JP3777372B2 - 電動パワーステアリング装置の故障検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、バッテリおよび操舵用のモータ間に配置されて該モータを正逆転駆動するＨブリッジ回路と、バッテリおよびＨブリッジ回路間に配置されたパワーリレーと、Ｈブリッジ回路およびモータ間に配置されてパワーリレーと連動して開閉するフェイルセーフリレーとを備えた電動パワーステアリング装置の故障検出装置に関する。

電動パワーステアリング装置のモータを、４個のスイッチング素子を備えたＨブリッジ回路を介して駆動するものが、下記特許文献１により公知である。Ｈブリッジ回路は、その４個のスイッチング素子のうち、第１の対角位置にある２個のスイッチング素子をＯＮすることによりモータを正転駆動し、第２の対角位置にある２個のスイッチング素子をＯＮすることによりモータを逆転駆動することができる。

ところで、バッテリとＨブリッジ回路との間には、バッテリからＨブリッジ回路への電力の供給をＯＮ／ＯＦＦするパワーリレーが配置されており、またＨブリッジ回路とモータとの間には、異常時にモータを停止させるフェイルセーフリレーが配置されている。従来、パワーリレーおよびフェイルセーフリレーが独立してＯＮ／ＯＦＦできるものでは、以下のようにしてフェイルセーフリレーのＯＮ故障を検出していた。

即ち、図４において、パワーリレー４３をＯＮしてフェイルセーフリレー４７をＯＦＦした状態で、例えば第３スイッチング素子４６ｃをＯＮすると、フェイルセーフリレー４７が正常にＯＦＦしていれば、電圧ＶＭＮだけがバッテリ電圧まで上昇する。しかしながら、フェイルセーフリレー４７がＯＮ故障していると、電圧ＶＭＮおよび電圧ＶＭＰの両方がバッテリ電圧まで上昇する現象が発生する。また第４スイッチング素子４６ｄをＯＮすると、フェイルセーフリレー４７が正常にＯＦＦしていれば、電圧ＶＭＰだけがバッテリ電圧まで上昇する。しかしながら、フェイルセーフリレー４７がＯＮ故障していると、電圧ＶＭＰおよび電圧ＶＭＮの両方がバッテリ電圧まで上昇する現象が発生する。従って、上記現象を利用してフェイルセーフリレー４７のＯＮ故障を検出することが可能であった。
特開２０００−１９０８６１号公報

しかしながら、コストの低減やリレー駆動回路の故障率の低減のためにパワーリレーおよびフェイルセーフリレーが連動してＯＮする構造のものでは、パワーリレーをＯＮしてフェイルセーフリレーをＯＦＦすることができないため、上述したフェイルセーフリレーのＯＮ故障を検出できないという問題があった。

本発明は、前述の事情に鑑みてなされたもので、電動パワーステアリング装置のモータを駆動するＨブリッジ回路のフェイルセーフリレーのＯＮ故障を検出できるようにすることを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載された発明によれば、バッテリおよび操舵用のモータ間に配置されて該モータを正逆転駆動するＨブリッジ回路と、バッテリおよびＨブリッジ回路間に配置されたパワーリレーと、Ｈブリッジ回路およびモータ間に配置されてパワーリレーと連動してＯＮ／ＯＦＦするフェイルセーフリレーとを備えた電動パワーステアリング装置の故障検出装置であって、Ｈブリッジ回路は、バッテリのプラス極に接続する高圧端子と、バッテリのマイナス極に接続する低圧端子と、モータに接続する第１、第２出力端子と、低圧端子および第１出力端子を接続する第１スイッチング素子と、低圧端子および第２出力端子を接続する第２スイッチング素子と、高圧端子および第１出力端子を接続する第３スイッチング素子と、高圧端子および第２出力端子を接続する第４スイッチング素子とで構成され、第１、第２出力端子に所定のプルアップ電圧が印加されたものにおいて、パワーリレーおよびフェイルセーフリレーをＯＦＦした状態で、第１スイッチング素子および第２スイッチング素子の何れか一方をＯＮしたときに、第１出力端子の電圧および第２出力端子の電圧の両方が前記プルアップ電圧から低下した場合に、フェイルセーフリレーのＯＮ故障を判定することを特徴とする、電動パワーステアリング装置の故障検出装置が提案される。

請求項１の構成によれば、パワーリレーおよびフェイルセーフリレーをＯＦＦした状態で第１スイッチング素子ＯＮしたとき、フェイルセーフリレーがＯＮ故障していると、本来プルアップ電圧に保持されるはずの第２出力端子の電圧が低圧端子に短絡した第１出力端子と同じ電圧まで減少し、あるいはパワーリレーおよびフェイルセーフリレーをＯＦＦした状態で第２スイッチング素子ＯＮしたときに、フェイルセーフリレーがＯＮ故障していると、本来プルアップ電圧に保持されるはずの第１出力端子の電圧が低圧端子に短絡した第２出力端子と同じ電圧まで減少することにより、フェイルセーフリレーのＯＮ故障を確実に判定することができる。

以下、本発明の実施の形態を、添付の図面に示した本発明の実施例に基づいて説明する。

図１〜図９は本発明の一実施例を示すもので、図１は電動パワーステアリング装置の全体斜視図、図２は図１の２−２線拡大断面図、図３は図２の３−３線断面図、図４はモータの駆動回路を示す図、図５はモータの正転時および逆転時の作用説明図、図６はフェイルセーフリレーの正常時の作用説明図、図７はフェイルセーフリレーの故障時の作用説明図、図８はフェイルセーフリレーの故障検出の作用を説明するフローチャートの第１分図、図９はフェイルセーフリレーの故障検出の作用を説明するフローチャートの第２分図である。

図１に示すように、ステアリングハンドル１１と一体に回転する上部ステアリングシャフト１２は、上部ユニバーサルジョイント１３、下部ステアリングシャフト１４および下部ユニバーサルジョイント１５を介して、減速機１６から上方に突出するピニオンシャフト１７に接続される。減速機１６の下端に接続されたステアリングギヤボックス１８の左右両端から突出するタイロッド１９，１９が、左右の車輪ＷＬ，ＷＲの図示せぬナックルに接続される。減速機１６にはモータＭが支持されており、このモータＭの作動が、減速機１６の内部に収納した操舵トルクセンサＳｔからの信号が入力される電子制御ユニットＵにより制御される。

図２および図３に示すように、減速機１６はステアリングギヤボックス１８と一体の下部ケース２１と、その上面にボルト２２…で結合された中間ケース２３と、その上面にボルト２４…で結合された上部ケース２５とを備えており、ステアリングギヤボックス１８および上部ケース２５にボールベアリング２６，２７で前記ピニオンシャフト１７が回転自在に支持される。ピニオンシャフト１７の下端に設けられたピニオン２８が、ステアリングギヤボックス１８の内部に左右移動自在に支持したラックバー２９に設けられたラック３０に噛合する。ステアリングギヤボックス１８に形成した貫通孔１８ａに押圧部材３１が摺動自在に収納されており、貫通孔１８ａを閉塞するナット部材３２との間に配置したスプリング３３で押圧部材３１をラックバー２９の背面に向けて付勢することで、ラックバー２９の撓みが抑制される。

減速機１６の内部に延びるモータＭの回転軸３４は、一対のボールベアリング３５，３６で下部ケース２１に回転自在に支持されており、モータＭの回転軸３４に設けられたウオーム３７が、ピニオンシャフト１７に固定されたウオームホイール３８に噛合する。

従って、モータＭを駆動すると回転軸３４のトルクがウオーム３７およびウオームホイール３８を介してピニオンシャフト１７に伝達され、ドライバーのステアリング操作がモータＭによってアシストされる。

図４には、電子制御ユニットＵからの指令でモータＭを駆動するモータ駆動回路Ｃが示される。モータ駆動回路ＣはＨブリッジ回路４１を備えており、その高圧端子ＴＨはシャント抵抗４２、パワーリレー４３およびチョークコイル４４を介して車載の１２Ｖのバッテリ４５のプラス極４５ａに接続され、その低圧端子ＴＬは接地されてバッテリ４５のマイナス極４５ｂに接続される。Ｈブリッジ回路４１の第１出力端子ＴＭ１および第２出力端子ＴＭ２はモータＭに接続されており、低圧端子ＴＬおよび第１出力端子ＴＭ１が第１スイッチング素子４６ａで接続され、低圧端子ＴＬおよび第２出力端子ＴＭ２が第２スイッチング素子４６ｂで接続され、高圧端子ＴＨおよび第１出力端子ＴＭ１が第３スイッチング素子４６ｃで接続され、高圧端子ＴＨおよび第２出力端子ＴＭ２が第４スイッチング素子４６ｄで接続される。第１〜第４スイッチング素子４６ａ〜４６ｄは、例えば電界効果トラジスタ（ＦＥＴ）で構成される。第１出力端子ＴＭ１および第２出力端子ＴＭ２の何れか一方（実施例では第１出力端子ＴＭ１）とモータＭとの間に、フェイルセーフリレー４７が配置される。

バッテリ４５からＨブリッジ回路４１への電力の供給をＯＮ／ＯＦＦするパワーリレー４３と、異常時にモータＭを停止させるフェイルセーフリレー４７とは、電子制御ユニットＵにより制御される共通のリレー駆動回路４８に接続されており、パワーリレー４３およびフェイルセーフリレー４７は連動してＯＮ／ＯＦＦする。即ち、パワーリレー４３がＯＮするとフェイルセーフリレー４７もＯＮし、パワーリレー４３がＯＦＦするとフェイルセーフリレー４７もＯＦＦし、これによりコストの低減およびリレー駆動回路４８の故障率の低減が図られる。

パワーリレー４３およびＨブリッジ回路４１間に配置されたシャント抵抗４２はモータ電流検出回路４９に接続されており、電子制御ユニットＵに接続されたモータ電流検出回路４９は、シャント抵抗４２の両端の電位差とシャント抵抗４２の抵抗値とに基づいて、バッテリ４５からＨブリッジ回路４１に供給される電流を検出する。

第１出力端子ＴＭ１の電位ＶＭＮおよび第２出力端子ＴＭ２の電位ＶＭＰ、つまりモータＭの両端子の電位は、電子制御ユニットＵに接続されたモータ端子電圧検出回路５０により検出される。モータＭが作動していないとき、第１出力端子ＴＭ１の電位ＶＭＮおよび第２出力端子ＴＭ２の電位ＶＭＰはバッテリ４５により２Ｖ〜３Ｖにプルアップされている。

Ｈブリッジ回路４１の第１〜第４スイッチング素子４６ａ〜４６ｄは、電子制御ユニットＵに接続されたスイッチング素子駆動回路５１によりデューティ制御される。即ち、図５（Ａ）に示すように、対角位置にある第１スイッチング素子４６ａおよび第４スイッチング素子４６ｄがＯＮすると、第１出力端子ＴＭ１が低圧端子ＴＬに接続されて０Ｖになり、第２出力端子ＴＭ２が高圧端子ＴＨに接続されて１２Ｖになることで、モータＭが正転する。このとき、第１スイッチング素子４６ａおよび第４スイッチング素子４６ｄの何れか一方のデューティ比を制御することで、モータＭに流れる電流を制御することができる。

また図５（Ｂ）に示すように、他の対角位置にある第２スイッチング素子４６ｂおよび第３スイッチング素子４６ｃがＯＮすると、第２出力端子ＴＭ２が低圧端子ＴＬに接続されて０Ｖになり、第１出力端子ＴＭ１が高圧端子ＴＨに接続されて１２Ｖになることで、モータＭが逆転する。このとき、第２スイッチング素子４６ｂおよび第３スイッチング素子４６ｃの何れか一方のデューティ比を制御することで、モータＭに流れる電流を制御することができる。

電子制御ユニットＵとスイッチング素子駆動回路５１との間に配置されたモータ駆動禁止回路５２は、操舵トルク検出手段Ｓｔで検出した操舵トルクの方向と逆方向にモータＭが駆動されないように監視しており、逆方向にモータＭが駆動される状態が所定時間継続すると、モータ駆動禁止回路５２はスイッチング素子駆動回路５１を介してモータ駆動禁止信号を出力する。

次に、フェイルセーフリレー４７のＯＮ故障の検出について説明する。この故障検出は、例えばドライバーがイグニッションスイッチをＯＮしたときに、イニシャルチェックの一環として行われる。

連動してＯＮ／ＯＦＦするパワーリレー４３およびフェイルセーフリレー４７を共にＯＦＦした状態でも、第１出力端子ＴＭ１および第２出力端子ＴＭ２にはプルアップ電圧が印加されている。この状態から、図６（Ａ）に示すように、第１スイッチング素子４６ａをＯＮすると、第１出力端子ＴＭ１が低圧端子ＴＬを介して接地されて電圧がプルアップ電圧から０Ｖに低下する。また図６（Ｂ）に示すように、第２スイッチング素子４６ｂをＯＮすると、第２出力端子ＴＭ２が低圧端子ＴＬを介して接地されて電圧がプルアップ電圧から０Ｖに低下する。

それに対し、フェイルセーフリレー４７がＯＮ故障していると第１出力端子ＴＭ１および第２出力端子ＴＭ２がモータＭおよびフェイルセーフリレー４７を介して接続されるため、図７（Ａ）に示すように、第１スイッチング素子４６ａをＯＮすると、第１出力端子ＴＭ１および第２出力端子ＴＭ２が共に低圧端子ＴＬを介して接地されて電圧がプルアップ電圧から０Ｖに低下する。また図７（Ｂ）に示すように、第２スイッチング素子４６ｂをＯＮすると、第２出力端子ＴＭ２および第１出力端子ＴＭ１が共に低圧端子ＴＬを介して接地されて電圧がプルアップ電圧から０Ｖに低下する。

フェイルセーフリレー４７のＯＮ故障の検出は上述した現象を利用して行われる。以下、その詳細を図８および図９のフローチャートに基づいて説明する。

パワーリレー４３およびフェイルセーフリレー４７を共にＯＦＦした状態で、先ずステップＳ１ｂで第２スイッチング素子４６ｂをデューティ比１００％でＯＮする。その結果、ステップＳ２ｂで本来変化しないはずの第１出力端子ＴＭ１の電圧ＶＭＮが閾値である１Ｖ未満に低下すれば（つまり接地電圧に低下すれば）、ステップＳ３ｂで故障カウンタＦＳＲＮＧＣをインクリメントし、ステップＳ４ｂで故障カウンタＦＳＲＮＧＣが２０ｍｓｅｃ以上になれば、ステップＳ５ｂで第１出力端子異常フラグＦ ＦＳＲＮ＝１（異常）にセットする。

一方、前記ステップＳ２ｂで第１出力端子ＴＭ１の電圧ＶＭＮが閾値である１Ｖ以上であり（つまりプルアップ電圧のままであり）、かつステップＳ６ｂでモータ駆動禁止回路５２がモータＭの左方向の駆動を禁止していなければ、つまり第２スイッチング素子４６ｂおよび第３スイッチング素子４６ｃがＯＮすることを禁止していなければ、ステップＳ７ｂで正常カウンタＦＳＲＯＫＣをインクリメントし、ステップＳ８ｂで正常カウンタＦＳＲＯＫＣが閾値である１０ｍｓｅｃ以上になれば、ステップＳ９ｂで第１出力端子異常フラグＦ ＦＳＲＮ＝０（正常）にセットする。

また前記ステップＳ６ｂでモータ駆動禁止回路５２がモータＭの左方向の駆動を禁止していれば、つまり第２スイッチング素子４６ｂおよび第３スイッチング素子４６ｃがＯＮすることを禁止していれば、ステップＳ１０ｂで故障検出禁止カウンタＦＳＲＣＬＣをインクリメントし、ステップＳ１１ｂで故障検出禁止カウンタＦＳＲＣＬＣが２０ｍｓｅｃ以上になれば、前記ステップＳ９ｂで第１出力端子異常フラグＦ ＦＳＲＮ＝０（正常）にセットする。そしてステップＳ１２ｂで第２スイッチング素子４６ｂをＯＦＦして前半の処理を終了する。

前記ステップＳ６ｂ，Ｓ１０ｂ，Ｓ１１ｂの意味するところは以下のとおりである。即ち、フェイルセーフリレー４７のＯＮ故障を検出すべく前記ステップＳ１ｂで第２スイッチング素子４６ｂをＯＮしようとしても、モータ駆動禁止回路５２が作動していて第２スイッチング素子４６ｂがＯＮしない場合には、フェイルセーフリレー４７のＯＮ／ＯＦＦに関わらずに前記ステップＳ２ｂで第１出力端子ＴＭ１の電圧ＶＭＮが閾値である１Ｖ以上になるため、フェイルセーフリレー４７のＯＮ故障が検出できないことになる。この場合、前記ステップＳ１１ｂで２０ｍｓｅｃが経過するのを待っても依然としてモータ駆動禁止回路５２が作動していれば、チェック時間の節約のために、フェイルセーフリレー４７が正常であると見なしてステップＳ９ａに移行する。

続くステップＳ１ａで第１スイッチング素子４６ａをデューティ比１００％でＯＮする。その結果、ステップＳ２ａで本来変化しないはずの第２出力端子ＴＭ２の電圧ＶＭＰが閾値である１Ｖ未満に低下すれば（つまり接地電圧に低下すれば）、ステップＳ３ａで故障カウンタＦＳＲＮＧＣをインクリメントし、ステップＳ４ａで故障カウンタＦＳＲＮＧＣが２０ｍｓｅｃ以上になれば、ステップＳ５ａで第２出力端子異常フラグＦ ＦＳＲＰ＝１（異常）にセットする。

一方、前記ステップＳ２ａで第２出力端子ＴＭ２の電圧ＶＭＰが閾値である１Ｖ以上であり（つまりプルアップ電圧のままであり）、かつステップＳ６ａでモータ駆動禁止回路５２がモータＭの右方向の駆動を禁止していなければ、つまり第１スイッチング素子４６ａおよび第４スイッチング素子４６ｄがＯＮすることを禁止していなければ、ステップＳ７ａで正常カウンタＦＳＲＯＫＣをインクリメントし、ステップＳ８ａで正常カウンタＦＳＲＯＫＣが閾値である１０ｍｓｅｃ以上になれば、ステップＳ９ａで第２出力端子異常フラグＦ ＦＳＲＰ＝０（正常）にセットする。

また前記ステップＳ６ａでモータ駆動禁止回路５２がモータＭの右方向の駆動を禁止していれば、つまり第１スイッチング素子４６ａおよび第４スイッチング素子４６ｄがＯＮすることを禁止していれば、ステップＳ１０ａで故障検出禁止カウンタＦＳＲＣＬＣをインクリメントし、ステップＳ１１ａで故障検出禁止カウンタＦＳＲＣＬＣが２０ｍｓｅｃ以上になれば、前記ステップＳ９ａで第２出力端子異常フラグＦ ＦＳＲＰ＝０（正常）にセットする。そしてステップＳ１２ａで第１スイッチング素子４６ａをＯＦＦして後半の処理を終了する。

前記ステップＳ６ａ，Ｓ１０ａ，Ｓ１１ａの意味するところは以下のとおりである。即ち、フェイルセーフリレー４７のＯＮ故障を検出すべく前記ステップＳ１ａで第１スイッチング素子４６ａをＯＮしようとしても、モータ駆動禁止回路５２が作動していて第１スイッチング素子４６ａがＯＮしない場合には、フェイルセーフリレー４７のＯＮ／ＯＦＦに関わらずに前記ステップＳ２ａで第２出力端子ＴＭ２の電圧ＶＭＰが閾値である１Ｖ以上になるため、フェイルセーフリレー４７のＯＮ故障が検出できないことになる。この場合、前記ステップＳ１１ａで２０ｍｓｅｃが経過するのを待っても依然としてモータ駆動禁止回路５２が作動していれば、チェック時間の節約のために、フェイルセーフリレー４７が正常であると見なしてステップＳ９ａに移行する。

そしてステップＳ１３で第２出力端子異常フラグＦ ＦＳＲＰ＝１であるか、あるいはステップＳ１４で第１出力端子異常フラグＦ ＦＳＲＮ＝１であれば、ステップＳ１５でフェイルセーフリレー４７のＯＮ故障を確定する。

以上のように、フェイルセーフリレー４７がＯＮ故障した状態で第１スイッチング素子４６ａをＯＮすると、本来プルアップ電圧に保持されるはずの第２出力端子ＴＭ２の電圧ＶＭＰが低圧端子ＴＬに短絡した第１出力端子ＴＭ１と同じ電圧まで減少し、あるいはフェイルセーフリレー４７がＯＮ故障した状態で第２スイッチング素子４６ｂをＯＮすると、本来プルアップ電圧に保持されるはずの第１出力端子ＴＭ１の電圧ＶＭＮが低圧端子ＴＬに短絡した第２出力端子ＴＭ２と同じ電圧まで減少することにより、フェイルセーフリレー４７のＯＮ故障を確実に判定することができる。

以上、本発明の実施例を説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明を逸脱することなく種々の設計変更を行うことが可能である。

例えば、第１〜第４スイッチング素子４６ａ〜４６ｄは電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）に限定されず、絶縁ゲート・バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）等の他種のスイッチング素子であっても良い。

また本発明は３相交流モータの駆動回路にも適用することができる。

電動パワーステアリング装置の全体斜視図 図１の２−２線拡大断面図 図２の３−３線断面図 モータの駆動回路を示す図 モータの正転時および逆転時の作用説明図 フェイルセーフリレーの正常時の作用説明図 フェイルセーフリレーの故障時の作用説明図 フェイルセーフリレーの故障検出の作用を説明するフローチャートの第１分図 フェイルセーフリレーの故障検出の作用を説明するフローチャートの第２分図

符号の説明

４１ Ｈブリッジ回路
４３ パワーリレー
４５ バッテリ
４５ａ プラス極
４５ｂ マイナス極
４６ａ 第１スイッチング素子
４６ｂ 第２スイッチング素子
４６ｃ 第３スイッチング素子
４６ｄ 第４スイッチング素子
４７ フェイルセーフリレー
Ｍ モータ
ＴＬ 低圧端子
ＴＨ 高圧端子
ＴＭ１ 第１出力端子
ＴＭ２ 第２出力端子

Claims (1)

1. バッテリ（４５）および操舵用のモータ（Ｍ）間に配置されて該モータ（Ｍ）を正逆転駆動するＨブリッジ回路（４１）と、バッテリ（４５）およびＨブリッジ回路（４１）間に配置されたパワーリレー（４３）と、Ｈブリッジ回路（４１）およびモータ（Ｍ）間に配置されてパワーリレー（４３）と連動してＯＮ／ＯＦＦするフェイルセーフリレー（４７）とを備えた電動パワーステアリング装置の故障検出装置であって、
   Ｈブリッジ回路（４１）は、バッテリ（４５）のプラス極（４５ａ）に接続する高圧端子（ＴＨ）と、バッテリ（４５）のマイナス極（４５ｂ）に接続する低圧端子（ＴＬ）と、モータ（Ｍ）に接続する第１、第２出力端子（ＴＭ１，ＴＭ２）と、低圧端子（ＴＬ）および第１出力端子（ＴＭ１）を接続する第１スイッチング素子（４６ａ）と、低圧端子（ＴＬ）および第２出力端子（ＴＭ２）を接続する第２スイッチング素子（４６ｂ）と、高圧端子（ＴＨ）および第１出力端子（ＴＭ１）を接続する第３スイッチング素子（４６ｃ）と、高圧端子（ＴＨ）および第２出力端子（ＴＭ２）を接続する第４スイッチング素子（４６ｄ）とで構成され、第１、第２出力端子（ＴＭ１，ＴＭ２）に所定のプルアップ電圧が印加されたものにおいて、
   パワーリレー（４３）およびフェイルセーフリレー（４７）をＯＦＦした状態で、第１スイッチング素子（４６ａ）および第２スイッチング素子（４６ｂ）の何れか一方をＯＮしたときに、第１出力端子（ＴＭ１）の電圧および第２出力端子（ＴＭ２）の電圧の両方が前記プルアップ電圧から低下した場合に、フェイルセーフリレー（４７）のＯＮ故障を判定することを特徴とする、電動パワーステアリング装置の故障検出装置。
   

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