JP4518299B2 - 電動補助自転車の制御装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電動補助自転車の制御装置に関し、特に、電動補助装置を備えない自転車（以下、「通常の自転車」と呼ぶ）と同様の走行感覚で運転できるようにするのに好適な電動補助自転車の制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
人力でペダルに加えられた力つまり踏力を後輪に伝達するための人力駆動系と、踏力に応じて人力駆動系に補助動力を付加させることができるモータ駆動系とを備えた電動補助自転車が知られている。この電動補助自転車は踏力とペダル回転数とに応じたモータ出力で人力を補助するよう構成されていて、踏力が大きくなるとモータ出力が大きくなって人力は軽減される。すなわち、モータ出力は踏力比例出力である。
【０００３】
また、電動補助自転車と通常の自転車との重量差分を補助できるようにモータ出力を発生させることが考えられる。例えば、特開平８−１２７３８６号公報には、通常の自転車との重量差分をモータで補助するようにして、手押し走行時の人の負担を軽減するようにした電動補助自転車が提案されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、従来の電動補助自転車は、モータ出力が踏力比例出力であるため、ペダル回転に追従して周期的に大小変化する踏力に対して、この周期的な変化を増幅する方向に補助動力が与えられる。したがって、補助動力によって人の負担は軽減できるが、車速は周期的に変動する傾向がある。
【０００５】
一方、上記公報に記載されたように踏力を考慮せずに自転車の重量差分を補助動力でまかなうようにすれば、車速の周期的な変動は発生しない。しかし、従来は、乗車走行時にも踏力を考慮しないで補助動力を与えるようなことは考えられておらず、単に、手押し走行時の部分的な利用に限定されていた。したがって、傾斜路面の走行までも考慮にいれると、傾斜センサ等、他の補助制御手段が必要であった。
【０００６】
また、補助動力を発生させるモータは車両の駆動時のみに使用され、非駆動時に、発電を伴う回生作用については考慮されていなかった。モータの回生は、バッテリの充電に利用できるとともに、車両に対する有効な制動手段としても利用できることから電動補助自転車へ採用することが望まれる。
【０００７】
本発明の目的は、上記課題に鑑み、踏力の周期的な変動を増幅させることなく、傾斜路面や平坦路のいずれにおいても通常の自転車と変わらない走行感覚で運転できる電動補助自転車を実現できるとともに、モータの回生作用を利用できる制御装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明は、人力による駆動力を後輪に伝達するための人力駆動系と、バッテリで付勢されるモータによる駆動力を後輪に伝達するモータ駆動系とを備えた電動補助自転車の制御装置において、車両の実走行抵抗に応じた駆動力を前記モータ駆動系で発生させる補助動力発生手段と、車両の運転状態を判別する運転状態判別手段と、前記実走行抵抗が負の場合に、車両の運転状態に応じて前記モータ駆動系に回生指示を供給する回生制御手段とを具備した点に第１の特徴がある。
【０００９】
第１の特徴によれば、平坦地や上り坂では実走行抵抗に応じた補助動力を発生させる一方、実走行抵抗が低下する下り坂では回生により適度な制動が得られるので、平坦地と同様の走行感覚で運転することができる。また、回生による発電電流をバッテリに充電することができる。
【００１０】
また、本発明は、前記回生制御手段が、車速に応じて回生出力を変化させられるように前記回生指示を供給する点に第２の特徴があり、予定の高車速域では車速に応じて回生出力の変化量が漸増されるように前記回生指示を供給する点に第３の特徴がある。
【００１１】
第２の特徴によれば、例えば下り坂の下り程度によって車速が増大したときに、回生出力が増大するように設定すれば、下り坂の程度に応じた制動が働き、下り坂の程度にかかわらず、平坦地と同様の走行感覚で運転することができる。また、第３の特徴によれば、車速が増大するほど、制動がより一層大きく働くので、下り坂で車速制限がされる。
【００１２】
また、本発明は、前記回生制御手段が、ブレーキ操作の検出に応答して回生出力が増大されるように前記回生指示を供給する点に第４の特徴がある。第４の特徴によれば、ブレーキ操作による制動に加えて、回生制動が加わり、効果的に車両を制動させることができる。
【００１３】
さらに、本発明は、前記回生制御手段が、車両押し歩き時に相当する予定の低車速域では前記回生指示を禁止する点に第５の特徴がある。車両押し歩き時も、走行時より実走行抵抗が低下して下り坂と判断されることがあるが、第５の特徴によれば、このように下り坂と判断されることがあっても低速であった場合には回生出力は制限されるので制動がかかるのを防止できる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。図２は、本発明の一実施形態に係る制御装置を有する電動補助自転車の側面図である。電動補助自転車の車体フレーム１は、車体前方に位置するヘッドパイプ２と、ヘッドパイプ２から後下がりに延びるダウンパイプ３と、ダウンパイプ３に連結されて後方に延びるリヤフォーク４と、ダウンパイプ３の最下端から上方に立ち上がるシートポスト５とを備える。
【００１５】
ヘッドパイプ２にはフロントフォーク６が回動自在に支持される。フロントフォーク６の下端には前輪７が軸支され、フロントフォーク６の上端には操向ハンドル８が取り付けられる。操向ハンドル８には、ブレーキレバー９が設けられ、ブレーキレバー９から引き出されるケーブル１０は、フロントフォーク６に固定された前輪ブレーキ１１に連結される。同様に後輪ブレーキ用のブレーキレバーも操向ハンドル８に設けられるが、図示は省略している。また、ブレーキレバー９には、このブレーキレバー９が操作されたことを感知するブレーキセンサ（図示せず）が設けられる。
【００１６】
シートポスト５の上端に連結される左右一対のステー１２は後下がりに延び、下端近傍でリヤフォーク４と結合される。リヤフォーク４とステー１２とが結合されてなる部材には後輪１３が支持され、さらに前記部材に支持されて後輪１３のハブと同軸上に補助動力源としてのモータ１４が設けられる。モータ１４としては、高トルクかつ低フリクションである三相ブラシレスモータが好ましい。このモータ１４の具体的な構造や制御に関しては後述する。
【００１７】
シートポスト５には、上端にシート１５を備えた支持軸１６が、シート１５の高さを調整可能なように装着される。シート１５の下方でシートポスト５と後輪１３との間にはモータ１４に電力を供給するバッテリ１７が設けられる。バッテリ１７は、シートポスト５に固着されるブラケット１８に保持される。ブラケット１８には給電部１９が設けられ、この給電部１９は、図示しない電線でモータ１４に結合されるとともに、バッテリ１７の電極に接続される。バッテリ１７の上部は、バンド２０とバックル金具２１とからなる締結具でシートポスト５に支持される。
【００１８】
前記ダウンパイプ３とシートポスト５との交差部には、車体の左右に延びるクランク軸２２が支持され、クランク軸２２には、クランク２３を介してペダル２４が結合される。クランク軸２２には図示しない踏力センサを介して駆動スプロケット２５が連結され、ペダル２４に加えられた踏力は踏力センサを介して駆動スプロケット２５に伝達される。 駆動スプロケット２５と後輪１３のハブに設けられた従動スプロケット２６間にはチェーン２７が掛け渡される。チェーン２７の張り側および駆動スプロケット２５にはチェーンカバー２８が被せられる。クランク軸２２には、クランク軸２２の回転センサが設けられる（図示せず）。回転センサとしては、自動車用エンジンのクランク軸回転検出に用いられるセンサ等、公知のものを使用できる。
【００１９】
続いて、クランク軸２２に装着された踏力検出装置を説明する。図１９はクランク軸２２周辺の断面図であり、図２０は図１９のＡ−Ａ矢視図である。ダウンパイプ３に固着された支持パイプ１００の両端に螺挿されたキャップ１０１Ｌ，１０１Ｒとクランク軸２２に形成された段差との間にはボールベアリング１０２Ｌ，１０２Ｒがそれぞれ嵌挿され、クランク軸２２を回転自在に支承する。
【００２０】
クランク軸２２の左右端には、ボルト１０３Ｂに適合するナット１０３Ｃでクランク２３がそれぞれ固定される（右側のみ図示）。クランク２３と支持パイプ１００との間にはワンウェイクラッチ１０４の内輪１０５が固定される。内輪１０５の外周には駆動スプロケット２５がブッシュ１０５Ａを介して回動自在に支承されている。駆動スプロケット２５のスラスト方向の位置はナット１０６Ａとプレート１０６Ｂとによって規制されている。
【００２１】
駆動スプロケット２５には蓋体１０７が一体的に設けられていて、これら駆動スプロケット２５と蓋体１０７で囲繞された空間には、伝達プレート１０８が配設されている。伝達プレート１０８は駆動スプロケット２５に対して同軸で、かつクランク軸２２を軸とした回転方向では互いに予定量のずれが許容されるよう支持されている。
【００２２】
駆動スプロケット２５および伝達プレー１０８にまたがって、複数（ここでは６個）の窓１０９が穿設されており、この窓１０９の内側には圧縮コイルばね１１０がそれぞれ収容されている。圧縮コイルばね１１０は駆動スプロケット２５および伝達プレート１０８間で、互いに回転方向のずれが生じたときに、ずれに対する抗力を生ずるように作用する。
【００２３】
伝達プレート１０８のハブの内周にはワンウェイクラッチ１０４の外輪としてのラチェット歯１１１が形成されていて、このラチェット歯１１１は前記内輪１０５に支持されて放射方向にばね１１２で付勢されているラチェット爪１１３と係合する。ワンウェイクラッチ１０４には防塵のためのカバー１１４が設けられる。
【００２４】
伝達プレート１０８には、踏力伝達リング１２４に固着された踏力伝達用の突起部１１５が係合する係止孔１１６が設けられる。駆動用スプロケット２５には、突起部１１５を係止孔１１６に係合可能にするための窓１１７が設けられていて、突起部１１５はこの窓１１７を貫通して、係止孔１１６に嵌合される。
【００２５】
駆動スプロケット２５および伝達プレート１０８にまたがって、前記窓１０９とは別の小窓が複数（ここでは３個）穿設されており、この小窓の内側には圧縮コイルばね１１８がそれぞれ収容される。圧縮コイルばね１１８は伝達プレート１０８をその回転方向１１９側に付勢するように配置されている。すなわち、駆動スプロケット２５と伝達プレート１０８との結合部のガタを吸収する方向に作用しており、伝達プレート１０８の変位が駆動スプロケット２５へ良好な応答性で伝達されるように機能する。
【００２６】
駆動スプロケット２５の、車体寄りつまりダウンパイプ３側には、踏力検知装置のセンサ部分（踏力センサ）４７が装着されている。踏力センサ４７は駆動スプロケット２５に固定された外側リング１２０と、この外側リング１２０に対して回転自在に設けられ、磁気回路を形成するためのセンサ本体１２１とを有する。
【００２７】
外側リング１２０は電気絶縁性を有する材料で形成されており、図示しないボルトで駆動スプロケット２５に固定される。外側リング１２０の、駆動スプロケット２５側にはカバー１２２が設けられ、止めねじ１２３で外側リング１２０に固定されている。
【００２８】
図２１は、センサ本体１２１の拡大断面図である。前記クランク軸２２と同心にコイル１２５が設けられ、このコイル１２５の軸方向両側に配置されて、コイル１２５の外周方向に張り出した一対のコア１２６Ａ，１２６Ｂが設けられる。また、前記コア１２６Ａ，１２６Ｂ間には、環状の第１誘導体１２７と第２誘導体１２８が設けられる。第１誘導体１２７と第２誘導体１２８とは、踏力伝達リング１２４から伝達される踏力に応じて互いに円周方向で変位可能であり、この変位によって、コア１２６Ａ，１２６Ｂ間における部分での互いの重なり量が変化するように構成される。その結果、コイル１２５に通電したとき、コア１２６Ａ，１２６Ｂおよびコアカラー１２９、ならびに第１誘導体１２７および第２誘導体１２８を含む磁気回路の磁束は踏力に応じて変化する。そこで、この磁束の関数であるコイル１２５のインダクタンス変化を検出して踏力検出することができる。なお、図１９において、符号１３０，１３１はセンサ本体１２１の支持部材、符号１３２はベアリング、符号１３３はコイル１２５から引き出されるリード線である。
【００２９】
上記踏力検出装置は、本出願人の先願（特願平１１−２５１８７０号（整理番号Ａ９９−１０２６））の明細書に詳細に記載されている。なお、踏力検出装置は、上述のものに限らず、公知のものを適宜選択して使用することができる。
【００３０】
図３は、モータ１４の断面図である。リヤフォーク４の後端およびステー１２の下端の接合部から後方に張り出したプレート２９には、変速機を組み込んだシリンダ３０が軸３１で支持される。シリンダ３０の外周にはホイールハブ３２が嵌合される。ホイールハブ３２は内筒および外筒を有する環状体であり、内筒の内周面がシリンダ３０の外周に当接する。ホイールハブ３２の側面には、シリンダ３０から張り出した連結板３３がボルト３４によって固定される。ホイールハブ３２の外筒の内周にはモータ１４のロータ側磁極を構成するネオジウム磁石３５が所定間隔をおいて配置される。すなわち外筒は磁石３５を保持したロータコアを構成する。
【００３１】
ホイールハブ３２の内筒の外周には軸受３６が嵌合し、この軸受３６の外周にはステータ支持板３７が嵌合する。ステータ支持板３７の外周にはステータ３８が配置され、ボルト４０によって取り付けられる。ステータ３８はロータコアつまりホイールハブ３２の外筒と所定の細隙を有するように配置され、このステータ３８には、三相コイル３９が巻装される。
【００３２】
ステータ支持板３７の側面には、ホール素子で構成される磁極センサ４１が設けられる。磁極センサ４１は前記ホイールハブ３２から突出して設けられる磁石４２が通過するときの磁束変化を感知して、ロータとしてのホイールハブ３２の位置信号を出力する。磁極センサ４１はモータ１４の各相に対応して３カ所に設けられる。
【００３３】
また、ステータ支持板３７の側面には、磁極センサ４１からの位置信号によって前記三相コイル３９への通電制御を行うための制御基板４３が設けられ、この制御基板４３上にはＣＰＵやＦＥＴ等の制御素子が装着される。なお、制御基板４３は前記磁極センサ４１用の取り付け基板と一体化できる。
【００３４】
ホイールハブ３２の外周には図示しない後輪のリムと連結されるスポーク４４が固着される。さらに、ステータ支持板３７の、前記制御基板４３等が装着された側とは反対側には、ボルト４５によってブラケット４６が固定され、ブラケット４６は前記車体フレームのプレート２９に図示しないボルトで結合される。
【００３５】
このように、後輪１３の軸３１と同軸上に配置したステータとロータとからなる三相ブラシレスモータ１４が設けられ、チェーン１７と従動スプロケット２６とによって伝達される人力に付加される補助動力を発生する。
【００３６】
続いて、上記モータ１４に対する通電制御つまり出力制御について説明する。
図４は、想定走行路における補助動力の発生態様を示す図であり、横軸は時間軸である。ここでは、平坦路から始まり、上り坂および下り坂を経て、再び平坦路を走行する路面を想定する。この想定走行路において、平坦路から徐々に速度を上げ、上り坂にさしかかった後、定速走行する走行パターンを設定する。図中、曲線で示された駆動力は踏力比例で補助動力を発生させた従来の制御に係るものであり、小さい曲線は踏力Ｔaによる駆動力（人力）Ｐhを示し、この曲線と同位相の大きい曲線はモータによる補助動力Ｐmを示す。この図から理解されるように、人力Ｐhと補助動力Ｐmとが１対１の比となるように制御する従来方式では、上り坂において補助動力Ｐmは増大するものの、人力Ｐhも高いレベルにある。
【００３７】
これに対して、本実施形態では、平坦路、上り坂および下り坂のいずれの路面においても所定の駆動力つまり軽快車の平地走行抵抗相当の駆動力を人が分担するように制御する。具体的には、走行によって生じる走行抵抗Ｒaのうち、一般に軽快車と呼ばれる、通常の自転車のうちでも比較的重量の小さい車両を平坦路で運転するときの抵抗分のみを人力で負担し、残りをモータ１４の出力で補助するようにする。これによって、運転者はどのような路面であっても平坦路を軽快車で走行するときのような感覚で運転できる。図４において、走行時に実際に発生する抵抗Ｒaに対して、補助動力Ｐmを与えるようにモータトルクを発生させる。この際、（Ｒa−Ｐm）が所定値となるようにモータトルクは決定される。つまり、運転者は軽快車の平地走行抵抗に相当する所定の踏力Ｔaによって自転車を走行させることができる。
【００３８】
以下に、上記出力制御をさらに詳細に説明する。但し、上記の内容は、本実施形態における出力制御の基本的概念であり、以下に述べる具体的な制御では、種々の変形も含んでいる。
【００３９】
図１は、実走行抵抗に応じてモータ１４の出力を制御する制御装置の要部機能ブロック図であり、この機能における演算部および記憶部等はマイクロコンピュータによって実現できる。同図において、踏力検出部５１は踏力センサ４７の検出信号により踏力Ｔaを検出する。クランク回転数検出部５２はクランク回転センサ４８の検出信号によりクランク回転数ＮCRを検出する。人力算出部５３は、ペダル２４から入力される踏力に比例した駆動力Ｐhを、次式（式１）を使用して算出する。Ｐh＝Ｔa×ＮCR×ｋ1…（式１）。但し、ｋ1は係数である。
【００４０】
総駆動力算出部５４は人力によって得られる駆動力ＰhとモータトルクＴおよびモータ回転数Ｎmに基づくモータ出力とを加算して総駆動力Ｐwを算出する。ここで使用されるモータトルクＴは前回値つまり前回値メモリ６１に格納されている値Ｔ-1である。
【００４１】
モータ回転数検出部５６はモータ回転センサ４９の検出信号によりモータ回転数Ｎmを検出する。車速検出部５７は車速センサ５０の検出信号により車速Ｖを検出する。なお、モータ回転センサ４９および車速センサ５０として前記磁極センサ４１を使用できる。
【００４２】
車速メモリ５８には車速Ｖの前回検出値Ｖ-1が記憶される。車速変化量算出部５９は車速Ｖの前回値Ｖ-1と今回値Ｖとの差ΔＶを算出する。標準走行抵抗演算部６０は車速Ｖにより通常の自転車の平地走行抵抗Ｒrをマップ検索する。
【００４３】
走行抵抗算出部６２は総駆動力Ｐwおよび車速変化量ΔＶに基づいて車速Ｖ毎のマップを検索して実走行抵抗Ｒaを算出する。実走行抵抗Ｒaを求めるマップは後述する。なお、走行抵抗算出部６２では、総駆動力Ｐwに代えて総駆動力Ｐwの積算値を用いてもよい。すなわち、総駆動力積算部５５を設けて、その出力を使用できる。総駆動力積算部５５は、予定時間毎または予定期間毎の総駆動力Ｐwを積算して積算値Ｐ・ｈを求める。例えば、クランク軸２２の１回転中の総駆動力Ｐwの積算値Ｐ・ｈを求める。
【００４４】
補助動力算出部６３は実走行抵抗Ｒaから通常の自転車の平地走行抵抗Ｒrを減算してモータ１４による補助動力Ｐmを算出する。モータトルク算出部６４では、モータ回転数Ｎmと補助動力Ｐmとに基づいてモータ１４に指令するモータトルクＴを算出する。モータトルクＴは予めモータ回転数Ｎmと補助動力Ｐmとの関数として設定されるマップを検索することによって求める。算出されたモータトルクＴはモータ１４の制御部に出力されるとともに、前回値メモリ６１に格納される。
【００４５】
このように、上記制御装置によれば、ペダル２４を一漕ぎする間の投入エネルギに対応する車速変化によって実走行抵抗Ｒaが求められ、この実走行抵抗Ｒaのうち、通常の自転車の平地走行時の走行抵抗分Ｒrを除いた分がモータ１４の出力となって人力に付加される。
【００４６】
図５は、上記制御装置の要部機能（その２）を示すブロック図である。この制御装置では、路面傾斜判断手段を備え、路面傾斜に応じて補助動力Ｐmを増減調整できる。図５において、アシスト車平地走行抵抗算出部６５を備え、車速Ｖに基づいて、予め定めたマップを検索してアシスト車平地走行抵抗Ｒ1を算出する。路面傾斜判断部６６は、走行抵抗算出部６２で算出された実走行抵抗Ｒaとアシスト車平地走行抵抗Ｒ1とに基づき、実走行抵抗Ｒaが平地走行抵抗Ｒ1より予定以上に大きい場合は、上り坂走行であると判断し、実走行抵抗Ｒaが平地走行抵抗Ｒ1より予定より小さい場合は、下り坂走行であると判断する。上り坂開始時は、タイマ６７を起動し、このタイマ６７による計測が終了するまで補助力増大部６８を付勢する。一方、下り坂開始時は、タイマ６９を起動し、このタイマ６９による計測が終了するまで補助動力低減部７０を付勢する。
【００４７】
補助動力増大部６８は補助動力の算出に使用される係数を、補助動力Ｐmが増大するように補正し、補助動力低減部７０は、補助動力の算出に使用される係数を、補助動力Ｐmが低下するように補正する。補助動力算出部６３は、補助動力増大部６８および補助動力低減部７０から供給される補正された係数に従って、路面傾斜に応じて補正された補助動力Ｐmを出力する。
【００４８】
図６は、補助動力決定のタイミングを示す図である。同図には、車速Ｖ、踏力Ｔa、モータによる補助動力Ｐm、並びにこれらの検出・演算タイミングを示す。各センサの検出出力は踏力Ｔaの最小値が検出されたときから、次に踏力Ｔaが最小値になるまでの間に読み込まれる。そして、踏力Ｔaが最小値となったときに、その時点での各センサの検出値をもとに、次回の補助動力Ｐmの演算を開始する。また、踏力Ｔaが最小値となったときに、車速Ｖを検出し、前回の車速との差ΔＶを算出する。例えば、タイミングｔ１，ｔ２，ｔ３で、補助動力Ｐmの演算と、車速差（Ｖ−Ｖ-1）の演算とを行う。また、タイミングｔ１，ｔ２，ｔ３で演算開始された補助動力Ｐmを得るための通電デューティをタイミングｔ１’，ｔ２’，ｔ３’でそれぞれ指示する。
【００４９】
図７は、モータ１４の出力制御回路図であり、図８は通電タイミングと通電デューティを示す図である。図７において、全波整流器７１は３相のステータコイル３９に接続されたＦＥＴ（一般的には個体スイッチング素子）７１ａ，７１ｂ，７１ｃ，７１ｄ，７ｅ，７１ｆを有し、このＦＥＴ７１ａ〜７１ｆはドライバ７２によって通電制御される。通電デューティは前記モータトルク算出部６４から供給される指示に基づいてデューティ設定部７３で設定されドライバ７２に入力される。
【００５０】
補助動力Ｐmを付与する駆動タイミングにおいては、前記デューティ設定部７３からドライバ７２に通電デューティが供給され、ドライバ７２はこの通電デューティに従い、ＦＥＴ７１ａ〜７１ｆを付勢し、バッテリ１７から電流を供給する。一方、回生出力を発生させる場合は、前記駆動タイミングから電気角で１８０度ずれた回生タイミングにおいて、前記デューティ設定部７３からドライバ７２に通電デューティが供給され、ドライバ７２はこの通電デューティに従い、ＦＥＴ７１ａ〜７１ｆを付勢する。回生タイミングでＦＥＴ７１ａ〜７１ｆが付勢されると、ステータコイル３９に発生した電流はＦＥＴ７１ａ〜７１ｆで整流され、バッテリ１７に給電される。
【００５１】
なお、駆動タイミングか回生タイミングであるかは、モータトルク算出部６４から供給される要求モータトルクＴをもとにトルク判断部７４で判断される。モータトルクの要求値Ｔが正であるときは駆動タイミングに通電タイミングを設定し、モータトルクの要求値Ｔが負であるときは回生タイミングに通電タイミングを設定する。
【００５２】
図８において、ＦＥＴ７１ａ〜７１ｆは通電角を電気角１２０度に設定して付勢される。同図は、駆動タイミングでの通電タイミングを示し、回生タイミングでは、ハイ側のＦＥＴ７１ａ，７１ｃ，７１ｅをこの駆動タイミングから電気角で１８０度ずらせる。
【００５３】
図９、図１０は、実走行抵抗に応じた補助動力を発生する処理の要部フローチャートである。同図において、ステップＳ１では、モータ回転センサ４９の検出出力に基づいて車速Ｖを算出する。ステップＳ２では、車速Ｖに基づいて電動補助自転車（以下、「アシスト車」という）の平地走行抵抗Ｒ1、および通常の自転車（軽快車）の平地走行抵抗Ｒrを算出する。例えば、車重量１２ｋｇの軽快車を体重５５ｋｇの人が運転する場合を標準の平地走行抵抗Ｒrとし、車重量２６ｋｇのアシスト車を体重６５ｋｇの人が運転する場合をアシスト車の平地走行抵抗Ｒ1とする。
【００５４】
これら平地走行抵抗Ｒ1、Ｒrは、予め設定されているマップから検索することができる。図１１は、車速Ｖと平地走行抵抗Ｒ1、Ｒrとの関係についてその一例を示すマップである。同図には、アシスト車の平地走行抵抗Ｒ1および通常の自転車の平地走行抵抗Ｒrを、それぞれ車速Ｖの関数として示す。このマップに車速Ｖを適用してアシスト車の平地走行抵抗Ｒ1および通常の自転車の平地走行抵抗Ｒrを求めることができる。
【００５５】
図９に戻り、ステップＳ３では、前回検出した車速Ｖ-1と今回検出した車速Ｖとの差（Ｖ−Ｖ-1）を算出して車速変化量ΔＶ（値が負のときは減速）を求める。ステップＳ４では、踏力センサ４７およびクランク回転センサ４８の検出出力により、それぞれ踏力Ｔaおよびクランク回転数ＮCRを検出する。ステップＳ５では、次式（式２）により、踏力Ｔaおよびクランク回転数ＮCRの関数である踏力比例分の出力つまりモータトルクＴ0を算出する。モータトルクＴ0＝ｆ（Ｔa,ＮCR）…（式２）。
【００５６】
ステップＳ６では、モータ回転センサ４９の出力つまりモータ１４の回転数Ｎmを検出する。ステップＳ７では、前回のモータトルクＴ-1を前回値メモリ６１から読み出す。ステップＳ８では、次式（式３）により、総駆動力Ｐwつまり人力Ｐhと補助動力Ｐm-1との総計を算出する。駆動力Ｐw＝（Ｔa×ＮCR×ｋ1）＋（Ｔ-1×Ｎm×ｋ2）…（式３）。ここで、ｋ1，ｋ2は係数である。
【００５７】
ステップＳ９では、次式（式４）により、駆動力Ｐw、速度変化量ΔＶ、および車速Ｖの関数である実走行抵抗Ｒaを算出する。実走行抵抗Ｒa＝ｆ（Ｐw,ΔＶ,Ｖ）…（式５）。この実走行抵抗Ｒaの算出は、具体的には、駆動力Ｐw、速度変化量ΔＶおよび実走行抵抗Ｒaの関係マップを複数段階の車速Ｖ毎（例えば５ｋｍ/時毎）に準備しておき、このマップを検索して求めることができる。図１２は、駆動力Ｐw、速度変化量ΔＶおよび実走行抵抗Ｒaの関係を、速度変化量ΔＶをパラメータとして設定したマップの一例である。このようなマップを複数段階の車速Ｖ毎に用意する。上述のように、駆動力Ｐwに代えて１サイクルつまりクランク軸２２の１回転毎の総駆動力の積算値Ｐ・ｈを用いてもよい。
【００５８】
ステップＳ１０では、路面の傾斜判断つまり上り坂か下り坂かの判断を行う。この判断は実走行抵抗Ｒaとアシスト車の平地走行抵抗Ｒ1との比の値によって判断することができる。例えば、比の値（Ｒa/Ｒ1）が「５」以上では上り坂、「−１」では下り坂、これらの中間の値では平坦地と判断する。
【００５９】
上り坂と判断されれば、ステップＳ１１に進み、下り傾斜であることを示すフラグＦ1をクリアにする。ステップＳ１２では、上り坂を示すフラグＦ0がセットされているか否かを判別し、これが肯定ならばステップＳ２３（図１０）に進む。ステップＳ１２が否定ならばステップＳ１３で係数Ｋに「１．２」をセットする。係数Ｋを大きくすることにより、後述のように、補助動力Ｐmが小さくなり、上り坂にさしかかったことを運転者に実感させることができる。
【００６０】
ステップＳ１４では、カウンタ値ｎをインクリメントする。ステップＳ１５では、カウンタ値ｎが「５」になったか否かを判断する。カウンタ値ｎが「５」になったならばステップＳ１６で該カウンタ値ｎをクリアにし、フラグＦ0をクリアにして、ステップＳ２３（図１０）の傾斜補正値算出処理（図１５，図１６に関して後述）を行う。カウンタ値ｎが「５」になっていないときは、ステップＳ２４（図１０）に進む。
【００６１】
一方、下り坂と判断されれば、ステップＳ１７に進み、上り傾斜であることを示すフラグＦ0をクリアにする。ステップＳ１８では、下り坂を示すフラグＦ1がセットされているか否かを判別し、これが肯定ならばステップＳ２３（図１０）に進む。ステップＳ１８が否定ならば係数Ｋに「０．８」をセットする。係数Ｋを小さくすることにより、後述のように、補助動力Ｐmが大きくなり、下り坂になったことを運転者に実感させることができる。ステップＳ２０では、カウンタ値ｍをインクリメントする。ステップＳ２１では、カウンタ値ｍが「３」になったか否かを判断する。カウンタ値ｍが「３」になったならばステップＳ２２で該カウンタ値ｍをクリアにし、フラグＦ1をクリアにして、ステップＳ２３に進む。カウンタ値ｍが「３」になっていないときは、ステップＳ２４（図１０）に進む。ステップＳ１０で平坦地であると判断されたときは、係数Ｋやカウンタ値ｍ、ｎ等の処理を行わず、ステップＳ２４に移行する。
【００６２】
図１０において、ステップＳ２４では、ブレーキスイッチがオンか否かを判断する。ブレーキスイッチがオンになっていれば、ステップＳ２５で係数Ｋに定数「１．２」を乗算してステップＳ２６に進む。この係数Ｋの乗算により後述のように回生出力が大きくなる。ブレーキスイッチがオンでない場合は、ステップＳ２５をスキップしてステップＳ２６に進む。ステップＳ２６では、通常の自転車の平地走行抵抗Ｒrに係数Ｋを乗算する。ステップＳ２７では、次式（式６）により、補助動力Ｐmを算出する。補助動力Ｐm＝Ｒa−Ｒr…（式６）。
【００６３】
上記式６から理解できるように、補助動力Ｐmは通常の自転車の平地走行抵抗Ｒrが大きい場合に小さくなり、この平地走行抵抗Ｒrが小さい場合に大きくなる。ステップＳ２６で平地走行抵抗Ｒrに係数Ｋが乗算されているので、この係数Ｋによって補助動力Ｐmは変化する。したがって、上り坂であると判断されて係数Ｋに「１．２」が設定された場合（ステップＳ１３）、カウンタｎが予定値「５」になるまでの期間は補助動力Ｐmが小さくなって、運転者は負荷の増大を感じる。一方、下り坂であると判断されて係数Ｋに「０．８」が設定された場合（ステップＳ１９）、カウンタｍが予定値「３」になるまでの期間は補助動力Ｐmが大きくなって、運転者は負荷の減少を感じる。
【００６４】
また、前記ステップＳ２５で係数Ｋを大きくした場合には、次の理由で回生出力が増大する。すなわち、ブレーキをかけるような状況では総駆動力Ｐwは小さく、実走行抵抗Ｒaも負の値になっている。したがって、係数Ｋを大きくして走行抵抗Ｒrを大きくすることにより、ステップＳ２７の処理で実走行抵抗Ｒaの負の値は一層大きくなり、回生出力は増大する。こうして、ブレーキ操作時には、モータ１４による回生制動により効果的に制動できる。
【００６５】
ステップＳ２８では、次式（式７）により補助動力Ｐmとモータ回転数Ｎmとの関数であるモータトルクＴを算出する。モータトルクＴ＝ｆ（Ｐm,Ｎm）…（式７）。
【００６６】
なお、モータトルクＴを次のように変更してもよい。ステップＳ２９では、モータトルクＴに、踏力比例分のモータトルクＴ0を加算する。この変更により、走行領域全域で軽快な運転が可能である。
【００６７】
ステップＳ３０では、モータ１４の通電タイミングを制御する。算出されたモータトルクＴが正であればモータ１４を制御する前記全波整流器７１の制御素子（ＦＥＴ）を駆動時のタイミングで付勢する。一方、算出されたモータトルクＴが負であればモータ１４を制御する制御素子（ＦＥＴ）を回生のためのタイミングで付勢する。すなわち、駆動時に対して電気角で１８０度ずれたタイミングを設定する。ステップＳ３１では、通電のデューティをモータトルクＴの絶対値に基づいて決定する。
【００６８】
ステップＳ３２では、下り坂であると判断されていたときに車速Ｖが予定の低速（例えば５ｋｍ/時以下）であるか否かを判断する。この判断が否定の場合は、ステップＳ３３に進んで上記ステップＳ２６，Ｓ２７の設定をモータ１４に出力する。すなわち、下りと判断されても押し歩きのような低速状態であると判断されたような場合は、モータ１４の通電制御は行われず、したがって、回生制御出力は発生しない。
【００６９】
また、ステップＳ２９は次のように変形できる。図１３の変形例において、ステップＳ３４では、平坦地か否かを判断し、平坦地の場合は踏力比例分のモータトルクＴ0を加算する（ステップＳ３５）。また、ステップＳ３５に代えてステップＳ３６のようにモータトルクＴを踏力比例分のモータトルクＴ0で置き換えることができる。これにより、平坦地では、踏力比例による補助動力Ｐmを得て運転することができる。
【００７０】
さらに、ステップＳ２９は次のように変形できる。図１４の変形例において、ステップＳ３７では、車速Ｖが予定の低速（例えば５ｋｍ/時以下）であるか否かを判断し、低速であると判断された場合は、踏力比例分のモータトルクＴ0を加算する（ステップＳ３８）。また、ステップＳ３８に代えてステップＳ３９のようにモータトルクＴを踏力比例分のモータトルクＴ0で置き換える。これにより、例えば、漕ぎ始めには、踏力に比例したモータトルクＴにより補助動力が得られる。
【００７１】
ステップＳ２９ならびにその変形例の機能を図１７に機能ブロック図で示す。同図において、モータトルク算出部は６４Ａは、図１に関して説明した算出部６４と同様、モータ１４による補助動力Ｐmとモータ回転数Ｎmとの関数として、モータトルクＴを算出する。さらに、モータトルク算出部６４Ａは、人力算出部５３で検出された踏力比例の駆動力Ｐhとクランク回転数ＮCRとの関数として、モータトルクＴ0を算出する。運転状態判別部７５は、実走行抵抗Ｒa、アシスト車平地走行抵抗Ｒ1、および車速Ｖ等に基づいて車両の運転状態を判別し、その運転状態により、モータトルクＴおよびＴ0の加算値またはモータトルクＴ0をモータ１４に指令する。
【００７２】
続いて、前記ステップＳ２３の具体例を説明する。ステップＳ２３では、係数Ｋを走行路の傾斜に適合するように補正する。まず、上り坂補正の例を示す。図１５は、上り坂を走行する場合の車速Ｖに対応する係数Ｋの値を示す図である。同図(a)は１秒間の車速変化量が３ｋｍ/時未満の例、同図(b)は車速変化量が３ｋｍ/時以上の例である。なお、係数Ｋの初期値は「１．０」とする。図１５(a)において、漕ぎ始めのように車速Ｖが低い（例えば５ｋｍ/時以下）場合は、係数Ｋを小さくして補助動力Ｐmを大きくする。そして、車速Ｖが増大してきた後は、係数Ｋを初期値に戻す。
【００７３】
図１５(b)において、車速Ｖが低いとき（例えば、５ｋｍ/時、または１０ｋｍ/時）は、係数Ｋを小さくして補助動力Ｐmを大きくする。そして、車速Ｖが増大するに従って、徐々に係数Ｋを初期値に戻していく。すなわち、加速時は、補助動力Ｐmを急には小さくせず、車速Ｖがある程度（例えば、２０ｋｍ/時）大きくなるまでは大きい値に維持する。なお、上り坂の走行の補正例は、平坦地の走行にも適用できる。
【００７４】
次に下り坂補正の例を示す。図１６は、下り坂を走行する場合の車速Ｖに対応する係数Ｋの値を示す図である。係数Ｋの初期値は「１．０」である。図１６において、下り坂で漕ぎ始めたような、車速Ｖが低い（例えば１５ｋｍ/時以下）場合は、係数Ｋを小さくして回生出力を小さくする。そして、車速Ｖが増大してきた場合、例えば、１５ｋｍ/時から２０ｋｍ/時の間は、係数Ｋを車速Ｖの増大に比例させて大きくし、回生出力を徐々に大きくしていく。さらに車速Ｖが増大した場合は、車速Ｖがある程度（例えば、２５ｋｍ/時）大きくなるまで、係数Ｋを急激に（例えば、二次曲線的に）、大きくする。これにより、回生出力は急増し、車速Ｖが急速に制限される。
【００７５】
図１８は回生制御の要部機能を示すブロック図である。同図において、走行抵抗判別部７６は、走行抵抗算出部６２から入力される実走行抵抗Ｒaが正か負かを判別し、負の場合に回生指示部７７を付勢する。回生指示部７７は、走行抵抗判別部７６からの出力で付勢されると、運転状態を判断して、その判断に基づいてモータ１０４のドライバ７２に回生出力指示を供給する。運転状態はブレーキ操作がなされているか、車速Ｖは予定値か等によって判断する。
【００７６】
車速判別部７８は車速Ｖが予定値（例えば押し歩き速度程度に設定される）以下かどうかを判断し、予定値以下であれば検出信号Ｓaを出力する。また、平地走行抵抗算出部７９は、車速Ｖに対応するアシスト車の平地走行抵抗Ｒ1をマップ（一例として図１１のもの）で保持していて、車速Ｖが入力されるとそれに応答して平地走行抵抗Ｒ1を路面傾斜判断部８０に入力する。路面傾斜判断部８０は実走行抵抗Ｒaと平地走行抵抗Ｒ1とにより路面の傾斜が下り傾斜かどうかを判断し、下り傾斜のときに検出信号Ｓbを出力する。前記検出信号Ｓa，Ｓbがいずれも出力された時はアンドゲート８１が開いて回生指示無効信号が回生指示部７７に入力される。
【００７７】
車速対応演算部８２には、車速Ｖに対応する係数Ｋがマップ（一例として図１６のもの）として保持されていて、車速Ｖが入力されると車速に応じた係数Ｋを出力する。ブレーキ検出部８３はブレーキスイッチが操作されたときに検出信号を出力する。ブレーキ時補正部８４はブレーキ検出部８３から検出信号が供給されると、係数Ｋに予定値を乗算して出力する。
【００７８】
回生指示部７７はブレーキ補正部８４や車速域対応演算部８２で補正された係数Ｋに従って補正されたモータトルクを算出し、回生出力を決定してドライバ７２に指示をする。また、回生指示無効信号が入力されると、回生指示部７７はドライバ７２に対する回生出力指示を行わない。
【００７９】
このように、実走行抵抗Ｒaが負の時にモータ１４は回生出力を発生するように運転される一方、走行抵抗による路面傾斜判断で下り坂と判断されたようなときは、そのときの車速Ｖが予定値以下の低速であれば、回生出力は禁止される。
【００８０】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなとおり、請求項１〜請求項５の発明によれば、平坦地や上り坂では実走行抵抗に応じた補助動力を発生させる一方、実走行抵抗が低下する下り坂では回生により適度な制動が得られるので、平坦地と同様の走行感覚で運転することができる。また、回生による発電電流をバッテリに充電することができる。
【００８１】
請求項２の発明によれば、例えば下り坂の下り程度によって車速が増大したときに、回生出力が増大するように設定すれば、下り坂の程度に応じた制動が働き、下り坂の程度にかかわらず、平坦地と同様の走行感覚で運転することができる。請求項３の発明によれば、車速が増大するほど、制動がより一層大きく働くので、下り坂で車速制限がされる。
【００８２】
また、請求項４の発明によれば、ブレーキ操作による制動に加えて、回生制動が加わり、効果的に車両を制動させることができる。さらに、請求項５の発明によれば、車両押し歩き時には回生出力が制限されて制動がかからないため、回生を行っても楽に押し歩きをすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施形態に係る制御装置の要部機能を示すブロック図である。
【図２】 本発明の一実施形態に係る制御装置を有する電動補助自転車の側面図である。
【図３】 モータの断面図である。
【図４】 路面状態の変化と駆動力の変化との関係を示す図である。
【図５】 傾斜面開始時に補助動力の制御機能を示すブロック図である。
【図６】 車速および踏力による補助動力決定のタイミングを示すタイミングチャートである。
【図７】 モータの制御回路図である。
【図８】 モータの制御タイミングを示すタイミングチャートである。
【図９】 実走行抵抗に応じた補助動力を発生する処理の要部フローチャート（その１）である。
【図１０】 実走行抵抗に応じた補助動力を発生する処理の要部フローチャート（その２）である。
【図１１】 車速と平地走行抵抗との関係を示すマップである。
【図１２】 車速変化量と駆動力とによって実走行抵抗を検索するマップの一例を示す図である。
【図１３】 ステップＳ２９の変形例に係るフローチャートである。
【図１４】 ステップＳ２９の別の変形例に係るフローチャートである。
【図１５】 補助動力の補正係数と車速との関係を示す図（その１）である。
【図１６】 補助動力の補正係数と車速との関係を示す図（その２）である。
【図１７】 踏力比例の補助動力と実走行抵抗に応じた補助動力を使い分けるための機能を示すブロック図である。
【図１８】 回生出力制御のための要部機能を示すブロック図である。
【図１９】 踏力検知装置を含む人力駆動装置の要部断面図である。
【図２０】 図１９のＡ−Ａ矢視図である。
【図２１】 踏力検出装置の拡大断面図である。
【符号の説明】
１…車体フレーム、 ５…シートポスト、 ８…操向ハンドル、 ９…ブレーキレバー、 １４…モータ、 １７…バッテリ、 ２２…クランク軸、 ２４…ペダル、 ２７…チェーン、 ３２…ホイールハブ、 ３５…磁石、 ３７…ステータ支持板、 ３９…ステータコイル、 ４１…磁極センサ、 ４３…基板、 ４７…踏力センサ、 ４８…クランク回転センサ、 ４９…モータ回転センサ、５０…車速センサ、 ５９…車速変化量算出部、 ６２…走行抵抗算出部、７５…運転状態判別部、 ７７…回生指示部、 ７８…車速判別部、 ８０…路面傾斜判断部、 ８３…ブレーキ検出部

Claims (5)

1. 人力による駆動力を後輪に伝達するための人力駆動系と、バッテリで付勢されるモータ（１４）による駆動力を後輪に伝達するモータ駆動系とを備えた電動補助自転車の制御装置において、
   車両（１）の実走行抵抗（Ｒａ）を検出する走行抵抗検出手段（６２）と
   前記実走行抵抗（Ｒａ）から前記モータ駆動系で発生される補助動力としての駆動力（Ｐｍ）を減算して得られる前記モータ（１４）のトルクが、人力による駆動力（Ｐｈ）に相当する所定値となるように前記モータ駆動系で駆動力（Ｐｍ）を発生させる補助動力発生手段と、
   車両の運転状態を判別する運転状態判別手段（７８）と、
   前記実走行抵抗（Ｒａ）が負の場合に、車両の運転状態に応じて前記モータ駆動系に回生指示を供給する回生制御手段（７７）とを具備したことを特徴とする電動補助自転車の制御装置。
2. 車両の速度を検出する車速検出手段（５７）を具備し、
   前記回生制御手段（７７）が、車速に応じて回生出力を変化させられるように前記回生指示を供給することを特徴とする請求項１記載の電動補助自転車の制御装置。
3. 前記回生制御手段（７７）が、予定の高車速域では車速に応じて回生出力の変化量が漸増されるように前記回生指示を供給することを特徴とする請求項２記載の電動補助自転車の制御装置。
4. ブレーキが操作されたことを検出するブレーキ操作検出手段（８３）を具備し、前記回生制御手段（７７）が、ブレーキ操作の検出に応答して回生出力が増大されるように前記回生指示を供給することを特徴とする請求項１記載の電動補助自転車の制御装置。
5. 前記回生制御手段（７７）が、車両押し歩きに相当する予定の低車速域では前記回生指示を禁止することを特徴とする請求項１記載の電動補助自転車の制御装置。

Images