JP4543888B2

JP4543888B2 - 電動パワーステアリング装置

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Publication number: JP4543888B2
Application number: JP2004327575A
Authority: JP
Inventors: 靖宮沢
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2004-11-11
Filing date: 2004-11-11
Publication date: 2010-09-15
Anticipated expiration: 2024-11-11
Also published as: JP2006137280A

Description

この発明は車両用の電動パワーステアリング装置に関するもので、特にその制御装置に関するものである。

車両用の電動パワーステアリング装置は、操向ハンドルの操作によりステアリングシャフトに発生する操舵トルクと車速を検出し、その検出信号に基づいてモータを駆動し、所望の操舵補助力をステアリング機構に供給して操向ハンドルの操舵力を補助するものである。このような電動パワーステアリング装置の制御は電子制御回路で実行されるが、その制御の概要は、トルクセンサで検出された操舵トルクと車速センサで検出された車速に基づいてモータに供給する電流の大きさを演算し、その演算結果に基づいてモータに供給する電流を制御する。

即ち、電子制御回路は、操向ハンドルが操作されて操舵トルクが発生しているときに、検出された車速が零あるいは低速の場合は大きな操舵補助力を供給し、検出された車速が速い場合は小さな操舵補助力を供給するように、操舵トルクと車速に応じてモータに供給する電流を制御することで、走行状態に応じた最適の操舵補助力を与えることができるものである。

この種の制御装置では、実際にモータに流れる電流が、操舵トルクや車速に基づいて演算されたモータ電流の制御目標値に一致するようにフィードバック制御を行なっており、このためにモータに流れる電流を検出するモータ電流検出手段を備えている。

モータ電流検出手段が故障した場合は、正確なモータ電流を計測することができず、この結果、必要以上の電流がモータに流れて過大な操舵補助力を供給したり、或いは必要なだけの電流がモータに流れず、十分な操舵補助力を供給できないという不都合が発生することになる。

図５は、従来の電動パワーステアリング装置の制御装置の回路構成の一例を示すブロック図である。制御装置を構成する電子制御回路１００は、ＣＰＵ１０２を中心に構成され、ＣＰＵ１０２にはプログラム、データなどを記憶するメモリ１０３が付設されている。トルクセンサ１１１で検出された操舵トルクＴ、車速センサ１１２で検出された車速Ｖは入力インターフェイス１０１を経てＣＰＵ１０２に入力され、ＣＰＵ１０２では所定の演算式によりモータ電流の制御目標値である電流指令値Ｉが演算される。

後述するモータ駆動回路１２０により駆動されたモータに流れるモータ電流値ｉがモータ電流検出回路１２５で検出され、検出されたモータ電流値ｉがＣＰＵ１０２にフィードバックされる。ＣＰＵ１０２では電流指令値Ｉとモータ電流値ｉとの差が零になるようにフィードバック制御が行われ、モータ電流制御値Ｅが出力インターフェイス１０４を経てモータ駆動回路１２０に出力される。

モータ駆動回路１２０は、４個の半導体スイッチング素子であるＦＥＴから構成されるＨブリッジ回路１２１と、ＦＥＴゲート駆動回路１２２とから構成され、スイッチ１２８を経てバッテリ１２９から電力が供給される。ＦＥＴゲート駆動回路１２２は、モータ電流制御値Ｅに基づいてＦＥＴを駆動するデューテイ比とモータの回転方向を決定する電流方向信号を決定し、Ｈブリッジ回路１２１を構成するＦＥＴを駆動する。

図６は、従来のモータ電流検出回路の第１例とその特性図で、図６の（ａ）はモータ電流検出回路１２５のブロック図、図６の（ｂ）はその回路特性図である。図６の（ａ）に示すように、モータ電流検出回路１２５は、モータ駆動回路１２０のＨブリッジ回路１２１（図５参照）と接地間に接続されたオペアンプＯＰから構成される正転特性を持つ非反転増幅回路である。抵抗ＲはオペアンプＯＰに流れる電流の大きさを調整するシャント抵抗である。オペアンプＯＰはモータに流れるモータ電流値ｉを検出して電圧ｅ0 を出力し、ＣＰＵ１０２へ入力する。

この回路特性は図６の（ｂ）に示すように、入力信号であるモータ電流値ｉに対して出力電圧ｅ0 が比例関係にある。

図７は、従来のモータ電流検出回路の第２例とその特性図で、図７の（ａ）はモータ電流検出回路１２５のブロック図、図７の（ｂ）はその回路特性図、図７の（ｃ）は正常時におけるＣＰＵ１０２への入力信号の波形の一例を示す図である。このモータ電流検出回路１２５は、先に説明した図６の（ａ）に示す回路を二重に設けたもので、抵抗ＲとオペアンプＯＰ1 とから構成される正転特性を持つ第１の非反転増幅回路と、抵抗ＲとオペアンプＯＰ2 とから構成される正転特性を持つ第２の非反転増幅回路とから構成される。

モータ駆動回路１２０により駆動されたモータに流れるモータ電流値ｉが、オペアンプＯＰ1 とオペアンプＯＰ2 とにパラレルに入力され、オペアンプＯＰ1 及びＯＰ2 は、それぞれモータに流れるモータ電流値ｉを検出して電圧ｅ1 及びｅ2 を出力し、ＣＰＵ１０２へ入力する。ＣＰＵ１０２では入力された電圧ｅ1 とｅ2 を比較することでモータ電流検出回路の故障の有無を検出する。

図７の（ｂ）に示す回路特性図も、図６の（ｂ）に示す回路特性図と同じであり、モータ電流検出回路が正常な場合、入力信号であるモータ電流値ｉに対して出力電圧ｅ1 とｅ2 とは比例関係にある。

図７の（ｃ）は、モータ電流検出回路１２５が正常な場合のＣＰＵ１０２で検出されたモータ電流値ｉの波形を示す図で、検出されたモータ電流値ｉは同じ変化を示している。このモータ電流検出回路１２５では、同じ検出回路を２個設けて両者の出力信号を比較し、両者が略一致するときはモータ電流検出回路１２５は正常、一致しないときは異常発生と判断してモータ電流検出回路の故障の有無を検出する（特許文献１参照）。
特許第３５０８７０２号公報。

モータ電流検出回路周辺の故障には、圧倒的に回路部品の地絡（接地）故障や、電子制御回路を構成するＣＰＵへの入力電圧が０Ｖ付近での故障が多い。上記したモータ電流検出回路に非反転増幅回路を使用するものでは、図６の（ｂ）や、図７の（ｂ）に示すように、入力信号であるモータ電流値に対して出力信号が比例関係にあるから、入力信号であるモータ電流値が零の場合は、出力信号は零となる。

このため、図６の（ａ）に示すモータ電流検出回路では、オペアンプＯＰの出力側が地絡（接地）した故障が発生したときはオペアンプＯＰの出力は零となる。このため、モータ電流検出回路が正常であってモータ電流検出値が零の場合（オペアンプＯＰの出力は零）と同じになり、出力信号からは、モータ電流検出回路が正常であってモータ電流検出値が零なのか、オペアンプの出力側が地絡（接地）してモータ電流検出値が零となったのかの区別がつかず、モータ電流検出回路の故障を検出することができない。

一方、図７の（ａ）に示すモータ電流検出回路では、２つのオペアンプＯＰ1 とＯＰ2との出力信号を比較することで、いずれか一方のオペアンプの出力側が地絡（接地）した故障は検出することができるが、２つのオペアンプの出力側が同時に地絡（接地）した故障は検出できない。

また、図７の（ａ）に示すモータ電流検出回路では、オペアンプＯＰ1 、ＯＰ2 の電源回路がオープン（切断）された場合は２つのオペアンプの出力信号は共に零となるから、オペアンプの出力信号を比較してもモータ電流検出回路が正常か故障（切断）かを判別することはできない。

この発明は上記した課題を解決することを目的とするものである。

この発明は上記課題を解決するもので、請求項１の発明は、少なくともステアリングシャフトに発生する操舵トルクに基づいて決定されるモータ電流指令値とモータ電流検出手段により検出されたモータ電流検出値とに基づいてモータ電流を制御する制御手段を備え、所望の操舵補助力をステアリング機構に供給する電動パワーステアリング装置において、前記モータ電流検出手段は、入力信号に対して出力信号が逆位相の反転特性を備えている増幅回路を備え、前記制御手段は、前記反転特性を備えている増幅回路の出力電圧が、増幅回路の特性で決定される最大入力電流に対応した所定の過電流閾値を越えているか否かの判定結果に基づいてモータ電流検出手段の地絡故障を検出することを特徴とする電動パワーステアリング装置である。

以上説明したとおり、請求項１の発明のモータ電流検出手段は、入力信号に対して出力信号が逆位相の反転特性を備えている増幅回路で構成されるものであるから、モータ電流検出手段の地絡故障が発生したとき、反転特性を備えている増幅回路の出力電圧が、増幅回路の特性で決定される最大入力電流に対応した所定の過電流閾値を越えているか否かの判定結果に基づいて故障を検出することができ、簡単な構成でモータ電流検出手段の地絡故障を確実に検出することができる。

以下、この発明の実施の形態について説明する。この発明の実施の形態の電動パワーステアリング装置の制御装置は、図５を参照して説明した従来の制御装置において、モータ電流検出回路のみが相違するだけであるから、制御装置全体の回路構成の説明は省略し、以下、モータ電流検出回路について説明する。

図１は、第１の実施の形態のモータ電流検出回路とその特性図で、図１の（ａ）はモータ電流検出回路１１のブロック図、図１の（ｂ）はその回路特性図である。図１の（ａ）に示すように、モータ電流検出回路１１は、モータ駆動回路１２のＨブリッジ回路と接地間に接続されたオペアンプＯＰから構成される反転増幅回路で、オペアンプＯＰの入力側のマイナス端子にモータ駆動回路１２の帰還側が接続され、オペアンプＯＰの入力側のプラス端子は接地されている。オペアンプＯＰの出力電圧ｅ1 （例えば５Ｖ）は制御装置を構成するＣＰＵ１５に入力される。また、抵抗ＲはオペアンプＯＰに流れる電流の大きさを調整するシャント抵抗である。なお、オペアンプＯＰに駆動電力を供給する電源は図示を省略した。

このモータ電流検出回路１１は、図１の（ｂ）に示す特性を備えている反転増幅回路であるから、オペアンプＯＰの入力側のマイナス端子に入力されるモータ電流値ｉが、例えば６０Ａ（最大入力電流）の場合でも、オペアンプＯＰの出力電圧ｅ1 は零にならず、所定の値（過電流閾値）を出力する。

一方、オペアンプＯＰの出力側（ＣＰＵ１５の入力側）が地絡故障した場合は、オペアンプＯＰの出力電圧は零となるから、オペアンプＯＰの出力電圧が入力される制御装置のＣＰＵ１５において、オペアンプＯＰの出力電圧が零か、或いは所定の値（過電流閾値）かを判定することで、オペアンプＯＰの地絡故障を判定することができる。

図２は、オペアンプＯＰの特性と地絡故障の判定を説明する図で、図２の（ａ）は、参考のため、モータ電流検出回路が非反転増幅回路で構成されている場合の地絡故障が発生した状態を示しており、図２の（ｂ）はこの発明に係るモータ電流検出回路が反転増幅回路で構成されている場合の地絡故障が発生した状態を示している。

図２の（ａ）に示すように非反転増幅回路の場合は、モータ電流値ｉが零の場合にオペアンプＯＰの出力電圧は０Ｖを示しており、この状態でオペアンプＯＰの出力側が地絡故障したときは、やはり出力電圧は０Ｖを示す。即ち、オペアンプＯＰの出力側が地絡故障しても出力電圧に変化がなく、オペアンプＯＰの出力側が地絡故障を検出することができない。

一方、図２の（ｂ）に示すように反転増幅回路の場合は、モータ電流値ｉが零の場合にはオペアンプＯＰの出力電圧はｅ1 （例えば５Ｖ）を示しており、モータ電流値ｉが例えば６０Ａ（最大入力電流）の場合でも、オペアンプＯＰの出力電圧は０Ｖにならず、所定の値（過電流閾値）を出力する。オペアンプＯＰの出力側が地絡故障したときは、出力電圧は０Ｖを示すから、オペアンプＯＰの出力側が所定の値（過電流閾値）以上か０Ｖかを判定することで、オペアンプＯＰの出力側の地絡故障を検出することができる。

図３は、第２の実施の形態のモータ電流検出回路とその特性図、出力電圧の波形の一例を説明する図で、図３の（ａ）はモータ電流検出回路２１のブロック図、図３の（ｂ）はその回路特性図、図３の（ｃ）は正常時におけるオペアンプＯＰ1 とオペアンプＯＰ2 の出力電圧の波形の一例を示す図である。

図３の（ａ）に示すように、モータ電流検出回路２１は、モータ駆動回路２２のＨブリッジ回路と接地間に接続された非反転増幅回路であるオペアンプＯＰ1 と、反転増幅回路であるオペアンプＯＰ2 とから構成される。

オペアンプＯＰ1 の入力側のプラス端子とオペアンプＯＰ2 の入力側のマイナス端子にパラレルにモータ駆動回路２２の帰還側が接続され、オペアンプＯＰ1 の入力側のマイナス端子とオペアンプＯＰ2 の入力側のプラス端子は接地されている。オペアンプＯＰ1 の出力電圧ｅ1 、及びオペアンプＯＰ2 の出力電圧ｅ2 は制御装置を構成するＣＰＵ２５に入力される。また、抵抗ＲはオペアンプＯＰ１及びＯＰ2 に流れる電流の大きさを調整するシャント抵抗である。オペアンプＯＰ1 及びＯＰ2 には電源２９から駆動電力が供給される。

このモータ電流検出回路２１は、図３の（ｂ）に示す特性を備えており、正常時におけるオペアンプＯＰ1 の出力電圧ｅ1 とオペアンプＯＰ2 の出力電圧ｅ2 は、図３の（ｃ）に示すような波形を示す。即ち、オペアンプＯＰ1 からは入力されたモータ電流値ｉに比例した出力電圧ｅ1 が得られる。また、オペアンプＯＰ2 では入力されたモータ電流値ｉが零の場合は所定の出力電圧ｅ2 （例えば５Ｖ）が出力され、入力されたモータ電流値ｉが例えば６０Ａ（最大入力電流）の場合、オペアンプＯＰ2 の出力電圧は零にならず、所定の出力電圧（過電流閾値）を出力する。

オペアンプＯＰ1 の出力側が地絡故障したときは出力電圧は０Ｖを示すが、オペアンプＯＰ2 の出力電圧は０Ｖとならないから、オペアンプＯＰ1 とＯＰ2 の出力電圧を比較することで、オペアンプＯＰ1 の出力側の地絡故障を検出することができる。

また、オペアンプＯＰ2 の出力側が地絡故障したときは出力電圧は０Ｖを示すが、オペアンプＯＰ1 の出力電圧は０Ｖとならないから、オペアンプＯＰ1 とＯＰ2 の出力電圧を比較することで、オペアンプＯＰ2 の出力側の地絡故障を検出することができる。

さらに、オペアンプＯＰ1 及びＯＰ2 の電源回路が切断された故障、即ち電源オープン故障の場合について説明する。

図４は電源オープン故障の場合のオペアンプＯＰ1 及びＯＰ2 の出力電圧を説明する図であって、図４の（ａ）は、参考のため、先に図７で説明したオペアンプＯＰ1 とオペアンプＯＰ2 とをパラレルに接続して構成される従来のモータ電流検出回路の出力電圧を示している。

図４の（ａ）から明らかなように、従来のモータ電流検出回路においては、電源オープン故障の場合は、オペアンプＯＰ1 とＯＰ2 の出力電圧は共に同じ電圧ｅ1 から所定の時定数で低下して零に至るが、その波形は略同一となり、オペアンプＯＰ1 とＯＰ2 の出力電圧を比較しても故障を検出することができない。

一方、図４の（ｂ）は、先に図３により説明したこの発明に係る非反転増幅回路であるオペアンプＯＰ1 と反転増幅回路であるオペアンプＯＰ2 とから構成されるモータ電流検出回路の出力電圧を示している。

図４の（ｂ）から明らかなように、電源オープン故障の場合は、オペアンプＯＰ1 の出力電圧は電圧ｅ1 から所定の時定数で低下し、オペアンプとＯＰ2 の出力電圧は電圧ｅ2 から所定の時定数で低下し、オペアンプＯＰ1 の出力電圧とオペアンプＯＰ2 の出力電圧との間に差が生じるから、故障を検出することができる。

図３の（ａ）に示すモータ電流検出回路２１では、制御回路のＣＰＵ２５で、以下の式（１）の演算を行い、オペアンプＯＰ1 及びＯＰ2 の動作状態を確認することができる。｜５−（ＯＰ1 の検出電圧値Ａ＋ＯＰ2 の検出電圧値Ｂ）｜＞０．３Ｖ・・・（１）
ここで、ＯＰ1 の検出電圧値＝Ａ、ＯＰ2 の検出電圧値＝Ｂとし、オペアンプの検出電圧の最大値＝５Ｖ、過電流閾値＝０．３Ｖ（いずれも一例）とする。

式（１）の演算結果が肯定されたとき、オペアンプＯＰ1 及びＯＰ2 が正常に動作していると判断することができる。

モータ電流指令値とモータに流れるモータ電流検出値とに基づいてモータ電流を制御し、所望の操舵補助力を発生させる車両用の電動パワーステアリング装置であり、モータ電流検出手段として、入力信号に対して出力信号が逆位相の反転特性を備えている増幅回路を使用する。これにより、簡単な構成でモータ電流検出手段の故障を確実に検出することができる。

第１の実施の形態のモータ電流検出回路とその特性図。第１の実施の形態のモータ電流検出回路のオペアンプＯＰの特性と地絡故障の判定を説明する図。第２の実施の形態のモータ電流検出回路とその特性図、出力信号の波形の一例を説明する図。第２の実施の形態のモータ電流検出回路における電源オープン故障の場合のオペアンプの出力信号を説明する図。従来の電動パワーステアリング装置の制御装置の回路構成の一例を示すブロック図。従来のモータ電流検出回路の第１例とその特性図。従来のモータ電流検出回路の第２例とその特性図。

符号の説明

１１モータ電流検出回路
１２モータ駆動回路
１５制御装置のＣＰＵ
２１モータ電流検出回路
２２モータ駆動回路
２５制御装置のＣＰＵ

Claims

少なくともステアリングシャフトに発生する操舵トルクに基づいて決定されるモータ電流指令値とモータ電流検出手段により検出されたモータ電流検出値とに基づいてモータ電流を制御する制御手段を備え、所望の操舵補助力をステアリング機構に供給する電動パワーステアリング装置において、
前記モータ電流検出手段は、入力信号に対して出力信号が逆位相の反転特性を備えている増幅回路を備え、
前記制御手段は、前記反転特性を備えている増幅回路の出力電圧が、増幅回路の特性で決定される最大入力電流に対応した所定の過電流閾値を越えているか否かの判定結果に基づいてモータ電流検出手段の地絡故障を検出すること
を特徴とする電動パワーステアリング装置。