JP4065221B2 - 電動パワーステアリング装置の故障検出方法 - 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方法に関する。

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。
特開２０００−１９０８６１号公報

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。Ｈブリッジ回路の４個のスイッチング素子の故障を検出するために、パワーリレーをＯＮした状態で各スイッチング素子を順番にＯＮしてモータの端子電圧の変動を監視する方法が知られているが、４個のスイッチング素子のうちの何れかがＯＮ故障していると、そのＯＮ故障したスイッチング素子の対角位置にあるスイッチング素子を故障検出のためにＯＮしたときに、モータが突然作動してドライバーに違和感を与える可能性がある。

このとき、フェイルセーフリレーを予めＯＦＦしておけば上記モータの不要な作動を防止することができるが、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、上述したスイッチング素子のＯＮ故障によるモータの不要な作動を防止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の不要な作動を回避しながらＨブリッジ回路の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、モータの端子電圧を検出するモータ端子電圧回路とを備えた電動パワーステアリング装置の故障検出方法であって、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たものにおいて、第１、第２スイッチング素子を同時にＯＮし、高圧端子および低圧端子間の短絡の有無により第３、第４スイッチング素子の少なくとも一方のオン故障を判定する第１工程と、第３、第４スイッチング素子を同時にＯＮし、高圧端子および低圧端子間の短絡の有無により第１、第２スイッチング素子の少なくとも一方のオン故障を判定する第２工程と、前記第１、第２工程が終了し、第１〜第４スイッチング素子の全てがＯＮ故障していないと判定されたときに、第１〜第４スイッチング素子を順番にＯＮして該第１〜第４スイッチング素子のＯＦＦ故障あるいはモータ端子電圧回路の断線故障を判定する第３工程とを含むことを特徴とする、電動パワーステアリング装置の故障検出方法が提案される。

請求項１の構成によれば、Ｈブリッジ回路の第１〜第４スイッチング素子の故障検出を行うに際して、先ず第１工程で第１、第２スイッチング素子を同時にＯＮして第３、第４スイッチング素子が何れもＯＮ故障していないことを確認し、続く第２工程で第３、第４スイッチング素子を同時にＯＮして第１、第２スイッチング素子が何れもＯＮ故障していないことを確認した後に、第３工程で第１〜第４スイッチング素子を順番にＯＮして該第１〜第４スイッチング素子がＯＦＦ故障しているか否かを、あるいはモータ端子電圧回路が断線故障しているか否かを検出するので、パワーリレーとフェイルセーフリレーとが連動していてパワーリレーだけをＯＮできない場合でも、第３工程で第１〜第４スイッチング素子を順番にＯＮしたときに、第１、第４スイッチング素子が同時にＯＮする事態、あるいは第２、第３スイッチング素子が同時にＯＮする事態の発生を未然に回避し、モータＭの不要な作動を確実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８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は第１工程の作用説明図、図７は第２工程の作用説明図、図８は第３工程の作用説明図である。

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。

次に、Ｈブリッジ回路４１の第１〜第４スイッチング素子４６ａ〜４６ｄの故障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。

第１〜第４スイッチング素子４６ａ〜４６ｄの故障には、それらがＯＦＦ状態に張り付いてＯＮしないＯＦＦ故障と、それらがＯＮ状態に張り付いてＯＦＦしないＯＮ故障とがある。ＯＦＦ故障の検出は、パワーリレー４３をＯＮした状態でスイッチング素子駆動回路５１により第１〜第４スイッチング素子４６ａ〜４６ｄを順番にＯＮし、そのときの第１出力端子ＴＭ１および第２出力端子ＴＭ２の電位をモータ端子電圧検出回路５０で検出することにより行われる。

第１〜第４スイッチング素子４６ａ〜４６ｄにＯＮ指令が出力されていないとき、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はプルアップ電位である２Ｖ〜３Ｖになる。この状態から、図８（Ａ）に示すように、第１スイッチング素子４６ａにＯＮ指令を出力し、それが正常にＯＮすれば、第１出力端子ＴＭ１が低圧端子ＴＬに接続されるため、両電位ＶＭＮ，ＶＭＰは共に０Ｖに低下する。また図示しないが、第２スイッチング素子４６ｂにＯＮ指令を出力し、それが正常にＯＮすれば、第２出力端子ＴＭ２が低圧端子ＴＬに接続されて両電位ＶＭＰ，ＶＭＮは共に０Ｖに低下する。

また図８（Ｂ）に示すように、第３スイッチング素子４６ｃにＯＮ指令を出力し、それが正常にＯＮすれば、第１出力端子ＴＭ１が高圧端子ＴＨに接続されるため、両電位ＶＭＮ，ＶＭＰは共に１２Ｖに上昇する。また図示しないが、第４スイッチング素子４６ｄにＯＮ指令を出力し、それが正常にＯＮすれば、第２出力端子ＴＭ２が高圧端子ＴＨに接続されて両電位ＶＭＰ，ＶＭＮは共に１２Ｖに上昇する。

このようにして、第１〜第４スイッチング素子４６ａ〜４６ｄに順番にＯＮ指令を出力したときに、モータ端子電圧検出回路５０が適正な電位ＶＭＮ，ＶＭＰである０Ｖあるいは１２Ｖを検出しない場合に、第１〜第４スイッチング素子４６ａ〜４６ｄのＯＦＦ故障（あるいはモータ端子電圧回路の断線故障）を判定することができる。

尚、第１〜第４スイッチング素子４６ａ〜４６ｄのＯＦＦ故障以外に、モータ端子電圧回路（Ｈブリッジ回路４１とモータ端子電圧検出回路５０とを接続する回路）の断線故障を検出できるのは、その故障によって上述した第１〜第４スイッチング素子４６ａ〜４６ｄのＯＦＦ故障と同じ現象が発生するからである。

ところで、上述した第１〜第４スイッチング素子４６ａ〜４６ｄのＯＦＦ故障の検出時に、第１〜第４スイッチング素子４６ａ〜４６ｄの何れかがＯＮ故障していると、モータＭが突然回転して車輪ＷＬ，ＷＲが転舵されてしまい、ドライバーに違和感を与える可能性がある。

例えば、第４スイッチング素子４６ｄがＯＮ故障している状態で、図８（Ａ）に示すように、第１スイッチング素子４６ａのＯＦＦ故障を検出すべくＯＮ指令を出力すると、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が共にＯＮした図５（Ａ）の状態になり、第１出力端子ＴＭ１が低圧端子ＴＬに接続され、第２出力端子ＴＭ２が高圧端子ＴＨに接続されてモータＭが正転する事態が発生する。この不具合は、第１〜第４スイッチング素子４６ａ〜４６ｄの何れかがＯＮ故障した状態で、その対角位置にある第１〜第４スイッチング素子４６ａ〜４６ｄをＯＮさせたときに同様に発生する。

このとき、予めフェイルセーフリレー４７をＯＦＦしておけばモータＭの作動を防止することが可能であるが、上述したようにパワーリレー４３およびフェイルセーフリレー４７が連動してＯＮ／ＯＦＦするものでは、フェイルセーフリレー４７だけをＯＦＦすることは不可能である。

そこで本実施例では、第１〜第４スイッチング素子４６ａ〜４６ｄのＯＦＦ故障の検出に先立って、第１〜第４スイッチング素子４６ａ〜４６ｄのＯＮ故障を検出することで、上述したモータＭの不要な作動を防止している。第１〜第４スイッチング素子４６ａ〜４６ｄのＯＮ故障の検出は以下の手順で行われる。

先ず、第１工程でスイッチング素子駆動回路５１から第１、第２スイッチング素子４６ａ，４６ｂにＯＮ指令を出力し、第１、第２スイッチング素子４６ａ，４６ｂを共にＯＮさせる。このとき第３スイッチング素子４６ｃがＯＮ故障していると、図６（Ａ）に示すように、第３スイッチング素子４６ｃおよび第１スイッチング素子４６ａを介して高圧端子ＴＨおよび低圧端子ＴＬが短絡し、また第４スイッチング素子４６ｄがＯＮ故障していると、図６（Ｂ）に示すように、第４スイッチング素子４６ｄよび第２スイッチング素子４６ｂを介して高圧端子ＴＨおよび低圧端子ＴＬが短絡するため、シャント抵抗４２に大きな電流が流れることでＯＮ故障の発生が検出される。この場合、何れかの対角位置にある二つのスイッチング素子が同時にＯＮすることになるが、抵抗が大きいモータＭ側に電流が流れることはないため、モータＭが作動する虞はない。

続いて、第２工程でスイッチング素子駆動回路５１から第３、第４スイッチング素子４６ｃ，４６ｄにＯＮ指令を出力し、第３、第４スイッチング素子４６ｃ，４６ｄを共にＯＮさせる。このとき第１スイッチング素子４６ａがＯＮ故障していると、図７（Ａ）に示すように、第３スイッチング素子４６ｃおよび第１スイッチング素子４６ａを介して高圧端子ＴＨおよび低圧端子ＴＬが短絡し、また第２スイッチング素子４６ｂがＯＮ故障していると、図７（Ｂ）に示すように、第４スイッチング素子４６ｄよび第２スイッチング素子４６ｂを介して高圧端子ＴＨおよび低圧端子ＴＬが短絡するため、シャント抵抗４２に大きな電流が流れることでＯＮ故障の発生が検出される。この場合、何れかの対角位置にある二つのスイッチング素子が同時にＯＮすることになるが、抵抗が大きいモータＭ側に電流が流れることはないため、モータＭが不要な作動をする虞はない。

このようにして、第１、第２工程で第１〜第４スイッチング素子４６ａ〜４６ｄが何れもＯＮ故障していないことが確認されると、続く第３工程で、前述したように第１〜第４スイッチング素子４６ａ〜４６ｄを順番にＯＮしてＯＦＦ故障の検出を実行する。このとき、第１〜第４スイッチング素子４６ａ〜４６ｄがＯＮ故障していないことが保障されているため、第１〜第４スイッチング素子４６ａ〜４６ｄを順番にＯＮする過程でモータＭが不要な作動をする虞はない。

以上のように、パワーリレー４３およびフェイルセーフリレー４７が連動していて、パワーリレー４３だけをＯＮしてフェイルセーフリレー４７だけをＯＦＦできない場合でも、第１、第２工程で第１〜第４スイッチング素子４６ａ〜４６ｄのＯＮ故障が発生していないことを確認した後に、第３工程で第１〜第４スイッチング素子４６ａ〜４６ｄのＯＦＦ故障の検出、あるいはモータ端子電圧回路の断線故障の検出を行うので、第３工程の過程でモータが不要な作動を行うのを確実に阻止してドライバーの違和感を解消することができる。

尚、Ｈブリッジ回路４１が何れかの場所で短絡した場合にも、上述した第１〜第４スイッチング素子４６ａ〜４６ｄのＯＮ故障と同じ現象が発生する場合がある。

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 第１工程の作用説明図 第２工程の作用説明図 第３工程の作用説明図

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、モータ（Ｍ）の端子電圧を検出するモータ端子電圧回路とを備えた電動パワーステアリング装置の故障検出方法であって、
   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）とで構成されたものにおいて、
   第１、第２スイッチング素子（４６ａ，４６ｂ）を同時にＯＮし、高圧端子（ＴＨ）および低圧端子（ＴＬ）間の短絡の有無により第３、第４スイッチング素子（４６ｃ，４６ｄ）の少なくとも一方のオン故障を判定する第１工程と、
   第３、第４スイッチング素子（４６ｃ，４６ｄ）を同時にＯＮし、高圧端子（ＴＨ）および低圧端子（ＴＬ）間の短絡の有無により第１、第２スイッチング素子（４６ａ，４６ｂ）の少なくとも一方のオン故障を判定する第２工程と、
   前記第１、第２工程が終了し、第１〜第４スイッチング素子（４６ａ〜４６ｄ）の全てがＯＮ故障していないと判定されたときに、第１〜第４スイッチング素子（４６ａ〜４６ｄ）を順番にＯＮして該第１〜第４スイッチング素子（４６ａ〜４６ｄ）のＯＦＦ故障あるいはモータ端子電圧回路の断線故障を判定する第３工程とを含むことを特徴とする、電動パワーステアリング装置の故障検出方法。