JP3556678B2

JP3556678B2 - 電動パワーステアリング装置

Info

Publication number: JP3556678B2
Application number: JP54139398A
Authority: JP
Inventors: 隆之喜福
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1997-06-20
Filing date: 1997-06-20
Publication date: 2004-08-18
Anticipated expiration: 2017-06-20
Also published as: DE69737146T2; EP0919450A4; WO1998058833A1; EP0919450B1; US6332506B1; DE69737146D1; EP0919450A1

Description

技術分野
この発明は、操舵力を補助するモータの逆起電力や回生電流の影響によってモータの故障を誤検出することなくモータの地絡故障と、モータと電源との短絡故障（以下、“天絡”という。）を検出し、故障検出後は適切なフェールセーフ処理を行う電動パワーステアリング装置に関する。
背景技術
図12は、例えば特開平４−31171号公報に示された従来の電動パワーステアリング装置を示す図である。操舵力を補助するためのモータ１は、モータ駆動回路２により駆動制御される。モータ駆動回路２は、パワートランジスタによるＨ形ブリッジ回路で構成されている。モータ１に流れる電流はモータ電流検出回路３によって検出される。また、モータ１の端子間の電圧はモータ端子間電圧検出回路４で検出される。
モータ１をステアリング軸から機械的に切り離すためのクラッチ５は、クラッチ駆動回路６によって駆動される。運転者の操舵力はトルクセンサ７によって検出され、車両の走行速度は車速センサ８によって検出される。
また、トルクセンサ７、車速センサ８等の出力はマイクロコンピュータ９によって読みとられる。更に、マイクロコンピュータ９は状況に応じた最適な操舵補助力を発生させるべくモータ１を制御するとともに、モータ端子間電圧検出回路４等の出力に基づいて故障を検出する。バッテリ10からの電源電圧は、モータ駆動回路２を通してモータ１に供給され、またイグニッションスイッチ11を通してマイクロコンピュータ９に供給される。
次に従来装置の動作について説明する。マイクロコンピュータ９は、イグニッションスイッチ11が運転者によって投入され、電源が供給されると、トルクセンサ７、車速センサ８を読みとり、車両の走行状態と運転者の操舵状態に応じて、モータ１から発生させるべき最適な操舵補助力を演算する。
モータ１はDCモータであり、モータ電源とトルクが比例するので、操舵補助力はモータ電流と等価である。従って上記操舵補助力の演算結果は、モータ１の目標電流となる。
そこで、マイクロコンピュータ９はモータ電流検出回路３で検出されたモータ電流を読み込み、モータ１の目標電流と検出電流を一致させるべくフィードバック制御することでモータ１への印加電圧を演算し、モータ駆動回路２に指示を与えてモータ１を駆動する。
同時に、モータ１の端子間の電圧は、モータ端子間電圧検出回路４で検出されており、上記の如く指示したモータ１への印加電圧（指示電圧）と、検出されたモータ１の端子間の電圧（検出電圧）を比較し、指示電圧と検出電圧の偏差が所定値以上となった状態が所定時間以上継続する場合には、故障と判定する。
例えば、指示電圧に比べて検出電圧が所定値より低い状態が所定時間以上継続する場合には、モータ１の配線が地絡している等の故障であると判定する。
しかしながら、モータ１は、回転速度に比例した電圧（逆起電力）を発生するため、モータ１が駆動されて回転すると、故障でなくとも逆起電力分が指示電圧と検出電圧の偏差となるため、故障を誤検出する可能性がある。
さらに電動パワーステアリングの用途においては、モータ１を駆動していなくても負荷、すなわちタイヤ側からモータ１が回される状況が起こりうる。例えば、所定の角度で保舵しながら走行中に、ステアリングホイールから手を放すと、タイヤが中立方向に戻る力（セルフアライニングトルク）によってステアリングホイールは中立方向に戻され、モータ１は回転し、逆起電力が指示電圧と無関係に発生する。
このような状況は頻繁に起こりうるが、たとえ指示電圧が０でも逆起電力分が検出されることになり、従来の故障検出方法では故障を誤検出する可能性が非常に高い。ゆえに、特に電動パワーステアリングの用途においては、指示電圧と検出電圧の偏差に基づいて故障を検出しようとすると、誤検出を頻発するため好ましくない。
更に、このような誤検出を避けるための処置を講ずると、例えば、故障を検知してから、故障であると確定してフェールセーフ装置を講ずるまでの時間を非常に長くすること等が必要であり、故障検出能力が低下するため好ましくない。
以上のように、従来の電動パワーステアリング装置では、ここで示した故障検出方法のみならず、モータ１の故障を端子電圧に基づいて検出しようとすると、モータ１の逆起電力の影響で故障の誤検出を頻発するという問題点があった。
この発明は上記のような問題点を解決するためになされたもので、モータの逆起電力等によって誤検出することなく、モータ配線の地絡等の故障を検出することができる電動パワーステアリング装置を得ることを目的する。
発明の開示
本発明は検出操舵トルク等に基づいて操舵力を補助するモータ、このモータを駆動制御するモータ駆動制御手段と、前記モータの各端子電圧が、ともに第１の所定値以上、または、ともに第２の所定値以下となる場合に故障と判定する故障判定手段とを備えることで、モータの逆起電力の影響で故障を誤検出することなくモータ配線の天絡または地絡故障などの短絡故障を検出できる。
また、本発明における故障判定手段は、パルス駆動されたモータの端子に現れる矩形波状の端子電圧を平滑することによりモータ端子の平均電圧を検出するモータ端子平均電圧監視部を備え、モータ端子平均電圧が設定値を逸脱する場合に故障と判定することにより、モータを駆動中に故障判定を行う場合のマイクロコンピュータの負荷を軽減できる。
また、本発明における故障判定手段は、モータ端子電圧に所定の電圧を加算するモータ端子電圧監視部を備え、予めモータ端子電圧に所定の電圧を加えておくことで、モータを駆動せずに地絡故障を検出できる。
また、本発明は、モータを、少なくとも所定時間以上駆動していない場合に限り、モータ端子電圧に基づく故障検出を行うことにより、モータの回生電流の影響で故障を誤検出することなく、モータの天絡または地絡故障を検出できる。
また、本発明は、モータを駆動し、モータへの印可電圧が所定値以下の場合には、モータ端子電圧に基づく故障検出を行わないことにより、モータの回生電流の影響で故障を誤検出することなく、モータの天絡または地絡故障を検出できる。
また、本発明は、モータを駆動し、モータ電流が所定値以下の場合には、モータ端子電圧に基づく故障検出を行わないことにより、モータの回生電流の影響で故障を誤検出することなく、モータの天絡または地絡故障を検出できる。
また、本発明は、モータ駆動制御手段の電源電圧が所定範囲内にある場合に限り、モータ端子電圧に基づく故障検出を行うことにより、モータ駆動回路の環流ダイオードの影響で故障を誤検出することなく、モータの天絡または地絡故障を検出できる。
また、本発明は、故障と判定した場合には、モータの駆動を中止することにより、モータ駆動回路に用いられる素子を確実に保護する。
また、本発明は、故障と判定した場合には運転者に警報する警報装置を備えることにより、運転者等に注意を促す。
また、本発明は、故障と判定した場合にモータを操舵系から機械的に切り離すことにより、故障によるモータの発電ブレーキで急操舵時に操舵力が増加することを防止する。
また、本発明は、モータ駆動制御手段と電源または接地との間にスイッチ手段を備え、故障と判定した場合には前記電源または接地と前記モータ駆動制御手段とを遮断することにより、モータ駆動回路が短絡故障している場合でも電流を遮断する。
また、本発明は、モータ駆動制御手段と負荷が成す閉回路中にスイッチ手段を備え、故障と判定した場合には前記スイッチ手段を開くことにより、故障によるモータの発電ブレーキを防止する。
また、本発明は、モータと操舵系の間に駆動連結するクラッチ手段を備え、故障と判定した場合には前記クラッチ手段によってモータを操舵系から機械的に切り離すことにより、故障によるモータの発電ブレーキで急操舵時に操舵力が増加することを防止する。
【図面の簡単な説明】
図１は、この発明の第１の実施例による電動パワーステアリング装置を示す図である。
図２は、モータを片側PWM方式で駆動した場合の各部波形を示す図である。
図３は、モータを両側PWM方式で駆動した場合の各部波形を示す図である。
図４は、モータの等価回路を示す図である。
図５は、モータが回転し、逆起電力が発生した場合の各部波形を示す図である。
図６は、モータが地絡故障した場合の各部波形を示す図である。
図７は、モータが天絡故障した場合の各部波形を示す図である。
図８は、この発明の第１の実施例による故障検出の動作を説明するフローチャートである。
図９は、モータに通電中に天絡、地絡故障した場合の動作を説明する図である。
図10は、この発明の第２の実施例による故障検出の動作を説明するフローチャートである。
図11は、この発明の第４の実施例による電動パワーステアリング装置を示す図である。
図12は、従来の電動パワーステアリング装置を示す図である。
発明を実施するための最良の形態
本発明をより詳細に説述するために、添付の図面に従ってこれを説明する。
実施の形態1.
以下、この発明の実施の形態１を図について説明する。なお、従来装置と同一あるいは相当する部分は同一符号を付けている。図１において、操舵力を補助するためのモータ１はモータ駆動回路２により駆動される。モータ駆動回路２はMOSFET12a〜ｄによるＨ形ブリッジ回路で構成されている。モータ１に流れる電流はモータ電流検出回路３で検出されてマイクロコンピュータ９に入力される。更に、モータ１の端子電圧は、電機子の＋端子、−端子にそれぞれ入力端子が接続されたモータ端子電圧検出回路13P,13Nで検出されマイクロコンピュータ９に入力される。
運転者の操舵力はトルクセンサ７で検出され、検出結果はトルクセンサ入力回路14を介してマイクロコンピュータ９に入力され、状況に応じた最適な操舵補助力を発生させるべくモータ１を制御させる。また、車両の走行速度は車速センサ８で検出され車速センサ入力回路15を介してマイクロコンピュータ９に入力される。モータ駆動回路２の電源電圧は、電源の遮断制御を行う電源リレー16を通してバッテリ10より供給される。モータ駆動回路２の電源電圧VBは電源電圧検出回路17で検出されてマイクロコンピュータ９に入力される。
マイクロコンピュータ９は入力された各検出結果より何らかの故障を判定した場合にアラームランプ18で運転者に警報する。
マイクロコンピュータ９は、各検出回路より入力された信号に基づき故障判定処理、制御演算処理等を行うCPU19、各処理プログラム等が記憶されたROM20、処理結果及び入力データを一時的に記憶するRAM21、プログラムの実行周期の管理等を行うためのタイマ22、モータ電流検出回路３、モータ端子電圧検出回路13P,13N、バッファ14を介してトルクセンサ７の出力値をディジタル化してCPU19に入力するA/D変換器23、CPU19の指示に応じてモータ１を任意のデューティ比で駆動するためのPWMタイマ24、電源リレー16とアラームランプ18への出力をバッファ26を介してCPU19に入力したり、また車速センサ８の出力をバッファ15を介してCPU19に読み込むためのI/Oポート25より構成されている。
次に本実施の形態の動作について説明する。電動パワーステアリングとしての動作は従来装置と同様である。マイクロコンピュータ９は、トルクセンサ７、車速センサ８、モータ電流検出回路３の検出値に応じてモータ１から最適な操舵補助力を発生させるべくモータ駆動回路２に指示を与え、モータ１を駆動する。
続いてモータ端子電圧の動作について説明する。電動パワーステアリング装置では、モータ１に数10（Ａ）の電流を通流する必要があるため、モータ駆動回路２の発熱を抑えるためにモータ１をパルス駆動する。そこで、ここではモータ電流をPWM制御する場合を例にとって説明する。
モータ１を正逆転させるべくモータ駆動回路２を、例えばMOSFETでなるスイッチング素子でＨ形ブリッジ回路を構成してモータ１への印可電圧をPWM制御する場合、一般に図２に示すように、電源側または接地側のいずれか一方のMOSFETをスイッチングし、他方のスイッチング素子を常時オンさせる方法（片側PWM駆動方式）と、図３に示すように、電源側と接地側の両方のMOSFETをスイッチングする方法（両側PWM駆動方式）が知られている。以下、各々の方式について、図に基づいて順次説明する。
図２は、モータ１を片側PWM駆動方式で駆動時のモータ端子電圧の波形を表す動作説明図である。以下、同図に基づき、モータ１の＋端子から−端子方向に電流を通流する場合を例にとって動作を説明する。CPU19が、所定の演算結果に基づいてPWMタイマ24に指示を与え、MOSFET12aをモータ１への所望の印可電圧に基づく所定のデューティ比で、MOSFET12b,cをデューティ比０％で、MOSFET12dをデューティ比100％で駆動すると力行電流が図２に示すI1の経路で電流が流れる。
MOSFET12aをオフしてから次にオンするまでの間に、回生電流が図２に示すI2の経路でモータ１に流れ、電機子の抵抗分等で消費されて０になる場合、すなわちデューティ比が低い場合には、モータ電流は断続的（電流断続モード）に通流される。デューティ比が高い場合には、モータ電流は連続的（電流連続モード）に通流される。
モータ１の回転速度が小さいためにモータ１の逆起電力の影響が無視でき、またMOSFET12のオン抵抗が小さいためにドレイン−ソース間電圧が略０と見なせる場合には、接地電位基準の各モータ端子電圧VM＋、VM−は、図２に示す通り変動する。
順次説明すると、まずVM＋は、MOSFET12aがオンしている期間にはバッテリ10の電圧まで上昇し、VM＋＝VBとなる。MOSFET12aがオフすると、MOSFET12cの寄生ダイオードがオンして環流ダイオードとして作用するために、VM＋＝−VF（VFは寄生ダイオードの順電圧降下）となる。
その後、電流断続モードでは、MOSFET12cの寄生ダイオードはMOSFET12aがオフの期間にオフするため、VM＋は０に漸近する。電流連続モードでは、MOSFET12cの寄生ダイオードはMOSFET12aがオフの期間中オンしており、VM＋＝−VFのまま保持される。一方、VM−は、MOSFET12aのオンオフに拘わらず０となる。
図３は、モータ１を両側PWM駆動方式で駆動時のモータ端子電圧の波形を表す動作説明図である。ここでも、同図に基づき、モータ１の＋端子から−端子方向に電流を通流する場合を例にとって動作を説明する。CPU19が、所定の演算結果に基づいてPWMタイマ24に指示を与え、MOSFET12a,dをモータ１への所望の印可電圧に基づく所定のデューティ比で、MOSFET12b,cをデューティ比Ｏ％で駆動すると、図３に示すI1,I2の経路で電流が流れる。
両側PWM駆動時においても電流断続モードと電流連続モードがあり、各々のモードにおけるVM＋、VM−は、図３に示す通り変動する。順次説明すると、まずVM＋は、MOSFET12a,dがオンしている期問にはVM＋＝VBまで上昇し、MOSFET12a,dがオフすると、MOSFET12b,cの寄生ダイオードがオンして環流ダイオードとして作用するために、VM＋＝−VFとなる。
その後、電流断続モードでは、MOSFET12b,cの寄生ダイオードはMOSFET12a,dがオフの期間にオフするため、VM＋はVB/2に漸近する。電流連続モードでは、MOSFET12b,cの寄生ダイオードはMOSFET12aがオフの期間中オフしており、VM＋＝−VFのまま保持される。
一方、VM−は、MOSFET12a,dがオンの期間にはVM−＝０となり、MOSFET12a,dがオフすると、MOSFET12b,cの寄生ダイオードがオンして環流ダイオードとして作用するために、VM−＝VB−VFとなる。その後、電流断続モードでは、MOSFET12b,cの寄生ダイオードはMOSFET12a,dがオフの期間にオフするため、VM−は約VB/2に漸近する。電流連続モードでは、MOSFET12b,cの寄生ダイオードはMOSFET12aがオフの期間中オンしており、VM−＝VB−VFのまま保持される。
次に、モータ１が回転する場合の動作について説明する。DCモータの等価回路は、電機子抵抗をRa、電機子インダクタンスをLa,逆起電力をveとすると、図４のように表すことができる。ここで、逆起電力veはモータ１の回転速度に比例するので、＋端子から−端子に電流が流れたときの回転方向を正にとって、モータ１の回転速度ωＭと、逆起電力veによって＋端子、−端子に生ずる電圧VM＋,VM−を図示すると、図５となる。
モータ回転時には、モータ駆動回路２による印加電圧に、ここで示した逆起電力veが重畳されるため、マイクロコンピュータ９からの指示電圧とモータ１の端子間電圧は一致しなくなる。特に、モータ１が負荷、すなわちタイヤ側から回される状況下では、たとえ指示電圧が０でもモータ１の各端子には逆起電力分が表れることになる。
一方、モータ線に地絡故障が発生すると、逆起電力が０であり、MOSFET12a〜ｄがすべてオフである場合にはモータ端子電圧VM＋とVM−は図６のように変化する。すなわち、モータ端子電圧検出回路13から所定の抵抗を介して各モータ端子に与えられている電圧をV1とし、t1で地絡故障が発生したとすると、VM＋、VM−とも接地電位まで低下する。
これは、モータ１の抵抗Raが一般に非常に小さく、モータ１の＋端子と−端子のいずれが地絡したとしても＋端子と−端子間の電圧降下は無視することができることによる。
また、モータ線に天絡故障が発生すると図７のように変化する。すなわち、地絡故障と同様に、モータ１の＋端子と−端子間の電圧降下は無視することができ、VM＋、VM−とも電源電圧VBまで上昇することになる。
以上に示した波形を比較すると、VM＋とVM−は、天絡または地絡故障の場合には同相に変化しており、逆起電力が発生している場合には逆相に変化していることがわかる。すなわち、VM＋とVM−がともに所定値以上、またはともに所定値以下となる場合に故障と判定すれば、逆起電力によるモータ端子電圧の変化と、天絡または地絡故障によるモータ端子電圧の変化を区別することができ、逆起電力による故障の誤検出を防ぐことができる。
以下、本実施の形態におけるモータ端子電圧検出回路13P,13Nの動作について説明する。モータ端子電圧検出回路13のviとvoの間で、下式が成り立つ。

とする。
（１）式を見ると、voは、viすなわちモータ１の端子電圧を（R1・R2）／（R1・R2＋R2・R3＋R3・R1）に分圧して（R2・R3・Vcc）/R1・R2＋R2・R3＋R3・R1）に加え、時定数τ＝｛（R1・R2・R3）／（R1・R2＋R2/R3＋R3・R1）｝・Ｃの一次遅れを付加したものであることがわかる。
ここで、モータ１はパルス駆動されるため、モータ端子電圧には高周波の雑音が重畳されている。本実施の形態のようにモータ端子電圧に一次遅れ、すなわち抵抗R1,R2,R3,Cで構成される低域通過フィルタを通してマイクロコンピュータ９に入力することで、上記雑音による故障の誤検出を防ぐことが可能となる。
また、モータ１の端子電圧に一定電圧（Vcc・（R1/R2））を加えておくことで、MOSFET12a〜ｄがすべてオフでモータ１が地絡故障した場合に端子電圧の変化として検出することが可能となる。
さらに、ROM20に実装された故障検出プログラムの動作について、図８のフローチャートに基づいて説明する。なお、図８の処理は、タイマ22により一定時間毎に呼び出されるものとする。
ステップS1において、トルクセンサ７、車速センサ８、モータ電流検出回路３等の信号に基づいて、モータ１を駆動するデューティ比を演算する。
次に、ステップS2〜ステップS4において、故障判定を禁止する。まず、MOSFET12の寄生ダイオードが逆バイアスされていないと、MOSFET12がオフしていても寄生ダイオードが導通し、モータ端子電圧VM＋,VM−がモータ１の配線の天絡または地絡故障と同様の挙動をする恐れがあるため、モータ駆動回路２の電源電圧VBが所定値以下の場合には故障判定を禁止する必要がある。
そこで、ステップS2において、電源電圧検出回路17によって検出されたモータ駆動回路２の電源電圧が所定値VBTH以下であるかを調べ、（電源電圧）≦VBTHの場合にはステップS3で故障継続時間計測用のカウンタをクリアする。なお、このカウンタは、CPU19がパワーオンリセットされた後、０に初期化されているものとする。また、モータ１を駆動中には、本実施の形態における故障判定条件である、VM＋とVM−がともに所定値以上、あるいはともに所定値以下となるため、故障判定を禁止する必要がある。たとえば、図２を見ると、片側PWM駆動方式の場合には、MOSFET12aがオフの期間にVM＋とVM−がともに接地電位あるいはそれ以下となっている。図３を見ると、両側PWM駆動方式の電流断続モードでは、MOSFET12a,dがオフの期間にVM＋とVM−がともにVB/2近傍まで上昇している。
これらの電圧変化は、回生電流I2の影響であるから、モータ１の駆動を停止し、少なくとも回生電流が消費されるに＋分な時間が経過した後、故障を判定するようにすればよい。そこで、ステップS4において、MOSFET12a〜ｄが所定時間以上すべてオフでるかを調べ、いずれかがオンの場合にはステップS3で故障継続時間計測用のカウンタをクリアする。また、後述するステップS13では、目標電流が０の場合には、MOSFET12a〜ｄをすべてオフするものとする。
続いて、ステップS5〜ステップS11において故障判定を行う。まず、ステップS5において、VM＋、VM−がともに所定値VTHH以上であるかを調べ、VM＋≦VTHHあるいはVM−≦VTHHである場合にはステップS6で天絡故障判定用カウンタをクリアする。
次に、ステップS7において、VM＋、VM−がともに所定値VTHL以下であるかを調べ、VM＋≧VTHLあるいはVM−≧VTHLである場合にはステップS8で地絡故障判定用カウンタをクリアする。
最後にステップS9において、天絡故障判定用カウンタと地絡故障判定用カウンタをともに１増す。このようにカウントアップあるいはクリアされたカウンタが、所定値TTH以上であるか、すなわち天絡または地絡故障が所定時間以上継続しているかをステップS10で調べ、所定値TTHを越えている場合にはステップS11で故障フラグをセットする。
所定値TTHは、雑音等によって単発的に故障条件を満たす場合に故障を後判定することを防ぐに十分長く、大事に至る前に故障を検出するに十分短い時間（例えば数100（ms））に設定しておけぱよい。
なお、この故障フラグは、CPU19がパワーオンリセットされた後、０に初期化され、セットされた後はマイクロコンピュータ９が再びリセットされるまで１を保持するものとする。
以上の如く故障判定された結果に基づき、ステップS12〜ステップS14においてモータ１、電源リレー16、アラームランプ18を駆動する。まず、ステップS12において故障フラグがセットされているかを調べ、０である場合にはステップS13で電動パワーステアリングを正常動作させる。すなわち、モータ１をステップS1で演算されたデューティ比で駆動し、電源リレー16をオンし、アラームランプ18をオフする。
また、故障フラグに１がセットされている場合には、フェールセーフ処理を講ずるべく、ステップS14において、まずMOSFET12をすべてオフする。これにより、モータ１の配線が天絡または地絡故障の場合にMOSFET12を通電して焼損することを防ぐことができる。さらに、電源リレー16をオフする。これにより、MOSFET12の短絡故障の場合においてもモータ駆動回路２に流れる過大な電流を遮断することができる。そして、アラームランプ18をオンし、運転者に警告する。
天絡、地絡といった重大な故障は、故障が発生するとすぐに検出してフェールセーフ処置を講ずるべきであり、電動パワーステアリングの場合にはモータ１がオフの間に故障を検出することが望ましい。乗用車の、通常の使用形態を考えると、走行中の大半は直進であり、パワーステアリングが動作することはなく、モータ１は通電されていない。ゆえに、天絡、地絡故障はモータ駆動回路２がオフの間に検出し、フェールセーフ処置を講ずることが望ましい。
またモータ駆動回路２の焼損を防ぐという見地からも、モータ駆動回路２がオフの間に検出し、フェールセーフ処置を講ずることが望ましいといえる。本実施の形態によれば、モータ１の逆起電力の影響で故障を誤検出することなく、モータ１の配線の天絡または地絡故障あるいはMOSFET12の短絡故障等を、モータ駆動回路２を導通させる前に認識することが可能となる。
実施の形態2.
上記実施の形態１では、モータ１を駆動していない場合に限り故障の検出をしていたが、モータ１を駆動中であっても、モータ駆動回路２の出力するデューティ比が高い場合には逆起電力と区別しながら故障を検出できる。図2,3を見ると、モータ駆動回路２の出力するデューティ比が高い場合には、正常時にはVM＋とVM−の平均電圧の差は＋分大きく、VM＋とVM−が同一方向に変化する天絡、地絡故障の場合と区別できることがわかる。
したがって、モータ１を駆動中でも、モータ駆動回路２の出力するデューティ比が高い場合には、上記実施の形態１と同様に、VM＋とVM−がともに所定値以上、またはともに所定値以下となる場合に故障と判定すればよい。
この場合、モータ端子電圧検出回路13の一次遅れの時定数τを、PWM搬送波の周期に比べて＋分長く、。かつ故障の検出が遅れて危険に至ることがないように設定しておけば、PWMによる矩形波状のモータ端子電圧を平滑し、平均電圧によって故障検出することが可能となる。
一般に、騒音を軽減する目的で、PWMの搬送波周波数は可聴周波数以上（例えば20（kHz））に設定するため、モータ１をパルス駆動中に端子電圧をサンプリングすることは、マイクロコンピュータ９にとって非常に重い負荷となるが、これによってモータ端子電圧をPWM搬送波の周期よりも長い周期（たとえば数（ms））でサンプリングしてもよいことになり、マイクロコンピュータ９の負荷を軽減することができる。
図９は、モータ１に通電中に天絡、地絡故障した場合の動作を説明する図である。同図を参照しながら、MOSFET12aをPWM駆動し、MOSFET12b,cをオフし、MOSFET12dを、片側PWM駆動時にはオン、両側PWM駆動時にはPWM駆動している場合に、モータ駆動回路２の−端子側が天絡故障した場合と、モータ駆動回路２の＋端子側が地絡故障した場合の挙動について説明する。
片側PWM駆動中にモータ駆動回路２の−端子側が天絡故障すると、MOSFET12dに過大な電流が流れ、ドレイン−ソース間の電圧が上昇し、VM−は電源電圧VB付近まで上昇する。
一般に電動パワーステアリングにおいては、モータ電流をフィードバック制御するので、VM＋が上昇してモータ電流が流れなくなると、マイクロコンピュータ９はモータ１の電流を増加させるべく作用し、MOSFET12aを駆動するデューティ比を上げる。すると、モータ駆動回路２の出力デューティ比は100％まで上昇するとともに、VM−も電源電圧VB付近まで上昇する。従って、モータ駆動回路２の出力デューティ比が所定値以上の場合に、VM＋とVM−がともに所定値以上となる場合に天絡故障であると判断すればよいことがわかる。両側PWM駆動時においても、上述の電流フィードバック制御の作用によってMOSFET12dの駆動デューティ比が100％まで上昇するので、片側PWM駆動の場合と同等の動作となる。
一方、片側PWM駆動中にモータ駆動回路２の−端子側が地絡故障すると、VM＋は接地電位となるとともに、MOSFET12aからの電流は地絡した点に流れ込んでモータ１に電流が流れなくなり、上述の電流フィードバック制御の作用によってモータ駆動回路２の出力デューティ比が上昇する。VM−は、MOSFET12dがオンしているために接地電位となっている。
従って、モータ駆動回路２の出力デューティ比が所定値以上の場合に、VM＋とVM−がともに所定値以下となる場合に地絡故障であると判断すればよいことがわかる。両側PWM駆動時においても、上述の電流フィードバック制御の作用によってMOSFET12dの駆動ディーティ比が100％まで上昇するので、片側PWM駆動の場合と同等の動作となる。
本実施の形態においては、VM＋とVM−に所定値以上の電位差がある場合には故障であると認識しないため、図９の如くモータ１を駆動中に＋端子が天絡した場合、または−端子が地絡した場合は、故障を検出することができない。しかし、＋端子の天絡故障の場合には、電流は負荷であるモータ１を介して電流が流れるためにMOSFET12の焼損に至ることは無い上、故障の結果モータ１に電流が過大に流れ、操舵補助力が過大となると、トルクセンサ７による操舵力の検出値が低下し、マイクロコンピュータ９が操舵補助を停止させるべく作用し、すなわちモータ１への通電を停止させるべくMOSFET12をすべてオフさせるので、重大な故障とはなり得ない。また、−端子の地絡故障の場合にも、片側PWM駆動時には正常動作し、両側PWM駆動時には片側PWM駆動と同じ動作となるので、重大な故障とはなり得ない。一方、短絡する部位とモータ電流検出回路３の設置位置との関係によっては、モータ１には電流が流れなくとも、短絡故障によって流れる電流をモータ電流検出回路３が検出し、上述の電流フィードバック制御の作用によってモータ駆動回路２の出力するデューティ比が低下し、故障検出の禁止条件を満たし、故障を検出できなくなることが考えられる。
例えば、図９のＡ点が地絡した場合には、VM＋、VM−ともに接地電位付近まで低下するが、モータ電流検出回路３が電流を検出してモータ駆動回路２の出力するデューティ比が低下するために、故障を検出できない。しかし、電流フィードバック作用によってモータ駆動回路２の出力するデューティ比が低下するということは、MOSFET12が焼損に至ることは無い。また、短絡故障による過大な電流（短絡電流）を捉えて故障を検出することも可能である。
以上のように、MOSFET12も焼損に至るような重大な故障の場合には、モータ駆動回路２の出力デューティ比による故障検出の禁止条件を満たすことはなく、この故障検出の禁止条件を設けることによる故障検出能力の低下は無いと考えてよい。モータ１を駆動中には、図９に示した故障モードを検出できれば＋分であり、駆動中に検出できない故障モードは、実施の形態１で示した方法を併用し、モータ駆動回路２をオフした後に故障を検出すればよい。
さらに、ROM20に実装された故障検出プログラムの動作について、図10のフローチャートに基づいて説明する。実施の形態１の動作を表すフローチャートと、同一あるいは相当するステップには、同一の符号を付す。なお、図10の処理は、一定時間毎に呼び出されるものとする。
ステップS1において、トルクセンサ７、車速センサ８、モータ電流検出回路３等の信号に基づいて、モータ１を駆動するデューティ比を演算する。そして、ステップS2〜ステップS3において、故障判定を禁止する。ここまでは実施の形態１と同一である。
次に、ステップS15において、モータ１を駆動するデューティ比が所定値DTHを越えているかを調べる。駆動デューティ比≦DTHの場合には、ステップS16にて、実施の形態１のステップS4〜ステップS8と同様に、モータ１をオフしている場合の故障検出を行う。駆動デューティ比＞DTHの場合には、ステップS5〜ステップS11において故障判定を行う。最後に、ステップS12〜ステップS14においてモータ１、電源リレー16、アラームランプ18を駆動する。
以上のように、本実施の形態においては、モータ１を駆動中であっても、しかも片側PWM駆動、両側PWM駆動のいずれの駆動方式でも、故障を検出することができる。
実施の形態3.
図２から明かなように、モータ電流が断続モードとなり、VM＋とVM−が同一方向に変化するのは、モータ電流が比較的小さい場合である。ゆえに、実施の形態２において、モータ１の目標電流または検出電流が、所定値以上の場合のみ故障を検出するように構成しても、同様の効果を奏する。
実施の形態4.
モータ１の配線が天絡または地絡故障すると、モータ１の端子間は、MOSFET12の寄生ダイオードを介して短絡される。モータ１は、短絡すると回転速度に比例した制動力を発生する（発電ブレーキ）。したがって、この故障の場合には、速く操舵するにつれて操舵力が増加することになる。ここでは、故障時の発電ブレーキを防止する例を示す。
図11は、本実施の形態の概略構成図である。上記実施の形態１または従来装置と同一あるいは相当する部分は同一符号を付けており、その説明は省略する。図において、27はステアリングホイール、28はタイヤ、29はモータ１の出力トルクを操舵系に伝達する減速器、30はモータ駆動回路２とモータ１が成す閉回路中に挿入されたモータリレー、31は電動パワーステアリングのコントロールユニットであり、図１と同じ回路構成を有する。
次に動作について説明する。正常時には、コントロールユニット31は、トルクセンサ７が検出した操舵トルクと、車速信号に応じて、運転者が適切な操舵力でステアリングホイール27の操作ができるようにモータ１からトルクを発生させており、モータ１の出力トルクは、減速器29を介して操舵系に伝達されている。
また、モータ１の故障を、実施の形態１〜３に示した方法で検出し、モータ１の駆動を禁止し、コントロールユニット31に内蔵された電源リレー16を開き、アラームランプ18で運転者に警報する。さらに上記フェールセーフ処置に加えて、モータ駆動回路２とモータ１が成す閉回路中にモータリレー30を設け、故障検出時にはモータリレー30を開き、モータ１が故障時の発電ブレーキを防止する。
以上のフェールセーフ処置は、コントロールユニット31内のマイクロコンピュータ９が再びリセットされるまで保持する。
モータリレー30はコントロールユニット31内に設けても良いが、本実施の形態の如くモータ１とモータリレー30を一体化しておけば、モータ１とコントロールユニット31間の配線の短絡故障によるモータ１の発電ブレーキをも防止することができる。
実施の形態5.
実施の形態４において、モータリレー30を、従来装置のようにクラッチ５としても、同様の効果を奏することは言うまでもない。
実施の形態6.
なお、ここではDCモータを用いた電動パワーステアリング装置による実施の形態のみを示したが、DCモータのかわりにDCブラシレスモータを用いた場合においても、各相電圧の監視回路を設けることによって同じ手法で故障を検出することができ、同様の効果を奏する。
産業上の利用可能性
以上のように、本発明に係る電動パワーステアリング装置は、操舵トルク等に基づいてモータで操舵力を補助すると共に、モータの各端子電圧が所定値以上、または所定値以下となる場合に故障を判定することで、モータの逆起電力の影響で故障を誤検出することなくモータ配線の天絡または地絡故障を検出するのに適している。

Claims

検出操舵トルク等に基づいて操舵力を補助するモータ、このモータを駆動制御するモータ駆動制御手段と、前記モータの各端子電圧が、ともに第１の所定値以上、または、ともに第２の所定値以下となる場合に故障と判定する故障判定手段とを備えることを特徴とする電動パワーステアリング装置。
故障判定手段は、パルス駆動されたモータの端子に現れる矩形波状の端子電圧を平滑することによりモータ端子の平均電圧を検出するモータ端子平均電圧監視部を備え、各モータ端子平均電圧が所定値を逸脱する場合に故障と判定する請求項１に記載の電動パワーステアリング装置。
故障判定手段は、モータ端子電圧に所定の電圧を加算するモータ端子電圧監視部を備え、モータの地絡故障の特定を可能としたことを特徴とする請求項１に記載の電動パワーステアリング装置。
モータを、少なくとも所定時間以上駆動していない場合に限り、モータ端子電圧に基づく故障検出を行うことを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の電動パワーステアリング装置。
モータを駆動し、モータへの印可電圧が所定値以下の場合には、モータ端子電圧に基づく故障検出を行わないことを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の電動パワーステアリング装置。
モータを駆動し、モータ電流が所定値以下の場合には、モータ端子電圧に基づく故障検出を行わないことを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の電動パワーステアリング装置。
モータ駆動制御手段の電源電圧が所定範囲内にある場合に限り、モータ端子電圧に基づく故障検出を行うことを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の電動パワーステアリング装置。
故障と判定した場合には、モータの駆動を中止する請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載の電動パワーステアリング装置。
故障と判定した場合には運転者に警報する警報装置を備えたことを特徴とする請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載の電動パワーステアリング装置。
モータ駆動制御手段と電源または接地との間にスイッチ手段を備え、故障と判定した場合には前記電源または接地と前記モータ駆動制御手段とを遮断することを特徴とする請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載の電動パワーステアリング装置。
モータ駆動制御手段と負荷が成す閉回路中にスイッチ手段を備え、故障と判定した場合には前記スイッチ手段を開くことを特徴とする請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載の電動パワーステアリング装置。
モータと操舵系の間に駆動連結するクラッチ手段を備え、故障と判定した場合には前記クラッチ手段によってモータを操舵系から機械的に切り離すことを特徴とする請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載の電動パワーステアリング装置。