专利名称：电动辅助自行车的制作方法
技术领域：
本发明涉及利用电机动力辅助人力行驶的电动辅助自行车，特别是涉及下述特点的自行车独立于根据踩脚踏板的力(下称为踏力)控制电机运转的主控制系统，设置在不踩脚踏板时禁止电机运转的回路，即使主控制系统工作不正常时，也不会损害骑车人的行驶感觉。
特开平5—310177号公报公开了这样的现有技术并列地设置人力驱动系统和电力驱动系统，根据踏力的变化控制电气驱动系统的输出，在这种电动辅助自行车中，在踏力检测手段的可动部分动作不圆滑、踏力在预设基准值以上的状态持续一定时间时，通过限制电气驱动系统的输出，使电气驱动系统不产生不必要的电气驱动系统输出，防止骑行人的行驶感觉变坏。
但是，上述自行车中，即使踏力检测手段工作正常，但是根据检测出的踏力控制产生辅助力的电机驱动的主控制系统工作不正常时，从电机供给不需要的驱动力，损害行驶感觉。
本发明正是要解决这样的课题。提供一种电动辅助自行车，该自行车在不踩脚踏板的状态下，限制电机运转，例如，即使在以CPU等构成的主控制系统不正常的情况下，也不产生不需要的辅助驱动力。
解决上述课题的本发明的电动辅助自行车的特征在于包括根据以踏力检测手段的踏力控制上述电机运转的主控制系统，以及电机驱动限制手段，上述电机驱动限制手段独立于主控制系统，根据上述踏力检测手段检测的踏力，当没有施加踏力时，限制上述电机的运转。
由于本发明具有独立于根据踏力控制电机运转的主控制系统的驱动限制手段，故当主控制系统工作不正常，例如，即使产生与踏力无关的进行电机驱动的输出，只要没有检测出踏力，则电机驱动限制手段限制电机的运转。
所以，即使主控制系统的动作不正常，在没有踏脚踏板的状态下，由于从电机不供给辅助力，故不会损害骑车人的感觉。
下面根据图说明本发明的实施例。其中，
图1是本发明涉及电动辅助自行车侧面图。
图2是电池盒的纵剖面图。
图3是电池盒组件后部及中间壳体底部纵剖侧面图。
图4是传动齿轮机构及踏力检测手段模式结构图。
图5是控制系统方框构成图。
图6是电机驱动限制手段工作流程图。
图7是控制装置具体实例回路构成图。
图中的符号表示1—电动辅助自行车、21—电机、70—踏力检测手段、81—主控制系统、90—电机驱动限制手段、103—构成主控制系统的单片机。
图1是本发明电动辅助自行车的侧面图。
从电动辅助自行车1的头管2向斜后方延伸出下斜管3，从下斜管3的下端延伸出向上弯曲，并指向斜后方的座管4，由下斜管3及座管4构成大致呈V字型的主架5。在座管4的上端设置车座6。
在头管2上嵌插有可以自由转动的车把轴7，在车把轴7的上端一体地安装车把8，同时，在车把轴7的下端呈一体地延伸出的左右一对的前叉9的下端，自由回转地支承前轮10。
在下斜管3和车座管4交叉形成的主架的弯曲部下部，突出设有托架5a(如图3所示)，在其内安装传动齿轮机构，同时，兼作曲柄箱的齿轮箱11一体地安装在托架5a上。在齿轮箱11上一体地安装呈前后方向的后叉12。在车座管4和后叉的后端架设支撑13，在后叉12的后端可以自由回转地以轴支承后轮14。
在齿轮箱11上，嵌装有可以自由回转的曲轴(车拐轴)，在曲轴15的左右端一体地安装曲轴臂(车拐)16，曲轴臂16的前端设有脚踏板(脚蹬子)17。
与曲轴15一体设置的驱动链轮18以及和后车轮一体设置的从动链轮19之间架设有无缝链条20，通过脚踏板17上施加的力回转驱动曲轴15，则通过主动链轮18、链条20、以及从动链轮19使后轮14回转，电动辅助自行车1可以作为自行车行驶。
此外，沿车座管4，在齿轮箱11上固定电机21。在座管4的后侧面上，设有位于电机21上方的、控制电机21转动的电子控制装置、电机驱动装置等控制装置22。以控制装置22控制电机21回转，则电机的回转扭矩通过传动齿轮机构传递到曲轴15，以电机的动力对人力进行辅助。
由下斜管3和车座管4构成的主架5由大致呈V型的左右两部分的侧盖23及中间盖24覆盖。在覆盖下斜管3的侧盖23的倾斜的上表面上，可以拆卸地安装充电电池盒组件25。
在侧盖23的前端部上配设有由钥匙开关(组合开关)等构成的主开关41。通过与此主开关41的操作联动的锁紧装置(未图示)，当开关位于“开”位置时，为电池盒组件25不能拆下的结构。
此外，在电池盒组件25的侧面上，设有充电用接口等连接部42，即使在电池盒组件25安装于自行车1的状态下，也可以充电。图2是电池盒的纵断面图。
电池盒组件25分成上下的下壳体26和上壳体27，在此电池盒组件25内，可以自由拆下地安装20个柱形的单一型Ni—Cd电池28a、28b构成的电源用电池组29。
此外，电池盒组件25的上壳体27形成电动辅助自行车1的车体外表面的一部分。
电源用电池组29的构成如下。相邻的Ni—Cd电池28a的正、负极交错排列，在Ni—Cd电池28a的外圆表面相互接触的状态，与Ni—Cd电池28a的中心线呈直角的方向呈一列排列10个Ni—Cd电池。在上述状态下，在此下层电池28a列上方各个凹下部分，重叠10个Ni—Cd电池28b。如图2的虚线所示，下层相邻的Ni—Cd电池28a的正、负极由铅焊方式用连接片30a互相连接，上层的各Ni—Cd电池28b同样以连接片30b相互连接，各Ni—Cd电池28a、28b的前端(图2中为左端)，正负极由连接片30c相互连接后，将上下Ni—Cd电池28a、28b插入筒状的热收缩性树脂制膜31内，再加热使膜收缩。
在下层Ni—Cd电池28a的后端(图2中的右端)，以及上层电池28b的后端的负极及正极分别连接端子片32a、32b，在端子片32a、32b上，通过焊接分别一体地连接导线33a、33b的一端。导线33a、33b的另一端分别接于供电接口34(图3所示)上，通过此供电接口34向控制装置22一侧供电。
在上下层各Ni—Cd电池28a、28b之间分别配有热敏电阻等热敏性电阻元件35。此热敏性电阻元件35通过导线35a连接于图3所示的充电用接口36上，在以未图示的充电器进行充电时，未图示的充电器根据热敏性电阻元件35的阻值监测Ni—Cd电池28a、28b的温度。
此外，在此电池盒组件25内，安装有各种保险丝、防止逆极性充电的二极管等电路元件。
图3是电池盒组件的后端以及中间壳体底部的纵剖面图。
在电池盒组件25的后端部配设有供电用接口38。此供电用接口38具有以铜合金板材等导电弹性材料构成的左右一对的接点端子38a。各接点端子用螺丝40将其一端固定于接口壳体上，同时，与各导线33a、33b呈电气连接。而且，与此供电用接口38相配的接口39配置于中心盖24的底壁24a上。此接口39具有左右一对的棒状端子39a。并且，在安装电池盒组件25的状态下，各突出端子39a贯穿形成于底壳26上的开口26a以及供电用接口38的开口部38b，各突出端子39a的前端与各接点端子38a相接触。因此，电源可供电。各接点端子38a的另一端由于各突出端子39a向上突出产生变形，在此变形部分设有螺旋弹簧38c，不仅可以获得充分的接触压力，而且不易产生由行驶过程中的振动引起的瞬时断电。
图4是传动齿轮机构及踏力检测手段模式图。
在曲轴15的轴向中间部，形成有沿径向贯通的沿轴向延伸的通孔15a。在此通孔15a内，与曲轴15同轴并收纳于其中的扭杆51将其左端(输入端)上形成的头部51a借助于卡环52结合于曲轴15上，同时其右端(输出端)形成的头部51b压入接合于环状驱动零件53的内表面上形成的凹槽中。曲轴15的通孔15a相对的壁面呈弧状弯曲，因此，不仅允许它相对于扭杆51的自由端的头部51b回转所定的角度，而且，当过载作用时可防止扭杆51的断裂。
在固定于套筒54内圆的锥齿轮55和环形驱动零件53之间设有第一单方向离合器56，在脚踩踏板17使曲轴15正转时，曲轴15的扭矩通过扭杆51、驱动零件53、锥齿轮55及套筒54传递到以花键结合于套筒外周的主动链轮18上，借助链条及图1所示的从动链轮19传给后轮14。此外，脚踏踏板使曲轴15反转时，通过第一单方向离合器56的滑动，而允许曲轴15反转。
当电机21回转驱动时，其输出轴21a的扭矩通过4个直齿轮57、58、59、60及2个锥齿轮61、55传给主动链轮18。此外，即使在电机停止转动的状态，为不妨碍以人力驱动的主动链轮18的回转，在第1中间轴63上设了第2单方向离合器62。符号64为第2中间轴。
踏力检测手段70由扭矩—变形变换手段71、以及输出根据此变形输出电信号的应变传感器72构成。扭矩—变形变换手段71将踏力引起的扭转变成轴向的变形。扭矩—变形变换手段71由凸状的凸轮面及形成于驱动零件53的端面上的凹状的凸轮面配合构成。凸状的凸轮面形成于与曲轴15一体回转的内滑块71a的端面。
为了检测曲轴15的转数，在接结曲轴15及扭杆51的头部51a的卡环52的外周上形成齿部52a，与此齿部相对配有曲轴转数传感器75。曲轴转数传感器75输出以光学或电磁检测齿部52a的检测脉冲。
图5是控制系统的构成框图。
控制系统80由主控制系统81和电机驱动限制手段90构成。主控制系统81根据踏力检测手段70的检测输出70a及对应曲轴转数传感器75检测出曲轴转数的信号75a输出电机驱动信号81a，电机驱动限制手段90与上述主控制系统81相独立地设置，当踏力检测输出70a在预设定临界值之下时，不管电机驱动信号81a的状态，限制电机21的回转。
主控制系统81具有A/D变换器82、以及CPU84。A/D变换器82将作为电压信号的踏力检测手段70的检测输出70a变换成对应此电压的数字值。CPU84根据贮存于ROM83中的控制程序动作。CPU84读入A/D转换的踏力数值82a，同时根据对应曲轴转数的信号75a的脉冲周期检测曲轴转数，参照预先准备的PWM图或利用预定的计算公式求出对应踏力及曲轴转数的电机21单位时间的通电比率(占空比)，对应求出的通电比率(占空比)生成PWM调制的电机驱动信号81a。
电机驱动限制手段90具有电压比较器92及逻辑积回路(与门)93。电压比较器92比较临界值电压产生手段91生成的临界值电压VTH和踏力检测手段70的检测输出电压，当与踏力相关的电压超过临界值电压VTH时，输出H水平电机运转许可/限制指令信号92a，当低于临界值电压VTH时输出L水平的电机运转许可/限制指令信号。逻辑积回路(与门)93一侧的输入端子输入PWM调制的电机驱动信号81a，另一侧的输入端子输入电机运转许可/限制指令信号92a，根据此逻辑积回路(与门)93的输出信号93a，开关驱动构成电机驱动器85的电力用场效应管。
图5中，符号86是电池电源、87是主开关、88是向各回路部供给稳定电源VCC的降压型稳定化电源回路。
图6是电机驱动限制手段的动作时序图。
脚踏自行车脚踏板时，脚踏板上死点、下死点上，没有施加踏力，故，踏力检测输出70a为如图6(a)所示周期性增减的电压波形。踏力检测输出70a的电压超过临界值电压VTH时，电压比较器92输出如图6(c)所示的H水平信号82a。所以主控制系统81根据踏力检测输出70a输出图6(b)所示电机驱动信号(PWM信号)81a，则通过逻辑积回路(与门)93输出图6(d)所示的逻辑输出信号93a，根据此逻辑输出信号93a控制电机21的运转。即，仅在踏力超过临界值时，允许电机21运转，供给辅助力。
主控制系统由于某种原因不能正常工作时，例如，如图6(e)所示，即使在时刻t1以后保持H水平的输出，如图6(f)所示，仅在踏力超过临界值时，允许电机21运转。所以，即使主控制系统81的动作不正常，在没踏脚踏板的状态下，不从电机21供给辅助力。
图7是表示控制装置的一具体例的回路构成图。
电池盒组件25内的电池电源BAT通过供电侧保险丝FO从供电用接口38的各端子B+，B-施加到控制装置100的各电源端子B+，B-。并且，充电通过二极管DI以及充电侧保险丝FI从充电用接口36的正极一侧端子36a来进行。检测充电时温度的热敏电阻35的一端连接于负极一侧端子36上，另一端连接在信号端子36c上。
主开关(key—swith)41为ON状态时，电源BAT从控制装置100的正极侧电源端子VB通过保险丝FO。主开关41、端子SW向电源复位回路101供电，同时，通过由二极管D1及充电电流限流电阻R1构成的预充电回路102，电机电源稳定用电容器C1充电。
电源复位回路101具有例如将24V的电池电源降压成12V及5V的稳定电源进行输出的12V、5V电源101a，以及以5V电源工作的复位回路101b。12V电源用于控制向电机21通电的电力用场效应管FET的栅极控制电压以及曲轴回转传感器的工作电压。5V电源用于单片机103、电机驱动限制手段90、电机电流检测回路204等。
复位回路101b在与5V电源接通时向CPU供给复位脉冲RS，同时监测以一定周期从CPU103a输出的看门狗(Watch dog Pulse)脉冲WP，当此看门狗脉冲WP在一定时间以上没有被输出时，输出复位脉冲信号，使CPU复位(初始化)。此外，当复位脉冲信号RS输出后，看门狗脉冲WP没有被供给时，复位回路101b将12V、5V电源的断开指令POFF供给12V、5V电源101a，使12V、5V电源的供给停止。
主控制系统由内装CPU103a、ROM·RAM103b、A/D转换器103c、(未图示的)计时器的单片机103来构成。
电机电源稳定用电容器C1的两端电压由电阻R2、电阻R3分压，以将电压变为A/D转换器103c的许容输入电压范围内，分压后的电压供给到A/D转换器103c的输入端子A5。CPU103a根据复位信号RS初始化后，在A/D转换的分压电压值超过预定的电压时，输出继电器驱动指令103d。由此，通过继电器驱动回路105，继电器106的励磁线圈被通电，继电器106的触点闭合，向电机21施加电池电源电压。
由于是检测电机电源稳定用电容C1的两端电压，在此电容C1充电以后，驱动继电器106的触点闭合，所以，通过继电器的接点，充电电流不会过大，不会损害触点。但也可以是，在电容C1的两端电压随时间的上升率在规定值以下时，即判断为电容C1的预充电结束，使继电器106动作。根据电压变化来判定，可以和电池电源BAT的电压值无关地检测充电是否结束。
控制电机21通电的场效应管FET的漏—源极间短路、或漏—源极间并连连接反方向冲击电压吸收用二极管D2的短路发生时，电容C1的两端电位变为由充电电流限流电阻R1及电机21的线圈阻抗分压电池电压后的电压。充电电流限流电阻R1的电压值设为比电机21的线圈阻抗高很多的值。所以，在上述短路故障发生时，预充电状态的电容C1的端子电压不上升，继电器106的驱动被禁止，可以事先防止由短路而引起的过流供给。
此外，即使在电机21运行状态之下，CPU103a也检测电容C1的两端电压，根据向电机21施加的实际电压值对PWM信号103e的通电比率进行补正，以得到所要求的辅助扭矩。因此，即使在电池电源电压降低的情况下，也可产生所要求的辅助扭矩。
向电机21停止供电时产生的反向过电压，通过二极管D3由电源BAT吸收。供电侧保险丝FO使用大电流用保险丝(数10安培)。由于向电机21的供电通过继电器106的触点进行，故与主开关41的电流容量较小及主开关串联连接的保险丝F1的容量小的保险丝即可(数安培)。
通过泄流电阻R4向曲轴转数传感器75供给12V电源。即使由端子VC在曲轴转数传感器75一侧产生短路，由于由电阻R4限流，电源系统得到保护。输入端子CP的曲轴转数检测信号75a由波形整形回路106整形，变换成5V的逻辑幅值电压，向(CPU103的输入电子供给。
通过泄流电阻R5向踏力检测手段70供给5V电源。即使由端子Vp在踏力检测手段70一侧产生短路，由于电阻R5的限流作用，电源系统得到保护。供给到端子Ts的踏力检测输出(电压信号)70a，被分压比不同的2组分压回路分压，分别将分压电压供给到A/D转换器103c。将由电阻R7及R6构成的分压回路设成分压比设为如1/2，将由电阻R8及R9构成的另一分压回路的分压比设为如1/4。
备有分压比不同的二个系统的检测电压，CPU103a根据二个系统的A/D转换数据检测扭矩的大小，同时，选择检测扭矩小时的供给到A/D输入端子A2的电压(分压比1/2)的A/D转换数据，以及选择检测扭矩大时的供给到A/D输入端子A3的电压(分压比1/4)的A/D转换数据，考虑到分压比来换算扭矩值。由这样的构成及处理，即使A/D转换器103c的分辨率一样，也可以在小扭矩到大扭矩的较宽范围内检测出精度高的扭矩值。
由于踏力检测手段的检测输出受供给电源电压的影响，所以将实际供给到踏力检测手段70的电压供给到A/D输入端子A/D，根据D/A变换数据修正检测电压，可以更准确地进行踏力检测。
电机驱动限制手段90内的电压比较器92比较将供给到踏力检测手段70电压经阻抗91a及阻抗91b分压得到的临界电压VTH，以及由阻抗R8，R9分压的踏力检测输出70a的电压。由于将供给到踏力检测手段70的电压分压，得到临界电压值VTH，故可以更准确地判定踏力是否超过所定值。
电压比较器92的输出92a供给到CPU103a的输入端子。CPU103检测电压比较器92的输出92a的水平值，即踏力周期性的零状态。并且，在根据基于A/D变换数据的踏力检测，电机21运行的状态下，在未检测出踏力周期性地为零状态的情况下，停止PWM信号103e的输出，停止电机21的运转。因此，可以防止踏力检测手段70及A/D转换器103c等的踏力检测系统的工作不正常、产生不需要的辅助扭矩。
CPU103a根据由A/D转换器103c检测出的踏力、以及曲轴回转数检索占空比图，生成对应于求出的占空比的PWM信号103e，并输出。上述的回转数是根据对应于曲轴回转数的信号75a检测出的。
此PWM信号103e在比较器92的输出92a为H时，即检测出的踏力大于所规定的踏力时，通过逻辑积回路93供给到FET驱动回路107。FET驱动回路107根据逻辑积输出信号93a向场效应管FET的栅极供给电力，使场效应管FET开关驱动。由此，电机21由PWM控制运转。
CPU103根据电机电流检测电机21的运转是否正常，当检测出异常电流值时，限制电机21的运转。
电机通电时，场效应管FET的漏—源之间产生电机电流乘以场效应管FET导通电阻所得电压(下面称之为FET导通电压)。
电机电流检测回路104内的电子开关104a与逻辑积输出信号93a的H水平同步地呈导通状态，将FET导通电压供给到由电阻R10和电容C构成的时间常数回路104b。电子开关104a可用双极晶体管、场效应管等构成。与PWM信号同步读入的FET导通电压在时间常数回路104b中大致变成对FET导通电压对应的直流电压(脉动电流电压)。在电压放大器104c经直流放大此直流电压得到的电压信号104d供给到A/D变换器103b的A/D变换输入端子A5。而且，根据与A/D变换的电机电流值相关的电压数值，在电机电流值过大的情况下，CPU103a或将通电占空比压低或停止电机21的运转。
也可通过与场效应管FET串列的电流检测用电阻，根据电流检测出用电阻端产生的电压进行电机电流的检测。在此实施例中，是通过检测FET导通电压来实现电流检测的，故没有由插入电流检测出电阻的电力损失，有效地利用电池电源BAT。
CPU103a比较与电池电源电压相关的数据与预定的残量判定电压值，当电池电源电压低于残量判定电压值时，产生表示输出103f，通过表示灯驱动回路108使表示灯闪亮，进行需要充电的表示。表示灯不是连续通电，而是动态闪烁，可作到节电。也可用间隔数秒的周期闪烁。上述与电源电压相关的数据是通过A/D变换器103c读入的。
本实施例中，说明了当踏力在所定值以下时，由逻辑积回路(与门)阻止从CPU输出的电机驱动信号的导通，但也可以通过断开向场效应管的栅极的电力供给来限制电机运转，上述场效应管是控制电机通电的。
上述本发明的电动辅助自行车设有独立于控制电机运转主控系统的电机驱动限制手段，此电机驱动手段在踏力不施时限制电机的运转，故，即使主控系统工作不正常，在不踏脚踏板的状态下，不供电机从给辅助力，所以不会损害骑车人的骑行感觉。
权利要求
1.一种电动辅助自行车，利用电机动力辅助人力行驶的电动辅助自行车中，其特征在于包括根据以踏力检测手段检测的踏力控制上述电机运转的主控制系统，以及电机驱动限制手段，上述电机驱动限制手段独立于主控制系统，根据上述踏力检测手段检测的踏力，当没有踏力施加时，限制上述电机的运转。
全文摘要
主控系统81根据踏力检测手段70检测的踏力和曲轴转数传感器75检测的转数，产生PWM调制的电机驱动信号81a。电机驱动限制手段90中的电压比较器92当踏力70a在所定值VTH以下时输出L水平信号92a。通过阻止电机驱动信号81a通过与门93，在不踏脚踏板的状态下，限制电机21的运转。电机驱动限制手段90独立于主控制系统81。故在CPU等构成的主控系统工作不正常时，不会产生不需要的辅助力。
文档编号B62K11/00GK1123240SQ9511528
公开日1996年5月29日 申请日期1995年8月17日 优先权日1994年8月18日
发明者小川纯孝 申请人:本田技研工业株式会社