JP6368588B2 - フィードバック制御装置、電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Description

本発明は、フィードバック制御装置と、このフィードバック制御装置を用いた電動パワーステアリング装置とに関する。

近年、マイコン等を利用して構成される電子制御装置を用いた制御の自動化が進むにつれ、電子制御装置の安全性や信頼性に対する要求が高まってきている。たとえば、電子制御装置に異常が発生した際には、直ちに動作を停止することや、安全性を確保した上で可能な限り制御動作を継続することが求められている。

上記のような電子制御装置を用いた制御を行うものの例として、車両の電動パワーステアリング装置が知られている。近年の性能向上に伴い、電動パワーステアリング装置は重量の大きな大型車にも適用されているが、特に大型車では、電動パワーステアリング装置の動作を停止させてしまうと、人力での大きな操舵力が必要となる。そのため、故障発生時においても、安全性を確保した上で、電動パワーステアリング装置の動作を継続させることが必要である。

一方、近年のマイコンの集積度の向上に伴って、宇宙線等の外乱によるソフトエラーの発生率増加が懸念されている。ソフトエラーは、ＳＥＵ（Single Event Upset）とも呼ばれており、マイコンの動作中に発生する一過性の障害（過渡フォールト）に分類されるものである。ソフトエラーが発生すると、マイコン内に記憶されているデータにビット反転が生じることで、異常なデータが生じてしまう。この場合、マイコンのメモリに記憶されているデータであれば、誤り訂正符号（ＥＣＣ）により異常なデータの検出や訂正が可能である。しかし、マイコンのプロセッサ内のレジスタに記憶されているデータには、通常は誤り訂正符号が付加されていないため、ソフトエラーによりレジスタのデータ異常が生じることで、プロセッサの誤動作や暴走を引き起こす恐れがある。さらにこの場合、プロセッサの誤動作や暴走により、メモリに記憶されているデータが失われる恐れもある。その結果、安全に制御を継続するのが困難となる。

電子制御装置では、上記のようなソフトエラーによるデータ異常が発生した場合でも、安全に制御を継続することが好ましい。これに関して、下記特許文献１には、電流検出器で検出したモータ電流に基づいてフィードバック制御を行う電動パワーステアリング装置において、電流検出器が故障してフィードバック制御が不可能となった場合には、電流検出器で検出したモータ電流を使用しないフィードフォワード制御に切り替えてハンドル操舵のアシストを継続することが開示されている。

特開２００６−４４３３８号公報

特許文献１に記載されている技術では、フィードバック制御からフィードフォワード制御に切り替えたときに、目標値に対する制御誤差が大きくなりすぎてしまう。また、フィードフォワード制御に一旦切り替えた後は、フィードバック制御に戻すことができない。そのため、ソフトエラーのような一過性の障害に対処するためには適切でない。

本発明は、上記のような従来技術の問題点を解消するためになされたものである。本発明の主な目的は、ソフトエラーが発生した場合にも安全に制御動作を継続できるフィードバック制御装置および電動パワーステアリング装置を実現することにある。

本発明の一態様によるフィードバック制御装置は、目標値と出力値の差分に応じた入力値に基づいて前記出力値を制御するための制御値を決定するものであって、ソフトエラーが発生する前の第１の期間では、現在の入力値と過去の入力値とを用いた第１のフィードバック制御により前記制御値を決定し、前記ソフトエラーが発生した後の所定の第２の期間では、現在の入力値を用いて過去の入力値を用いない第２のフィードバック制御により前記制御値を決定し、前記第２の期間を経過した後の第３の期間では、前記第１のフィードバック制御を再開する。
本発明の他の一態様によるフィードバック制御装置は、目標値と出力値の差分に応じた入力値に基づいて前記出力値を制御するための制御値を決定するものであって、ソフトエラーが発生する前の第１の期間では、前記目標値と前記出力値との間の定常偏差が所定の第１の値であり、前記ソフトエラーが発生した後の所定の第２の期間では、前記目標値と前記出力値との間の定常偏差が前記第１の値よりも大きくなる。
本発明による電動パワーステアリング装置は、上記のフィードバック制御装置と、操舵機構に対するアシストトルクを発生するモータと、前記フィードバック制御装置で決定された制御値に基づいて前記モータを駆動させるインバータとを備える。

本発明によれば、ソフトエラーが発生した場合にも安全に制御動作を継続できるフィードバック制御装置および電動パワーステアリング装置を実現することができる。

本発明の第１の実施形態に係る電動パワーステアリング装置の構成を示す図である。 制御システムのハードウェア構成の一例を示す図である。 第１の処理方法によるソフトエラー発生時の処理の例を示す図である。 第２の処理方法によるソフトエラー発生時の処理の例を示す図である。 第３の処理方法によるソフトエラー発生時の処理の例を示す図である。 第３の処理方法における比例ゲイン係数Ｋｐ、積分ゲイン係数Ｋｉおよび微分ゲイン係数Ｋｄの変化の様子を示した図である。 第３の処理方法における積分器および微分器の内部データの変化の様子を示した図である。 制御目標値が矩形波状に変換する場合の制御システムの出力値の変化の様子を示す図である。 制御目標値がランプ入力状に変化する場合の制御システムの出力値の変化の様子を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る電動パワーステアリング装置の全体構成を示す図である。 本発明の第３の実施形態に係る制御器の制御ブロックを示す図である。 本発明の第３の実施形態における係数行列の変化の様子を示した図である。 本発明の第３の実施形態における積分器の内部データの変化の様子を示した図である。

以下、図面に基づいて本発明の実施形態を説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る電動パワーステアリング装置の構成を示す図である。図１（ａ）は、電動パワーステアリング装置の全体構成を示す図であり、図１（ｂ）は、電動パワーステアリング装置における制御器２０２の制御ブロック図である。

図１（ａ）に示すように、電動パワーステアリング装置は、モータ２、インバータ１００および制御システム２００により構成される。モータ２は、電動パワーステアリング装置が搭載された車両に設けられている不図示の操舵機構に対するアシストトルクを発生するための三相交流モータであり、インバータ１００によりその駆動が制御される。インバータ１００は、制御システム２００からモータ２のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各相に対して出力される目標デューティサイクルＤｕａｌｌ、ＤｖａｌｌおよびＤｗａｌｌに基づいて、不図示の各相のスイッチング素子をＰＷＭ制御によりそれぞれ駆動させる。これにより、モータ２に流れる各相の電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗが制御され、モータ２が駆動される。

制御システム２００は、電流指令値演算部２０１、制御器２０２、２相３相変換部２０３、デューティ演算部２０４および３相２相変換部２０５を機能的に有する。

モータ２に流れる各相の電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗは、インバータ１００とモータ２の間に接続された各相の交流出力線に設けられた電流センサ１１０により検出され、制御システム２００に入力される。３相２相変換部２０５は、電流センサ１１０により検出された各相の電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗの値をｄ軸電流Ｉｄおよびｑ軸電流Ｉｑに変換する。

電流指令値演算部２０１は、操舵機構に対する運転者の操舵量等に応じて外部から入力されるトルク指令に基づいて、ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊およびｑ軸電流指令値Ｉｑ＊を演算する。このｄ軸電流指令値Ｉｄ＊およびｑ軸電流指令値Ｉｑ＊から、３相２相変換部２０５で求められたｄ軸電流Ｉｄおよびｑ軸電流Ｉｑをそれぞれ減算した値が、ｄ軸誤差信号δＩｄおよびｑ軸誤差信号δＩｑとして、制御器２０２に入力される。すなわち、制御器２０２への入力値であるｄ軸誤差信号δＩｄ、ｑ軸誤差信号δＩｑは、電動パワーステアリング装置の制御目標値であるトルク指令と、このトルク指令に対する出力値であるモータ２の出力トルクとの差分に応じて決定されるものである。

制御器２０２は、本発明の一実施形態に係るフィードバック制御装置として機能するものであり、入力値に応じたフィードバック制御を行う。具体的には、入力されたｄ軸誤差信号δＩｄ、ｑ軸誤差信号δＩｑに基づいて、トルク指令に対するモータ２の出力トルクを制御するための制御値として、ｄ軸目標電圧Ｖｄおよびｑ軸目標電圧Ｖｑを決定する。このフィードバック制御については、後で図１（ｂ）を参照して詳しく説明する。

２相３相変換部２０３は、モータ２に設けられた不図示の磁極位置センサから出力される磁極位置の情報に基づいて、制御器２０２で決定されたｄ軸目標電圧Ｖｄおよびｑ軸目標電圧Ｖｑを、各相の電圧目標値Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗに変換する。

デューティ演算部２０４は、２相３相変換部２０３で求められた電圧目標値Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗに基づいて、各相の目標デューティサイクルＤｕａｌｌ、Ｄｖａｌｌ、Ｄｗａｌｌを演算し、インバータ１００に出力する。

次に、図１（ｂ）に示す制御器２０２の制御ブロック図について説明する。図１（ｂ）に示すように、制御器２０２は、積分器２０２１と、微分器２０２２と、増幅器２０２３、２０２４および２０２５と、加算器２０２６との各制御ブロックを有している。

増幅器２０２３は、入力値として制御器２０２に入力されたｄ軸誤差信号δＩｄ、ｑ軸誤差信号δＩｑの値に所定の比例ゲイン係数Ｋｐをそれぞれ乗じ、その演算結果を加算器２０２６に出力する。

積分器２０２１は、制御器２０２に時系列的に入力されたｄ軸誤差信号δＩｄ、ｑ軸誤差信号δＩｑの値をそれぞれ累積した結果を内部データとして保持することで、ｄ軸誤差信号δＩｄおよびｑ軸誤差信号δＩｑの積分値を演算する。増幅器２０２４は、積分器２０２１で求められたｄ軸誤差信号δＩｄ、ｑ軸誤差信号δＩｑの積分値に所定の積分ゲイン係数Ｋｉをそれぞれ乗じ、その演算結果を加算器２０２６に出力する。

微分器２０２２は、制御器２０２に入力された現在のｄ軸誤差信号δＩｄ、ｑ軸誤差信号δＩｑの値と、内部データとして保持している直前のｄ軸誤差信号δＩｄ、ｑ軸誤差信号δＩｑの値との差分を求めることで、ｄ軸誤差信号δＩｄおよびｑ軸誤差信号δＩｑの微分値を演算する。増幅器２０２５は、微分器２０２２で求められたｄ軸誤差信号δＩｄ、ｑ軸誤差信号δＩｑの微分値に所定の微分ゲイン係数Ｋｄをそれぞれ乗じ、その演算結果を加算器２０２６に出力する。

加算器２０２６は、上記の各演算値を合計した値に基づいて、制御値としてのｄ軸目標電圧Ｖｄおよびｑ軸目標電圧Ｖｑを決定する。

なお、以上説明したような制御ブロック図により行われる制御器２０２のフィードバック制御は、ＰＩＤ制御と呼ばれるものである。以下では、制御器２０２が行うＰＩＤ制御について、さらに詳しく説明する。

ＰＩＤ制御における入力値をｕ（ｔ）、出力される制御値をｙ（ｔ）と表すと、入力値ｕ（ｔ）と制御値ｙ（ｔ）との関係は、上記の比例ゲイン係数Ｋｐ、積分ゲイン係数Ｋｉおよび微分ゲイン係数Ｋｄを用いて、以下の式（１）のように表される。なお、入力値ｕ（ｔ）は、制御偏差（出力値と目標値との偏差）を表している。

上記の式（１）の右辺において、第一項の値は、現在の時刻ｔにおける入力値ｕ（ｔ）に応じて定まる。一方、積分ゲイン係数Ｋｉと積分器２０２１による積分値の演算結果の積である第二項の値は、時刻０から現在の時刻ｔまでの入力値の蓄積結果に応じて定まる。すなわち、第二項の値は、過去の入力値の履歴から決定される履歴データであるといえる。また、微分ゲイン係数Ｋｄと微分器２０２２による微分値の演算結果の積である第三項の値は、前回の入力値に対する今回の入力値ｕ（ｔ）の変化分に応じて定まる。すなわち、第三項の値についても、蓄積時間は短いものの、第二項の値と同様に、過去の入力値の履歴から決定される履歴データであるといえる。

以上説明したように、ＰＩＤ制御による制御値ｙ（ｔ）は、現在の入力値ｕ（ｔ）および過去の入力値の履歴データから求められる。すなわち、ＰＩＤ制御とは、現在の入力値と過去の入力値とを用いたフィードバック制御である。

次に、制御システム２００のハードウェア構成について説明する。図２は、制御システム２００のハードウェア構成の一例を示す図である。図１（ａ）において示した制御システム２００の各構成は、たとえば図２に示すようなハードウェア構成により実現することができる。

図２に示す例では、制御システム２００は、ＣＰＵ２１０−１および２１０−２、比較器２１１、ＥＣＣ回路２１２、メモリ２１３およびＩ／Ｏ装置２１４により構成される。ＣＰＵ２１０−１および２１０−２は、メモリ２１３に記憶されているプログラムを実行することで、図１（ａ）の各制御ブロックに対応する制御処理をそれぞれ実現する。制御システム２００では、こうして２つのＣＰＵを並行に動作させることで、処理の冗長化を行っている。

比較器２１１は、ＣＰＵ２１０−１の出力と、ＣＰＵ２１０−２の出力とを比較することで、これらの処理結果における異常の有無を判断する。ＣＰＵ２１０−１またはＣＰＵ２１０−２において、ハードウェア故障等の永続的な障害、またはソフトエラー等の過渡的な障害が発生した場合、ＣＰＵ２１０−１とＣＰＵ２１０−２の間で出力が不一致となる。この場合、比較器２１１は、いずれか一方の処理結果に異常があると判断する。

比較器２１１により異常判断がなされた場合、ＣＰＵ２１０−１および２１０−２は、所定のリセット処理をそれぞれ実行する。このリセット処理では、制御処理を再開する際に必要となる変数、たとえば各種ポインタ、セマフォ、カウンタ等のオペレーティングシステムが使用する変数やプログラムカウンタなどを回復して再設定すると共に、メモリ２１３に記憶されている各種の制御データを初期値にリセットする。この制御データには、図１（ｂ）の積分器２０２１で求められるＰＩＤ制御用の積分値や、微分器２０２２で求められるＰＩＤ制御用の微分値が含まれる。なお、近年のプロセッサ動作速度の向上により、上記のような変数の再設定は、制御対象の時定数に比べて無視できる程度の短時間で行うことが可能である。

リセット処理が終了したら、ＣＰＵ２１０−１および２１０−２は、制御処理を再開する。なお、ハードウェア故障等の永続的な障害により、制御処理を再開した後にも異常判断が継続するような場合は、制御システム２００の運用を停止することが好ましい。これを判断するために、リセット処理を行った後にハードウェアの診断等を行ってもよい。

ＥＣＣ回路２１２は、ＣＰＵ２１０−１および２１０−２とメモリ２１３との間で入出力されるデータに誤り訂正符号（ＥＣＣ）を付加し、この誤り訂正符号に基づいて、データに誤りがある場合は、その誤りを検出して訂正する。Ｉ／Ｏ装置２１４は、制御システム２００と外部装置との間でデータ入出力を行う。

なお、以上説明した制御システム２００のハードウェア構成は一例であり、他のハードウェア構成としてもよい。たとえば、３つ以上のＣＰＵを用いて処理を冗長化してもよいし、冗長化をせずに１つのＣＰＵのみを用いてもよい。図１（ａ）に示したような制御システム２００を実現できるものであれば、どのようなハードウェア構成としてもよい。

次に、制御器２０２においてソフトエラーが発生した場合の処理について説明する。制御器２０２内のＣＰＵ２１０−１またはＣＰＵ２１０−２においてソフトエラーが発生した場合、前述のように比較器２１１により異常判断がなされ、これに応じて、ＣＰＵ２１０−１およびＣＰＵ２１０−２においてリセット処理が行われる。その結果、図１（ｂ）に示した制御ブロックにおいて、積分器２０２１および微分器２０２２の内容がリセットされてこれらの内部データが消去されるため、制御処理を再開した直後は、履歴データである積分値や微分値を用いたＰＩＤ制御を実行できなくなる。

そこで、制御器２０２は、制御処理を再開してから所定の期間内では、現在の入力値を用いて過去の入力値を用いないフィードバック制御を行いつつ、このフィードバック制御での収束動作により、積分器２０２１および微分器２０２２の内部データをそれぞれ回復させる。具体的には、前述の式（１）において、第二項の積分ゲイン係数Ｋｉおよび第三項の微分ゲイン係数Ｋｄを０とすることで、現在の入力値に応じた第一項の値のみを用いたフィードバック制御であるＰ制御により制御値を求めるようにする。このとき、積分器２０２１および微分器２０２２に対しては、入力値であるｄ軸誤差信号δＩｄおよびｑ軸誤差信号δＩｑを入力し続けることで、これらの内部データを回復させるようにする。積分器２０２１および微分器２０２２の内部データを回復できたら、制御器２０２は、積分ゲイン係数Ｋｉと微分ゲイン係数Ｋｄをそれぞれ元の値に戻すことでＰＩＤ制御を再開し、通常の制御動作に戻る。

以上説明したソフトエラー発生時の一連の処理について、図３〜５を参照してさらに詳しく説明する。図３は、第１の処理方法によるソフトエラー発生時の処理の例を示す図であり、図４は、第２の処理方法によるソフトエラー発生時の処理の例を示す図であり、図５は、第３の処理方法によるソフトエラー発生時の処理の例を示す図である。制御器２０２は、ソフトエラー発生時には、これらの図に示した処理方法のいずれかに従って処理を行うことができる。なお、図３〜５のいずれにおいても、時刻Ｔ０でソフトエラーが発生する以前は、制御器２０２は正常に動作しており、ＰＩＤ制御による制御動作を行っているものとする。

図３に示す第１の処理方法では、時刻Ｔ０においてソフトエラーが発生すると、制御器２０２は、前述のリセット処理を行った後の時刻Ｔ１以降での制御処理を、ソフトエラー発生前のＰＩＤ制御から、履歴データを用いないフィードバック制御であるＰ制御に切り替える。その後、時刻Ｔ１から時刻Ｔ２の期間では、収束動作を行うことにより、ＰＩＤ制御に必要な積分器２０２１および微分器２０２２の内部データを回復させる。こうして積分器２０２１および微分器２０２２の内部データを回復できたら、制御器２０２は、時刻Ｔ２以降での制御処理をＰ制御からＰＩＤ制御に切り替えて、ソフトエラー発生前の制御状態に戻る。

なお、微分器２０２２の内部データは、前述のように直前のｄ軸誤差信号δＩｄ、ｑ軸誤差信号δＩｑの値であるため、少なくとも１回の制御周期（制御フレーム）を経過すれば、回復が可能である。したがって、時刻Ｔ１から時刻Ｔ３の期間では微分器２０２２の内部データの回復を優先的に行い、続いて時刻Ｔ３から時刻Ｔ２の期間に積分器２０２１の内部データを回復させることが好ましい。このとき、時刻Ｔ３から時刻Ｔ２の期間では、微分器２０２２で求められた微分値を加味したＰ制御（ＰＤ制御）を行うようにしてもよい。

図４に示す第２の処理方法では、時刻Ｔ０においてソフトエラーが発生すると、制御器２０２は、第１の処理方法と同様に、時刻Ｔ１以降での制御処理をＰＩＤ制御からＰ制御に切り替える。このとき、時刻Ｔ１から時刻Ｔ４の期間では、制御器２０２の制御レートを低下させることで、この期間に行われるＰ制御の周期を、時刻Ｔ１以前でのＰＩＤ制御の周期よりも長くする。これにより、制御器２０２において制御処理に割り当てる時間の割合を通常時よりも低減し、ハードウェアの診断や各種設定値の修正など、ソフトエラー発生後に制御動作を継続するのに必要な処理を行うための時間を確保する。

なお、時刻Ｔ１から時刻Ｔ４の期間では、上記のように制御レートを落とすことで、Ｐ制御における無駄時間遅れが増加し、位相余裕が悪化する。これを補償するために、時刻Ｔ１から時刻Ｔ４の期間では、通常時よりも比例ゲイン係数Ｋｐを低下させることが好ましい。

積分器２０２１および微分器２０２２の内部データを回復できたら、制御器２０２は、第１の処理方法と同様に、時刻Ｔ２以降での制御処理をＰ制御からＰＩＤ制御に切り替えて、ソフトエラー発生前の制御状態に戻る。なお、第１の処理方法で説明したように、時刻Ｔ１から時刻Ｔ３の期間に微分器２０２２の内部データを回復させ、時刻Ｔ３から時刻Ｔ２の期間では、微分器２０２２で求められた微分値を加味したＰ制御（ＰＤ制御）を行うようにしてもよい。

図５に示す第３の処理方法では、時刻Ｔ０においてソフトエラーが発生すると、制御器２０２は、第１、第２の処理方法と同様に、時刻Ｔ１以降での制御処理をＰＩＤ制御からＰ制御に切り替える。その後、時刻Ｔ５までに積分器２０２１および微分器２０２２の内部データを回復させたら、制御器２０２は、時刻Ｔ５から時刻Ｔ２の期間において、Ｐ制御からＰＩＤ制御に徐々に移行する。具体的には、比例ゲイン係数Ｋｐ、積分ゲイン係数Ｋｉおよび微分ゲイン係数Ｋｄの値を、Ｐ制御用の値からＰＩＤ制御用の値へと徐々にそれぞれ変化させる。これにより、Ｐ制御からＰＩＤ制御に切り替える際に制御値が急激に変化することを抑制し、滑らかな制御の切り替えが行われるようにする。時刻Ｔ２においてＰＩＤ制御に完全に移行した後は、第１、第２の処理方法と同様に、ソフトエラー発生前の制御状態に戻る。

なお、第３の処理方法でも、第１の処理方法で説明したように、時刻Ｔ１から時刻Ｔ３の期間に微分器２０２２の内部データを回復させることが好ましい。この場合、第１、第２の処理方法と同様に、時刻Ｔ３から積分器２０２１の内部データが回復されてＰＩＤ制御への移行が開始される時刻Ｔ５の期間では、微分器２０２２で求められた微分値を加味したＰ制御（ＰＤ制御）を行うようにしてもよい。

図６は、第３の処理方法における比例ゲイン係数Ｋｐ、積分ゲイン係数Ｋｉおよび微分ゲイン係数Ｋｄの変化の様子を示した図である。制御器２０２は、図６に示すように、時刻Ｔ１では比例ゲイン係数Ｋｐを上昇させると共に、積分ゲイン係数Ｋｉおよび微分ゲイン係数Ｋｄを０とすることで、ＰＩＤ制御からＰ制御に切り替える。その後、微分器２０２２の内部データが回復したら、時刻Ｔ３から時刻Ｔ５までの期間において、微分ゲイン係数Ｋｄを徐々に上昇させてＰＤ制御を行う。なお、このとき微分ゲイン係数Ｋｄを０のままとして、Ｐ制御を継続してもよい。

積分器２０２１の内部データが回復したら、制御器２０２は、時刻Ｔ５から時刻Ｔ２の期間において、比例ゲイン係数Ｋｐを徐々に低下させると共に、積分ゲイン係数Ｋｉおよび微分ゲイン係数Ｋｄを徐々に上昇させることにより、Ｐ制御（ＰＤ制御）からＰＩＤ制御へと徐々に移行する。時刻Ｔ２において、比例ゲイン係数Ｋｐ、積分ゲイン係数Ｋｉおよび微分ゲイン係数Ｋｄがソフトエラー発生前の値に戻ったら、制御器２０２は、それ以降の期間においてＰＩＤ制御を行う。

図７は、第３の処理方法における積分器２０２１および微分器２０２２の内部データの変化の様子を示した図である。図７に示すように、時刻Ｔ０でソフトエラーが発生すると、積分器２０２１および微分器２０２２の内部データは不定となる。その後、リセット処理が行われることにより、時刻Ｔ１において積分器２０２１および微分器２０２２の内部データが０にリセットされる。

時刻Ｔ６において微分器２０２２のリセットが解除されると、微分器２０２２の収束動作が開始され、微分器２０２２の内部データが０から徐々に回復する。続いて、時刻Ｔ３において積分器２０２１のリセットが解除されると、積分器２０２１の収束動作が開始され、積分器２０２１の内部データが０から徐々に回復する。

以上説明したように、第３の処理方法では、ソフトエラー発生後に積分器２０２１および微分器２０２２の内部データをリセットしてＰ動作に切り替え、その後に比例ゲイン係数Ｋｐ、積分ゲイン係数Ｋｉおよび微分ゲイン係数Ｋｄを徐々に変化させてＰＩＤ制御を再開する。これにより、積分の収束予測値を用いたり、出力が過大な場合には一時的に積分動作を停止したりする従来のＰＩＤ制御におけるワインドアップ対策の手法と比べて、積分器２０２１の内部データを速やかに収束させることができる。

図８は、制御目標値が矩形波状に変換する場合の出力値の変化の様子を示す図である。この場合、図８に示すように、時刻Ｔ０でソフトエラーが発生すると、Ｐ制御に切り替えられてからＰＩＤ制御に戻るまでの期間では、目標値と出力値との間の定常偏差が通常時よりも拡大する。このときの定常偏差の大きさは、Ｐ制御の制御系は積分器の数が０である０型制御系に相当することから、比例ゲイン係数Ｋｐを用いて、１／（１＋Ｋｐ）と表すことができる。一方、ソフトエラー発生前および積分器２０２２の内部データ回復後のＰＩＤ制御期間では、定常偏差が略０となる。

図９は、制御目標値がランプ入力状に変化する場合の出力値の変化の様子を示す図である。なお、図９において、波形９１は、図１（ｂ）のように制御器２０２内に１つの積分器２０２１を設けた１型制御系の場合の出力値を示しており、波形９２は、制御器２０２内に２つの積分器２０２１を設けた２型制御系の場合の出力値を示している。また、図９に参考として示した波形９０は、積分器の数が０である０型制御系での出力値を示している。

制御目標値がランプ入力状に変化する場合、図９に示すように、時刻Ｔ０においてソフトエラーが発生すると、Ｐ制御に切り替えられてからＰＩＤ制御に戻るまでの期間では、目標値と出力値との間の定常偏差が徐々に拡大していく。このときの出力値の傾きは、１型制御系、２型制御系いずれの場合でも、０型制御系と等しくなる。一方、ソフトエラー発生前および積分器２０２２の内部データ回復後のＰＩＤ制御期間では、１型制御系の場合は定常偏差が一定の値となり、２型制御系の場合は略０となる。

以上説明した本発明の第１の実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。

（１）フィードバック制御装置として機能する制御器２０２は、入力値であるｄ軸誤差信号δＩｄおよびｑ軸誤差信号δＩｑに基づいて、電動パワーステアリング装置の出力値を制御するための制御値であるｄ軸目標電圧Ｖｄおよびｑ軸目標電圧Ｖｑを決定する。この処理において、制御器２０２は、ソフトエラーが発生する時刻Ｔ０より前の期間では、現在の入力値と過去の入力値とを用いたＰＩＤ制御により、制御値であるｄ軸目標電圧Ｖｄおよびｑ軸目標電圧Ｖｑを決定する。一方、ソフトエラーが発生した後の時刻Ｔ１から時刻Ｔ２（または時刻Ｔ３）までの期間では、制御器２０２は、現在の入力値を用いて過去の入力値を用いないＰ制御により、制御値であるｄ軸目標電圧Ｖｄおよびｑ軸目標電圧Ｖｑを決定する。また、この期間を経過した後の時刻Ｔ２以降の期間では、ＰＩＤ制御を再開する。このようにしたので、ソフトエラーが発生した場合にも安全に制御動作を継続することができる。

（２）制御器２０２は、ＰＩＤ制御では、加算器２０２６により、現在の入力値に所定の比例ゲイン係数Ｋｐを乗じた演算値と、過去の入力値に基づく積分器２０２１による積分値および微分器２０２２による微分値に所定の積分ゲイン係数Ｋｉ、微分ゲイン係数Ｋｄをそれぞれ乗じた演算値とを合計することで、制御値であるｄ軸目標電圧Ｖｄおよびｑ軸目標電圧Ｖｑを決定する。一方、Ｐ制御では、積分ゲイン係数Ｋｉおよび微分ゲイン係数Ｋｄをそれぞれ０とすることで、過去の入力値に基づく積分値および微分値を用いないようにする。このようにしたので、Ｐ制御を実行しつつ、積分器２０２１および微分器２０２２の内部データを回復させることができる。

（３）図５に示した第３の処理方法において、制御器２０２は、時刻Ｔ５から時刻Ｔ２までの期間では、積分ゲイン係数Ｋｉおよび微分ゲイン係数Ｋｄをそれぞれ０から元の値まで徐々に増加させる。このようにしたので、Ｐ制御からＰＩＤ制御に切り替える際に制御値が急激に変化することを抑制し、滑らかな制御の切り替えを実現できる。

（４）図４に示した第２の処理方法において、制御器２０２は、時刻Ｔ１から時刻Ｔ４までの期間では、Ｐ制御の周期をＰＩＤ制御の周期よりも長くする。このようにしたので、Ｐ制御を実行しつつ、ソフトエラー発生後に制御動作を継続するのに必要な処理のための処理時間を確保することができる。

（５）制御器２０２は、時刻Ｔ０においてソフトエラーが発生した後に、ＰＩＤ制御において用いられる過去の入力値に基づく積分値および微分値をリセットする。このようにしたので、ソフトエラーにより積分値や微分値が異常な値となった場合でも、リセット後に正常なＰＩＤ制御を行うことができる。

（６）図８、図９に示すように、時刻Ｔ０においてソフトエラーが発生する前のＰＩＤ制御が実行される期間では、目標値と出力値との間の定常偏差が所定の値である。一方、ソフトエラーが発生した後のＰ制御が実行される期間では、目標値と出力値との間の定常偏差が、上記の値よりも大きくなる。このようにしたので、ソフトエラーが発生してから積分器２０２１および微分器２０２２の内部データが回復されるまでの間では、通常時よりも定常偏差が拡大するものの、制御動作を継続することができる。

（第２の実施形態）
図１０は、本発明の第２の実施形態に係る電動パワーステアリング装置の全体構成を示す図である。図１０において、図１（ａ）に示した第１の実施形態に係る電動パワーステアリング装置との違いは、制御システム２００が磁極位置記憶部２０７−１、２０７−２および２０７−３と、多数決部２０８とをさらに備える点である。

磁極位置記憶部２０７−１、２０７−２および２０７−３は、モータ２の磁極位置を冗長化して記憶するための記憶装置として機能する部分である。モータ２に設けられた不図示の磁極位置センサから出力された磁極位置の情報は、磁極位置記憶部２０７−１〜２０７−３にそれぞれ入力されて記憶される。

多数決部２０８は、磁極位置記憶部２０７−１〜２０７−３にそれぞれ記憶されている磁極位置を読み出し、これらの多数決をとってその結果を２相３相変換部２０３に出力する。これにより、ソフトエラー等によって磁極位置記憶部２０７−１〜２０７−３のいずれかに誤った磁極位置が記憶されていた場合でも、正しい磁極位置を得られるようにしている。

一般的に電動パワーステアリング装置では、ブラシレスモータが多用されている。モータ２としてブラシレスモータを用いた場合、制御システム２００がモータ２を制御する際に懸念すべきことの一つは、モータ２の磁極位置の変化に制御が追従できなくなって脱調することである。特に、磁極位置センサにレゾルバを用いた場合には、センサ信号から磁極位置を算出する必要があるため、磁極位置が得られるまでに時間がかかる。したがって、ソフトエラーにより制御システム２００の動作が一時的に停止して再開するときには、磁極位置をタイムリーに得られず、脱調の恐れがある。

そこで、本実施形態の電動パワーステアリング装置では、図１０に示した構成により、磁極位置記憶部２０７−１〜２０７−３に磁極位置情報を冗長化して記憶しておく。これにより、ソフトエラー発生時においても、磁極位置算出のための時間遅れによる脱調を防ぎ、制御動作を継続させることができる。

たとえば、制御システム２００によるモータ２の制御周期が１００μｓ〜１ｍｓ程度であり、積分器２０２１を収束させるために１０回程度の制御を行う必要があるとすると、積分器２０２１の内部データを回復するためには、１ｍｓ〜１０ｍｓ程度の時間がかかることになる。本発明は、第１の実施形態で説明したように、この間にＰ動作をしながら制御動作を継続させることで、モータ制御の脱調を防ぐものである。さらに、上記のように磁極位置センサにレゾルバを用いた場合、たとえば励磁信号の周波数を１０ｋＨｚとすると、磁極位置の検出には少なくとも励磁信号の１周期分、すなわち１００μｓ程度の時間がかかることになる。本実施形態では、磁極位置記憶部２０７−１〜２０７−３に磁極位置情報を冗長化して記憶しておくことで、この分の時間を短縮することが可能となる。なお、オペレーティングシステムの動作に必要な変数の復帰には、制御システム２００におけるプロセッサのクロック周波数がたとえば数百ＭＨｚである場合、数百〜数千ステップ程度の処理時間、すなわち１〜１０μｓ程度の時間がかかる。しかしこの時間は、磁極位置の検出時間に比べて十分に短いため、ソフトエラー発生後にモータ制御を継続する際に特に問題とはならない。

以上説明した本発明の第２の実施形態によれば、電動パワーステアリング装置は、モータ２の磁極位置を冗長化して記憶する記憶装置としての磁極位置記憶部２０７−１〜２０７−３をさらに備える。このようにしたので、ソフトエラー発生後にモータ制御を継続する際の脱調を効果的に抑止することができる。

（第３の実施形態）
なお、以上説明した各実施形態では、ソフトエラー発生前および積分器２０２１の内部データ回復後の期間では、現在の入力値と過去の入力値とを用いたフィードバック制御としてＰＩＤ制御を行い、ソフトエラーが発生してから積分器２０２１の内部データが回復するまでの期間では、現在の入力値を用いて過去の入力値を用いないフィードバック制御としてＰ制御を行うフィードバック制御装置の例を説明した。しかし、本発明はこれに限定されず、たとえば現代制御理論によるフィードバック制御など、様々なフィードバック制御を行うフィードバック制御装置についても適用可能である。以下では、本発明の第３の実施形態として、現代制御理論によるフィードバック制御を行うフィードバック制御装置に適用した場合の例を説明する。

一般に、現代制御理論によるフィードバック制御では、制御対象とするシステムの状態と入力との関係を状態方程式で表すと共に、この状態方程式から求められるシステム状態に基づいて入力される制御偏差に対する制御値を決定することで、フィードバック制御が行われる。たとえば、入力値をｕ（ｔ）、システム状態をｘ（ｔ）と表すと、これらの関係を表す状態方程式は下記の式（２）で表される。ただし式（２）において、Ａ，Ｂはそれぞれ所定の係数行列である。

ここで出力される制御値をｙ（ｔ）と表すと、この制御値ｙ（ｔ）は以下の式（３）に示すように、入力値ｕ（ｔ）とシステム状態ｘ（ｔ）により求められる。ただし式（３）において、Ｃ，Ｄはそれぞれ所定の係数行列である。

上記の式（３）において、システム状態ｘ（ｔ）は、式（２）の演算を繰り返すことにより更新される履歴データである。

図１１は、以上説明した現代制御理論によるフィードバック制御、すなわち過去のシステム状態に基づく制御（以下、「状態制御」と称する）を行う場合の、本発明の第３の実施形態に係る制御器２０２の制御ブロック図である。図１１に示すように、本実施形態において状態制御を行う制御器２０２は、状態生成部２０２ａと、出力信号生成部２０２ｂとを有している。

前述の式（２）の両辺を積分することにより、以下の式（４）が導かれる。

図１１に示した本実施形態の制御器２０２において、状態生成部２０２ａは、式（２）および（４）に基づいて、積分器２１２１と、係数行列Ａ、Ｂにそれぞれ対応する増幅器２１２２、２１２３と、加算器２１２６との各制御ブロックにより構成される。一方、出力信号生成部２０２ｂは、式（３）に基づいて、係数行列Ｃ、Ｄにそれぞれ対応する増幅器２１２４、２１２５と、加算器２１２７との各制御ブロックにより構成される。

なお、係数行列Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄはそれぞれ行列演算を表している。たとえば、システム状態ｘ（ｔ）がｎ次元、入力値ｕ（ｔ）がｍ次元であり、制御器２０２の出力である制御値ｙ（ｔ）が１次元の時には、係数行列Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄは、Ａ：ｎ×ｎ、Ｂ：ｎ×ｍ、Ｃ：１×ｎ、Ｄ：１×ｍの行列式によりそれぞれ表される。

本実施形態では、第１の実施形態で説明したように比較器２１１において異常判断が行われて障害（ＳＥＵ）発生が検出されると、制御器２０２は、係数行列Ｃの値を一時的に０とする。このとき制御器２０２から出力される制御値ｙ（ｔ）は、前述の式（３）においてＣ＝０を代入することにより、以下の式（５）で表される。

上記の式（５）により、制御器２０２においてＣ＝０とすることで、前述の状態制御から、過去のシステム状態を用いない制御（以下、「非状態制御」と称する）へと移行できることが分かる。この非状態制御の実行中に、制御器２０２は、制御対象であるモータ２の動作を継続させながら、障害（ＳＥＵ）により破壊された積分器２１２１に保存されているシステム状態ｘ（ｔ）の値を収束および回復させる。その後、制御器２０２は、状態制御を再開させることが可能となる。

なお、本実施形態において、制御器２０２への入力値ｕ（ｔ）と、制御器２０２から出力される制御値ｙ（ｔ）とは、いずれも多変数で表される値である。ここで、Ｕ（ｔ）＝（δＩｑ，δＩｄ）、ｙ（ｔ）＝（Ｖｑ，Ｖｄ）とすれば、第１の実施形態で説明した図１（ａ）の電動パワーステアリング装置に適用できる。

図１２は、本発明の第３の実施形態における係数行列Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄの変化の様子を示した図である。なお、係数行列Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄは、複数の行列要素で構成される行列式としてそれぞれ表されるものであるが、図１２では、これらの変化の様子を分かりやすくするため、各係数行列の大きさを、それぞれの行列式における任意の要素の大きさで代表して示している。

制御器２０２は、図１２に示すように、時刻Ｔ１では係数行列Ｄを上昇させると共に、係数行列Ｃを０とすることで、状態制御から非状態制御に切り替える。その後、積分器２１２１の内部データが回復したら、制御器２０２は、時刻Ｔ５から時刻Ｔ２の期間において、係数行列Ｄを徐々に低下させると共に、係数行列Ｃを徐々に上昇させることにより、非状態制御から状態制御へと徐々に移行する。時刻Ｔ２において、係数行列Ｃ、Ｄが障害発生前の値に戻ったら、制御器２０２は、それ以降の期間において状態制御を行う。

ここで、式（５）から明らかなように、Ｃ＝０とすれば、システム状態ｘ（ｔ）の値は制御器２０２から出力される制御値ｙ（ｔ）の値に影響を及ぼさない。そのため、係数行列Ａ、Ｂについては、非状態制御のときに値を変化させる必要がなく、むしろ図１２に示すように変化させないほうが、システム状態ｘ（ｔ）の収束および回復を促進させられるために望ましい。

図１３は、本発明の第３の実施形態における積分器２１２１の内部データの変化の様子を示した図である。なお、積分器２１２１の内部状態は多変数で表されるものであるが、図１３では、積分器２１２１の内部状態の変化の様子を分かりやすくするため、積分器２１２１の内部データの値の大きさを、多変数のうち任意の要素（変数）の大きさで代表して示している。

図１３に示すように、時刻Ｔ０でソフトエラーが発生すると、積分器２１２１の内部データは不定となる。その後、リセット処理が行われることにより、時刻Ｔ１において積分器２１２１の内部データが０にリセットされる。時刻Ｔ３において積分器２１２１のリセットが解除されると、積分器２１２１の収束動作が開始され、積分器２１２１の内部データが０から徐々に回復する。こうして積分器２１２１を収束させた後、時刻Ｔ２以降では、係数行列Ｃ、Ｄを障害発生前と同じ値とし、元の状態制御に戻る。

以上述べたように、本実施形態によれば、現代制御理論によるフィードバック制御において、状態制御に必要なシステム状態ｘ（ｔ）の履歴データが障害（ＳＥＵ）により破壊された場合でも、非状態制御で制御動作を継続することができる。また、非状態制御で制御動作を継続しながら、システム状態ｘ（ｔ）の履歴データを収束および回復させることができる。そのため、制御段差なく状態制御を再開させることが可能となる。

なお、現代制御理論では、システム内部の状態量を推定するために、たとえばオブザーバが用いられる。また、外乱の影響を除去するのにカルマンフィルタが多用されている。カルマンフィルタにおいては、システム状態の推定値は、それまでに観測された観測値の全てを用いた線形結合の形で表現される履歴データとして表すことができる。なお、システムが制御入力を受ける場合は、その入力値の履歴データも含めて、システム状態の推定値が求められる。

また、以上説明した各実施形態では、電動パワーステアリング装置に１つのインバータ１００が搭載されている場合を説明したが、複数のインバータが搭載されていてもよい。この場合、複数のインバータを用いて複数のモータまたは巻き線を駆動することで、インバータ、モータ、巻き線を冗長化し、これらの故障によっても動作継続できるようにすることも可能である。

以上説明した各実施形態では、電動パワーステアリング装置においてフィードバック制御を行うフィードバック制御装置の例を説明したが、フィードバック制御を行うものであれば、他の装置やシステムにおいて用いられるものに本発明を適用してもよい。

以上説明した各実施形態や各種の変化例はあくまで一例であり、発明の特徴が損なわれない限り、本発明はこれらの内容に限定されない。本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

２：モータ、１００：インバータ、２００：制御システム、２０１：電流指令値演算部、２０２：制御器、２０３：２相３相変換部、２０４：デューティ演算部、２０５：３相２相変換部、２０７−１，２０７−２，２０７−３：磁極位置記憶部、２０８：多数決部、２０２１：積分器、２０２２：微分器、２０２３，２０２４，２０２５：増幅器、２０２６：加算器

Claims (11)

1. 目標値と出力値の差分に応じた入力値に基づいて前記出力値を制御するための制御値を決定するフィードバック制御装置であって、
   ソフトエラーが発生する前の第１の期間では、現在の入力値と過去の入力値とを用いた第１のフィードバック制御により前記制御値を決定し、
   前記ソフトエラーが発生した後の所定の第２の期間では、現在の入力値を用いて過去の入力値を用いない第２のフィードバック制御により前記制御値を決定し、
   前記第２の期間を経過した後の第３の期間では、前記第１のフィードバック制御を再開するフィードバック制御装置。
2. 請求項１に記載のフィードバック制御装置において、
   前記第１のフィードバック制御では、前記現在の入力値に所定の第１の係数を乗じた演算値と、前記過去の入力値に基づく値に所定の第２の係数を乗じた演算値とを合計することで、前記制御値を決定し、
   前記第２のフィードバック制御では、前記第２の係数を０とすることで、前記過去の入力値に基づく値を用いないようにするフィードバック制御装置。
3. 請求項２に記載のフィードバック制御装置において、
   前記第２の期間と前記第３の期間との間に設けられた所定の第４の期間では、前記第２の係数を０から元の値まで徐々に増加させるフィードバック制御装置。
4. 請求項１に記載のフィードバック制御装置において、
   前記第２の期間のうち所定の第５の期間では、前記第２のフィードバック制御の周期を前記第１のフィードバック制御の周期よりも長くするフィードバック制御装置。
5. 請求項１に記載のフィードバック制御装置において、
   前記第１の期間では、前記第１のフィードバック制御としてＰＩＤ制御を行い、
   前記第２の期間では、前記第２のフィードバック制御としてＰ制御を行うフィードバック制御装置。
6. 請求項１に記載のフィードバック制御装置において、
   前記第１のフィードバック制御および前記第２のフィードバック制御として、現代制御理論による状態方程式に基づくフィードバック制御を行うフィードバック制御装置。
7. 請求項１に記載のフィードバック制御装置において、
   前記ソフトエラーが発生した後に、前記第１のフィードバック制御において用いられる前記過去の入力値に基づく値をリセットするフィードバック制御装置。
8. 請求項１に記載のフィードバック制御装置において、
   前記第１の期間では、前記第１のフィードバック制御として、現代制御理論による状態方程式に基づくフィードバック制御を行い、
   前記第２の期間では、前記第２のフィードバック制御として、システム状態の係数を０とした現代制御理論による状態方程式に基づくフィードバック制御を行うフィードバック制御装置。
9. 目標値と出力値の差分に応じた入力値に基づいて前記出力値を制御するための制御値を決定するフィードバック制御装置であって、
   ソフトエラーが発生する前の第１の期間では、前記目標値と前記出力値との間の定常偏差が所定の第１の値であり、
   前記ソフトエラーが発生した後の所定の第２の期間では、前記目標値と前記出力値との間の定常偏差が前記第１の値よりも大きくなるフィードバック制御装置。
10. 請求項１乃至９のいずれか一項に記載のフィードバック制御装置と、
    操舵機構に対するアシストトルクを発生するモータと、
    前記フィードバック制御装置で決定された制御値に基づいて前記モータを駆動させるインバータと、を備える電動パワーステアリング装置。
11. 請求項１０に記載の電動パワーステアリング装置において、
    前記モータの磁極位置を冗長化して記憶する記憶装置をさらに備える電動パワーステアリング装置。

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