JP6460851B2

JP6460851B2 - 電動アシスト自転車

Info

Publication number: JP6460851B2
Application number: JP2015048925A
Authority: JP
Inventors: 勝田上
Original assignee: ブリヂストンサイクル株式会社
Priority date: 2015-03-12
Filing date: 2015-03-12
Publication date: 2019-01-30
Anticipated expiration: 2035-03-12
Also published as: JP2016168894A

Description

本発明は、電動アシスト自転車に関する。

電動アシスト自転車では、ペダルから入力される入力トルクの変化を平滑化し、その平滑化したトルク値に基づいてモータ制御を行っている。そして、特許文献１には、入力トルクの平滑化処理に起因して電動アシスト自転車の漕ぎ出し時に出力トルクが制限されるのを防ぐモータ駆動制御の技術が開示されている。

ＷＯ２０１２／０８６４５８

入力トルクの平滑化処理により、ペダルからの入力トルクが小さくなるペダル位置であっても所定の出力トルクが出力されるので、良好なアシスト感が得られ、モータの駆動ロスも少なくすることができるが、例えば平地から上り坂に差し掛かった場合や走行速度を一時的に上げる場合など、走行中にペダルの入力トルクを増大させる踏み込み（以下、「走行中のペダルの踏み直し」という）をしたときには、搭乗者の意図に沿った出力トルクが得られないおそれがある。特許文献１の技術は、電動アシスト自転車の停車を検出して、漕ぎ出し時に補助を与えるものであり、走行中のペダルの踏み直しには対応できない。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、走行中のペダルの踏み直しが行われた場合の走行フィーリングを向上できる電動アシスト自転車を提供することである。

上記課題を解決する本発明は、ペダルの入力トルクに応じた補助動力を発生させるモータを備えた電動アシスト自転車であって、前記入力トルクを検出し、予め設定された平滑化率で前記入力トルクの変化を平滑化した平滑化トルク値を算出し、該平滑化トルク値と予め設定されたアシスト比とに基づいてアシストトルク値を算出し、該アシストトルク値に応じて前記モータを駆動する制御を行う制御部を有し、該制御部は、ペダル負荷が低負荷状態であるか否かを判断する低負荷状態判断手段と、該低負荷状態であると判断された場合に前記平滑化率を低くする補正処理を行う平滑化率補正手段とを有することを特徴とする。

本発明によれば、ペダル負荷が低負荷状態であると判断された場合には平滑化率を低くする補正処理が行われるので、入力トルクの平滑化が緩和されて、入力トルクに対する平滑化トルク値の追従性が高くなる。したがって、例えば低負荷状態からペダルの踏み直しが行われて入力トルクが急激に増加した場合に、アシストトルク値を入力トルクの変化に追従させて増加させることができる。したがって、乗員の意思に沿った適切な補助動力を得ることができ、走行フィーリングを向上させることができる。

そして、入力トルクが急激に増加してペダル負荷が低負荷状態から脱して例えば高負荷状態などの他の負荷状態になったと判断されると、補正が解除されて平滑化率が元に戻されるので、入力トルクの変化に対する平滑化トルク値の追従性が低くなる。したがって、例えば高負荷状態における入力トルクの落ち込みに追従して平滑化トルク値が落ち込むのを防ぐことができ、ペダルの入力トルクが小さくなるペダル位置であっても適切な出力トルクが出力されて、良好なアシスト感が得られる。

低負荷状態判断手段は、入力トルクのピーク値が予め設定されたピーク閾値よりも低いとき、または、入力トルクの平均値が予め設定された平均閾値よりも低いとき、または、入力トルクの互いに隣り合うピーク値の差分が予め設定された差分閾値よりも小さいとき、または、ペダルの回転速度が回転速度閾値よりも速いときに、低負荷状態であると判断する。したがって、ペダル負荷が低負荷状態であるか否かを適切に判断することができる。

平滑化率補正手段は、低負荷状態判断手段によりペダル負荷が他の負荷状態から低負荷状態に移行したと判断されたときから、予め設定された低下速度で平滑化率を低くする。したがって、平滑化トルク値の急激な変化に起因するトルク段差の発生を抑制し、トルクショックによる乗員のフィーリング悪化を防ぐことができる。

本発明の電動アシスト自転車は、ペダル負荷が低負荷状態のときに平滑化率を低くする補正を行うので、例えば走行中のペダルの踏み直しにおいて、乗員の意思に沿った適切な補助動力を得ることができ、走行フィーリングを向上させることができる。

電動アシスト自転車の全体図。電動アシスト自転車の制御システムの全体構成図。アシスト制御の機能ブロック図。入力トルクと平滑化後の平滑化トルク値の変化を示すグラフ。平滑化率を可変させた状態を示すグラフ。入力トルクの変化と、高平滑化率の平滑化トルク値の変化と、低平滑化率の平滑化トルク値の変化を示すグラフ。

［第１実施例］
次に、本発明に係る電動アシスト自転車の一実施例について図面を用いて説明する。
図１は、電動アシスト自転車の全体図、図２は、電動アシスト自転車の制御システムの全体を説明する構成図である。

電動アシスト自転車１は、ペダル５の入力トルクを主駆動力として後輪４に付与する人力駆動装置と、ペダルの入力トルクに応じた補助駆動力を前輪３に付与するモータ駆動装置とを備えている。人力駆動装置は、一般的な自転車と同じものが用いられており、例えば図１に示すように、車体フレーム２にクランクがペダル５と一体に回転可能に支持され、クランクに取り付けられたフロントスプロケットと、後輪４に取り付けられたリヤスプロケットとの間にチェーンが巻き掛けられ、ペダル５の回転により後輪４を回転させることができるようになっている。

モータ駆動装置は、図２に示すように、コントローラ１２と、モータ１３と、バッテリ１４と、トルクセンサ１５と、回転センサ１６と、ブレーキセンサ１７と、ライト（前照灯）１９と、操作パネル１８を有している。コントローラ１２は、電動アシスト自転車１のシステム全体を管理する制御部２１を有している。制御部２１は、例えば、トルクセンサ１５からのトルク信号に基づいてモータ１３を駆動するアシスト制御と、減速時にモータ１３で発電した電力をバッテリ１４に充電する回生制御と、モータ１３を制御するモータ制御と、ライト１９の点灯を制御するライト制御を行う。

モータ１３は、周知の三相直流ブラシレスモータであり、前輪３のハブ内に設けられている。バッテリ１４は、モータ１３を駆動する駆動源であり、リチウムイオン二次電池やリチウムポリマー二次電池等の繰り返し充放電が可能な二次電池が用いられている。

トルクセンサ１５は、ペダル５の入力トルクに応じたトルク信号を出力し、回転センサ１６は、ペダル５の回転に応じた回転信号を出力する。トルクセンサ１５と回転センサ１６は、例えばクランクのクランク軸に装着されている。ブレーキセンサ１７は、ブレーキレバーの操作状態を検出するものであり、ブレーキレバーを手で握ることによりオンの信号を出力し、ブレーキレバーを離すことによりオフの信号を出力する。操作パネル１８は、ハンドル６に取り付けられており、例えばアシストの有無の指示入力やアシスト比の設定入力をユーザから受け付けて、コントローラ１２に出力する。

図３は、アシスト制御の機能ブロック図である。
制御部２１によるアシスト制御では、トルクセンサ１５から出力されるトルク信号を用いてトルク検出部３１で入力トルクの検出がなされる。トルク検出部３１では、不感帯フィルタを用いてトルク信号からノイズを除去する処理が行われ、ノイズ除去後のトルク信号に基づいて入力トルクが検出される。トルク検出部３１で検出された入力トルクは、平滑化処理部３２で平滑化され、平滑化トルク値が演算される。

そして、アシストトルク値演算部３３で、平滑化トルク値と予め設定されたアシスト比に基づいてアシスト量であるアシストトルク値が演算される。アシストトルク値は、電動アシスト自転車１が変速ギヤ付きの場合には、ギヤ段位置（ギヤ比）の情報も用いて演算される。そして、アシストトルク値は、ブレーキセンサ１７がオン、すなわち、ブレーキレバーが操作されている場合には、０に設定され、また、一定車速以上では車速の上昇に応じて漸次低減される。アシストトルク値演算部３３は、モータ１３が出力するホール信号に基づいて車速を演算する。そして、駆動ＰＷＭ量演算部３４で、アシストトルク値に基づいてモータ１３を駆動するための駆動ＰＷＭ量が演算され、駆動ＰＷＭ量に基づいてモータ駆動回路３５でモータ１３の駆動制御が行われる。

図４は、入力トルクと平滑化後の平滑化トルク値の一例を示すグラフである。図４に示すように、入力トルクは、ペダル５の回転に応じて波状に変化しており、その入力トルクの変化が平滑化処理部３２で平滑化されて、平滑化トルク値となる。平滑化処理部３２は、予め設定された平滑化率で入力トルクを平滑化する。平滑化処理部３２の平滑化率は、走行状況等に応じて変更可能であり、例えばペダル負荷の状態に応じて変更される。また、平滑化率は操作パネルの操作により設定変更可能としても良い。

平滑化処理については、従来から種々の方法が存在するが、本実施例では、入力トルクの複数時点におけるトルク値を用いて平滑化トルク値を算出する。具体的には、可変周期の入力トルクの１周期に相当する可変期間における入力トルクのトルク値の移動平均または加重移動平均を採用する。例えば入力トルクの１周期を24分割した各タイミングにおける入力トルクのトルク値について移動平均または加重移動平均を算出する。平滑化率の変更は、平滑化処理部３２のフィルタ定数を変更することによって行うことができる。例えば、各タイミングにおける入力トルクのトルク値から移動平均を算出する際に用いる入力トルクのトルク値の個数を減らすことによって、平滑化率を小さくすることができる。

図５は、平滑化率を変更した場合における各平滑化トルク値を示すグラフである。本実施例では、平滑化率としてレベル０〜ｎのいずれかを選択可能となっており、レベルが大きくなるに応じて、平滑化率が高くなる。例えば、平滑化率の設定を平滑化率０％であるレベル０にした場合、平滑化トルク値は、入力トルクのトルク値そのものとなり、その変化はペダルの回転に応じて大きく波打った変化を示す。また、平滑化率の設定を平滑化率１００％であるレベルｎにした場合、最も平滑化された状態となる。

次に、本発明の特徴的な構成である平滑化率の補正処理について説明する。
図６は、入力トルクと、高平滑化率の平滑化トルク値と、低平滑化率の平滑化トルク値の変化を示すグラフである。

制御部２１の平滑化処理部３２は、トルク検出部３１で検出した入力トルクに基づいてペダル負荷が低負荷状態であるか否かを判断する低負荷状態判断手段と、低負荷状態であると判断された場合に平滑化率を低くする平滑化率補正手段とを有する。ここで、ペダル負荷とは、ペダルを回転させる際に作用する負荷であり、本実施例では、低負荷状態と、低負荷状態以外の他の状態である高負荷状態とに分けられる。

予め設定された高平滑化率で入力トルクを平滑化すると、ペダル負荷が高負荷状態のときは、ペダルの入力トルクが小さくなるペダル位置であっても適切な出力トルクが出力されて、良好なアシスト感が得られる。
しかしながら、ペダル負荷が低負荷状態のときは、ペダルの回転に伴う入力トルクの変化（振幅）も小さいので、入力トルクを高平滑化率で平滑化する必要性は低い。そして、ペダルの踏み直しが行われたときに入力トルクが高平滑化率で平滑化されていると、平滑化トルク値の追従性が低いので、応答性が悪く、乗員に違和感を与え、走行フィーリングが悪化することが懸念される。

このような点に鑑みて、本実施例では、低負荷状態のときは高負荷状態のときよりも平滑化率を低くする補正処理を行っている。低負荷状態のときは平滑化率を低くすることによって、入力トルクの平滑化が緩和されて、入力トルクに対する平滑化トルク値の追従性が高くなる。したがって、例えば低負荷状態から加速するためにペダルの踏み直しが行われて入力トルクが急激に増加した場合に、アシストトルク値を入力トルクの変化に追従させて増加させることができる。したがって、応答性がよく、乗員の意思に沿った適切な補助動力を得ることができ、走行フィーリングを向上させることができる。

そして、入力トルクが急激に増加してペダル負荷が低負荷状態から高負荷状態になったと判断されると、補正が解除されて平滑化率が元に戻される（高平滑化率になる）ので、入力トルクの変化に対するアシストトルク値の追従性が低くなる。したがって、例えば高負荷状態における入力トルクの落ち込み（図６の矢印Ａ）に追従して平滑化トルク値が落ち込むのを防ぐことができる（図６の矢印Ｂ）。したがって、ペダルの入力トルクが小さくなるペダル位置であっても適切な出力トルクが出力されて、良好なアシスト感が得られる。

＜低負荷状態判断手段＞
ペダル負荷が低負荷状態であるか否かは種々の方法により判断することができる。例えば、（ａ１）入力トルクのピーク値が予め設定されたピーク閾値よりも低くなったときに低負荷状態であると判断してもよい。また、（ａ２）所定時間内における入力トルクの平均値が予め設定された平均閾値よりも低くなったときに低負荷状態であると判断してもよい。また、（ａ３）所定時間内における入力トルクの互いに隣り合うピーク値の差分が予め設定された差分閾値よりも小さいときに低負荷状態であると判断してもよい。また、（ａ４）ペダルの回転速度が予め設定された回転速度閾値よりも速いときに、低負荷状態であると判断してもよい。

例えば（ａ２）の判断方法によれば、入力トルクの平均値に基づいて判断しているので、（ａ１）のように入力トルクの傾きが＋から−に変わったときのピーク値を検出する必要がなく、制御が容易になる。そして、（ａ４）の判断方法によれば、例えばペダルの回転センサなど、トルクセンサ以外のセンサを用いて対応することができ、トルクセンサを省略することができる。これら（ａ１）〜（ａ４）の判断方法によれば、ペダル負荷が低負荷状態であるか否かを簡単に判断することができる。低負荷状態の検出は、ペダルの踏み直しの検出とは異なり、平滑化率を徐々に変更することができ、良好なアシストフィーリングが得られる。

ペダル負荷が低負荷状態であるか否かを判断する方法は、上記(ａ１)〜(ａ４)のいずれか一つに限定されるものではなく、少なくとも二つを組み合わせてもよい。このように複数の判断方法を組み合わせることにより、判断精度を向上させることができ、精度の高いアシスト制御を行うことができる。

本実施例では、上述の方法(ａ１)を用いており、図６に示すように、入力トルクのピーク値がピーク閾値Ｔｈ１よりも低くなったタイミングｔ１でペダル負荷が低負荷状態であると判断し、入力トルクのピーク値がピーク閾値Ｔｈ１以上になったタイミングｔ３でペダル負荷が高負荷状態であると判断している。

＜平滑化率補正手段＞
平滑化率補正手段は、負荷状態判断手段でペダル負荷が低負荷状態と判断されることにより、平滑化率を低くする補正処理を行う。平滑化率を低くする補正処理では、高負荷状態で設定されていた平滑化率の設定レベルを、予め設定されたレベル数だけ減少させて、平滑化の緩和もしくは平滑化なしにする。これにより、低負荷状態における平滑化トルク値を入力トルクのトルク値に近づける、もしくは平滑化トルク値を入力トルクのトルク値と同一の値にすることができる。

平滑化率の設定レベルを減らすレベル数は、固定値でもよく、また、低負荷状態の検出からの時間経過に応じて段階的に減らす設定にしてもよい。例えば、低負荷状態判断手段によりペダル負荷が高負荷状態から低負荷状態に移行したと判断されたとき（図６のタイミングｔ１）から、予め設定された低下速度で平滑化率を低くすることにより、平滑化トルク値の急激な変化に起因するトルク段差の発生を抑制し、トルクショックによる乗員のフィーリング悪化を防ぐことができる。

平滑化率補正手段は、低負荷状態判断手段でペダル負荷が低負荷状態以外の他の状態であると判断されることにより、平滑化率の補正を解除する。平滑化率の補正を解除することにより、平滑化率の設定レベルは，高負荷状態のときに設定される設定レベルのレベル数に戻される。

平滑化率の設定レベルを増やすレベル数は、固定値でもよく、また、高負荷状態の検出からの時間経過に応じて段階的に増やす設定にしてもよい。例えば、低負荷状態判断手段によりペダル負荷が低負荷状態から高負荷状態に移行したと判断されたとき（図６のタイミングｔ３）から、予め設定された増加速度で平滑化率を高くすることにより、平滑化トルク値の急激な変化に起因するトルク段差の発生を抑制し、トルクショックによる乗員のフィーリング悪化を防ぐことができる。

上記した本発明の電動アシスト自転車１によれば、ペダル負荷が低負荷状態であると判断された場合には平滑化率を低くする補正処理が行われるので、例えば低負荷状態でペダルの踏み直しが行われて入力トルクが急激に増加した場合に、アシストトルク値を入力トルクの変化に追従させて増加させることができる。したがって、乗員の意思に沿った適切な補助動力を得ることができ、走行フィーリングを向上させることができる。

そして、入力トルクが急激に増加してペダル負荷が低負荷状態から脱して例えば高負荷状態などの他の負荷状態になったと判断されると、補正が解除されて平滑化率が元に戻されるので、例えば高負荷状態における入力トルクの落ち込みに追従して平滑化トルク値が落ち込むのを防ぐことができる。したがって、ペダルの入力トルクが小さくなるペダル位置であっても適切な出力トルクが出力されて、良好なアシスト感が得られる。

［第２実施例］
次に、本発明の第２実施例について以下に説明する。
例えば、上記した第１実施例では、ペダル負荷が低負荷状態のときは高負荷状態のときよりも平滑化率を低くする補正処理を行う場合について説明したが、ペダル負荷が高負荷状態のときは低負荷状態のときよりも平滑化率を高くする補正処理を行う構成としてもよい。

例えば、制御部２１の平滑化処理部３２は、トルク検出部３１で検出した入力トルクに基づいてペダル負荷が高負荷状態であるか否かを判断する高負荷状態判断手段と、高負荷状態であると判断された場合に平滑化率を高くする平滑化率補正手段とを有する。高負荷状態判断手段は、入力トルクのピーク値が予め設定されたピーク閾値よりも高いときに高負荷状態であると判断する。

本実施例によれば、高負荷状態のときは平滑化率を高くする補正がされるので、入力トルクの平滑化が大幅に進められて、入力トルクに対する平滑化トルク値の追従性が低くなる。したがって、例えば高負荷状態における入力トルクの落ち込みに追従して平滑化トルク値が落ち込むのを防ぐことができる。したがって、ペダルの入力トルクが小さくなるペダル位置であっても適切な出力トルクが出力されて、良好なアシスト感が得られる。

そして、高負荷状態から徐々に低負荷状態へ移行して高負荷状態が終了したと判断されると、補正が解除されて平滑化率が元に戻される（低平滑化率になる）ので、入力トルクに対する平滑化トルク値の追従性が高くなる。したがって、例えば低負荷状態から加速するためにペダルの踏み直しが行われて入力トルクが急激に増加した場合に、アシストトルク値を入力トルクの変化に追従させて増加させることができる。したがって、応答性がよく、乗員の意思に沿った適切な補助動力を得ることができ、走行フィーリングを向上させることができる。

本発明の構成は、上記した各実施例の内容に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更及び組み合わせが可能である。

１電動アシスト自転車
５ペダル
１２コントローラ
１３モータ
１５トルクセンサ
１６回転センサ
２１制御部
３１トルク検出部
３２平滑化処理部
３３アシストトルク値演算部
３５モータ駆動回路

Claims

ペダルの入力トルクに応じた補助動力を発生させるモータを備えた電動アシスト自転車であって、
前記入力トルクを検出し、予め設定された平滑化率で前記入力トルクの変化を平滑化した平滑化トルク値を算出し、該平滑化トルク値と予め設定されたアシスト比とに基づいてアシストトルク値を算出し、該アシストトルク値に応じて前記モータを駆動する制御を行う制御部を有し、
該制御部は、ペダル負荷が低負荷状態であるか否かを判断する低負荷状態判断手段と、該低負荷状態であると判断された場合に前記平滑化率を低くする補正処理を行う平滑化率補正手段とを有し、
前記低負荷状態判断手段は、前記入力トルクの互いに隣り合うピーク値の差分が予め設定された差分閾値よりも小さいときに前記低負荷状態であると判断することを特徴とする電動アシスト自転車。
前記平滑化率補正手段は、前記低負荷状態判断手段により前記ペダル負荷が他の負荷状態から低負荷状態に移行したと判断されたときから、予め設定された低下速度で前記平滑化率を低くすることを特徴とする請求項１に記載の電動アシスト自転車。