JPH07315281A - 電動モータ付き乗り物 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 人力駆動系と電気駆動系とを並列に設け、人
力による駆動力の変化に対応して電気駆動系の電動モー
タの出力を制御する電動モータ付き乗り物において、モ
ータなどの部品の特性にばらつきがあってもモータ出力
を高精度に制御できるようにする。 【構成】 人力と車速からモータの目標値（Ｆ_M ）を演
算する一方、モータ出力の実際値（Ｆ_MR）を検出し、両
者の差（ΔＦ）が最小になるようにモータ出力を制御す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、人力による駆動系と電
動モータによる駆動系とを並列に設け、電動モータによ
る駆動力を人力による駆動力（以下踏力という）の大き
さに略比例して制御するようにした電動モータ付き乗り
物に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】踏力を検出し、この駆動力の大小に対応
して電動モータの駆動力を制御する自転車が公知である
（実開昭５６−７６５９０、特開平２−７４４９１
号）。すなわち人力の大きさに比例して電動モータの駆
動力も増やして人力の負荷を減らすものである。

【０００３】ここに人力の駆動力（踏力）はクランクペ
ダルから入力されるため、クランク軸の半回転の周期を
持って変化する。クランクペダルが上死点または下死点
に来る時には踏力がほぼ零になるからである。

【０００４】図９にはこの人力による駆動力すなわち踏
力Ｆ_L の時間ｔに対する変化が示されている。この踏力
Ｆ_L の変化周期はクランクペダルの半回転に対応する。
既提案のものはこのように周期的変化をする踏力Ｆ_L を
検出してモ−タの駆動力Ｆ_Mを増減させるものである
が、踏力Ｆ_L とモータ駆動力Ｆ_M との関係は一義的に設
定されていた。すなわち両者の比Ｆ_M ／Ｆ_L を補助率η
と定義して補助率ηを設定していた。

【０００５】

【従来の技術の問題点】ここに従来は、人力（踏力）の
みをセンサで検出してモータ出力制御するオープルルー
プ制御を行っている。しかしシステムを構成する部品に
は性能のばらつきがあるため、モータ出力従って人力と
モータ出力の合力の制御が不正確になる。例えば永久磁
石式モータを用いる場合には永久磁石の特性のばらつき
や磁気特性の変化があり、踏力センサの特性のばらつき
もあり、さらに電池の内部抵抗の変化やばらつきもあ
る。個々の部品のばらつきを小さく品質管理することも
できるが、この場合には部品の生産性が悪くなる。

【０００６】

【発明の目的】本発明はこのような事情に鑑みなされた
ものであり、モータや電池等のシステム構成部品の電気
的特性にばらつきがあってもモータ出力を高精度に制御
することができる電動モータ付き乗り物を提供すること
を目的とする。

【０００７】

【発明の構成】本発明によればこの目的は、人力駆動系
と電気駆動系とを並列に設け、人力による駆動力の大き
さに略比例して前記電気駆動系の電動モータの出力を制
御する電動モータ付き乗り物において、人力駆動力を検
出する人力検出手段と、電動モータ出力の実際値を検出
するモータ出力検出手段と、前記人力に同期して周期的
に変化する電動モータ出力の目標値を演算する目標値演
算手段と、前記電動モータの目標値と前記実際値との差
を最小とするようにモータ出力を前記人力に同期して制
御する走行制御手段とを備えることを特徴とする電動モ
ータ付き乗り物により達成される。

【０００８】

【実施例】図１は本発明の一実施例の側面図、図２はそ
の動力系統図、図３はその動力系の展開図、図４は踏力
の検出部を示す側面図、図５はそのＶ−Ｖ線断面図、図
６はコントローラの機能を示すブロック図、図７は補助
率ηの特性図、図８はモータ出力特性図、図９は駆動力
Ｆの周期的変動を示す図である。

【０００９】図１において符号１０は車体フレームであ
り、ヘッドパイプ１２と、このヘッドパイプ１２から斜
下後方へのびるダウンチューブ１４と、このダウンチュ
ーブ１４の後部から上方へ起立するシートチューブ１６
およびその後方で平行に起立する補助シートチューブ１
８と、ダウンチューブ１４の後端に固着されたクロスパ
イプ１５と、このクロスパイプ１５から後方へのびる左
右一対のチェーンステー２０、２０（図３参照）と、シ
ートチューブ１４の上端および補助シートチューブ１８
をチェーンステー２０の後端に結合するシートステー２
２とを備える。

【００１０】ヘッドパイプ１２には前フォーク２４およ
び操向ハンドルバー２６が左右へ回動自在に保持されて
いる。前フォーク２４の下端に前輪２８が取付けられて
いる。シートチューブ１６の上端にはサドルシート３０
が取付けられている。チェーンステー２０、２０の後端
には後輪３２が取付けられている。この後輪３２のハブ
３４は内装式変速機を内蔵する。

【００１１】４０はこの電動モータ付き自転車の動力源
となる動力ユニットである。この動力ユニット４０は、
ケース４２と、このケースに斜前上方へ突出するように
固定された永久磁石式直流電動モータ４４とを持つ。ケ
ース４２はダウンチューブ１４の後部下方に取付けら
れ、この状態でモータ４４はダウンチューブ１４と平行
となる。

【００１２】次に動力ユニット４０を説明する。図１、
３においてケース４２にはクランク軸４６が貫挿され、
その両端にクランクアーム４８、４８が固定されてい
る。クランクアーム４８にはクランクペダル５０、５０
が取付けられている。

【００１３】このモータ４４の回転は図３、５に示すよ
うに、遊星ローラ式減速機５２、一方向クラッチ５４、
小傘歯車５６、大傘歯車５８を介して、クランク軸４６
に回転自在に保持された筒型の合力軸６０に伝えられ
る。この合力軸６０にはチェーンスプロケット６２が固
着され、このスプロケット６２の回転はさらにチェーン
６４によって前記ハブ３４に設けたスプロケット６６に
伝えられる。このスプロケット６６の回転は一方向クラ
ッチ６８を介してハブ３４に伝えられる。

【００１４】後輪３２からモータ４４へ向う回転はハブ
３４に内装した一方向クラッチ６８により遮断される。
なお前記遊星ローラ式減速機５２は公知のものであり、
モータ軸４４ａに設けたサンローラとモータ出力検出レ
バー７０に保持されたリングローラとの間に遊星ローラ
を挟み、この遊星ローラの公転を一方向クラッチ５４を
介して小傘歯車５６に伝えるものである。

【００１５】なおリングローラを保持するモータ出力検
出レバー７０は、モータ４４の駆動力をリングローラに
加わる反力により検出するモータ出力検出手段７２（図
５参照）の一部を構成するものである。このレバー７０
にはリングローラの反力方向と反対方向への復帰習性が
ばね（図示せず）により付与され、このレバー７０の回
動量がモータ出力センサであるポテンショメータ７４に
より検出される。

【００１６】一方ペダル５０から人力により入力される
回転は、クランク軸４６、一方向クラッチ７６、遊星歯
車式増速機７８を介して合力軸６０に伝えられる。この
ためクランク軸４６から入力された回転はこの合力軸６
０からチェーン６４を介して後輪３２に伝えられる。こ
のクランク軸４６の回転はモ−タ４４の停止中にはクラ
ッチ５４の作用によりモ−タ４４に伝わらない。またク
ランク軸４６の停止中あるいは逆転中にはクラッチ７６
の作用によりモータ４４の回転はクランク軸４６に伝わ
らない。ここにチェーン６４はモ−タ軸４４ａを含む車
体前後方向の平面Ａの右側に位置する（図５参照）。

【００１７】遊星歯車式増速機７８は図３、５に示すよ
うに、合力軸６０に固定されたリングギヤ８０と、踏力
検出レバー８２に固定されたサンギヤ８４と、これらの
間に介在する遊星ギヤ８６とを備える。クランク軸４６
はこの遊星ギヤ８６を一方向クラッチ７６を介して公転
させる。

【００１８】なお踏力検出レバー８２は、ペダル５０に
よる人力駆動時の駆動力をサンギヤ８４に加わる反力に
より検出する踏力検出手段８８の一部を構成するもので
ある。この踏力検出手段８８は前記平面Ａの左側に位置
する。

【００１９】すなわちこの踏力検出手段８８のレバー８
２は、図４、５に示すように１つの突起８８ａを持ち、
この突起８８ａはストッパ９０に当接して図４で時計方
向への回転、換言すればペダル５０の踏力が加わる方向
と逆方向の回転を規制する。この突起８８ａにはまた他
の第２のレバー９２が当接し、レバー８２の反時計方向
の回転によってこの第２のレバー９２が時計方向に回転
する。

【００２０】この第２のレバー９２には復帰ばね９４に
より復帰習性が付与され、これによりレバー８２は図４
で時計方向への復帰習性が付与される。そしてこの第２
のレバー９２の回転量は踏力センサとしてのポテンショ
メータ９６に伝えられる。この結果ペダル５０の踏力に
比例してレバー８２が図４で反時計方向に回動し、第２
のレバー９２が時計方向に回動するから、この踏力がポ
テンショメータ９６の回転量から求められる。

【００２１】図３において９８は車速検出手段としての
車速センサであり、合力軸６０と一体に回転する遊星歯
車式増速機７８のリングギヤ８０の外周面に近接して設
けられる。このセンサ９８は、例えば背面に磁石を持っ
た磁気検出素子で構成され、これをリングギヤ８０の外
周面に歯車形に形成したヨークに対向させたものとす
る。この磁気検出素子としては、リードスイッチ、電磁
ピックアップコイル、磁気抵抗素子、ホール素子などが
使用できる。このセンサ９８としては静電容量式、光学
式など種々の公知のものが使用できる。

【００２２】図１で１００は鉛電池などの充電可能な電
池であり、２個の電池１００が電池ケース１０２に収納
されている。この電池ケース１０２はシートチューブ１
６と補助シートチューブ１８との間に搭載されている。
１０４はコントローラ、１０６はメインスイッチであ
り、これらは前記ダウンチューブ１４の下でモータ４４
の前方に収容されている。

【００２３】踏力検出手段８８で検出した踏力Ｆ_L およ
び車速検出手段９８で検出した車速Ｓはコントローラ１
０４に入力され、このコントロ−ラ１０４はこの踏力Ｆ
_L と車速Ｓに基づいてモータ電流を制御しモータ出力Ｆ
_M を発生させる。

【００２４】コントローラ１０４は図６に示すように、
ＣＰＵ１０８と、メモリ１１０と、モータ電力制御部１
１２と、その他の装置とを備える。メモリ１１０は、車
速Ｓに対して変化する補助率η（図７参照）等を記憶す
る。この補助率ηは踏力Ｆ_Lに対するモータ駆動力Ｆ_M
の比（Ｆ_M ／Ｆ_L ）で定義され、例えば図７に示すよう
な特性に設定される。この実線の特性は、車速ＳがＳ_F
以下の低・中速域で一定値η₀ （＝１）となり、Ｓ_F ＜
Ｓ＜Ｓ_E の高速域では直線的または曲線的に漸減し、さ
らにＳ_E ＜Ｓの超高速域では０になる。

【００２５】ＣＰＵ１０８は、目標値演算手段１１４
と、走行制御手段１１６とを備える。目標値演算手段１
１４は、まず車速Ｓに対する補助率ηをこのメモリ１１
０に記憶した特性を用いて決定する。そしてこの時モー
タ４４が出力すべき駆動力の目標値Ｆ_M を［Ｆ_M ＝η・
Ｆ_L ］により求める。

【００２６】図９は車速ＳがＳ_F 以下の時の合計駆動力
Ｆ＝Ｆ_L ＋Ｆ_M の変化を示すものであり、この図からも
明らかなように、モータ４４による補助力である駆動力
Ｆ_Mは、Ｆ_M ＝η・Ｆ_L で求められ、踏力Ｆ_L の周期的
変化に対応して合計駆動力Ｆも変化する。

【００２８】ＣＰＵ１０８ではこの目標値Ｆ_M が決まる
と、モータ出力検出手段７２の出力すなわちモータ出力
の実際値Ｆ_MRを読込んで、両者を比較する。すなわち走
行制御手段１１６は両者の差ΔＦ_M ＝（Ｆ_M −Ｆ_{M R} ）
を演算し、この差ΔＦ_M を０にするようにモータ電力制
御部１１２に信号を送出する。この信号はモータ４４の
駆動電流のデューティを示すものであり、モータ電力制
御部１１２ではこの信号に基づいてモータ電流を断続制
御し、実際値Ｆ_MRを目標値Ｆ_M に一致させる。この結果
モータ出力の実際値Ｆ_MRが目標値Ｆ_M になるように精度
良く制御される。

【００２９】ここに踏力Ｆ_L は周期的に変化するため、
踏力Ｆ_L が０になる時間にはモータ駆動電流も０にな
り、モータ回転速度も巡航車速Ｓに対応する速度以下に
減速する。このため次に踏力Ｆ^L が増加した時に再びモ
ータ電流は０から増え、モータ回転速度も加速してその
時の車速Ｓに対応する回転速度に達すると一方向クラッ
チ５４を介してモータ出力Ｆ_M が合力軸６０に伝わるこ
とになる。すなわちモータ４４が加速してこの一方向ク
ラッチ５４が接続するまでの間の時間遅れがある。

【００３０】図９のａはこの時間遅れを示す。ここにＮ
₀ はこの時の車速に対応するモータ回転速度Ｎを示す。
この実施例ではこの遅れａを消すために、踏力Ｆ_L が０
付近になった時にもモータはこの時の巡航車速に対応す
る回転速度Ｎ₀ で回転を持続させる。その原理は次の通
りである。

【００３１】直流モータにおいては、モータの印加電圧
（Ｖ_M ）、モータ電流（Ｉ）、回転速度（Ｎ）の間に次
式が成立する。 Ｖ_M ＝Ｉ・Ｒ＋ｋ・Ｎ ここにＲはアマチュア等価抵抗、ｋは比例定数であり、
ｋ・Ｎは電機子逆起電圧を示すものである。

【００３２】またモータトルク（Ｔ_M ）は、直巻、分巻
きなどの形式によるが一般にモータ電流（Ｉ）にほぼ比
例する。従ってＣを定数として次式が得られる。 Ｔ_M ＝Ｃ・Ｉ 従って（Ｒ／Ｃ）＝ｊとおいて、次式が得られる。 Ｖ_M ＝ｊ・Ｔ_M ＋ｋ・Ｎ…（１） この（１）式において、右辺の第１項（ｊ・Ｔ_M ）はト
ルクに関する項であり、第２項（ｋ・Ｎ）は回転速度に
関する項である。

【００３３】従来の装置においては踏力Ｆ_L が０になっ
た時にはモータの駆動力Ｆ_M を０にしてモータ回転速度
Ｎを０にしようとする。すなわち（１）式においてＴ_M
＝０、Ｎ＝０にする。従ってモータ印加電圧Ｖ_M も０と
なるように制御していた。

【００３４】これに対しこの実施例では、踏力Ｆ_L が０
になる時にもモータ回転速度Ｎは車速に対応する回転速
度Ｎ₀ に維持するようにした。すなわちこの無負荷時に
モータトルクＴ_M ＝０で回転速度Ｎ＝Ｎ₀ となるように
した。従って（１）式から Ｖ_M ＝ｊ・０＋ｋ・Ｎ₀ ＝ｋ・Ｎ₀

【００３５】この電圧Ｖ_M を無負荷モータ電圧Ｖ_M0と
し、モータ電圧Ｖ_M がＶ_MO以下になる時にはモータ電圧
Ｖ_M をこのＶ_MOに維持することにより、踏力Ｆ_L が小さ
くなった時にもモータ回転速度ＮはＮ₀ に保たれる。従
って踏力Ｆ_L が増大しＶ_M ≧Ｖ_M0になった時にはモータ
はＮ₀ から駆動力Ｆ_M を発生すればよいから、モータの
加速に要する時間遅れが無くなり、その間の加速に消費
されるエネルギ−（Ｅ_a）も不要になる。

【００３６】なおモータを回転速度Ｎ₀ に維持する無負
荷モータ電圧Ｖ_M0の期間では、電流Ｉは極めて小さくな
るからその消費エネルギ−Ｅ₀ は加速に要するエネルギ
−Ｅ_a よりも格段に小さい。すなわちＥ₀ ≪Ｅ_a である
から、効率が向上する。

【００３７】次にこの時の動作を図８を用いて説明す
る。（１）式の特性はこの図８に実線で示すように右下
がりの傾き−（ｋ／ｊ）の直線である。今ある踏力Ｆ_L
により決まるモータのトルクＴ_M を出力させるためのモ
ータ電圧Ｖ_M をその時のモータ回転速度Ｎ₀ を用いて
（１）式から求めると、その時の動作点は図８にＡで示
す点となる。

【００３８】ここで踏力Ｆ_L が減少する場合を考える。
車速Ｓは慣性により変化しないと考えられるから、コン
トローラ１０４はモータ回転速度はＮ₀ のままにしてＶ
_M だけを減少してゆく。すなわちこの時の動作点Ａは速
度がＮ₀ の直線ＡＢ上を下降する。そして踏力Ｆ_L がほ
ぼ０になるとＶ_M ＝Ｖ_M0＝ｋＮ₀ となって、コントロー
ラ１０４はモータ電圧Ｖ_M をＶ_M0に保つ。従ってモータ
の動作点はＢ点に保たれる。

【００３９】踏力Ｆ_L が再び増加してＶ_M ＞Ｖ_M0になる
と、動作点もＢ点からＡ点に向って移動する。この時モ
ータはすでに速度Ｎ₀ で回転しているから、モータの加
速により一方向クラッチ５４が接続するまでの時間遅れ
が発生せず、前記図９で説明した遅れａがほとんど無く
なる。

【００４０】以上の実施例ではリングギヤ８０に対向さ
せて車速検出手段９８を設けているので、ペダルを止め
た時には検出車速は０となりモータへの給電も０とな
る。このため長い下り坂などやペダルを止めて慣性走行
する際に電力の消耗を減らし節電になる。しかし本発明
は、これを図１に示す前輪２８に設けてもよい。

【００４１】なお本発明は演算に用いるＦ_M 、Ｖ_M 、Ｔ
_M 、Ｎ、Ｎ₀ やデ−タ等は、本発明の効果を得られる範
囲で増減したり変化させてもよく、本発明はこの場合を
包含する。例えば無負荷モータ電圧Ｖ_M0は、（１）式で
求めたｋＮ₀ より多少高くても低くてもよい。

【００４２】以上の実施例は合力軸６０にスプロケット
６２を固定してチェーンドライブ機構からなる伝動系に
より後輪３２を駆動するものであるが、本発明はシャフ
トドライブ機構からなる伝動系により後輪を駆動するも
のであってもよい。

【００４３】また前記メモリ１１０には補助率ηの複数
種の特性を記憶しておき、選択用スイッチによりいずれ
かの特性を選択できるようにしてもよい。特性をこのス
イッチにより車速Ｓに対して平行移動させたりして任意
の特性に不連続にあるいは連続に変更できるようにして
もよい。

【００４４】さらに、本実施例ではモータ出力を遊星ロ
ーラ式減速機５２のリングローラへの反力を測定するこ
とで得ているが、他に図２に点線で示すようにモータか
ら減速機へ力が伝達される前に直接計測しても良い。こ
の場合は例えばモータ本体を軸の回りに回転自在に保持
しておき、モータへの反力と復帰ばねのつり合い点を検
出することで計測できる。

【００４５】図１０は他の実施例の動力系統図である。
この実施例は前記モータ出力検出手段７２に代えて合力
検出手段１２０を設けたものである。この合力検出手段
１２０は合力軸６０に加わる合力Ｆ（＝Ｆ_L ＋Ｆ_MR）を
検出するものであり、例えばチェーン６４の張り側に押
圧されるテンショナを設け、このテンショナの変位量か
ら合力Ｆを検出するものとすることができる。この場合
には、コントローラ１０４Ａはモータ出力の実際値Ｆ_MR
をＦ_MR＝Ｆ−Ｆ_L により演算する実際値演算手段１２２
を備える。

【００４６】

【発明の効果】請求項１の発明は以上のように、踏力
（Ｆ_L ）に基づいてモータ出力の目標値を演算する一
方、モータ出力の実際値Ｆ_MRを検出し、両者の差ΔＦ＝
Ｆ_M −Ｆ_MRを最小とするようにモータ出力を制御するも
のであるから、モータ特性など部品の電気的特性にばら
つきがあってもモータ出力を目標値Ｆ_M に正確に制御す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の側面図

【図２】その動力系統図

【図３】その動力系の展開図

【図４】踏力の検出部を示す側面図

【図５】そのＶ−Ｖ線断面図

【図６】コントローラの構成を示すブロック図

【図７】補助率の特性図

【図８】モータ出力特性図

【図９】踏力およびモータ出力の周期的変動を示す図

【図１０】他の実施例の動力系統図

【符号の説明】

３２ 後輪 ４４ 電動モータ ４６ クランク軸 ７２ 実際値検出手段 ８８ 踏力検出手段 ９８ 車速検出手段 １０４、１０４Ａ コントローラ １１４ 目標値演算手段 １２０ 合力検出手段 １２２ 実際値演算手段

フロントページの続き (72)発明者 伊藤 文夫 静岡県磐田市新貝2500番地 ヤマハ発動機 株式会社内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 人力駆動系と電気駆動系とを並列に設
   け、人力による駆動力の大きさに略比例して前記電気駆
   動系の電動モータの出力を制御する電動モータ付き乗り
   物において、人力駆動力を検出する人力検出手段と、電
   動モータ出力の実際値を検出するモータ出力検出手段
   と、前記人力に同期して周期的に変化する電動モータ出
   力の目標値を演算する目標値演算手段と、前記電動モー
   タの目標値と前記実際値との差を最小とするようにモー
   タ出力を前記人力に同期して制御する走行制御手段とを
   備えることを特徴とする電動モータ付き乗り物。