JP2013086718A - 電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】二重制御系統を備えた電動パワーステアリング装置において、サブマイクロコンピュータの実装を必要としない電動パワーステアリング装置を提供する。
【解決手段】制御装置５Ａ，５Ｂを２系統有し、各制御装置５Ａ，５Ｂは、相手系統の故障を推定する故障推定部５６，６６を備え、故障推定部５６，６６は、電動モータ１ａ，１ｂの出力値が目標指令値に収束する時間Ｔｅを監視し、この収束時間Ｔｅが基準時間γよりも長い場合に、他系の制御装置の故障を推定するものであり、他系の制御装置の故障を推定した正常側の制御装置は、正常側の制御装置の制御周期Ｔ０を短くしかつ制御ゲインＫ0を上げる制御を行う。
【選択図】図２

Description

本発明は、ステアリングホイールに加えられる操舵トルクに基づいて電動モータを制御することによって、操舵トルクに応じた操舵補助力を発生させる電動パワーステアリング装置に関するものである。

従来、ステアリングホイール（操舵部材）に加えられる操舵トルクと車速とを検出し、その操舵トルク信号と速度信号とをＥＰＳモータ制御回路へ送り、ＥＰＳモータ制御回路で、これらの信号から求められる操舵トルクと車速とに対応したモータ駆動電流を電動モータに流すようにした電動パワーステアリング装置が知られている。これにより、操舵トルク信号や速度信号に基づいて、適切な操舵補助制御を行うことができる。

ＥＰＳモータ制御回路では、操舵トルク信号や速度信号に基づいて目標電流信号が生成され、目標電流信号と電動モータに流れている電流信号との偏差が演算される。ＥＰＳモータ制御回路は、この偏差に対するＰＩ演算を行うことにより、指示電圧を生成し、この指示電圧に応じたデューティ比を有するＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号を生成する。このＰＷＭ信号が駆動インバータに供給されることにより、電動モータがＰＷＭ駆動される。

従来の電動パワーステアリング装置では、電動モータ、駆動インバータ、ＰＩ制御回路を二系統設置し、一方が故障しても他方が正常であれば、電動パワーステアリング装置が異常なく動作するようにしたものがあった。
この従来例では、電動モータ、駆動インバータ、ＰＩ制御回路をそれぞれ二重制御系統で構成している。２つのＰＩ制御回路はそれぞれマイクロコンピュータ（メインマイクロコンピュータ）を内蔵している。さらに電動パワーステアリング装置は、２つのメインマイクロコンピュータを監視するための１つのサブマイクロコンピュータを備える。

各メインマイクロコンピュータは、平常時サブマイクロコンピュータからの指示により制御ゲインを半分にすることにより、電動モータを半分の電力で駆動するようにしている。すなわち電動モータは、両メインマイクロコンピュータからの半分ずつの駆動力を受けて、全体としてフル駆動される。
ここで、サブマイクロコンピュータが１つのメインマイクロコンピュータの故障を検知すると、他の正常なメインマイクロコンピュータに対して、その制御ゲインを２倍に上げるように指示する。このようにして、電動パワーステアリング装置そのものの信頼性を向上させている。

特開平8-93680号公報

しかしながら、前述の二重制御系統を備えた電動パワーステアリング装置では、２つのメインマイクロコンピュータに加えて、サブマイクロコンピュータが必要である。このためマイクロコンピュータの数が増えて、部品点数の増加、コスト増に結びつく。また現状では３本のプログラムを必要とし、開発及びメンテナンス工数の増加につながる。
本発明は、かかる実情に鑑み、サブマイクロコンピュータの実装を必要とせずに、プログラムの容量も少なくて済む二重制御系統の電動パワーステアリング装置を提供しようとするものである。

本発明は、操舵補助力を発生するための電動モータと、操舵トルクを検出する操舵トルク検出手段と、操舵トルク検出手段によって検出される操舵トルクに基づいて、電動モータを駆動制御するＥＰＳモータ制御手段とを備え、ＥＰＳモータ制御手段は、独立して電動モータを駆動制御するコンピュータを含む制御装置を２系統有し、各制御装置は、電動モータの目標指令値を定める目標指令値設定部と、電動モータの出力を検出する出力検出部と、相手系統の故障を推定する故障推定部とを備え、制御装置は、所定の制御周期と所定の制御ゲインを設定して、電動モータの出力値が目標指令値に収束するようにフィードバック制御するものであり、故障推定部は、電動モータの出力値が目標指令値に収束する時間を監視し、この収束時間が基準時間よりも長い場合に、他系の制御装置の故障を推定するものであり、他系の制御装置の故障を推定した正常側の制御装置は、正常側の制御装置の制御周期を短くするか若しくは制御ゲインを上げる、又は制御周期を短くしかつ制御ゲインを上げる制御を行う電動パワーステアリング装置に係るものである。

本発明によれば、どちらか一方の制御装置が故障したと推定された場合、正常側の制御装置は、負荷比率が低下しないように、その制御周期を短くするか若しくは制御ゲインを上げるという単独制御モードに入る。正常側の制御装置に余裕がある状態では２系統駆動時と同等のモータアシストが実現できる。

本発明の実施形態における電動パワーステアリング装置の概略構成図である。 ＥＰＳモータ制御部５内の各機能とそのつながりを示すブロック図である。 電動モータへの出力値が目標指令値に収束する収束時間Ｔｅを測定する収束判定処理を示すフローチャートである。 収束時間Ｔｅが基準時間よりも長い場合に他系の制御装置の故障を推定する手順を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施の形態を、添付図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明に係る電動パワーステアリング装置の一実施形態を示す全体構成図である。
電動パワーステアリング装置は、車両を操向するための操舵部材としてのステアリングホイール６を備えている。運転者から作用される操舵トルクは、このステアリングホイール６を介して入力軸７ａと出力軸７ｂとを有するステアリングシャフト７に伝達される。入力軸７ａの一端がステアリングホイール６に連結されている。

入力軸７ａと出力軸７ｂとは、トーションバーＴＢを介して同一軸上で相対回転可能に連結されている。出力軸７ｂの途中部は減速機構４に結合されている。トーションバーＴＢには、トーションバーＴＢの捩れ角を検出することにより操舵トルクを検出するトルクセンサ２が装着されている。トルクセンサ２は、検出した操舵トルクを、入力軸７ａ及び出力軸７ｂ間に介装したトーションバーＴＢの捩れ角変位に変換し、この捩れ角変位をポテンショメータなどで検出するセンサである。このトルクセンサ２から出力されるトルク検出信号は、ＥＰＳモータ制御部５に入力される。

なおトルクセンサ２のトルク検出信号の値は、ステアリングホイールが右方向（正転方向）に操舵される場合には零以上の値となり、ステアリングホイールに加えられる操舵トルクが大きいほど大きくなるように変化する。また、ステアリングホイールが左方向（逆転方向）に操舵される場合には負の値となり、ステアリングホイールに加えられる操舵トルクの絶対値が大きいほど、小さく（その絶対値が大きく）なるように変化する。

出力軸７ｂから伝達される操舵力は、ユニバーサルジョイント８を介してロアシャフト９に伝達され、さらに、ユニバーサルジョイント１０を介してピニオンシャフト１１に伝達される。このピニオンシャフト１１に伝達された操舵力はステアリングギヤ１２を介してラック軸１３に伝達され、図示しない転舵輪をターンさせる。ステアリングギヤ１２は、ピニオンシャフトに連結されたピニオンとこのピニオンに噛合するラックとを有するラックアンドピニオン形式に構成され、ピニオンに伝達された回転運動をラック軸１３で直進運動に変換するものである。

転舵輪の回転速度は車速センサ３によって検出される。車速センサは、例えば転舵輪のホーイールの円周に一定角度ごとに取り付けられた磁性体の目印を磁気的に検出して回転速度を検出するものであり、この回転速度に基づいて車両の速度信号を出力する。速度信号はパルス信号であり、その周波数は車速が０であれば０、車速が大きくなるほど大きな値となる。

減速機構４には、２台の電動モータ１ａ，１ｂ（ブラシレスモータ）が取り付けられており、この電動モータ１ａ，１ｂの出力トルク和によって、減速機構４を介して操舵補助力が与えられる。
電動モータ１ａ，１ｂは、ＥＰＳモータ制御部５によって回転駆動される。ＥＰＳモータ制御部５には、トルクセンサ２で検出されたトルク検出信号とともに、車速センサ３で検出された速度信号が入力され、これらの入力信号に基づいて電動モータ駆動電流が算出され、電動モータ１ａ，１ｂにそれぞれ出力される。これにより、運転者の操舵操作に応じた操舵補助力を発生させるようになっている。

図２は、ＥＰＳモータ制御部５内の各機能とそのつながりを示すブロック図である。この実施形態では、ＥＰＳモータ制御部５内の各回路５１〜５７，６１〜６７は、演算回路若しくは電力回路で構成されている。
ＥＰＳモータ制御部５は、各電動モータ１ａ，１ｂを独立して駆動制御する２系統の制御装置５Ａ，５Ｂによって構成される。制御装置５Ａ，５Ｂは、それぞれ独立したコンピュータによって駆動される。

制御装置５Ａは、トルクセンサ２のトルク検出信号及び車速センサ３の速度信号を入力として、電動モータ１ａの目標モータ電流を定める目標指令値設定部５１と、ＰＩ制御を行うＰＩ制御回路５２と、電動モータ１ａを駆動するための電力信号を出力するインバータ駆動回路５３とを備える。
さらに、制御装置５Ａは、目標指令値の信号波形収束時間を計測する信号波形収束時間計測部５４と、相手系統の故障を推定する他方故障推定部５５と、ＰＩ制御回路５２の制御周期、制御ゲインを設定する制御周期・制御ゲイン設定部５６と、電動モータ１ａに流れる出力電流を検出する出力検出部５７とを備えている。

一方、他の系統に係る制御装置５Ｂは、トルクセンサ２のトルク検出信号及び車速センサ３の速度信号を入力として、電動モータ１ｂの目標モータ電流を定める目標指令値設定部６１と、ＰＩ制御を行うＰＩ制御回路６２と、電動モータ１ａを駆動するための電力信号を出力するインバータ駆動回路６３とを備える。
さらに、制御装置５Ｂは、目標指令値の信号波形収束時間を計測する信号波形収束時間計測部６４と、相手系統の故障を推定する他方故障推定部６５と、ＰＩ制御回路６２の制御周期、制御ゲインを設定する制御周期・制御ゲイン設定部６６と、電動モータ１ｂに流れる出力電流を検出する出力検出部６７とを備えている。

制御装置５Ａも制御装置５Ｂも同一構成であるので、以下、制御装置５Ａの構成及び動作を主として説明する。
目標指令値設定部５１には、トルクセンサ２のトルク検出信号の電圧値（トルク信号電圧値という）Ｔｈと、電圧値に変換された車速センサ３の速度値（車速値という）Ｖが入力される。

目標指令値設定部５１は、内蔵メモリに記憶しているマップを利用して、トルク信号電圧値Ｔｈと車速値Ｖに応じた目標指令値を算出し出力する。なお目標指令値の単位は、出力検出部５７が検出した電動モータ１ａに流れる電流値と比較演算をするので、電値流に換算しておく。
目標指令値は、電動モータ１ａに流れる電流値との差ΔＩがとられ、この差がＰＩ制御回路５２に入力される。ＰＩ制御回路５２は、この差ΔＩをゼロにするように電動モータ１ａに流れる出力電流値をフィードバック比例演算・微分演算をするものである。

ＰＩ制御回路５２にて比例演算・微分演算された結果出力される出力電流値は、インバータ駆動回路５３に入力され、ここで出力電流値に相当するデューティ比を有するＰＷＭ信号が生成され、電動モータ１ａに供給される。
ＰＩ制御回路５２は、電動モータ１ａ，１ｂの互いの負荷比率が等しくなるように、所定の制御周期ごとに、かつ所定の制御ゲインによりＰＩ制御演算を行っている。ここで「負荷比率」とは各電動モータ１ａ，１ｂから減速機構４を通してステアリング系に入力されるパワーの比率をいう。

この「所定の制御周期」は、もし制御装置５Ａのみで電動モータ１ａを駆動し、制御装置５Ｂで電動モータ１ｂを駆動しない場合（これを「単独制御モード」という）の制御装置５Ａの制御周期をＴ0とすれば、その２倍（周波数に換算して０．５倍）の周期２Ｔ0に設定される。またこの「所定の制御ゲイン」は、単独制御モードの制御装置５ＡのＰＩ制御のゲインをＫ0とすれば、その半分のゲインＫ0/２に設定される。

制御装置５ＢのＰＩ制御回路６２も同様に、電動モータ１ａ，１ｂの互いの負荷比率が等しくなるように、所定の制御周期ごとに、かつ所定の制御ゲインによりＰＩ制御演算を行っている。「所定の制御周期」は、もし制御装置５Ｂのみで電動モータ１ｂを駆動し、制御装置５Ａで電動モータ１ａを駆動しない場合（これを「単独制御モード」という）の制御装置５Ｂの制御周期をＴ0とすれば、その２倍の周期２Ｔ0に設定される。またこの「所定の制御ゲイン」は、単独制御モードの制御装置５ＢのＰＩ制御のゲインをＫ0とすれば、その半分のゲインＫ0/２に設定される。

したがって、制御装置５Ａ及び制御装置５Ｂの両方で電動モータ１ａ，１ｂを駆動する場合（これを「通常制御モード」という）、制御装置５Ａの制御周期と制御装置５Ｂの制御周期とをあわせて、Ｔ0の制御周期で制御が行われることになる。すなわち一方の制御周期内に他方が割り込んでくるから、見かけ上、制御周期が半分に（２Ｔ0→Ｔ0）なるのである。

また通常制御モードでは、制御装置５Ａの制御ゲインと制御装置５Ｂの制御ゲインとをあわせて、２倍の（Ｋ0/２→Ｋ0）制御ゲインで制御が行われることになる。
結局、ＥＰＳモータ制御部５を１つの電動モータを独立して駆動制御する１系統の制御装置によって構成されているとみなせば、制御周期Ｔ0かつ制御ゲインＫ0で制御が行われているのと同じことになる。

次に、制御装置５Ａ，５Ｂの信号波形収束時間計測部５４，６４によって行われる、電動モータ１ａに流れる電流が目標指令値に収束する収束時間Ｔｅを測定する収束判定処理を、フローチャート（図３）を用いて説明する。なお信号波形収束時間計測部５４も信号波形収束時間計測部６４も収束判定処理は同一手順であるので、以下、信号波形収束時間計測部５４の動作を主として説明する。

まず収束時間Ｔｅを測定中であることを示す測定フラグを０にし（ステップＳ１）、測定フラグの状態を判定する（ステップＳ２）。最初は測定フラグ＝０であるから、ステップＳ３に移り、出力検出部５７が検出した電動モータ１ａに流れる電流値（トルクに換算するので以下「トルク出力値」という）が、前回の制御周期で測定したトルク出力値からどれだけ変化しているかを調べる。もしトルク出力値の変化分が閾値αを超えるなら、トルク出力値の変化が大きく、信号波形収束時間は長いとみなして、測定フラグを１に変更し（ステップＳ４）、内蔵のタイマをスタートさせる（ステップＳ５）。そしてトルク出力値の変化分を「偏差Ｄ」として、メモリ５４ａに格納する（ステップＳ６）。

ステップＳ３でトルク出力値の変化分が閾値α以下ならばトルク出力値の変化は小さいとみなして、ステップＳ２に戻り、ステップＳ２→Ｓ３を繰り返す。このように閾値αは、トルク出力値が安定しているかどうかを見るための閾値である。
ステップＳ６で偏差Ｄをメモリ５４ａに格納すると、ステップＳ２に戻り、測定フラグの状態を判定する。今度は測定フラグ＝１になっているから、ステップＳ７に移り、偏差Ｄを閾値βと比較する。閾値βは変化していたトルク出力値が収束してきたかどうかを判定するための閾値である。β＜αが成り立つ。

ステップＳ７で偏差Ｄがβより大きければ、偏差Ｄはまだ収束に達していないとみなして、ステップＳ１１に行きトルク出力値の変化分である「偏差Ｄ」を再度測定し、メモリ５４ａに上書きして、ステップＳ２に戻る。
ステップＳ７で偏差Ｄが閾値β以内に収まってきたと判定されれば、信号波形収束時間の測定を停止し、測定フラグを０とし（ステップＳ８）、タイマをストップし（ステップＳ９）、ストップした時点のタイマの値を読み込み、これを「収束時間Ｔｅ」として（ステップＳ１０）、メモリ５４ａに格納する。

以上のように、前回の制御周期で測定したトルク出力値からの変化分が閾値αを超えた時点でタイマをスタートさせて、同変化分が閾値β（β＜α）以下になるまでの収束時間Ｔｅを測定することができる。
次に、制御装置５Ａ，５Ｂの他方故障推定部５５，６５によって行われる、収束時間Ｔｅが基準時間よりも長い場合に他系の制御装置の故障を推定する手順を、フローチャート（図４）を用いて説明する。なお他方故障推定部５５も他方故障推定部６５も故障判定処理は同一手順であるので、以下、他方故障推定部５５の動作を主として説明する。

他方故障推定部５５は、測定フラグが１になっているかどうかを確認する（ステップＴ１）。測定フラグが１になっていれば、収束時間Ｔｅを新たに測定中なので故障判定処理は行わない。測定フラグが０になっていれば、すでに測定された収束時間Ｔｅがメモリ５４ａに格納されているので、その収束時間Ｔｅを取得し、収束時間Ｔｅが閾値γを超えているかどうかを判定する（ステップＴ２）。閾値γを超えていれば、他方の制御装置５Ｂのコンピュータが故障し、ＰＩ制御回路６２が正常に機能していないと判断する。つまり閾値γは他方の制御装置５Ｂのコンピュータが正常に動作していれば、トルク出力値が通常収束する時間に設定される。

ステップＴ２で、収束時間Ｔｅが閾値γを超えていれば、トルク出力値の収束に時間がかかっているので、他方の制御装置５Ｂのコンピュータの動作に異常があると推定する（ステップＴ３）。このときは、制御装置５Ａのみで電動モータ１ａを制御する単独制御モードに切り替える。すなわち、制御周期・制御ゲイン設定部５６に命令を出して、ＰＩ制御回路５２の制御周期、制御ゲインを再度設定する。設定内容は、電動モータ１ａ負荷比率を上げるように、制御周期を短くし（ステップＴ４）、かつ制御ゲインを上げる（ステップＴ５）という制御を行う。

例えば、制御装置５Ａの制御周期２Ｔ0をその半分の”Ｔ0”にし、かつ制御ゲインＫ0/2をその２倍の”Ｋ0”にする。すなわち、通常制御モードから、単独制御モードに移行するのである。これによって、ＥＰＳモータ制御部５を１つの電動モータ１ａを独立して１系統の制御装置５Ａによって１つの電動モータを、制御周期Ｔ0かつ制御ゲインＫ0で制御しているのと同じ構成になる。

以上に説明してきたように、収束時間Ｔｅが閾値γを超えていれば、他方の制御装置５Ｂのコンピュータの動作に異常があると推定している。
ところで、自己の制御装置５Ａに異常があり、他方の制御装置５Ｂのコンピュータの動作が正常であることも考えられる。このときは、自己の制御装置５Ａは、収束判定（図３）や故障推定（図４）の動作を行うことができないが、制御装置５Ｂの他方故障推定部６５が同一手順を用いて収束判定（図３）や故障推定（図４）を行っている。したがって、収束時間Ｔｅが閾値γを超えていれば、制御装置５Ｂは、制御装置５Ａのコンピュータの動作に異常があると推定して、電動モータ１ｂの負荷比率を上げるように、制御装置５Ｂの制御周期を短くするか若しくは制御ゲインを上げるという制御、又は制御周期を短くしかつ制御ゲインを上げるという制御を行う。

このように、制御装置５Ａは、収束時間Ｔｅが閾値γを超えていれば他方の制御装置５Ｂのコンピュータの動作に異常があると推定し、制御装置５Ｂは、収束時間Ｔｅが閾値γを超えていれば制御装置５Ａのコンピュータの動作に異常があると推定する。すなわち、他方の制御装置５Ｂ又は制御装置５Ａの故障を、自己の制御装置５Ａ又は制御装置５Ｂの判断によってのみ推定するのが本発明の特徴である。このため、［背景技術］の欄に説明したような「サブマイクロコンピュータ」の存在を必要としない、２つのメインコンピュータのみによる二重制御系統の電動パワーステアリング装置を実現することができる。

以上で、本発明の実施の形態を説明したが、本発明の実施は、の形態に限定されるものではない。例えば、実施形態においては、図４で他方の故障が推定された場合に、制御周期を短くし（ステップＴ４）、かつ制御ゲインを上げる（ステップＴ５）という制御を両方行ったが、制御周期を短くする制御若しくは制御ゲインを上げるという制御の一方のみを行うようにしてもよい。この場合でも、電動モータ１ａ若しくは１ｂの負荷比率を向上させることができる。その他、本発明の範囲内で種々の変更を施すことが可能である。

１ａ，１ｂ…電動モータ、２…トルクセンサ、３…車速センサ、５…ＥＰＳモータ制御回路、５Ａ…制御装置、５Ｂ…制御装置、６…ステアリングホイール、５１，６１…目標指令値設定部、５２，６２…ＰＩ制御回路、５３，６３…インバータ駆動回路、５４，６４…信号波形収束時間計測部、５５，６５…他方故障推定部、５６，６６…制御周期・制御ゲイン設定部、５７，６７…出力検出部

Claims (3)

1. 操舵補助力を発生するための電動モータと、操舵トルクを検出する操舵トルク検出手段と、前記操舵トルク検出手段によって検出される操舵トルクに基づいて、前記電動モータを駆動制御するＥＰＳモータ制御手段とを備え、前記ＥＰＳモータ制御手段は、
   独立して前記電動モータを駆動制御するコンピュータを含む制御装置を２系統有し、前記各制御装置は、前記電動モータの目標指令値を定める目標指令値設定部と、前記電動モータの出力を検出する出力検出部と、相手系統の故障を推定する故障推定部とを備え、
   前記制御装置は、所定の制御周期と所定の制御ゲインを設定して、前記電動モータの出力値が前記目標指令値に収束するようにフィードバック制御するものであり、
   前記故障推定部は、前記電動モータの出力値が目標指令値に収束する時間を監視し、この収束時間が基準時間よりも長い場合に、他系の制御装置の故障を推定するものであり、
   前記他系の制御装置の故障を推定した正常側の制御装置は、正常側の制御装置の制御周期を短くするか若しくは制御ゲインを上げる、又は制御周期を短くしかつ制御ゲインを上げる制御を行う、電動パワーステアリング装置。
2. 前記正常側の制御装置は、他系の制御装置の故障を推定した場合、正常側の制御装置の制御周期を１／２倍にし、かつ制御ゲインを２倍にする、請求項１に記載の電動パワーステアリング装置。
3. 前記電動モータは前記２系統の制御装置によりそれぞれ駆動される２台の電動モータにより構成される、請求項１又は請求項２に記載の電動パワーステアリング装置。

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