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JP6216669B2 - 電動自転車用制御装置、電動自転車用パワーユニットおよび電動自転車 - Google Patents

電動自転車用制御装置、電動自転車用パワーユニットおよび電動自転車 Download PDF

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Description

この発明は、電動自転車用制御装置、電動自転車用パワーユニットおよび電動自転車に関する。
運転者がペダルに入力するペダルトルクに応じて電動モータを制御することにより、運転者のペダルトルクをアシストする電動自転車が知られている。このような電動自転車においては、電動モータを停止状態から駆動を開始するときに、電動モータから車体に衝撃が加わってしまうことがある。
そこで特許文献1に記載の電動自転車は、発進時から百ミリ秒以内は、補助率を通常の補助率から抑えて電動モータを駆動するソフトスタートを実施している。これにより、衝撃を緩和させている。しかし、ソフトスタートすると、電動モータの回転数が高くなるまでに時間を要してしまい、電動モータの応答性が低下してしまう。そこで特許文献1に記載の電動自転車は、電動モータの応答性を高めるために、ソフトスタートした後に、発進から3秒以内に、通常時の補助率より大きな補助率で電動モータを駆動する過剰補助を実施している。つまり、ソフトスタートの後に実行する過剰補助によって、ソフトスタートで低下した電動モータの応答性を補っている。このようにして、特許文献1に記載の電動自転車は、衝撃の緩和と応答性の向上との両立を図っている。
特開平11−11375号公報
しかし市場からは、さらなる衝撃の緩和と応答性の向上が求められている。
そこで本発明は、電動モータ駆動時の衝撃の緩和と、電動モータの応答性の高い電動自転車用制御装置、電動自転車用パワーユニットおよび電動自転車を提供することを目的とする。
本発明に係る電動自転車用制御装置は、
動力伝達部材を介して電動モータに発生させたモータトルクを車輪に伝達させる電動自転車用制御装置であって、
ペダルに入力されるトルクを検出するペダルトルク検出部から出力される信号の変動に応じて変動するペダルトルク依存電力を電動モータに供給するペダルトルク依存電力供給部と、
ペダルにトルクが入力されてからペダルが一回転する間にペダルトルク検出部から出力される信号の最も大きいピークが形成される時間より前に、前記ピークが形成される時の前記ペダルトルク依存電力よりも大きい加速電力を供給する加速電力供給部と、
ペダルにトルクが入力されてからペダルが一回転する間にペダルトルク検出部から出力される信号の最も大きいピークが形成される前記時間より前で、かつ、前記加速電力を供給した後に、前記加速電力より小さい電力を前記電動モータに供給する緩和電力供給部と、を備える。
ペダルにトルクが入力されてからペダルが一回転する間にペダルトルク検出部から出力される信号の最も大きいピークが形成される時間とは、運転者が大きな力でペダルを踏み込んだ時間である。この時間は、運転者が大きな駆動トルクを得たいと望んでいる状況である。そこでこの時間には、電動モータは動力伝達部材を介して後輪に駆動力を伝達できるように、電動モータが動力伝達部材と噛み合っていることが好ましい。
一方で、ペダルにトルクが入力されてからペダルが一回転する前には、電動モータが動き始めてから電動モータが動力伝達部材と噛み合うまでにタイムラグが生じている。このタイムラグの期間は、電動モータに加わっている負荷が小さい。
そこで、本発明に係る電動自転車においては、ペダルにトルクが入力されてからペダルが一回転する間にペダルトルク検出部から出力される信号の最も大きいピークが形成される時間より前に、ピークが形成されるときのペダルトルク依存電力よりも大きい電力を、加速電力供給部が電動モータに供給している。
このため、該タイムラグの間に、電動モータに大電力を供給して高加速度を作用させることができ、電動モータの回転数を短時間で高めることができる。これにより、電動モータの応答性が高められている。
また、ペダルにトルクが入力されてからペダルが一回転する間にペダルトルク検出部から出力される信号の最も大きいピークが形成される時間より前、かつ、加速電力供給部が加速電力を供給した後に、加速電力より小さい電力を緩和電力供給部が電動モータに供給している。これにより、タイムラグの終了時には、高い加速度を作用させず、電動モータが動力伝達部材に噛み合ったときに、車両に大きな衝撃が生じにくいようにされている。
このようにして、本発明に係る電動自転車用制御装置によれば、電動モータの応答性を高め、かつ、衝撃を緩和させている。
本発明に係る電動自転車用制御装置において、
前記緩和電力供給部は、前記ピークが形成される時の前記ペダルトルク依存電力よりも小さい電力を電動モータに供給してもよい。
本発明に係る電動自転車用制御装置によれば、緩和電力供給部は、ピークが形成されるときのペダルトルク依存電力よりも小さい電力を電動モータに供給する。これにより、加速電力によって加速された電動モータが加速緩和電力によって加速度が減少した後、再びペダルトルク依存電力により加速度が増加しながら、電動モータがチェーンに噛み合うことになる。このため、電動モータがチェーンに衝撃を与えにくく、スムーズにチェーンと噛み合うため、さらに衝撃が緩和されている。
本発明に係る電動自転車用制御装置において、
前記緩和電力供給部は、ペダルの踏み込みにより動作が変動する部材の動作の変動を検出する検出部の出力する信号と、電動モータの回転を検出する検出部の出力する信号と、に応じた電力を電動モータに供給してもよい。
本発明に係る電動自転車用制御装置によれば、電動モータとペダルの踏み込みにより動作が変動する部材との間の相対速度が小さくなるように、緩和電力供給部が加速緩和電力を供給することができる。そのため、電動モータがチェーンなどの動力伝達部材と噛み合って、ペダルの踏み込みにより動作が変動する部材が加速される際に、大きな衝撃を生じさせないことができる。
本発明に係る電動自転車用制御装置において、
前記加速電力供給部は、ペダルの踏み込みにより動作が変動する部材の動作の変動を検出する検出部の出力する信号と、電動モータの回転を検出する検出部の出力する信号と、に応じた電力を電動モータに供給してもよい。
本発明に係る電動自転車用制御装置によれば、モータが、ペダルの踏み込みにより動作が変動する部材の動作に倣って回転するように、加速電力供給部が電動モータに電力を供給できる。これにより、応答性を高めることができる。
本発明に係る電動自転車用制御装置において、
前記緩和電力供給部は、動力伝達部材の回転を検出する検出部の出力する信号と、電動モータの回転を検出する検出部の出力する信号と、に応じた電力を電動モータに供給してもよい。
本発明に係る電動自転車用制御装置によれば、電動モータと動力伝達部材との間の相対速度が小さい状態となるように、緩和電力供給部が加速緩和電力を供給することができる。そのため、電動モータがチェーンなどの動力伝達部材と噛み合う際に、大きな衝撃を生じさせないことができる。
本発明に係る電動自転車用制御装置において、
前記加速電力供給部は、動力伝達部材の回転を検出する検出部の出力する信号と、電動モータの回転を検出する検出部の出力する信号と、に応じた電力を電動モータに供給してもよい。
本発明に係る電動自転車用制御装置によれば、クランク軸のクランク回転数に減速比率を乗じたものと電動モータのモータ回転数に減速比率を乗じたものとの相対速度が大きいときに両者の速度差を小さくするように、加速電力供給部が電動モータに電力を供給できる。これにより、応答性を高めることができる。
本発明に係る電動自転車用制御装置において、前記加速電力供給部はフィードバック制御を実行してもよい。これにより、素早く確実に電動モータの回転数を目標の回転数とすることができ、応答を高め、かつ衝撃を緩和させることができる。
本発明に係る電動自転車用パワーユニットは、
ペダルに入力されるペダルトルクを検出するペダルトルク検出部と、
電動モータと、
前記電動モータに供給する電力を制御する前記電動自転車用制御装置と、を備えている。
本発明に係る電動自転車は、
前記電動自転車用パワーユニットと、
前記パワーユニットによって駆動される車輪と、を備えている。
本発明の第一実施形態である電動自転車の右側面図である。 図1の電動自転車のブロック図である。 図1に示した制御装置のブロック図である。 制御装置が実行する制御のフローチャートである。 クランク回転数、モータ回転数、モータトルク、ペダルトルクを示す信号の波形図である。 指令電流値とモータ線電流値とを示す波形図である 本発明の第二実施形態に係る電動自転車に設けられたモータ制御部のブロック図である。
<本発明の経緯>
電動自転車では、ペダルトルクに応じてモータトルクを発生させて運転者のペダルトルクをアシストすることが一般的である。電動モータを駆動するときに、電動モータにペダルトルクに応じたモータトルクを発生させると、電動モータがチェーンと噛み合ったときに車両に衝撃が生じてしまうことがある。
そこで特許文献1は、この衝撃が大きくならないように、電動モータの動作の初期段階では、通常時のアシスト比率よりアシスト比率を弱めたソフトスタートを実施し、低加速度で電動モータを駆動している。これにより、衝撃の緩和を図っている。また、ソフトスタートの後に、通常時のアシスト比率よりアシスト比率を強めた過剰補助を実施し、電動モータの回転数を高めている。これにより、応答性を高めている。
しかし本発明者らは、このような手法とは異なった手法を採用することで、電動モータ駆動時の衝撃の緩和と電動モータの応答性とを飛躍的に高めることができないか、鋭意研究した。そこで本発明者らは、電動モータから車輪までのモータトルクの伝わり方をつぶさに研究した。
その結果、ペダルにトルクが入力されてからペダルが一回転する前において、電動モータが動き始めてから電動モータがチェーンを介して車輪を駆動させる状態に至るまでには、チェーンなどの動力伝達部材の機械的要素の問題により、どうしてもタイムラグが生じてしまうことに本発明者らは気がついた。
例えばギアがチェーンと噛み合うときの接触部どうしの間や、チェーンを構成する複数の部材の間には、遊び(gap)が設けられている。この遊びがなければ、ギアがチェーンに円滑に噛み合ったり、離間したりすることができず、またチェーンが自在に変形することができない。このため、このような機械要素には、電動自転車を動作させるために必要な隙間として遊びが設けられている。
ところが、電動モータが車輪にモータトルクを作用させるためには、電動モータと車輪とを接続している機械的要素の全てを一方向に押し付けて、機械的要素の中の遊びやこれらの機械的要素の接触部どうしの遊びをなくした状態としなければならない。このため、電動モータにモータトルクを発生させても、機械的要素を移動させてこれら遊びをなくすための時間を要するため、すぐには電動モータによって車輪を駆動することができない。
そこで本発明者らは、このタイムラグを利用することで、衝撃の緩和と応答性を高めることができないか、検討した。
本発明者らは、実はこのタイムラグの間は、電動モータが他の機械的要素と噛み合っていない状態であることに気がついた。つまり、電動モータを駆動しようとしたときに、電動モータは他の部材と接触していないので、電動モータにつられて他の部材も一緒に動くことがない。そのため、このタイムラグの間は、電動モータを加速しやすい期間であることを見出した。そこで次に詳細に説明するように、このタイムラグの期間に電動モータの回転数を急激に高めて、応答性を改善した。また、このタイムラグの期間に電動モータの加速を終了させることで、電動モータが動力伝達部材と接続するときに、車両に衝撃が生じにくいようにした。これにより、衝撃の緩和を改善した。
<第一実施形態>
以下、本発明の第一実施形態について、図1から図6を参照しながら説明する。なお、各図中の構成部材の寸法は、実際の構成部材の寸法及び各構成部材の寸法比率等を忠実に表したものではない。
以下の説明において、前方、後方、左方及び右方は、ハンドル23を握りつつ電動自転車のシート24に着座した運転者から見た前方、後方、左方及び右方を意味する。
(電動自転車の全体構成)
図1に、実施形態に係る電動自転車の概略構成を示す。
この電動自転車は、運転者がペダル33,34を踏み込むことにより生じるペダルトルクと、電動モータ60から出力されるモータトルクとを合計した駆動トルクによって駆動される。電動モータのモータトルクが、運転者のペダル33,34の踏み込み動作をアシストするアシストトルクとなる。
図1に示すように、電動自転車は、前後方向に延びる車体フレーム11を有する。また、電動自転車は、前輪21、後輪22、ハンドル23、シート24及びパワーユニット40を有する。
車体フレーム11は、ヘッドパイプ12、ダウンフレーム13、シートフレーム14、一対のチェーンステイ16及び一対のシートステイ17を有する。ヘッドパイプ12は、電動自転車の前部に配置される。ヘッドパイプ12には、後方に延びるダウンフレーム13の前方側が接続されている。シートフレーム14は、ダウンフレーム13の後方側に接続されていて、該ダウンフレーム13の後端部から上方且つ斜め後方に向かって延びている。
ヘッドパイプ12には、ハンドルステム25が回転自在に挿入されている。ハンドルステム25の上端部には、ハンドル23が固定される。ハンドルステム25の下端部には、フロントフォーク26が固定される。フロントフォーク26の下端部には、前輪21が車軸27によって回転可能に支持されている。
円筒状のシートフレーム14の内方には、シートパイプ28が挿入されている。シートパイプ28の上端部には、シート24が設けられている。
一対のチェーンステイ16は、後輪22を左右から挟むように設けられている。一対のチェーンステイ16は、ダウンフレーム13の後方側から後輪22の回転中心に向かって延びている。一対のシートステイ17は、シートフレーム14の上部から後輪22の回転中心に向かって延びている。チェーンステイ16およびシートステイ17の後端部には、後輪22が駆動軸29によって回転可能に支持されている。
シートフレーム14の後方には、パワーユニット40の電動モータ60に電力を供給するためのバッテリ35が配置されている。バッテリ35は、図示しない充放電可能な充電池および電池制御部を有する。電池制御部は、充電池の充放電を制御するとともに、その出力電流及び残容量等を監視する。
パワーユニット40は、クランク軸41、駆動スプロケット42、従動スプロケット45、チェーン46、電動モータ60、ペダルトルク検出部57およびクランク回転検出部58を備えている。
クランク軸41は、シートフレーム14の下部に回転可能に設けられている。クランク軸41は左右方向に延びるように設けられている。クランク軸41の両端部にはクランクアーム31,32が取り付けられている。クランクアーム31,32の先端には、ペダル33,34が回転可能に取り付けられている。ペダルトルク検出部57は、運転者がペダル33,34を介してクランク軸41に入力したペダルトルクを検出する。クランク回転検出部58は、運転者がペダル33,34を回転させたときのクランク軸41の回転を検出する。
駆動スプロケット42は、クランク軸41の一方側に取り付けられている。この駆動スプロケット42はクランク軸41とともに回転する。従動スプロケット45は、後輪22の駆動軸29と同軸に設けられている。従動スプロケット45は、図示せぬ一方向クラッチを介して後輪22に連結される。
無端状のチェーン46は、駆動スプロケット42と従動スプロケット45とに掛け渡されている。これにより、運転者がペダル33,34を踏み込むと、駆動スプロケット42が回転する。さらに駆動スプロケット42の回転はチェーン46を介して従動スプロケット45に伝達され、後輪22が駆動される。
電動モータ60はクランク軸41の近傍で車体フレーム11に固定されている。電動モータ60の出力軸には補助スプロケット44が設けられている。電動モータ60にはバッテリ35から電力が供給される。電動モータ60に電力を供給すると電動モータ60を回転させることができる。電動モータ60の回転は、補助スプロケット44やチェーン46などの動力伝達部材を介して後輪22に伝達される。
図2に示すように、電動モータ60には、モータ回転検出部61と、モータトルク検出部62とが接続されている。モータ回転検出部61は、電動モータの回転を検出する。モータトルク検出部62は、電動モータ60で生じたモータトルクを検出する。
このような電動自転車は、制御装置100(電動自転車用制御装置の一例)によって電動モータ60を制御し、車輪にペダルトルクとモータトルクを合成した駆動トルクを作用させる。図2は、本実施形態に係る電動自転車において、動力の伝達および信号の授受を示すブロック図である。
図2に示したように制御装置100は、ペダルトルク検知部101、クランク回転数検知部102、モータ制御部105、電力供給部106とを備えている。また、電動自転車は、ペダルトルク検出部57、クランク回転検出部58を備えている。
<動力の伝達経路>
まず動力の伝達経路について説明する。
運転者がペダル33,34を踏み込んでクランク軸41を回転させると、そのクランク軸41の回転が一方向クラッチ55を介してチェーン46に伝達される。一方向クラッチ55は、クランク軸41の順回転のみをチェーン46に伝達し、クランク軸41の逆回転はチェーン46に伝達させない。
チェーン46の回転は後輪22側の駆動軸29に伝達される。駆動軸29の回転は、変速機構91および一方向クラッチ92を介して後輪22に伝達される。
変速機構91は運転者によって操作される変速操作器93に応じて変速段を変更できる機構である。
一方向クラッチ92は、駆動軸29の回転速度が後輪22の回転速度よりも速い場合にのみ、駆動軸29の回転を後輪22に伝える。駆動軸29の回転速度が後輪22の回転速度よりも遅い場合には、一方向クラッチ92は駆動軸29の回転を後輪22に伝えない。また、一方向クラッチ92は後輪22の逆回転も駆動軸29に伝達しない。
電動モータ60の回転は、動力伝達部材を介して後輪22に伝達される。本実施形態において動力伝達部材とは、減速機82、一方向クラッチ85、チェーン46、駆動軸29、変速機構91、一方向クラッチ92である。
具体的に電動モータ60の回転は以下のようにして後輪22に伝達される。まず電動モータ60の回転は減速機82を介して一方向クラッチ85に伝達される。一方向クラッチ85は、減速機82がチェーン46を順回転させる方向の回転のみをチェーン46に伝達し、減速機82がチェーン46を逆回転させる方向の回転はチェーン46に伝達させない。
このように本実施形態に係る電動自転車においては、クランク軸41に入力されるペダルトルクと電動モータ60のモータトルクは、チェーン46で合成される。
(信号の経路)
次に、信号の経路を説明する。
運転者がクランク軸41を回転させると、車両に設けられたペダルトルク検出部57が、クランク軸41に入力されたトルクに応じた信号を発生させる。ペダルトルク検出部57は、その信号をペダルトルク検知部101に入力する。
ペダルトルク検知部101は、ペダルトルク検出部57からの信号を運転者がペダル33,34に与えたペダルトルクに換算する。ペダルトルク検知部101は、そのペダルトルクの値をモータ制御部105に入力する。このペダルトルクは、周期的に変動する値となる。
クランク回転検出部58は、クランク軸41の位相を検出するセンサである。クランク回転検出部58は、クランク軸41の位相に応じた信号を発生させる。クランク回転検出部58は、その信号をクランク回転数検知部102に入力する。
クランク回転数検知部102は、クランク回転検出部58からのクランク軸41の位相情報を時間微分して、クランク回転検出部58からの信号を運転者がペダル33,34に与えたクランク回転数に換算する。クランク回転数検知部102は、そのクランク回転数をモータ制御部105に入力する。
モータ回転検出部61から出力される信号は、モータ回転数検知部103に入力される。モータ回転数検知部103は、モータ回転検出部61から出力される信号から電動モータ60のモータ回転数を算出する。モータ回転数検知部103はこのモータ回転数をモータ制御部105に入力する。
モータトルク検出部62から出力される信号は、モータトルク検知部104に入力される。モータトルク検知部104は、モータトルク検出部62から出力される信号から電動モータ60のモータトルクを算出する。モータトルク検知部104はこのモータトルクをモータ制御部105に入力する。
モータ制御部105は、入力された各種信号に基づいて指令値を算出し、電力供給部106に出力する。電力供給部106は、指令値に応じた電力を電動モータ60に供給する。
(モータ制御部の制御)
図3はモータ制御部105のブロック図である。図3に示したように、モータ制御部105は、制御切換部111と、低速域制御部112と、高速域制御部113とを備えている。
制御切換部111はモータ回転数Mに応じて、低速域制御部112および高速域制御部113の動作を切り換える。制御切換部111は、運転者がペダル33,34を踏み込んで、クランク軸41にペダルトルクTpが入力されると、動作を開始する。
図4は、制御切換部111が実行する制御のフローチャートである。図4に示したように、制御切換部111は、モータ回転数検知部103から電動モータ60のモータ回転数Mを取得する(ステップS01)。制御切換部111は、取得したモータ回転数Mと切換回転数Mbとを比較する(ステップS02)。切換回転数Mbは任意の固定値である。
モータ回転数Mが切換回転数Mb未満のとき(ステップS02:Yes)、制御切換部111は、低速域制御部112のみを動作させて低速域制御を実行する(ステップS03)。一方、モータ回転数Mが切換回転数Mb以上のとき(ステップS02:No)、制御切換部111は、高速域制御部113のみを動作させて高速域制御を実行する(ステップS04)。
(低速域制御)
低速域制御部112はモータ回転数検知部103からモータ回転数Mを取得する。次に低速域制御部112はクランク回転数検知部102からクランク回転数Cを取得する。次に低速域制御部112は、モータ回転数Mとクランク回転数Cとを比較し、PID制御に基づいて電動モータ60とクランク軸41との相対速度がゼロとなるように、電動モータ60を駆動する目標モータ回転数を算出する。具体的には低速制御部112は、クランク回転数Cに減速比率を乗じて得られるチェーン46の速度と、モータ回転数Mに減速比率を乗じて得られるチェーン46の速度との相対速度がゼロとなるように、目標モータ回転数を算出する。低速域制御部112は、目標モータ回転数に応じて指令値を算出し、この指令値を電力供給部106に出力する。電力供給部106はこの指令値に応じた電力を電動モータ60に供給する。
本実施形態においては、電動モータ60のモータ回転数Mに応じて指令値を決定し、指令値に対応する電力によって電動モータ60を駆動した後、再び電動モータ60の回転数を取得し、次回の目標モータ回転数を求めている。このように本実施形態においては、低速域制御部112はフィードバック制御を実行している。これにより、電動モータ60の回転数を素早く確実に、目標の回転数にすることができる。
(高速域制御)
低速域制御部112によって電力が供給され続けて電動モータ60の回転数が高まると、モータ回転数Mが切換回転数Mb以上となる。すると図4に戻り、モータ回転数Mが切換回転数Mb以上であると制御切換部111が判定する(ステップS02:No)。すると制御切換部111は、低速域制御部112の動作を停止させて、高速域制御部113を作動させる。
高速域制御部113はまずモータトルク検知部104からモータトルクTmを取得する。さらに、高速域制御部113はペダルトルク検知部101からペダルトルクTpを取得する。高速域制御部113は、ペダルトルクTpにアシスト比率kを乗じて、目標モータトルクTtを算出する。
このアシスト比率kは、運転者が選択可能な値としてもよい。例えば、アシスト切換スイッチなどにより、アシスト比率kが大きなアシスト強状態、アシスト比率が小さなアシスト弱状態、を選択可能としてもよい。
高速域制御部113は、算出された目標モータトルクTtに基づいて指令値を算出する。高速域制御部113はこの指令値を電力供給部106に出力する。電力供給部106はこの指令値に基づいて、電動モータ60に電力を供給する。このように、高速域制御部113は、ペダルトルクTpに応じて指令値を決定する。このため、高速域制御部113が出力する指令値に基づいて出力される電力は、ペダル33,34に入力されるペダルトルクを検出するペダルトルク検出部57から出力される信号の変動に応じて変動する。
(出力信号の説明)
図5は、クランク回転数C、モータ回転数M’、モータトルクTm、ペダルトルクTpを示す信号の波形図である。なお、図5において、モータトルクTmは電動モータ60に供給した電力に比例するので、図中のモータトルクTmは電動モータ60に供給する電力と同視できる。図5の横軸は経過時間[sec]である。図5の縦軸は、クランク回転数Cおよびモータ回転数M’については同じスケールでの回転数[rpm]を示している。
図5で示したモータ回転数M’は、モータ回転数検知部103で算出したモータ回転数Mをクランク軸41での回転数に換算している。図2で説明したように、電動モータ60は、減速機82、一方向クラッチ85、補助スプロケット44、チェーン46、一方向クラッチ55を介してクランク軸41の駆動スプロケット42と接続されている。それぞれの部材は、互いにその半径が異なっている。このため、単にそれぞれの部材の回転数だけを見ても、それぞれの部材41,60の間で相対的な速度差が生じているかを判別することが難しい。
そこで、図5においては、モータ回転数Mからそれぞれの部材のギヤ比を考慮して、モータ回転数M’を算出している。モータ回転数M’とクランク回転数Cとが一致している点では、電動モータ60がチェーン46を回転させる回転数と、クランク軸41がチェーン46を回転させる回転数とが一致する。
また、図5において、時刻t10でクランク軸41がチェーン46に噛み合い、時刻t0で電動モータ60への電力供給が開始し、時刻t11で電動モータ60の回転が開始し、時刻t4で電動モータ60がチェーン46に噛み合う。
また、図5の(a)は、上述した実施形態に係る電動自転車から出力される信号の波形図である。図5の(b)は、参考例に係る電動自転車から出力される信号の波形図である。
(参考例との比較)
図5の(b)に示したように、参考例に係る電動自転車は、加速電力供給部および緩和電力供給部を持たず、全ての領域においてモータトルクTmはペダルトルクTpにアシスト比率kに乗じた値とされている。
図5の(b)に示したように、参考例に係る電動自転車において、電動モータの動作の初期段階では、低いペダルトルクTpに応じて低い電力が電動モータに供給される。このため、電動モータのモータ回転数M’の加速度は小さく、図5の(b)においてモータ回転数M’の傾斜は緩やかである。このため、電動モータの応答性が高くない。
さらに、ペダルトルクTpが高いときにモータ回転数M’がクランク回転数Cと一致して、電動モータがチェーンなどの動力伝達部材に噛み合う。このため、電動モータが動力伝達部材に噛み合ったときには、電動モータには大きなモータトルクが作用しており、大きなモータトルクがチェーンに伝達されて、車両には大きな衝撃が作用してしまう。
これに対して、次に詳述するように、本実施形態に係る電動自転車によれば、電動モータの応答性が高められ、かつ、電動モータが動力伝達部材に噛み合う際に生じる衝撃が緩和されている。
(ペダルトルク依存電力)
図5の(a)に示したように、本実施形態に係る電動自転車によれば、運転者がペダル33,34にペダルトルクを入力してからペダル33,34が一回転する間に、ペダルトルク検出部から出力される信号において、信号強度が最も大きいピークPkが形成される。このピークPkは、運転者がペダル33,34を上死点から下死点まで移動させる間に形成される。このピークPkが形成される時刻をt3とする。
この時刻t3においては、モータ回転数M’は切換回転数Mb’より高速となっている。なお、この切換回転数Mb’も、上記した切換回転数Mbからクランク軸41の回転数に換算した値である。このため、時刻t3を含んでモータ回転数M’が切換回転数Mb’より高速の領域A3においては、高速域制御部113が出力する指令値に応じて電動モータ60に電力が供給されている。この高速域制御部113に起因する電力は、前述したように、ペダル33,34に入力されるペダルトルクを検出するペダルトルク検出部57から出力される信号の変動に応じて変動する。このため、領域A3においては、モータトルクTmはペダルトルクTpの変動に応じて変動している。
つまり本実施形態において、高速域制御部113は、ペダル33,34に入力されるペダルトルクを検出するペダルトルク検出部57から出力される信号の変動に応じて変動するペダルトルク依存電力を電動モータ60に供給するペダルトルク依存電力供給部として機能する。
そこで以降では、領域A3において出力されている電力を、ペダルトルク依存電力と呼ぶ。また、ピークPkが形成される時刻t3において電動モータ60に供給されているペダルトルク依存電力の値をW3と定義する。
図5の(a)に示したように、ピークPkが形成される時刻t3より前の領域A1では、ピークPkが形成された時刻t3におけるペダルトルク依存電力W3よりも大きい電力が電動モータ60に供給されている。さらに、図5の(a)に示したように、ピークPkが形成される時刻t3より前で、かつ、大電力が供給された後の領域(図中の領域A1と領域A3の間の領域)A2では、領域A1で発生していたモータトルクTmより小さなモータトルクTmが発生している。つまり領域A2では、領域A1で供給されていた電力よりも小さい電力が電動モータ60に供給されている。
(加速電力)
領域A1や領域A2の領域においては、モータ回転数M’は切換回転数Mb’より低速となっている。このため、この領域A2,A3においては、低速域制御部112が出力する指令値に応じて電動モータ60に電力が供給されている。
図5に見られるように、運転者がペダルトルクTpを入力し、低速域制御部112が動作を開始したとき(時刻t0)、既にクランク回転数Cは高速となっている。そのため、クランク回転数Cと電動モータ60のモータ回転数M’との間には大きな差が生じている。このため、電動モータ60の動作の初期段階では、低速域制御部112は高い電力を電動モータ60に出力し、電動モータ60は高加速度で駆動される。
このように、ペダルにトルクが入力されてからペダルが一回転する間にペダルトルク検出部57から出力される信号(Tp)の最も大きいピークが形成される時間より前の領域A1においては、低速域制御部112が加速電力供給部として機能し、ピークPkが形成されるときのペダルトルク依存電力W3よりも大きい加速電力を電動モータ60に供給する。
(加速緩和電力)
時刻t0から一定期間は、加速電力供給部から高電力が供給されるので電動モータ60は高加速度で駆動される。このため、図5に示したように、モータ回転数M’の立ち上がりは急峻となる。さらにモータ回転数M’がクランク回転数Cに近づくと、今度は低速域制御部112はPID制御に従って、モータ回転数M’の加速度を緩和させるように電動モータ60の電力を制御する。
このため、ペダルにトルクが入力されてからペダルが一回転する間にペダルトルク検出部から出力される信号(Tp)の最も大きいピークPkが形成される時刻t3より前で、かつ、加速電力が供給された後に、低速域制御部112は緩和電力供給部として機能し、加速電力より小さい電力を電動モータ60に供給する。
(効果)
ペダル33,34にトルクが入力されてからペダル33,34が一回転する間にペダルトルク検出部57から出力される信号Tpの最も大きいピークPkが形成される時間とは、運転者が大きな力でペダル33,34を踏み込んだ時間である。この時間は、運転者が大きな駆動トルクを得たいと望んでいる状況である。そこでこの時間には、電動モータ60は動力伝達部材を介して後輪22に駆動力を伝達できるように、電動モータ60がチェーン46と噛み合っていることが望ましい。
一方で先述したように、ペダルにトルクが入力されてからペダルが一回転する前には、電動モータが動き始めてから電動モータが動力伝達部材と噛み合うまでにタイムラグが生じる。このタイムラグの期間は、電動モータ60に加わっている負荷が小さい。
このタイムラグは、図5の(a)において、ペダルトルクTpが所定値以上となって電動モータ60に電力が供給され始めた時刻t0から、電動モータ60がチェーン46に噛み合ってモータ回転数M’がクランク回転数Cに一致する時刻t4の間となる。
そこで、本実施形態に係る電動自転車においては、ペダル33,34にトルクが入力されてからペダル33,34が一回転する間にペダルトルク検出部57から出力される信号の最も大きいピークPkが形成される時刻t3より前に、ピークPkが形成されるときにペダルトルク依存電力供給部(高速域制御部113)から出力されているペダルトルク依存電力W3よりも大きい電力を、加速電力供給部(低速域制御部112)が電動モータ60に供給している。
このため、時刻t0から時刻t4の間のタイムラグの間に、電動モータ60に大電力を供給して高加速度を作用させることができ、電動モータ60の回転数を短時間で高めることができる。これにより、電動モータ60の応答性が高められている。
また、ペダル33,34にトルクが入力されてからペダル33,34が一回転する間にペダルトルク検出部57から出力される信号の最も大きいピークPkが形成される時刻t3より前、かつ、加速電力供給部(低速域制御部112)が加速電力を供給した後に、加速電力より小さい電力を緩和電力供給部(低速域制御部112)が電動モータ60に供給している。
これにより、時刻t0から時刻t4の間のタイムラグの終了時には、大きな電力の供給をやめて小さい電力を供給している。これにより、電動モータ60がチェーン46に噛み合うときには、電動モータ60に大きなモータトルクが作用しておらず、大きなモータトルクがチェーン46に伝達されず、車両に大きな衝撃が生じにくい。
図6は、モータ制御部105が電力供給部106に出力する指令値に応じた指令電流値と、電動モータに実際に流れるモータ線電流値を示す波形図である。図6の(a)は本実施形態に係る電動自転車の例、図6の(b)は参考例に係る電動自転車の例である。図6の(a),(b)いずれにおいても、上段の図は図5で既に示した各種信号であり、下段の図はその経過時間における指令電流値I1とモータ線電流値I2の変動を示している。なお、電流値は実効値をプロットしている。
実施形態および参考例に係る電動自転車とも、電動モータがチェーンに噛み合うとき(時刻t5)以外は、指令電流値とモータ線電流値とは一致している。
参考例に係る電動自転車においては、電動モータがチェーンに噛み合う際に(時刻t5)、電動モータがチェーンに対して大きな相対速度でぶつかるので、電動モータの回転数が急変する。このため、図6の(b)に示すように、電動モータがチェーンに噛み合う際に、モータ線電流は指令電流値から大きく逸脱する。
これに対して本実施形態に係る電動自転車においては、電動モータ60がチェーン46に噛み合う際に(時刻t5)、電動モータ60がチェーン46に対して小さな相対速度で接続するので、電動モータ60の回転速度は大きく変動しない。このため、図6の(a)に示すように、電動モータ60がチェーン46に噛み合う際にも、モータ線電流は指令電流値から大きく逸脱しない。このようにモータ線電流値の測定結果からも、本実施形態に係る電動自転車によれば衝撃が緩和されていることが確認できる。
(特許文献1との比較)
なお、特許文献1の電動自転車は、電動モータの動作開始の初期段階にソフトスタートを実行し、その後に過剰補助を実行している。タイムラグは電動モータの動作開始の初期段階で生じるのに、特許文献1の電動自転車はこのタイムラグを利用できていない。むしろ、アシスト比率を高める過剰補助を後期段階で実行するので、電動モータがチェーンと噛み合ったときに大きな衝撃が生じてしまう虞がある。また、これを抑える為にソフトスタートの時間を長くすると十分な補助動力を得られない。したがって、特許文献1の電動自転車では、応答性と衝撃の緩和の両立には限界があった。
これに対して本実施形態に係る電動自転車は、タイムラグの現象を利用することにより応答性と衝撃の緩和を飛躍的に高めたという点で、特許文献1とは全く異なるものである。
本実施形態において緩和電力供給部(低速域制御部112)は、ピークPkが形成されるときのペダルトルク依存電力W3よりも小さい電力を電動モータ60に供給している。これにより、加速電力によって加速された電動モータ60が加速緩和電力によって加速度が減少した後、再びペダルトルク依存電力により加速度が増加しながら、電動モータ60がチェーン46に噛み合うことになる。このため、電動モータ60がチェーン46と噛み合うときに、チェーン46に衝撃を与えにくく、スムーズにチェーン46と噛み合うため、さらに衝撃が緩和されている。
本実施形態において緩和電力供給部(低速域制御部112)は、図2に示したように、動力伝達部材の回転を検出する検出部の出力する信号であるクランク回転検出部58からの信号と、電動モータ60の回転を検出するモータ回転検出部61からの信号とに応じて加速緩和電力を決定している。
これにより緩和電力供給部は、電動モータ60と動力伝達部材との間の相対速度が小さい状態となるように、加速緩和電力を供給することができる。そのため、電動モータ60がチェーン46などの動力伝達部材と噛み合う際に、大きな衝撃を生じさせない。
本実施形態において加速電力供給部は、動力伝達部材であるクランク軸41の回転を検出するクランク回転検出部58が出力する信号と、電動モータ60の回転を検出するモータ回転検出部61が出力する信号とに応じて加速電力を決定している。このためクランク軸41と電動モータ60との相対速度が大きいときに、両者の速度差を小さくするように、加速電力供給部が電動モータ60に電力を供給できる。これにより、応答性を高めることができる。
なお、上述の実施形態では、緩和電力供給部や加速電力供給部は、ペダルの踏み込みによって駆動されるクランクやチェーンなどの伝達部材の回転を検出する検出部の出力する信号と、電動モータ60の回転を検出するモータ回転検出部61が出力する信号とに応じて加速緩和電力または加速電力を決定する例を説明したが、本発明はこれに限られない。
緩和電力供給部や加速電力供給部は、ペダルの踏み込みにより動作が変動する部材の動作の変動を検出する検出部の出力する信号と、電動モータ60の回転を検出するモータ回転検出部61が出力する信号とに応じて加速緩和電力または加速電力を決定してもよい。ペダルの踏み込みに応じて動作が変動する部材の動作の変動とは、例えば、電動自転車の車速や、駆動輪ではない車輪の車輪速などである。慣性走行している状態から加速する場合には、緩和電力供給部や加速電力供給部をこのように構成しても、衝撃の緩和と応答性の向上を達成できる。
なお、車速は、例えば、車両に設けた加速度センサから得られた加速度を積分して算出したり、車両に設けたGPS(Global Positioning System)から得られた位置情報と時間情報とを基に算出することができる。
(速度制御による効果)
また、本実施形態に係る電動自転車によれば、電動モータ60の動作の初期段階では、低速域制御部112により電動モータ60を速度制御している。電動モータの動作の初期段階では負荷が小さいため、電動モータ60の負荷が小さい。このため、慣性力の影響を受けにくく、電動モータ60に供給する電力によって機敏に速度を制御することができる。したがって、動作の初期段階で速度制御することにより、短時間で高速回転とすることができ、また、その加速度を抑えることができる。これにより、応答性と衝撃力の緩和との両立が高いレベルで実現されている。
<第二実施形態>
上述の実施形態では、低速域制御部112が加速電力供給部および緩和電力供給部として機能し、高速域制御部113がペダルトルク依存電力供給部として機能する例を挙げて説明したが、本発明はこの例に限られない。
図7は、本発明の第二実施形態に係る電動自転車に設けられたモータ制御部のブロック図である。なお、第二実施形態において第一実施形態と共通する部位については共通の符号を付してその説明を省略する。
図7に示すように、モータ制御部205は、制御切換部211、加速電力供給部212、緩和電力供給部213、ペダルトルク依存電力供給部214、を備えている。
ペダルトルク依存電力供給部214は、ペダルトルク検出部57から出力される信号にアシスト比率k1を乗じて指令値を算出し、この指令値に応じて電力供給部106から電動モータ60に電力を供給する。つまり、ペダルトルク依存電力によって電動モータ60に供給されるペダルトルク依存電力は、ペダル33,34に入力されるペダルトルクを検出するペダルトルク検出部57から出力される信号に応じて変動する。
加速電力供給部212は、ペダルトルク依存電力よりも大きな加速電力を電動モータ60に供給する。本実施形態において、加速電力供給部212はペダルトルクTpにアシスト比率k2を乗じて指令値を算出し、この指令値に応じて電力供給部106から電動モータ60に電力を供給する。このとき、アシスト比率k2は、ペダルトルク依存電力供給部214で設定されたアシスト比率k1より大きな値とする。
緩和電力供給部213は、加速電力よりも小さな電力を電動モータ60に供給する。例えば、緩和電力供給部213はペダルトルクTpにアシスト比率k3を乗じて指令値を算出し、この指令値に応じて電力供給部106から電動モータ60に電力を供給する。このとき、アシスト比率k3は、加速電力供給部212で設定されたアシスト比率k2より小さな値とする。
制御切換部211は、ペダルトルク検出部57の出力信号が特定の大きさ以上となったときから、経過時間s[sec]をカウントする。制御切換部211は、経過時間sに応じて、加速電力供給部212、緩和電力供給部213、ペダルトルク依存電力供給部214の動作を切り換える。
本実施形態においては、ペダルトルク検出部57の出力信号が0から特定の大きさ以上となったとき(s0)から第一閾値s1の時間が経過したとき、制御切換部211は加速電力供給部212のみを動作させる。
第一閾値s1の時間より長い第二閾値s2の時間が経過したら、制御切換部211は加速電力供給部212の動作を停止させて、緩和電力供給部213のみを動作させる。
さらに第二閾値s2の時間より長い第三閾値s3の時間が経過したら、制御切換部211は緩和電力供給部213の動作を停止させて、ペダルトルク依存電力供給部のみを動作させる。
ところで、電動モータの停止状態から電動モータが車輪にモータトルクを作用させるまでのタイムラグの長さは機械的要素の遊びの大きさに依存する。このため、設定した遊びの大きさに応じて、タイムラグの長さを前もって把握しておくことができる。そこで本実施形態においては、予め分かっているタイムラグの長さに応じて、このタイムラグの期間内に電動モータの加速が完了するように、上述した第一閾値s1、第二閾値s2、第三閾値s3を設定している。
これにより、ペダル33,34にトルクが入力されてからペダルが一回転する間にペダルトルク検出部57から出力される信号(Tp)の最も大きいピークが形成される時間より前に、ピークが形成されるときにペダルトルク依存電力よりも大きい電力を、加速電力供給部212は電動モータ60に供給することができる。これにより、電動モータ60を短時間で高速で回転させることができ、応答性が高められている。
また、ペダル33,34にトルクが入力されてからペダルが一回転する間にペダルトルク検出部57から出力される信号(Tp)の最も大きいピークが形成される時間より前で、かつ、加速電力が供給された後に、加速電力より小さい電力を、緩和電力供給部213は電動モータ60に供給することができる。これにより、衝撃が緩和されている。
<第三実施形態>
あるいは、本発明は以下のように構成してもよい。
なお上記第二実施形態において、制御切換部211は経過時間sに応じて、加速電力供給部212、緩和電力供給部213、ペダルトルク依存電力供給部214の動作を切り換える例を挙げて説明したが、本発明はこの例に限られない。例えば、ペダルトルクに応じて、加速電力供給部212、緩和電力供給部213、ペダルトルク依存電力供給部214の動作を切り換えてもよい。
例えば、ペダルトルク検出部57から出力される信号(Tp)が所定の下限値より大きく第一閾値Tp1未満の領域では、加速電力供給部212のみを動作させ、電動モータ60に加速電力を供給する。
さらに、ペダルトルク検出部57から出力される信号(Tp)が第一閾値Tp1以上第二閾値Tp2(第二閾値Tp2は第一閾値Tp1より大きい)未満の領域では、緩和電力供給部213のみを動作させ、電動モータ60に加速緩和電力を供給する。
さらに、ペダルトルク検出部57から出力される信号(Tp)が第二閾値Tp2以上の領域では、ペダルトルク依存電力供給部214のみを動作させ、電動モータ60にペダルトルク依存電力を供給する。
ペダルの踏み込みによって電動モータ60が回転し始めるときに、ペダルトルクの小さな初期段階では、電動モータ60はチェーン46などの動力伝達部材と噛み合っていない。そこでペダルトルクの小さな領域では、大きな加速電力を電動モータ60に供給して、電動モータの応答性を高めている。
また、さらにペダルの踏み込みが進み、かつ、まだ電動モータ60がチェーン46と噛み合っていない、ペダルトルクが第一閾値Tp1以上第二閾値Tp2未満の領域では、加速電力より小さな加速緩和電力を電動モータ60に供給している。これにより、衝撃の緩和が図られている。
このように本実施形態に係る電動自転車によっても、ペダルにトルクが入力されてからペダルが一回転する間にペダルトルク検出部57から出力される信号の最も大きいピークが形成される時間のタイムラグの期間内に、電動モータを高加速度で駆動して高速回転させ、さらにこのタイムラグの期間内に電動モータの加速を終了することができる。これにより、電動モータ60の応答性と衝撃の緩和が図られている。
<変形例>
以上、本発明を第一実施形態から第三実施形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施形態に記載の範囲には限定されない。上記実施形態に多様な変更または改良を加えることができることは、当業者にとって明らかである。
例えば、第二実施形態および第三実施形態では、加速電力および加速緩和電力は、ペダルトルクの変動に応じて変動させた例を挙げて説明したが、本発明はこの例に限られない。例えば、加速電力供給部および緩和電力供給部は、ペダルトルクの変動に対して変動しない一定の電力を供給するように構成してもよい。
また、上述の説明では動力伝達部材としてチェーン46を例に挙げて説明したが、本発明はこの例に限られない。例えばチェーンを介さずに、電動モータの補助スプロケットがギアを介してクランク軸の駆動スプロケットに接続している電動自転車においては、補助スプロケット、ギア、駆動スプロケットも動力伝達部材となる。あるいは、電動モータが後輪の車軸に接続されている場合には、後輪の車軸が動力伝達部材となる。本発明において動力伝達部材とは、電動モータがモータトルクを伝達する機械的要素である。
35:バッテリ
41:クランク軸
57:ペダルトルク検出部
58:クランク回転検出部
60:電動モータ
61:モータ回転検出部
62:モータトルク検出部
100:制御装置
101:ペダルトルク検知部
102:クランク回転数検知部
103:モータ回転数検知部
104:モータトルク検知部
105,205:モータ制御部
106:電力供給部
111,211:制御切換部
112:低速域制御部(加速電力供給部,緩和電力供給部)
113:高速域制御部(ペダルトルク依存電力供給部)
212:加速電力供給部
213:緩和電力供給部
214:ペダルトルク依存電力供給部

Claims (9)

  1. 動力伝達部材を介して電動モータに発生させたモータトルクを車輪に伝達させる電動自転車用制御装置であって、
    ペダルに入力されるトルクを検出するペダルトルク検出部から出力される信号の変動に応じて変動するペダルトルク依存電力を電動モータに供給するペダルトルク依存電力供給部と、
    ペダルにトルクが入力されてからペダルが一回転する間にペダルトルク検出部から出力される信号の最も大きいピークが形成される時間より前に、前記ピークが形成される時の前記ペダルトルク依存電力よりも大きい加速電力を供給する加速電力供給部と、
    ペダルにトルクが入力されてからペダルが一回転する間にペダルトルク検出部から出力される信号の最も大きいピークが形成される前記時間より前で、かつ、前記加速電力を供給した後に、前記加速電力より小さい電力を前記電動モータに供給する緩和電力供給部と、を備えた、電動自転車用制御装置。
  2. 前記緩和電力供給部は、前記ピークが形成される時の前記ペダルトルク依存電力よりも小さい電力を電動モータに供給する、請求項1に記載の電動自転車用制御装置。
  3. 前記緩和電力供給部は、ペダルの踏み込みにより動作が変動する部材の動作の変動を検出する検出部の出力する信号と、電動モータの回転を検出する検出部の出力する信号と、に応じた電力を電動モータに供給する、請求項1または2に記載の電動自転車用制御装置。
  4. 前記加速電力供給部は、ペダルの踏み込みにより動作が変動する部材の動作の変動を検出する検出部の出力する信号と、電動モータの回転を検出する検出部の出力する信号と、に応じた電力を電動モータに供給する、請求項1から3のいずれか一項に記載の電動自転車用制御装置。
  5. 前記緩和電力供給部は、動力伝達部材の回転を検出する検出部の出力する信号と、電動モータの回転を検出する検出部の出力する信号と、に応じた電力を電動モータに供給する、請求項1から4のいずれか一項に記載の電動自転車用制御装置。
  6. 前記加速電力供給部は、動力伝達部材の回転を検出する検出部の出力する信号と、電動モータの回転を検出する検出部の出力する信号と、に応じた電力を電動モータに供給する、請求項1から5のいずれか一項に記載の電動自転車用制御装置。
  7. 前記加速電力供給部はフィードバック制御を実行する、請求項3から6のいずれか一項に記載の電動自転車用制御装置。
  8. ペダルに入力されるペダルトルクを検出するペダルトルク検出部と、
    電動モータと、
    前記電動モータに供給する電力を制御する、請求項1から7のいずれか一項に記載の電動自転車用制御装置と、を備えた電動自転車用パワーユニット。
  9. 請求項8に記載の電動自転車用パワーユニットと、
    前記パワーユニットによって駆動される車輪と、を備えた電動自転車。
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