 바퀴를 구동하는 수동구동력과 사용자가 자전거 페달을 밟는 힘에 상응되는 보조 동력을 부가하는 모터구동력을 동시에 이용하여 자전거를 동작할 수 있도록 바퀴의 회전수, 페달의 회전수를 감지하며 기준 토크 대비 페달을 구르는 힘과 비례하며 바퀴의 회전수에 반비례하게 모터 동력을 제어함으로써, 자전거 사용자의 운동효과를 극대화하고 편의성과 안전성을 동시에 추구하도록 하기 위한 전동식 자전거의 모터제어방법 및 시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다.

이와 같은 목적을 수행하기 위한 본 발명은,

양쪽 페달에 부착된 토크 센서로부터 입력되는 토크 값을 통하여 페달을 밟는 사람의 인력과 바퀴 및 페달에 부착된 RPM센서들로부터 입력되는 RPM값을 통하여 바퀴 및 페달의 회전수를 검출하는 단계; 및

검출된 토크 값 및 RPM값들의 기초로 하여 사용자가 선택한 주행모드에 따라 자전거의 직전 구동력과 대비하여 설정 범위내에서 페달을 구르는 힘과 비례하여 모터의 출력을 제어하며, 페달 회전수와 비례하고 바퀴의 회전수에 반비례하게 모터의 출력을 제어하는 단계를 포함하는 전동식 자전거의 모터 제어방법을 제공한다.

또한, 본 발명의 제어 시스템은,

양쪽의 페달에 한 쌍이 형성되어 페달의 양쪽에서 교대로 밟는 힘이 입력되는 경우에만 검출된 토크를 무선으로 전송하여 페달에 가해지는 사람의 인력을 판단하는 토크센서;

자전거의 페달 및 바퀴에 형성되어 페달 및 바퀴의 회전시마다 펄스 신호가 입력되어 페달 및 바퀴의 회전수를 감지할 수 있도록 하기 위한 마그네틱 방식의 페달 및 바퀴 RPM센서;

토크센서에서 감지된 사람의 인력과 페달 및 바퀴 RPM센서에서 감지된 페달 및 바퀴의 회전수 및 사용자가 S/W 입력을 통하여 선택한 주행모드에 따라 모터의 출력을 하기 위한 PAS제어부;

PAS제어부에서 출력되는 신호를 입력 받아 자전거에 보조 구동력을 제공하기 위한 모터부 및 모터에 구동전원을 공급하기 위한 전원부를 포함하는 것이다.

상술한 바와 같은 본 발명은, 페달을 구르는 힘과 바퀴의 회전수, 페달의 회전수를 감지하며 페달을 구르는 힘과 비례하며, 바퀴의 회전수에 반비례하도록 자전거의 직전　구동력과 대비하여 설정범위 내에서 증/감이 이루어지도록 모터의 구동력을 제어하고 모터가 기준 토크에 도달하면 그 출력을 유지한다. 바퀴의 PRM센서로부터 바퀴의 회전수를 입력받아 속도로 환산하여 최대속도 이상이 되지 않도록 제어한다. 본 발명은 모터 구동력의 증감 범위를 사용자가 설정 범위 내에서 설정할 수 있도록 하므로 순간적인 급가속이나 급감속시 발생 할 수 있는 안전사고의 위험이 줄어들고, 기준 토크를 사용자가 설정할 수 있도록 하며 사용자의 의도에 따라 다양한 주행이 가능하도록 한다.

도 1은 본 발명에 따른 전동식 자전거의 모터 제어 시스템의 구성 및 동작을 설명하기 위한 전동식 자전거 시스템의 구성도이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

첨부된 도 1은 본 발명에 따른 전동식 자전거의 모터 제어 시스템의 구성 및 동작을 설명하기 위한 전동식 자전거 시스템의 구성도이다.

도 1을 참조하면 본 발명에서 언급하는 전동 자전거는 PAS(Power Assist System; 동력 보조 시스템)을 채용하는 전기 자전거이다. 본 발명에 따른 전기 자전거는 페달을 밟는 사람의 힘과 이 힘에 따라 전동모터에서 발생하는 보조 동력을 융합시켜 주행한다. 도 1에서 보는 바와 같이, 사람의 밟는 힘을 바퀴의 회전력으로 전환해주는 페달의 양측에는 사람이 페달을 밟는 힘을 감지하는 토크센서(110)가 형성되며, 자전거의 페달 회전수를 감지하는 페달 RPM 센서(120)가 형성되고 자전거의 일측 바퀴에는 바퀴의 회전시마다 펄스 신호가 입력되어 주행 스피드를 감지하는 바퀴 RPM 센서(125)가 형성된다.

토크센서(110), 페달 RPM 센서(120) 및 바퀴 RPM 센서(125)는 PAS 제어부(130)에 각각 사용자의 구동력, 페달 및 바퀴의 회전수에 대한 검출신호를 입력하도록 구성된다. PAS 제어부(130)는 토크센서(100)에서 검출된 구동력과 페달 RPM 센서(120) 및 바퀴 RPM 센서(125)에서 검출된 페달 및 바퀴의 회전수를 입력받아 사용자가 선택한 동작모드에 따라 이를 연산하여 모터의 출력 동력을 결정하여 모터 구동 제어부(140)에 제어신호를 출력한다.

모터 구동 제어부(140)는 PAS 제어부(130)에서 입력되는 신호에 따라 전원부(150)에서 모터(160)에 인가되는 전원을 증감시켜 모터(160)의 출력을 제어한다.

이와 같이 구성된 본 발명에 따른 전동자전거는 사람이 페달을 밟는 힘과 이 힘에 비례하도록 전동모터에서 발생하는 보조 동력을 융합시키는 것으로 그 동작을 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 페달의 누르는 힘과 페달의 회전속도를 감지하여 일반인 수준의 페달회전 속도를 유지할 수 있도록 전기동력을 최적으로 제어하는 방법 및 시스템에 관한 것이다. 본 발명은 자전거를 타면서 최적의 운동효과를 위해 페달을 누르는 힘과 페달의 회전속도를 감지하여 일정속도 이상 주행중에는 페달의 회전속도를 70~85rpm 정도를 유지하도록 모터가 동력을 보조하는 역할을 수행한다.

즉, 사용자가 페달을 밟는 힘(누르는 토크)가 일정범위 이내이면서 페달의 회전속도가 범위내에 유지되는 경우가 정상이며, 누르는 힘이 증가하면서 페달의 회전속도가 감소한다는 것은 오르막이거나 사용자의 운동능력이 감소했다는 것이므로 모터의 출력을 증가하여 사용자 부담을 경감시키고, 누르는 힘이 감소하면서 페달의 회전속도가 증가한다는 것은 내리막이거나 사용자의 운동능력에 여유가 있다는 것이므로 모터의 출력을 감소한다.

그리고, 페달 회전속도가 범위 이하에서 증가하면서 누르는 힘이 증가한다는 것은 사용자가 가속할 의도가 있다는 것이므로 모터의 동력을 서서히 증가하고 누르는 힘이 감소하면서 페달의 회전속도가 감소한다는 것은 사용자가 감속할 의도가 있다는 것이므로 모터의 동력을 서서히 감소시킨다.

본 발명에서 토크 센서(110)는 자전거의 양쪽의 페달에 설치되며, 사용자가 페달을 밟아 발생한 토크가 설정된 기준 토크보다 크면 PAS 제어부(130)로 무선신호를 전송한다. 토크센서(110)는 반드시 양쪽 페달에서 교대로 토크신호가 입력됨을 인지하여야만 주행중 또는 발판을 구르는 것으로 인지하고 한쪽의 페달에서만 신호가 입력되면 자전거의 주행신호가 아님을 인지하여 출력을 하지 않는다.

페달 RPM 센서(120)는 사용자에 의하여 페달이 회전하는 회전수를 검출하고, 바퀴 RPM 센서(125)는 바퀴의 회전수를 검출하여 자전거의 현재속도를 연산하도록 한다. 페달 RPM 센서(120) 및 바퀴 RPM 센서(125)는 회전체의 회전 경로에 설치된 마그네틱 방식의 센서로 회전시마다 펄스신호가 입력되어 회전수를 감지할 수 있도록 동작된다. 한쪽은 자석을 포함하고 다른 한쪽은 접점을 가지고 있어서 양쪽이 겹치는 순간 접점이 붙어 신호를 출력하는 방식으로 페달 및 바퀴의 회전수를 감지한다.

PAS 제어부(130)는 토크 센서(110)에서 검출된 사용자가 페달을 밟아 발생하는 구동토크와 페달 RPM 센서(120) 및 바퀴 RPM 센서(125)에서 검출된 자전거의 페달 및 바퀴의 회전수를 입력받고, 사용자가 선택한 동작모드를 기준으로 모터의 출력 동력을 연산하여 모터 구동 제어부(140)에 제어신호를 송신한다.

PAS 제어부(130)의 통신모듈(136)은 페달에 설치된 토크센서(110)와는 무선통신을 이용하여 데이터를 송수신하고, RPM 센서(120)와는 유선으로 연결하여 바퀴의 회전수를 측정하도록 한다. LCD표시장치(132)는 현재 구동력, 모터 출력, RPM, 동작방법, 이동 속도등의 정보를 표시한다. S/W입력부(134)는 사용자가 동작모드, 기준 토크, 동력 증/감 범위등을 설정할 수 있도록 하며 표시단위를 mile, Km 등으로 변환할 수 있도록 하기 위한 스위치이며, 사용자는 일상생활모드와 스포츠모드로 구분하며 일상모드에서는 모터동력을 이용하며 스포츠 모드에서는 모터의 동력을 사용하지 않도록 하는등의 동작모드등을 선택하도록 한다.

그리고, PAS제어부(130)의 MCU(138)는 토크센서(110)에서 감지된 사람의 인력과 페달 RPM 센서(120) 및 바퀴 RPM 센서(125)RPM센서(120)에서 감지된 페달과 바퀴의 회전수 및 사용자가 S/W입력을 통하여 선택한 주행모드에 따라 모터의 출력을 하기 위한 연산을 수행한다.

PAS제어부(130)의 MCU(138)는 자전거의 기준 토크 A, 현재 토크 a, 모터의 직전 구동 동력 B, 모터의 현재 구동 출력 b라 할 때 모터의 출력을 다음<식 1>과 같이 연산한다.

b = B + (B * ((a - A)/A * 100))

if ((a - A)/A * 100)>최대설정치 then ((a-A)/A * 100)= 최대설정치

if ((a - A)/A * 100)<최소설정치 then ((a-A)/A * 100)= 최소설정치........<식1>

<식 1>에서 만약 사용자가 15% 이내에서 모터의 동력을 조정하는 것으로 설정한 경우라면 모터의 출력은 직전　출력 ㅁ 설정범위 (현재 출력의 15% 이내)에서 증/감이 이루어지며 기준토크에 도달하면 그 출력을 유지한다.

PAS제어부(130)의 MCU(138)는 페달의 회전속도와 무관하게 구동 토크가 작은(기준토크의 10% 이하)경우에는 모터의 출력을 정지하며, 페달의 회전속도가 적정 회전수(70~85RPM)보다 적으면서 기준 토크보다 큰 구동토크가 인지되는 경우 오르막길 또는 가속구간으로 인지하여 모터의 출력을 현재 출력의 10%정도로 증가시키며, 페달의 회전속도가 적정 회전수보다 많으면서 기준 토크 보다 큰 구동 토크가 입력된 경우에는 이미 가속된 상태로 인지하고 현상태를 유지하도록 한다. 일정시간(2초)이상 페달의 회전이 없으면 전진의사가 없는 것으로 간주하여 모터의 출력을 차단한다.

모터의 출력을 증감시키는 출력 증감 범위는 사용자가 일정범위(최대 30%)내에서 설정할 수 있도록 하므로 순간적인 급가속이나 급감속시 발생 할 수 있는 안전사고의 위험이 줄어들게 되며, 또한 기준 토크를 사용자가 설정할 수 있도록 하며 사용자의 의도에 따라 다양한 주행이 가능하도록 한다.

모터 구동 제어부(140)는 PAS제어부(130)에서 출력되는 제어신호에 따라 모터의 구동 출력을 담당하는 드라이버 부분으로 전동자전거에 사용된 DC모터의 구동 회로이며, 모터(160)에 인가되는 전원부(150)의 전원을 조절하여 모터(160)의 출력을 제어한다.

전원부(150)는 리듐이온 배터리와 수퍼캐패시터를 조합하여 이루어지며, 일반적인 경우에는 리듐이온 배터리의 전원을 사용하며 짧은 시간에 많은 동력을 필요로 하는 경우 수퍼캐패시터의 전원을 사용하도록 한다.

종래의 전동 자전거는 손잡이 등에 부착된 모터 제어장치를 이용하여 모터를 제어함으로 모터는 사용자의 제어에 따라 일정하게 구동되어 도로의 상황이나 이동 속도 등에 따라 위험한 상황을 발생시킬 수도 있다. 내리막길에서 구동력을 높이면 경사와 무관하게 가속을 하고, 정지 상태에서 갑자기 구동력을 높일 경우 급출발을 하는 등 사용자의 안전을 위협하는 동작을 하게 된다.

그러나, 본 발명에 따른 전동자전거는 사용자가 페달을 구르는 힘과 바퀴 및 페달의 회전수를 감지하며 사용자가 입력시킨 기준 토크 대비 페달을 구르는 힘과 페달 회전수와 비례하고 바퀴의 회전수에 반비례하게 모터 동력을 제어함으로 이러한 문제를 해결할 수 있다.

본 발명에서는 모터의 구동력은 사용자가 페달을 밟는 구동력 및 페달의 RPM에 비례하여 증가시킴으로 사용자가 세게 밟게 되는 오르막 경사나 가속시에 모터의 구동력이 커지고 반대로 내리막길이나 감속시에는 페달을 밟는 힘이 작아지므로 모터의 구동력도 작아져 감속이 가능하게 된다. 한쪽 페달의 구동력만 감지되거나 페달의 RPM이 일정시간 입력이 없을 경우는 내리막길이나 평지 등에서 페달을 구르지 않고 이동하는 것으로 감지하여 구동력을 감소 시킨다. 또한 일정범위의 구동력을 유지한 상태에서 회전수가 많아지면 구동력을 줄여주고 회전수가 작아지면 구동력을 키워서 일정한 속도를 유지할 수 있도록 한다.

Claims

ⅰ)양쪽 페달에 부착된 토크 센서로부터 입력되는 토크 값을 통하여 페달을 밟는 사람의 인력과 바퀴 및 페달에 부착된 RPM센서들로부터 입력되는 RPM값을 통하여 바퀴 및 페달의 회전수를 검출하는 단계; 및
ⅱ)상기 검출된 토크 값 및 RPM값들의 기초로 하여 사용자가 선택한 주행모드에 따라 자전거의 직전 구동력과 대비하여 설정 범위내에서 페달을 구르는 힘과 비례하여 모터의 출력을 제어하며, 페달 회전수와 비례하고 바퀴의 회전수에 반비례하게 모터의 출력을 제어하는 단계를 포함하는 전동식 자전거의 모터 제어방법.
제 1 항에 있어서, 상기 모터의 출력은 기준 토크 A, 현재 토크 a, 모터의 직전 구동력 B, 모터의 현재 구동력 b라 할 때 하기 <식 1>에 의하여 증/감 되고, 하기 식 1에서 ((a - A)/A * 100))는 설정된 설정 범위내의 값을 가진 것을 특징으로 하는 전동식 자전거의 모터 제어방법.
b = B + (B * ((a - A)/A * 100)) <식 1>
제 1 항에 있어서, 상기 모터의 출력은 구동 토크가 기준토크의 10% 이하의 경우 정지시키고, 페달의 회전 속도가 적정 회전수(70 ~ 85RPM) 보다 적고 기준 토크보다 큰 구동토크가 검출되면 현재 출력의 10%정도로 증가시키며, 페달의 회전속도가 적정 회전수보다 많고 기준 토크보다 큰 구동 토크가 검출되면 현상태를 유지하고, 2초이상 페달의 회전이 없으면 모터의 출력을 차단하도록 동작되는 것을 특징으로 하는 전동식 자전거의 모터 제어방법.
양쪽의 페달에 한 쌍이 형성되어 페달의 양쪽에서 교대로 밟는 힘이 입력되는 경우에만 검출된 토크를 무선으로 전송하여 페달에 가해지는 사람의 인력을 판단하는 토크센서;
자전거의 페달 및 바퀴에 형성되어 페달 및 바퀴의 회전시마다 펄스 신호가 입력되어 페달 및 바퀴의 회전수를 감지할 수 있도록 하기 위한 마그네틱 방식의 페달 및 바퀴 RPM센서;
상기 토크센서에서 감지된 사람의 인력과 페달 및 바퀴 RPM센서에서 감지된 페달 및 바퀴의 회전수 및 사용자가 S/W입력을 통하여 선택한 주행모드에 따라 모터의 출력을 하기 위한 PAS제어부;
PAS제어부에서 출력되는 신호를 입력 받아 자전거에 보조 구동력을 제공하기 위한 모터부 및 모터에 구동전원을 공급하기 위한 전원부를 포함하는 전동식 자전거의 모터 제어 시스템.