電動車
【課題】目標走行速度と検出走行速度との差だけでなく、電動車の走行負荷からもインホイール・モータ９に入力すべき最適なトルク指令信号を直接決定することにより、応答性や追従性の高い速度制御を行うことができる電動車を提供する。
【解決手段】加速度取得手段１５により、検出走行速度の変化から加速度を求め、走行負荷取得手段１６により、この加速度とインホイール・モータ９の出力トルクとから電動車の走行負荷を求め、トルク指令信号制御手段１４により、この走行負荷に対応して、目標走行速度と検出走行速度との差をなくす加速度を得るための出力トルクが発生するように、インホイール・モータ９に入力すべきトルク指令信号を決定する構成とする。
【解決手段】加速度取得手段１５により、検出走行速度の変化から加速度を求め、走行負荷取得手段１６により、この加速度とインホイール・モータ９の出力トルクとから電動車の走行負荷を求め、トルク指令信号制御手段１４により、この走行負荷に対応して、目標走行速度と検出走行速度との差をなくす加速度を得るための出力トルクが発生するように、インホイール・モータ９に入力すべきトルク指令信号を決定する構成とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、運転者が足でペダルを踏んでペダルを回転させる等して目標走行速度を指示する電動車に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
運転者が足でペダルを踏んでペダルを回転させたときのペダル回転速度を検出し、このペダル回転速度に応じた速度で走行するように電動モータを駆動制御する電動車が従来から開発されている（例えば、特許文献１参照。）。ハンドルのアクセルグリップを手で持って回したときの回転角度や、床のアクセルペダルを足で踏んだときの踏み込み角度を検出し、これら回転角度や踏み込み度に応じた速度で走行するように電動モータを駆動制御する電動車も考えられている。
【０００３】
ここで、電動バイク等の電動車でよく用いられるブラシレスＤＣモータでは、モータの駆動制御を行うモータ駆動回路にトルク指令信号として入力される制御電圧の値に比例して出力トルクが大きくなるように制御されるのが一般的である。そして、アクセルグリップの回転角度等に応じた制御電圧をブラシレスＤＣモータのモータ駆動回路にトルク指令信号として入力するようにした場合には、運転者自身がアクセルグリップの回転角度を調整して所望する速度で走行するように制御する。
【０００４】
これに対して、上記のように、アクセルグリップの回転角度等に応じて目標となる走行速度（目標走行速度）を指示する場合には、電動車の実際の走行速度がこの目標走行速度に一致するように、トルク指令信号である制御電圧を制御するトルク指令信号制御手段を別途装備して、このトルク指令信号制御手段によりブラシレスＤＣモータの速度制御を行う必要がある。
【０００５】
このような電動モータの速度制御の方法として、ブラシレスＤＣモータのトルク指令信号である制御電圧をそれぞれ一定の割合で上げたり下げたりする方法を考える。なお、ブラシレスＤＣモータは、制御電圧が４．１Ｖで出力トルクが最大となり、制御電圧が１．１Ｖ以下で出力トルクが０になるものとする。この制御方法によれば、目標走行速度を６ｋｍ／ｈとして平坦地で発進する場合には、図４に示すように、まず初期値として電動モータの制御電圧を３Ｖに設定し、この制御電圧を一定の割合で上げる。すると、１秒後には、走行速度が４ｋｍ／ｈを超えるので、制御電圧を一定の割合で下げるが、加速は継続しているので走行速度はさらに上昇する。ただし、制御電圧の低下により加速は減少するので、１．６秒後には走行速度が低下し始める。そこで、制御電圧を１．１Ｖより僅かに大きい程度のまま維持すると、走行速度も６ｋｍ／ｈ付近で安定し定速走行を行うようになる。
【０００６】
しかしながら、上り坂で発進する場合には、図５に示すように、電動モータの制御電圧を３Ｖから一定の割合で上げることにより１．７秒後に走行速度が４ｋｍ／ｈを超えるが、これによって制御電圧を一定の割合で下げると、上り坂による走行抵抗が大きいために、走行速度は、さらに少し上昇した後に５ｋｍ／ｈに達することなく低下を始め、２．３秒後には再度４ｋｍ／ｈより遅くなる。そこで、制御電圧を再び一定の割合で上げるが、この制御電圧の上昇の割合が小さいために、走行速度はさらに低下して停車してしまう。
【０００７】
電動車の発進時には大きな加速が必要となり制御電圧を上げて出力トルクも大きくするが、平坦地の場合には、定速走行時には出力トルクはほとんど必要ないので制御電圧も下げなければならない。しかし、上り坂で発進する場合には、電動車に大きな走行負荷が加わるので、定速走行時にも制御電圧をある程度上げて出力トルクを発生させる必要があるため、坂道等により大きな走行負荷が加わる場合に対応できず、電動車が停止することになる。
【０００８】
このため、目標走行速度と実際の走行速度との差に比例させて、電動モータの制御電圧を上げ下げする割合を変更する比例制御（ＰＩＤ制御におけるＰ制御）を行えば、走行負荷が大きく変化して走行速度が大幅に低下したとしても、この走行速度と目標走行速度との差が大きくなるので、電動モータの制御電圧を上げる割合も大きくすることができ、上り坂で電動車が停止するようなことがなくなる。
【０００９】
もっとも、このような比例制御だけでは、目標走行速度が急に大きく変更された場合の応答性や、走行負荷の大きな変動に対する追従性は十分ではない。しかも、この応答性や追従性を高めるために、電動モータの制御電圧を上げる割合（ゲイン）をさらに大きくすると、フィードバック制御の安定性が悪くなる。
【００１０】
そこで、上記比例制御に微分制御（ＰＩＤ制御におけるＤ制御）を加えることが考えられる。微分制御では、目標走行速度と実際の走行速度との差の時間的な変化、即ち走行速度が目標走行速度に近づくときの加速度を検出し、例えば走行速度が目標走行速度になかなか近づかない場合や、むしろ遠ざかろうとしているような場合には、そのときの目標走行速度と走行速度との差による制御電圧の上昇率よりもさらに大きく制御電圧を上げることにより、応答性や追従性を高めることができる。なお、積分制御（ＰＩＤ制御におけるＩ制御）は、応答性や追従性との関わりがほとんどないので、ここでは説明を省略する。
【特許文献１】特開平８−１０８８８１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
ところが、上記比例制御に微分制御を加えたＰＩＤ制御等の場合にも、目標走行速度と実際の走行速度との差やその微分値（加速度）のみに基づいて電動モータの制御電圧を制御しているので、例えばなだらかな坂道や急な坂道等による走行負荷の大きさの違いについては考慮されず、このような走行負荷の変動については、実際の走行速度が目標走行速度になかなか追従しない等のように微分値の変化が不十分であることを検出してからでなければ対応できないため、応答性や追従性が必ずしも十分ではないという問題があった。また、このような精密な制御を行うためには、短い時間間隔での制御が必要となり、電動車の実際の走行速度を検出する装置にも精密なものが必要となり、コストアップの要因となるという問題もあった。
【００１２】
即ち、電動車の実際の走行速度は、そのときの電動モータの出力トルクによる推進力から走行負荷を差し引いた力によって変化するものであるにもかかわらず、従来は、走行負荷の大きさを考慮せずに走行速度の変化だけに基づいて制御を行っていたためにこのような問題が発生する。
【００１３】
具体的には、電動車の加速度ａは、電動車の質量をｍとし、電動車に加わる力をＦとすれば、ａ＝Ｆ／ｍ（Ｆ＝ｍａ）の関係にある。そして、電動車に加わる力Ｆは、電動モータの出力トルクによる電動車の推進力をＰとし、この電動車を引き戻そうとする力である走行負荷をＬとすると（下り坂の場合、走行負荷Ｌは負となる）、Ｆ＝Ｐ−Ｌの関係にあるので、加速度ａはａ＝（Ｐ−Ｌ）／ｍの関係となる。しかも、電動車の質量ｍは走行中は定数となるので、走行負荷Ｌが分かれば、電動車がこの先どの程度の加速度ａを必要とするかに応じて推進力Ｐを決定することができる。つまり、電動車がどの程度加速すべきか等が分かれば、現在の走行負荷からこの先に必要となる電動モータの最適なトルク指令信号（制御電圧）を直接決定することができるにもかかわらず、従来は、走行負荷を考慮せずに、電動モータのトルク指令信号を現状からある程度変化させてみて、これによる走行速度の変化（加速度）を検出してトルク指令信号をさらに変化させるかどうかを決めるという回りくどい速度制御を行っていた。
【００１４】
本発明は、走行速度から求めた加速度と電動モータの出力トルクとから電動車の走行負荷を求め、この走行負荷から電動モータの最適なトルク指令信号を直接決定することにより、応答性や追従性の高い速度制御を行うことができる電動車を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
請求項１の発明は、運転者の操作によって目標走行速度が指示され、トルク指令信号によって出力トルクが制御される電動モータにより駆動される電動車において、この電動車の走行速度を検出する走行速度検出手段と、この走行速度検出手段が検出した検出走行速度の単位時間当たりの速度変化から加速度を求める加速度取得手段と、この加速度取得手段が求めた加速度と、電動モータの出力トルクとから電動車の走行負荷を求める走行負荷取得手段と、この走行負荷取得手段が求めた走行負荷に対応して、目標走行速度と検出走行速度との差をなくす加速度を得るための出力トルクが発生するように、電動モータに入力すべきトルク指令信号を決定するトルク指令信号制御手段とを備えたことを特徴とする。
【００１６】
請求項２の発明は、前記目標走行速度が、運転者が足でペダルを踏んでペダルを回転させたときのペダル回転速度に応じて指示されるものであることを特徴とする。
【００１７】
請求項３の発明は、前記トルク指令信号が制御電圧であることを特徴とする。
【００１８】
請求項４の発明は、前記加速度取得手段、前記走行負荷取得手段及び前記トルク指令信号制御手段が、予め作成された表に基づいて、それぞれ加速度、走行負荷及びトルク指令信号を決定するものであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
請求項１の発明によれば、走行負荷取得手段は、加速度と出力トルクとから走行負荷を求めることができる。そして、トルク指令信号制御手段は、目標走行速度と検出走行速度との差をなくすためには電動車にどのような加速度が必要であるかが判断できるので、このような加速度を得るために最適な電動モータのトルク指令信号を、この走行負荷に対応して決定することができる。従って、それまでの電動モータのトルク指令信号を変化させて調整するのではなく、坂道や風等により電動車が受けている走行負荷から直接トルク指令信号を決定するので、目標走行速度の変化に対する応答性や走行負荷の変動に対する追従性の極めて高い速度制御を行うことができるようになる。
【００２０】
ここで、電動車の加速度ａと推進力Ｐと走行負荷Ｌと質量ｍは、ａ＝（Ｐ−Ｌ）／ｍの関係にある。そして、電動モータのトルク指令信号と出力トルクには一般に特定の関係（比例関係等）があり、この出力トルクと電動車の推進力Ｐにも特定の関係（比例関係等）にあるので、いずれかが分かれば他のものも一意に決定される。また、電動車の質量ｍは、電動車の車体質量に搭乗者の体重や積荷の重さを加えたものであるため、走行中は定数である。従って、この電動車の質量ｍは、例えば電動車の車体質量に運転者の体重として人の標準体重を加えて予め設定しておいたり、この設定を運転開始時に適宜変更することができ、電動車に搭乗者や積荷の質量を測定する検出器を設けている場合には、電動車の車体質量にこの検出値を加えて設定することができる。
【００２１】
この結果、走行負荷取得手段は、現在の電動モータのトルク指令信号から出力トルクと推進力Ｐを求めることができるので、加速度取得手段が求めた加速度ａとこの推進力Ｐとから走行負荷Ｌを求めることができる。また、トルク指令信号制御手段は、この先検出走行速度を目標走行速度に速やかに一致させるために必要となる加速度ａと、この走行負荷取得手段が求めた現在の走行負荷Ｌから、この先必要となる推進力Ｐを決定することができ、この推進力Ｐからトルク指令信号を求めて電動モータに入力することができる。
【００２２】
なお、電動モータの出力トルクを制御するトルク指令信号は、例えばブラシレスＤＣモータのモータ駆動回路が駆動電力の供給端子以外に出力トルクを制御するための制御電圧入力端子を有している場合には、この制御電圧入力端子に入力する制御電圧が該当する。また、整流子を有するＤＣモータの場合には、駆動電力の電圧と出力トルクとの間にほぼ比例関係があるので、この駆動電力の電圧をトルク指令信号とすることもできるし、このＤＣモータに供給する駆動電力の電圧をモータ駆動回路が制御する場合においては、このモータ駆動回路に対して制御すべき電圧を指示するための制御電圧をトルク指令信号とすることもできる。しかも、ブラシレスＤＣモータであっても、モータ駆動回路が駆動電力の供給端子しか有さず、この駆動電力の電圧と出力トルクとの間がＤＣモータと同様の比例関係となるように制御するようなものの場合も、このＤＣモータの場合と同じである。
【００２３】
また、トルク指令信号は、出力トルクを制御するための信号であればよいので、制御電圧等の電圧値に限らず、例えばパルス数やこのパルスによって表現されるディジタル値等によって出力トルクを制御するものであってもよい。
【００２４】
また、走行負荷取得手段は、電動モータの出力トルクをトルク指令信号からではなく、この電動モータの実際の出力トルクを検出するトルク検出器から得るようにしてもよい。例えばブラシレスＤＣモータのモータ駆動回路には、このような出力トルクを検出して出力するものがある。特に、電動モータのトルク指令信号と出力トルクとの間に、制御可能な相関関係はあっても、いずれかが分かれば他のものも一意に決定されるというような特定の関係がない場合に、このようなトルク検出器によって検出した出力トルクを用いる必要が生じる。
【００２５】
請求項２の発明によれば、最大のアクセル操作をするには、ペダルを高速で回転させる必要があるので、適度な速度で運転がしやすい電動車を提供することができる。
【００２６】
請求項３の発明によれば、トルク指令信号として制御電圧を用いることにより、トルク指令信号の取り扱いが簡単で、操作しやすく、誤動作を防止することができる。
【００２７】
請求項４の発明によれば、加速度取得手段と走行負荷取得手段とトルク指令信号制御手段とが、それぞれ予め作成された表に基づいて、対応する加速度と走行負荷とトルク指令信号とを決定するので、計算処理が不要となり、演算能力の低い処理装置を用いて実現することができる。また、例えばトルク指令信号制御手段の場合に、目標走行速度と検出走行速度との差を、目標走行速度が検出走行速度以上である場合と、目標走行速度が検出走行速度未満である場合との２つの場合だけに分けるようにすれば、表の大きさ（容量）も小さくて済む。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、本発明の最良の実施形態について図１〜図２を参照して説明する。
【００２９】
本実施形態は、図１に示すような電動車について説明する。この電動車は、操舵輪である一輪の前輪１と駆動輪である一輪の後輪２とを備えると共に、この後輪２の左右に一対の補助輪３、３を備えた四輪車である。各補助輪３は、後輪２よりも少し径の小さい従動輪であり、電動車のフレームに対して下方に付勢された状態で上下動自在に取り付けられている。
【００３０】
この電動車は、運転者がサドル４に跨がってハンドル５を両手で握ることにより前輪１の操舵を行いながらペダル６を足で踏んで回転させるようになっている。ただし、この電動車は、自転車や電動アシスト自転車のようにペダル６を漕いだときの回転力を後輪２に伝えて駆動するのではなく、荷台７の下に収納された蓄電池８によって後輪２の車軸に直結されたインホイール・モータ９を回転させてこの後輪２を駆動するようになっている。そして、ペダル６は、足で踏んで漕いだときの回転速度をペダル回転速度検出器１０で検出し、このペダル回転速度検出器１０が検出した回転速度に応じてインホイール・モータ９の速度制御を行うようになっている。
【００３１】
インホイール・モータ９は、ブラシレスＤＣモータからなる。ブラシレスＤＣモータは、ＤＣモータ（直流電動機）の整流子（ブラシを用いる）をなくし、ロータ（回転子）の回転角をホール素子等で検出して、内蔵するモータ駆動回路によりコイルの電流の方向を切り替えるようにしたものである。また、ここで用いるブラシレスＤＣモータのモータ駆動回路は、蓄電池８から駆動電力の供給を受けると共に、後に説明するトルク指令信号も制御電圧として入力するようになっていて、この制御電圧の電圧値に比例した出力トルクを得るように駆動制御を行う。ただし、制御電圧と出力トルクとの関係は、実際には、制御電圧がある程度の電圧値になるまでは出力トルクが０のままで、この電圧値を超えてから線形関係となるようなものである。なお、ブラシレスＤＣモータのモータ駆動回路には、速度制御機能を備えたものもあるが、ここでの速度制御は従来からのＰＩＤ制御等によるものであるため、このようなブラシレスＤＣモータは使用する必要がない。
【００３２】
上記ペダル回転速度検出器１０が検出したペダル６の回転速度は、図２に示すように、目標走行速度取得手段１１に入力されるようになっている。ペダル回転速度検出器１０は、例えば鉄製の歯車の各歯の接近を磁気センサで検出する磁気方式や、スリットを形成した円盤に光を当てて透過光を検出する光学方式等のロータリ・エンコーダを用いたり、回転速度に応じた電圧を発生するダイナモ等を用いることができる。
【００３３】
目標走行速度取得手段１１は、ペダル回転速度検出器１０から送られて来たペダル６の回転速度を目標走行速度に変換するものである。ペダル６の回転速度は、これによって目標となる電動車の走行速度を指示するものであるため、予め定められた規則（例えば比例関係）に従って目標走行速度に変換される。従って、目標走行速度取得手段１１は、ペダル６の回転速度を計算式の演算や表（テーブル）を用いた換算等によって目標走行速度に変換することができる。
【００３４】
駆動輪である上記後輪２のモータケース（ハブ部分）の円周端縁部分に対向するフレーム部分には、モータ端縁部分の磁性体の凹凸を検知してタイヤの回転を検知する電磁ピックアップップ式の近接センサである後輪回転速度検出器１２が取り付けられ、この後輪回転速度検出器１２が検出した後輪２の回転速度は、検出走行速度取得手段１３に入力されるようになっている。なお、この後輪回転速度検出器１２は、ペダル回転速度検出器１０と同様に、後輪２の車軸（インホイール・モータ９の回転軸）に直接又は伝動装置を介して取り付けたロータリ・エンコーダやダイナモ等を用いることもできる。また、インホイール・モータ９のモータ駆動回路が回転速度を外部に出力できる場合には、後輪回転速度検出器１２に代えて、この回転速度の出力を用いてもよい。
【００３５】
検出走行速度取得手段１３は、後輪回転速度検出器１２から送られて来た後輪２の回転速度を検出走行速度に変換するものである。後輪２のタイヤの直径（本実施形態では直径が２０インチのタイヤを用いる）を円周率倍して求めた円周長に、後輪回転速度検出器１２が検出した後輪２の回転速度を乗算すれば、電動車の実際の走行速度を算出することができる。なお、後輪２のタイヤの空気圧等によって円周長は変化し、また、後輪２がスリップすれば走行速度には関係のない回転を行うので、後輪２の回転速度から電動車の実際の走行速度を示す検出走行速度に変換する際には、適宜の補正を行ってもよい。ただし、本実施形態では、このような演算処理に代えて、表１を用いて後輪２の回転速度を検出走行速度に変換している。
【００３６】
【表１】
【００３７】
この表１は、「間隔時間」の列と「走行速度」の列を左右に並べた対応表である。「間隔時間」の列には、間隔時間（単位は秒）が順に設定され、「走行速度」の列には、同じ行の間隔時間に対応する走行速度（単位はｋｍ／ｈ）が設定されている。また、「間隔時間」の列の各間隔時間は、１行下の間隔時間を超え当該間隔時間以下の時間を示している。ただし、「間隔時間」の列の最上行の空欄は、１行下の間隔時間（表１では０．２１２８秒）を超える全ての時間を示し、最下行の間隔時間は、当該間隔時間（表１では０．０２６６秒）以下の全ての時間を示す。また、ここでは表１を簡単にするために行を間引いて示しているが、実際に用いられる表では、「走行速度」の列の走行速度が０ｋｍ／ｈから２５ｋｍ／ｈまで１ｋｍ／ｈごとのステップで設定されている。
【００３８】
後輪回転速度検出器１２は、モータケース端縁部分にある磁性体の凹凸（円周上に９箇所、等角度間隔で配置されている）に接近するたびにパルスを発生し、このパルスの発生間隔の時間が後輪２の回転速度を示すことになる。従って、検出走行速度取得手段１３は、このパルスが送られて来るたびに、前回のパルスから今回のパルスまでの時間を計測し、表１の「間隔時間」の列から計測した時間に該当する間隔時間を検索すると共に、「走行速度」の列における検索した間隔時間と同じ行の走行速度を読み出し、これを検出走行速度として出力する。なお、後輪回転速度検出器１２から初めてパルスが送られて来た場合には、時間の計測ができないので、検出走行速度を０とする。
【００３９】
上記目標走行速度取得手段１１で変換した目標走行速度と、検出走行速度取得手段１３で変換した検出走行速度は、トルク指令信号制御手段１４に入力されるようになっている。トルク指令信号制御手段１４は、インホイール・モータ９にトルク指令信号として入力する制御電圧を決定するものである。そして、従来は、このトルク指令信号制御手段１４がこれらの目標走行速度と検出走行速度の差のみに基づいて、例えばＰＩＤ制御等によりトルク指令信号としての制御電圧を決定していた。しかしながら、本実施形態のトルク指令信号制御手段１４では、加速度取得手段１５と走行負荷取得手段１６とで求めた走行負荷に対応して、これらの目標走行速度と検出走行速度の差をなくす加速度を得るための出力トルクが発生するように、トルク指令信号としての制御電圧を決定する。
【００４０】
このため、検出走行速度取得手段１３で変換した検出走行速度は、加速度取得手段１５にも入力されるようになっている。また、この加速度取得手段１５が出力した加速度は、走行負荷取得手段１６に入力されるようになっている。そして、この走行負荷取得手段１６には、トルク指令信号制御手段１４が出力したトルク指令信号としての制御電圧も入力されるようになっている。
【００４１】
加速度取得手段１５は、検出走行速度取得手段１３から送られて来た検出走行速度の単位時間当たりの速度変化、即ち加速度を求めるものである。加速度は、検出走行速度を微分したり、デジタルシステムでは、サンプリングごとに前回の検出走行速度との差をサンプリング間隔で除算すれば求めることができるが、ここでは、検出走行速度が異なる時間間隔で送られて来るので、前回の検出走行速度と今回の検出走行速度との差を前回から今回までの時間間隔で除算する必要がある。そこで、本実施形態では、表２を用いて加速度を求めている。
【００４２】
【表２】
【００４３】
この表２は、見出し行の走行速度（単位はｋｍ／ｈ）と見出し列の加速度（単位はｍ／ｓ２）との各組合せに対応する間隔時間（単位は秒）を行列にした表である。見出し行の各走行速度は、検出走行速度取得手段１３が前回変換した検出走行速度であり、行列の各間隔時間は、検出走行速度取得手段１３が今回検出走行速度を変換するまでの間隔時間である。そして、見出し列の各加速度の行には、それぞれの列の前回の検出走行速度が当該加速度によって変化した場合に、今回検出走行速度を変換するまでに要するであろう時間を示す間隔時間が設定されている。従って、加速度が０の行は、今回の検出走行速度が前回と同じであった場合を示すので、表１の「間隔時間」の列を行に変更したものと同じになる。また、行列の各間隔時間は、１行下の間隔時間を超え当該間隔時間以下の時間を示していることも表１の場合と同じである。ただし、ここでも表２を簡単にするために行と列を間引いて示すと共に右側の列を一部省略している。なお、この表２では、電動車が加速する場合の正の加速度のみを示すが、減速の場合の負の加速度についても同様の表が用いられる。
【００４４】
加速度取得手段１５は、検出走行速度取得手段１３から検出走行速度が送られて来るたびに、前回送られて来た検出走行速度を表２の見出し行の走行速度から検索し、この走行速度の列から前回と今回の間に要した時間（この時間は検出走行速度取得手段１３から取得してもよいし、改めて計測よい）に該当する間隔時間を検索し、この間隔時間と同じ行の見出し列の加速度を読み出して出力する。なお、検出走行速度取得手段１３から初めて検出走行速度が送られて来た場合には、前回の検出走行速度が存在しないので、加速度を０とする。
【００４５】
走行負荷取得手段１６は、加速度取得手段１５から送られて来た加速度と、トルク指令信号制御手段１４から送られて来たトルク指令信号としての制御電圧に基づいて、走行負荷を求めるものである。電動車の加速度ａと推進力Ｐと走行負荷Ｌと質量ｍは、ａ＝（Ｐ−Ｌ）／ｍの関係にあり、推進力Ｐは、インホイール・モータ９の制御電圧に比例する出力トルクに比例し、質量ｍは、本実施形態では電動車の車体質量に人の標準体重を加えて予め設定した定数であるため、加速度ａと制御電圧が分かれば走行負荷Ｌを算出することができる。ただし、本実施形態では、表３を用いてこの走行負荷を求めている。
【００４６】
【表３】
【００４７】
この表３は、見出し行の加速度（単位はｍ／ｓ２）と見出し列の制御電圧（単位はＶ）との各組合せに対応する走行負荷（単位はＮ）を行列にした表である。ただし、ここでも表３を簡単にするために行と列を間引いて示している。なお、この表３でも、正の加速度のみを示すが、負の加速度についても同様の表が用いられる。また、この表３では、正の走行負荷のみが設定されているが、実際には負の走行負荷も設定する。
【００４８】
走行負荷取得手段１６は、加速度取得手段１５から加速度が送られて来るたびに、この加速度とそのときの制御電圧とを表３の見出し行と見出し列から検索し、検索した加速度の列と検索した制御電圧の行が交差する部分の走行負荷を読み出して出力する。
【００４９】
上記トルク指令信号制御手段１４は、目標走行速度取得手段１１で変換した目標走行速度と、検出走行速度取得手段１３で変換した検出走行速度と共に、この走行負荷取得手段１６が求めた走行負荷も入力する。そして、目標走行速度と検出走行速度との差を速やかになくすために必要となる加速度を求め、現在の走行負荷の元でこの加速度を得るために必要な制御電圧を決定する。即ち、上記のように、電動車の加速度ａと推進力Ｐと走行負荷Ｌと定数である質量ｍは、ａ＝（Ｐ−Ｌ）／ｍの関係にあるので、加速度ａと走行負荷Ｌが分かれば推進力Ｐを算出することができ、この推進力Ｐからトルク指令信号としての制御電圧を求めることができる。ただし、本実施形態では、表４を用いてこの制御電圧を求めている。
【００５０】
【表４】
【００５１】
この表４は、「走行負荷」の列と、加速時の「制御電圧」の列と減速時の「制御電圧」の列を左右に並べた対応表である。「走行負荷」の列には、走行負荷（単位はＮ）が順に設定され、加速時と減速時の「制御電圧」の列には、それぞれ同じ行の走行負荷に対応するトルク指令信号としての制御電圧（単位はＶ）が設定されている。ただし、ここでも表４を簡単にするために行を間引いて示している。なお、この表４でも、正の加速度のみを示すが、負の加速度についても同様の表が用いられる。また、この表４でも、正の走行負荷のみが設定されているが、実際には負の走行負荷も設定する。
【００５２】
トルク指令信号制御手段１４は、走行負荷取得手段１６から走行負荷が送られて来るたびに、表４の「走行負荷」の列からこの走行負荷を検索する。そして、検出走行速度が目標走行速度より遅いために加速が必要な加速時であるか、又は、検出走行速度が目標走行速度以上であるために定速走行又は減速が必要な減速時であるかを判断し、加速時の場合には加速時の「制御電圧」の列における検索した走行負荷と同じ行の制御電圧を読み出し、減速時の場合には減速時の「制御電圧」の列における検索した走行負荷と同じ行の制御電圧を読み出して決定する。このようにして決定された制御電圧は、トルク指令信号としてそのままインホイール・モータ９に入力される。
【００５３】
なお、上記トルク指令信号制御手段１４や目標走行速度取得手段１１、検出走行速度取得手段１３、加速度取得手段１５、走行負荷取得手段１６は、マイクロコンピュータによって構成することができる。また、表１〜表４も、このマイクロコンピュータのメモリ上に格納された多次元配列等によって実装することができ、この多次元配列等へのアクセスによって必要とする値を求めることができるので、計算処理が不要となり、演算能力の低いが安価なマイクロコンピュータを用いることが可能となる。
【００５４】
上記構成により、本実施形態のトルク指令信号制御手段１４は、目標走行速度と検出走行速度との差に応じて、電動モータに入力すべき最適な制御電圧（トルク指令信号）を直接決定することができる。目標走行速度と検出走行速度との差からは、これらの差を速やかになくすために電動車にどのような加速度が必要かが推測できる。そして、電動車の加速度ａと推進力Ｐと走行負荷Ｌと質量ｍは、ａ＝（Ｐ−Ｌ）／ｍの関係にあり、質量ｍは走行中は定数であるため、必要な加速度ａと電動車が受ける走行負荷Ｌが分かれば推進力Ｐも決定され、これに基づいてインホイール・モータ９に入力すべき最適な制御電圧も決定することができる。従って、それまでインホイール・モータ９に入力していた制御電圧を変化させて調整するのではなく、坂道や風等により電動車が受けている走行負荷から直接制御電圧を決定するので、目標走行速度の変化に対する応答性や走行負荷の変動に対する追従性の極めて高い速度制御を行うことができるようになる。
【００５５】
なお、上記実施形態では、後輪回転速度検出器１２で検出した後輪２の回転速度を検出走行速度取得手段１３によって検出走行速度に変換する場合を示したが、この検出走行速度は、路面に対する電動車の移動速度であるため、後輪２とは別にスリップ等の生じにくい走行速度検出用の車輪を設けたり、順次撮影した路面パターンを画像処理することにより走行速度を検出する等の全く別の方法で検出走行速度を求めてもよい。
【００５６】
また、上記実施形態では、トルク指令信号制御手段１４が、表４を用いて、目標走行速度と検出走行速度との差から加速時か減速時かの２種類に分類し、それぞれのケースについて走行負荷から制御電圧を決定する場合を示したが、例えば減速時を定速走行時と本来の減速時に分類することもできるし、加速時や減速時をそれぞれその加速と減速の程度ごとにさらに細分類することもできる。また、逆に走行負荷をその大きさで複数に分類し、それぞれのケースについて、目標走行速度と検出走行速度との差に基づき比例制御（Ｐ制御）やこれに積分制御を加えたＰＩ制御等の従来の速度制御を行うようにしてもよい。この場合、走行負荷の大きさに応じて、例えば走行負荷が大きい場合には比例制御のゲインを大きくする等の相違を持たせることができる。
【００５７】
また、上記実施形態では、インホイール・モータ９がブラシレスＤＣモータである場合を示したが、制御電圧等のトルク指令信号によって出力トルクが制御される電動モータであれば、この電動モータの種類は任意である。さらに、このように後輪２の車軸に直結されたインホイール・モータ９に限らず、伝動装置を介して後輪２を駆動する他の駆動用の電動モータを用いることもできる。
【００５８】
また、上記実施形態では、トルク指令信号制御手段１４や加速度取得手段１５、走行負荷取得手段１６等をマイクロコンピュータによって構成する場合を示したが、これらの構成は任意であり、通常のディジタル回路やアナログ回路、その他の制御手段によって構成することもできる。
【００５９】
また、上記実施形態では、ペダル６の回転速度によって目標走行速度を指示する電動車の場合を示したが、例えばハンドル５の手で握るグリップの回転角によって目標走行速度を指示する等、運転者の操作によって目標走行速度を指示するものであれば、どのようなものであってもよい。
【００６０】
また、上記実施形態では、電動車が前輪１と後輪２と左右の補助輪３、３からなる四輪車である場合を示したが、この電動車は、電動モータによって駆動される駆動輪がどこかに少なくとも１輪ある車両であればよく、例えば補助輪３、３のない二輪車や、前後二輪ずつの四輪車、前後いずれかが二輪の三輪車等、どのような車両であってもよい。
【実施例】
【００６１】
上記実施形態で示した電動車の実施例によるシミュレーション結果を示す。このシミュレーションは、上り坂で発進を行う場合であり、図５に示した従来例の場合と同様の条件で行った。ただし、目標走行速度は４ｋｍ／ｈとした。
【００６２】
また、電動車が動き出して後輪回転速度検出器１２からパルスが２回出力されるまでは加速度取得手段１５による加速度の算出ができないため、加速度が算出されるまでの制御電圧は、走行負荷が０の場合の加速時の値を最初に出力し、その後、０．０５秒経過するたびに０．０５Ｖを加算して出力する方法とした。
【００６３】
実施例の電動車は、図３に示すように、発進時には表４の加速時となるので、インホイール・モータ９の制御電圧を初期値の３．４５Ｖ（走行負荷が０Ｎ）から４．１０Ｖ（走行負荷が３５Ｎ）まで徐々に上げることにより１．７秒後に検出走行速度が目標走行速度の４ｋｍ／ｈを超える。すると、表４の減速時となるので、そのときの走行負荷が２５Ｎとなり制御電圧が３．４５Ｖに下がる。しかも、これによって検出走行速度が下がり始め加速度が僅かに負となるので、制御電圧も０．８５Ｖまで下がる。しかし、２．０秒後に検出走行速度が目標走行速度の４ｋｍ／ｈよりも僅かに遅くなると、再び表４の加速時となり、制御電圧も３．６５Ｖに回復し、以降は検出走行速度が目標走行速度の４ｋｍ／ｈ付近を推移するように、制御電圧が調整される。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明の一実施形態を示すものであって、電動車の構成を示す側面図である。
【図２】本発明の一実施形態を示すものであって、電動車の速度制御の構成を示すブロック図である。
【図３】本発明の実施例を示すものであって、上り坂発進時の制御電圧と走行速度との関係を示すタイムチャートである。
【図４】従来例を示すものであって、平坦地発進時の制御電圧と走行速度との関係を示すタイムチャートである。
【図５】従来例を示すものであって、上り坂発進時の制御電圧と走行速度との関係を示すタイムチャートである。
【符号の説明】
【００６５】
１ 前輪
２ 後輪
３ 補助輪
４ サドル
５ ハンドル
６ ペダル
７ 荷台
８ 蓄電池
９ インホイール・モータ
１０ ペダル回転速度検出器
１１ 目標走行速度取得手段
１２ 後輪回転速度検出器
１３ 検出走行速度取得手段
１４ トルク指令信号制御手段
１５ 加速度取得手段
１６ 走行負荷取得手段
【技術分野】
【０００１】
本発明は、運転者が足でペダルを踏んでペダルを回転させる等して目標走行速度を指示する電動車に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
運転者が足でペダルを踏んでペダルを回転させたときのペダル回転速度を検出し、このペダル回転速度に応じた速度で走行するように電動モータを駆動制御する電動車が従来から開発されている（例えば、特許文献１参照。）。ハンドルのアクセルグリップを手で持って回したときの回転角度や、床のアクセルペダルを足で踏んだときの踏み込み角度を検出し、これら回転角度や踏み込み度に応じた速度で走行するように電動モータを駆動制御する電動車も考えられている。
【０００３】
ここで、電動バイク等の電動車でよく用いられるブラシレスＤＣモータでは、モータの駆動制御を行うモータ駆動回路にトルク指令信号として入力される制御電圧の値に比例して出力トルクが大きくなるように制御されるのが一般的である。そして、アクセルグリップの回転角度等に応じた制御電圧をブラシレスＤＣモータのモータ駆動回路にトルク指令信号として入力するようにした場合には、運転者自身がアクセルグリップの回転角度を調整して所望する速度で走行するように制御する。
【０００４】
これに対して、上記のように、アクセルグリップの回転角度等に応じて目標となる走行速度（目標走行速度）を指示する場合には、電動車の実際の走行速度がこの目標走行速度に一致するように、トルク指令信号である制御電圧を制御するトルク指令信号制御手段を別途装備して、このトルク指令信号制御手段によりブラシレスＤＣモータの速度制御を行う必要がある。
【０００５】
このような電動モータの速度制御の方法として、ブラシレスＤＣモータのトルク指令信号である制御電圧をそれぞれ一定の割合で上げたり下げたりする方法を考える。なお、ブラシレスＤＣモータは、制御電圧が４．１Ｖで出力トルクが最大となり、制御電圧が１．１Ｖ以下で出力トルクが０になるものとする。この制御方法によれば、目標走行速度を６ｋｍ／ｈとして平坦地で発進する場合には、図４に示すように、まず初期値として電動モータの制御電圧を３Ｖに設定し、この制御電圧を一定の割合で上げる。すると、１秒後には、走行速度が４ｋｍ／ｈを超えるので、制御電圧を一定の割合で下げるが、加速は継続しているので走行速度はさらに上昇する。ただし、制御電圧の低下により加速は減少するので、１．６秒後には走行速度が低下し始める。そこで、制御電圧を１．１Ｖより僅かに大きい程度のまま維持すると、走行速度も６ｋｍ／ｈ付近で安定し定速走行を行うようになる。
【０００６】
しかしながら、上り坂で発進する場合には、図５に示すように、電動モータの制御電圧を３Ｖから一定の割合で上げることにより１．７秒後に走行速度が４ｋｍ／ｈを超えるが、これによって制御電圧を一定の割合で下げると、上り坂による走行抵抗が大きいために、走行速度は、さらに少し上昇した後に５ｋｍ／ｈに達することなく低下を始め、２．３秒後には再度４ｋｍ／ｈより遅くなる。そこで、制御電圧を再び一定の割合で上げるが、この制御電圧の上昇の割合が小さいために、走行速度はさらに低下して停車してしまう。
【０００７】
電動車の発進時には大きな加速が必要となり制御電圧を上げて出力トルクも大きくするが、平坦地の場合には、定速走行時には出力トルクはほとんど必要ないので制御電圧も下げなければならない。しかし、上り坂で発進する場合には、電動車に大きな走行負荷が加わるので、定速走行時にも制御電圧をある程度上げて出力トルクを発生させる必要があるため、坂道等により大きな走行負荷が加わる場合に対応できず、電動車が停止することになる。
【０００８】
このため、目標走行速度と実際の走行速度との差に比例させて、電動モータの制御電圧を上げ下げする割合を変更する比例制御（ＰＩＤ制御におけるＰ制御）を行えば、走行負荷が大きく変化して走行速度が大幅に低下したとしても、この走行速度と目標走行速度との差が大きくなるので、電動モータの制御電圧を上げる割合も大きくすることができ、上り坂で電動車が停止するようなことがなくなる。
【０００９】
もっとも、このような比例制御だけでは、目標走行速度が急に大きく変更された場合の応答性や、走行負荷の大きな変動に対する追従性は十分ではない。しかも、この応答性や追従性を高めるために、電動モータの制御電圧を上げる割合（ゲイン）をさらに大きくすると、フィードバック制御の安定性が悪くなる。
【００１０】
そこで、上記比例制御に微分制御（ＰＩＤ制御におけるＤ制御）を加えることが考えられる。微分制御では、目標走行速度と実際の走行速度との差の時間的な変化、即ち走行速度が目標走行速度に近づくときの加速度を検出し、例えば走行速度が目標走行速度になかなか近づかない場合や、むしろ遠ざかろうとしているような場合には、そのときの目標走行速度と走行速度との差による制御電圧の上昇率よりもさらに大きく制御電圧を上げることにより、応答性や追従性を高めることができる。なお、積分制御（ＰＩＤ制御におけるＩ制御）は、応答性や追従性との関わりがほとんどないので、ここでは説明を省略する。
【特許文献１】特開平８−１０８８８１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
ところが、上記比例制御に微分制御を加えたＰＩＤ制御等の場合にも、目標走行速度と実際の走行速度との差やその微分値（加速度）のみに基づいて電動モータの制御電圧を制御しているので、例えばなだらかな坂道や急な坂道等による走行負荷の大きさの違いについては考慮されず、このような走行負荷の変動については、実際の走行速度が目標走行速度になかなか追従しない等のように微分値の変化が不十分であることを検出してからでなければ対応できないため、応答性や追従性が必ずしも十分ではないという問題があった。また、このような精密な制御を行うためには、短い時間間隔での制御が必要となり、電動車の実際の走行速度を検出する装置にも精密なものが必要となり、コストアップの要因となるという問題もあった。
【００１２】
即ち、電動車の実際の走行速度は、そのときの電動モータの出力トルクによる推進力から走行負荷を差し引いた力によって変化するものであるにもかかわらず、従来は、走行負荷の大きさを考慮せずに走行速度の変化だけに基づいて制御を行っていたためにこのような問題が発生する。
【００１３】
具体的には、電動車の加速度ａは、電動車の質量をｍとし、電動車に加わる力をＦとすれば、ａ＝Ｆ／ｍ（Ｆ＝ｍａ）の関係にある。そして、電動車に加わる力Ｆは、電動モータの出力トルクによる電動車の推進力をＰとし、この電動車を引き戻そうとする力である走行負荷をＬとすると（下り坂の場合、走行負荷Ｌは負となる）、Ｆ＝Ｐ−Ｌの関係にあるので、加速度ａはａ＝（Ｐ−Ｌ）／ｍの関係となる。しかも、電動車の質量ｍは走行中は定数となるので、走行負荷Ｌが分かれば、電動車がこの先どの程度の加速度ａを必要とするかに応じて推進力Ｐを決定することができる。つまり、電動車がどの程度加速すべきか等が分かれば、現在の走行負荷からこの先に必要となる電動モータの最適なトルク指令信号（制御電圧）を直接決定することができるにもかかわらず、従来は、走行負荷を考慮せずに、電動モータのトルク指令信号を現状からある程度変化させてみて、これによる走行速度の変化（加速度）を検出してトルク指令信号をさらに変化させるかどうかを決めるという回りくどい速度制御を行っていた。
【００１４】
本発明は、走行速度から求めた加速度と電動モータの出力トルクとから電動車の走行負荷を求め、この走行負荷から電動モータの最適なトルク指令信号を直接決定することにより、応答性や追従性の高い速度制御を行うことができる電動車を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
請求項１の発明は、運転者の操作によって目標走行速度が指示され、トルク指令信号によって出力トルクが制御される電動モータにより駆動される電動車において、この電動車の走行速度を検出する走行速度検出手段と、この走行速度検出手段が検出した検出走行速度の単位時間当たりの速度変化から加速度を求める加速度取得手段と、この加速度取得手段が求めた加速度と、電動モータの出力トルクとから電動車の走行負荷を求める走行負荷取得手段と、この走行負荷取得手段が求めた走行負荷に対応して、目標走行速度と検出走行速度との差をなくす加速度を得るための出力トルクが発生するように、電動モータに入力すべきトルク指令信号を決定するトルク指令信号制御手段とを備えたことを特徴とする。
【００１６】
請求項２の発明は、前記目標走行速度が、運転者が足でペダルを踏んでペダルを回転させたときのペダル回転速度に応じて指示されるものであることを特徴とする。
【００１７】
請求項３の発明は、前記トルク指令信号が制御電圧であることを特徴とする。
【００１８】
請求項４の発明は、前記加速度取得手段、前記走行負荷取得手段及び前記トルク指令信号制御手段が、予め作成された表に基づいて、それぞれ加速度、走行負荷及びトルク指令信号を決定するものであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
請求項１の発明によれば、走行負荷取得手段は、加速度と出力トルクとから走行負荷を求めることができる。そして、トルク指令信号制御手段は、目標走行速度と検出走行速度との差をなくすためには電動車にどのような加速度が必要であるかが判断できるので、このような加速度を得るために最適な電動モータのトルク指令信号を、この走行負荷に対応して決定することができる。従って、それまでの電動モータのトルク指令信号を変化させて調整するのではなく、坂道や風等により電動車が受けている走行負荷から直接トルク指令信号を決定するので、目標走行速度の変化に対する応答性や走行負荷の変動に対する追従性の極めて高い速度制御を行うことができるようになる。
【００２０】
ここで、電動車の加速度ａと推進力Ｐと走行負荷Ｌと質量ｍは、ａ＝（Ｐ−Ｌ）／ｍの関係にある。そして、電動モータのトルク指令信号と出力トルクには一般に特定の関係（比例関係等）があり、この出力トルクと電動車の推進力Ｐにも特定の関係（比例関係等）にあるので、いずれかが分かれば他のものも一意に決定される。また、電動車の質量ｍは、電動車の車体質量に搭乗者の体重や積荷の重さを加えたものであるため、走行中は定数である。従って、この電動車の質量ｍは、例えば電動車の車体質量に運転者の体重として人の標準体重を加えて予め設定しておいたり、この設定を運転開始時に適宜変更することができ、電動車に搭乗者や積荷の質量を測定する検出器を設けている場合には、電動車の車体質量にこの検出値を加えて設定することができる。
【００２１】
この結果、走行負荷取得手段は、現在の電動モータのトルク指令信号から出力トルクと推進力Ｐを求めることができるので、加速度取得手段が求めた加速度ａとこの推進力Ｐとから走行負荷Ｌを求めることができる。また、トルク指令信号制御手段は、この先検出走行速度を目標走行速度に速やかに一致させるために必要となる加速度ａと、この走行負荷取得手段が求めた現在の走行負荷Ｌから、この先必要となる推進力Ｐを決定することができ、この推進力Ｐからトルク指令信号を求めて電動モータに入力することができる。
【００２２】
なお、電動モータの出力トルクを制御するトルク指令信号は、例えばブラシレスＤＣモータのモータ駆動回路が駆動電力の供給端子以外に出力トルクを制御するための制御電圧入力端子を有している場合には、この制御電圧入力端子に入力する制御電圧が該当する。また、整流子を有するＤＣモータの場合には、駆動電力の電圧と出力トルクとの間にほぼ比例関係があるので、この駆動電力の電圧をトルク指令信号とすることもできるし、このＤＣモータに供給する駆動電力の電圧をモータ駆動回路が制御する場合においては、このモータ駆動回路に対して制御すべき電圧を指示するための制御電圧をトルク指令信号とすることもできる。しかも、ブラシレスＤＣモータであっても、モータ駆動回路が駆動電力の供給端子しか有さず、この駆動電力の電圧と出力トルクとの間がＤＣモータと同様の比例関係となるように制御するようなものの場合も、このＤＣモータの場合と同じである。
【００２３】
また、トルク指令信号は、出力トルクを制御するための信号であればよいので、制御電圧等の電圧値に限らず、例えばパルス数やこのパルスによって表現されるディジタル値等によって出力トルクを制御するものであってもよい。
【００２４】
また、走行負荷取得手段は、電動モータの出力トルクをトルク指令信号からではなく、この電動モータの実際の出力トルクを検出するトルク検出器から得るようにしてもよい。例えばブラシレスＤＣモータのモータ駆動回路には、このような出力トルクを検出して出力するものがある。特に、電動モータのトルク指令信号と出力トルクとの間に、制御可能な相関関係はあっても、いずれかが分かれば他のものも一意に決定されるというような特定の関係がない場合に、このようなトルク検出器によって検出した出力トルクを用いる必要が生じる。
【００２５】
請求項２の発明によれば、最大のアクセル操作をするには、ペダルを高速で回転させる必要があるので、適度な速度で運転がしやすい電動車を提供することができる。
【００２６】
請求項３の発明によれば、トルク指令信号として制御電圧を用いることにより、トルク指令信号の取り扱いが簡単で、操作しやすく、誤動作を防止することができる。
【００２７】
請求項４の発明によれば、加速度取得手段と走行負荷取得手段とトルク指令信号制御手段とが、それぞれ予め作成された表に基づいて、対応する加速度と走行負荷とトルク指令信号とを決定するので、計算処理が不要となり、演算能力の低い処理装置を用いて実現することができる。また、例えばトルク指令信号制御手段の場合に、目標走行速度と検出走行速度との差を、目標走行速度が検出走行速度以上である場合と、目標走行速度が検出走行速度未満である場合との２つの場合だけに分けるようにすれば、表の大きさ（容量）も小さくて済む。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、本発明の最良の実施形態について図１〜図２を参照して説明する。
【００２９】
本実施形態は、図１に示すような電動車について説明する。この電動車は、操舵輪である一輪の前輪１と駆動輪である一輪の後輪２とを備えると共に、この後輪２の左右に一対の補助輪３、３を備えた四輪車である。各補助輪３は、後輪２よりも少し径の小さい従動輪であり、電動車のフレームに対して下方に付勢された状態で上下動自在に取り付けられている。
【００３０】
この電動車は、運転者がサドル４に跨がってハンドル５を両手で握ることにより前輪１の操舵を行いながらペダル６を足で踏んで回転させるようになっている。ただし、この電動車は、自転車や電動アシスト自転車のようにペダル６を漕いだときの回転力を後輪２に伝えて駆動するのではなく、荷台７の下に収納された蓄電池８によって後輪２の車軸に直結されたインホイール・モータ９を回転させてこの後輪２を駆動するようになっている。そして、ペダル６は、足で踏んで漕いだときの回転速度をペダル回転速度検出器１０で検出し、このペダル回転速度検出器１０が検出した回転速度に応じてインホイール・モータ９の速度制御を行うようになっている。
【００３１】
インホイール・モータ９は、ブラシレスＤＣモータからなる。ブラシレスＤＣモータは、ＤＣモータ（直流電動機）の整流子（ブラシを用いる）をなくし、ロータ（回転子）の回転角をホール素子等で検出して、内蔵するモータ駆動回路によりコイルの電流の方向を切り替えるようにしたものである。また、ここで用いるブラシレスＤＣモータのモータ駆動回路は、蓄電池８から駆動電力の供給を受けると共に、後に説明するトルク指令信号も制御電圧として入力するようになっていて、この制御電圧の電圧値に比例した出力トルクを得るように駆動制御を行う。ただし、制御電圧と出力トルクとの関係は、実際には、制御電圧がある程度の電圧値になるまでは出力トルクが０のままで、この電圧値を超えてから線形関係となるようなものである。なお、ブラシレスＤＣモータのモータ駆動回路には、速度制御機能を備えたものもあるが、ここでの速度制御は従来からのＰＩＤ制御等によるものであるため、このようなブラシレスＤＣモータは使用する必要がない。
【００３２】
上記ペダル回転速度検出器１０が検出したペダル６の回転速度は、図２に示すように、目標走行速度取得手段１１に入力されるようになっている。ペダル回転速度検出器１０は、例えば鉄製の歯車の各歯の接近を磁気センサで検出する磁気方式や、スリットを形成した円盤に光を当てて透過光を検出する光学方式等のロータリ・エンコーダを用いたり、回転速度に応じた電圧を発生するダイナモ等を用いることができる。
【００３３】
目標走行速度取得手段１１は、ペダル回転速度検出器１０から送られて来たペダル６の回転速度を目標走行速度に変換するものである。ペダル６の回転速度は、これによって目標となる電動車の走行速度を指示するものであるため、予め定められた規則（例えば比例関係）に従って目標走行速度に変換される。従って、目標走行速度取得手段１１は、ペダル６の回転速度を計算式の演算や表（テーブル）を用いた換算等によって目標走行速度に変換することができる。
【００３４】
駆動輪である上記後輪２のモータケース（ハブ部分）の円周端縁部分に対向するフレーム部分には、モータ端縁部分の磁性体の凹凸を検知してタイヤの回転を検知する電磁ピックアップップ式の近接センサである後輪回転速度検出器１２が取り付けられ、この後輪回転速度検出器１２が検出した後輪２の回転速度は、検出走行速度取得手段１３に入力されるようになっている。なお、この後輪回転速度検出器１２は、ペダル回転速度検出器１０と同様に、後輪２の車軸（インホイール・モータ９の回転軸）に直接又は伝動装置を介して取り付けたロータリ・エンコーダやダイナモ等を用いることもできる。また、インホイール・モータ９のモータ駆動回路が回転速度を外部に出力できる場合には、後輪回転速度検出器１２に代えて、この回転速度の出力を用いてもよい。
【００３５】
検出走行速度取得手段１３は、後輪回転速度検出器１２から送られて来た後輪２の回転速度を検出走行速度に変換するものである。後輪２のタイヤの直径（本実施形態では直径が２０インチのタイヤを用いる）を円周率倍して求めた円周長に、後輪回転速度検出器１２が検出した後輪２の回転速度を乗算すれば、電動車の実際の走行速度を算出することができる。なお、後輪２のタイヤの空気圧等によって円周長は変化し、また、後輪２がスリップすれば走行速度には関係のない回転を行うので、後輪２の回転速度から電動車の実際の走行速度を示す検出走行速度に変換する際には、適宜の補正を行ってもよい。ただし、本実施形態では、このような演算処理に代えて、表１を用いて後輪２の回転速度を検出走行速度に変換している。
【００３６】
【表１】
【００３７】
この表１は、「間隔時間」の列と「走行速度」の列を左右に並べた対応表である。「間隔時間」の列には、間隔時間（単位は秒）が順に設定され、「走行速度」の列には、同じ行の間隔時間に対応する走行速度（単位はｋｍ／ｈ）が設定されている。また、「間隔時間」の列の各間隔時間は、１行下の間隔時間を超え当該間隔時間以下の時間を示している。ただし、「間隔時間」の列の最上行の空欄は、１行下の間隔時間（表１では０．２１２８秒）を超える全ての時間を示し、最下行の間隔時間は、当該間隔時間（表１では０．０２６６秒）以下の全ての時間を示す。また、ここでは表１を簡単にするために行を間引いて示しているが、実際に用いられる表では、「走行速度」の列の走行速度が０ｋｍ／ｈから２５ｋｍ／ｈまで１ｋｍ／ｈごとのステップで設定されている。
【００３８】
後輪回転速度検出器１２は、モータケース端縁部分にある磁性体の凹凸（円周上に９箇所、等角度間隔で配置されている）に接近するたびにパルスを発生し、このパルスの発生間隔の時間が後輪２の回転速度を示すことになる。従って、検出走行速度取得手段１３は、このパルスが送られて来るたびに、前回のパルスから今回のパルスまでの時間を計測し、表１の「間隔時間」の列から計測した時間に該当する間隔時間を検索すると共に、「走行速度」の列における検索した間隔時間と同じ行の走行速度を読み出し、これを検出走行速度として出力する。なお、後輪回転速度検出器１２から初めてパルスが送られて来た場合には、時間の計測ができないので、検出走行速度を０とする。
【００３９】
上記目標走行速度取得手段１１で変換した目標走行速度と、検出走行速度取得手段１３で変換した検出走行速度は、トルク指令信号制御手段１４に入力されるようになっている。トルク指令信号制御手段１４は、インホイール・モータ９にトルク指令信号として入力する制御電圧を決定するものである。そして、従来は、このトルク指令信号制御手段１４がこれらの目標走行速度と検出走行速度の差のみに基づいて、例えばＰＩＤ制御等によりトルク指令信号としての制御電圧を決定していた。しかしながら、本実施形態のトルク指令信号制御手段１４では、加速度取得手段１５と走行負荷取得手段１６とで求めた走行負荷に対応して、これらの目標走行速度と検出走行速度の差をなくす加速度を得るための出力トルクが発生するように、トルク指令信号としての制御電圧を決定する。
【００４０】
このため、検出走行速度取得手段１３で変換した検出走行速度は、加速度取得手段１５にも入力されるようになっている。また、この加速度取得手段１５が出力した加速度は、走行負荷取得手段１６に入力されるようになっている。そして、この走行負荷取得手段１６には、トルク指令信号制御手段１４が出力したトルク指令信号としての制御電圧も入力されるようになっている。
【００４１】
加速度取得手段１５は、検出走行速度取得手段１３から送られて来た検出走行速度の単位時間当たりの速度変化、即ち加速度を求めるものである。加速度は、検出走行速度を微分したり、デジタルシステムでは、サンプリングごとに前回の検出走行速度との差をサンプリング間隔で除算すれば求めることができるが、ここでは、検出走行速度が異なる時間間隔で送られて来るので、前回の検出走行速度と今回の検出走行速度との差を前回から今回までの時間間隔で除算する必要がある。そこで、本実施形態では、表２を用いて加速度を求めている。
【００４２】
【表２】
【００４３】
この表２は、見出し行の走行速度（単位はｋｍ／ｈ）と見出し列の加速度（単位はｍ／ｓ２）との各組合せに対応する間隔時間（単位は秒）を行列にした表である。見出し行の各走行速度は、検出走行速度取得手段１３が前回変換した検出走行速度であり、行列の各間隔時間は、検出走行速度取得手段１３が今回検出走行速度を変換するまでの間隔時間である。そして、見出し列の各加速度の行には、それぞれの列の前回の検出走行速度が当該加速度によって変化した場合に、今回検出走行速度を変換するまでに要するであろう時間を示す間隔時間が設定されている。従って、加速度が０の行は、今回の検出走行速度が前回と同じであった場合を示すので、表１の「間隔時間」の列を行に変更したものと同じになる。また、行列の各間隔時間は、１行下の間隔時間を超え当該間隔時間以下の時間を示していることも表１の場合と同じである。ただし、ここでも表２を簡単にするために行と列を間引いて示すと共に右側の列を一部省略している。なお、この表２では、電動車が加速する場合の正の加速度のみを示すが、減速の場合の負の加速度についても同様の表が用いられる。
【００４４】
加速度取得手段１５は、検出走行速度取得手段１３から検出走行速度が送られて来るたびに、前回送られて来た検出走行速度を表２の見出し行の走行速度から検索し、この走行速度の列から前回と今回の間に要した時間（この時間は検出走行速度取得手段１３から取得してもよいし、改めて計測よい）に該当する間隔時間を検索し、この間隔時間と同じ行の見出し列の加速度を読み出して出力する。なお、検出走行速度取得手段１３から初めて検出走行速度が送られて来た場合には、前回の検出走行速度が存在しないので、加速度を０とする。
【００４５】
走行負荷取得手段１６は、加速度取得手段１５から送られて来た加速度と、トルク指令信号制御手段１４から送られて来たトルク指令信号としての制御電圧に基づいて、走行負荷を求めるものである。電動車の加速度ａと推進力Ｐと走行負荷Ｌと質量ｍは、ａ＝（Ｐ−Ｌ）／ｍの関係にあり、推進力Ｐは、インホイール・モータ９の制御電圧に比例する出力トルクに比例し、質量ｍは、本実施形態では電動車の車体質量に人の標準体重を加えて予め設定した定数であるため、加速度ａと制御電圧が分かれば走行負荷Ｌを算出することができる。ただし、本実施形態では、表３を用いてこの走行負荷を求めている。
【００４６】
【表３】
【００４７】
この表３は、見出し行の加速度（単位はｍ／ｓ２）と見出し列の制御電圧（単位はＶ）との各組合せに対応する走行負荷（単位はＮ）を行列にした表である。ただし、ここでも表３を簡単にするために行と列を間引いて示している。なお、この表３でも、正の加速度のみを示すが、負の加速度についても同様の表が用いられる。また、この表３では、正の走行負荷のみが設定されているが、実際には負の走行負荷も設定する。
【００４８】
走行負荷取得手段１６は、加速度取得手段１５から加速度が送られて来るたびに、この加速度とそのときの制御電圧とを表３の見出し行と見出し列から検索し、検索した加速度の列と検索した制御電圧の行が交差する部分の走行負荷を読み出して出力する。
【００４９】
上記トルク指令信号制御手段１４は、目標走行速度取得手段１１で変換した目標走行速度と、検出走行速度取得手段１３で変換した検出走行速度と共に、この走行負荷取得手段１６が求めた走行負荷も入力する。そして、目標走行速度と検出走行速度との差を速やかになくすために必要となる加速度を求め、現在の走行負荷の元でこの加速度を得るために必要な制御電圧を決定する。即ち、上記のように、電動車の加速度ａと推進力Ｐと走行負荷Ｌと定数である質量ｍは、ａ＝（Ｐ−Ｌ）／ｍの関係にあるので、加速度ａと走行負荷Ｌが分かれば推進力Ｐを算出することができ、この推進力Ｐからトルク指令信号としての制御電圧を求めることができる。ただし、本実施形態では、表４を用いてこの制御電圧を求めている。
【００５０】
【表４】
【００５１】
この表４は、「走行負荷」の列と、加速時の「制御電圧」の列と減速時の「制御電圧」の列を左右に並べた対応表である。「走行負荷」の列には、走行負荷（単位はＮ）が順に設定され、加速時と減速時の「制御電圧」の列には、それぞれ同じ行の走行負荷に対応するトルク指令信号としての制御電圧（単位はＶ）が設定されている。ただし、ここでも表４を簡単にするために行を間引いて示している。なお、この表４でも、正の加速度のみを示すが、負の加速度についても同様の表が用いられる。また、この表４でも、正の走行負荷のみが設定されているが、実際には負の走行負荷も設定する。
【００５２】
トルク指令信号制御手段１４は、走行負荷取得手段１６から走行負荷が送られて来るたびに、表４の「走行負荷」の列からこの走行負荷を検索する。そして、検出走行速度が目標走行速度より遅いために加速が必要な加速時であるか、又は、検出走行速度が目標走行速度以上であるために定速走行又は減速が必要な減速時であるかを判断し、加速時の場合には加速時の「制御電圧」の列における検索した走行負荷と同じ行の制御電圧を読み出し、減速時の場合には減速時の「制御電圧」の列における検索した走行負荷と同じ行の制御電圧を読み出して決定する。このようにして決定された制御電圧は、トルク指令信号としてそのままインホイール・モータ９に入力される。
【００５３】
なお、上記トルク指令信号制御手段１４や目標走行速度取得手段１１、検出走行速度取得手段１３、加速度取得手段１５、走行負荷取得手段１６は、マイクロコンピュータによって構成することができる。また、表１〜表４も、このマイクロコンピュータのメモリ上に格納された多次元配列等によって実装することができ、この多次元配列等へのアクセスによって必要とする値を求めることができるので、計算処理が不要となり、演算能力の低いが安価なマイクロコンピュータを用いることが可能となる。
【００５４】
上記構成により、本実施形態のトルク指令信号制御手段１４は、目標走行速度と検出走行速度との差に応じて、電動モータに入力すべき最適な制御電圧（トルク指令信号）を直接決定することができる。目標走行速度と検出走行速度との差からは、これらの差を速やかになくすために電動車にどのような加速度が必要かが推測できる。そして、電動車の加速度ａと推進力Ｐと走行負荷Ｌと質量ｍは、ａ＝（Ｐ−Ｌ）／ｍの関係にあり、質量ｍは走行中は定数であるため、必要な加速度ａと電動車が受ける走行負荷Ｌが分かれば推進力Ｐも決定され、これに基づいてインホイール・モータ９に入力すべき最適な制御電圧も決定することができる。従って、それまでインホイール・モータ９に入力していた制御電圧を変化させて調整するのではなく、坂道や風等により電動車が受けている走行負荷から直接制御電圧を決定するので、目標走行速度の変化に対する応答性や走行負荷の変動に対する追従性の極めて高い速度制御を行うことができるようになる。
【００５５】
なお、上記実施形態では、後輪回転速度検出器１２で検出した後輪２の回転速度を検出走行速度取得手段１３によって検出走行速度に変換する場合を示したが、この検出走行速度は、路面に対する電動車の移動速度であるため、後輪２とは別にスリップ等の生じにくい走行速度検出用の車輪を設けたり、順次撮影した路面パターンを画像処理することにより走行速度を検出する等の全く別の方法で検出走行速度を求めてもよい。
【００５６】
また、上記実施形態では、トルク指令信号制御手段１４が、表４を用いて、目標走行速度と検出走行速度との差から加速時か減速時かの２種類に分類し、それぞれのケースについて走行負荷から制御電圧を決定する場合を示したが、例えば減速時を定速走行時と本来の減速時に分類することもできるし、加速時や減速時をそれぞれその加速と減速の程度ごとにさらに細分類することもできる。また、逆に走行負荷をその大きさで複数に分類し、それぞれのケースについて、目標走行速度と検出走行速度との差に基づき比例制御（Ｐ制御）やこれに積分制御を加えたＰＩ制御等の従来の速度制御を行うようにしてもよい。この場合、走行負荷の大きさに応じて、例えば走行負荷が大きい場合には比例制御のゲインを大きくする等の相違を持たせることができる。
【００５７】
また、上記実施形態では、インホイール・モータ９がブラシレスＤＣモータである場合を示したが、制御電圧等のトルク指令信号によって出力トルクが制御される電動モータであれば、この電動モータの種類は任意である。さらに、このように後輪２の車軸に直結されたインホイール・モータ９に限らず、伝動装置を介して後輪２を駆動する他の駆動用の電動モータを用いることもできる。
【００５８】
また、上記実施形態では、トルク指令信号制御手段１４や加速度取得手段１５、走行負荷取得手段１６等をマイクロコンピュータによって構成する場合を示したが、これらの構成は任意であり、通常のディジタル回路やアナログ回路、その他の制御手段によって構成することもできる。
【００５９】
また、上記実施形態では、ペダル６の回転速度によって目標走行速度を指示する電動車の場合を示したが、例えばハンドル５の手で握るグリップの回転角によって目標走行速度を指示する等、運転者の操作によって目標走行速度を指示するものであれば、どのようなものであってもよい。
【００６０】
また、上記実施形態では、電動車が前輪１と後輪２と左右の補助輪３、３からなる四輪車である場合を示したが、この電動車は、電動モータによって駆動される駆動輪がどこかに少なくとも１輪ある車両であればよく、例えば補助輪３、３のない二輪車や、前後二輪ずつの四輪車、前後いずれかが二輪の三輪車等、どのような車両であってもよい。
【実施例】
【００６１】
上記実施形態で示した電動車の実施例によるシミュレーション結果を示す。このシミュレーションは、上り坂で発進を行う場合であり、図５に示した従来例の場合と同様の条件で行った。ただし、目標走行速度は４ｋｍ／ｈとした。
【００６２】
また、電動車が動き出して後輪回転速度検出器１２からパルスが２回出力されるまでは加速度取得手段１５による加速度の算出ができないため、加速度が算出されるまでの制御電圧は、走行負荷が０の場合の加速時の値を最初に出力し、その後、０．０５秒経過するたびに０．０５Ｖを加算して出力する方法とした。
【００６３】
実施例の電動車は、図３に示すように、発進時には表４の加速時となるので、インホイール・モータ９の制御電圧を初期値の３．４５Ｖ（走行負荷が０Ｎ）から４．１０Ｖ（走行負荷が３５Ｎ）まで徐々に上げることにより１．７秒後に検出走行速度が目標走行速度の４ｋｍ／ｈを超える。すると、表４の減速時となるので、そのときの走行負荷が２５Ｎとなり制御電圧が３．４５Ｖに下がる。しかも、これによって検出走行速度が下がり始め加速度が僅かに負となるので、制御電圧も０．８５Ｖまで下がる。しかし、２．０秒後に検出走行速度が目標走行速度の４ｋｍ／ｈよりも僅かに遅くなると、再び表４の加速時となり、制御電圧も３．６５Ｖに回復し、以降は検出走行速度が目標走行速度の４ｋｍ／ｈ付近を推移するように、制御電圧が調整される。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明の一実施形態を示すものであって、電動車の構成を示す側面図である。
【図２】本発明の一実施形態を示すものであって、電動車の速度制御の構成を示すブロック図である。
【図３】本発明の実施例を示すものであって、上り坂発進時の制御電圧と走行速度との関係を示すタイムチャートである。
【図４】従来例を示すものであって、平坦地発進時の制御電圧と走行速度との関係を示すタイムチャートである。
【図５】従来例を示すものであって、上り坂発進時の制御電圧と走行速度との関係を示すタイムチャートである。
【符号の説明】
【００６５】
１ 前輪
２ 後輪
３ 補助輪
４ サドル
５ ハンドル
６ ペダル
７ 荷台
８ 蓄電池
９ インホイール・モータ
１０ ペダル回転速度検出器
１１ 目標走行速度取得手段
１２ 後輪回転速度検出器
１３ 検出走行速度取得手段
１４ トルク指令信号制御手段
１５ 加速度取得手段
１６ 走行負荷取得手段
【特許請求の範囲】
【請求項１】
運転者の操作によって目標となる走行速度（以下「目標走行速度」という）が指示され、トルク指令信号によって出力トルクが制御される電動モータにより駆動される電動車において、
この電動車の走行速度を検出する走行速度検出手段と、
この走行速度検出手段が検出した走行速度（以下「検出走行速度」という）の単位時間当たりの速度変化から加速度を求める加速度取得手段と、
この加速度取得手段が求めた加速度と、電動モータの出力トルクとから電動車の走行負荷を求める走行負荷取得手段と、
この走行負荷取得手段が求めた走行負荷に対応して、目標走行速度と検出走行速度との差をなくす加速度を得るための出力トルクが発生するように、電動モータに入力すべきトルク指令信号を決定するトルク指令信号制御手段とを備えたことを特徴とする電動車。
【請求項２】
前記目標走行速度が、運転者が足でペダルを踏んでペダルを回転させたときのペダル回転速度に応じて指示されるものであることを特徴とする請求項１に記載の電動車。
【請求項３】
前記トルク指令信号が制御電圧であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電動車。
【請求項４】
前記加速度取得手段、前記走行負荷取得手段及び前記トルク指令信号制御手段が、予め作成された表に基づいて、それぞれ加速度、走行負荷及びトルク指令信号を決定するものであることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の電動車。
【請求項１】
運転者の操作によって目標となる走行速度（以下「目標走行速度」という）が指示され、トルク指令信号によって出力トルクが制御される電動モータにより駆動される電動車において、
この電動車の走行速度を検出する走行速度検出手段と、
この走行速度検出手段が検出した走行速度（以下「検出走行速度」という）の単位時間当たりの速度変化から加速度を求める加速度取得手段と、
この加速度取得手段が求めた加速度と、電動モータの出力トルクとから電動車の走行負荷を求める走行負荷取得手段と、
この走行負荷取得手段が求めた走行負荷に対応して、目標走行速度と検出走行速度との差をなくす加速度を得るための出力トルクが発生するように、電動モータに入力すべきトルク指令信号を決定するトルク指令信号制御手段とを備えたことを特徴とする電動車。
【請求項２】
前記目標走行速度が、運転者が足でペダルを踏んでペダルを回転させたときのペダル回転速度に応じて指示されるものであることを特徴とする請求項１に記載の電動車。
【請求項３】
前記トルク指令信号が制御電圧であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電動車。
【請求項４】
前記加速度取得手段、前記走行負荷取得手段及び前記トルク指令信号制御手段が、予め作成された表に基づいて、それぞれ加速度、走行負荷及びトルク指令信号を決定するものであることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の電動車。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１０−１５８０９０（Ｐ２０１０−１５８０９０Ａ）
【公開日】平成２２年７月１５日（２０１０．７．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−３３３７４４（Ｐ２００８−３３３７４４）
【出願日】平成２０年１２月２６日（２００８．１２．２６）
【出願人】（３０４０２１４４０）株式会社ジーエス・ユアサコーポレーション (461)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年７月１５日（２０１０．７．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１２月２６日（２００８．１２．２６）
【出願人】（３０４０２１４４０）株式会社ジーエス・ユアサコーポレーション (461)
【Ｆターム（参考）】
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