JP3881972B2 - 電動パワーステアリング装置における故障検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、ドライバーがステアリングハンドルに入力する操舵トルクを検出する操舵トルク検出手段と、ドライバーのステアリング操作をアシストするモータと、モータに供給される実電流を検出するモータ電流検出手段と、少なくとも操舵トルクに基づいて決定した目標電流にモータ電流検出手段が検出した実電流が一致するようにフィードバック制御する制御手段とを備えた電動パワーステアリング装置における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。このときモータに供給される実電流がモータ電流検出手段により検出され、この実電流が目標電流に一致するようにフィードバック制御が行われる。

ところで、モータ電流検出手段の出力が一定値に張り付いてしまう固着故障が発生すると、実電流が変動してもモータ電流検出手段の出力が変動しないため、モータの電流フィードバック制御が的確に行われなくなってステアリングハンドルが振動したり、操舵トルクの抜け感が発生したりしてドライバーに違和感を与える問題がある。

即ち、検出された実電流が目標電流よりも低い値で固着してしまうと、制御手段は実電流を増加させて目標電流に一致させるべくデューティ比を増加させるが、固着した実電流は一向に増加しないために制御手段はデューティ比を更に増加させるため、実際にモータに供給される電流が目標電流を上回ってモータによる過剰なアシストが行われ、操舵トルクセンサにより本来の方向と逆方向に操舵トルクが検出されてしまう。目標電流の正負は操舵トルクの方向によって決まるので、操舵トルクの方向が逆になると目標電流の符号も逆になり、制御手段は実電流を増加させて新たな目標電流に一致させるべくモータを逆方向に駆動するが、固着した実電流は応答しないために実際にモータに供給される電流が再度目標電流を上回ってしまい、これを繰り返すことでステアリングハンドルが振動することになる。

そこで従来は、目標電流に対する実電流の偏差が閾値を超えた場合に電流フィードバック制御が適切に行われていないと判断し、モータ電流検出手段の固着故障を判定する手法が採用されていた。またモータ電流検出手段が正常であっても前記偏差が短時間だけ閾値を超えることがあるため、偏差が閾値を超える状態が所定時間継続したときにモータ電流検出手段の故障を確定する手法も知られている。
特開２０００−１９０８６１号公報

ところで、従来の目標電流に対する実電流の偏差が閾値を超える状態が所定時間継続したときにモータ電流検出手段の故障を確定するものでは、モータ電流検出手段の固着故障によりモータの回転方向が短い時間間隔で交互に変化するような現象を検出することは困難であり、また検出できても検出に要する時間が長くかかる問題があった。

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電流検出手段の固着故障を確実に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、ドライバーがステアリングハンドルに入力する操舵トルクを検出する操舵トルク検出手段と、ドライバーのステアリング操作をアシストするモータと、モータに供給される実電流を検出するモータ電流検出手段と、少なくとも操舵トルクに基づいて決定した目標電流にモータ電流検出手段が検出した実電流が一致するようにフィードバック制御する制御手段とを備えた電動パワーステアリング装置において、制御手段は、目標電流および実電流の偏差が第１の閾値以上になる時間の第１の積算値が第１の所定時間以上であり、かつ目標電流の絶対値よりも実電流の絶対値の方が大きいときにモータ電流検出手段に固着故障が発生したと判定するとともに、制御手段は、目標電流および実電流の偏差が第１の閾値よりも小さい第２の閾値以下になる時間の第２の積算値が第２の所定時間以上になったときに、前記第１の積算値をリセットすることを特徴とする、電動パワーステアリング装置における故障検出装置が提案される。

尚、実施例のモータ電流検出回路４９は本発明のモータ電流検出手段に対応し、実施例の操舵トルクセンサＳｔは本発明の操舵トルク検出手段に対応し、実施例の電子制御ユニットＵは本発明の制御手段に対応する。

請求項１の構成によれば、モータ電流検出手段が検出した実電流が目標電流に一致するようにフィードバック制御する際に、目標電流および実電流の偏差が第１の閾値以上になる時間の第１の積算値が第１の所定時間以上であり、かつ目標電流の絶対値よりも実電流の絶対値の方が大きいときにモータ電流検出手段に固着故障が発生したと判定するので、前記固着故障に伴う目標電流の振動的な変化を確実に捕らえて短時間で的確な故障判定を下すことができる。また目標電流および実電流の偏差が第１の閾値よりも小さい第２の閾値以下になる時間の第２の積算値が第２の所定時間以上になると前記第１の積算値をリセットするので、モータ電流検出手段が正常でフィードバック制御が適切に行われているときに、モータ電流検出手段が固着故障したと誤判定するのを未然に防止することができる。

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６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は故障検出の作用を説明するフローチャートである。

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。

次に、モータ電流検出回路４９の固着故障の検出手法を、図６のフローチャートに基づいて説明する。

先ず、ステップＳ１で実電流ＩＭ１の絶対値を閾値♯ＤＩＭＩＭ１Ｌと比較し、実電流ＩＭ１の絶対値が閾値♯ＤＩＭＩＭ１Ｌ以上でなければ、ステップＳ２，Ｓ３で後述する故障判定禁止カウンタＣＤＩＭＣ１および故障判定カウンタＣＤＩＭを共にリセットして故障判定を行わない。前記ステップＳ１〜Ｓ３で実電流ＩＭ１の絶対値が小さいときに故障判定を行わないのは、一般的に実電流ＩＭ１が小さい領域では目標電流ＩＴＮに対する実電流ＩＭ１の偏差が大きくなって誤判定を起こし易いからである。

前記ステップＳ１で実電流ＩＭ１の絶対値が閾値♯ＤＩＭＩＭ１Ｌ以上であれば、ステップＳ４で目標電流ＩＴＮおよび実電流ＩＭ１の偏差ＳＴＮＩＭを算出する。このとき、偏差ＳＴＮＩＭは目標電流ＩＴＮの絶対値から実電流ＩＭ１の絶対値を減算した値の絶対値として算出される。その理由は、目標電流ＩＴＮおよび実電流ＩＭ１の符号が逆であるとき、目標電流ＩＴＮから実電流ＩＭ１を減算した値の絶対値として偏差ＳＴＮＩＭを算出すると大きな値になってしまうが、ステップＳ４のように算出することで、偏差ＳＴＮＩＭが必要以上に大きくなって誤判定の原因となるのを防止するためである。

続くステップＳ５で偏差ＳＴＮＩＭが第２の閾値♯ＳＴＮＩＭＬ以下であれば、ステップＳ６で故障判定禁止カウンタＣＤＩＭＣ１をインクリメントし、ステップＳ７で故障判定禁止カウンタＣＤＩＭＣ１が第２の所定時間♯ＣＤＩＭＣ１ＮＧ以上になれば、前記ステップＳ２，Ｓ３に移行して故障判定を禁止する。その理由は、偏差ＳＴＮＩＭが第２の閾値♯ＳＴＮＩＭＬ以下の状態が第２の所定時間♯ＣＤＩＭＣ１ＮＧ以上継続すれば、電流フィードバック制御が適切に行われていてモータ電流検出回路４９が固着故障していないと判断されるからである。

一方、前記ステップＳ５で偏差ＳＴＮＩＭが第２の閾値♯ＳＴＮＩＭＬ以下でなく、ステップＳ８で故障判定禁止カウンタＣＤＩＭＣ１をリセットした場合と、前記ステップＳ７で故障判定禁止カウンタＣＤＩＭＣ１が第２の所定時間♯ＣＤＩＭＣ１ＮＧ以上でない場合とには、ステップＳ９で実電流ＩＭ１の絶対値から目標電流ＩＴＮの絶対値を減算した偏差ＳＩＭＴＮを算出する。ここで算出した偏差ＳＩＭＴＮは前記ステップＳ４で算出した偏差ＳＴＮＩＭとは異なって正値の場合と負値の場合とがあり、正値の場合、つまり実電流ＩＭ１の絶対値の方が目標電流ＩＴＮの絶対値よりも大きい場合に、固着故障が発生した可能性があるとされる。

その第１の理由は、実電流ＩＭ１の絶対値が大きいときの方が、小さいときに比べて、モータＭが不適切な作動をした場合にドライバーに与える違和感が大きくなるためである。また第２の理由は、電動パワーステアリング装置が、操舵トルクセンサＳｔで検出した操舵トルクの方向と、電子制御ユニットＵが出力する操舵指令の方向とが不一致のときに、実電流ＩＭ１の出力を禁止する（実電流ＩＭ１＝０とする）機能を備えている場合、異常状態ではないのに前記ステップＳ９の偏差ＳＩＭＴＮが大きくなって異常状態と誤認されるのを防止するためである。

しかして、ステップＳ１０で偏差ＳＩＭＴＮが前記第２の閾値♯ＳＴＮＩＭＬよりも大きい第１の閾値♯ＳＩＭＴＮＬ以上であれば、ステップＳ１１で故障判定カウンタＣＤＩＭをインクリメントし、ステップＳ１２で故障判定カウンタＣＤＩＭが第１の所定時間♯ＣＤＩＭＮＧ以上になれば、ステップＳ１３でモータ電流検出回路４９の固着故障を確定し、パワーリレー４３およびフェイルセーフリレー４７をＯＦＦしてモータＭの駆動を禁止する。

以上のように、実電流ＩＭ１の絶対値から目標電流ＩＴＮの絶対値を減算した偏差ＳＩＭＴＮが第１の閾値♯ＳＩＭＴＮＬ以上になる時間の積算値が第１の所定時間♯ＣＤＩＭＮＧ以上になると、モータ電流検出回路４９の固着故障を確定するので、その固着故障に伴う目標電流ＩＴＮの振動的な変化を確実に捕らえて短時間で的確な故障判定を下すことができる。しかも前記積算を行っている間に、偏差ＳＴＮＩＭが第２の閾値♯ＳＴＮＩＭＬ以下の状態が第２の所定時間♯ＣＤＩＭＣ１ＮＧ以上継続すると前記積算値をリセットするので、モータ電流検出回路４９が正常でフィードバック制御が適切に行われているときに、モータ電流検出回路４９が固着故障したと誤判定するのを未然に防止することができる。

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、実施例ではステップＳ４で算出する偏差ＳＴＮＩＭの定義と、ステップＳ９で算出する偏差ＳＩＭＴＮの定義とを異ならせているが、それらを一致させても良い。

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 故障検出の作用を説明するフローチャート

符号の説明

１１ ステアリングハンドル
４９ モータ電流検出回路（モータ電流検出手段）
ＩＭ１ 実電流
ＩＴＮ 目標電流
ＣＤＩＭ 第１の積算値
ＣＤＩＭＣ１ 第２の積算値
Ｍ モータ
ＳＩＭＴＮ 目標電流および実電流の偏差
ＳＴＮＩＭ 目標電流および実電流の偏差
Ｓｔ 操舵トルクセンサ（操舵トルク検出手段） Ｕ 電子制御ユニット（制御手段）
♯ＣＤＩＭＮＧ 第１の所定時間
♯ＣＤＩＭＣ１ＮＧ 第２の所定時間
♯ＳＩＭＴＮＬ 第１の所定値
♯ＳＴＮＩＭＬ 第２の所定値

Claims (1)

1. ドライバーがステアリングハンドル（１１）に入力する操舵トルクを検出する操舵トルク検出手段（Ｓｔ）と、ドライバーのステアリング操作をアシストするモータ（Ｍ）と、モータ（Ｍ）に供給される実電流（ＩＭ１）を検出するモータ電流検出手段（４９）と、少なくとも操舵トルクに基づいて決定した目標電流（ＩＴＮ）にモータ電流検出手段（４９）が検出した実電流（ＩＭ１）が一致するようにフィードバック制御する制御手段（Ｕ）とを備えた電動パワーステアリング装置において、
   制御手段（Ｕ）は、目標電流（ＩＴＮ）および実電流（ＩＭ１）の偏差（ＳＩＭＴＮ）が第１の閾値（♯ＳＩＭＴＮＬ）以上になる時間の第１の積算値（ＣＤＩＭ）が第１の所定時間（♯ＣＤＩＭＮＧ）以上であり、かつ目標電流（ＩＴＮ）の絶対値よりも実電流（ＩＭ１）の絶対値の方が大きいときにモータ電流検出手段（４９）に固着故障が発生したと判定するとともに、
   制御手段（Ｕ）は、目標電流（ＩＴＮ）および実電流（ＩＭ１）の偏差（ＳＴＮＩＭ）が第１の閾値（♯ＳＩＭＴＮＬ）よりも小さい第２の閾値（♯ＳＴＮＩＭＬ）以下になる時間の第２の積算値（ＣＤＩＭＣ１）が第２の所定時間（♯ＣＤＩＭＣ１ＮＧ）以上になったときに、前記第１の積算値（ＣＤＩＭ）をリセットすることを特徴とする、電動パワーステアリング装置における故障検出装置。