JP4188180B2 - 電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Description

本発明は、モータでドライバーのステアリング操作をアシストする電動パワーステアリング装置に関し、特にモータの実電流が目標電流に一致するように制御するメインＣＰＵと、メインＣＰＵとの間の通信を可能にしてメインＣＰＵを監視するサブＣＰＵとを備えた電動パワーステアリング装置に関する。

電動パワーステアリング装置にモータの駆動を禁止するモータ駆動禁止手段を設け、ドライバーのステアリング操作をアシストすべきモータが、ドライバーがステアリングハンドルに加える操舵トルクの方向と逆方向のトルクを発生するのを禁止するものが、下記特許文献１に開示されている。

また電動パワーステアリング装置の電子制御ユニットに、モータの主たる制御を司るメインＣＰＵ（セントラル・プロセシング・ユニット）と、メインＣＰＵを監視するサブＣＰＵとを設けたものが知られており、上述したモータ駆動禁止機能はサブＣＰＵが分担している。

メインＣＰＵはモータに流れる実電流を目標電流に一致させる電流フィードバック制御を行うためにモータの実電流を算出する機能を備え、同様にサブＣＰＵはモータ駆動禁止機能により禁止された電流が流れないようにモータの実電流を算出する機能を備えている。メインＣＰＵおよびサブＣＰＵの何れにおいても、モータを駆動するＨブリッジ回路に接続されたシャント抵抗の両端の電圧差に基づいてモータの実電流を算出している。通常、シャント抵抗に電流が流れていないときでも所定のオフセット電圧が検出されるが、モータ電流検出回路のばらつきや温度変化によってオフセット電圧にもばらつきが生じるため、、このオフセット電圧で較正した電流値をモータの実電流として算出している。

従来、サブＣＰＵで算出したオフセット電圧を所定の許容範囲と比較し、オフセット電圧が許容範囲外にあるときにサブＣＰＵの故障を確定していた。
特開２０００−１９０８６１号公報

しかしながら、従来のサブＣＰＵで算出したオフセット電圧が許容範囲外にあるときに故障を確定する手法では、サブＣＰＵに何らかの異常が発生したことを検出することは可能であるが、サブＣＰＵで算出したオフセット電圧が一定値に張り付く固着故障やオフセット電圧が許容範囲内に固着する故障を的確に検出することができなかった。

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サブＣＰＵで算出したモータの実電流が固着する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、ドライバーのステアリング操作をアシストするモータと、モータの実電流が目標電流に一致するように制御するメインＣＰＵと、メインＣＰＵとの間の通信を可能にしてメインＣＰＵを監視するサブＣＰＵとを備え、メインＣＰＵおよびサブＣＰＵは各々独立してモータの実電流を算出可能な電動パワーステアリング装置において、サブＣＰＵは検出したモータの実電流が閾値以上のときにメインＣＰＵおよびサブＣＰＵを接続するポートをハイレベルにするとともに、前記閾値未満のときに前記ポートをローレベルにし、メインＣＰＵは検出したモータの実電流が前記閾値以上のときに前記ポートのレベルがハイレベルであるか否か、あるいは前記閾値未満のときに前記ポートのレベルがローレベルであるか否かに基づいて、サブＣＰＵの固着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が提案される。

また請求項２に記載された発明によれば、請求項１の構成に加えて、メインＣＰＵが算出したモータの実電流が上限値以上のときに前記ポートがローレベルである状態が所定時間以上継続すれば、サブＣＰＵのロー固着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が提案される。

また請求項３に記載された発明によれば、請求項１の構成に加えて、メインＣＰＵが算出したモータの実電流が下限値以下のときに前記ポートがハイレベルである状態が所定時間以上継続すれば、サブＣＰＵのハイ固着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が提案される。

請求項１の構成によれば、ポートを介して接続されて相互通信が可能なメインＣＰＵおよびサブＣＰＵで各々独立してモータの実電流を算出し、サブＣＰＵは算出したモータの実電流が閾値以上のときに前記ポートをハイレベルにして前記閾値未満のときに前記ポートをローレベルにするので、メインＣＰＵは自己の算出したモータの実電流を前記ポートのレベルと比較し、不一致であればサブＣＰＵが固着故障していると判定することができる。しかもメインＣＰＵがサブＣＰＵから受け取る信号がポートのレベル信号だけなので、メインＣＰＵの負担増を最小限に抑えることができる。

請求項２の構成によれば、メインＣＰＵが算出したモータの実電流が上限値以上であるにも関わらず、ポートがローレベルである状態が所定時間以上継続するとサブＣＰＵのロー固着故障を判定するので、ロー固着故障を精度良く判定することができる。

請求項３の構成によれば、メインＣＰＵが算出したモータの実電流が下限値以下であるにも関わらず、ポートがハイレベルである状態が所定時間以上継続するとサブＣＰＵのハイ固着故障を判定するので、ハイ固着故障を精度良く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７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はサブＣＰＵの作用を説明するフローチャート、図７はメインＣＰＵ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メインＣＰＵ６１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、メインＣＰＵ６１と、それに接続されたサブＣＰＵ６２と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、メインＣＰＵ６１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、メインＣＰＵ６１およびサブＣＰＵ６２の両方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、メインＣＰＵ６１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、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。

メインＣＰＵ６１およびサブＣＰＵ６２とスイッチング素子駆動回路５１との間にはモータ駆動禁止回路５２が配置されており、メインＣＰＵ６１の監視機能を有するサブＣＰＵ６２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を介してスイッチング素子駆動回路５１にモータ駆動禁止信号を出力する。

ところで、メインＣＰＵ６１はモータＭに流れる実電流を目標電流に一致させる電流フィードバック制御を行うために、モータ電流検出回路４９からの信号に基づいてモータＭの実電流を算出する機能を備え、またサブＣＰＵ６２は前述したモータ駆動禁止回路５２によるモータ駆動禁止制御を行うために、モータ電流検出回路４９からの信号に基づいてモータＭの実電流を算出する機能を備えている。メインＣＰＵ６１のポートＰｍおよびサブＣＰＵ６２のポートＰｓは通信を行うために接続されており、これらのポートＰｍ，Ｐｓを介しての通信によってイニシャル処理時にサブＣＰＵ６２の実電流算出機能が正常であるか否かの診断が行われる。

以下、サブＣＰＵ６２の実電流算出機能の診断作用を、図６および図７のフローチャートに基づいて説明する。

図６のフローチャートはサブＣＰＵ６２で実行される処理を示すもので、先ずステップＳ１でサブＣＰＵ６２において算出したモータＭの実電流ＩＭ１の絶対値を閾値♯ＩＭＳＴＡ（実施例では３Ａ）と比較し、モータＭの実電流ＩＭ１の絶対値が閾値♯ＩＭＳＴＡ以上であれば、ステップＳ２でフラグＦ ＩＭ２ＳＴＡ＝１、つまりサブＣＰＵ６２のポートＰｓをハイレベルにし、逆に前記ステップＳ１でモータＭの実電流ＩＭ１の絶対値が閾値♯ＩＭＳＴＡ未満であれば、ステップＳ３でフラグＦ ＩＭ２ＳＴＡ＝０、つまりサブＣＰＵ６２のポートＰｓをローレベルにする。

図７のフローチャートはメインＣＰＵ６１で実行される処理を示すもので、先ずステップＳ１１でメインＣＰＵ６１において算出したモータＭの実電流ＩＭ１の絶対値を下限値♯ＩＭＬ（実施例では０Ａ）と比較し、モータＭの実電流ＩＭ１の絶対値が下限値♯ＩＭＬ以下（つまり０Ａ）であり、かつステップＳ１２でフラグＦ ＩＭ２ＳＴＡ＝１（つまりポートＰｍがハイレベル）であれば、サブＣＰＵ６２で算出した実電流ＩＭ１がメインＣＰＵ６１で算出した実電流ＩＭ１と不一致であると判断し、ステップＳ１３で故障カウンタＣＩＭ２をインクリメントする。

一方、前記ステップＳ１２でフラグＦ ＩＭ２ＳＴＡ＝０（つまりポートＰｍがローレベル）であれば、サブＣＰＵ６２で算出した実電流ＩＭ１がメインＣＰＵ６１で算出した実電流ＩＭ１と不一致であるとは断定できないため、ステップＳ１６で故障カウンタＣＩＭ２をリセットする。

前記ステップＳ１１でモータＭの実電流ＩＭ１の絶対値が下限値♯ＩＭＬ以下でないとき、ステップＳ１４でメインＣＰＵ６１において算出したモータＭの実電流ＩＭ１の絶対値を上限値♯ＩＭＨ（実施例では６Ａ）と比較し、モータＭの実電流ＩＭ１の絶対値が上限値♯ＩＭＨ以上であり、かつステップＳ１５でフラグＦ ＩＭ２ＳＴＡ＝０（つまりポートＰｍがローレベル）であれば、サブＣＰＵ６２で算出した実電流ＩＭ１がメインＣＰＵ６１で算出した実電流ＩＭ１と不一致であると判断し、前記ステップＳ１３で故障カウンタＣＩＭ２をインクリメントする。

一方、前記ステップＳ１５でフラグＦ ＩＭ２ＳＴＡ＝１（つまりポートＰｍがハイレベル）であれば、サブＣＰＵ６２で算出した実電流ＩＭ１がメインＣＰＵ６１で算出した実電流ＩＭ１と不一致であるとは断定できないため、前記ステップＳ１６で故障カウンタＣＩＭ２をリセットする。また前記ステップＳ１４でメインＣＰＵ６１において算出したモータＭの実電流ＩＭ１の絶対値が上限値♯ＩＭＨ未満であれば、つまり実電流ＩＭ１の絶対値が０Ａから６Ａの間であれば、サブＣＰＵ６２で算出した実電流ＩＭ１がメインＣＰＵ６１で算出した実電流ＩＭ１と不一致であるとは断定できないため、前記ステップＳ１６で故障カウンタＣＩＭ２をリセットする。

そしてステップＳ１７で故障カウンタＣＩＭ２が閾値♯ＣＩＭ２ＮＧ以上になれば、ステップＳ１８でサブＣＰＵ６２の実電流算出機能がロー固着故障あるいはハイ固着故障したと判定し、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の作動を禁止する。

以上のように、メインＣＰＵ６１およびサブＣＰＵ６２で各々独立してモータＭの実電流ＩＭ１を算出し、サブＣＰＵ６２で算出した実電流ＩＭ１が３Ａ以上のときにポートＰｓをハイレベルにし、３Ａ未満のときにポートＰｓをローレベルにするので、サブＣＰＵ６２のポートＰｓに接続されたメインＣＰＵ６１のポートＰｍのレベルと、メインＣＰＵ６１自身が算出した実電流ＩＭ１とを比較し、両者が明らかな不一致であればサブＣＰＵ６２が固着故障していると判定することができる。しかもメインＣＰＵ６１がサブＣＰＵ６２から受け取る信号がポートＰｍのレベルだけなので、メインＣＰＵ６１の負担増を最小限に抑えることができる。

上記故障検出によりサブＣＰＵ６２がモータＭの実電流ＩＭ１を正確に検出していることが保証されるため、モータＭがドライバーの操舵トルクの方向と逆方向のトルクを発生するのを禁止するモータ駆動禁止回路５２の機能を有効に発揮させることができる。

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、実施例ではサブＣＰＵ６２が算出した実電流ＩＭ１をハイレベル信号あるいはローレベル信号としてメインＣＰＵ６１に送信しているが、サブＣＰＵ６２が算出した生の実電流ＩＭ１をメインＣＰＵ６１に直接的に送信しても良い。

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 サブＣＰＵの作用を説明するフローチャート メインＣＰＵの作用を説明するフローチャート

符号の説明

６１ メインＣＰＵ
６２ サブＣＰＵ
ＩＭ１ 実電流
Ｍ モータ
Ｐｍ ポート
Ｐｓ ポート
♯ＣＩＭ２ＮＧ 所定時間
♯ＩＭＨ 上限値
♯ＩＭＬ 下限値
♯ＩＭＳＴＡ 閾値

Claims (3)

1. 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）の実電流（ＩＭ１）が目標電流に一致するように制御するメインＣＰＵ（６１）と、メインＣＰＵ（６１）との間の通信を可能にしてメインＣＰＵ（６１）を監視するサブＣＰＵ（６２）とを備え、
   メインＣＰＵ（６１）およびサブＣＰＵ（６２）は各々独立してモータ（Ｍ）の実電流（ＩＭ１）を算出可能な電動パワーステアリング装置において、
   サブＣＰＵ（６２）は検出したモータ（Ｍ）の実電流（ＩＭ１）が閾値（♯ＩＭＳＴＡ）以上のときにメインＣＰＵ（６１）およびサブＣＰＵ（６２）を接続するポート（Ｐｍ，Ｐｓ）をハイレベルにするとともに、前記閾値（♯ＩＭＳＴＡ）未満のときに前記ポート（Ｐｍ，Ｐｓ）をローレベルにし、メインＣＰＵ（６１）は検出したモータ（Ｍ）の実電流（ＩＭ１）が前記閾値（♯ＩＭＳＴＡ）以上のときに前記ポート（Ｐｍ，Ｐｓ）のレベルがハイレベルであるか否か、あるいは前記閾値（♯ＩＭＳＴＡ）未満のときに前記ポート（Ｐｍ，Ｐｓ）のレベルがローレベルであるか否かに基づいて、サブＣＰＵ（６２）の固着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。
2. メインＣＰＵ（６１）が算出したモータ（Ｍ）の実電流（ＩＭ１）が上限値（♯ＩＭＨ）以上のときに前記ポート（Ｐｍ，Ｐｓ）がローレベルである状態が所定時間（♯ＣＩＭ２ＮＧ）以上継続すれば、サブＣＰＵ（６２）のロー固着故障を判定することを特徴とする、請求項１に記載の電動パワーステアリング装置。
3. メインＣＰＵ（６１）が算出したモータ（Ｍ）の実電流（ＩＭ１）が下限値（♯ＩＭＬ）以下のときに前記ポート（Ｐｍ，Ｐｓ）がハイレベルである状態が所定時間（♯ＣＩＭ２ＮＧ）以上継続すれば、サブＣＰＵ（６２）のハイ固着故障を判定することを特徴とする、請求項１に記載の電動パワーステアリング装置。

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