JP2010012873A

JP2010012873A - 電動パワーステアリング装置の制御装置

Info

Publication number: JP2010012873A
Application number: JP2008173523A
Authority: JP
Inventors: Mikihiko Tsunoda; 幹彦角田
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2008-07-02
Filing date: 2008-07-02
Publication date: 2010-01-21
Anticipated expiration: 2028-07-02
Also published as: JP5266913B2

Abstract

【課題】モータのコンミテータの酸化膜やリレー接点等による接触抵抗の影響を考慮して、電流検出回路に直接検出電圧を印加することにより、電流検出回路の状態を確実に検出する信頼性の高い電動パワーステアリング装置の制御装置を提供する。
【解決手段】検出信号に基づいて検出電圧を電流検出回路に印加する検出電圧出力手段と、検出信号を生成すると共に、電流検出回路の出力電圧を入力して電流検出値を求め、前記電流検出値及び前記検出信号に基づいて電流検出回路の状態を検出する状態検出手段とを設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、車両の操舵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、特にモータの電流値を検出する電流検出回路の状態（正常、異常）を確実に検出する電動パワーステアリング装置の制御装置に関する。

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。かかる従来の電動パワーステアリング装置は、アシストトルク（操舵補助力）を正確に発生させるため、モータ電流のフィードバック制御を行っている。フィードバック制御は、電流指令値とモータ電流検出値との差が小さくなるようにモータ印加電圧を調整するものであり、モータ印加電圧の調整は、一般的にＰＷＭ（パルス幅変調）制御のデュ−ティ比の調整で行っている。

ここで、電動パワーステアリング装置の一般的な構成を図７に示して説明すると、ハンドル１のコラム軸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に連結されている。コラム軸２には、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、ハンドル１の操舵力を補助するモータ２０が減速ギア３を介してコラム軸２に連結されている。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から電力が供給されると共に、イグニッションキー１１を経てイグニッション信号が入力され、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Ｔｈと車速センサ１２で検出された車速Ｖとに基づいてアシスト指令の操舵補助指令値Ｉの演算を行い、演算された操舵補助指令値Ｉに基づいてモータ２０に供給する電流を制御する。

コントロールユニット３０は主としてＣＰＵ（ＭＰＵやＭＣＵを含む）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。

図８を参照して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で検出された操舵トルクＴｈは操舵補助指令値演算部３２に入力され、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部３２に入力される。操舵補助指令値演算部３２は、入力された操舵トルクＴｈ及び車速Ｖに基づいて、メモリ３３に記憶されているアシストマップを参照してモータ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を決定する。操舵補助指令値Ｉは減算部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部３４に入力され、減算部３０Ａの偏差（Ｉ−ｉ）は比例演算部３５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部３６に入力され、その比例出力は加算部３０Ｂに入力される。微分補償部３４及び積分補償部３６の出力も加算部３０Ｂに加算入力され、加算部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。モータ駆動回路３７にはバッテリ１４から電力が供給され、モータ２０のモータ電流値ｉはモータ電流検出部３８で検出され、モータ電流値ｉは減算部３０Ａに入力されてフィードバックされる。

さらに、モータ駆動回路３７の構成例（モータ２０が２相モータの場合）を図９の結線図に示して説明すると、モータ駆動回路３７は加算部３０Ｂからの電流制御値Ｅに基づ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から成るＨブリッジ回路及び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に基づいて決定されるデューティ比Ｄ１のＰＷＭ信号によってオン／オフされ、モータ２０に流れる電流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オン／オフされる。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Ｒｐを経て流れ、モータ２０に正回転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Ｒｋを経て流れ、モータ２０に逆回転方向の電流が流れる。このように、加算部３０Ｂからの電流制御値Ｅが駆動回路３７を介してモータ２０が駆動制御される。

また、電流検出回路３８は抵抗Ｒｐの両端における電圧降下に基づいてモータ２０に流れる正回転方向の電流の大きさを検出すると共に、抵抗Ｒｋの両端における電圧降下に基づいてモータ２０に流れる逆回転方向の電流の大きさを検出する。電流検出回路３８で検出されたモータ電流値ｉは、減算部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Ｒｎ及びダイオードＤｉを介して電源Ｖｃｃが接続されると共に、抵抗Ｒｏを経て接地されている。抵抗Ｒｎ及びＲｏ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。

このように、モータ２０の駆動制御は電流検出回路３８からの検出値に基づいてフィードバック制御を行っており、電流検出回路３８が故障した場合、正確なモータ電流値ｉを検出することができない。つまり、必要以上の電流がモータ２０に流れ込んで過大な操舵補助力が発生してしまう場合や、必要な電流がモータ２０に供給されず、十分な操舵補助力を出力できないような状況、或いは操舵補助指令値の増加に応じてハンチングが発生してしまうような状況が考えられる。このため、電流検出回路３８では、常に正確な電流検出値を求めることが要請されている。

かかる問題を解決する手段として、例えば特開２００６−１３７２８０号公報（特許文献１）に示される装置がある。この特許文献１の装置では、モータの電流検出回路の演算増幅器の出力側が地絡（接地）して故障が発生すると、演算増幅器の出力が零となる。これを利用し、電流検出回路が正常であって電流検出値が零の場合は、演算増幅器の出力も零となって出力信号から判別することができないので、反転増幅の演算増幅器を用いて電流検出回路の故障を検出するようにしている。即ち、電流検出手段の入力信号に対して、出力信号が逆位相の反転特性を備えた増幅回路を用いて、演算増幅器の地絡故障を判定している。

また、特開２００５−８８８７７号公報（特許文献２）に示される電動パワーステアリング装置の制御装置では、電流検出回路の故障に対し、実際にモータ電流検出回路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を行い、モータ駆動回路の正常／異常を判断し、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ようにしている。また、モータ駆動回路の故障判定は、モータ駆動回路内のＦＥＴから構成されるＨブリッジを全てオフしたときのモータ端子電圧Ｖｍの値によって行っている。さらに、モータの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ようにしている。即ち、コントロールユニットが、モータの電流検出回路と、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、故障検出回路が電流検出回路の故障を検出したときに、フィードバック系よりも電流を抑えてモータを駆動するオープンループ系に切替えている。
特開２００６−１３７２８０号公報特開２００５−８８８７７号公報

電動パワーステアリング装置では、電流検出回路の増幅器ショート故障が発生した場合、電流指令値を増加する制御によりハンチングが発生してしまう。そのため、イグニッションキーをオンした直後の初期診断において、モータに微小電流を流し、電流検出回路が正常に動作しているかの監視を行っている。

しかしながら、特許文献１及び特許文献２の装置では、いずれもモータのコンミテータ（整流子）に発生する酸化膜の影響や、モータ制御回路に配置されるリレー接点の異物噛み込み等により、不必要な接触抵抗が発生して電流が流れにくくなってしまう場合があり、電流検出回路の状態を正確に検出できない場合がある。そのため、電流検出回路の状態を常に正確に監視でき、信頼性の高い電動パワーステアリング装置の出現が望まれている。

本発明は上述のような事情によりなされたものであり、本発明の目的は、モータのコンミテータの酸化膜やリレー接点等による接触抵抗の影響を考慮して、電流検出回路に直接検出電圧を印加することによって、電流検出回路の状態をより確実に検出する信頼性の高い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。

本発明は、操舵トルク及び車速に基づいて演算された電流指令値により操舵系に操舵補助力を付与するモータを、電流検出回路によって検出されるモータ電流値のフィードバック制御により駆動制御する電動パワーステアリング装置の制御装置に関し、本発明の上記目的は、検出信号に基づいて検出電圧を前記電流検出回路に印加する検出電圧出力手段と、前記検出信号を生成すると共に、前記電流検出回路の出力電圧を入力して電流検出値を求め、前記電流検出回路の状態を検出する状態検出手段とを設けることにより達成される。

また、本発明の上記目的は、前記検出信号がＰＷＭ制御信号であると共に、前記検出電圧が前記ＰＷＭ信号に基づいてデューティが調整された信号であることにより、或いは前記検出電圧出力手段がラダー抵抗回路及び切替手段によって構成され、前記切替手段を前記検出切替信号で切替えるようになっていることにより、或いは前記電流検出回路を高入力インピーダンス、低出力インピーダンスの増幅器で構成することにより、より効果的に達成される。

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、電流検出回路の増幅器入力部へ検出電圧を直接印加して診断するようにしているので、接触抵抗等に影響されることなく、電流検出回路の異常や状態を確実に検出することができる。また、本発明によれば、電流検出回路の入出力特性のチェックや、ゲイン補正を行うことができるので、検出精度を一層高くすることができる。

さらに、本発明によれば、モータ駆動回路に電流を流すことなく電流検出回路の異常や状態を検出することができるので、修理や生産工程の効率化及び品質を向上することができる。

本発明に係る電動パワーステアリング装置の制御装置は、主にＣＰＵで構成される状態検出手段からの任意の検出信号に基づいて、検出電圧を出力する検出電圧出力手段を備え、電流検出回路の演算増幅器若しくは差動増幅器の入力部に検出電圧を直接印加し、そのときの演算増幅器若しくは差動増幅器からの検出値と検出信号とに基づいて電流検出回路の状態（正常、異常）を検出する。このように、電流検出回路に検出電圧を直接印加して電流検出回路の正常、異常状態を検出するので、接触抵抗に影響されることなく、電流検出回路の状態を確実に検出することができる。

以下に本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。

図１は本発明の基本構成例を示すブロック図であり、シャント抵抗Ｒｒ、演算増幅器３８１、入力抵抗Ｒａ及びＲｂ、接地抵抗Ｒｄ、フィードバック抵抗Ｒｃで電流検出回路３８を構成している。そして、駆動回路３７にシャント抵抗Ｒｒが接続されており、シャント抵抗Ｒｒの接地側が入力抵抗Ｒｂを経て演算増幅器３８１の非反転入力部に入力され、シャント抵抗Ｒｒの駆動回路３７側が入力抵抗Ｒａを経て演算増幅器３８１の反転入力部に入力されると共に、検出電圧出力手段４０からの検出電圧Ｖｋが付与される。演算増幅器３８１の非反転入力部には接地抵抗Ｒｄが接続され、反転入力部と出力部にフィードバック抵抗Ｒｃが接続され、電流値を示す状態検出電圧ｅｏｄが演算増幅器３８１から状態検出手段３０１に入力されて電流検出値Ｉｆが求められる。また、状態検出手段３０１から状態検出のための検出信号ＣＳが検出電圧出力手段４０に入力され、検出信号ＣＳに基づいて生成された検出電圧Ｖｋが電流検出回路３８に入力される。そして、演算増幅器３８１により、非反転入力部と反転入力部の差がＲａ＝Ｒｂ、Ｒｃ＝Ｒｄの比に基づいて増幅され、状態検出電圧ｅｏｄが状態検出手段３０１に入力され、電流に換算して電流検出値Ｉｆが検出され、検出信号ＣＳと電流検出値Ｉｆとが比較される。即ち、状態検出手段３０１は、シャント抵抗Ｒｒを用いて駆動回路３７の電流値を検出するようになっている演算増幅器３８１に検出電圧Ｖｋを印加し、演算増幅器３８１の出力である状態検出電圧ｅｏｄと検出信号ＣＳに基づいて電流検出回路３８の状態を検出する。

このような構成において、その動作例を図２のフローチャートを参照して説明する。

状態検出手段３０１は所定の検出信号ＣＳを生成し（ステップＳ１０）、検出電圧出力手段４０に検出信号ＣＳを入力する（ステップＳ１１）。検出電圧出力手段４０は、検出信号ＣＳに基づいて生成した検出電圧Ｖｋを演算増幅器３８１の反転入力部に付与し（ステップＳ１２）、演算増幅器３８１で演算された状態検出電圧ｅｏｄが状態検出手段３０１に入力される（ステップＳ１３）。状態検出手段３０１は状態検出電圧ｅｏｄに基づいて電流検出値Ｉｆを求め（ステップＳ１４）、生成した検出信号ＣＳと電流検出値Ｉｆの関係から、電流検出回路３８が“正常”であるか或いは“異常”であるかを検出する（ステップＳ１５）。ステップＳ１５において“正常”であると判定された場合、電流検出回路３８が正常であるとして通常の処理が行われる（ステップＳ１６）。一方、ステップＳ１５において“異常”であると判定された場合、電流検出回路３８に異常があるので、アラーム出力等の異常処理を行う（ステップＳ１７）。

ここで、検出信号ＣＳと電流検出値Ｉｆとの関係の例を図３の特性図に示して説明する。

図３は、検出信号ＣＳと演算増幅器３８１で検出される電流検出値Ｉｆとの関係を示しており、状態検出手段３０１は図中斜線部を“正常”の範囲とし、それ以外の範囲は“異常”と判定する。即ち、状態検出手段３０１は、生成した検出信号ＣＳと電流検出値Ｉｆとの関係に基づいて、電流検出回路３８の正常又は異常の状態を検出する。電流検出回路３８が正常であれば、所定の検出信号ＣＳに対応して出力される電流検出値Ｉｆ（又は状態検出電圧ｅｏｄ）が推定できるが、異常の場合はこの推定値との誤差を生じるので、推定値に対する誤差範囲の大小の判定によって正常と異常を検出する。

次に、検出電圧出力手段４０の構成例を図４の結線図に示して説明する。

図４は、検出信号ＣＳにＰＷＭ信号を用いて、デューティを制御して検出電圧Ｖｋを調整する回路の一例である。状態検出手段３０１からの検出用ＰＷＭ信号ＣＳＰ（ＰＷＭ信号による検出信号ＣＳ）が抵抗Ｒｅを介して増幅回路部４１へ入力され、増幅回路部４１から検出電圧Ｖｋが電流検出回路系のシャント抵抗Ｒｒ及び入力抵抗Ｒａの接続点に入力される。ここで、増幅回路部４１はダーリントン接続されたＮＰＮ型のトランジスタＴｒ１とＰＮＰ型のトランジスタＴｒ２により構成されており、トランジスタＴｒ１のコレクタとトランジスタＴｒ２のベースとの間には抵抗Ｒｈが介挿され、トランジスタＴｒ２のエミッタと電源Ｖｃｃの間には抵抗Ｒｊが介挿されている。また、抵抗ＲｅとトランジスタＴｒ１のベースとの間には抵抗Ｒｇが介挿されると共に、抵抗Ｒｆを介して電源Ｖｃｃに接続され、コンデンサＣ１を介して接地された構成となっている。そして、演算増幅器３８１からの状態検出電圧ｅｏｄが状態検出手段３０１に入力され、電流検出回路３８の“正常”或いは“異常”を検出する。また、抵抗Ｒｆ及び抵抗Ｒｊは、ノイズや誤作動を抑止するようなプルアップ抵抗である。なお、トランジスタＴｒ１とトランジスタＴｒ２を用いて増幅回路部４１としたが、ＰＷＭ信号のＯＮ／ＯＦＦロジックをソフトウェアにて反転させることで１つのトランジスタで増幅回路部を構成することも可能である。つまり、検出電圧出力手段４０は、状態検出手段３０１からの検出用ＰＷＭ信号ＣＳＰに基づいて、安定した検出電圧Ｖｋを出力できるような回路構成であれば良い。

このように、ＰＷＭ信号を用いて電圧信号幅を変えた検出用ＰＷＭ信号ＣＳＰを検出電圧出力手段４０に入力し、生成された検出電圧Ｖｋを印加することにより、状態検出手段３０１が、検出用ＰＷＭ信号ＣＳＰと出力である検出電圧ｅｏｄを上述のようにチェックすることで、電流検出回路３８の監視を行うことができる。

次に、検出電圧出力手段４０の別の構成例を図５の結線図に示して説明する。

図５は、検出電圧出力手段４０にラダー抵抗回路４２を用いて切替手段ＳＷ１〜ＳＷ４を検出切替信号ＣＳＣ１〜ＣＳＣ４で切替えることによって、検出電圧Ｖｋを調整する例である。ラダー抵抗回路４２の一例として、抵抗Ｒ_Ｌ１〜抵抗Ｒ_Ｌ４がはしご状に構成されたラダー抵抗回路４２を用いて説明する。ラダー抵抗回路４２は、直列接続されて接地された抵抗Ｒ_Ｌ１〜抵抗Ｒ_Ｌ４の各接続部に切替手段ＳＷ１〜ＳＷ４が接続されている。また、切替手段ＳＷ１〜ＳＷ４の接点ａ１〜接点ａ４は電流検出回路３８に接続され、接点ｂ１〜接点ｂ４は接地されており、状態検出手段３０１からの検出切替信号ＣＳＣ１〜ＣＳＣ４により切替手段ＳＷ１〜ＳＷ４の接点ａ１〜接点ａ４と接点ｂ１〜ｂ４が切替えられる。

このような構成において、切替手段ＳＷ１〜ＳＷ４は通常時、接点ｂ１〜接点ｂ４に接続されており、検出切替信号ＣＳＣ１〜ＣＳＣ４のいずれかが出力されると、それに対応した切替手段ＳＷ１〜ＳＷ４が接点ａ１〜接点ａ４にオンされる。これにより、ラダー抵抗回路４２からの分圧電圧が検出電圧Ｖｋとして出力され、検出電圧Ｖｋが電流検出回路３８に印加される。

このようにラダー抵抗４２を用いて検出電圧Ｖｋを調節することにより、異なった電圧の検出電圧Ｖｋを印加できるので、状態検出手段３０１が、検出切替信号ＣＳＣと出力である検出電圧ｅｏｄを比較して電流検出回路３８の正常と異常を検出することができる。

本発明のさらに別の構成例を図６に示して説明する。ＦＥＴゲート駆動回路３７１によりモータ駆動回路３７のＨブリッジを構成するＦＥＴ１〜ＦＥＴ４を全てオフにし、モータ２０の端子電圧Ｖｍがゼロでなければ、異常と判定する電流検出回路３８の故障検出回路３１０を設けると共に、上述した検出電圧出力手段４０及び状態検出手段３０１とを設け、電流検出回路３８の状態とモータ駆動回路３７の故障を確実に検出できるようにする。

イグニッションキーがオンされると初期診断が開始され、状態検出手段３０１からの検出信号ＣＳに基づいて検出電圧Ｖｋが検出電圧出力手段４１で生成されて電流検出回路３８に印加され、電流検出回路３８の状態を検出する。また、故障検出回路３１０により故障の検出を行う。例えば検出電圧出力手段４１が検出電圧Ｖｋを電流検出回路３８に印加し、状態検出電圧ｅｏｄに基づく電流検出値Ｉｆに異常が検出された場合（図２のステップＳ１７の場合）、さらに故障検出回路３１０によって電流検出手段３８の故障検出を行う。このように、初期診断等により電流検出回路３８の状態を２段階で検出することで、電流検出回路３８の状態検出の精度を、より一層高くすることができる。なお、故障検出回路３１０は特許文献２に開示されているように、故障検出回路及びモータモデルを用いてオープンループによるフェールセーフを行うようにしても良い。

なお、上述では電流検出回路３８を演算増幅器（オペアンプ）３８１を用いて構成しているが、高入力インピーダンスで低出力インピーダンスの差動増幅器や比較器（コンパレータ）等を用いても可能である。

本願発明に係る制御装置の基本構成例を示すブロック図である。本発明の動作例を示すフローチャートである。本発明の異常検出信号に対する検出値の正常／異常を示す特性図である。本発明に係る制御装置の別の構成例を示す結線図である。本発明に係る制御装置の別の構成例を示す結線図である。本発明に係る制御装置の更に別の構成例を示す結線図である。従来の電動パワーステアリング装置の構成例を示すブロック図である。従来の電動パワーステアリング装置の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。従来のモータ駆動回路の一例を示す結線図である。

符号の説明

２０モータ
３０コントロールユニット
３７駆動回路
３８電流検出回路
４０検出電圧出力手段
４１増幅回路部
４２ラダー抵抗回路
３００ＣＰＵ
３０１状態検出手段
３１０故障検出回路
３８１演算増幅器

Claims

操舵トルク及び車速に基づいて演算された電流指令値により操舵系に操舵補助力を付与するモータを、電流検出回路によって検出されるモータ電流値のフィードバック制御により駆動制御する電動パワーステアリング装置の制御装置において、検出信号に基づいて検出電圧を前記電流検出回路に印加する検出電圧出力手段と、前記検出信号を生成すると共に、前記電流検出回路の出力電圧を入力して電流検出値を求め、前記電流検出値及び前記検出信号に基づいて前記電流検出回路の状態を検出する状態検出手段とを具備した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。
前記検出信号がＰＷＭ制御信号であると共に、前記検出電圧が前記ＰＷＭ信号に基づいてデューティが調整された信号である請求項１に記載の電動パワーステアリング装置の制御装置。
前記検出電圧出力手段がラダー抵抗回路及び切替手段によって構成され、前記切替手段を前記検出切替信号で切替えるようになっている請求項１に記載の電動パワーステアリング装置の制御装置。
前記電流検出回路が高入力インピーダンス、低出力インピーダンスの増幅器で構成されている請求項１乃至３のいずれかに記載の電動パワーステアリング装置の制御装置。