WO2021235595A1 - 전기자전거의 속도 제어장치 및 그 방법 - Google Patents

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torque
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백인하
이승경
김영신
홍경호
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Definitions

  • the present invention relates to chainless e-bikes, and more particularly to speed control of e-bikes.
  • the E-PAC standard is a standard for a drivetrain that pulls an electric bicycle by applying force to the pedal, and the drivetrain includes a pedal. Therefore, the driving system of an electric home appliance must satisfy the E-PAC standard.
  • Most of the electric bicycle drivetrains have a structure in which the pedals and the driving wheels are connected by a chain.
  • a two-wheeled electric bicycle has the same structure in which the wheels and pedals are connected by a chain as in a conventional bicycle, but in the case of an E-CARGO consisting of three or four wheels, if such a chain is used for the drive system, the chain and gears increase and the drive system has a problem of having a complex structure.
  • the inventors of the present invention have been researching and trying to solve the problem of the drive system connected to the chain in the electric bicycle of the prior art. After much effort, the present invention was completed after much effort to complete the drive system for an electric bicycle that eliminates the chain of the electric bicycle, converts the driving force of the pedal into electricity, and transmits it to the wheels without the chain.
  • a speed sensor unit for measuring the rotational speed of the wheel and the rotational speed of the generator driven by the pedal; a current sensor unit for measuring a driving current of a motor driving the wheel and the generator; a wheel speed control unit configured to generate a wheel torque command value based on a wheel speed command value obtained by multiplying the rotation speed of the pedal measured by the speed sensor unit by a gear ratio and a wheel speed value measured by the speed sensor unit; a wheel torque control unit for generating a motor driving control current for driving the motor based on the wheel torque command value and the driving current value of the motor measured by the current sensor unit; and a pedal torque control unit for generating a generator torque control current for controlling the torque of the generator based on a value obtained by applying an assist level to the wheel torque command value and the generator driving current measured by the current sensor unit.
  • the wheel speed controller may control the wheel torque command value so that the wheel speed value follows the wheel speed command value.
  • the wheel speed controller may generate the wheel torque command value by a proportional-integral-differential (PID) control method.
  • PID proportional-integral-differential
  • the wheel speed control unit is configured to integrate a value obtained by multiplying a value obtained by subtracting the wheel speed from the wheel speed command value by a proportional factor, and a value obtained by subtracting the wheel speed from the wheel speed command value, and the wheel speed command value from the wheel speed command value. It is characterized in that the wheel torque command value is generated by adding a value obtained by multiplying the value of the wheel inertia after differentiating the value obtained by subtracting the .
  • the wheel torque control unit may include: a wheel torque calculation unit; and a wheel current control unit; wherein the wheel torque calculation unit calculates a motor current command for driving the motor using the wheel torque command, and the wheel current control unit uses the motor current command and the measured motor driving current value. It is characterized in that the current for driving the motor is controlled.
  • the wheel torque controller may control the motor driving current so that the motor driving current value follows the motor current command.
  • the pedal torque control unit may include: a pedal torque calculation unit; and a pedal current control unit, wherein the pedal torque calculation unit calculates a generator current command based on a value obtained by applying an assist level to the wheel torque command value, and the pedal current control unit includes the generator current command and the measured generator It is characterized in that the generator torque control current is generated by the current value of
  • the pedal torque control unit characterized in that the generator current value controls the generator torque control current to follow the generator current command.
  • the generating of the wheel torque command value may include controlling the wheel torque command value so that the measured wheel speed command value follows the wheel speed command value.
  • the structure of the drive system can be simplified by applying the drive system without a chain.
  • the drive system can be extended not only to two wheels but also to various small vehicles with three to four wheels.
  • FIG. 1 shows a schematic structural diagram of an electric bicycle speed control device according to a preferred embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic structural diagram of a wheel speed control part of an electric bicycle speed control device according to a preferred embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a more detailed structural diagram of an electric bicycle speed control device according to a preferred embodiment of the present invention.
  • Figure 4 shows the relationship between the pedal power and the gear ratio by the electric bicycle speed control device according to a preferred embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a structural diagram of an electric bicycle speed control device according to another preferred embodiment of the present invention.
  • Figure 6 shows the effect of the electric bicycle speed control device according to another preferred embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a schematic flowchart of an e-bike speed control method according to another preferred embodiment of the present invention.
  • 'first' and 'second' may be used to describe various elements, but the elements should not be limited by the above terms. The above term may be used only for the purpose of distinguishing one component from another. For example, without departing from the scope of the present invention, a 'first component' may be referred to as a 'second component', and similarly, a 'second component' may also be referred to as a 'first component'. can Also, the singular expression includes the plural expression unless the context clearly dictates otherwise. Unless otherwise defined, terms used in the embodiments of the present invention may be interpreted as meanings commonly known to those of ordinary skill in the art.
  • FIG. 1 shows a schematic structural diagram of an electric bicycle speed control device according to a preferred embodiment of the present invention.
  • the electric bicycle speed control device 1 uses the positional relationship and the speed of the pedal 32 and the driving wheel 22 to control the speed of the electric bicycle.
  • the wheel speed controller 3 includes the wheel speed command, the actual wheel 22 speed Nw measured using the motor speed sensor 5, and the pedal 32 speed measured using the generator speed sensor 8 ( Np) to generate a torque command Tw* for wheel 22 speed control.
  • a torque command Tp* of the pedal 32 is generated to generate a feeling of the pedal 32 like a bicycle with a chain, and an assist level is applied to the torque command of the pedal 32 .
  • the speed of the wheel 22 and the feeling of the pedal 32 can be adjusted by the inclination measured using the inclination sensor 10 .
  • FIG. 2 is a schematic structural diagram of a wheel speed control device among the electric bicycle speed control device according to a preferred embodiment of the present invention.
  • the electric bicycle speed control device 100 for controlling the wheel speed includes a wheel speed control unit 110 , a wheel torque control unit 120 , and a pedal torque control unit 130 .
  • the wheel speed controller 110 generates a wheel torque command Tw* and a pedal torque command Tp* based on the wheel speed Nw and the wheel speed command Nw*.
  • the pedal rotation speed Np is controlled so that the wheel speed Nw follows.
  • the wheel speed command (Nw*) is generated by multiplying the pedal speed (Np) by the gear ratio (GR: Gear Ratio).
  • GR Gear Ratio
  • the pedal and the wheel are connected by the chain, and the rotation ratio between the pedal and the wheel is determined by the gear ratio.
  • the wheel speed control unit 110 increases the wheel torque command (Tw*) to increase the wheel speed (Nw), and the wheel speed command ( If Nw*) is less than the wheel speed Nw, the wheel torque command Tw* is decreased to reduce the wheel speed Nw.
  • the wheel torque control unit 120 receives the wheel torque command Tw*, generates a current for driving the motor 20, and transmits it to a wheel actuator (WA) to control the wheel speed.
  • a wheel actuator WA
  • the pedal torque control unit 130 receives the pedal torque command Tp*, generates a current for controlling the load of the pedal 32 , and transmits it to a pedal actuator (PA) to control the load of the generator 30 . do.
  • the pedal torque command (Tp*) is determined by applying the assist level (AL) to the wheel speed command (Tw*).
  • FIG. 3 is a more detailed structural diagram of each control unit according to the present disease.
  • the wheel speed controller 110 may use a Proportional-Integral-Differential (PID) controller to generate the wheel torque command Tw*.
  • PID Proportional-Integral-Differential
  • the wheel speed control unit 110 receives the wheel speed command Nw*, which is a value obtained by applying the gear ratio GR to the pedal speed Np measured by the generator 30 , and the wheel speed Nw measured by the motor 20 . .
  • the torque (T*) is generated as follows by applying proportional-integral (PI) control to the difference (Nw*-Nw) between the wheel speed command (Nw*) and the wheel speed (Nw).
  • PI proportional-integral
  • Kp is a proportional gain value and Ki is an integral gain value.
  • a wheel torque command (Tw*) is generated by reflecting the forward compensation torque (Ta) due to wheel acceleration in the calculated torque (T*).
  • the forward compensation torque Ta is generated by the following equation.
  • the wheel torque control unit 120 and the pedal torque control unit 130 drive the motor 20 by the wheel torque command (Tw*) and the pedal torque command (Tp*) and generate a current for setting the load of the generator 30 .
  • the wheel torque control unit 120 converts the wheel torque command Tw* into a motor current command Im* through the torque calculator 122 (TC: Torque Calculator).
  • the current controller 124 controls the current for driving the wheel actuators 126 and WA based on the difference between the motor current command Im* and the actually measured motor current Im.
  • the motor 20 is driven by the wheel actuator 126 and the wheel 22 rotates to move the electric bicycle.
  • the pedal torque control unit 130 converts the pedal torque command Tp*, which is a value to which the assist level AL is applied to the wheel torque command Tw*, into the generator current command Ig* through the torque calculator 132 .
  • the current controller 134 controls the pedal actuator 136 (PA) for adjusting the load applied to the generator 30 by the difference between the generator current command (Ig*) and the actually measured generator current (Ig).
  • the pedal actuator 136 generates a pedal feel when the user steps on the pedal by generating a load on the pedal 32 .
  • the wheel torque control unit 120 By separating the wheel torque control unit 120 and the pedal torque control unit 130 as described above, even if the pedal torque control unit 130 or the pedal actuator 136 fails, the electric bicycle can operate normally. If the pedal actuator 136 does not operate, the load applied to the pedal 32 is not generated, so the user cannot feel the pedal feeling, but the generator 30 rotates by the rotation of the pedal 32, and the rotation speed of the generator is Since the wheel torque command Tw* for controlling the wheel speed is generated while the pedal speed Np is transmitted to the wheel speed control unit 110, the wheel torque control unit 120 can generate a current for driving the motor 20. Because there is
  • the wheel speed command Nw* and the wheel speed Nw are used to calculate the power of the wheel 22 and the power of the pedal 32 .
  • the wheel angular speed (Ww) is calculated as, and the pedal angular velocity (Wp) is is calculated as
  • the X axis represents the gear ratio and the Y axis represents the assist level.
  • a wider area 5 can be set compared to a bicycle with a chain.
  • the assist level refers to the amount of power that assists pedal power. If the assist level is high, a large amount of power is transmitted to the wheel compared to the user's pedaling force. Conversely, if the assist level is low, power is transmitted to the wheel only by the user's pedaling force.
  • a low gear ratio and low assist level results in less power being transmitted to the wheels, allowing for faster pedal rotation, which can be used to charge the generator. That is, it is possible to set the power mode. If the gear ratio is low but the assist level is high, the power transmitted to the wheel increases, so that you can achieve high speed.
  • the area marked as Power Mode in FIG. 4 corresponds to this.
  • the present invention has the advantage of being able to implement not only the area 4 that can form a pedal feeling similar to that of a general chain bicycle, but also other power modes that cannot be implemented in a general chain bicycle by the combination of the gear ratio and the assist level.
  • FIG. 5 is a structural diagram of an electric bicycle speed control device according to another preferred embodiment of the present invention.
  • the electric bicycle speed control device 200 may further include a pedal feeling control unit 240 together with the wheel speed control unit 210 , the wheel torque control unit 220 , and the pedal torque control unit 230 .
  • the pedal feel control unit 240 generates the pedal torque command Tp* by additionally considering the inclination g.
  • a control to adjust the pedal feel is additionally required.
  • the wheel torque command (Tw*) and the pedal torque command (Tp*) are generated by the difference between the wheel speed command (Nw*) and the wheel speed (Nw) as described above.
  • the pedal torque command (Tp*) is generated by the difference between the wheel speed command (Nw*) and the wheel speed (Nw) as in the case of flat ground. .
  • 6A shows the magnitude of the pedal torque according to the wheel speed on a hill.
  • the pedal torque Tp is maintained at a constant level until the wheel speed Nw reaches a constant speed in a stationary state to allow the user to focus.
  • the pedal torque Tp is reduced to maintain the pedal feel.
  • Fig. 6(b) shows the relationship between the inclination and the force transmitted to the pedal.
  • FIG. 7 is a schematic flowchart of an e-bike speed control method according to another preferred embodiment of the present invention.
  • the e-bike speed control method may be performed by a controller including one or more processors and a memory.
  • the control unit receives the wheel speed and the pedal speed from the wheel speed sensor and the pedal speed sensor (S10).
  • the wheel speed command is calculated by multiplying the input pedal speed by the gear ratio, and the wheel torque command value is calculated based on the difference between the wheel speed command and the actually measured wheel speed (S20). This is to adjust the wheel speed according to the pedal speed. That is, the wheel torque command value is calculated so that the wheel speed follows the speed of the pedal.
  • the measured values of the motor driving current and the generator driving current are received from the sensor (S30).
  • a motor driving current command value for driving the motor is calculated based on the wheel torque command value, and the motor torque current is controlled by the difference from the actually measured motor driving current (S40). It is to control the actually measured motor driving current to follow the motor driving current command value.
  • the value obtained by applying the assist level (AL) to the wheel torque command value is calculated as the generator torque control current command value, and the generator torque control current is controlled so that the actually measured generator driving current value follows the generator torque control current command value (S50) .
  • the wheel speed follows the pedal speed according to the pedal speed, and by controlling the pedal feel, the pedal feeling can be felt like a bicycle with a chain, and at the same time, the force applied to the pedal is controlled differently for each user.
  • This has the advantage of being able to use an electric bike comfortably for all ages and genders.

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Abstract

본 발명은 전기자전거의 속도 제어장치 및 그 방법에 관한 것으로, 본 발명에 따르면 사용자가 구동하는 페달의 속도를 휠의 속도가 추종하도록 휠을 구동하는 모터의 토크를 제어하고, 모터의 토크에 따라 어시스트 레벨을 적용하여 페달의 토크 또한 제어함으로써 무체인 전기자전거에서 체인이 있는 자전거와 같은 페달 감을 느낄 수 있으며 어시스트 레벨에 따라 페달에 가하는 힘을 조절할 수 있는 효과가 있다.

Description

전기자전거의 속도 제어장치 및 그 방법
본 발명은 체인이 없는 전기자전거에 관한 것으로, 특히 전기자전거의 속도 제어에 관한 것이다.
최근 근거리 이동 수단에 대한 수요 증가와 환경 규제 등의 이유로 전기자전거에 대한 수요 및 관심이 증가되고 있다. 유럽에서는 E-CARGO라는 카테고리가 생기면서 2륜뿐 아니라 3~4륜의 다양한 소형 이동수단들이 생겨나고 있다. 유럽에서는 전기자전거 규격인 E-PAC(Electrically Power Assisted Cycles) 규격을 만족한 제품이라면 기존 자전거 인프라를 이용할 수 있고 더불어 일부 지역에서는 보조금 등의 혜택도 받을 수 있다.
E-PAC 규격은 페달에 힘을 인가하여 전기자전거를 견인하는 구동계에 대한 규격으로 구동계에는 페달이 포함되어있다. 따라서 전기가전거의 구동계는 E-PAC 규격을 만족해야 한다. 대부분의 전기자전거 구동계는 체인으로 페달과 구동 바퀴가 연결되는 구조이다. 2륜 전기자전거는 종래의 자전거와 같이 휠과 페달이 체인으로 연결된 동일한 구조를 가지지만, 3~4륜으로 구성되는 E-CARGO 등에서는 구동계에 이렇게 체인을 사용하면 체인과 기어 등이 증가하면서 구동계가 복잡한 구조를 가지게 되는 문제가 있다.
본 발명의 발명자들은 이러한 종래 기술의 전기자전거에서 체인으로 연결되는 구동계의 문제점을 해결하기 위해 연구 노력해 왔다. 전기자전거의 체인을 없애고 페달의 구동력을 전기로 변환하여 체인 없이 바퀴로 전달하는 전기자전거용 구동계를 완성하기 위해 많은 노력 끝에 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
본 발명의 목적은 2륜 뿐 아니라 3~4륜의 E-CARGO에도 적용할 수 있는 단순한 구조의 구동계를 제공함에 있다. 또한 이러한 구동계를 가지면서도 기존 체인이 있는 전기자전거와 같은 주행감을 제공하고 전기자전거 규제 등을 만족할 수 있는 전기자전거의 속도제어방법을 제공하는 것 역시 본 발명의 다른 목적이다.
한편, 본 발명의 명시되지 않은 또 다른 목적들은 하기의 상세한 설명 및 그 효과로부터 용이하게 추론 할 수 있는 범위 내에서 추가적으로 고려될 것이다.
본 발명에 따른 전기자전거 속도 제어장치는,
휠의 회전 속도 및 페달에 의해 구동되는 발전기의 회전속도를 측정하기 위한 속도 센서부; 상기 휠을 구동하는 모터 및 상기 발전기의 구동 전류를 측정하기 위한 전류 센서부; 상기 속도 센서부에 의해 측정한 페달의 회전 속도에 기어비를 곱한 휠 속도 지령 값과 상기 속도 센서부에 의해 측정한 휠 속도 값에 의해 휠 토크 지령 값을 생성하는 휠 속도 제어부; 상기 휠 토크 지령 값과 상기 전류 센서부에 의해 측정한 상기 모터의 구동 전류 값에 의해 상기 모터를 구동하기 위한 모터 구동 제어 전류를 생성하는 휠 토크 제어부; 및 상기 휠 토크 지령 값에 어시스트 레벨을 적용한 값과 상기 전류 센서부에 의해 측정한 상기 발전기 구동 전류 측정값에 의해 상기 발전기의 토크를 제어하기 위한 발전기 토크 제어 전류를 생성하는 페달 토크 제어부;를 포함한다.
상기 휠 속도 제어부는, 상기 휠 속도 값이 상기 휠 속도 지령 값을 추종하도록 상기 휠 토크 지령 값을 제어하는 것을 특징으로 한다.
상기 휠 속도 제어부는, 비례-적분-미분(PID: Proportional-Integral-Differential) 제어 방법에 의해 상기 휠 토크 지령 값을 생성하는 것을 특징으로 한다.
상기 휠 속도 제어부는, 상기 휠 속도 지령 값에서 휠 속도를 뺀 값에 비례 계수를 곱한 값과, 상기 휠 속도 지령 값에서 휠 속도를 뺀 값을 적분한 값과, 상기 휠 속도 지령 값에서 휠 속도를 뺀 값을 미분한 후 휠 관성 값을 곱한 값을 더하여 휠 토크 지령 값을 생성하는 것을 특징으로 한다.
상기 휠 토크 제어부는, 휠 토크 계산부; 및 휠 전류 제어부;를 포함하고, 상기 휠 토크 계산부는 상기 휠 토크 지령으로 상기 모터 구동을 위한 모터 전류 지령을 계산하고, 상기 휠 전류 제어부는 상기 모터 전류 지령과 상기 측정한 모터 구동 전류 값에 의해 모터를 구동하기 위한 전류를 제어하는 것을 특징으로 한다.
상기 휠 토크 제어부는, 상기 모터 구동 전류 값이 상기 모터 전류 지령을 추종하도록 모터 구동 전류를 제어하는 것을 특징으로 한다.
상기 페달 토크 제어부는, 페달 토크 계산부; 및 페달 전류 제어부;를 포함하고, 상기 페달 토크 계산부는, 상기 휠 토크 지령 값에 어시스트 레벨을 적용한 값에 의해 발전기 전류 지령을 계산하고, 상기 페달 전류 제어부는, 상기 발전기 전류 지령과 상기 측정한 발전기의 전류 값에 의해 상기 발전기 토크 제어 전류를 생성하는 것을 특징으로 한다.
상기 페달 토크 제어부는, 상기 발전기 전류 값이 상기 발전기 전류 지령을 추종하도록 상기 발전기 토크 제어 전류를 제어하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 전기자전거의 속도 제어방법은,
페달의 회전속도와 휠 속도를 입력받는 단계; 상기 페달의 회전속도에 기어비를 곱한 휠 속도 지령 값과 상기 측정한 휠 속도 값에 의해 휠 토크 지령 값을 생성하는 단계; 휠을 구동하는 모터의 구동 전류와 페달에 의해 구동되는 발전기의 구동 전류를 측정하는 단계; 상기 휠 토크 지령 값과 상기 측정한 모터의 구동 전류 값에 의해 상기 모터를 구동하기 위한 모터 구동 제어 전류를 생성하는 단계; 상기 휠 토크 지령 값에 어시스트 레벨을 적용한 값과 상기 측정한 발전기의 구동 전류 값에 의해 상기 발전기의 토크를 제어하기 위한 발전기 토크 제어 전류를 생성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 휠 토크 지령 값을 생성하는 단계는, 상기 측정한 휠 속도 지령 값이 상기 휠 속도 지령 값을 추종하도록 상기 휠 토크 지령 값을 제어하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면 체인이 없는 구동계를 적용함으로써 구동계의 구조를 단순화 할 수 있는 효과가 있다. 체인 없는 구동계를 채용함으로써 2륜만이 아니라 3~4륜을 가지는 다양한 소형 운송수단에도 구동계를 확장할 수 있는 장점이 있다.
한편, 여기에서 명시적으로 언급되지 않은 효과라 하더라도, 본 발명의 기술적 특징에 의해 기대되는 이하의 명세서에서 기재된 효과 및 그 잠정적인 효과는 본 발명의 명세서에 기재된 것과 같이 취급됨을 첨언한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 어느 실시예에 따른 전기자전거 속도제어장치의 개략적인 구조도를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 바람직한 어느 실시예에 따른 전기자전거 속도제어장치 중 휠 속도 제어 부분의 개략적인 구조도를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 바람직한 어느 실시예에 따른 전기자전거 속도 제어장치의 보다 자세한 구조도이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 어느 실시예에 따른 전기자전거 속도 제어장치에 의한 페달 파워와 기어비와의 관계를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 전기자전거 속도 제어장치의 구조도이다.
도 6은 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 전기자전거 속도 제어장치의 효과를 나타낸다.
도 7은 본 발명의 바람직한 또 다른 실시예에 따른 전기자전거 속도 제어 방법의 개략적인 흐름도이다.
※ 첨부된 도면은 본 발명의 기술사상에 대한 이해를 위하여 참조로서 예시된 것임을 밝히며, 그것에 의해 본 발명의 권리범위가 제한되지는 아니한다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시예가 안내하는 본 발명의 구성과 그 구성으로부터 비롯되는 효과에 대해 살펴본다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기능에 대하여 이 분야의 기술자에게 자명한 사항으로서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
'제1', '제2' 등의 용어는 다양한 구성요소를 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소는 위 용어에 의해 한정되어서는 안 된다. 위 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 권리범위를 벗어나지 않으면서 '제1구성요소'는 '제2구성요소'로 명명될 수 있고, 유사하게 '제2구성요소'도 '제1구성요소'로 명명될 수 있다. 또한, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 표현하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명의 실시예에서 사용되는 용어는 다르게 정의되지 않는 한, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 통상적으로 알려진 의미로 해석될 수 있다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시예가 안내하는 본 발명의 구성과 그 구성으로부터 비롯되는 효과에 대해 살펴본다.
도 1은 본 발명의 바람직한 어느 실시예에 따른 전기자전거 속도제어장치의 개략적인 구조도를 나타낸다.
전기자전거 속도제어장치(1)는 전기자전거의 속도를 제어하기 위해 페달(32)과 구동 휠(22)의 위치 관계와 속도를 이용한다.
일반적인 체인을 사용하는 자전거는 페달과 휠이 체인을 통해 기계적으로 연결되어 있으므로, 페달이 회전하는 만큼 바퀴도 회전하게 된다.
그런데 체인이 없는 전기자전거는 기계적인 연결이 없으므로 페달이 회전하는 만큼 바퀴도 회전하도록 하기 위해서는 둘 사이의 위치 관계를 이용하여야 한다.
위치 제어기(2)는 발전기 위치센서(7)에 의해 측정한 페달(32)의 위치(θp)와 모터 위치센서(4)를 이용해 측정한 휠(22)의 위치(θw)에 의해 흴(22)의 속도 지령(Nw*)을 만들어낸다. θp - θw = 0페달(32)의 위치와 휠(22)의 위치의 차이가 0이 되도록 휠(22)의 속도를 제어하여 페달(32)의 위치와 휠(22)의 위치가 일치하도록 하려는 것이다.
휠속도 제어기(3)는 휠의 속도 지령과 모터 속도센서(5)를 이용해 측정한 실제 휠(22)의 속도(Nw) 및 발전기 속도센서(8)를 이용해 측정한 페달(32)의 속도(Np)에 의해 휠(22) 속도 제어를 위한 토크 지령(Tw*)을 생성한다. 또한 체인이 있는 자전거와 같은 페달(32) 감을 생성하기 위해 페달(32)의 토크 지령(Tp*)도 생성하는데 페달(32)의 토크 지령에는 어시스트 레벨(Assist Level)이 적용된다. 또한 경사도 센서(10)를 이용하여 측정한 경사도에 의해 휠(22)의 속도와 페달(32)의 감을 조절할 수 있다.
도 2는 본 발명의 바람직한 어느 실시예에 따른 전기자전거 속도제어장치 중 휠 속도 제어장치의 개략적인 구조도를 나타낸다.
휠 속도를 제어하기 위한 본 발명에 따른 전기자전거 속도제어장치(100)는 휠 속도 제어부(110), 휠 토크 제어부(120) 및 페달 토크 제어부(130)를 포함한다.
휠 속도 제어부(110)는 휠 속도(Nw)와 휠 속도 지령(Nw*)에 의해 휠 토크 지령(Tw*)과 페달 토크 지령(Tp*)을 생성한다. 사용자가 페달(32)을 밟아 페달(32)과 연결된 발전기(30)가 회전하면 페달 회전 속도(Np)를 휠 속도(Nw)가 추종하도록 제어하는 것이다.
휠 속도 지령(Nw*)은 페달 속도(Np)에 기어비(GR: Gear Ratio)를 곱한 값으로 생성된다. 체인이 있는 자전거는 페달과 휠이 체인에 의해 연결되고, 페달과 휠 사이의 회전비는 기어비에 의해 정해지므로 체인이 없는 전기자전거에도 같은 페달 감을 전달하기 위해 기어비(GR)를 적용한다.
휠 속도 제어부(110)는 휠 속도 지령(Nw*)이 실제 측정한 휠 속도(Nw)보다 크다면 휠 속도(Nw)를 증가시키기 위해 휠 토크 지령(Tw*)을 증가시키고, 휠 속도 지령(Nw*)이 휠 속도(Nw)보다 작으면 휠 속도(Nw)를 감소시키기 위해 휠 토크 지령(Tw*)을 감소시킨다.
휠 토크 제어부(120)는 휠 토크 지령(Tw*)을 받아 모터(20)를 구동하기 위한 전류를 생성하여 휠 액츄에이터(WA: Wheel Actuator)에 전달하여 휠 속도를 제어한다.
페달 토크 제어부(130)는 페달 토크 지령(Tp*)을 전달 받아 페달(32)의 부하를 조절하기 위한 전류를 생성하여 페달 액츄에이터(PA: Pedal Actuator)에 전달하여 발전기(30)의 부하를 조절한다. 페달 토크 지령(Tp*)은 휠 속도 지령(Tw*)에 어시스트 레벨(AL)이 적용되어 정해지는데, 어시스트 레벨(AL)이 클수록 페달이 가벼워 지므로 Tp*=Tw*/AL 의 식이 적용된다.
도 3은 본 발병에 따른 각 제어부의 보다 자세한 구조도이다.
휠 속도 제어부(110)는 휠 토크 지령(Tw*)을 생성하기 위해 비례-적분-미분(PID: Proportional-Integral-Differential) 제어기를 사용할 수 있다.
휠 속도 제어부(110)는 발전기(30)에서 측정한 페달 속도(Np)에 기어비(GR)를 적용한 값인 휠 속도 지령(Nw*)과 모터(20)에서 측정한 휠 속도(Nw)를 입력받는다.
휠 속도 지령(Nw*)과 휠 속도(Nw)와의 차이(Nw*-Nw)에 비례-적분(PI) 제어를 적용하여 토크(T*)를 다음 식과 같이 생성한다.
Figure PCTKR2020009983-appb-I000001
Kp는 비례 이득(gain)값이고 Ki는 적분 이득값이다.
계산한 토크(T*)에 휠 가속도에 의한 전향보상 토크(Ta)를 반영하여 휠 토크 지령(Tw*)을 생성한다.
전향보상 토크(Ta)는 다음 식에 의해 생성된다.
Figure PCTKR2020009983-appb-I000002
휠 속도 지령(Nw*)과 휠 속도(Nw)와의 차이(Nw*-Nw)를 미분한 값에 휠 관성(J)과 이득(gain)값을 곱하여 얻는다.
휠 토크 지령(Tw*)은 토크(T*)와 전향보상 토크(Ta)를 더하여 Tw*=T*+Ta로 생성된다.
휠 토크 제어부(120)와 페달 토크 제어부(130)는 휠 토크 지령(Tw*)과 페달 토크 지령(Tp*)에 의해 모터(20)를 구동하고 발전기(30)의 부하를 설정하기 위한 전류를 생성한다.
휠 토크 제어부(120)는 휠 토크 지령(Tw*)을 토크 계산기(122, TC: Torque Calculator)를 통해 모터 전류 지령(Im*)으로 변환한다. 전류 제어부(124)는 모터 전류 지령(Im*)과 실제 측정한 모터 전류(Im)의 차이에 의해 휠 액츄에이터(126, WA)를 구동하는 전류를 제어한다. 휠 액츄에이터(126)에 의해 모터(20)가 구동되고 휠(22)이 회전하여 전기자전거의 이동이 이루어진다.
페달 토크 제어부(130)는 휠 토크 지령(Tw*)에 어시스트 레벨(AL)이 적용된 값인 페달 토크 지령(Tp*)을 토크 계산기(132)를 통해 발전기 전류 지령(Ig*)으로 변환한다. 전류 제어부(134)는 발전기 전류 지령(Ig*)과 실제 측정한 발전기 전류(Ig)의 차이에 의해 발전기(30)에 가해지는 부하를 조절하기 위한 페달 액츄에이터(136, PA)를 제어한다. 페달 액츄에이터(136)는 페달(32)에 부하를 생성함으로써 사용자가 페달을 밟는 페달 감을 생성한다.
이와 같이 휠 토크 제어부(120)와 페달 토크 제어부(130)를 분리함으로써 페달 토크 제어부(130)나 페달 액츄에이터(136)가 고장이 나더라도 전기자전거는 정상적인 운행이 가능하다. 페달 액츄에이터(136)가 동작을 하지 않으면 페달(32)에 걸리는 부하가 생성이 되지 않으므로 사용자는 페달 감을 느낄수는 없지만 페달(32)의 회전에 의해 발전기(30)가 회전하고, 발전기의 회전속도인 페달 속도(Np)가 휠 속도 제어부(110)에 전달되면서 휠 속도 제어를 위한 휠 토크 지령(Tw*)은 생성되기 때문에 휠 토크 제어부(120)가 모터(20) 구동을 위한 전류를 생성할 수 있기 때문이다.
휠 속도 지령(Nw*)과 휠 속도(Nw)는 휠(22)의 파워와 페달(32)의 파워를 계산하는 데 사용된다.
휠 각속도(Ww)는
Figure PCTKR2020009983-appb-I000003
로 계산되고, 페달 각속도(Wp)는
Figure PCTKR2020009983-appb-I000004
로 계산된다.
따라서, 회전 파워는 토크와 각속도의 곱이므로, 휠 파워(Pw)는
Figure PCTKR2020009983-appb-I000005
이고, 페달 파워(Pp)는
Figure PCTKR2020009983-appb-I000006
이다.
계산한 휠파워 Pw가 0보다 크다면 휠이 구동되는 것이고, 페달 파워 Pp가 0보다 작다면 반력에 의해 페달감이 발생하는 것이다.
도 4는 본 발명에 따른 전기자전거 속도제어장치에 의한 페달 파워와 기어비와의 관계를 나타낸다.
X축은 기어비(Gear Ratio)를 나타내고 Y축은 어시스트 레벨(Assist Level)을 나타낸다.
X축의 우측으로 갈수록 기어비가 높아지면서 페달링 속도가 늦어지고 따라서 발전량이 적어지면서 배터리 소모가 늘어난다. 반대로 좌측으로 갈수록 기어비는 낮아지고 페달링이 수월해지므로 발전량이 늘어나는 관계가 성립한다.
Y축의 아래방향으로 갈수록 어시스트 레벨이 높아지면 페달링은 쉬워지지만 어시스트를 위한 배터리 소모가 증가된다. 반대로 위쪽방향으로 갈수록 어시스트 레벨이 낮아지면서 페달링이 더 힘들어지고 대신 발전량은 늘어나게 된다.
일반적인 체인 자전거의 기어비와 페달 토크의 관계(4)에서는 기어비가 커질수록 페달에 가해지는 힘이 커져야 하고 따라서 페달의 회전수(Cadence)는 낮아지게 된다. 대신 휠에는 더 큰 파워가 전달된다.
반대로 기어비가 작아지면 페달에 가해지는 힘은 작아지고 페달의 회전수는 높아진다. 페달에 걸리는 부하가 작으므로 페달을 빨리 회전시킬 수 있는 것이다. 다만 휠에는 작은 파워가 전달된다.
페달과 휠이 체인에 의해 연결되어 있으므로, 페달에 가하는 힘은 적으면서도 휠의 속도는 빠르게 한다거나, 페달에 많은 힘을 가해도 휠의 속도는 느리게 하는 것은 불가능하다. 즉 정해진 영역(4)을 벗어나는 기어비와 페달 토크의 관계를 벗어날 수 없는 것이다.
반면 체인이 없는 전기자전거의 속도 제어를 위한 본 발명에 따르면 체인이 있는 자전거에 비해 보다 넓은 영역(5)의 설정이 가능하다.
어시스트 레벨은 페달 파워를 보조하는 파워의 크기를 의미한다. 어시스트 레벨이 크다면 사용자가 페달을 밟는 힘에 비해 큰 파워가 휠에 전달되고, 반대로 어시스트 레벨이 작다면 사용자가 페달을 밟는 힘만큼만 파워가 휠에 전달되는 것이다.
기어비가 낮고 어시스트 레벨이 낮으면 휠에 전달되는 파워가 적어도 되므로 페달의 빠른 회전이 가능하고, 이 회전력은 발전기를 충전하는 데 사용될 수 있다. 즉 파워 모드(Power Mode) 설정이 가능하다. 기어비가 낮은데 어시스트 레벨이 높으면 휠에 전달되는 파워가 높아져 빠른 속도를 낼 수 있다. 도 4에서 Power Mode로 표시된 영역이 이에 해당된다.
기어비가 높아지면 페달에 가하는 힘이 더 커져야 한다. 하지만 어시스트 레벨이 높으면 기어비가 높으면서도 페달에는 적은 힘을 가할 수 있다(Low Power Mode). 그러면서도 휠에 전달되는 힘은 페달에 많은 힘을 가할 때와 동일하게 설정할 수 있다. 도 4에서 Low Power Mode로 설정된 영역이 이에 해당한다.
이처럼 본 발명은 기어비와 어시스트 레벨의 조합에 의해 일반 체인 자전거와 유사한 페달 감을 형성할 수 있는 영역(4)뿐만 아니라 일반 체인 자전거에서는 구현할 수 없는 다른 파워 모드도 구현할 수 있는 장점이 있다.
도 5는 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 전기자전거 속도 제어장치의 구조도이다.
전기자전거 속도 제어장치(200)는 휠 속도 제어부(210), 휠 토크 제어부(220), 페달 토크 제어부(230)와 함께 페달 감 제어부(240)를 더 포함할 수 있다.
페달 감 제어부(240)는 경사도(g)를 추가로 고려하여 페달 토크 지령(Tp*)을 생성한다.
예를 들어 정지 상태에서 출발한다거나 경사진 곳에서의 주행 같은 경우는 추가로 페달 감을 조절하기 위한 제어가 필요하다.
경사도(g)가 0인 평지에서는 앞에서 살펴본 바와 같이 휠 속도 지령(Nw*)과 휠 속도(Nw)의 차이에 의해 휠 토크 지령(Tw*)과 페달 토크 지령(Tp*)을 생성한다.
경사도(g)가 0이상인 경우, 즉 언덕을 등판하는 상황인 경우에는 페달 토크 지령(Tp*)에 추가적인 제어가 필요하다. 언덕에서는 휠 속도(Nw)가 0보다 작거나 같은 상황이 발생할 수 있다. 이런 경우 페달 토크 지령(Tp*)이 생성되지 않으므로 사용자는 페달이 헛도는 것처럼 느낄 수 있다. 따라서 경사도(g)가 0보다 크고 휠 속도(Nw)가 0보다 작거나 같은 경우에는 일정 크기의 페달 토크 지령(Tp*)을 생성한다. 이렇게 생성된 페달 토크에 의해 사용자는 균형을 잡을 수 있을 것이다.
일단 전기자전거가 출발하여 휠 속도(Nw)가 0보다 커진 경우에는 평지의 경우와 마찬가지로 휠 속도 지령(Nw*)과 휠 속도(Nw)의 차이에 의해 페달 토크 지령(Tp*)을 생성하게 된다.
도 6은 이렇게 경사도를 고려한 경우의 휠속도와 페달 토크와의 관계를 나타낸다.
도 6의 (a)는 언덕에서의 휠 속도에 따른 페달 토크의 크기를 나타낸다.
경사도(g)가 0보다 큰 경우, 정지 상태에서 휠 속도(Nw)가 일정 속도에 도달할 때 까지는 페달 토크(Tp)를 일정 크기로 유지하여 사용자가 중심을 잡도록 해준다. 휠 속도(Nw)가 일정 속도를 넘기면 페달 토크(Tp)를 감소시켜 페달 감을 유지시킨다.
도 6의 (b)는 경사도와 페달에 전해지는 힘 사이의 관계를 나타낸다.
일반적인 체인 자전거는 경사도(g)가 커질수록 페달에 가해지는 힘이 커져야 한다. 언덕의 경사가 가파를수록 힘들어지는 것이다.
하지만 본 발명에 따른 전기자전거의 경우, 어시스트 레벨을 조절함으로써 항상 같은 힘으로 페달을 구동할 수 있다. 평지(g=0)에서나 언덕(g>0)에서나 동일한 힘으로 페달을 구동할 수 있는 것이다. 따라서 노약자와 같이 다리 힘이 약한 사용자도 편리하게 자전거를 이용할 수 있다.
도 7은 본 발명의 바람직한 또 다른 실시예에 따른 전기자전거 속도 제어 방법의 개략적인 흐름도이다.
전기자전거 속도 제어 방법은 하나 이상의 프로세서와 메모리를 포함하는 제어부에 의해 수행될 수 있다.
제어부는 휠 속도 센서 및 페달 속도 센서로부터 휠 속도와 페달 속도를 입력받는다(S10).
입력 받은 페달 속도에 기어비를 곱함으로써 휠 속도 지령을 계산하고, 휠 속도 지령과 실제 측정한 휠 속도의 차이에 의해 휠 토크 지령 값을 계산한다(S20). 페달 속도에 따라 휠 속도가 조절되도록 하기 위함이다. 즉, 휠 속도가 페달의 속도를 추종하도록 휠 토크 지령 값이 계산된다.
휠 토크 지령 값에 의해 모터 구동 전류와 페달 토크 전류를 생성하기 위해 모터 구동 전류 및 발전기 구동 전류를 측정한 값을 센서로부터 입력받는다(S30).
휠 토크 지령 값에 의해 모터를 구동하기 위한 모터 구동 전류 지령 값을 계산하고 여기에 실제 측정한 모터 구동 전류와의 차이에 의해 모터 토크 전류를 제어한다(S40). 실제 측정한 모터 구동 전류가 모터 구동 전류 지령 값을 추종하도록 제어하는 것이다.
휠 토크 지령 값에 어시스트 레벨(AL)을 적용한 값을 발전기 토크 제어 전류 지령 값으로 계산하고 실제 측정한 발전기 구동 전류 값이 발전기 토크 제어 전류 지령 값을 추종하도록 발전기 토크 제어 전류를 제어한다(S50).
이러한 전기자전거 속도 제어 장치 및 방법에 따르면 페달 속도에 따라 휠 속도가 페달 속도를 추종하도록 제어하고 페달의 감을 제어함으로써 체인이 있는 자전거와 같은 페달 감을 느낄 수 있고 동시에 페달에 가하는 힘을 사용자마다 다르게 제어함으로써 남녀노소 편하게 전기자전거를 이용할 수 있는 장점이 있다.
본 발명의 보호범위가 이상에서 명시적으로 설명한 실시예의 기재와 표현에 제한되는 것은 아니다. 또한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 자명한 변경이나 치환으로 말미암아 본 발명이 보호범위가 제한될 수도 없음을 다시 한 번 첨언한다.

Claims (10)

  1. 휠의 회전 속도 및 페달에 의해 구동되는 발전기의 회전속도를 측정하기 위한 속도 센서부;
    상기 휠을 구동하는 모터 및 상기 발전기의 구동 전류를 측정하기 위한 전류 센서부;
    상기 속도 센서부에 의해 측정한 페달의 회전 속도에 기어비를 곱한 휠 속도 지령 값과 상기 속도 센서부에 의해 측정한 휠 속도 값에 의해 휠 토크 지령 값을 생성하는 휠 속도 제어부;
    상기 휠 토크 지령 값과 상기 전류 센서부에 의해 측정한 상기 모터의 구동 전류 값에 의해 상기 모터를 구동하기 위한 모터 구동 제어 전류를 생성하는 휠 토크 제어부; 및
    상기 휠 토크 지령 값에 어시스트 레벨을 적용한 값과 상기 전류 센서부에 의해 측정한 상기 발전기 구동 전류 측정값에 의해 상기 발전기의 토크를 제어하기 위한 발전기 토크 제어 전류를 생성하는 페달 토크 제어부;를 포함하는 전기자전거 속도 제어장치.
  2. 제1항에 있어서 상기 휠 속도 제어부는,
    상기 휠 속도 값이 상기 휠 속도 지령 값을 추종하도록 상기 휠 토크 지령 값을 제어하는 것을 특징으로 하는, 전기자전거 속도 제어장치.
  3. 제1항에 있어서 상기 휠 속도 제어부는,
    비례-적분-미분(PID: Proportional-Integral-Differential) 제어 방법에 의해 상기 휠 토크 지령 값을 생성하는 것을 특징으로 하는, 전기자전거 속도 제어장치.
  4. 제3항에 있어서 상기 휠 속도 제어부는,
    상기 휠 속도 지령 값에서 휠 속도를 뺀 값에 비례 계수를 곱한 값과, 상기 휠 속도 지령 값에서 휠 속도를 뺀 값을 적분한 값과, 상기 휠 속도 지령 값에서 휠 속도를 뺀 값을 미분한 후 휠 관성 값을 곱한 값을 더하여 휠 토크 지령 값을 생성하는 것을 특징으로 하는, 전기자전거 속도 제어장치.
  5. 제1항에 있어서 상기 휠 토크 제어부는,
    휠 토크 계산부; 및 휠 전류 제어부;를 포함하고,
    상기 휠 토크 계산부는 상기 휠 토크 지령으로 상기 모터 구동을 위한 모터 전류 지령을 계산하고, 상기 휠 전류 제어부는 상기 모터 전류 지령과 상기 측정한 모터 구동 전류 값에 의해 모터를 구동하기 위한 전류를 제어하는 것을 특징으로 하는, 전기자전거 속도 제어장치.
  6. 제5항에 있어서 상기 휠 토크 제어부는,
    상기 모터 구동 전류 값이 상기 모터 전류 지령을 추종하도록 모터 구동 전류를 제어하는 것을 특징으로 하는, 전기자전거 속도 제어장치.
  7. 제1항에 있어서 상기 페달 토크 제어부는,
    페달 토크 계산부; 및 페달 전류 제어부;를 포함하고,
    상기 페달 토크 계산부는, 상기 휠 토크 지령 값에 어시스트 레벨을 적용한 값에 의해 발전기 전류 지령을 계산하고,
    상기 페달 전류 제어부는, 상기 발전기 전류 지령과 상기 측정한 발전기의 전류 값에 의해 상기 발전기 토크 제어 전류를 생성하는 것을 특징으로 하는, 전기자전거 속도 제어장치.
  8. 제7항에 있어서 상기 페달 토크 제어부는,
    상기 발전기 전류 값이 상기 발전기 전류 지령을 추종하도록 상기 발전기 토크 제어 전류를 제어하는 것을 특징으로 하는, 전기자전거 속도 제어장치.
  9. 하나이상의 프로세서를 포함하는 제어부에 의해 수행되는 전기자전거의 속도 제어방법에 있어서,
    페달의 회전속도와 휠 속도를 입력받는 단계;
    상기 페달의 회전속도에 기어비를 곱한 휠 속도 지령 값과 상기 측정한 휠 속도 값에 의해 휠 토크 지령 값을 생성하는 단계;
    휠을 구동하는 모터의 구동 전류와 페달에 의해 구동되는 발전기의 구동 전류를 측정하는 단계;
    상기 휠 토크 지령 값과 상기 측정한 모터의 구동 전류 값에 의해 상기 모터를 구동하기 위한 모터 구동 제어 전류를 생성하는 단계;
    상기 휠 토크 지령 값에 어시스트 레벨을 적용한 값과 상기 측정한 발전기의 구동 전류 값에 의해 상기 발전기의 토크를 제어하기 위한 발전기 토크 제어 전류를 생성하는 단계;를 포함하는 전기자전거 속도 제어방법.
  10. 제9항에 있어서 상기 휠 토크 지령 값을 생성하는 단계는,
    상기 측정한 휠 속도 지령 값이 상기 휠 속도 지령 값을 추종하도록 상기 휠 토크 지령 값을 제어하는 것을 특징으로 하는, 전기자전거 속도 제어방법.
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