JP2007308138A - 電動パワーステアリング装置の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電動パワーステアリング装置の電流検出回路の故障を確実に検出すると共に、故障が検出されたときに制御系をフィードバック系からオープンループ系に切換える。
【解決手段】ハンドルの操舵トルクを検出するトルクセンサ１０と、前記ハンドルと一体的に設けられたステアリングシャフトを補助負荷付勢するモータ２０と、前記操舵トルクの大きさに応じて前記モータをフィードバック系で駆動するコントロールユニット３０とを具備した電動パワーステアリング装置の制御装置であり、前記コントロールユニットが、前記モータの電流検出回路３８と、前記電流検出回路の故障を検出する故障検出回路３１０とを具備すると共に、前記故障検出回路が前記電流検出回路の故障を検出したときに、フィードバック系をオープンループ系に切換える。
【選択図】図１

Description

本発明は、自動車や車両の操舵系にモータによる操舵補助力を付与するようにした電動パワーステアリング装置の制御装置に関し、特にコントロールユニットに設けられているモータ電流検出回路の故障を検出して制御系を切換えるようにした電動パワーステアリング装置の制御装置に関する。

自動車や車両のステアリング装置をモータの回転力で補助負荷付勢する電動パワーステアリング装置は、モータの駆動力を減速機を介してギア又はベルト等の伝達機構により、ステアリングシャフト或いはラック軸に補助負荷付勢するようになっている。一般的な電動パワーステアリング装置の構成を図７に示して説明する。操向ハンドル１の軸２は減速ギア３、ユニバーサルジョイント４ａ及び４ｂ，ピニオンラック機構５を経て操向車輪のタイロッド６に結合されている。軸２には、操向ハンドル１の操舵トルクを検出するトルクセンサ１０が設けられており、操向ハンドル１の操舵力を補助するモータ２０がクラッチ２１、減速ギア３を介して軸２に結合されている。パワーステアリング装置を制御するコントロールユニット３０には、バッテリ１４からイグニションキー１１を経て電力が供給され、コントロールユニット３０は、トルクセンサ１０で検出された操舵トルクＴと車速センサ１２で検出された車速Ｖとに基いてアシスト指令の操舵補助指令値Ｉの演算を行ない、演算された操舵補助指令値Ｉに基いてモータ２０に供給する電流を制御する。クラッチ２１はコントロールユニット３０でＯＮ／ＯＦＦ制御され、通常の動作状態ではＯＮ（結合）されている。そして、コントロールユニット３０によりパワーステアリング装置が故障と判断された時、及びイグニションキー１１によりバッテリ１４の電源がＯＦＦとなっている時に、クラッチ２１はＯＦＦ（切離）される。

コントロールユニット３０は主としてＣＰＵで構成されるが、そのＣＰＵ内部においてプログラムで実行される一般的な機能を示すと図８のようになる。例えば位相補償器３１は独立したハードウェアとしての位相補償器を示すものではなく、ＣＰＵで実行される位相補償機能を示している。尚、コントロールユニット３０をＣＰＵで構成せず、各機能要素を独立のハードウェアで構成することも可能である。

コントロールユニット３０の機能及び動作を説明すると、トルクセンサ１０で検出されて入力される操舵トルクＴは、操舵系の安定性を高めるために位相補償器３１で位相補償され、位相補償された操舵トルクＴＡが操舵補助指令値演算器３２に入力される。又、車速センサ１２で検出された車速Ｖも操舵補助指令値演算器３２に入力される。操舵補助指令値演算器３２は、入力された操舵トルクＴＡ及び車速Ｖに基いてモータ２０に供給する電流の制御目標値である操舵補助指令値Ｉを決定し、操舵補助指令値演算器３２にはメモリ３３が付設されている。メモリ３３は車速Ｖをパラメータとして操舵トルクに対応する操舵補助指令値Ｉを格納しており、操舵補助指令値演算器３２による操舵補助指令値Ｉの演算に使用される。操舵補助指令値Ｉは減算器３０Ａに入力されると共に、応答速度を高めるためのフィードフォワード系の微分補償器３４に入力され、減算器３０Ａの偏差（Ｉ−ｉ）は比例演算器３５に入力され、その比例出力は加算器３０Ｂに入力されると共にフィードバック系の特性を改善するための積分演算器３６に入力される。微分補償器３４及び積分補償器３６の出力も加算器３０Ｂに加算入力され、加算器３０Ｂでの加算結果である電流制御値Ｅが、モータ駆動信号としてモータ駆動回路３７に入力される。モータ２０のモータ電流値ｉはモータ電流検出回路３８で検出され、モータ電流値ｉは減算器３０Ａに入力されてフィードバックされる。

モータ駆動回路３７の構成例を図９に示して説明すると、モータ駆動回路３７は加算器３０Ｂからの電流制御値Ｅに基いて電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）ＦＥＴ１〜ＦＥＴ４の各ゲートを駆動するＦＥＴゲート駆動回路３７１、ＦＥＴ１〜ＦＥＴ４で成るＨブリッジ回路、ＦＥＴ１及びＦＥＴ２のハイサイド側を駆動する昇圧電源３７２等で構成されている。ＦＥＴ１及びＦＥＴ２は、電流制御値Ｅに基いて決定されるデューティ比Ｄ１のＰＷＭ（パルス幅変調）信号によってＯＮ／ＯＦＦされ、実際にモータに流れる電流Ｉｒの大きさが制御される。ＦＥＴ３及びＦＥＴ４は、デューティ比Ｄ１の小さい領域では所定１次関数式（ａ，ｂを定数としてＤ２＝ａ・Ｄ１＋ｂ）で定義されるデューティ比Ｄ２のＰＷＭ信号で駆動され、デューティ比Ｄ１の大きい領域ではＰＷＭ信号の符号により決定されるモータの回転方向に応じてＯＮ／ＯＦＦされる。例えばＦＥＴ３が導通状態にあるときは、電流はＦＥＴ１、モータ２０、ＦＥＴ３、抵抗Ｒ１を経て流れ、モータ２０に正方向の電流が流れる。又、ＦＥＴ４が導通状態にあるときは、電流はＦＥＴ２、モータ２０、ＦＥＴ４、抵抗Ｒ２を経て流れ、モータ２０に負方向の電流が流れる。従って、加算器３０Ｂからの電流制御値ＥもＰＷＭ出力となっている。

又、モータ電流検出回路３８は抵抗Ｒ１の両端における電圧降下に基いて正方向電流の大きさを検出すると共に、抵抗Ｒ２の両端における電圧降下に基いて負方向の電流の大きさを検出する。モータ電流検出回路３８で検出されたモータ電流値ｉは、減算器３０Ａに入力されてフィードバックされる。モータ２０には抵抗Ｒ３及びダイオードＤ１を介して電源Ｖｉｇが接続されると共に、抵抗Ｒ４を経て接地されている。抵抗Ｒ３，Ｒ４はモータ２０の端子間抵抗Ｒｍに比べ非常に大きな値となっており、モータ端子電圧Ｖｍが得られる。

上述のような電動パワーステアリング装置のコントロールユニットでは、電流検出回路３８を含めたモータ駆動系の故障が検出された場合、安全確保のためにモータ２０の出力をＯＦＦしたり、クラッチ２１をＯＦＦするようなフェールセーフを行なっていた。しかしながら、電動パワーステアリング装置がＯＦＦされた場合には、据え切りなどの低速時にマニュアルステアリング状態となり、ハンドルが重くなり、操舵することが困難になることが考えられる。モータ２０を駆動できる状態においても、一律に電動パワーステアリング装置をＯＦＦしているからである。

本発明は上述のような事情よりなされたものであり、本発明の目的は、電動パワーステアリング装置の電流検出回路の故障を確実に検出すると共に、故障が検出されたときに制御系をフィードバック系からオープンループ系に切換える電動パワーステアリング装置の制御装置を提供することにある。つまり、電流検出回路が故障していても他の部分、特にモータ駆動回路が正常である場合が考えられ、この場合にはモータ電流制御ができなくてもモータをオープンループで駆動することができる。そして、据え切りの低速時に少しでもモータに電流を流すことで操舵困難状態から逃げることが可能となる。

本発明は、ハンドルの操舵トルクを検出するトルクセンサと、前記ハンドルと一体的に設けられたステアリングシャフトを補助負荷付勢するモータと、前記操舵トルクの大きさに応じて前記モータをフィードバック系で駆動するコントロールユニットとを具備した電動パワーステアリング装置の制御装置に関するもので、本発明の上記目的は、前記コントロールユニットが、前記モータの電流検出回路と、前記電流検出回路の故障を検出する故障検出回路とを具備すると共に、前記故障検出回路が前記電流検出回路の故障を検出したときに、前記フィードバック系よりも電流を抑えて前記モータを駆動するオープンループ系に切換えることによって達成される。又、前記モータの駆動系の故障を、前記モータを駆動する電流制御値と、前記電流検出回路の出力とにより検出した後に、前記モータの端子電圧から前記電流検出回路の故障を検出すると良い。更には、前記オープンループ系に切換えたときに、車速及びバッテリ電圧によって前記モータを駆動するパルス幅変調のデューティ比を制御する。

本発明の電動パワーステアリング装置の制御装置によれば、コントロールユニットの電流検出回路の故障を確実に検出し、故障が検出されたときには制御系をフィードバック系からオープンループ系に切換えてモータ電流を流してフェールセーフ的な安定した制御を行なうことができ、ローコストで実現できるメリットがある。つまり、電流検出回路が故障していても他の部分、特にモータ駆動回路が正常である場合が考えられ、この場合にはモータ電流制御ができなくてもモータをオープンループで駆動することができる。そして、据え切りの低速時に少しでもモータに電流を流すことで操舵困難状態から逃げることが可能となる。

本発明では、電動パワーステアリング装置の電流検出回路の故障を次のように検出する。即ち、先ずパラメータ変動に基いてモータ駆動系の異常検出を行ない、異常を検出したときにモータ電流出力をゼロにしてダイアグを記憶してフェールランプを点灯する。上記パラメータ変動による故障検出では、モータ駆動回路の故障か電流検出回路の故障かを判別できないので、次に電流検出回路の故障検出を行なう。そして、モータ駆動回路の正常／異常を判断して、モータ駆動回路が正常であれば電流検出回路の故障とみなす。即ち、電流検出回路が正常と判断された場合にはモータに電流を流すことができないので、モータ駆動回路が故障であることを記憶してフェールセーフをＯＦＦして電動パワーステアリングを停止する。また、電流検出回路が異常と判断された場合にはモータ駆動回路が正常であるので、電流検出回路の故障であることを記憶し、オープンループでモータを駆動する。この場合、フェールランプは点灯したままで、正常なときよりも電流を抑えてモータを駆動する。このような本発明による制御系切換は、コントロールユニット内のＣＰＵのプログラムを変更するだけで容易に対応可能である。

以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。

本発明ではモータ電流検出回路３８の故障を検出して制御系を切換えるために、図１に示すようなコントロールユニットの構成とする。尚、図１は図８に対応して示している。モータ電流検出回路３８からのモータ検出電流ｉ及び加算器３０Ｂからの電圧制御値Ｅは、モータ２０の端子電圧Ｖｍと共に故障検出回路３１０に入力され、故障検出回路３１０から出力される切換信号ＳＳは切換部３２０に入力される。切換部３２０の接点ａは減算器３０Ａに接続され、接点ｂはシミュレーションで求められているモータモデル３３０に接続されている。又、バッテリ１４のバッテリ電圧Ｖｂ及びイグニションキー１１からのイグニション信号ＩＧも、故障検出回路３１０に入力されている。モータモデル３３０は、モータ２０の内部抵抗Ｒｍ、インダクタンスＬｍを用いて伝達関数で示したものである。

先ず、本発明のモータ駆動系の異常を検出する原理を説明する。図２はモータ駆動系の異常検出を説明する図で、内部抵抗Ｒｍ、インダクタンスＬｍのモータ２０は、ＦＥＴ１〜４をＨブリッジ接続して構成されたモータ駆動回路３７に接続される。その入力側にはバッテリ１４から電圧Ｖｂの電力が供給され、設定された動作状態に応じて図示のようにＦＥＴの１つがデュ−ティ比Ｄで動作し、その他のＦＥＴはＯＮ、ＯＦＦに設定される。

図２（Ａ）はモータ２０が正常な状態にあるときを示すもので、このとき電流ｉａが流れるものとする。以下、電流ｉａを理論電流値と呼ぶことにする。今、モータ２０が地絡（モータ巻線が抵抗Ｒｔでアースされた状態）すると、図２（Ｂ）のように地絡電流ｉｅが流れ、モータ駆動回路３７のアース側に接続された電流検出用抵抗Ｒａには電流ｉｍが流れる。そこで、モータ２０が正常な状態にあるときの理論電流値ｉａと、実際の動作状態にあるときの検出電流ｉを比較し、検出電流ｉ＝理論電流値ｉａであれば正常と判定し、検出電流ｉが理論電流値ｉａよりも少ない電流ｉｍであれば、モータ２０が地絡したと判定することができる。

以下、モータ２０の地絡あるいは天絡などモータ駆動系の異常を検出する例について説明する。図３はモータ２０が正常な状態を示す数学モデルと実際のモータ（右方向回転指令を受けているとき）とを比較判別し、モータ２０の異常（ここでは地絡）を検出するモータ駆動系の異常を検出する故障検出回路３１０を、伝達関数で示したものである。

図３において、３１１はモータ２０の数学モデル、３１２は実際のモータが地絡した状態を示す。３１３Ａ及び３１３Ｂは加算器（減算器）で、それぞれモータ供給電圧Ｖｂ・Ｄに対しＫＴ・ω及びＫＴ＊・ω´がモータ入力側に加算されることを示している。３１４も加算器（減算器）を示し、加算器３１４から、モータ２０の数学モデルに流れる理論電流値ｉａと実際のモータに流れる電流ｉｍとの差ｅが出力されることを示している。尚、モータ２０の数学モデルは制御回路を構成するＣＰＵの内部に構成されるもので、その電気的特性を示すパラメータはメモリ３３に記憶されている。図３において、Ｌ＊は数学モデルのモータインダクタンス、Ｒ＊は数学モデルのモータ内部抵抗、Ｒは実際のモータ内部抵抗、Ｌは実際のモータインダクタンス、Ｖｂは供給電圧、ＤはＦＥＴを駆動するデューティ比、ｓはラプラス演算子、ＲｆはＦＥＴ１〜４のＯＮ抵抗、Ｒｔは地絡箇所のインピーダンスを表す。

モータ２０の数学モデルではモータ駆動回路３７の電流検出用抵抗Ｒａに流れる理論電流値ｉａは下記数１で表される。

また、モータ２０が地絡した場合、例えばモータ２０のコールド側が地絡した場合には、モータ駆動回路３７の電流検出用抵抗Ｒａに流れる電流ｉｍは、次の数２で表される。

モータ２０が地絡した場合には、電流検出用抵抗Ｒａに流れる電流はｉｍであり、モータ２０の数学モデルにおける電流はｉａであるから、以下の数３で示すように、電流ｉａと電流ｉｍとの差の絶対値ｅが所定値αより大きいときモータ２０が地絡したと判定することができる。
（数３）
｜ｉａ−ｉｍ｜＝｜ｅ｜＞α
以上の式による検出では、モータ駆動回路３７の入力側にモータ逆起電力ＫＴ・ωが加算されているため、モータ角速度ωを検出する角速度センサ又は角速度検出回路を設け、モータ逆起電力ＫＴ・ωを演算処理する必要がある。しかし、これは構成を複雑にするのみならず、コストの増加になるので好ましくない。そこで、本発明では、以下に述べる方法によりモータ逆起電力ＫＴ・ωの影響を排除してモータ２０の地絡を検出する。

前記数２を簡略化して書き直すと、モータ２０が地絡した場合に電流検出用抵抗Ｒａに流れる電流ｉｍは、以下の数４で表すことができる。ここで、Ｌｅは地絡したモータのインダクタンス、Ｒｅは地絡したモータの内部抵抗を表す。
（数４）
ｉｍ＝Ｖｂ・Ｄ／（Ｌｅ・ｓ＋Ｒｅ）−ＫＴ・ω／（Ｌｅ・ｓ＋Ｒｅ）
図４は、図３の判別回路を処理し易いように書き改め、伝達関数で示したものである。図４において、３１５及び３１６はハイパスフイルタ、加算器３１４からはモータ２０の数学モデルに流れる電流と実際のモータに流れる電流との差ｅが出力される。ｉｍ´は実際のモータの検出電流ｉｍをハイパスフイルタ３１６を通過させた後の値で、ｉａ´はモータの数学モデルの電流ｉａをハイパスフイルタ３１５を通過させた後の値であり、実際のモータの検出電流ｉｍ´と数学モデルの電流ｉａ´との差である検出電流ｅ＝（ｉｍ´−ｉａ´）は、以下の数５で表される。

先ず、実際のモータ２０が正常である場合について検討する。モータ角速度ωは操向ハンドルに同期した周波数帯域で現れる物理量であるため、その周波数帯域はせいぜい５Ｈｚである。一方、モータ駆動系の動特性は図４に示すようにハイパスフイルタとゲインの組み合わせの特性を有し、そのカットオフ周波数は通常数百Ｈｚ程度である。そこで、５Ｈｚ以上のカットオフ周波数を有し、且つモータ駆動系の前記カットオフ周波数（数百Ｈｚ程度）よりも低いカットオフ周波数であるようにハイパスフイルタの時定数を設定すると、前記数５で表される検出電流ｅ＝（ｉｍ´−ｉａ´）は、供給電圧Ｖｂ・Ｄの周波数域に関係無く、モータの入力側に現れるモータ逆起電力ＫＴ・ωがハイパスフイルタにより除かれるので、実際のモータの電気的特性は数学モデルとほぼ一致し、数５で表される検出電流ｅ＝（ｉａ´−ｉｍ´）は零に近い値となる。

次に、実際のモータ２０が地絡した場合について検討する。実際のモータ２０が地絡した場合、その伝達特性は図４でブロック３１２で示すようになる。このとき、モータ駆動系の特性の変化を検出するためには、ハイパスフイルタのカットオフ周波数以上の成分を含む供給電圧Ｖｂ・Ｄが必要である。何故ならば、ハイパスフイルタによりそのカットオフ周波数以下の成分は全てカットされるからである。モータ２０が地絡した場合、地絡箇所のインピーダンスが大きいときは電流フィードバックループが振動を起こし、地絡箇所のインピーダンスが小さいときはセルフステアを起こす。本発明ではセルフステアに至る前に地絡箇所の検出を行なう。地絡箇所のインピーダンスが大きいときは、実際にモータに流れる電流ｉと検出電流ｉｍとはほぼ一致するから、セルフステアを起こすことはない。

モータ２０に流れる電流ｉは、モータ駆動系の動特性が変化したため電流フィードバックループの内部で、フィードバックループの時定数に等しい周波数で振動を起こす。図５はこの状態を示すもので、地絡時に実際にモータ２０に流れる電流ｉｅ、及び検出電流ｉｍが振動していることが分る。この振動成分は供給電圧Ｖｂ・Ｄにフィードバック信号として含まれるため、図４における検出信号ｅ＝（ｉｍ´−ｉａ´）にも現れるから、検出信号ｅに含まれる振動成分を検出することでモータ２０の地絡を検出することができる。

上述の方法によりモータ駆動系の異常を検出できるが、これではモータ２０の故障か、モータ駆動回路３７の故障か、モータ電流検出回路３８の故障かが分らない。そこで、次にはモータ電流検出回路３８の故障を検出する動作について説明する。モータ電流検出回路３８が故障しても、モータ２０及びモータ駆動回路３７が正常な場合には、オープンループでモータ２０を駆動できるからである。本発明では実際にモータ電流検出回路３８の故障を直接的に検出するのではなく、パラメータ変動による電流ループ内の異常検出の後に、モータ駆動回路３７の正常／異常を判断し、モータ駆動回路３７が正常であれば電流検出回路３８の故障とみなしている。

本発明によるモータ駆動回路３７の故障の判定は、モータ駆動回路３７内のＨブリッジを構成するＦＥＴ１〜４を全てＯＦＦしたときのモータ端子電圧Ｖｍの値によって行なう。即ち、モータ駆動回路３７が正常であれば、ＦＥＴ１〜４を全てＯＦＦにすればモータ端子電圧Ｖｍは０となり、異常であれば０にならないからである。こうして故障検出回路３１０によってモータ電流検出回路３８が故障であると判定されたときは、切換信号ＳＳを出力して、切換回路３２０の接点をａからｂに切換える。これにより、電流制御のフィードバック系はモータモデル３３０のオープンループにされ、操舵補助指令値演算器３２からの操舵補助指令値Ｉがモータモデル３３０に入力される。

図６は本発明の動作例を示しており、先ずパラメータ変動によってモータ駆動系の異常検出を行ない（ステップＳ１）、正常であれば正常動作（接点ａ）を継続し、異常であれば上述したようにモータ電流出力を０にすると共に、ダイアグを記憶してフェールランプを点灯する（ステップＳ２）。そして、モータ駆動回路３７内のＦＥＴ１〜４を全てＯＦＦし（ステップＳ３）、モータ端子電圧Ｖｍを読取る（ステップＳ４）。読取ったモータ端子電圧Ｖｍに基づいてモータ駆動回路３７が正常／異常かを判定し（ステップＳ１０）、異常であればモータ電流検出回路３８を故障とみなすが、モータ駆動系は正常と判断し（ステップＳ１１）、切換信号ＳＳによって切換部３２０の接点をａからｂに切換え、電流制御系をフィードバック系からオープンループ系に切換える（ステップＳ１２）。これにより、モータ２０をオープンループ系で駆動することができる（ステップＳ１３）。又、上記ステップＳ１０でモータ駆動回路３７が異常と判断された場合には、モータ駆動系の異常を確定し（ステップＳ１４）、フェールリレーをＯＦＦとする（ステップＳ５１５）。

本発明によるコントロールユニットの構成例を示すブロック図である。 モータ駆動系の異常検出を説明する回路ブロック図である。 モータ駆動系の異常検出を説明する回路ブロック図である。 判別回路を書き改めたブロック図である。 モータ駆動系の異常状態における検出電流の振動を説明する図である。 本発明の動作例を示すフローチャートである。 従来の電動パワーステアリング装置の一例を示すブロック構成図である。 コントロールユニットの一般的な内部構成を示すブロック図である。 モータ駆動回路の一例を示す結線図である。

符号の説明

１ 操向ハンドル
５ ピニオンラック機構
１０ トルクセンサ
１２ 車速センサ
２０ モータ
３０ コントロールユニット
３１ 位相補償器
３７ モータ駆動回路
３８ モータ電流検出回路
３１０ 故障検出回路
３２０ 切換回路

Claims (1)

1. ハンドルの操舵トルクを検出するトルクセンサと、前記ハンドルと一体的に設けられたステアリングシャフトを補助負荷付勢するモータと、前記操舵トルクの大きさに応じて前記モータをフィードバック系で駆動するコントロールユニットとを具備した電動パワーステアリング装置の制御装置において、前記コントロールユニットが、前記モータの電流検出回路と、前記電流検出回路の故障を検出する故障検出回路とを具備すると共に、前記故障検出回路が前記電流検出回路の故障を検出したときに、前記フィードバック系よりも電流を抑えて前記モータを駆動するオープンループ系に切換えるようになっていることを特徴とする電動パワーステアリング装置の制御装置。

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