JPH1059262A - 電気自転車用モータの出力制御方式 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 トルクに応じてモータ駆動出力の応答速度を
制御することにより、モータを小型化してアシスト型電
気自転車を軽量化と低価格化を図る。 【解決手段】 アシストトルク設定器３１はアシストモ
ータ８に要求されるアシストトルク指令信号を出力す
る。比較器３２はアシストトルク指令とモータ８のトル
クを比較し、その偏差を比例回路３３、積分器３４を介
して比例・積分して次段のパルス幅変調（ＰＷＭ）制御
装置３５に入力し、所定のデューティで制御され、デュ
ーティに応じた駆動電流がモータ８に供給されて人力ト
ルクとアシスト比の関係を満足するアシストトルクが出
力される。比例定数設定器３６は、平坦な走行路では応
答遅れを小さくし、坂道での走行では応答遅れを大きく
し、平坦な走行路から坂道での走行までの間は応答遅れ
を徐々に大きくなるようにモータトルク信号に対応した
比例回路３３の定数を決定して設定制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、人力の駆動力をモ
ータの駆動力によって補助する、所謂、アシスト型自転
車とも呼ばれる電気自転車に用いるに適した電気自転車
用モータの出力制御方式に関する。

【０００２】

【従来の技術】最近、電気自動車が注目され、また人力
による人力駆動部とモータによる電動駆動部との両方を
兼ね備え、人力による駆動力の大きさに応じてモータを
駆動し、人力の駆動力をモータの駆動力によって補助す
る電気自転車が人気を呼んでいる。

【０００３】ここで、本出願人が提供してきた電動モー
タで後輪を直接回転させるタイプの電気自転車、所謂、
後輪直接駆動タイプの電気自転車の例を図面に基づいて
説明する。

【０００４】図１は後輪直接駆動タイプの電気自転車の
全体斜視図であり、図中、１は電動自転車本体である。
電気自転車本体１には後述するモータ８が備えられてお
り、人力によるトルクの大きさに応じてモータ８の駆動
力を変化させ、人力による力をモータ８の力によって補
助して走行させるようになっている。

【０００５】電気自転車本体１のフレーム４には前輪
２、後輪３、ハンドル１３及びサドル２１が取付けてあ
り、前輪２はハンドル１３によって操舵されるようにな
っている。後輪３の回転軸の部分には盤状ケーシング５
が設けられている。

【０００６】盤状ケーシング５は回転側ケーシング６と
電気自転車本体１に固定される固定側ケーシング７とを
備えており、回転側ケーシング６が後輪３と一体になっ
て回転するようになっている。

【０００７】また、盤状ケーシング５にはモータ８が内
蔵されており、電動駆動が必要なときに駆動して、後述
する人力駆動部１０と共に前記回転側ケーシング６を回
転させる。この盤状ケーシング５を備える駆動部分が電
動駆動部９である。

【０００８】人力駆動部１０はペダル１１及びチェーン
１２を備えており、使用者がペダル１１を踏むことで、
チェーン１２を介して前記後輪３を回転させる。この例
ではチェーン１２を人力の伝達部材としたが、これに限
らずチェーン１２の代わりにベルト、回転軸等によるも
のでも構わない。

【０００９】前輪２の操舵をするハンドル１３の左右両
端にはブレーキレバ１４，１５が取付けてあり、また前
輪２及び後輪３にはブレーキ装置１８，１９が設けてあ
り、ブレーキレバ１４，１５とブレーキ装置１８，１９
とはワイヤ１６，１７によって連結されている。

【００１０】そして、ブレーキレバ１４，１５を引くこ
とでワイヤ１６，１７が引っ張られ、このワイヤ１６，
１７によってそれぞれ前後のブレーキ装置１８，１９が
動作するようになっている。また、ワイヤ１６，１７の
途中にはブレーキスイッチ２０が設けてあり、ブレーキ
レバ１４，１５を操作したときにモータ８への通電が停
止する機構になっている。

【００１１】後輪３上のフレーム４にはモータ８の電源
となるバッテリ部２２が取付けてある。このバッテリ部
２２は、フレーム４にスライド着脱可能に取付けられる
バッテリケース２３と、該バッテリケース２３に収納し
た単一型充電式電池によって構成されており、電源電圧
は略２４ボルトである。尚、バッテリケース２３はフレ
ーム４の他の場所に設けてもよい。

【００１２】次に、図２、図３に基づき、前記盤状ケー
シング５について説明する。図２は、図１に示した盤状
ケーシング５の構成を示す正面図であり、図中、７は電
気自転車本体に固定される固定側ケーシングである。

【００１３】固定側ケーシング７には制御基板、放熱板
からなる制御部（図示せず）、モータ８、モータ８の出
力軸２４の出力を伝達する第１プーリ、第２プーリのプ
ーリ組２５と最終段プーリ２８の３つのプーリ群からな
る減速機構２６、該減速機構２６の各プーリ間及び最終
段プーリ２８とを連結する伝達ベルト２７が配置されて
いる。

【００１４】前記最終段プーリ２８は回転側ケーシング
６に固定されており、前記モータ８が回転するとモータ
８の出力軸２４から最終段プーリ２８までが伝達ベルト
２７によって回転し、減速されて最終段プーリ２８と共
に回転側ケーシング６が回転する。

【００１５】また、最終段プーリ２８に連結される第２
プーリの小さいほうのプーリには、一方向クラッチ（図
示せず）が介入されており、ペダルからの力がかかった
ときにモータ８を回さないように、即ちペダルが軽いよ
うにしてある。２９は後輪の車軸である。

【００１６】図３は前記盤状ケーシング５内のモータ８
の配置状態を示す正面図であり、３０はステータ、４０
はマグネットである。

【００１７】このような電気自転車においては、警察庁
からの通達によって、図４の走行概念図のように人力に
対するモータ駆動力の比率、所謂、アシスト比を速度１
５Ｋｍ／ｈまでは１とし、１５Ｋｍ／ｈ以上２４Ｋｍ／
ｈ以下では直線的に漸減するように比率を変化させ、２
４Ｋｍ／ｈ以上ではモータ駆動力による駆動を停止さ
せ、この範囲内に収まらなければならない。

【００１８】そのため、通常はモータ駆動力をいくらに
するかを演算する制御回路であるマイコンを備えて、人
力駆動力によるトルクと走行速度とを入力し、マイコン
が持っているテーブルデータによってアシスト比率を変
える手法をとっている。

【００１９】例えば、１００ｋｇ・ｃｍの人力駆動にト
ルクが掛かったとすると、走行速度が１０ｋｍ／ｈであ
れば、モータ駆動力によるトルクを１００ｋｇ・ｃｍ以
下にし、走行速度が２０ｋｍ／ｈであればアシスト比は
役０．４４に減少させなければならないので４４ｋｇ・
ｃｍのモータ駆動力の出力をマイコン内で演算して出力
している。

【００２０】

【発明が解決しようとする課題】アシスト型電気自転車
においては、乗る人の乗り心地を足踏み感覚でスムーズ
にするために、人力トルクに対しアシストモータトルク
は同じ周期で、また略同じ位相で出力させる必要があ
る。そのトルク関係は、図５に平坦な走路の場合とし
て、図６に坂道の場合として、人力トルクは実線で、モ
ータトルクは破線で示している。これらの場合のモータ
トルクの人力トルクに対する応答遅れは０．１ｓｅｃで
ある。

【００２１】ところが、図６の坂道の場合に注目する
と、人力トルクに合わせて大きなモータトルクが必要と
なりトルクのピークが高くなるため、大きな出力をカバ
ーするための大型のモータが必要になることが判る。一
方、アシスト型電気自転車では、バッテリの効率的な活
用と共にモータを小型化して可能な限り軽量化すること
が主要な課題として求められている。

【００２２】そこで本発明は、平坦な走路の場合には自
転車らしい乗り心地を保ち、坂道の場合には人力トルク
とは完全に同期しないが、返って人力トルクがないとき
にモータトルクがアシストされて滑らかな走行を行うこ
とができると共にアシストモータの小型化を可能とする
電気自転車用モータの出力制御方式を提供することを目
的とする。

【００２３】

【課題を解決するための手段】この発明の請求項１に係
る電気自転車用モータの出力制御方式は、人力トルクを
検出するアシストトルク設定器と、アシストトルク設定
器からの出力によりモータを駆動制御するモータ制御装
置とを備え、人力トルクの大きさに応じて人力トルクに
対するモータ駆動出力の応答速度を制御するように構成
したことを特徴とする。

【００２４】この発明の請求項２に係る電気自転車用モ
ータの出力制御方式は、人力トルクを検出するアシスト
トルク設定器と、アシストトルク設定器からの出力によ
りモータを駆動制御するモータ制御装置とを備え、モー
タの駆動信号の大きさに応じて人力トルクに対するモー
タ駆動出力の応答速度を制御するように構成したことを
特徴とする。

【００２５】この発明の請求項３に係る電気自転車用モ
ータの出力制御方式は、人力トルクを検出するアシスト
トルク設定器と、アシストトルク設定器からの出力によ
りモータを駆動制御するモータ制御装置とを備え、モー
タトルクの大きさに応じて人力トルクに対するモータ駆
動出力の応答速度を制御するように構成したことを特徴
とする。

【００２６】この発明の請求項４に係る電気自転車用モ
ータの出力制御方式は、人力トルクを検出するアシスト
トルク設定器と、アシストトルク設定器からの出力によ
りモータを駆動制御するモータ制御装置とを備え、人力
トルクまたはモータの駆動信号またはモータトルクが小
さいときは人力トルクに対するモータ駆動出力の応答速
度を速く、大きいときは人力トルクに対するモータ駆動
出力の応答速度を遅く制御するするように構成したこと
を特徴とする。

【００２７】これにより、平坦な走行路では、モータの
アシストトルクとしての条件を満足しつつ、人力トルク
とモータトルクとの同期がとれた追従性の良い自転車ら
しい乗り心地を得ることができる。また、坂道を走行す
る場合は、トルクのピーク値を低く抑えて、アシストモ
ータの出力を小さくし、モータを小型化できるのでアシ
スト型電気自転車の軽量化と低価格化とを達成できる。

【００２８】

【発明の実施の形態】次に、本発明を図を参照しながら
実施例にもとづいて説明する。図７には、坂道を走行す
る場合の人力トルクに対するモータトルクの関係を示し
ており（人力トルクは実線で、モータトルクは破線で示
している）、人力トルクに対するモータトルクの応答遅
れは０．４ｓｅｃの場合である。

【００２９】このように、人力トルクに対するモータト
ルクの応答速度を遅らせることにより、モータのアシス
トトルクとしての条件を満足しつつ、人力トルクと発生
周期が同時で、かつトルクのピーク値が低く抑えられた
モータのトルク曲線が得られることになる。従って、ア
シストモータの出力を大きくする必要がないため、人力
トルクとは完全に同期しないが、モータを小型化でき
る。

【００３０】同様に、人力トルクに対するモータトルク
の応答遅れを０．４ｓｅｃに設定して、平坦な走行路で
の人力トルクに対するモータトルクの関係は図８に示す
ようになる。アシストに必要とされるモータトルクは小
さくなるが、人力トルクとモータトルクとの同期が大き
くずれ過ぎてているため、追従性が悪いため自転車らし
くなく乗り心地が非常に悪くなる。

【００３１】これらのことより、人力トルクに対するモ
ータトルクの応答速度は、平坦な走行路および坂道での
走行時に常に固定的な同じ値にすることなく、平坦な走
行路では応答遅れを小さくし、坂道での走行では応答遅
れを大きくし、平坦な走行路から坂道での走行までの間
は応答遅れを徐々に大きくしていくことが好ましいこと
が理解される。

【００３２】そしてこれらのテストの結果、人力トルク
に対するモータトルクの応答速度の関係から、モータト
ルクに対する制御系の応答速度の関係は図９に示すよう
曲線になることが導き出された。そこで、本発明は図９
の関係のように、モータトルクが小さいところでは応答
速度の遅れを小さく、即ち応答速度を速くし、モータト
ルクが大きいところでは応答速度の遅れを大きく、即ち
応答速度を遅くする特性を用いて電気自転車用モータの
出力制御をすることにより、人力に追従性が良くて自転
車らしい乗り心地であって、しかもアシストモータの容
量を低く抑えてモータの小型化を達成するものである。

【００３３】次に、以上のような出力制御を行う本発明
の電気自転車用モータの出力制御装置の構成を図１０を
用いて説明する。図１０において、８はアシスト用のモ
ータ、３１はアシストトルク設定器、３２は比較器、３
３は比例回路、３４は積分器、３５は電流制御装置とし
てのパルス幅変調（ＰＷＭ）制御装置、３６は比例定数
設定器である。ここで、比較器３２、比例回路３３、積
分器３４、パルス幅変調制御回路３５、比例定数設定器
３６をモータ制御装置という。

【００３４】次に、上記装置の出力制御動作について説
明する。アシストトルク設定器３１には通達規定による
人力トルクとアシスト比の関係が入力されており、人力
トルクが入力されるとアシストモータ８に要求されるア
シストトルク指令信号を出力する。

【００３５】比較器３２は入力されるアシストトルク指
令とモータ８のトルクを比較し、その偏差を比例回路３
３、積分器３４を介して比例・積分して次段のパルス幅
変調（ＰＷＭ）制御装置３５に入力し、所定のデューテ
ィで制御され、デューティに応じた駆動電流がモータ８
に供給されて人力トルクとアシスト比の関係を満足する
アシストトルクが出力される。

【００３６】ここで、比例定数設定器３６には、図９に
示すモータトルクに対する制御系の応答速度の関係をテ
ーブルとして有しているので、モータトルク信号に対応
した比例回路３３の定数を決定して設定制御している。
即ち、平坦な走行路では応答遅れを小さくし、坂道での
走行では応答遅れを大きくし、平坦な走行路から坂道で
の走行までの間は応答遅れを徐々に大きくなるように比
例回路３３の定数を決定して設定制御する。

【００３７】この結果、人力トルクに対するモータトル
クの関係は、図１１に示すように、坂道を走行する場合
は、人力トルクに対するモータトルクの応答速度をより
遅らせることにより、モータのアシストトルクとしての
条件を満足しつつ、人力トルクと発生周期が同時で、か
つトルクのピーク値が低く抑えられたモータのトルク曲
線が得られることになる。従って、アシストモータの出
力を大きくする必要がないためモータを小型化でき、人
力トルクとは完全に同期はしないが、出力波形から、返
って人力トルクがないときにモータトルクがアシストさ
れて滑らかな走行を確保できる。

【００３８】また、平坦な走行路では、図１２に示すよ
うに、人力トルクに対するモータトルクの応答速度の遅
れを小さくすることにより、モータのアシストトルクと
しての条件を満足しつつ、人力トルクとモータトルクと
の同期がとれた追従性の良い自転車らしい乗り心地を得
ることができる。

【００３９】本発明の実施例では、モータトルクの大き
さに応じて人力トルクに対するモータ駆動出力の応答速
度を変化するようにしたが、モータトルクに替えて人力
トルクやモータ駆動出力、即ちパルス幅変調制御回路３
５の値に応じて変化させても構わない。

【００４０】何故ならば、人力トルクに対応してモータ
駆動出力が演算され、それによるモータ駆動によってモ
ータのトルクが検出されるため、これらの３つの信号に
は密接な関係にあって、ほぼ同じ値となるからである。
即ち、人力トルクやモータ駆動出力は、本実施例におけ
るモータトルクとほぼ同じ値となるので、実施の状態と
しては殆ど変わりなく同様であるので、信号の代替が可
能となる。

【００４１】

【発明の効果】以上のように、本発明は、モータトルク
に応じて制御系の応答速度を制御することにより、平坦
な走行路では、モータのアシストトルクとしての条件を
満足しつつ、人力トルクとモータトルクとの同期がとれ
た追従性の良い自転車らしい乗り心地を得ることができ
る。

【００４２】また、坂道を走行する場合は、モータのア
シストトルクとしての条件を満足しつつ、人力トルクと
発生周期が同時で、かつトルクのピーク値を低く抑え
て、アシストモータの出力を小さくし、モータを小型化
できるのでアシスト型電気自転車の軽量化と低価格化と
を達成でき、バッテリの消費を抑えることができる。更
に、出力波形から滑らかな走行を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】電気自転車の全体斜視図。

【図２】盤状ケーシングの構成を示す正面図および側面
図。

【図３】盤状ケーシング上でのモータの配置図。

【図４】アシスト型電気自転車の走行概念図。

【図５】人力トルクとモータトルクの関係図（平坦時、
応答速度小）。

【図６】人力トルクとモータトルクの関係図（坂道時、
応答速度小）。

【図７】人力トルクとモータトルクの関係図（坂道時、
応答速度大）。

【図８】人力トルクとモータトルクの関係図（平坦時、
応答速度大）。

【図９】モータトルクと応答速度の関係図。

【図１０】本発明のモータ駆動回路の実施例図。

【図１１】人力トルクとモータトルクの関係図（坂道
時、可変応答速度大）。

【図１２】人力トルクとモータトルクの関係図（平坦
時、可変応答速度小）。

【符号の説明】

１ 電気自転車本体 ２ 前輪 ３ 後輪 ４ フレーム ５ 盤状ケーシング ６ 回転側ケーシング ７ 固定側ケーシング ８ モータ ９ 電動駆動部 １０ 人力駆動部 １１ ペダル １２ チェーン １３ ハンドル １４，１５ ブレーキレバ １６，１７ ワイヤ １８，１９ ブレーキ装置 ２０ ブレーキスイッチ ２１ サドル ２２ バッテリ部 ２３ バッテリケース ２４ モータ出力軸 ２５ プーリ組 ２６ 減速機構 ２７ 伝達ベルト ２８ 最終段プーリ ２９ 後輪の車軸 ３０ ステータ ３１ アシストトルク設定器 ３２ 比較器 ３３ 比例回路 ３４ 積分器 ３５ パルス幅変調（ＰＷＭ）制御装置 ３６ 比例定数設定器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 松本 敏宏 大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号 三 洋電機株式会社内 (72)発明者 前田 好彦 大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号 三 洋電機株式会社内 (72)発明者 松本 和久 大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号 三 洋電機株式会社内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 人力トルクを検出するアシストトルク設
   定器と、アシストトルク設定器からの出力によりモータ
   を駆動制御するモータ制御装置とを備え、人力トルクの
   大きさに応じて人力トルクに対するモータ駆動出力の応
   答速度を制御する電気自転車用モータの出力制御方式。
2. 【請求項２】 人力トルクを検出するアシストトルク設
   定器と、アシストトルク設定器からの出力によりモータ
   を駆動制御するモータ制御装置とを備え、モータの駆動
   信号の大きさに応じて人力トルクに対するモータ駆動出
   力の応答速度を制御する電気自転車用モータの出力制御
   方式。
3. 【請求項３】 人力トルクを検出するアシストトルク設
   定器と、アシストトルク設定器からの出力によりモータ
   を駆動制御するモータ制御装置とを備え、モータトルク
   の大きさに応じて人力トルクに対するモータ駆動出力の
   応答速度を制御する電気自転車用モータの出力制御方
   式。
4. 【請求項４】 前記人力トルク、モータの駆動信号、モ
   ータトルクが小さいときは人力トルクに対するモータ駆
   動出力の応答速度を速く、大きいときは人力トルクに対
   するモータ駆動出力の応答速度を遅く制御することを特
   徴とする電気自転車用モータの出力制御方式。