JP2022024284A - 異常検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】新規な方法で検出装置の異常を検出することができる異常検出装置を提供する。【解決手段】異常検出装置は、ｎ種類の検出装置の検出値から異なる（ｎ―１）個を選択する組合せ毎に、当該組合せの検出値を入力とし、ｎ種類の検出装置の全ての検出値が推定可能となる推定値を演算するｎ個のオブザーバと、オブザーバ毎に設けられかつ検出装置の異常を判定するための判定値を演算する複数の判定値演算部と、複数の判定値演算部によって演算される判定値に基づき、異常となった検出装置を特定する異常個所特定部とを備える。異常個所特定部は、複数の判定値演算部によって演算された判定値のうち、所定閾値未満の判定値が１つだけ存在する場合、当該閾値以下の判定値に対応するオブザーバに入力されている検出値以外の検出値を検出する検出装置が異常であると判定する。【選択図】図３

Description

この発明は、異常検出装置に関する。

特許文献１には、前後輪舵角センサ、ヨーレイトセンサおよび横加速度センサの故障を検出する故障検出装置が開示されている。具体的には、前後輪舵角センサによって検出される前後輪実舵角に基づいて、ヨーレイト推定値と横加速度推定値を演算する。そして、これらの推定値と、ヨーレイトセンサにより検出されるヨーレイトと、横加速度センサにより検出される横加速度とを比較することにより、前後輪舵角センサ、ヨーレイトセンサおよび横加速度センサの内のいずれのセンサが故障しているかを判定する。

特開平４－２５２７７６号公報

この発明の目的は、新規な方法で検出装置の異常を検出することができる異常検出装置を提供することである。

この発明の一実施形態は、ｎ（ｎは３以上の整数）種類の検出装置と、前記ｎ種類の検出装置の検出値から異なる（ｎ―１）個を選択する組合せ毎に、当該組合せの検出値を入力とし、前記ｎ種類の検出装置の全ての検出値が推定可能となる推定値を演算するｎ個のオブザーバと、前記オブザーバ毎に設けられかつ前記検出装置の異常を判定するための判定値を演算する複数の判定値演算部と、前記複数の判定値演算部によって演算される判定値に基づき、異常となった検出装置を特定する異常個所特定部とを備え、前記複数の判定値演算部は、対応する前記オブザーバに入力される（ｎ―１）個の検出値とその推定値との差分値とに基づき前記判定値を演算し、前記異常個所特定部は、前記複数の判定値演算部によって演算された判定値のうち、所定閾値未満の判定値が１つだけ存在する場合、当該閾値以下の判定値に対応するオブザーバに入力されている検出値以外の検出値を検出する検出装置が異常であると判定する、異常検出装置を提供する。

この構成では、新規な方法で検出装置の異常を検出することができる。
この発明の一実施形態では、前記各オブザーバは、外乱やモデル化誤差を含む外乱トルクを状態変数に持つ拡張状態オブザーバである。
この発明の一実施形態は、前記判定値は、ユークリードノルムである。
この発明の一実施形態は、前記異常個所特定部によって１つの検出装置が異常であると判定された場合、前記閾値以下の判定値に対応するオブザーバによって推定された推定値に基づき、異常であると判定された検出装置の検出値の代替値を演算する代替値演算部をさらに備える。

この発明の一実施形態は、前記ｎ種類の検出装置が、電動パワーステアリング装置に用いられている３種類の検出装置からなり、前記３種類の検出装置は、ステアリングホイールの回転角度である操舵角を検出するための舵角センサと、トーションバートルクを検出するためのトルクセンサと、電動モータのロータ回転角に応じた角度を検出するための回転角センサとからなり、前記オブザーバは、操舵角およびトーションバートルクが入力され、少なくともロータ回転角に応じた角度および操舵角を推定する第１オブザーバと、ロータ回転角に応じた角度および操舵角が入力され、少なくともロータ回転角に応じた角度および操舵角を推定する第２オブザーバと、ロータ回転角に応じた角度およびトーションバートルクが入力され、少なくともロータ回転角に応じた角度および操舵角を推定する第３オブザーバとを含む。

本発明の一実施形態に係る異常検出装置が適用された電動パワーステアリング装置の概略構成を示す模式図である。 図２は、ＥＣＵの電気的構成を示すブロック図である。 図３は、センサ異常検出部の電気的構成を示すブロック図である。 図４は、電動パワーステアリング装置の２慣性モデルを示す模式図である。 図５は、第１オブザーバの構成を示すブロック図である。 図６Ａは第２オブザーバの構成を示すブロック図であり、図６Ｂは第３オブザーバの構成を示すブロック図である。 図７は、異常診断部の動作を説明するための表である。

以下では、この発明の実施の形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
［１］電動パワーステアリングシステムの概略構成
図１は、本発明の一実施形態に係る異常検出装置が適用された電動パワーステアリング装置の概略構成を示す模式図である。
この電動パワーステアリング装置（操舵装置）１は、コラム部に電動モータと減速機とが配置されているコラムアシスト式電動パワーステアリング装置である。

電動パワーステアリング装置１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（ハンドル）２と、このステアリングホイール２の回転に連動して転舵輪３を転舵する転舵機構４と、運転者の操舵を補助するための操舵補助機構５とを備えている。ステアリングホイール２と転舵機構４とは、ステアリングシャフト６、第１ユニバーサルジョイント２８、中間軸７および第２ユニバーサルジョイント２９を介して機械的に連結されている。

ステアリングシャフト６は、ステアリングホイール２に連結された第１軸８と、第１ユニバーサルジョイント２８を介して中間軸７に連結された第２軸９とを含む。第１軸８と第２軸９とは、トーションバー１０を介して相対回転可能に連結されている。
第１軸８の周囲には、操舵角θ_ｓｗを検出するための舵角センサ２３が配置されている。この実施形態では、舵角センサ２３は、ハンドル２の中立位置（操舵中立位置）からのステアリングシャフト６の正逆両方向の回転量（回転角）を検出するものであり、操舵中立位置から左方向への回転量を例えば正の値として出力し、操舵中立位置から右方向への回転量を例えば負の値として出力する。

ステアリングシャフト６の周囲には、トルクセンサ２４が設けられている。トルクセンサ２４は、第１軸８および第２軸９の相対回転変位量に基づいて、トーションバー１０に加えられているトーションバートルクＴ_ｔｂを検出する。トルクセンサ２４によって検出されるトーションバートルクＴ_ｔｂは、例えば、左方向への操舵のためのトルクが正の値として検出され、右方向への操舵のためのトルクが負の値として検出され、その絶対値が大きいほどトーションバートルクＴ_ｔｂの大きさが大きくなる。

転舵機構４は、ピニオン軸１３と、転舵軸としてのラック軸１４とを含むラック＆ピニオン機構からなる。ラック軸１４の各端部には、タイロッド１５およびナックルアーム（図示略）を介して転舵輪３が連結されている。ピニオン軸１３は、第２ユニバーサルジョイント２９を介して中間軸７に連結されている。ピニオン軸１３の先端には、ピニオン１６が連結されている。

ラック軸１４は、車両の左右方向に沿って直線状に延びている。ラック軸１４の軸方向の中間部には、ピニオン１６に噛み合うラック１７が形成されている。このピニオン１６およびラック１７によってラックアンドピニオン機構が構成され、ピニオン軸１３の回転がラック軸１４の軸方向移動に変換される。
ステアリングホイール２が操舵（回転）されると、この回転が、ステアリングシャフト６および中間軸７を介して、ピニオン軸１３に伝達される。そして、ピニオン軸１３の回転は、ピニオン１６およびラック１７によって、ラック軸１４の軸方向移動に変換される。これにより、転舵輪３が転舵される。

操舵補助機構５は、操舵補助力を発生するための電動モータ１８と、電動モータ１８の出力トルクを増幅して転舵機構４に伝達するための減速機１９とを含む。この実施形態では、電動モータ１８は、三相ブラシレスモータである。電動モータ１８のロータの回転角（以下、「ロータ回転角θ_ｍ」という。）は、レゾルバ等の回転角センサ２５によって検出される。

減速機１９は、ウォームギヤ２０と、このウォームギヤ２０と噛み合うウォームホイール２１とを含むウォームギヤ機構からなる。減速機１９は、ギヤハウジング２２内に収容されている。以下において、減速機１９の減速比（ギヤ比）をｉ_ｃで表す。減速比ｉ_ｃは、ウォームホイール２１の回転角であるウォームホイール角（以下、「コラム角θ_ｃ」という。）に対するウォームギヤ２０の回転角であるウォームギヤ角の比として定義される。コラム角θ_ｃは、ロータ回転角θ_ｍを減速比ｉ_ｃで除算することにより演算することができる。減速比ｉ_ｃは、本発明における「ロータ回転角に応じた角度」の一例である。

ウォームギヤ２０は、電動モータ１８によって回転駆動される。ウォームホイール２１は、第２軸９に一体回転可能に連結されている。
電動モータ１８によってウォームギヤ２０が回転駆動されると、ウォームホイール２１が回転駆動され、ステアリングシャフト６にモータトルクが付与されることによりステアリングシャフト６（第２軸９）が回転する。そして、ステアリングシャフト６の回転は、中間軸７を介してピニオン軸１３に伝達される。

ピニオン軸１３の回転は、ラック軸１４の軸方向移動に変換される。これにより、転舵輪３が転舵される。すなわち、電動モータ１８によってウォームギヤ２０を回転駆動することによって、電動モータ１８による操舵補助が可能となっている。
舵角センサ２３によって検出される操舵角θ_ｓｗ、トルクセンサ２４によって検出されるトーションバートルクＴ_ｔｂおよび回転角センサ２５の出力信号は、ＥＣＵ（電子制御ユニット：Electronic Control Unit）１２に入力される。ＥＣＵ１２は、これらの入力信号に基づいて、電動モータ１８を制御する。
［２］ＥＣＵ１２の電気的構成
図２は、ＥＣＵ１２の電気的構成を示すブロック図である。

ＥＣＵ１２は、マイクロコンピュータ４１と、マイクロコンピュータ４１によって制御され、電動モータ１８に電力を供給する駆動回路（３相インバータ回路）４２と、電動モータ１８に流れる電流（以下、「モータ電流Ｉ_ｍ」という。）を検出するための電流検出部４３を備えている。
マイクロコンピュータ４０は、ＣＰＵおよびメモリ（ＲＯＭ、ＲＡＭ、不揮発性メモリなど）を備えており、所定のプログラムを実行することによって、複数の機能処理部として機能するようになっている。この複数の機能処理部には、回転角演算部５１と、モータ制御部５２と、センサ異常検出部５３とが含まれる。

回転角演算部５１は、回転角センサ２５の出力信号に基づいて、電動モータ１８のロータ回転角θ_ｍを演算する。
モータ制御部５２は、舵角センサ２３によって検出される操舵角θ_ｓｗ、トルクセンサ２４によって検出されるトーションバートルクＴ_ｔｂ、電流検出部４３によって検出されるモータ電流Ｉ_ｍおよび回転角演算部５１によって演算されるロータ回転角θ_ｍに基づいて、駆動回路４２を駆動制御する。

具体的には、モータ制御部５２は、操舵角θ_ｓｗおよびトーションバートルクＴ_ｔｂに基づいて、電動モータ１８に流れるモータ電流Ｉ_ｍの目標値である電流指令値を設定する。電流指令値は、車両状態および操舵状況に応じた操舵補助力（アシストトルク）の目標値に対応している。そして、モータ制御部５２は、電流検出部４３によって検出されるモータ電流Ｉ_ｍが電流指令値に近づくように、駆動回路４２を駆動制御する。これにより、車両状態および操舵状況に応じた適切な操舵補助が実現される。

センサ異常検出部５３は、操舵角θ_ｓｗ、トーションバートルクＴ_ｔｂ、モータ電流Ｉ_ｍおよびロータ回転角θ_ｍに基づいて、舵角センサ２３、トルクセンサ２４および回転角センサ２５の異常を検出する。センサ異常検出部５３は、これらのセンサのうちのいずれか１つの異常を検出した場合には、当該センサのセンサ値の代替値を演算して、モータ制御部５２に与える。モータ制御部５２は、センサ異常検出部５３から与えられた代替値を、異常なセンサのセンサ値の代わりに用いて、駆動回路４２を駆動制御する。
［３］センサ異常検出部５３の構成
図３は、センサ異常検出部５３の電気的構成を示すブロック図である。

センサ異常検出部５３は、モータトルク演算部６１と、コラム角度演算部６２と、第１～第３拡張状態オブザーバ６３～６５と、第１～第３ユークリッドノルム演算部６６～６８と、異常診断部６９と、センサ代替値演算部７０とを含む。
第１～第３拡張状態オブザーバ６３～６５は、本発明の「オブザーバ」の一例である。第１～第３ユークリッドノルム演算部６６～６８は、本発明の「判定値演算部」の一例である。異常診断部６９は、本発明の「異常個所特定部」の一例である。
［３－１］モータトルク演算部６１およびコラム角度演算部６２
モータトルク演算部６１は、電流検出部４３（図２参照）によって検出されるモータ電流Ｉ_ｍに電動モータ１８のトルク定数Ｋ_ｔを乗算することにより、モータトルクＴ_ｍを演算する。

コラム角度演算部６２は、回転角演算部５１（図２参照）によって演算されるロータ回転角θ_ｍを減速比ｉ_ｃで除算することにより、コラム角度θ_ｃを演算する。
［３－２］第１拡張状態オブザーバ６３
第１拡張状態オブザーバ（以下、「第１オブザーバ６３」という。）は、モータトルク演算部６１（図２参照）によって演算されるモータトルクＴ_ｍ、舵角センサ２３（図１参照）によって検出される操舵角θ_ｓｗおよびトルクセンサ２４（図１参照）によって検出されるトーションバートルクＴ_ｔに基づいて、操舵角θ_ｓｗ、コラム角度θ_ｃ等を推定する。

第１オブザーバ６３は、例えば、図４に示す電動パワーステアリング装置１の２慣性モデル２００を使用して、操舵角θ_ｓｗ、操舵角速度ｄθ_ｓｗ／ｄｔ、コラム角度θ_ｃ、コラム角速度ｄθ_ｃ／ｄｔ、第１外乱トルクＴ_ｄ１および第２外乱トルクＴ_ｄ２を推定する。以下において、操舵角θ_ｓｗ、操舵角速度ｄθ_ｓｗ／ｄｔ、コラム角度θ_ｃ、コラム角速度ｄθ_ｃ／ｄｔ、第１外乱トルクＴ_ｄ１および第２外乱トルクＴ_ｄ２の推定値を、それぞれ、^θ_ｓｗ、^ｄθ_ｓｗ／ｄｔ、^θ_ｃ、^ｄθ_ｃ／ｄｔ、^Ｔ_ｄ１および^Ｔ_ｄ２で表す。

この２慣性モデル２００は、ステアリングホイール部２０１と、コラム部２０２と含む。図４において、Ｊ_ｓｗはステアリングホイール部２０１の慣性であり、Ｊ_ｃは、コラム部２０２の慣性である。コラム部２０２の慣性は、各部の連結は剛体として仮定し、第２軸９およびウォームホイール２１の慣性、電動モータ１８のロータ慣性、ウォームギヤ２０の慣性、インターミディエイトシャフト（第１，２ユニバーサルジョイント２８，２９と中間軸７）の慣性、ピニオン軸１３の慣性、ラック軸１４の質量（ピニオン軸１３換算の慣性）を合計した慣性である。

ステアリングホイール部２０１には、第１外乱トルクＴ_ｄ１が与えられる。第１外乱トルクＴ_ｄ１は、ステアリングホイール２に加えられるドライバートルク、ステアリングホイール２とそれを支持する支持部材との間の摩擦トルク等の外乱やモデル化誤差等を含む。
コラム部２０２には、ステアリングホイール部２０１からトーションバー１０を介して、トーションバートルクＴ_ｔｂ（＝ｋ_ｔｂ（θ_ｓｗ－θ_ｃ））が与えられる。ｋ_ｔｂは、トーションバー１０のばね定数である。また、コラム部１０２には、モータトルクＴ_ｍが与えられるとともに第２外乱トルクＴ_ｄ２が与えられる。第２外乱トルクＴ_ｄ２は、セルフアライニングトルク、トルク減速機１９で発生する摩擦トルク、ラック＆ピニオン機構１６，１７で発生する摩擦トルク等の外乱やモデル化誤差等を含む。

第１オブザーバ６３のオブザーバモデルは、次式(1)で表される。

式(1)において、^ｘ_１は状態変数ベクトルｘ_１の推定値、ｕ_１は既知入力ベクトル、Ｌ_１はオブザーバゲイン行列、ｙ_１は出力ベクトル（測定値）、^ｙ_１はｙ_１の推定値、Ａ_１はシステム行列、Ｂ_１は入力行列、Ｃ_１は出力行列である。また、（ｙ_１－^ｙ_１）は推定誤差ｒ_１である。
^ｘ_１、ｙ_１、ｕ_１およびｒ_１は、それぞれ、次式(2)で表される。

Ａ_１、Ｂ_１およびＣ_１は、それぞれ、次式(3)で表される。

図５は、第１オブザーバ６３の構成を示すブロック図である。
第１オブザーバ６３は、出力ベクトル生成部８１と、Ａ_１乗算部８２と、Ｂ_１乗算部８３と、Ｃ_１乗算部８４と、第１加算部８５と、Ｌ_１乗算部８６と、第２加算部８７と、第３加算部８８と、積分部８９とを含む。
舵角センサ２３によって検出される操舵角θ_ｓｗおよびトルクセンサ２４によって検出されるトーションバートルクＴ_ｔｂは、出力ベクトル生成部８１に与えられる。出力ベクトル生成部８１は、操舵角θ_ｓｗおよびトーションバートルクＴ_ｔｂに基づいて、前記式（1）の出力ベクトルｙ_１を生成して、第１加算部８５に与える。

モータトルク演算部６１によって演算されるモータトルクＴ_ｍは、前記式（1）の入力ベクトルｕ_１に相当し、Ｂ_１乗算部８３に与えられる。
積分部８９の演算結果が、状態変数ベクトルｘ_１の推定値^ｘ_１に含まれる推定値^θ_ｓｗ、^ｄθ_ｓｗ／ｄｔ、^θ_ｃ、^ｄθ_ｃ／ｄｔ、^Ｔ_ｄ１および^Ｔ_ｄ２となる。演算開始時、これらの推定値^θ_ｓｗ、^ｄθ_ｓｗ／ｄｔ、^θ_ｃ、^ｄθ_ｃ／ｄｔ、^Ｔ_ｄ１および^Ｔ_ｄ２の初期値は、例えば０である。

Ｃ_１乗算部８４は、積分部８９によって演算される^ｘ_１にＣ_１を乗算することにより、前記式（1）の出力ベクトルの推定値^ｙ_１（＝Ｃ_１・^ｘ_１）を演算する。この実施形態では、^ｙ_１は、操舵角θ_ｓｗの推定値^θ_ｓｗおよびトーションバートルクＴ_ｔｂの推定値^Ｔ_ｔｂを含む。
Ａ_１乗算部８２は、積分部８９によって演算される^ｘ_１にＡ_１を乗算することにより、前記式（1）のＡ_１・^ｘ_１を演算する。Ｂ_１乗算部８３は、Ｔ_ｍにＢ_１を乗算することにより、前記式（1）のＢ_１・ｕ_１を演算する。

第１加算部８５は、出力ベクトルの測定値ｙ_１から、Ｃ_１乗算部８４によって演算される出力ベクトルの推定値^ｙ_１を減算することにより、これらの差（ｙ_１－＾ｙ_１）を演算する。つまり、第１加算部８５は推定誤差ｒ_１を演算する。
Ｌ_１乗算部８６は、第１加算部８５の演算結果（ｙ_１－＾ｙ_１）にオブザーバゲイン行列Ｌ_１を乗算することにより、前記式（1）のＬ_１（ｙ_１－＾ｙ_１）を演算する。

第２加算部８７は、Ｂ_１乗算部８３の演算結果Ｂ_１・ｕ_１とＬ_１乗算部８６の演算結果Ｌ_１（ｙ_１－＾ｙ_１）を加算する。第３加算部８８は、第２加算部８７の演算結果と、Ａ_１乗算部８２の演算結果Ａ_１・^ｘ_１を加算することにより、前記式（1）のｄ^ｘ_１／ｄｔを演算する。積分部８９は、ｄ^ｘ_１／ｄｔを積分することによって、前記式（1）の^ｘ_１を演算する。
［３－３］第２拡張状態オブザーバ６４
第２拡張状態オブザーバ（以下、「第２オブザーバ６４」という。）は、モータトルク演算部６１（図２参照）によって演算されるモータトルクＴ_ｍ、舵角センサ２３（図１参照）によって検出される操舵角θ_ｓｗおよびコラム角度演算部６２（図２参照）によって演算されるコラム角度θ_ｃに基づいて、操舵角θ_ｓｗ、コラム角度θ_ｃ等を推定する。

第２オブザーバ６４は、例えば、前述の２慣性モデル２００（図４参照）を使用して、操舵角θ_ｓｗ、操舵角速度ｄθ_ｓｗ／ｄｔ、コラム角度θ_ｃ、コラム角速度ｄθ_ｃ／ｄｔ、第１外乱トルクＴ_ｄ１および第２外乱トルクＴ_ｄ２を推定する。
第２オブザーバ６４のオブザーバモデルは、次式(4)で表される。

式(4)において、^ｘ_２は状態変数ベクトルｘ_２の推定値、ｕ_２は既知入力ベクトル、Ｌ_２はオブザーバゲイン行列、ｙ_２は出力ベクトル（測定値）、^ｙ_２はｙ_２の推定値、Ａ_２はシステム行列、Ｂ_２は入力行列、Ｃ_２は出力行列である。また、（ｙ_２－^ｙ_２）は推定誤差ｒ_２である。
^ｘ_２、ｙ_２、ｕ_２およびｒ_２は、それぞれ、次式(5)で表される。

Ａ_２、Ｂ_２およびＣ_２は、それぞれ、次式(6)で表される。

図６Ａは、第２オブザーバ６４の構成を示すブロック図である。
第２オブザーバ６４は、出力ベクトル生成部９１と、Ａ_２乗算部９２と、Ｂ_２乗算部９３と、Ｃ_２乗算部９４と、第１加算部９５と、Ｌ_２乗算部９６と、第２加算部９７と、第３加算部９８と、積分部９９とを含む。
舵角センサ２３によって検出される操舵角θ_ｓｗおよびコラム角度演算部６２によって検出されるコラム角度θ_ｃは、出力ベクトル生成部９１に与えられる。出力ベクトル生成部９１は、操舵角θ_ｓｗおよびコラム角度θ_ｃに基づいて、前記式（4）の出力ベクトルｙ_２を生成して、第１加算部９５に与える。

モータトルク演算部６１によって演算されるモータトルクＴ_ｍは、前記式（4）の入力ベクトルｕ_２に相当し、Ｂ_２乗算部９３に与えられる。
積分部９９の演算結果が、状態変数ベクトルｘ_２の推定値^ｘ_２に含まれる推定値^θ_ｓｗ、^ｄθ_ｓｗ／ｄｔ、^θ_ｃ、^ｄθ_ｃ／ｄｔ、^Ｔ_ｄ１および^Ｔ_ｄ２となる。演算開始時、これらの推定値^θ_ｓｗ、^ｄθ_ｓｗ／ｄｔ、^θ_ｃ、^ｄθ_ｃ／ｄｔ、^Ｔ_ｄ１および^Ｔ_ｄ２の初期値は、例えば０である。

Ｃ_２乗算部９４は、積分部９９によって演算される^ｘ_２にＣ_２を乗算することにより、前記式（4）の出力ベクトルの推定値^ｙ_２（＝Ｃ_２・^ｘ_２）を演算する。この実施形態では、^ｙ_２は、操舵角θ_ｓｗの推定値^θ_ｓｗおよびコラム角度θ_ｃの推定値^θ_ｃを含む。
Ａ_２乗算部９２は、積分部９９によって演算される^ｘ_２にＡ_２を乗算することにより、前記式（4）のＡ_２・^ｘ_２を演算する。Ｂ_２乗算部９３は、Ｔ_ｍにＢ_２を乗算することにより、前記式（4）のＢ_２・ｕ_２を演算する。

第１加算部９５は、出力ベクトルの測定値ｙ_２から、Ｃ_２乗算部９４によって演算される出力ベクトルの推定値^ｙ_２を減算することにより、これらの差（ｙ_２－＾ｙ_２）を演算する。つまり、第１加算部９５は推定誤差ｒ_２を演算する。
Ｌ_２乗算部９６は、第１加算部９５の演算結果（ｙ_２－＾ｙ_２）にオブザーバゲイン行列Ｌ_２を乗算することにより、前記式（4）のＬ_２（ｙ_２－＾ｙ_２）を演算する。

第２加算部９７は、Ｂ_２乗算部９３の演算結果Ｂ_２・ｕ_２とＬ_２乗算部９６の演算結果Ｌ_２（ｙ_２－＾ｙ_２）を加算する。第３加算部９８は、第２加算部９７の演算結果と、Ａ_２乗算部９２の演算結果Ａ_２・^ｘ_２を加算することにより、前記式（4）のｄ^ｘ_２／ｄｔを演算する。積分部９９は、ｄ^ｘ_２／ｄｔを積分することによって、前記式（4）の^ｘ_２を演算する。
［３－４］第３拡張状態オブザーバ６５
第３拡張状態オブザーバ（以下、「第３オブザーバ６５」という。）は、モータトルク演算部６１（図２参照）によって演算されるモータトルクＴ_ｍ、トルクセンサ２４（図１参照）によって検出されるトーションバートルクＴ_ｔｂおよびコラム角度演算部６２（図２参照）によって演算されるコラム角度θ_ｃに基づいて、操舵角θ_ｓｗ、コラム角度θ_ｃ等を推定する。

第３オブザーバ６５は、例えば、前述の２慣性モデル２００（図４参照）を使用して、操舵角θ_ｓｗ、操舵角速度ｄθ_ｓｗ／ｄｔ、コラム角度θ_ｃ、コラム角速度ｄθ_ｃ／ｄｔ、第１外乱トルクＴ_ｄ１および第２外乱トルクＴ_ｄ２を推定する。
第３オブザーバ６５のオブザーバモデルは、次式(7)で表される。

式(7)において、^ｘ_３は状態変数ベクトルｘ_３の推定値、ｕ_３は既知入力ベクトル、Ｌ_３はオブザーバゲイン行列、ｙ_３は出力ベクトル（測定値）、^ｙ_３はｙ_３の推定値、Ａ_３はシステム行列、Ｂ_３は入力行列、Ｃ_３は出力行列である。また、（ｙ_３－^ｙ_３）は推定誤差ｒ_３である。
^ｘ_３、ｙ_３、ｕ_３およびｒ_３は、それぞれ、次式(8)で表される。

Ａ_３、Ｂ_３およびＣ_３は、それぞれ、次式(9)で表される。

図６Ｂは、第３オブザーバ６５の構成を示すブロック図である。
第３オブザーバ６５は、出力ベクトル生成部１０１と、Ａ_３乗算部１０２と、Ｂ_３乗算部１０３と、Ｃ_３乗算部１０４と、第１加算部１０５と、Ｌ_３乗算部１０６と、第２加算部１０７と、第３加算部１０８と、積分部１０９とを含む。
トルクセンサ２４によって検出されるトーションバートルクＴ_ｔｂおよびコラム角度演算部６２によって検出されるコラム角度θ_ｃは、出力ベクトル生成部１０１に与えられる。出力ベクトル生成部１０１は、トーションバートルクＴ_ｔｂおよびコラム角度θ_ｃに基づいて、前記式（7）の出力ベクトルｙ_３を生成して、第１加算部１０５に与える。

モータトルク演算部６１によって演算されるモータトルクＴ_ｍは、前記式（7）の入力ベクトルｕ_３に相当し、Ｂ_３乗算部１０３に与えられる。
積分部１０９の演算結果が、状態変数ベクトルｘ_３の推定値^ｘ_３に含まれる推定値^θ_ｓｗ、^ｄθ_ｓｗ／ｄｔ、^θ_ｃ、^ｄθ_ｃ／ｄｔ、^Ｔ_ｄ１および^Ｔ_ｄ２となる。演算開始時、これらの推定値^θ_ｓｗ、^ｄθ_ｓｗ／ｄｔ、^θ_ｃ、^ｄθ_ｃ／ｄｔ、^Ｔ_ｄ１および^Ｔ_ｄ２の初期値は、例えば０である。

Ｃ_３乗算部１０４は、積分部１０９によって演算される^ｘ_３にＣ_３を乗算することにより、前記式（7）の出力ベクトルの推定値^ｙ_３（＝Ｃ_３・^ｘ_３）を演算する。この実施形態では、^ｙ_３は、トーションバートルクＴ_ｔｂの推定値^Ｔ_ｔｂおよびコラム角度θ_ｃの推定値^θ_ｃを含む。
Ａ_３乗算部１０２は、積分部１０９によって演算される^ｘ_３にＡ_３を乗算することにより、前記式（7）のＡ_３・^ｘ_３を演算する。Ｂ_３乗算部１０３は、Ｔ_ｍにＢ_３を乗算することにより、前記式（7）のＢ_３・ｕ_３を演算する。

第１加算部１０５は、出力ベクトルの測定値ｙ_３から、Ｃ_３乗算部１０４によって演算される出力ベクトルの推定値^ｙ_３を減算することにより、これらの差（ｙ_３－＾ｙ_３）を演算する。つまり、第１加算部１０５は推定誤差ｒ_３を演算する
Ｌ_３乗算部１０６は、第１加算部１０５の演算結果（ｙ_３－＾ｙ_３）にオブザーバゲイン行列Ｌ_３を乗算することにより、前記式（7）のＬ_３（ｙ_３－＾ｙ_３）を演算する。

第２加算部１０７は、Ｂ_３乗算部１０３の演算結果Ｂ_３・ｕ_３とＬ_３乗算部１０６の演算結果Ｌ_３（ｙ_３－＾ｙ_３）を加算する。第３加算部１０８は、第２加算部１０７の演算結果と、Ａ_３乗算部１０２の演算結果Ａ_３・^ｘ_３を加算することにより、前記式（7）のｄ^ｘ_３／ｄｔを演算する。積分部１０９は、ｄ^ｘ_３／ｄｔを積分することによって、前記式（7）の^ｘ_３を演算する。
［３－５］第１～第３ユークリッドノルム演算部６６～６８
第１ユークリッドノルム演算部６６は、次式(10）に基づいて、第１ユークリッドノルム||ｒ_１||を演算する。

第２ユークリッドノルム演算部６７は、次式(11）に基づいて、第２ユークリッドノルム||ｒ_２||を演算する。

第３ユークリッドノルム演算部６８は、次式(12）に基づいて、第３ユークリッドノルム||ｒ_３||を演算する。

［３－６］異常診断部６９
異常診断部６９は、第１ユークリッドノルム||ｒ_１||、第２ユークリッドノルム||ｒ_２||および第３ユークリッドノルム||ｒ_３||に基づいて、舵角センサ２３、トルクセンサ２４または回転角センサ２５に異常が発生しているか否かを診断する。
具体的には、異常診断部６９は、第１ユークリッドノルム||ｒ_１||、第２ユークリッドノルム||ｒ_２||および第３ユークリッドノルム||ｒ_３||毎に、そのユークリッドノルムが閾値Ａを超過しているか否か判定する。そして、異常診断部６９は、その判定結果に基づいて、センサの診断を行う。なお、閾値Ａは、予め設定された、０より大きな所定値である。

より具体的には、図７の表に示すように、第１、第２および第３ユークリッドノルム||ｒ_１||、||ｒ_２||および||ｒ_３||の全てが閾値Ａを超過していない場合には、異常診断部６９は、全てのセンサ２３、２４および２５が正常であると判定する。
第１および第２ユークリッドノルム||ｒ_１||および||ｒ_２||が閾値Ａを超過しており、第３ユークリッドノルム||ｒ_３||が閾値Ａを超過していない場合には、舵角センサ２３が異常であると判定する。これは、||ｒ_１||および||ｒ_２||の演算には、θ_ｓｗが使用されているが、||ｒ_３||の演算には、θ_ｓｗが使用されていないからである。

第１および第３ユークリッドノルム||ｒ_１||および||ｒ_３||が閾値Ａを超過しており、第２ユークリッドノルム||ｒ_２||が閾値Ａを超過していない場合には、トルクセンサ２４が異常であると判定する。これは、||ｒ_１||および||ｒ_３||の演算には、Ｔ_ｔｂが使用されているが、||ｒ_２||の演算には、Ｔ_ｔｂが使用されていないからである。
第２および第３ユークリッドノルム||ｒ_２||および||ｒ_３||が閾値Ａを超過しており、第１ユークリッドノルム||ｒ_１||が閾値Ａを超過していない場合には、回転角センサ２５が異常であると判定する。これは、||ｒ_２||および||ｒ_３||の演算には、θ_ｍから演算されるθ_ｃが使用されているが、||ｒ_１||の演算には、θ_ｃが使用されていないからである。
［３－７］センサ代替値演算部７０
以下において、第１オブザーバ６３、第２オブザーバ６４および第３オブザーバ６５によって推定された操舵角^θ_ｓｗ、^θ_ｓｗおよび^θ_ｓｗを、それぞれ^θ_ｓｗ１、^θ_ｓｗ２および^θ_ｓｗ３という場合がある。同様に、第１オブザーバ６３、第２オブザーバ６４および第３オブザーバ６５によって推定されたコラム角度^θ_ｃ、^θ_ｃおよび^θ_ｃを、それぞれ^θ_ｃ１、^θ_ｃ２および^θ_ｃ３という場合がある。

センサ代替値演算部７０は、第１オブザーバ６３、第２オブザーバ６４および第３オブザーバ６５によって推定された、操舵角^θ_ｓｗ１、^θ_ｓｗ２および^θ_ｓｗ３ならびにコラム角度^θ_ｃ１、^θ_ｃ２および^θ_ｃ３と、異常診断部６９の診断結果とに基づいて、センサ代替値を演算する。
センサ代替値演算部７０は、異常診断部６９によって全てセンサ２３、２４、２５が正常であると判定されている場合には、センサ代替値を演算しない。

異常診断部６９によって舵角センサ２３が異常であると判定された場合には、センサ代替値演算部７０は、次式(13）に基づいて、操舵角代替値^～θ_ｓｗを演算する。操舵角代替値^～θ_ｓｗの演算には、ユークリッドノルムが閾値Ａを超過していない第３オブザーバ６５によって推定された操舵角^θ_ｓｗ３が用いられる。操舵角代替値^～θ_ｓｗは、モータ制御部５２に与えられ、操舵角θ_ｓｗの代替値として使用される。

異常診断部６９によってトルクセンサ２４が異常であると判定された場合には、センサ代替値演算部７０は、次式(14）に基づいて、トーションバートルク代替値^～Ｔ_ｔｂを演算する。トーションバートルク代替値^～Ｔ_ｔｂの演算には、ユークリッドノルムが閾値Ａを超過していない第２オブザーバ６４によって推定された操舵角^θ_ｓｗ２およびコラム角^θ_ｃ２が用いられる。トーションバートルク代替値^～Ｔ_ｔｂは、モータ制御部５２に与えられ、トーションバートルクＴ_ｔｂの代替値として使用される。

異常診断部６９によって回転角センサ２５が異常であると判定された場合には、センサ代替値演算部７０は、次式(15）に基づいて、ロータ回転角代替値^～θ_ｍを演算する。ロータ回転角代替値^～θ_ｍの演算には、ユークリッドノルムが閾値Ａを超過していない第１オブザーバ６３によって推定されたコラム角^θ_ｃ１が用いられる。ロータ回転角代替値^～θ_ｍは、モータ制御部５２に与えられ、ロータ回転角θ_ｍの代替値として使用される。

本実施形態では、センサを２重系にしなくても、センサが故障した場合に代替値を演算できるので、センサを２重系にする場合に比べてコストを低減できる。また、外乱やモデル化誤差等を拡張状態として推定しているので、外乱やモデル化誤差が存在する実際の環境においても、問題なく動作可能である。
前述の実施形態では、異常判定の対象となるセンサの数は３つであったが、異常判定の対象となるセンサの数は４つ以上であってもよい。

前述の実施形態では、この発明を電動パワーステアリング装置に適用した例を示したが、この発明は、電動パワーステアリング装置以外の装置にも適用することができる。
また、前述の実施形態では、この発明をコラム式ＥＰＳに適用した例を示したが、この発明は、電動モータの出力がラック軸に付与されるラックアシスト式ＥＰＳ等のコラム式ＥＰＳ以外のＥＰＳにも適用することができる。また、この発明は、ステアバイワイヤシステムにも適用することができる。

その他、この発明は、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。

１…電動パワーステアリング装置、３…転舵輪、４…転舵機構、１８…電動モータ、１９…減速機、２３…舵角センサ、２４…トルクセンサ、２５…回転角センサ、５１…回転角演算部、５２…モータ制御部、５３…センサ異常検出部、６１…モータトルク演算部、６２…コラム角度演算部、６３～６５…第１～第３拡張状態オブザーバ、６６～６８…第１～第３ユークリッドノルム演算部、６９…異常診断部、７０…センサ代替値演算部

Claims (5)

1. ｎ（ｎは３以上の整数）種類の検出装置と、
   前記ｎ種類の検出装置の検出値から異なる（ｎ―１）個を選択する組合せ毎に、当該組合せの検出値を入力とし、前記ｎ種類の検出装置の全ての検出値が推定可能となる推定値を演算するｎ個のオブザーバと、
   前記オブザーバ毎に設けられかつ前記検出装置の異常を判定するための判定値を演算する複数の判定値演算部と、
   前記複数の判定値演算部によって演算される判定値に基づき、異常となった検出装置を特定する異常個所特定部とを備え、
   前記複数の判定値演算部は、対応する前記オブザーバに入力される（ｎ―１）個の検出値とその推定値との差分値とに基づき前記判定値を演算し、
   前記異常個所特定部は、前記複数の判定値演算部によって演算された判定値のうち、所定閾値未満の判定値が１つだけ存在する場合、当該閾値以下の判定値に対応するオブザーバに入力されている検出値以外の検出値を検出する検出装置が異常であると判定する、異常検出装置。
2. 前記各オブザーバは、外乱やモデル化誤差を含む外乱トルクを状態変数に持つ拡張状態オブザーバである、請求項１に記載の異常検出装置。
3. 前記判定値は、ユークリードノルムである、請求項１または２に記載の異常検出装置。
4. 前記異常個所特定部によって１つの検出装置が異常であると判定された場合、前記閾値以下の判定値に対応するオブザーバによって推定された推定値に基づき、異常であると判定された検出装置の検出値の代替値を演算する代替値演算部をさらに備える、請求項１～３のいずれか一項に記載の異常検出装置。
5. 前記ｎ種類の検出装置が、電動パワーステアリング装置に用いられている３種類の検出装置からなり、
   前記３種類の検出装置は、ステアリングホイールの回転角度である操舵角を検出するための舵角センサと、トーションバートルクを検出するためのトルクセンサと、電動モータのロータ回転角に応じた角度を検出するための回転角センサとからなり、
   前記オブザーバは、操舵角およびトーションバートルクが入力され、少なくともロータ回転角に応じた角度および操舵角を推定する第１オブザーバと、ロータ回転角に応じた角度および操舵角が入力され、少なくともロータ回転角に応じた角度および操舵角を推定する第２オブザーバと、ロータ回転角に応じた角度およびトーションバートルクが入力され、少なくともロータ回転角に応じた角度および操舵角を推定する第３オブザーバとを含む、請求項１～４のいずれか一項に記載の異常検出装置。

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