KR20150009354A - 전기 자전거의 모터 제어 시스템 및 그 제어방법 - Google Patents

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KR20150009354A
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김세주
이근호
홍복영
김경태
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삼성전기주식회사
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Abstract

본 발명에 따른 전기 자전거의 모터 제어 시스템은, 자전거의 기울기를 검출하는 기울기 검출부와, 자전거의 가속도를 검출하는 자전거 가속도 검출부와, 페달의 가속도를 검출하는 페달 가속도 검출부 및 모터의 구동을 제어하는 모터 구동 제어부를 포함하고, 상기 모터 구동 제어부는 상기 기울기 검출부와, 상기 자전거 가속도 검출부 및 상기 페달 가속도 검출부로 부터 검출된 검출값을 전달받아 페달 토크를 추정을 통해 상기 모터의 구동을 제어한다.

Description

전기 자전거의 모터 제어 시스템 및 그 제어방법{ELETRICITY BIKE CONTROL SYSTEM AND METHOD FOR CONTROL THE SAME}
본 발명은 전기 자전거의 모터 제어 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
자전거는 조향륜인 전륜과 구동륜인 후륜이 프레임의 전후방에 일직선으로 배치되고, 탑승자가 후륜과 연동되는 페달을 밟아 후륜을 회전시킴으로써 앞으로 전진하도록 구성되어 있다. 이러한 자전거에는 페달에서 발생되는 동력을 후륜까지 전달하는 체인이나 기어 등의 동력전달장치가 설치된다.
특히, 체인방식의 동력전달장치는 페달의 일측에 설치되는 구동 스프라켓과, 이 구동 스프라켓 보다 직경이 작으면서 구동륜인 후륜에 설치되는 피동 스프라켓과, 구동 스프라켓과 피동 스프라켓을 연결하는 체인으로 이루어져 있다.
따라서, 이와 같은 구성에 의해 탑승자가 페달을 밟으면, 이 페달과 일체로 설치된 구동 스프라켓이 회전하고, 동시에 체인에 의해 피동 스프라켓과 연결되는 후륜도 회전하게 되어 자전거를 앞으로 전진시키는 것이다.
이와 같은 자전거는 사용자의 페달링에 의한 답력을 이용하여 주행하는 것으로서, 평지에서는 그 주행에 어려움이 없으나 언덕 등의 경사로를 올라갈 때에는 많은 힘을 필요로 하게 된다.
이러한 점을 해소하기 위하여, 최근에는 사용자의 답력에 더해 모터의 구동력을 사용하여 주행할 수 있도록 모터를 장착한 전기 자전거가 개발되었다.
즉, 전기 자전거에는 배터리(battery)로 구동되는 모터가 이용되며, 이러한 전동식 자전거는 사람이 페달을 밟는 힘만으로 주행하거나, 배터리로 구동되는 모터의 힘만으로 주행하거나, 둘 모두를 이용하여 주행하는 것을 선택할 수 있도록 구성되어 있다.
종래의 전기 자전거는 언덕을 올라갈 때 페달의 축에 토크 센서를 장착하여 토크 센서에서 출력되는 신호에 따라 모터의 구동력을 자동으로 조절하도록 되어 있다.
이러한 토크 센서는 뒤틀림 센서 코일에서 뒤틀림에 따라 자기장을 발생시키면 이를 인덕터가 감지하여 전압을 발생시키는 마그네틱(Magnetic) 방식과, 페달과 크랭크 사이에 뒤틀림 센서를 장착하여 이를 측정하는 스트레인 게이지(Strain Gauge) 방식이 있다.
그런데, 이와 같은 토크 센서는 매우 고가이다. 토크는 본질적으로 축의 비틀림을 감지하는 것인데, 그 비틀림의 양은 매우 미미하므로 정밀한 증폭이 필요하다.
또한, 축은 회전하며, 정보를 받는 제어기는 회전하지 않은 관계로, 정보를 전송하는데 있어서도 많은 기술이 요구되며, 그 결과 토크 센서는 가격이 매우 비싸 전기 자전거의 가격이 높아지는 문제가 있다.
아울러, 토크 센서의 자전거 장착시 장착 공간을 많이 차지하고, 장착 부품들이 다수 필요하여 설치와 유지 보수의 어려움이 있는 문제가 있다.
그리고, 토크 센서의 무게로 인하여 자전거의 무게가 증가 되며, 자전거가 경사면을 주행하며 올라갈때, 모터의 어시스트 비율이 올라가 배터리 소요가 증대되는 문제가 있다.
한국 공개특허 2012-0132593호
본 발명의 하나의 관점은 자전거의 기울기와 자전거의 가속도 및 페달의 가속도를 검출하여 페달 토크를 추정하여 모터의 구동을 제어하는 전기 자전거의 모터 제어 시스템 및 그 제어 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 관점은 승차감이 좋은 전기 자전거의 모터 제어 시스템 및 그 제어 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전기 자전거의 모터 제어 시스템은, 자전거의 기울기를 검출하는 기울기 검출부와, 자전거의 가속도를 검출하는 자전거 가속도 검출부와, 페달의 가속도를 검출하는 페달 가속도 검출부 및 모터의 구동을 제어하는 모터 구동 제어부를 포함하고, 상기 모터 구동 제어부는 상기 기울기 검출부와, 상기 자전거 가속도 검출부 및 상기 페달 가속도 검출부로 부터 검출된 검출값을 전달받아 페달 토크를 추정을 통해 상기 모터의 구동을 제어할 수 있다.
또한, 일 실시예에 따른 전기 자전거의 모터 제어 시스템에서, 3축 가속도 센서를 더 포함하여, 상기 기울기 검출부 및 상기 자전거 가속도 검출부가 상기 3축 가속도 센서를 통해 상기 자전거의 기울기 및 상기 자전거의 가속도를 검출할 수 있다.
또한, 일 실시예에 따른 전기 자전거의 모터 제어 시스템에서, 페달 속도를 감지하는 페달 속도 센서를 더 포함하여, 상기 페달 가속도 검출부가 상기 페달 속도 센서로 부터 전달받은 페달 속도 값을 미분하여 페달 가속도 값을 검출할 수 있다.
또한, 일 실시예에 따른 전기 자전거의 모터 제어 시스템에서, 상기 페달 속도 센서는 페달 회전축의 회전수를 감지할 수 있다.
또한, 일 실시예에 따른 전기 자전거의 모터 제어 시스템에서, 페달 토크에 따른 모터 어시스트 설정값이 저장된 메모리부를 더 포함하여, 상기 모터 구동 제어부가 페달 토크의 추정값을 상기 메모리부의 설정값과 비교하여 상기 모터의 구동을 제어할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 자전거의 모터 제어 방법은, 기울기 검출부가 자전거의 기울기를 검출하고 자전거 가속도 검출부가 자전거의 가속도를 검출하며, 페달 가속도 검출부가 페달의 가속도를 검출하는 검출단계 및 모터 구동 제어부가 상기 기울기 검출부와, 상기 자전거 가속도 검출부 및 상기 페달 가속도 검출부로 부터 검출된 검출값을 전달받아 페달 토크를 추정하여 모터의 구동을 제어하는 제어단계를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 자전거의 모터 제어 방법에서, 상기 검출단계는 상기 기울기 검출부 및 상기 자전거 가속도 검출부가 3축 가속도 센서를 통해 상기 자전거의 기울기 및 상기 자전거의 가속도를 검출할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 자전거의 모터 제어 방법에서, 상기 검출단계는 상기 페달 가속도 검출부가 페달 속도를 감지하는 페달 속도 센서를 통해 전달받은 페달 속도 값을 미분하여 페달 가속도를 검출할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 자전거의 모터 제어 방법에서, 상기 페달 속도 센서는 페달 회전축의 회전수를 감지할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 자전거의 모터 제어 방법에서, 상기 제어단계는, 상기 모터 구동 제어부가 페달 토크의 추정값을 메모리부에 저장된 모터 어시스트 설정값과 비교하여 상기 모터의 구동을 제어할 수 있다.
본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로부터 더욱 명백해질 것이다.
이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
본 발명은 자전거의 기울기와 자전거의 가속도 및 페달의 가속도를 검출하여 페달 토크를 추정하여 모터의 구동을 제어함으로써, 고가의 토크 센서 없이 토크를 산출할 수 있다.
이에 따라, 비용이 크게 절감있고, 토크 센서가 차지하는 공간을 줄일 수 있다. 그리고, 전기 자전거의 무게를 줄일 수 있고, 모터 구동에 필요한 전기 사용을 줄일 수 있어 모터를 구동하는 밧데리의 사용시간을 늘일 수 있다.
또한, 본 발명은 토크 산출을 통해 모터의 구동을 제어함으로써 좋은 승차감을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 자전거의 모터 제어 시스템이 사용되는 전기 자전거를 나타낸 예시도; 및
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 자전거의 모터 제어 시스템을 나타낸 구성도이다.
본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, "제1", "제2", "일면", "타면" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 사용되는 것으로, 구성요소가 상기 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다.
이하, 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 관련된 공지 기술에 대한 상세한 설명은 생략한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 자전거의 모터 제어 시스템이 사용되는 전기 자전거를 나타낸 예시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 자전거의 모터 제어 시스템을 나타낸 구성도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 자전거의 모터 제어 시스템은 기울기 검출부(140)와, 자전거 가속도 검출부(150)와 페달 가속도 검출부(160) 및 모터 구동 제어부(120)를 포함하여 모터(14) 구동을 제어한다.
먼저, 전기 자전거(10)는 전륜(12) 및 후륜(13)이 프레임(미도시)으로 지지되고, 동력전달수단에 의해 회전되는 체인(16)이 후륜(13)과 맞물림 결합된다. 이때, 동력전달수단은 페달(15) 및 모터(14)로 이루어질 수 있다. 이때, 페달(15)은 사용자에 의해 힘이 가해지면 회전되어 회전되는 회전력을 체인(16)으로 전달한다. 또한, 모터(14)는 전원부(150)와 연결되어 전원이 공급되면 모터(14)의 회전축이 회전되며 회전력을 체인(16)으로 전달할 수 있다. 이때, 사용자에 의해 힘이 페달(15)에 힘이 가해져 전기 자전거(10)가 주행될 때 모터(14)가 어시스트하여 사용자가 적은 힘을 페달(15)에 가해도 언덕 등을 주행하기 용이하게 한다.
여기서, 페달(15) 또는 모터(14)를 통해 체인(16)으로 회전력을 전달하는 세부적인 구성은 당업계에 널리 공지된 사항이므로 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
기울기 검출부(140)는 전기 자전거(10)의 기울기를 검출하여 모터 구동 제어부(120)로 검출된 검출값인 자전거 기울기 값을 전달한다.
자전거 가속도 검출부(150)는 전기 자전거(10)의 가속도를 검출하여 모터 구동 제어부(120)로 검출된 검출값인 자전거 가속도 값을 전달한다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 자전거의 모터 제어 시스템은 3축 가속도 센서를 더 포함하여 전기 자전거(10)의 기울기 및 가속도를 감지하여 기울기 검출부(140) 및 자전거 가속도 검출부(150)로 검출된 검출값을 전달한다.
여기서, 3축 가속도 센서는 x,y,z축의 가속도를 측정하여 자전거의 기울기 및 자전거의 가속도를 감지(센싱, sensing)할 수 있다.
페달 가속도 검출부(160)는 페달(15)의 가속도를 검출하여 모터 구동 제어부(120)로 검출된 검출값인 페달 가속도 값을 전달한다.
또한, 한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 자전거의 모터 제어 시스템은 페달(15) 속도를 감지하는 페달 속도 센서를 더 포함할 수 있다. 이때, 페달 가속도 검출부(160)가 페달 속도 센서로 부터 전달받은 페달 속도 값을 미분하여 페달 가속도 값을 검출할 수 있다. 여기서, 페달 속도 센서는 예를 들어 전기 자전거(10)의 프레임에 구비되어 페달(15) 회전축의 회전수를 감지할 수 있다.
모터 구동 제어부(120)는 기울기 검출부(140)와 자전거 가속도 검출부(150) 및 페달 가속도 검출부(160)로 부터 전달되는 검출값을 전달받아 페달 토크를 추정하여 모터(14) 구동을 제어한다. 이때, 모터 구동 제어부(120)는 전원부(130)에서 모터(14)로 전기 인가의 온/어프(on/off)를 제어하여 모터(14)의 구동을 제어할 수 있다. 여기서, 전원부(130)는 예를 들어 배터리일 수 있다.
또한, 모터 구동 제어부(120)는 추정된 페달 토크 값을 메모리부(미도시)에 저장된 모터(14) 어시스트 설정값과 비교하여 모터(14) 구동을 제어할 수 있다. 여기서, 메모리부는 모터 구동 제어부(120)에 포함될 수 있지만 본 발명이 여기에 반드시 한정되는 것은 아니며, 예를 들어 메모리부는 모터 구동 제어부(120)와 별도로 구비되어 전기적인 연결될 수 있다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 자전거의 모터 제어 시스템은 페달의 토크 값을 기울기 검출부(140)와, 자전거 가속도 검출부(150) 및 페달 가속도 검출부(160)를 통해 검출된 검출값을 통해 모터 구동 제어부(120)가 페달 토크 추정하여 모터(14)의 구동을 제어함으로써 모터(14) 어시스트(motor asist) 비율을 조절할 수 있다. 이로 인해, 고가의 토크 센서 없이 토크를 산출할 수 있어, 제조비용을 절감하고 자전거의 무게를 줄일 수 있다. 또한, 좋은 승차감을 제공할 수 있다.
도 1 및 도 2를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 전기 자전거의 모터 제어 방법은, 자전거의 기울기, 자전거의 가속도 및 페달 가속도를 검출하는 검출단계 및 모터(14)의 구동을 제어하는 제어단계를 포함한다.
이하에서, 도 1 및 도 2를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 의한 전기 자전거의 모터 제어 방법에 대해 보다 상세히 설명하기로 한다.
도 2를 참조하면, 검출단계는 기울기 검출부(140)가 전기 자전거(10)의 기울기를 검출하고, 자전거 가속도 검출부(150)가 전기 자전거(10)의 가속도를 검출하며, 페달 가속도 검출부(160)가 전기 자전거(10)의 페달(15) 가속도를 검출한다.
기울기 검출부(140)는 전기 자전거(10)의 기울기를 검출하여 모터 구동 제어부(120)로 검출된 검출값인 자전거 기울기 값을 전달한다.
자전거 가속도 검출부(150)는 전기 자전거(10)의 가속도를 검출하여 모터 구동 제어부(120)로 검출된 검출값인 자전거 가속도 값을 전달한다. 여기서, 기울기 검출부(140) 및 자전거 가속도 검출부(150)는 3축 가속도 센서를 통해 자전거의 기울기 및 자전거의 가속도를 검출할 수 있다. 이때, 3축 가속도 센서는 x,y,z축의 가속도를 측정하여 전기 자전거(10)의 기울기 및 자전거의 가속도를 감지(센싱, sensing)할 수 있다.
페달 가속도 검출부(160)는 페달(15)의 가속도를 검출하여 모터 구동 제어부(120)로 검출된 검출값인 페달 가속도 값을 전달한다. 여기서, 페달 가속도 검출부(160)는 페달 속도 센서로 부터 전달받은 페달 속도 값을 미분하여 페달 가속도 값을 검출할 수 있다. 여기서, 페달 속도 센서는 예를 들어 전기 자전거(10)의 프레임 일측에 구비되어 페달(15) 회전축의 회전수를 감지할 수 있다.
제어단계는 모터 구동 제어부(120)가 기울기 검출부(140)와, 자전거 가속도 검출부(150) 및 페달 가속도 검출부(160)로 부터 검출된 검출값을 전달받아 페달 토크를 추정하여 모터(14)의 구동을 제어한다. 이때, 모터 구동 제어부(120)는 전원부(130)에서 모터(14)로 전기 인가의 온/어프(on/off)를 제어하여 모터(14)의 구동을 제어할 수 있다. 여기서, 전원부(130)는 예를 들어 배터리일 수 있다.
또한, 모터 구동 제어부(120)는 추정된 페달 토크 값을 메모리부에 저장된 모터(14) 어시스트 설정값과 비교하여 모터(14) 구동을 제어할 수 있다. 여기서, 메모리부는 모터 구동 제어부(120)에 포함될 수 있지만 본 발명이 여기에 반드시 한정되는 것은 아니며, 예를 들어 메모리부는 모터 구동 제어부(120)와 별도로 구비되어 전기적인 연결될 수 있다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 자전거의 모터 제어 방법은 페달의 토크 값을 기울기 검출부(140)와, 자전거 가속도 검출부(150) 및 페달 가속도 검출부(160)를 통해 검출된 검출값을 통해 모터 구동 제어부(120)가 페달 토크 추정하여 모터(14)의 구동을 제어함으로써 모터(14) 어시스트를 조절할 수 있다. 이로 인해, 좋은 승차감을 제공할 수 있다. 또한, 고가의 토크 센서 없이 토크를 산출할 수 있어, 제조비용을 절감하고, 자전거의 무게를 줄일 수 있다.
이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명에 따른 전기 자전거의 모터 제어 시스템 및 그 제어 방법은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함은 명백하다고 할 것이다.
또한, 본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.
10 : 전기 자전거 12 : 전륜
13 : 후륜 14 : 모터
15 : 페달 16 : 체인
120: 모터 구동 제어부 130: 전원부
140: 기울기 검출부 150: 자전거 가속도 검출부
160: 페달 가속도 검출부

Claims (10)

  1. 자전거의 기울기를 검출하는 기울기 검출부;
    자전거의 가속도를 검출하는 자전거 가속도 검출부;
    페달의 가속도를 검출하는 페달 가속도 검출부; 및
    모터의 구동을 제어하는 모터 구동 제어부를 포함하고,
    상기 모터 구동 제어부는 상기 기울기 검출부와, 상기 자전거 가속도 검출부 및 상기 페달 가속도 검출부로 부터 검출된 검출값을 전달받아 페달 토크를 추정을 통해 상기 모터의 구동을 제어하는 전기 자전거의 모터 제어 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    3축 가속도 센서를 더 포함하여,
    상기 기울기 검출부 및 상기 자전거 가속도 검출부가 상기 3축 가속도 센서를 통해 상기 자전거의 기울기 및 상기 자전거의 가속도를 검출하는 전기 자전거의 모터 제어 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    페달 속도를 감지하는 페달 속도 센서를 더 포함하여,
    상기 페달 가속도 검출부가 상기 페달 속도 센서로 부터 전달받은 페달 속도 값을 미분하여 페달 가속도 값을 검출하는 전기 자전거의 모터 제어 시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 페달 속도 센서는 페달 회전축의 회전수를 감지하는 전기 자전거의 모터 제어 시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    페달 토크에 따른 모터 어시스트 설정값이 저장된 메모리부를 더 포함하여,
    상기 모터 구동 제어부가 페달 토크의 추정값을 상기 메모리부의 설정값과 비교하여 상기 모터의 구동을 제어하는 전기 자전거의 모터 제어 시스템.
  6. 기울기 검출부가 자전거의 기울기를 검출하고 자전거 가속도 검출부가 자전거의 가속도를 검출하며, 페달 가속도 검출부가 페달의 가속도를 검출하는 검출단계; 및
    모터 구동 제어부가 상기 기울기 검출부와, 상기 자전거 가속도 검출부 및 상기 페달 가속도 검출부로 부터 검출된 검출값을 전달받아 페달 토크를 추정하여 모터의 구동을 제어하는 제어단계를 포함하는 전기 자전거의 모터 제어 방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 검출단계는,
    상기 기울기 검출부 및 상기 자전거 가속도 검출부가 3축 가속도 센서를 통해 상기 자전거의 기울기 및 상기 자전거의 가속도를 검출하는 전기 자전거의 모터 제어 방법.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 검출단계는,
    상기 페달 가속도 검출부가 페달 속도를 감지하는 페달 속도 센서를 통해 전달받은 페달 속도 값을 미분하여 페달 가속도를 검출하는 전기 자전거의 모터 제어 방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 페달 속도 센서는 페달 회전축의 회전수를 감지하는 전기 자전거의 모터 제어 방법.
  10. 청구항 6에 있어서,
    상기 제어단계는,
    상기 모터 구동 제어부가 페달 토크의 추정값을 메모리부에 저장된 모터 어시스트 설정값과 비교하여 상기 모터의 구동을 제어하는 전기 자전거의 모터 제어 방법.
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