特許 6805269 電動補助システムおよび電動補助車両

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6805269

(24)【登録日】2020年12月7日

(45)【発行日】2020年12月23日

(54)【発明の名称】電動補助システムおよび電動補助車両

(51)【国際特許分類】

   B62M 6/45 20100101AFI20201214BHJP

【ＦＩ】

   B62M6/45

【請求項の数】17

【全頁数】33

(21)【出願番号】特願2018-558814(P2018-558814)

(86)(22)【出願日】2017年9月21日

(86)【国際出願番号】JP2017034147

(87)【国際公開番号】WO2018123161

(87)【国際公開日】20180705

【審査請求日】2019年6月14日

(31)【優先権主張番号】特願2016-255871(P2016-255871)

(32)【優先日】2016年12月28日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000010076

【氏名又は名称】ヤマハ発動機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100101683

【弁理士】

【氏名又は名称】奥田 誠司

(74)【代理人】

【識別番号】100139930

【弁理士】

【氏名又は名称】山下 亮司

(74)【代理人】

【識別番号】100180529

【弁理士】

【氏名又は名称】梶谷 美道

(74)【代理人】

【識別番号】100135703

【弁理士】

【氏名又は名称】岡部 英隆

(72)【発明者】

【氏名】蓮見 光晴

【審査官】 畔津 圭介

(56)【参考文献】

【文献】 欧州特許出願公開第０２７１１２８５（ＥＰ，Ａ１）

【文献】 特開２０１６−１５０６８４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−０２５９１３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第０８８７４２９６（ＵＳ，Ｂ２）

【文献】 特開２００１−２３９９８２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第０６５４５４３７（ＵＳ，Ｂ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ６２Ｍ ６／４５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ペダルを備えた電動補助車両に用いられる電動補助システムであって、
前記ペダルに加えられた乗員の人力により回転するクランク軸と、
前記クランク軸に発生するトルクの大きさに応じたトルク信号を出力するトルクセンサと、
前記乗員の人力を補助する補助力を発生させる電動モータと、
前記電動補助車両の進行方向に関する現在の加速度に応じた加速度信号を出力する加速度センサと、
前記トルク信号および前記加速度信号を受け取って、前記電動モータに発生させる補助力の大きさを決定する制御装置と
を備え、
前記制御装置は、予め用意された規則に基づいて前記トルク信号から目標加速度を算出し、前記目標加速度と前記現在の加速度との偏差が小さくなるよう、前記電動モータに発生させる補助力の大きさを決定する、電動補助システム。

【請求項2】

前記制御装置は、ＰＩＤ制御により、前記電動モータに発生させる補助力の大きさを決定し、前記偏差を小さくする、請求項１に記載の電動補助システム。

【請求項3】

現在の時刻ｔにおける現在の偏差をＥ（ｔ）と表し、前記電動補助システムの比例要素、微分要素および積分要素の各フィードバックゲインを、それぞれＫｐ、ＫｄおよびＫｉと表すとき、
前記制御装置は、前記電動モータに発生させる補助力に対応するモータトルクＦｍを、

【数1】

によって決定する、請求項２に記載の電動補助システム。

【請求項4】

前記制御装置は、前記偏差が０に近づくよう、前記電動モータに発生させる補助力の大きさを決定する、請求項１から３のいずれかに記載の電動補助システム。

【請求項5】

前記制御装置は、前記電動モータに流すべき電流の指令値と、前記電動モータに発生させる補助力に対応するモータトルクの大きさとを対応付けたテーブルを予め保持しており、前記テーブルを参照して前記モータトルクを発生させる電流の指令値を決定する、請求項１から４のいずれかに記載の電動補助システム。

【請求項6】

前記制御装置は、前記偏差の大きさに応じた範囲ごとに、前記電動モータに流すべき電流の指令値と、モータトルクの大きさとが対応付けられたテーブルを予め保持しており、前記テーブルを参照して前記モータトルクを発生させる電流の指令値を決定する、請求項４に記載の電動補助システム。

【請求項7】

前記制御装置は、
現在の時刻ｔにおける現在の偏差をＥ（ｔ）と表し、残留偏差に関する比例項、積分項および微分項から電流指令値を求めるための各フィードバックゲインを、それぞれＫｐ’、Ｋｄ’およびＫｉ’と表すとき、
前記制御装置は、前記電動モータに流すべき電流の指令値Ｉｍを、

【数2】

によって決定する、請求項２に記載の電動補助システム。

【請求項8】

前記制御装置は、予め用意された前記規則を保持する記憶装置を備える、請求項１から７のいずれかに記載の電動補助システム。

【請求項9】

前記規則は、前記トルク信号と目標加速度との対応関係を規定するマップまたは関数である、請求項８に記載の電動補助システム。

【請求項10】

前記関数は非線形関数または線形関数である、請求項９に記載の電動補助システム。

【請求項11】

前記制御装置は、受け取った前記加速度信号に含まれる予め定められた周波数以上の高周波成分を透過させるハイパスフィルタを有する、請求項１から１０のいずれかに記載の電動補助システム。

【請求項12】

前記制御装置は、５Ｈｚ以上の高周波成分を透過させるハイパスフィルタを有する、請求項１１に記載の電動補助システム。

【請求項13】

前記乗員が前記ペダルを漕いで前記クランク軸を１回転させる期間中に、
前記トルクセンサおよび前記加速度センサは、複数回または連続してトルク信号および加速度信号を出力し、
前記制御装置は、前記電動モータに発生させる補助力の大きさを複数回または時間的に連続して決定する、請求項１から１２のいずれかに記載の電動補助システム。

【請求項14】

前記乗員が前記ペダルを漕いで前記クランク軸を１回転させる期間中に、
前記トルク信号は、前記乗員がペダルを漕ぐ動作に連動する前記クランク軸の回転に応じて変化し、
前記加速度信号は、前記乗員がペダルを漕ぐ動作および前記電動補助車両に加えられる外乱に応じて変化し、
前記制御装置は、予め定められたタイミングで、
前記トルク信号から目標加速度を算出し、前記加速度信号から加速度を算出し、前記電動モータに発生させる補助力の大きさを決定する、請求項１３に記載の電動補助システム。

【請求項15】

指令値に応じて、振幅、周波数、流れる向きの少なくとも一つが制御された電流を前記電動モータに出力するモータ駆動回路をさらに備え、
前記制御装置は、決定した前記補助力の大きさに対応する電流を流すための指令値をモータ駆動回路に出力する、請求項１から１４のいずれかに記載の電動補助システム。

【請求項16】

請求項１５に記載の電動補助システムを備えた電動補助車両。

【請求項17】

前輪および後輪と、
前記乗員の人力および前記補助力を前記後輪に伝達する動力伝達機構と
をさらに備えた請求項１６に記載の電動補助車両。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電動補助車両に用いられる電動補助システム、および当該電動補助システムを備えた電動補助車両に関する。

【背景技術】

【0002】

乗員がペダルを漕ぐ力を電動モータにより補助する電動補助自転車が知られている。電動補助自転車では、乗員がペダルに加えた人力に応じた補助力を電動モータに発生させ、人力と補助力とを足し合わせた駆動力を駆動輪に伝達する。電動モータによって人力を補助することにより、乗員の負担を減らすことができる（例えば特許文献１）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開平０９−２２６６６４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

乗員が電動補助自転車のペダルを漕ぐことにより、電動自転車は加速し、一定速度で走行し、または減速する。

【0005】

電動補助自転車において、ペダルに加える人力が同じであれば、車両の負荷が大きくなると車両速度の変化率（加速度）は小さくなる。例えば、ペダルに加える人力が同じであれば、傾斜路の走行時は平坦路の走行時よりも車両速度の変化率（加速度）は小さくなる。乗員は、同じ力でペダルを漕ぎ続けているにもかかわらず、車両速度の変化率（加速度）が変化することを不便に感じる場合がある。

【0006】

本発明は、走行時の負荷に応じた適切な補助力を発生させる電動補助システムおよび当該電動補助システムを備えた電動補助車両を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の実施形態に係る電動補助システムは、ペダルを備えた電動補助車両に用いられる電動補助システムであって、前記ペダルに加えられた乗員の人力により回転するクランク軸と、前記クランク軸に発生するトルクの大きさに応じたトルク信号を出力するトルクセンサと、前記乗員の人力を補助する補助力を発生させる電動モータと、前記電動補助車両の進行方向に関する現在の加速度に応じた加速度信号を出力する加速度センサと、前記トルク信号および前記加速度信号を受け取って、前記電動モータに発生させる補助力の大きさを決定する制御装置とを備え、前記制御装置は、予め用意された規則に基づいて前記トルク信号から目標加速度を算出し、前記目標加速度と前記現在の加速度との偏差が小さくなるよう、前記電動モータに発生させる補助力の大きさを決定する。

【0008】

乗員が足でペダルを漕ぐという自転車の構造上、乗員がペダルを漕いでいるときのペダルの位置に応じて、ペダルに加わる乗員の人力の大きさは変化する。そのため、乗員がペダルを漕いでいるときのペダルの位置に応じて、電動補助自転車の進行方向の加速度は変化する。電動補助システムは乗員の踏力から求められる目標加速度と、車両の現在の加速度との偏差を小さくするよう、電動モータに発生させる補助力の大きさを変更する。走行時に負荷がかかったとしても、乗員の踏力はその乗員が所望する加速感を表していると考えられるため、踏力から目標加速度を設定して、車両の現在の加速度をその目標加速度に近づけるよう制御することで、乗員は走行時の負荷に応じた適切な補助力によって電動補助車両を走行させることができる。

【0009】

ある実施形態において、前記制御装置は、ＰＩＤ制御により、前記電動モータに発生させる補助力の大きさを決定し、前記偏差を小さくする。

【0010】

ある実施形態において、現在の時刻ｔにおける現在の偏差をＥ（ｔ）と表し、前記補助力制御システムの比例要素、微分要素および積分要素の各フィードバックゲインを、それぞれＫｐ、ＫｄおよびＫｉと表すとき、前記制御装置は、前記電動モータに発生させる補助力に対応するモータトルクＦｍを、下記の式によって決定してもよい。

【数1】

【0011】

ある実施形態において、前記制御装置は、前記偏差が０に近づくよう、前記電動モータに発生させる補助力の大きさを決定してもよい。

【0012】

上述のいずれの実施形態によっても、目標加速度に対する追従性を向上させることができる。

【0013】

ある実施形態において、前記制御装置は、前記電動モータに流すべき電流の指令値と、前記電動モータに発生させる補助力に対応するモータトルクの大きさとを対応付けたテーブルを予め保持しており、前記テーブルを参照して前記モータトルクを発生させる電流の指令値を決定する。

【0014】

ある実施形態において、前記制御装置は、前記偏差の大きさに応じた範囲ごとに、前記電動モータに流すべき電流の指令値と、前記モータトルクの大きさとが対応付けられたテーブルを予め保持しており、前記テーブルを参照して前記モータトルクを発生させる電流の指令値を決定する。

【0015】

ある実施形態において、前記制御装置は、現在の時刻ｔにおける現在の偏差をＥ（ｔ）と表し、残留偏差に関する比例項、積分項および微分項から電流指令値を求めるための各フィードバックゲインを、それぞれＫｐ’、Ｋｄ’およびＫｉ’と表すとき、前記制御装置は、前記電動モータに流すべき電流の指令値Ｉｍを、下記の式によって決定する。

【数2】

【0016】

ある実施形態において、前記制御装置は、予め用意された前記規則を保持する記憶装置を備える。

【0017】

ある実施形態において、前記規則は、前記トルク信号と目標加速度との対応関係を規定するマップまたは関数であってもよい。

【0018】

ある実施形態において、前記関数は非線形関数または線形関数であってもよい。

【0019】

ある実施形態において、前記制御装置は、受け取った前記加速度信号に含まれる予め定められた周波数以上の高周波成分を透過させるハイパスフィルタを有する。

【0020】

ある実施形態において、前記制御装置は、５Ｈｚ以上の高周波成分を透過させるハイパスフィルタを有する。

【0021】

ハイパスフィルタを設けることにより、乗員がペダルを漕ぐことによる加速度を適切に抽出することができる。

【0022】

ある実施形態において、前記乗員が前記ペダルを漕いで前記クランク軸を１回転させる期間中に、前記トルクセンサおよび前記加速度センサは、複数回または連続してトルク信号および加速度信号を出力し、前記制御装置は、前記電動モータに発生させる補助力の大きさを複数回または時間的に連続して決定する。

【0023】

ある実施形態において、前記乗員が前記ペダルを漕いで前記クランク軸を１回転させる期間中に、前記トルク信号は、前記乗員がペダルを漕ぐ動作に連動する前記クランク軸の回転に応じて変化し、前記加速度信号は、前記乗員がペダルを漕ぐ動作および前記電動補助車両に加えられる外乱に応じて変化し、前記制御装置は、予め定められたタイミングで、前記トルク信号から目標加速度を算出し、前記加速度信号から加速度を算出し、前記電動モータに発生させる補助力の大きさを決定する。

【0024】

ある実施形態において、前記電動補助システムは、指令値に応じて、振幅、周波数、流れる向きの少なくとも一つが制御された電流を前記電動モータに出力するモータ駆動回路をさらに備え、前記制御装置は、決定した前記補助力の大きさに対応する電流を流すための指令値をモータ駆動回路に出力する。これにより、走行時の踏力に応じた目標加速度を得られるよう、適切な補助力を発生させることができる。

【0025】

本願発明の例示的な実施形態による電動補助車両は、上述の電動補助システムを備えている。ある実施形態において、前記電動補助車両は、前記前輪および後輪と、前記乗員の人力および前記補助力を前記後輪に伝達する動力伝達機構とを備える。本発明の実施形態に係る電動補助システムを備える電動補助車両は、走行時の踏力に応じた目標加速度を得られるよう、適切な補助力を発生させることができる。

【発明の効果】

【0026】

本発明による例示的な実施形態によれば、乗員の踏力から求められる目標加速度と、車両の現在の加速度との偏差を小さくするよう、電動モータに発生させる補助力の大きさを変更する。走行時に負荷がかかったとしても、乗員の踏力はその乗員が所望する加速感を表していると考えられるため、踏力から目標加速度を設定して、車両の現在の加速度をその目標加速度に近づけるよう制御することで、乗員は走行時の負荷に応じた適切な補助力によって電動補助車両を走行させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0027】

【図1】本発明の実施形態に係る電動補助自転車を示す側面図である。

【図2A】電動補助自転車のハードウェアブロック図である。

【図2B】電動補助自転車の機械的構成を示すブロック図である。

【図3】操作盤の外観図である。

【図4】クランク軸の回転角、クランク軸に発生するトルク、車両の進行方向の加速度の関係を示す図である。

【図5A】目標加速度と車両の現在の加速度との偏差Ｅｎを小さくして走行負荷（向かい風）に応じた補助力を発生させる動作を説明する図である。

【図5B】目標加速度と車両の現在の加速度との偏差Ｅｎを小さくして走行負荷（上り傾斜路）に応じた補助力を発生させる動作を説明する図である。

【図6】人間の踏力（トルク信号）と目標加速度との関係を示す図である。

【図7】選択可能なＮ個のアシストモードの各々について規定された、人間の踏力（トルク信号）と目標加速度との関係を示す図である。

【図8】制御装置７０の処理の手順を示すフローチャートである。

【図9】乗員が一定の漕ぎ方で電動補助自転車１を漕いでいるときの負荷変動発生時の各種信号の波形を示す図である。

【図10】乗員が一定の漕ぎ方で電動補助自転車１を漕いでいるときの負荷変動発生時の各種信号の波形を示す図である。

【図11A】平坦路における電動補助自転車１の静負荷相関図である。

【図11B】傾斜角θの傾斜路における電動補助自転車１の静負荷相関図である。

【図12】ハイパスフィルタ７３による低周波成分の除去を行わない場合の目標加速度（実線）を示す図である。

【図13】加速度の偏差の大きさに応じたモータトルクを示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0028】

以下、添付の図面を参照しながら、本発明による電動補助システムおよび電動補助車両の実施形態を説明する。実施形態の説明においては、同様の構成要素には同様の参照符号を付し、重複する場合にはその説明を省略する。本発明の実施形-態における前後、左右、上下とは、電動補助車両のサドル（シート）に乗員がハンドルに向かって着座した状態を基準とした前後、左右、上下を意味する。なお、以下の実施形態は例示であり、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。

【0029】

図１は、本実施形態に係る電動補助自転車１を示す側面図である。電動補助自転車１は後に詳述する駆動ユニット５１を有している。電動補助自転車１は本発明にかかる電動補助車両の一例である。駆動ユニット５１は、本発明にかかる電動補助システムの一例である。

【0030】

電動補助自転車１は、前後方向に延びる車体フレーム１１を有する。車体フレーム１１は、ヘッドパイプ１２、ダウンチューブ５、ブラケット６、チェーンステイ７、シートチューブ１６、シートステイ１９を含む。ヘッドパイプ１２は車体フレーム１１の前端に配置される。ハンドルステム１３は、ヘッドパイプ１２に回転可能に挿入される。ハンドル１４は、ハンドルステム１３の上端部に固定される。ハンドルステム１３の下端部にはフロントフォーク１５が固定される。フロントフォーク１５の下端部には、操舵輪である前輪２５が回転可能に支持される。フロントフォーク１５には、前輪２５を制動するブレーキ８が設けられる。ヘッドパイプ１２の前方の位置には前かご２１が設けられる。フロントフォーク１５にはヘッドランプ２２が設けられる。

【0031】

ダウンチューブ５は、ヘッドパイプ１２から後方斜め下方に向かって延びている。シートチューブ１６は、ダウンチューブ５の後端部から上方に向かって延びている。チェーンステイ７は、シートチューブ１６の下端部から後方に向かって延びている。ブラケット６は、ダウンチューブ５の後端部、シートチューブ１６の下端部、チェーンステイ７の前端部を接続する。

【0032】

シートチューブ１６にはシートポスト１７が挿入され、シートポスト１７の上端部には乗員が座るサドル２７が設けられる。チェーンステイ７の後方部は、駆動輪である後輪２６を回転可能に支持する。チェーンステイ７の後方部には、後輪２６を制動するブレーキ９が設けられる。また、チェーンステイ７の後方部には、駐輪時に車両を立てたまま保持するスタンド２９が設けられる。シートステイ１９は、シートチューブ１６の上部から後方斜め下方に向かって延びている。シートステイ１９の下端部は、チェーンステイ７の後方部に接続される。シートステイ１９は、サドル２７の後方に設けられた荷台２４を支持するとともに、後輪２６の上部を覆うフェンダー１８を支持する。フェンダー１８の後方部にはテールランプ２３が設けられる。

【0033】

車体フレーム１１の車両中央部付近に配置されたブラケット６には駆動ユニット５１が設けられる。駆動ユニット５１は、電動モータ５３、クランク軸５７、制御装置７０を含む。ブラケット６には、電動モータ５３等に電力を供給するバッテリ５６が搭載される。バッテリ５６はシートチューブ１６に支持されてもよい。

【0034】

クランク軸５７は駆動ユニット５１に左右方向に貫通して支持されている。クランク軸５７の両端部にはクランクアーム５４が設けられる。クランクアーム５４の先端には、ペダル５５が回転可能に設けられる。

【0035】

制御装置７０は、電動補助自転車１の動作を制御する。典型的には、制御装置７０はデジタル信号処理を行うことが可能なマイクロコントローラ、信号処理プロセッサ等の半導体集積回路を有する。乗員がペダル５５を足で踏んで回転させたときに発生するクランク軸５７の回転出力は、チェーン２８を介して、後輪２６に伝達される。制御装置７０は、クランク軸５７の回転出力に応じた駆動補助出力を発生するように電動モータ５３を制御する。電動モータ５３が発生した補助力は、チェーン２８を介して、後輪２６に伝達される。なお、チェーン２８の代わりにベルト、シャフト等が用いられてもよい。

【0036】

次に、制御装置７０の具体的な構成、制御装置７０の動作に利用される信号を生成するセンサ群を詳細に説明する。

【0037】

図２Ａは、主として制御装置７０の構成を示す電動補助自転車１のハードウェアブロック図である。図２Ａには、制御装置７０およびその周辺環境が示されている。周辺環境として、例えば制御装置７０に信号を出力する各種センサ、および、制御装置７０による動作の結果を受けて駆動される電動モータ５３が示されている。

【0038】

まず、制御装置７０の周辺環境から説明する。

【0039】

上述のように、制御装置７０は駆動ユニット５１に包含される。図２Ａには、同様に駆動ユニット５１に含まれる加速度センサ３８、トルクセンサ４１、クランク回転センサ４２および電動モータ５３が示されている。制御装置７０は、演算回路７１と平均化回路７８とモータ駆動回路７９とを有する。演算回路７１は、トルク信号を受け取って、予め用意された規則に基づいてトルク信号から目標加速度を算出し、目標加速度と現在の加速度との偏差が小さくなるよう、電動モータに発生させる補助力の大きさを決定するための演算と、制御信号の出力とを行う。

【0040】

加速度センサ３８は、電動補助自転車１の車両本体の加速度を検出する。加速度センサ３８は、例えばピエゾ抵抗型、静電容量型または熱検知型の３軸加速度センサである。３軸加速度センサは、直交する３軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）の各方向の加速度を１つで測定することが可能である。加速度信号は加速度の大きさに応じた電圧信号であり得る。加速度センサ３８は、電圧信号を加速度値に換算する加速度演算回路（図示せず）を有していてもよい。加速度演算回路は、例えば出力されたアナログ電圧信号をデジタル電圧信号に変換し、デジタル電圧信号の大きさから加速度を算出する。

【0041】

本明細書では、加速度センサ３８から出力された、検出された加速度を示す信号を「加速度信号」と呼ぶ。加速度信号は、アナログ電圧信号およびデジタル電圧信号のいずれでもよい。加速度センサ３８は、離散的でない連続信号として加速度信号を出力してもよいし、所定の周期（たとえば０．１秒）で加速度を検出した離散信号として加速度信号を出力してもよい。

【0042】

なお、本明細書では、直交する３軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）は絶対座標系ではなく、相対座標系を表している。より具体的には、直交する３軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）の方向はそれぞれ、加速度センサ３８が搭載された電動補助自転車１の前後方向、左右方向、および、上下方向である。なお、電動補助自転車１の前方向はその進行方向に一致し、上下方向は路面に垂直な方向に一致する。よって、平坦路を走行中の電動補助自転車１のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸と、傾斜路を走行中の電動補助自転車１のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸とは一致しないことがある。

【0043】

３軸加速度センサは加速度センサ３８の一例である。加速度センサ３８として、Ｘ軸の加速度ＧｘおよびＺ軸方向の加速度Ｇｚを測定可能な２軸加速度センサを採用してもよい。加速度センサ３８として、Ｘ軸の加速度Ｇｘを測定可能な１軸加速度センサを採用してもよい。加速度センサ３８は、車両の進行方向に沿ったＸ軸の加速度Ｇｘを少なくとも測定可能であればよい。なお、複数の加速度センサを用いて、それぞれが異なる軸方向の加速度を検出してもよい。図２Ａに示す例では、加速度センサ３８は、駆動ユニット５１内に配置されているが、配置位置はそれに限定されず、電動補助自転車１の任意の位置に配置されてもよい。

【0044】

トルクセンサ４１は、乗員がペダル５５に加えた人力（踏力）を、クランク軸５７に発生するトルクとして検出する。トルクセンサ４１は、例えば磁歪式トルクセンサである。トルクセンサ４１は、検出したトルクの大きさに応じた大きさの振幅の電圧信号を出力する。トルクセンサ４１は、電圧信号をトルクに換算するトルク演算回路（図示せず）を有していてもよい。トルク演算回路は、例えば出力されたアナログ電圧信号をデジタル電圧信号に変換し、デジタル電圧信号の大きさからトルクを算出する。

【0045】

本明細書では、トルクセンサ４１から出力された、検出されたトルクを示す信号を「トルク信号」と呼ぶ。トルク信号は、アナログ電圧信号およびデジタル電圧信号のいずれでもよい。トルクセンサ４１は、離散的でない連続信号としてトルク信号を出力してもよいし、所定の周期（たとえば０．１秒）でトルクを検出した離散信号としてトルク信号を出力してもよい。

【0046】

クランク回転センサ４２は、クランク軸５７の回転角を検出する。例えばクランク回転センサ４２は、クランク軸５７の回転を所定の角度毎に検出し、矩形波信号または正弦波信号を出力する。出力された信号を用いてクランク軸５７の回転角および回転速度が算出され得る。例えば、クランク軸５７の周りに磁極（Ｎ極、Ｓ極）を有する磁性体を複数個配置する。位置が固定されたホールセンサで、クランク軸５７の回転に伴う磁界の極性の変化を電圧信号に変換する。制御装置７０は、ホールセンサからの出力信号を用いて、磁界の極性の変化をカウントし、クランク軸５７の回転角および回転速度を算出する。クランク回転センサ４２は、出力された信号からクランク軸５７の回転角および回転速度を算出する演算回路を有していてもよい。

【0047】

モータ駆動回路７９は、例えばインバータである。モータ駆動回路７９は、演算回路７１からのモータ電流指令値に応じた振幅、周波数、流れる向き等を有する電流を、バッテリ５６から電動モータ５３に供給する。当該電流を供給された電動モータ５３は回転し、決定された大きさの補助力を発生させる。モータ駆動回路７９の詳細は後述する。

【0048】

電動モータ５３の回転は、モータ回転センサ４６によって検出される。モータ回転センサ４６は例えばホールセンサであり、電動モータ５３の回転するロータ（図示せず）が生み出す磁界を検出して磁界の強さや極性に応じた電圧信号を出力する。電動モータ５３がブラシレスＤＣモータの場合、ロータには複数の永久磁石が配置されている。モータ回転センサ４６は、ロータの回転に伴う磁界の極性の変化を電圧信号に変換する。演算回路７１は、モータ回転センサ４６からの出力信号を用いて、磁界の極性の変化をカウントし、ロータの回転角および回転速度を算出する。

【0049】

電動モータ５３が発生した補助力は動力伝達機構３１を介して後輪２６に伝達される。動力伝達機構３１は、図２Ｂを用いて後述するチェーン２８、従動スプロケット３２、駆動軸３３、変速機構３６、一方向クラッチ３７、電動モータ５３の回転を減速させる減速機（図示せず）、後輪２６に設けられた変速機（図示せず）等の総称である。以上の構成により、電動補助自転車１の乗員の人力を補助することができる。

【0050】

演算回路７１は、加速度センサ３８、トルクセンサ４１およびクランク回転センサ４２からそれぞれ出力される検出信号、および、操作盤６０から出力される操作信号を受け取って、補助力の大きさを決定する。演算回路７１は、決定した大きさの補助力を発生させるためのモータ電流指令値を、モータ駆動回路７９に送信する。その結果、電動モータ５３が回転し、電動モータ５３の駆動力が後輪２６に伝達される。これにより、電動モータ５３の駆動力が乗員の人力に加重される。

【0051】

なお、各種のセンサから出力される検出信号はアナログ信号である。検出信号が制御装置７０に入力される前に、一般にはアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換回路（図示せず）が設けられ得る。Ａ／Ｄ変換回路は、各センサ内に設けられていてもよいし、駆動ユニット５１内の、各センサと制御装置７０との間の信号経路上に設けられてもよい。または、Ａ／Ｄ変換回路は制御装置７０内に設けられていてもよい。

【0052】

電動モータ５３が発生させる補助力の大きさは、現在選択されているアシストモードによって変動し得る。アシストモードは、乗員が操作盤６０を操作して選択され得る。

【0053】

操作盤６０は、電動補助自転車１のハンドル１４（図１）に取り付けられて、例えば有線ケーブルによって制御装置７０と接続される。操作盤６０は、乗員が行った操作を示す操作信号を制御装置７０に送信し、また、制御装置７０から乗員に提示するための各種情報を受信する。

【0054】

次に、電動補助自転車１の動力伝達経路を説明する。図２Ｂは、電動補助自転車１の機械的構成の一例を示すブロック図である。

【0055】

乗員がペダル５５を踏み込んでクランク軸５７を回転させると、そのクランク軸５７の回転は、一方向クラッチ４３を介して合成機構５８に伝達される。電動モータ５３の回転は、減速機４５、一方向クラッチ４４を介して合成機構５８に伝達される。

【0056】

合成機構５８は、例えば筒状部材を有し、その筒状部材の内部にクランク軸５７が配置される。合成機構５８には、駆動スプロケット５９が取り付けられている。合成機構５８は、クランク軸５７および駆動スプロケット５９と同じ回転軸を中心にして回転する。

【0057】

一方向クラッチ４３は、クランク軸５７の順回転を合成機構５８に伝達し、クランク軸５７の逆回転は合成機構５８に伝達させない。一方向クラッチ４４は、電動モータ５３が発生した、合成機構５８を順回転させる方向の回転を合成機構５８に伝達し、合成機構５８を逆回転させる方向の回転は合成機構５８に伝達させない。また、電動モータ５３が停止している状態で、乗員がペダル５５を漕いで合成機構５８が回転した場合、一方向クラッチ４４は、その回転を電動モータ５３に伝達しない。乗員がペダル５５に加えた踏力と電動モータ５３が発生した補助力は、合成機構５８に伝達されて合成される。合成機構５８で合成された合力は、駆動スプロケット５９を介してチェーン２８へ伝達される。

【0058】

チェーン２８の回転は、従動スプロケット３２を介して駆動軸３３に伝達される。駆動軸３３の回転は、変速機構３６および一方向クラッチ３７を介して後輪２６に伝達される。

【0059】

変速機構３６は、乗員による変速操作器６７の操作に応じて変速比を変更する機構である。変速操作器６７は例えばハンドル１４（図１）に取り付けられる。一方向クラッチ３７は、駆動軸３３の回転速度が後輪２６の回転速度よりも速い場合に、駆動軸３３の回転を後輪２６に伝達する。駆動軸３３の回転速度が後輪２６の回転速度よりも遅い場合には、一方向クラッチ３７は駆動軸３３の回転を後輪２６に伝達しない。

【0060】

このような動力伝達経路により、乗員がペダル５５に加えた踏力および電動モータ５３が発生する補助力は、後輪２６に伝達される。

【0061】

図３は、例示的な操作盤６０の外観図である。操作盤６０は、例えばハンドル１４の左グリップの近傍に取り付けられる。

【0062】

操作盤６０は、表示パネル６１と、アシストモード操作スイッチ６２と、電源スイッチ６５とを備える。

【0063】

表示パネル６１は例えば液晶パネルである。表示パネル６１には、制御装置７０から提供された、電動補助自転車１の速度、バッテリ５６の残容量、アシスト比率を変動させる範囲に関する情報、アシストモードおよびその他の走行情報を含む情報が表示される。

【0064】

表示パネル６１は、速度表示エリア６１ａ、バッテリ残容量表示エリア６１ｂ、アシスト比率変動範囲表示エリア６１ｃおよびアシストモード表示エリア６１ｄを有する。表示パネル６１は、それらの情報等を乗員に報知する報知装置として機能し、この例では情報を表示するが、音声を出力して乗員に報知してもよい。

【0065】

速度表示エリア６１ａには、電動補助自転車１の車速が数字で表示される。本実施形態の場合、電動補助自転車１の車速は、前輪２５に設けられたスピードセンサ３５を用いて検出される。

【0066】

バッテリ残容量表示エリア６１ｂには、バッテリ５６から制御装置７０に出力される電池残容量の情報に基づいて、バッテリ５６の残容量がセグメントによって表示される。これにより、乗員はバッテリ５６の残容量を直感的に把握することができる。

【0067】

アシスト比率変動範囲表示エリア６１ｃには、制御装置７０が設定したアシスト比率を変動させる範囲がセグメントによって表示される。また、その変動範囲において現在実行中のアシスト比率をさらに表示してもよい。

【0068】

アシストモード表示エリア６１ｄには、乗員がアシストモード操作スイッチ６２を操作して選択したアシストモードが表示される。アシストモードは、例えば“強”、“標準”、“オートエコ”である。乗員がアシストモード操作スイッチ６２を操作してアシストモードオフを選択した場合は、アシストモード表示エリア６１ｄには“アシストなし”と表示される。

【0069】

アシストモード操作スイッチ６２は、上述した複数のアシストモード（アシストモードオフを含む。）のうちの一つを乗員が選択するためのスイッチである。複数のアシストモードのうちの一つが選択されたとき、操作盤６０の内部に設けられたマイコン（図示せず）は、選択されたアシストモードを特定する操作信号を制御装置７０に送信する。

【0070】

電源スイッチ６５は、電動補助自転車１の電源のオン／オフを切り替えるスイッチである。乗員は電源スイッチ６５を押して、電動補助自転車１の電源のオン／オフを切り替える。

【0071】

操作盤６０は、乗員に必要な情報を音により発信するスピーカ６３と光により発信するランプ６４とをさらに備える。例えば、制御装置７０は、乗員がペダル５５を漕ぐ動作に連動した加速度の変化に応じて、電動モータ５３に発生させる補助力の大きさを変更する。このとき、音声の出力および／または光の点滅等により、補助力の大きさを変更したことを乗員に報知する。これにより、乗員は例えば大きな補助力が発生していることを認識することができる。また、例えばハンドル１４および／またはサドル２７に振動を発生させることにより、補助力の大きさを変更したことを乗員に報知してもよい。

【0072】

また、補助力を大きくしているときは、電動補助自転車１の周囲の人々に聞こえる音量の音をスピーカ６３に発生させたり、ヘッドランプ２２およびテールランプ２３を点灯または点滅させたりしてもよい。これにより、電動補助自転車１の周囲の人々は、電動補助自転車１が通常の補助力よりも大きな補助力を発生させていることを認識することができる。

【0073】

電動モータ５３の補助力は、クランク回転出力に対して、“強”、“標準”、“オートエコ”の順に小さくなる。

【0074】

アシストモードが“標準”の場合、電動モータ５３は、例えば電動補助自転車１が発進、平坦路走行または上り坂走行の際に補助力を発生させる。アシストモードが“強”の場合、電動モータ５３は、“標準”の場合と同様、例えば電動補助自転車１が発進、平坦路走行または上り坂走行の際に補助力を発生させる。電動モータ５３は、アシストモードが“強”の場合には、同じクランク回転出力に対して“標準”の場合よりも大きな補助力を発生させる。アシストモードが“オートエコ”の場合、電動モータ５３は、例えば電動補助自転車１が平坦路での発進時には“標準”の場合よりも小さな補助力を発生し、上り坂走行の際には“標準”の場合よりも大きな補助力を発生する。また、平坦路や下り坂の走行などでペダル踏力が小さいときは、電動モータ５３は“標準”の場合よりも補助力を小さくしたり補助力の発生を停止したりして、電力消費量を抑える。アシストモードが“アシストなし”の場合、電動モータ５３は、補助力を発生しない。

【0075】

このように、上述のアシストモードに応じて、クランク回転出力に対する補助力が変わる。この例では、アシストモードを４段階に切り替えている。しかしながら、アシストモードの切替えは３段階以下であってもよいし、５段階以上であってもよい。

【0076】

次に、乗員がペダル５５を漕ぐ動作に連動して変化する加速度に応じて、電動モータ５３に発生させる補助力の大きさを変更する動作を説明する。

【0077】

まず、乗員がペダル５５を漕ぐ動作と加速度との関係を説明する。図４は、乗員がペダル５５を漕いだときのクランク軸５７の回転角、クランク軸５７に発生するトルク、車両の進行方向の加速度の関係を示す図である。図４に示す例では、電動補助自転車１は平坦路を走行しており、図中の左から右へ向かう方向を車両の進行方向ｘとする。

【0078】

乗員が足でペダル５５を漕ぐという電動補助自転車１の構造上、ペダル５５の位置、すなわちクランク軸５７の回転角に応じてペダル５５に加わる乗員の人力（踏力）の大きさは増減する。ペダル５５に加わる踏力の増減は、クランク軸５７に発生するトルクの増減として現れる。トルクが増減すると、電動補助自転車１を走行させる駆動力が増減する。このため、トルクの増減に応じて、電動補助自転車１の進行方向ｘの加速度は増減する。

【0079】

図４（ａ）は、乗員の右足を乗せる電動補助自転車１の右ペダル５５Ｒがクランク軸５７の真上に位置し、乗員の左足を乗せる電動補助自転車１の左ペダル５５Ｌがクランク軸５７の真下に位置している状態を示している。このときのクランク軸５７の回転角を０度とする。この状態では、人力によりクランク軸５７に発生するトルクは最小となる。トルクに連動して進行方向ｘの加速度も最小となる。

【0080】

図４（ａ）の状態から乗員が右ペダル５５Ｒを踏み込んで、クランク軸５７の回転角が大きくなるにつれて、人力によりクランク軸５７に発生するトルクは徐々に大きくなっていく。トルクが徐々に大きくなるにつれて、車両の進行方向ｘの加速度も大きくなっていく。

【0081】

図４（ｂ）は、クランク軸５７に対して右ペダル５５Ｒが水平方向前方に位置しており、左ペダル５５Ｌが水平方向後方に位置している状態を示している。このときのクランク軸５７の回転角を９０度とする。この回転角が９０度のとき、人力によりクランク軸５７に発生するトルクは最大となる。トルクに連動して、車両の進行方向ｘの加速度も最大となる。

【0082】

図４（ｂ）の状態からクランク軸５７の回転角がさらに大きくなっていくにつれて、人力によりクランク軸５７に発生するトルクは徐々に小さくなっていく。トルクが徐々に小さくなるにつれて、車両の進行方向ｘの加速度も小さくなっていく。

【0083】

図４（ｃ）は、クランク軸５７に対して右ペダル５５Ｒが真下に位置しており、左ペダル５５Ｌが真上に位置している状態を示している。このときのクランク軸５７の回転角を１８０度とする。この回転角が１８０度のとき、人力によりクランク軸５７に発生するトルクは最小となる。トルクに連動して、車両の進行方向ｘの加速度も最小となる。

【0084】

図４（ｃ）の状態から乗員が左ペダル５５Ｌを踏み込んで、クランク軸５７の回転角がさらに大きくなるにつれて、人力によりクランク軸５７に発生するトルクは徐々に大きくなっていく。トルクが徐々に大きくなるにつれて、車両の進行方向ｘの加速度も大きくなっていく。

【0085】

図４（ｄ）は、クランク軸５７に対して左ペダル５５Ｌが水平方向前方に位置しており、右ペダル５５Ｒが水平方向後方に位置している状態を示している。このときのクランク軸５７の回転角を２７０度とする。この回転角が２７０度のとき、人力によりクランク軸５７に発生するトルクは最大となる。トルクに連動して、車両の進行方向ｘの加速度も最大となる。

【0086】

図４（ｄ）の状態からクランク軸５７の回転角がさらに大きくなっていくにつれて、人力によりクランク軸５７に発生するトルクは徐々に小さくなっていく。トルクが徐々に小さくなるにつれて、車両の進行方向ｘの加速度も小さくなっていく。

【0087】

図４（ｅ）は、クランク軸５７に対して右ペダル５５Ｒが真上に位置しており、左ペダル５５Ｌが真下に位置している状態を示している。すなわち、図４（ｅ）は、図４（ａ）の状態からクランク軸５７が１回転した状態を示している。このときのクランク軸５７の回転角を０度とする。この回転角が０度のとき、人力によりクランク軸５７に発生するトルクは最小となる。トルクに連動して、車両の進行方向ｘの加速度も最小となる。

【0088】

このように、クランク軸５７の回転角に応じて、クランク軸５７に発生するトルクは増減する。増減するトルクには山と谷とが交互に現れる。この増減するトルクに同期して、車両の進行方向ｘの加速度は増減する。トルクの山と谷が現れるタイミングに同期して、増減する加速度には山と谷とが交互に現れる。

【0089】

トルクの互いに隣接する山と谷の間における山の頂点は、その区間におけるトルクの最大値である。トルクの谷の底は、その区間におけるトルクの最小値である。本明細書中において、互いに隣接する山と谷の間とは、その山の頂点およびその谷の底の部分も含む。

【0090】

加速度の互いに隣接する山と谷における山の頂点は、その区間における加速度の最大値である。加速度の谷の底は、その区間における加速度の最小値である。増減するトルクの互いに隣接する山と谷が現れるタイミングに同期して、加速度の最大値と最小値とが現れる。

【0091】

電動補助自転車１に乗車する乗員は、ペダル５５に加える踏力、および、ペダル５５を漕ぐ速さを調整することにより、その乗員が所望する加速感で電動補助自転車１を加速させ、所望する速度で走行させる。電動補助自転車１に乗車する乗員が、図４に示すような周期的に変化するトルクで電動補助自転車１を漕いでいることを、本明細書では「一定の漕ぎ方」と呼ぶ。

【0092】

乗員が平坦路において一定の漕ぎ方で電動補助自転車１を漕いでいるとき、その乗員は、図４に示すような周期的な変化を伴う加速度で電動補助自転車１を走行させることを望んでいると考えられる。一方、電動補助自転車１は種々の外乱の影響を受ける。その結果、図４に示すような周期的に変化する加速度が得られないことがある。例えば、電動補助自転車１の走行に伴う向かい風、気象学的に発生する風および／または傾斜路はいずれも、外乱の一つである。

【0093】

本願発明者は、乗員が一定の漕ぎ方で電動補助自転車１を漕いでいる時には、外乱の影響の有無にかかわらず、図４に示すような周期的な変化を伴う加速感で電動補助自転車１を走行させるよう電動補助自転車１の補助力を調整することを考えた。本明細書でいう「加速感」とは、図４に示すような周期的な変化を伴う加速度によって走行するときの、進行方向速度の増減によって乗員が感じる速度感覚を言う。「加速感」は加速度センサ３８が検出する加速度とは異なる。後述するように、傾斜路においては、加速度センサ３８は傾斜に応じた加速度を検出するため、電動補助自転車１が停止状態であっても加速度センサ３８はゼロではない一定の値を出力する。そのため、仮に、平坦路と傾斜路とにおいて電動補助自転車１が全く同じ速度変化で走行していたとしても、平坦路で加速度センサ３８が検出する加速度と傾斜路で加速度センサ３８が検出する加速度とは一致しない。しかしながら、補助力を適切に調整することで、傾斜路等の、外乱の影響が存在する走行状況下であっても、乗員が平坦路と同じ加速感で電動補助自転車１を漕ぐことができる。同じ加速感とは、例えばある時間区間の平均時速が同じである、と言ってもよい。本発明の実施形態では、平坦路走行時と、負荷が存在する走行時とにおいて、乗員が同じ加速感で電動補助自転車１を運転できるようにした。

【0094】

以下、図５Ａおよび図５Ｂを参照しながら、本実施形態による電動補助自転車１の動作の概要を説明する。

【0095】

図５Ａは、乗員が負荷として向かい風を受ける場合の電動補助自転車１の運動例を示す。ある時刻までは無風状態であり、それ以降の図面上下方向に平行な破線に示すタイミングで乗員が向かい風を受けたとする。

【0096】

図５Ａの（ａ）はトルク信号に基づいて得られるトルクの値の波形を模式的に示す。（ａ）の波形から理解されるように、乗員は一定の漕ぎ方で乗車している。本実施形態では、制御装置７０は、トルク信号から目標加速度を算出し、目標加速度と現在の加速度との偏差が小さくなるよう、電動モータ５３に発生させる補助力の大きさを決定する。

【0097】

本願発明者は、トルク信号が示すトルクの値は、乗員が電動補助自転車１をどのような加速度で運転したいかを直接的に示す値であると考え、トルク信号と目標加速度との対応関係を規定するマップまたは関数を定めた。当該マップまたは関数によれば、トルクの値から目標加速度を一意に決定することができる。

【0098】

図５Ａの（ｂ）は、トルクに基づいて算出された目標加速度の波形を模式的に示す。概ね、トルクの値が小さいほど目標加速度は小さくなり、トルクの値が大きいほど目標加速度は大きくなる。目標加速度の値はトルクの値に同期して増減し得る。

【0099】

図５Ａの（ｃ）は、車両の進行方向ｘの加速度を模式的に示す。実線は、加速度センサ３８から出力された加速度信号の波形を示し、破線は目標加速度の波形を示す。以下、時刻ｔにおける隣接する加速度の山と谷との差Ｐ−Ｐ（ｔ）などと表す。

【0100】

差Ｐ−Ｐ（ｔ）と、差Ｐ−Ｐ（ｔ＋１）とを比較すると、後者の加速度値の方が負の方向に大きく振れている。そのため、時刻ｔ＋１における加速度値と目標加速度値との偏差Ｅｎ（ｔ＋１）も相対的に大きくなる。

【0101】

本実施形態では制御装置７０は、当該偏差Ｅｎ（ｔ＋１）が小さくなるよう、電動モータ５３に発生させる補助力の大きさを決定する。「小さくなる」とは、例えば０（ゼロ）にすることを言う。

【0102】

向かい風を受けた後、制御装置７０がより強い補助力を発生させたことにより、時刻（ｔ＋２）では偏差Ｅｎ（ｔ＋２）は概ね０に収束している。これはすなわち、乗員は向かい風を受けたにもかかわらず、同じ踏力（トルク）で電動補助自転車１を漕ぎ続ければ、同じ加速度を維持できていると言える。

【0103】

図５Ｂは、乗員が負荷として傾斜路から斜面下向きの力を受ける場合の電動補助自転車１の運動例を示す。電動補助自転車１は、ある時刻までは平坦路を走行しており、それ以降の図面上下方向に平行な破線に示すタイミングで傾斜路に差し掛かったとする。なお、図５Ｂの（ｂ）および（ｃ）はそれぞれ、目標加速度および現実の加速度を示している。図５Ｂの（ｂ）および（ｃ）において、傾斜路に差し掛かった後の波形は、ハイパスフィルタによって傾斜路に伴って重畳される加速度の低周波成分を除去した波形として描かれている。処理の詳細は後述する。

【0104】

図５Ｂの（ａ）はトルク信号に基づいて得られるトルクの値の波形を模式的に示す。（ａ）の波形から理解されるように、乗員は、平坦路では一定の漕ぎ方で乗車しているが、傾斜路に差し掛かった直後はより強い踏力で電動補助自転車１を漕いでいる。このような乗員の漕ぎ方は一般的である。傾斜路に差し掛かる前後では、乗員は傾斜路を上ることに伴う速度の低下を予期して直感的に強く漕ぐからである。

【0105】

図５Ｂの（ｂ）は、トルクに基づいて算出された目標加速度の波形を模式的に示す。図５Ａの（ｂ）に関連して説明したように、トルクの値が小さいほど目標加速度は小さくなり、トルクの値が大きいほど目標加速度は大きくなる。傾斜路に差し掛かった直後のより強い踏力に同期して目標加速度もそれまでより大きく算出されていることが理解される。

【0106】

図５Ｂの（ｃ）は、車両の進行方向ｘの加速度を模式的に示す。実線は、加速度センサ３８から出力された加速度信号の波形を示し、破線は目標加速度の波形を示す。

【0107】

差Ｐ−Ｐ（ｔ）と差Ｐ−Ｐ（ｔ＋１）とを比較すると、後者の加速度値の方が負の方向に大きく振れている。そのため、時刻（ｔ＋１）における加速度値と目標加速度値との偏差Ｅｎ（ｔ＋１）も相対的に大きくなる。

【0108】

制御装置７０は、当該偏差Ｅｎ（ｔ＋１）が小さくなるよう、電動モータ５３に発生させる補助力の大きさを決定する。本例でも、「小さくなる」とは、例えば０（ゼロ）にすることを言う。

【0109】

傾斜路を上り始めた後、制御装置７０がより強い補助力を発生させたことにより、差Ｐ−Ｐ（ｔ＋１）と、差Ｐ−Ｐ（ｔ＋２）とを比較すると、後者の方がより小さくなっている。ただし０には収束していない。そのため制御装置７０は、時刻（ｔ＋２）における加速度値と目標加速度値との偏差Ｅｎ（ｔ＋２）が小さくなるよう、さらに電動モータ５３に発生させる補助力の大きさを決定する。このような処理の結果、以後の電動補助自転車１の偏差は概ね０に収束している。

【0110】

なお、傾斜路を進むにつれて電動モータ５３がより強い補助力を発生させるため、乗員は踏力（トルク）を徐々に弱め、結果として平坦路走行時の踏力に戻している。乗員は傾斜路を走行し始めた後、十分短い期間内で、踏力（トルク）を平坦路走行時と同じ程度に戻すことができ、かつ、平坦路走行時と同じ加速感を得ることができる。

【0111】

上述の制御を行うことにより、乗員は、負荷が大きい時には強く漕ぐ必要がなくなり、負荷が軽い時には補助力が大きすぎて飛び出すこともなくなる。つまり乗員は、負荷が大きくても小さくても一定の漕ぎ方を継続すれば平坦路と同様の所望の加速感を得ることができる。

【0112】

次に、再び図２Ａを参照して制御装置７０の内部構成を説明し、その後、制御装置７０の動作を説明する。

【0113】

上述したように、制御装置７０は、演算回路７１と平均化回路７８とモータ駆動回路７９とを有する。本実施形態では、演算回路７１は複数の回路を統合した集積回路であるとして説明する。しかしながら当該構成は一例である。１つまたは複数の回路が実現する処理を、１つの信号処理プロセッサを用いてソフトウェア処理によって実現してもよい。

【0114】

平均化回路７８は、加速度センサ３８から出力された各軸方向の検出信号を平滑化するデジタルフィルタ回路である。平均化回路７８は、例えば複数の検出信号の移動平均を計算することにより、検出信号を平滑化することができる。他の平滑化アルゴリズムを用いてもよい。なお、本実施形態では平均化回路７８を設けているが、本願発明においては平均化回路７８を設けることは必須ではない。

【0115】

演算回路７１は、アシストモード等からモータ電流指令値を求める演算と、トルクに基づいて目標加速度を求める演算と、目標加速度と現在の加速度との偏差を小さくするモータトルクを求め、当該モータトルクを発生させるようモータ電流指令値を補正する演算と、補正したモータ指令値を速度等の条件を考慮してさらに補正する演算と、制御信号の出力とを行う。

【0116】

本実施形態では、演算回路７１は複数種類の処理を行うブロックを有している。具体的には、演算回路７１は、目標加速度演算ブロック７２と、ハイパスフィルタ７３と、モータ電流指令値演算ブロック７４と、モータ電流指令値補正ブロック７５および７６と、記憶ブロック７７とを有している。記憶ブロック７７を除く各ブロックは演算回路７１内の演算コアとして実装されてもよいし、コンピュータプログラムのサブ・ルーチンまたはライブラリとして実装されてもよい。

【0117】

目標加速度演算ブロック７２は、トルクセンサ４１からトルク信号を受け取り、さらに後述の記憶ブロック７７に予め格納された加速度演算規則７７ａを参照して、トルク信号から目標加速度を算出する。

【0118】

図６は、人間の踏力（トルク信号）と目標加速度との関係を示す加速度演算規則７７ａの一例である。上述のように、本願発明者は乗員の踏力が分かれば、その乗員が希望する加速度を一意に特定できると考えた。そこで、本願発明者は、人間の踏力（トルク信号）と目標加速度とを対応付けた関係を、加速度演算規則７７ａとして予め用意して記憶ブロック７７に保持させた。目標加速度演算ブロック７２は、トルクセンサ４１から得られた踏力に基づいて加速度演算規則７７ａを参照し、目標加速度を算出する。

【0119】

図６では、トルク信号と目標加速度との対応関係が非線形連続関数として表されているが、これは一例である。トルク信号と目標加速度との対応関係を線形連続関数として表してもよいし、トルク信号の信号値と、目標加速度とを１対１で対応づけたマップまたはテーブルで表してもよい。

【0120】

図６の例を拡張することもできる。アシストモードが選択可能であるとき、選択されているアシストモードに応じて異なる関数、マップまたはテーブルを選択してもよい。

【0121】

図７は選択可能なＮ個のアシストモードの各々について規定された、人間の踏力（トルク信号）と目標加速度との関係を示す。アシスト比率についてはアシストモード１が最も小さく、アシストモードＮが最も大きいとする。図７の例によれば、同じ踏力であっても、アシストモードが大きいほど大きい目標加速度が設定され得る。

【0122】

なお、図６および図７の具体的なプロファイルは、電動補助自転車１の仕様等に基づいて、電動補助自転車１の設計者または製造者が適宜決定し得る。換言すれば、電動補助自転車１の仕様が決まらなければ図６および図７の具体的なプロファイルは決定されない。その理由は、同じ踏力であっても、たとえばクランク軸に取り付けられるスプロケット（図示せず）および後輪に取り付けられるスプロケット（図示せず）の各々の径および歯数等によって加速性能が大きく異なるためである。

【0123】

モータ電流指令値演算ブロック７４は、以後の処理のベースとなるモータ電流指令値を演算する。一般に、電動モータ５３により発生するトルクは、電動モータ５３を流れる電流に比例する。電動モータ５３に流す電流を決めれば、発生するトルクも一義的に決まる。つまり、モータ電流指令値を決めることは、電動モータ５３に発生させるトルクを決めることになる。

【0124】

まず、モータ電流指令値の演算方法の概要を説明し、その後その詳細に説明する。モータ電流指令値演算ブロック７４は、操作盤６０を用いて乗員によって選択されたアシストモードを特定するデータを受け取り、アシストモードを設定する。アシストモードに応じて、モータ電流指令値を決定するためのマップまたは規則が異なるからである。またモータ電流指令値演算ブロック７４は、トルクセンサ４１が検出したペダルトルクの大きさを示す値を受け取る。ペダルトルクの大きさは、補助力を決定するためのパラメータ一つである。さらにモータ電流指令値演算ブロック７４は、変速段センサ４８から、変速機の変速段を示すデータを受け取る。変速段センサ４８は、動力伝達機構３１に包含される変速機の変速段を検出するデータである。変速段の大きさに応じて、後輪２６が地面に加える補助力の大きさが変化する。そのため、変速段センサ４８の出力値もまた、モータ電流指令値を演算するための基本的なパラメータの一つであると言える。モータ電流指令値演算ブロック７４は、スピードセンサ３５からの速度データをさらに受け取る。

【0125】

モータ電流指令値演算ブロック７４は、ペダル踏力により後輪２６の駆動軸に発生するトルクと、電動モータ５３により後輪２６の駆動軸に発生するトルクとの比率が、アシスト比率に合うように、モータ電流指令値を決める。アシスト比率は、ペダル５５に加えられた乗員の人力により発生するクランク回転出力に対する、電動モータ５３により発生する補助出力の比率を言う。なお、アシスト比率は駆動補助比率とも呼ばれ得る。

【0126】

モータ電流指令値演算ブロック７４は、例えば、ペダル踏力により後輪２６の駆動軸に発生するトルクと、電動モータ５３により後輪２６の駆動軸に発生するトルクとが同じになるように（アシスト比率は１：１）、モータ電流指令値を求める。例えば、予め定めされた「人力トルクとモータ電流指令値との関係を示すテーブル」を用いて、モータ電流指令値を求めることができる。このとき、モータ電流指令値演算ブロック７４は、電動モータ５３の回転を減速させる減速機の減速比をさらに考慮して電流指令値を演算する。例えば、減速比＝Ｎのときは、ペダル踏力により後輪２６の駆動軸に発生するトルクの１／Ｎのモータトルクが発生するように、モータ電流指令値を演算する。例えば、減速比＝２のときは、ペダル踏力により後輪２６の駆動軸に発生するトルクの１／２のモータトルクが発生するように、モータ電流指令値を演算する。

【0127】

次に、モータ電流指令値演算ブロック７４は、ユーザが設定したアシストモードに応じた係数をモータ電流指令値に掛ける。一例として、アシストモードが“強”のときの係数を２、アシストモードが“標準”のときの係数を１、アシストモードが“弱”のときの係数を０．８とし、ユーザが設定したアシストモードに対応する係数をモータ電流指令値に掛ける。

【0128】

次に、モータ電流指令値演算ブロック７４は、車速を考慮してモータ電流指令値を補正する。例えば、車速が低速であるときは、モータ電流指令値を大きめに設定する。車速が大きくなれば、モータ電流指令値を減らしていく。このようにモータ電流指令値を設定することで、車両の発進時の補助力が大きくなるので、運転フィーリングが向上する。

【0129】

次に、モータ電流指令値演算ブロック７４は、変速段を考慮してモータ電流指令値を補正する。モータ電流指令値演算ブロック７４は、例えば現在の変速段が予め定められた段以下のローギアであるときには、電動モータ５３に流れる電流をより低く設定してもよい。これにより、電動モータ５３による補助力の大きさが抑えられ、車両の加速度が大きくなりすぎることを防ぐことができる。よって運転フィーリングを向上させることができる。

【0130】

なお、モータ電流指令値演算ブロック７４は、電動モータ５３の回転速度と車両本体の走行速度から変速段を演算してもよい。モータ電流指令値演算ブロック７４は、モータ回転センサ４６の出力信号とスピードセンサ３５の出力信号を用いて変速段を演算する。この場合は、変速段センサ４８は省略されてもよい。

【0131】

上記のモータ電流指令値演算ブロック７４の処理の順番は一例であり、上記とは異なる順番で処理が行われてもよい。例えば、変速段を考慮してモータ電流指令値を補正した後に、車速を考慮してモータ電流指令値を補正してもよい。なお、変速段センサ４８を設けることは本実施形態では必須ではない。モータ電流指令値演算ブロック７４は、モータ電流指令値をモータ電流指令値補正ブロック７５に出力する。

【0132】

次に、ハイパスフィルタ７３を説明する。ハイパスフィルタ７３は、予め定められた周波数、たとえば５Ｈｚ以上の高周波成分を透過させるデジタルフィルタである。ただしハイパスフィルタ７３にアナログ加速度信号が入力される場合には、ハイパスフィルタ７３はアナログフィルタである。上述の「５Ｈｚ」の根拠を簡単に説明する。ケイデンスを最大２００ｒｐｍと仮定したとき、ペダルは毎秒３．３回転である。つまりペダルの回転は３．３Ｈｚである。この値についてマージンを約１．５倍取り、５Ｈｚとした。厳密には５Ｈｚでなくてもよく、当業者であれば適宜調整可能である。

【0133】

モータ電流指令値補正ブロック７５は、モータ電流指令値演算ブロック７４が算出したモータ電流指令値と、目標加速度演算ブロック７２が出力した目標加速度の値と、ハイパスフィルタ７３から出力された加速度センサ３８の値（検出した加速度の値）とを受け取る。そしてモータ電流指令値補正ブロック７５は、目標加速度に対して、検出した加速度が一致するよう、モータ電流指令値を補正する。

【0134】

補正方法の概要は以下のとおりである。

【0135】

補正方法（ａ）：モータ電流指令値補正ブロック７５は、検出した加速度の値が目標加速度の値よりも小さければ、モータ電流指令値を補正して増加させる。

【0136】

補正方法（ｂ）：モータ電流指令値補正ブロック７５は、検出した加速度の値が目標加速度の値を維持している場合には、モータ電流指令値を維持する。

【0137】

補正方法（ｃ）モータ電流指令値補正ブロック７５は、検出した加速度の値が目標加速度の値よりも大きければ、モータ電流指令値を補正して減少させる。

【0138】

上述の補正方法に適した処理の一つとして、本実施形態ではＰＩＤ制御を利用する。モータ電流指令値補正ブロック７５は、ＰＩＤ制御を用いて、電動モータ５３に発生させるべきモータトルクを算出する。次にモータ電流指令値補正ブロック７５は、算出したモータトルクを発生させるためのモータ電流指令値を決定し、現在のモータ電流指令値との差分を求める。差分は正の値、０、負の値のいずれかであり得る。

【0139】

モータ電流指令値補正ブロック７５の処理を具体的に説明する。いま、駆動ユニット５１の比例要素、微分要素および積分要素の各フィードバックゲインを、それぞれＫｐ、ＫｄおよびＫｉと表す。また時刻ｔにおける現在の偏差をｅ（ｔ）と表す。

【0140】

モータ電流指令値補正ブロック７５は、電動モータ５３に発生させる補助力に対応するモータトルクＦｍを、以下の式によって決定する。

【数1】

【0141】

右辺第１項は比例要素に関する演算（比例制御演算）である。一般に、比例制御演算は現在の値を目標値までにスムーズに近づけるために用いられる。偏差が小さくなる、つまり目標値に近づくにつれて、比例制御演算に基づく操作量は少なくなる。モータ電流指令値補正ブロック７５は、直前の偏差に比例した大きさのトルクを決定する。

【0142】

右辺第２項は積分要素に関する演算（積分制御演算）である。上述の比例制御演算では目標値に近づくにつれて操作量は少なくなるため、偏差が残留する。積分制御演算はそのような残留偏差をさらに低減するために用いられる。積分制御演算を行うことにより、残留偏差が時間的に累積され、ある大きさになると操作量を増して残留偏差をさらに低減できる。モータ電流指令値補正ブロック７５は、残留偏差の累積値に比例した大きさのトルクを決定する。

【0143】

右辺第３項は微分要素に関する演算（微分制御演算）である。一般に、微分制御演算は外乱発生時の応答性（応答の速さ）を向上させるために用いられる。急な外乱により前回の偏差と現在の偏差との差が大きくなると、その差に応じた操作量を大きくして追従性を向上させる。モータ電流指令値補正ブロック７５は、残留偏差の微分に比例した大きさのトルクを決定する。

【0144】

なお、比例要素、微分要素および積分要素の各フィードバックゲインＫｐ、ＫｄおよびＫｉは、電動モータ５３の性能、電動補助自転車１の動力伝達機構の仕様等に応じて変化し得る。電動補助自転車１の仕様は、制御システム設計時のモデルにおいて、たとえば制御応答の立ち上がりまでの無駄時間、時定数、収束させるべき定常値をどのように設定するかと深く関連する。各フィードバックゲインＫｐ、ＫｄおよびＫｉをどのように設定するかも同様である。

【0145】

上述の数１に従ってモータトルクＦｍを算出すると、モータ電流指令値補正ブロック７５は、当該モータトルクＦｍを生み出すために必要な電流指令値を求める。モータトルクＦｍと電流指令値との関係は、電動モータ５３の性能を示す指標として予め入手可能である。モータ電流指令値補正ブロック７５は、当該関係を示す、モータトルク−電流指令値対応テーブルを予め保持している。モータ電流指令値補正ブロック７５は、当該テーブルを参照して、数１によって得られたモータトルクＦｍを生み出すために必要な電流指令値を求め、その後、現在の電流指令値が新たな電流指令値になるよう補正する。

【0146】

なお、上述した数１の左辺はモータトルクＦｍを表していたが、直接電流指令値を求めることもできる。このとき、数１の右辺に記載された各フィードバックゲインＫｐ、ＫｄおよびＫｉは、上述のモータトルク−電流指令値対応テーブルの内容を加味した値に変更すればよい。残留偏差に関する比例項、積分項および微分項から電流指令値を求めるための各フィードバックゲインを、それぞれＫｐ’、Ｋｄ’およびＫｉ’と表現する。モータ電流指令値補正ブロック７５は、電動モータ５３に発生させる電流指令値Ｉｍ（ｔ）を下記数２によって決定することができる。

【数2】

【0147】

モータトルク−電流指令値対応テーブルを利用してモータトルクＦｍから電流指令値を求めるか、あるいは、フィードバックゲインを変更することにより数１から直接電流指令値を求めるかは設計の問題であり、いずれを採用してもよい。

【0148】

モータ電流指令値補正ブロック７５は、モータ電流指令値をモータ電流指令値補正ブロック７６に出力する。

【0149】

次に、モータ電流指令値補正ブロック７６を説明する。モータ電流指令値補正ブロック７６は、モータ電流指令値補正ブロック７５によって補正されたモータ電流指令値をさらに補正する。補正の目的は、車速に応じたモータトルクの漸減ため、および、クランク回転を考慮した乗車フィーリングの向上のためである。以下、具体的に説明する。

【0150】

モータ電流指令値補正ブロック７６は、車速に応じてモータ電流指令値を補正する。日本では、車速が所定の値以上（例えば時速１０ｋｍ以上）になると、アシスト比率の上限を下げるよう制限が加えられる。時速１０ｋｍ以上では、車速に比例してアシスト比率の上限は漸減していき、時速２４ｋｍ／ｈ以上ではアシスト比率は１：０、すなわち補助出力はゼロになる。モータ電流指令値補正ブロック７６は、例えば、予め定められた「車速と漸減率との関係を示すテーブル」等を用いて漸減率を決める。モータ電流指令値に漸減率を掛けることで、電動モータ５３により発生するトルクを漸減させる。漸減率変化は、直線的であってもよいし、曲線的であってもよい。

【0151】

また、モータ電流指令値補正ブロック７６は、クランク軸５７の回転速度に応じてモータ電流指令値を補正する。例えば、停車寸前の低速走行時では、いつ補助力の発生を止めるかで運転フィーリングが変化する。例えば、ペダル踏力が実質的にゼロであっても、わずかな補助力を継続的に発生させた方が、運転フィーリングが向上する場合がある。この場合は、クランク軸５７の回転速度を参照することで、乗員の運転意思を確認することができる。クランク軸５７が動いている、すなわち乗員がペダルを漕いでいる間は補助力を発生させ、クランク軸５７が停止すると補助力の発生を停止する。これにより、運転フィーリングを向上させることができる。

【0152】

モータ電流指令値補正ブロック７６は、モータ電流指令値をモータ駆動回路７９に出力する。モータ駆動回路７９は、モータ電流指令値に応じた電流を電動モータ５３に供給する。

【0153】

モータ駆動回路７９の処理を具体的に説明する。

【0154】

モータ駆動回路７９が受け取ったモータ電流指令値は、電動モータ５３に実際に流すべき電流を表す。当該モータ電流指令値は、目標モータ電流値を表すと言える。モータ駆動回路７９は、目標モータ電流値どおりの電流が流れるよう、電流量の監視および制御を行う。このとき行われる制御は、フィードバック制御が好適である。本実施形態では、モータ駆動回路７９は、フィードバック制御としてＰＩＤ制御を行う。なお、ＰＩＤ制御は上述の数１によって表現される周知の制御方法である。そのため処理の詳細は省略する。実際に流れる電流がモータ電流指令値に従うよう制御できる限り、モータ駆動回路７９は、任意の制御方法を利用することができる。

【0155】

電流の監視のため、駆動ユニット５１は電流センサ４７を有する。電流センサ４７は、電動モータ５３を流れる電流の値を検出し、モータ駆動回路７９に出力する。モータ駆動回路７９は、電流センサ４７の出力信号を用いてフィードバック制御を行う。

【0156】

図２Ａに例示する電動モータ５３は、三相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の巻線を有する三相モータである。電動モータ５３は、例えばブラシレスＤＣモータである。

【0157】

図２Ａに示す例では、電流センサ４７は、三相の各電流線（Ｕ、Ｖ、Ｗ線）の各々を流れる電流を検出する。電流センサ４７は、三相の各電流線ではなく、二相の電流線を流れる電流のみを検出してもよい。三相通電制御において各相を流れる電流の値の合計は、理論上ゼロになる。この関係を用いれば、２つの電流値から残りの１つの電流値を演算により求めることができるからである。これにより、三相のそれぞれを流れる電流の値を取得することができる。なお、Ｕ、Ｖ、Ｗ線には、位相が互いに、１２０度ずつずれた正弦波波形の電流が流れる。「電流の値」は、一般には波形の振幅を言い、電流の最大値と最小値との差Ｐ−Ｐ（Ｐｅａｋ ｔｏ Ｐｅａｋ）として表され得る。電流実測値から差Ｐ−Ｐを算出する計算方法は周知である。モータ駆動回路７９は、電流センサ４７によって検出された２つの電流実測値を、所定の計算式に代入することにより、差Ｐ−Ｐを求めることができる。

【0158】

記憶ブロック７７は、演算回路７１内に設けられた記憶装置である。記憶装置の一例は、不揮発性メモリであるＲＯＭまたはフラッシュメモリ、揮発性メモリであるＲＡＭ、バッファまたはレジスタである。記憶ブロック７７は上述した加速度演算規則７７ａのデータを格納する。

【0159】

以上の処理により、演算回路７１は加速度の偏差を少なくするようなアシスト比率で電動モータ５３を回転させることができる。

【0160】

次に、駆動ユニット５１内の制御装置７０が行う処理の詳細を説明する。

【0161】

図８は、制御装置７０の処理の手順を示すフローチャートである。

【0162】

ステップＳ１０において、制御装置７０は、自動アシスト切り替えが有効か否かを判定する。制御装置７０は、自動アシスト切り替えが有効である場合にのみ、次のステップＳ１１に進む。ステップＳ１０において「Ｎｏ」に該当する場合の処理は、乗員がアシストモードを固定している場合を想定している。このような場合には、その意思に反して電動補助自転車１を動作させる必要はない。自動アシスト切り替えが有効か否かは、ハードウェアボタンによって切り替えられてもよいし、例えばソフトウェア処理によって設定されてもよい。後者の例は、電源スイッチ６５の長押しによってアシスト切り替えが禁止されるロックモードであるか否かを判定すればよい。なお、自動アシスト切り替えが有効か否かの判断に代えて、またはその判断に加重して、後述する加速度の偏差に応じた補助力の調整を許可するか否かの設定を行えるようにしてもよい。当該設定の切り替えも、ハードウェアボタンまたはソフトウェア処理によって実現することができる。

【0163】

ステップＳ１１において、平均化回路７８は、加速度センサ３８から加速度信号を受け取る。平均化回路７８は、当該加速度信号を平滑化してハイパスフィルタ７３に出力する。ハイパスフィルタ７３は平滑化された加速度信号から、予め定められた周波数以上の高周波成分を透過させ、当該周波数未満の周波数成分を除去する。なお平均化回路７８を設けない場合には、加速度センサ３８から出力された加速度信号をそのままハイパスフィルタ７３に入力すればよい。

【0164】

ステップＳ１２において、目標加速度演算ブロック７２は、トルクセンサ４１から出力されたトルク信号を受け取り、さらに記憶ブロック７７に格納された加速度演算規則７７ａを参照して、トルク信号の値から目標加速度を演算する。加速度演算規則７７ａが、図７に示すようなアシストモードに応じて変化し得る複数の関数等を含む場合には、目標加速度演算ブロック７２は、現在選択されているアシストモードを示す情報を操作盤６０から受け取る。

【0165】

ステップＳ１３において、モータ電流指令値演算ブロック７４は、選択されたアシストモード、ペダルトルクおよび変速段に基づいて、モータ電流指令値を演算する。

【0166】

ステップＳ１４において、モータ電流指令値補正ブロック７５は、上述した（数１）を利用してモータトルクＦｍ（ｔ）を演算する。さらにモータ電流指令値補正ブロック７５は、当該モータトルクを生み出すための電流指令値を、予め用意された、モータトルク−電流指令値対応テーブルを参照して求める。そしてモータ電流指令値補正ブロック７５は、得られた電流指令値を利用してモータ電流指令値を補正する。

【0167】

ステップＳ１５において、モータ電流指令値演算ブロック７６は、モータ電流指令値補正ブロック７５が補正した電流指令値を、車速およびクランク回転に基づいてさらに補正する。

【0168】

モータ電流指令値補正ブロック７６によってさらに補正された電流指令値は、モータ駆動回路７９に送られ、モータ駆動回路７９によって電動モータ５３に電流が流される。これにより、電動モータ５３が回転し、求められたモータトルクＦｍ（ｔ）を発生する。

【0169】

次に、図９および図１０を参照しながら、上述の処理を行ったときの各種信号の波形を具体的に説明する。なお、図９および図１０では横軸は時刻を示しており、図中の左から右へ向かう方向へ時間が経過している。

【0170】

図９は、乗員が一定の漕ぎ方で電動補助自転車１を漕いでいるときの負荷変動発生時の各種信号の波形を示す。負荷変動は、平坦路で走行中に向かい風が吹いたことによって発生したことを想定しており、上述した図５Ａに対応する。

【0171】

図９（ａ）の縦軸は、電動補助自転車１およびその乗員が受ける負荷の大きさを示している。図９（ｂ）の縦軸は、車両進行方向における車両速度を示している。ただし状態Ｃ１２以降の車両速度は、本実施形態にかかる処理を行わないときの車両速度を表す。図９（ｃ）の縦軸は、加速度センサ３８から出力される、ｘ軸方向の加速度信号Ｇｘを示している。状態Ｃ１２以降の加速度信号Ｇｘは、本実施形態にかかる制御を行わないときのｘ軸方向の車両加速度信号Ｇｘの波形を示している。

【0172】

図９（ｄ）の縦軸は、クランク回転センサ４２から出力されるトルク信号を示している。図９（ｅ）の縦軸は、トルク信号から求められた、車両進行方向の目標加速度（実線）を示している。図９（ｆ）の縦軸は、本実施形態にかかる制御を行ったときの車両進行方向における車両速度（実線）を示している。図９（ｅ）および（ｆ）には、参考として、本実施形態にかかる制御を行わなかったときのｘ軸方向の実際の加速度信号Ｇｘの波形および車両速度の波形が、それぞれ破線によって示されている。

【0173】

状態Ｃ１０では、電動補助自転車１は平坦路で停止している。この状態から、乗員はペダル５５を踏み込んで電動補助自転車１を発進させる。発進時は、乗員はペダル５５を強く踏むため、クランク軸５７に発生するトルクは大きくなり（図９（ｄ））、車両の加速度も大きくなる（図９（ｃ））。その後速度が上がるにつれて、乗員は踏力を弱め、クランク軸５７に発生するトルクのピークは徐々に小さくなる（図９（ｄ））。状態Ｃ１１以降、乗員は、電動補助自転車１が希望する速度に到達したと判断し、一定の漕ぎ方でペダル５５を漕ぎ始める。この結果、状態Ｃ１１以降、トルク信号は周期的に変化する（図９（ｄ））。

【0174】

図９（ｅ）に示されるように、本例では状態Ｃ１０からＣ１１の間でも目標加速度を求めているが、これは必須ではない。目標加速度は、乗員が電動補助自転車１を一定の漕ぎ方で漕ぎ始めた後、つまり状態Ｃ１１以降に算出されればよい。なお、状態Ｃ１０からＣ１１までの間の目標加速度は、図６に示す加速度演算規則７７ａとは異なる規則によって定められているが、本願発明の説明には直接関係しないため説明は省略する。

【0175】

状態Ｃ１１からＣ１２までは、乗員が電動補助自転車１を一定の漕ぎ方で漕いでいる（図９（ｄ））。車両速度は一定であり（図９（ｂ）、（ｆ））、車両加速度も周期的に変化する（図９（ｃ））。

【0176】

状態Ｃ１２は、向かい風が吹いた状況を想定している（図９（ａ））。通常、向かい風の中を同じ踏力で電動補助自転車を漕ぎ続けた場合には、加速度の波形の谷がより強く落ち込み（図９（ｃ））、車両速度が低下する（図９（ｂ））。

【0177】

しかしながら、目標加速度演算ブロック７２が、一定の漕ぎ方によって生じる踏力に基づいて、状態Ｃ１１からＣ１２までと同等の目標加速度を状態Ｃ１２以降で設定する。モータ電流指令値補正ブロック７５は、状態Ｃ１２以降、図９（ｅ）の破線で示される加速度ではなく、実線で示される加速度が得られるよう電動モータ５３の補助力を増加させる。これにより、乗員の踏力が状態Ｃ１１からＣ１２までの区間と同等であったとしても、車両速度が低下することはない。乗員は、向かい風が吹いた場合でも一定の漕ぎ方を継続して車両速度を維持できる。つまり向かい風の有無にかかわらず、乗員は同じ加速感で電動補助自転車１を運転できる。

【0178】

図１０は、乗員が電動補助自転車１を漕いでいるときの負荷変動発生時の各種信号の波形を示す。負荷変動は、平坦路から傾斜路に差し掛かったことによって発生したことを想定しており、上述した図５Ｂに対応する。

【0179】

図１０（ａ）から図１０（ｈ）のそれぞれの横軸は時刻を示している。図１０（ａ）の縦軸は、電動補助自転車１およびその乗員が受ける負荷の大きさを示している。図１０（ｂ）の縦軸は、車両進行方向における車両速度を示している。ただし状態Ｃ１２以降の車両速度は、本実施形態にかかる処理を行わないときの車両速度を表す。図１０（ｃ）の縦軸は、加速度センサ３８から出力される、ｘ軸方向の加速度信号Ｇｘを示している。状態Ｃ１２以降の加速度信号Ｇｘは、本実施形態にかかる制御を行わないときのｘ軸方向の車両加速度信号Ｇｘの波形を示している。図１０（ｄ）の縦軸は、ハイパスフィルタ７３によって低周波成分が除去された加速度信号を示す。

【0180】

図１０（ｅ）の縦軸は、本実施形態にかかる処理を行わないときのクランク回転センサ４２から出力されるトルク信号を示している。一方、図１０（ｆ）の縦軸は、本実施形態にかかる処理を行ったときのクランク回転センサ４２から出力されるトルク信号を示している。図１０（ｇ）の縦軸は、図１０（ｆ）に示すトルク信号から求められた、目標加速度（実線）を示している。ただしこの目標加速度は、加速度センサ３８の出力に重畳される、傾斜路に起因する信号成分を含まない目標加速度である。図１０（ｈ）の縦軸は、本実施形態にかかる制御を行ったときの車両進行方向における車両速度（実線）を示している。図１０（ｈ）には、参考として、本実施形態にかかる制御を行わなかったときのｘ軸方向の車両速度の波形が破線によって示されている。

【0181】

ここで、図１１Ａおよび図１１Ｂを参照しながら、加速度信号と傾斜との関係を説明する。

【0182】

図１１Ａは、平坦路における電動補助自転車１の静負荷相関図である。また図１１Ｂは、傾斜角θの傾斜路における電動補助自転車１の静負荷相関図である。図１１Ａおよび図１１Ｂでは、電動補助自転車１の質量を「Ｍ」と記述し、重力加速度を「Ｇ」、Ｘ軸方向の加速度Ｇｚを「α」、傾斜角を「θ₀」と記述している。

【0183】

図１１Ａを参照する。電動補助自転車１を、その重心の位置に存在する質点としたとき、電動補助自転車１には鉛直下向きに重力Ｍ・Ｇがかかる。加速度センサ３８は重力の影響を常に受けるため、静止している状態では鉛直下方向（たとえばＺ軸の負方向）に働く重力加速度Ｇを検出する。

【0184】

電動補助自転車１が静止状態にあるときは、電動補助自転車１は地面から鉛直上向きに抗力Ｍ・Ｇを受け、鉛直下向きの重力Ｍ・Ｇを相殺している。電動補助自転車１は重力に反して静止している状態であるから、重力加速度を相殺する上方向に加速していることになる。つまり、加速度センサ３８は鉛直上向き（Ｚ軸の正方向）に加速度Ｇを検出することになる。

【0185】

図１１Ｂでも事情は同じである。電動補助自転車１が傾斜路に沿って静止している場合には、電動補助自転車１は傾斜路に沿って下る方向への重力の分力（Ｍ・Ｇ・sinθ₀）に反して静止している状態である。このときの加速度は、傾斜路を下る方向を負とすると、−Ｇ・sinθ₀である。傾斜路上で静止している電動補助自転車１は、傾斜路を下る方向への加速度（Ｇ・sinθ₀）を相殺するよう、傾斜路を上る方向に、大きさＧ・sinθ₀で加速していることになる。つまり加速度は、＋Ｇ・sinθ₀である。電動補助自転車１が傾斜路を上る方向に走行を開始した後も、常に＋Ｇ・sinθ₀の加速度が重畳されることになる。

【0186】

再び図１０を参照する。

【0187】

図１０（ｃ）に示すように、加速度信号Ｇｘは状態Ｃ１２以降で一定のオフセットを有している。その理由は、上述した＋Ｇ・sinθ₀の加速度が重畳されているからである。ハイパスフィルタ７３は、重畳されたオフセット成分＋Ｇ・sinθ₀を除去する。モータ電流指令値補正ブロック７５は、ハイパスフィルタ７３から出力された加速度信号（図１０（ｄ））と、トルク信号（図１０（ｆ））から求められた、車両進行方向の目標加速度（図１０（ｇ））との偏差を求める。モータ電流指令値補正ブロック７５は、当該偏差をより小さくするよう、電動モータ５３に発生させるモータトルク（補助力）を調整する。以下、具体的に説明する。

【0188】

まず、状態Ｃ１０からＣ１２までは、図９において説明した状態Ｃ１０からＣ１２までと同じであるから説明は省略する。なお、状態Ｃ１１からＣ１２までは、乗員が電動補助自転車１を一定の漕ぎ方で漕いでいる（図１０（ｄ））。車両速度は一定であり（図１０（ｂ）、（ｆ））、車両加速度も周期的に変化する（図１０（ｃ））。

【0189】

状態Ｃ１２は、傾斜路に差し掛かった状態を表している（図１０（ａ））。通常、傾斜路において同じ踏力で電動補助自転車を漕ぎ続けた場合には、加速度の波形の谷がより強く落ち込み（図１０（ｃ））、車両速度が低下する（図１０（ｂ））。

【0190】

電動補助自転車１が傾斜路に差し掛かったときに、乗員が直感的に踏力を増加させている。これは図１９（ｆ）の状態Ｃ１２直後においてトルク信号が増加し、その後徐々に減少している状態から読み取ることができる。

【0191】

目標加速度演算ブロック７２は、踏力（トルク信号）に基づいて目標加速度を算出する。また、モータ電流指令値演算ブロック７４は、選択されたアシストモード、ペダルトルクおよび変速段に基づいて、モータ電流指令値を演算する。

【0192】

モータ電流指令値補正ブロック７５は、目標加速度演算ブロック７２によって算出された目標加速度と、ハイパスフィルタ７３から出力された現在の加速度との偏差を求める。モータ電流指令値補正ブロック７５は、得られた偏差が小さくなるよう、上述の（数１）の処理を利用して電動モータ５３に発生させるモータトルクの大きさを決定する。決定されたモータトルクは、平坦路走行時のモータトルクよりも大きい。このようなトルクを発生させるようにモータ電流指令値が補正され、さらにモータ電流指令値補正ブロック７６によってモータ電流指令値がさらに補正される。これにより、状態Ｃ１２以降の乗員の踏力が、状態Ｃ１１からＣ１２までの区間の踏力と同等であったとしても、車両速度は維持される（図１０（ｈ））。乗員は、傾斜路を上る場合でも概ね一定の漕ぎ方を継続して車両速度を維持できる。つまり傾斜路の有無にかかわらず、乗員は同じ加速感で電動補助自転車１を運転できる。

【0193】

図１２は、ハイパスフィルタ７３による低周波成分の除去を行わない場合の目標となる加速度信号（実線）を示す。図１２はまた、本実施形態による処理が行われないとした場合における加速度信号（破線）も示している。

【0194】

上述した処理では、ハイパスフィルタ７３によって低周波成分を除去した後の加速度信号を用いたが、結果的には加速度目標値が図１２の実線で示されるように設定されていることになる。ハイパスフィルタ７３を用いることにより、傾斜路走行時であるか否かによらず、向かい風等の負荷を受けた場合と同じ処理を実現することができる。

【0195】

上述の説明では、モータ電流指令値補正ブロック７５は（数１）を用いてモータトルクを決定すると説明した。他の例として、加速度の偏差Ｅｎの大きさに応じて、モータトルクを決定してもよい。

【0196】

図１３は、加速度の偏差の大きさに応じたモータトルクを示す。この表によれば、加速度の偏差Ｅｎの値に応じてモータトルクＦｍが決定され得る。すなわち、Ｅｎ＜０のときはモータトルクＦｍ＝０、０≦Ｅｎ＜Ｅ１のときはＦｍ＝Ｆｍ１、Ｅ１≦Ｅｎ＜Ｅ２のときはＦｍ＝Ｆｍ２、・・・、Ｅ（ｉ−１）≦Ｅｎ＜Ｅ（ｉ）のときはＦｍ＝Ｆｍｉである。

【0197】

上述した２種類のモータトルクの決定方法は例示であって本発明を限定するものではない。

【0198】

上述の例では、向かい風が吹いた場合、および、傾斜路を上る場合において、制御装置７０が電動モータ５３の補助力をより大きくした。しかしながら、追い風が吹き、または傾斜路を下る際に、乗員がより小さいトルクでペダル５５を漕いだ場合には、目標加速度が小さくなる。よって、制御装置７０のモータ電流指令値補正ブロック７５は、電動モータ５３による補助力をより小さくする。上述した処理は、大きい負荷が電動補助自転車１および乗員にかかる場合だけでなく、負荷が小さくなる場合でも適用可能である。

【0199】

以上、本発明の実施形態を説明した。上述の実施形態の説明は、本発明の例示であり、本発明を限定するものではない。また、上述の実施形態で説明した各構成要素を適宜組み合わせた実施形態も可能である。本発明は、特許請求の範囲またはその均等の範囲において、改変、置き換え、付加および省略などが可能である。

【0200】

上述したように、本発明の例示的な電動補助システム（駆動ユニット５１）は、ペダル５５を備えた電動補助車両（電動補助自転車１）に用いられ、ペダルに加えられた乗員の人力により回転するクランク軸５７と、クランク軸に発生するトルクの大きさに応じたトルク信号を出力するトルクセンサ４１と、乗員の人力を補助する補助力を発生させる電動モータ５３と、電動補助車両の進行方向に関する現在の加速度に応じた加速度信号を出力する加速度センサ３８と、トルク信号および加速度信号を受け取って、電動モータに発生させる補助力の大きさを決定する制御装置７０とを有している。制御装置は、予め用意された規則に基づいてトルク信号から目標加速度を算出し、目標加速度と現在の加速度との偏差が小さくなるよう、電動モータに発生させる補助力の大きさを決定する。

【0201】

乗員が足でペダルを漕ぐという自転車の構造上、乗員がペダルを漕いでいるときのペダルの位置に応じて、ペダルに加わる乗員の人力の大きさは変化する。そのため、乗員がペダルを漕いでいるときのペダルの位置に応じて、電動補助自転車の進行方向の加速度は変化する。電動補助システムは乗員の踏力から求められる目標加速度と、車両の現在の加速度との偏差を小さくするよう、電動モータに発生させる補助力の大きさを変更する。走行時に負荷がかかったとしても、乗員の踏力はその乗員が所望する加速感を表していると考えられるため、踏力から目標加速度を設定して、車両の現在の加速度をその目標加速度に近づけるよう制御することで、乗員は走行時の負荷に応じた適切な補助力によって電動補助車両を走行させることができる。

【0202】

ある実施形態において、制御装置７０は、ＰＩＤ制御により、電動モータ５３に発生させる補助力の大きさを決定し、偏差を小さくする。

【0203】

ある実施形態において、現在の時刻ｔにおける現在の偏差をＥ（ｔ）と表し、補助力制御システムの比例要素、微分要素および積分要素の各フィードバックゲインを、それぞれＫｐ、ＫｄおよびＫｉと表すとき、制御装置７０は、電動モータ５３に発生させる補助力に対応するモータトルクＦｍを、下記の式によって決定してもよい。

【数1】

【0204】

ある実施形態において、制御装置７０は、偏差が０に近づくよう、電動モータ５３に発生させる補助力の大きさを決定してもよい。

【0205】

上述のいずれの実施形態によっても、目標加速度に対する追従性を向上させることができる。

【0206】

ある実施形態において、制御装置７０は、電動モータ５３に流すべき電流の指令値と、電動モータに発生させる補助力に対応するモータトルクの大きさとを対応付けたテーブルを予め保持しており、テーブルを参照してモータトルクを発生させる電流の指令値を決定する。

【0207】

ある実施形態において、制御装置７０は、偏差の大きさに応じた範囲ごとに、電動モータ５３に流すべき電流の指令値と、モータトルクの大きさとが対応付けられたテーブルを予め保持しており、テーブルを参照してモータトルクを発生させる電流の指令値を決定する。

【0208】

ある実施形態において、制御装置７０は、現在の時刻ｔにおける現在の偏差をＥ（ｔ）と表し、残留偏差に関する比例項、積分項および微分項から電流指令値を求めるための各フィードバックゲインを、それぞれＫｐ’、Ｋｄ’およびＫｉ’と表すとき、制御装置は、電動モータに流すべき電流の指令値Ｉｍを、下記の式によって決定する。

【数2】

【0209】

ある実施形態において、制御装置７０は、前述の予め用意された規則を保持する記憶装置７７を備える。

【0210】

ある実施形態において、規則は、トルク信号と目標加速度との対応関係を規定するマップまたは関数であってもよい。

【0211】

ある実施形態において、関数は非線形関数または線形関数であってもよい。

【0212】

ある実施形態において、制御装置７０は、受け取った加速度信号に含まれる予め定められた周波数以上の高周波成分を透過させるハイパスフィルタ７３を有する。

【0213】

ある実施形態において、制御装置７０は、５Ｈｚ以上の高周波成分を透過させるハイパスフィルタ７３を有する。

【0214】

ハイパスフィルタ７３を設けることにより、乗員がペダル５５を漕ぐことによる加速度を適切に抽出することができる。

【0215】

ある実施形態において、乗員がペダル５５を漕いでクランク軸５７を１回転させる期間中に、トルクセンサ４１および加速度センサ３８は、複数回または連続してトルク信号および加速度信号を出力し、制御装置７０は、電動モータ５３に発生させる補助力の大きさを複数回または時間的に連続して決定する。

【0216】

ある実施形態において、乗員がペダル５５を漕いでクランク軸５７を１回転させる期間中に、トルク信号は、乗員がペダルを漕ぐ動作に連動するクランク軸の回転に応じて変化し、加速度信号は、乗員がペダルを漕ぐ動作および電動補助車両（電動補助自転車１）に加えられる外乱に応じて変化し、制御装置７０は、予め定められたタイミングで、トルク信号から目標加速度を算出し、加速度信号から加速度を算出し、電動モータ５３に発生させる補助力の大きさを決定する。

【0217】

ある実施形態において、電動補助システム（駆動ユニット５１）は、指令値に応じて、振幅、周波数、流れる向きの少なくとも一つが制御された電流を電動モータに出力するモータ駆動回路７９をさらに備え、制御装置７０は、決定した補助力の大きさに対応する電流を流すための指令値をモータ駆動回路７９に出力する。これにより、走行時の踏力に応じた目標加速度を得られるよう、適切な補助力を発生させることができる。

【0218】

本願発明の例示的な実施形態による電動補助車両（電動補助自転車１）は、上述の電動補助システム（駆動ユニット５１）を備えている。ある実施形態において、電動補助車両は、前輪２５および後輪２６と、乗員の人力および補助力を後輪に伝達する動力伝達機構３１とを備える。本発明の例示的な実施形態に係る電動補助システムを備える電動補助車両は、走行時の踏力に応じた目標加速度を得られるよう、適切な補助力を発生させることができる。

【産業上の利用可能性】

【0219】

本発明は、加速度センサを有し、人力に補助力を加えて駆動される車両に特に有用である。

【符号の説明】

【0220】

１：電動補助自転車、５：ダウンチューブ、 ６：ブラケット、 ７：チェーンステイ、 ８：ブレーキ、 ９：ブレーキ、 １１：車体フレーム、 １２：ヘッドパイプ、 １３：ハンドルステム、 １４：ハンドル、 １５：フロントフォーク、 １６：シートチューブ、 １７：サドルパイプ、 １８：フェンダー、 １９：シートステイ、 ２１：前かご、 ２２：ヘッドランプ、 ２３：テールランプ、 ２４：荷台、 ２５：前輪、 ２６：後輪、 ２７：サドル、 ２８：チェーン、 ２９：スタンド、 ３１：動力伝達機構、 ３５：スピードセンサ、 ３８：加速度センサ、 ４１：トルクセンサ、 ４２：クランク回転センサ、 ４６：モータ回転センサ、 ５１：駆動ユニット、 ５３：電動モータ、５４：クランクアーム、 ５５：ペダル、 ５６：バッテリ、 ５７：クランク軸、 ６０：操作盤、 ６１：表示パネル、 ６２：アシストモード操作スイッチ、 ６３：スピーカ、 ６４：ランプ、 ６５：電源スイッチ、 ７０：制御装置、 ７１：演算回路、 ７２：目標加速度演算ブロック、 ７３：ハイパスフィルタ、 ７４：モータ電流指令値演算ブロック、 ７５：（第１）モータ電流指令値補正ブロック、 ７６：（第２）モータ電流指令値演算ブロック、 ７７：記憶装置、 ７８：平均化回路、 ７９：モータ駆動回路

【図1】

【図2A】

【図2B】

【図3】

【図4】

【図5A】

【図5B】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11A】

【図11B】

【図12】

【図13】