JPH064420B2 - モ−タ駆動式パワ−ステアリング制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、自動車の舵取り装置をモータの回転力で補
助負荷付勢するモータ駆動式パワーステアリング装置に
関し、特に車速センサ故障等に対して高信頼性でフェー
ルセーフを行い安全性を確保すると共に、小形化を実現
したモータ駆動式パワーステアリング装置に関するもの
である。

〔従来の技術〕

従来この種のモータ駆動式パワーステアリング装置は、
モータの電流制御をパワートランジスタによるチョッパ
制御が一般的である。

〔発明が解決しようとする問題点〕 しかしながら、パワートランジスタによりチョッパ制御
による場合には、パワートランジスタがショート故障す
る確率が高く、この場合、補助負荷付勢の目的のモータ
が無制御となって勝手に右または左に回転することとな
り危険である。

また、モータの制御方法などでもモータ自身の特性とし
て、およそ無負荷電流に相当する電流まではモータの外
部出力として回転トルクを取り出すことはできず、この
無負荷電流に相当する電流を考慮しない制御では、応答
性や直線性が悪くなる欠点を有していた。

この発明は、かかる問題点を解決するためになされたも
ので、パワーステアリング機能に重大に関与する車速セ
ンサの異常時や電源配線の断線時でも、マニアルステア
リングとなって危険性が少なく、しかも放熱用ヒートシ
ンクやモータの小形化が可能になるとともに、車速増加
時にマニアルとステアリングへの切換時の機械的ショッ
クを軽減できるモータ駆動式パワーステアリング装置を
得ることを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明に係るモータ駆動式パワーステアリング装置
は、ＤＣモータと電磁クラッチへの電源供給ラインの途
中に常開接点を有するフェールセーフリレーを挿入し、
少なくとも車速センサからの入力信号に異常がある場合
に常開接点を開放すると共に、フェールセーフリレーを
コントロールユニット内に一体化したものである。

〔作用〕

この発明においては、車速センサの異常時や電源配線の
断線などにおいては、フェールセーフリレーが消勢され
てその常開接点が開放され、電磁クラッチおよびＤＣモ
ータへの給電を断ち、ＤＣモータおよび電磁クラッチの
作動を停止させる。

〔実施例〕

以下、この発明のモータ駆動式パワーステアリング装置
の実施例について図面に基づき説明する。第１図はその
一実施例の全体の構成を示す図である。この第１図にお
いて、１は運転者の操舵回転力を受けるハンドルであ
る。

このハンドル１に第１のステアリングシャフト２ａを介
してトルクセンサ３が連結されている。トルクセンサ３
はハンドル１に加えられた回転力に応じて電気信号を出
力してコントロールユニット９に送出するようになって
いる。

トルクセンサ３は第２のステアリングシャフト２ｂを介
して第１のユニバーサルジョイント４ａに連結されてい
る。この第１のユニバーサルジョイント４ａは第３のス
テアリングシャフト２ｃを介して第２のユニバーサルジ
ョイント４ｂに連結され、この第２のユニバーサルジョ
イント４ｂに第１のピニオン軸５が連結されている。

６はラック軸である。このラック軸６は両端に、同時加
工または別々に加工された第１、第２の歯部６ａ，６ｂ
を有している。第１の歯部６ａには第１のピニオン軸５
が噛合しており、第２の歯部６ｂには第２のピニオン軸
１７が噛合している。

ラック軸６の両端はそれぞれダイロット７ａ，７ｂを介
してボールジョイント８ａ，８ｂに連結されている。

一方、上記コントロールユニット９を介してバッテリ１
１の電力がＤＣモータ１３と電磁クラッチ１６に供給す
るようになっている。また、コントロールユニット９は
キースイッチ１２を介してバッテリ１１の正極に接続さ
れている。バッテリ１１の負極はアースされている。コ
ントロールユニット９には車速センサ１０の出力信号も
入力されるようになっている。

上記ＤＣモータ１３は分巻または永久磁石を有してお
り、このＤＣモータ１３の出力軸と同一または連結によ
りウォーム軸１４が形成されている。このウォーム軸は
減速機の高速側を形成している。

このウォーム軸１４にウォームホイル軸１５が噛合する
ようになっている。このウォームホイル軸１５と第２の
ピニオン軸１７の間の機械的な連結、離脱を電磁クラッ
チ１６で行うようになっている。電磁クラッチ１６のこ
の動作はコントロールユニット９により制御するように
なっている。

次に、第２図は上記コントロールユニット９の内部構成
を詳細に説明したものである。この第２図において、９
１はフェールセーフリレーであり、駆動コイル901a、常
開接点901bを有している。駆動コイル901aの一端はキー
スイッチ１２を介してバッテリ１１の正極に接続されて
おり、他端はフェールセーフリレー駆動回路１０２の出
力端に接続されている。

また、常開接点901bはバッテリ１１の正極にヒューズ１
８を介して接続され、かつパワーMOSFETユニット９２の
一方の入力端および電磁クラッチ１６に接続されてい
る。

このパワーMOSFETユニット９２は４個のＮチャンネル型
のパワーMOSFET９２ａ〜９２ｄをブリッジ接続して構成
されている。パワーMOSFETユニット９２の他方の入力端
は抵抗９３を介してアースされ、パワーMOSFETユニット
９２の出力端はＤＣモータ１３に接続されている。

パワーMOSFETユニット９２は、ヒューズ１８、フェール
セーフリレー９１の常開接点901bを介して電源供給さ
れ、上記ＤＣモータ１３の断続と極性の切替を行うもの
である。

上記抵抗９３はモータ電流検出用シャフト抵抗であり、
その一端はモータ電流検出回路１０７の入力端に接続さ
れている。モータ電流検出回路１０７は抵抗９３に流れ
る電流によって発生する電圧降下を増幅するものであ
る。このモータ電流検出回路１０７の出力端はコンパレ
ータ９４の反転入力端に接続されている。

一方、上記トルクセンサ３の出力は操舵トルク信号入力
回路９９を通してマイクロコンピュータ１０１に入力さ
れるようになっている。また、車速センサ１０の出力も
車速信号入力回路１００を経てマイクロコンピュータ１
０１に入力されるようになっている。

マイクロコンピュータ１０１には、マイクロコンピュー
タの電源回路９８から動作電圧が印加されており、この
マイクロコンピュータ電源回路９８の入力端はキースイ
ッチ１２を介してバッテリ１１の正極に接続されてい
る。

マイクロコンピュータ１０１からフェールセーフリレー
駆動回路１０２、右方向モータ駆動回路１０３、左方向
モータ駆動回路１０４、モータ電流指令回路１０５、電
磁クラッチ駆動回路１０６に出力を送出するようになっ
ている。

右方向モータ駆動回路１０３、左方向モータ駆動回路１
０４の各出力端はＡＮＤ回路９５，９６の第１入力端に
接続されている。

モータ電流指令回路１０５の出力端はコンパレータ９４
の非反転入力端に接続されており、このコンパレータ９
４の出力端はＡＮＤ回路９５，９６の各第２入力端に接
続されている。

一方、ゲート電源回路９７はパワーMOSFETユニット９２
の(+)側のパワーMOSFET９２ａ，９２ｃのゲート電源と
し、バッテリ１１の電圧よりもゲート電圧だけ高い電圧
か、またはバッテリ１１の電圧とほぼ同等の電圧でも、
出力が電気的に絶縁されたゲート電圧を出力するもので
ある。

上記操舵トルク信号入力回路９９はトルクセンサ３の操
舵トルク信号の入力インターフェイス回路を形成するも
のであり、また上記車速信号入力回路１００は車速セン
サ１０の車速信号入力インターフェイス回路を形成す
る。

フェールセーフリレー駆動回路１０２はトルクセンサ３
や車速センサ１０の信号によりマイクロコンピュータ１
０１により演算した結果として、異常状態でないと判断
されたときにフェールセーフリレー９１の駆動コイル90
1aの他端を駆動し、常開接点901bを閉成するものであ
る。

右方向モータ駆動回路１０３は操舵トルク信号を入力と
するマイクロコンピュータ１０１の演算結果により、上
記ＤＣモータ１３の回転方向を右方向に駆動指令する信
号を出力する。

左方向モータ駆動回路１０４は右方向モータ駆動回路１
０３とは逆にＤＣモータ１３の回転方向を左方向に駆動
指令する信号を出力する。

モータ電流指令回路１０５は上記操舵トルク信号と車速
信号からマイクロコンピュータ１０１での演算結果をデ
ィジタル・アナログ変換してＤＣモータ１３の指令電流
値に相当するアナログ電圧を出力する。

コンパレータ９４は上記モータ電流指令回路１０５の出
力する指令電流電圧と上記モータ電流検出回路１０７の
出力するモータ電流相当の電圧を比較して指令電流電圧
がモータ電流電圧よりも高いとき「Ｈ」を出力する。

ＡＮＤ回路９５はコンパレータ９４の出力と、上記右方
向モータ駆動回路１０３の出力を入力とし、上記パワー
MOSFETユニット９２にモータ右方向駆動信号を出力す
る。

ＡＮＤ回路９６は上記コンパレータ９４の出力と上記左
方向モータ駆動回路１０４の出力を入力とし、パワーMO
SFETユニット９２にモータ左方向駆動信号を出力する。

次に、この発明の動作を説明する。まず、第１図および
第２図において、エンジンの始動に際してキースイッチ
１２をオンすると、バッテリ１１からキースイッチ１２
を介してマイクロコンピュータ電源回路９８およびゲー
ト電源回路９７に電源が供給され、マイクロコンピュー
タ１０１は作動を開始するとともに、ゲート電源回路９
７からパワーMOSFETユニット９２のパワーMOSFET９２
ａ，９２ｃにゲート電源が供給される。

マイクロコンピュータ１０１が作動を開始すると、トル
クセンサ３からの操舵トルク信号と車速センサ１０から
の車速信号を入力インターフェイス回路を形成する操舵
トルク信号入力回路９９と車速信号入力回路１００を介
して取り込み、演算した結果、トルクセンサ３、車速セ
ンサ１０が異常でないと判断されると、フェールセーフ
リレー駆動回路１０２に対しフェールセーフリレー９１
の駆動コイル901aをオンするよう指示する。

したがって、常開接点901bは閉成しバッテリ１１からヒ
ューズ１８、常開接点901bを介してパワーMOSFETユニッ
ト９２に電源が供給される。

また、電磁クラッチ駆動回路１０６もオンの指示が出る
まで、バッテリ１１からヒューズ１８、常開接点901b、
電磁クラッチ１６、電磁クラッチ駆動回路１０６を介し
て電磁クラッチ１６に電流が流れ、電磁クラッチは作動
し、ウォームホイル軸１５と第２のピニオン軸１７は機
械的に連結される。

しかしながら、この状態では、図示されない運転者によ
ってハンドル１が転舵されていないとすると、トルクセ
ンサ３は操舵トルクがない信号（操舵トルクが右でも左
でもない中立位置であるという信号）を出力しているの
で、マイクロコンピュータ１０１の演算結果は右方向モ
ータ駆動回路１０３および左方向モータ駆動回路１０４
に対し、どちらも非駆動指示となり、モータ電流指令回
路１０５に対してはモータ電流零の指示が示される。

したがって、パワーMOSFETユニット９２はＤＣモータ１
３に対し、電流を流さない状態でハンドル１は補助負荷
付勢されない状態にある。

次に、この状態でハンドル１を図示しない運転者が右
（または左）に転舵すると、ステアリングシャフト２ａ
を介してトルクセンサ３に操舵トルクが伝達され、この
トルクセンサ３は右（または左）方向に操舵トルクに比
例した電気信号を発生するとともに、上記操舵トルクは
第２のステアリングシャフト２ｂ、第１のユニバーサル
ジョイント４ａ、ステアリングシャフト２ｃ、第２のユ
ニバーサルジョイント４ｂ、第１のピニオン軸５を介し
てラック軸６の第１の歯部６ａに伝達され、回転運動が
直線運動に変換される。

一方、上記トルクセンサ３の電気信号出力は、コントロ
ールユニット９の操舵トルク信号入力回路９９を介して
マイクロコンピュータ１０１に入力される。

また、車速センサ１０の出力する電気信号もコントロー
ルユニット９の車速信号入力回路１００を介してマイク
ロコンピュータ１０１に入力される。上記操舵トルクと
車速信号からマイクロコンピュータ１０１は演算し、右
方向モータ駆動回路１０３（または左方向モータ駆動回
路１０４）に駆動信号を出力し、右方向モータ駆動回路
１０３（または左方向モータ駆動回路１０４）は「Ｈ」
信号を出力するとともに、モータ電流相当のディジタル
信号をモータ電流指令回路１０５に出力する。

このモータ電流指令回路１０５は上記ディジタル信号を
内蔵のディジタル・アナログ変換器でアナログ信号に変
換して、コンパレータ９４の非反転側入力端に出力す
る。

このとき、ＤＣモータ１３には電流が流れていないの
で、抵抗９３には電位差がなく、モータ電流検出回路１
０７は出力が零となっている。

したがって、コンパレータ９４の出力は「Ｈ」となり、
右方向モータ駆動回路１０３（または左方向モータ駆動
回路１０４）の出力「Ｈ」と上記コンパレータ９４の出
力「Ｈ」を入力とするＡＮＤ回路９５（またはＡＮＤ回
路９６）は「Ｈ」を出力し、パワーMOSFETユニット９２
にＤＣモータ１３を右方向（または左方向）に回転さす
方向にパワーMOSFET９２ａ，９２ｄ（またはパワーMOSF
ET９２ｃ，９２ｂ）を導通させる。

これにより、バッテリ１１からヒューズ１８、常開接点
901b、パワーMOSFET９２ａ（またはパワーMOSFET９２
ｃ）、ＤＣモータ１３、パワーMOSFET９２ｄ（またはパ
ワーMOSFET９２ｂ）、抵抗９３の回路でＤＣモータ１３
に電圧が印加され、モータ電流が流れる。

このモータ電流によって、抵抗９３に電位差が生じ、こ
の電位差をモータ電流検出回路１０７で増幅して、コン
パレータ９４の反転側入力端にフィードバックされる。

このフィードバックされた電圧がモータ電流指令回路１
０５の出力する電圧を越えると、コンパレータ９４の出
力は「Ｌ」となり、ＡＮＤ回路９５（またはＡＮＤ回路
９６）は出力が「Ｌ」となり、パワーMOSFET９２ａ（ま
たはパワーMOSFET９２ｃ）か、パワーMOSFET９２ｄ（ま
たはパワーMOSFET９２ｂ）のいずれかを遮断する。

以上の動作を繰り返してＤＣモータ１３の電流をマイク
ロコンピュータ１０１の指令する電流に制御する。この
制御された電流に応じてＤＣモータ１３は回転数に関係
なくほぼ比例的なトルクを発生する。

このＤＣモータ１３の発生するトルクはウォーム軸１４
とウォームホイル軸１５で減速され、電磁クラッチ１６
を介してピニオン軸１７に伝達された後、ラック軸６の
第２の歯部６ｂに伝達され、回転運動が直線運動に変換
される。

この直線運動に変換された力は上記ハンドル１に加えら
れた運転者の操舵トルクを直線運動に変換したトルクの
方向と一致するように設定しているので、補助負荷付勢
したこととなり、トルクセンサ３にかかるトルクを減少
する方向に働き、トルクセンサ３の出力を減少さすとと
もに運転者の操舵トルクを軽くするのである。

この状態で車速を上昇したときに、操舵トルクに対する
モータ電流の特性を第３図に示している。車速の増加と
ともにトルク対電流の比率を減少するように制御してい
る。

また、第４図は車速に対する操舵トルクパラメータのモ
ータ電流特性と電磁クラッチ作動範囲の関係を指示した
図であり、車速の増加とともに電流を減少するように制
御するが、零にはせず、ある程度（２０〜８０％）以下
には下げず、電磁クラッチ１６の作動範囲よりも広い範
囲でＤＣモータ１３を駆動することにより、電磁クラッ
チ１６のオン／オフ時の機械的ショックを軽減してい
る。

尚、この発明によれば、フェールセーフリレー９が、正
常時に付勢される駆動コイル９０１ａと常開接点９０１
ｂとから構成されているので、駆動コイル９０１ａが付
勢されない限りは常開接点９０１ｂが閉成されず、フェ
ールセーフ機能の信頼性が向上する。例えば、フェール
セーフリレー９の駆動配線部が断線した場合には、常開
接点９０１ｂは確実にオフとなり、常開接点９０１ｂが
オン故障する可能性が極めて小さく、システム上常に安
全側となる。

又、フェールセーフリレー９がコントロールユニット９
内に一体化されているので、小形化が容易に実現すると
共に配線が簡略化され、配線部の断線等の可能性は更に
減少する。

又、周知のように、パワーステアリングにおいて車速セ
ンサ１０が異常となった場合は、ハンドル１が不要に軽
くなってしまい危険であるが、この発明によれば、フェ
ールセーフリレー９を介して直ちにアシストが遮断され
るので、安全性が確保される。

〔発明の効果〕

この発明は以上説明したとおり、ＤＣモータおよび電磁
クラッチへの電源供給ラインの途中に常開接点を有する
フェールセーフリレーを挿入するようにしたので、車速
センサの異常時や電源配線の断線時などには電磁クラッ
チもＤＣモータも駆動されないので、マニュアルステア
リングのままとなり危険が少ない。

また、フェールセーフリレー９１をコントロールユニッ
ト９と一体化すると共に、ＤＣモータの切替用および電
流制限チョッパ用パワー素子としてMOSFETを用いている
ので、パワーMOSFET部の電圧降下が少く、電力損失が少
なく、放熱用ヒートシンクの小形化やモータの小形化な
どが可能となる。

さらに、車速に対するモータ電流を減少する制御特性で
モータ電流を無負荷電流以下に減少しないとともに、電
磁クラッチの作動範囲よりも広い範囲モータ電流を制御
することによって車速増加時にマニュアルステアリング
への切替時の機械的ショックを軽減できる。

また、上記モータ電流制御範囲を電磁クラッチの作動範
囲より広くとる替わりに、電磁クラッチが切れてからタ
イマで遅らせてモータ制御を停止するように制御しても
同様の効果となる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明のモータ駆動式パワーステアリング装
置の一実施例の構成を示す概略図、第２図は第１図のモ
ータ駆動式パワーステアリング装置におけるコントロー
ルユニット内部の詳細な構成を示すブロック図、第３図
は同上モータ駆動式パワーステアリング装置の動作を説
明するための操舵トルクに対するモータ電流の特性図、
第４図は同上モータ駆動式パワーステアリング装置の動
作を説明するための車速に対する操舵トルクパラメータ
のモータ電流特性と電磁クラッチ作動範囲の関係を示す
図である。 １…ハンドル、３…トルクセンサ、５…第１のピニオン
軸、６…ラック軸、９…コントロールユニット、９１…
フェールセーフリレー、901a…駆動コイル、901b…常開
接点、９２…パワーMOSFETユニット、９３…抵抗、９４
…コンパレータ、９５，９６…ＡＮＤ回路、９９…操舵
トルク信号入力回路、１００…車速信号入力回路、１０
１…マイクロコンピュータ、１０２…フェールセーフリ
レー駆動回路、１０３…右方向モータ駆動回路、１０４
…左方向モータ駆動回路、１０５…モータ電流指令回
路、１０６…電磁クラッチ駆動回路、１０…車速セン
サ、１１…バッテリ。 なお、図中同一符号は同一または相当部分を示す。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】車速を検出する車速センサと、 ハンドルの回転力を検出するトルクセンサと、 前記ハンドルの回転力に対して操舵補助力を発生するＤ
   Ｃモータと、 前記ＤＣモータの出力を操舵補助力として結合及び離脱
   する電磁クラッチと、 前記ＤＣモータの前記電磁クラッチとの間に挿入された
   減速機と、 前記車速センサ及び前記トルクセンサの各信号を入力と
   し、車載のバッテリを電源として、前記ＤＣモータのモ
   ータ電流を制御すると共に、前記電磁クラッチの結合及
   び離脱を制御するコントロールユニットとを備え、 前記コントロールユニットは、 前記トルクセンサ及び前記車速センサからの入力信号か
   ら所定の演算を行うマイクロコンピュータと、 前記バッテリから前記ＤＣモータ及び前記電磁クラッチ
   への電源供給ラインに挿入された常開接点と、少なくと
   も前記車速センサからの入力信号に異常がある場合に消
   勢されて前記常開接点を開放する駆動コイルとを有する
   フェールセーフリレーと、 前記ＤＣモータの断続及び極性切替えを行うパワーＭＯ
   ＳＦＥＴユニットと、 前記マイクロコンピュータの演算結果に異常がない場合
   に前記フェールセーフリレーの駆動コイルを付勢するフ
   ェールセーフリレー駆動回路と、 前記ハンドルが右方向又は左方向に転舵された場合に、
   これに応じた前記トルクセンサの出力及び前記車速セン
   サの出力から前記マイクロコンピュータの演算結果に基
   づき右方向又は左方向のモータ駆動信号を出力する右方
   向モータ駆動回路及び左方向モータ駆動回路と、 前記右方向又は左方向のモータ駆動信号の出力と同時に
   前記マイクロコンピュータの演算結果に基づき前記モー
   タ電流指令値に相当するディジタル信号を出力するモー
   タ電流指令回路と、 前記パワーＭＯＳＦＥＴユニットを通して流れる前記モ
   ータ電流を検出するモータ電流検出回路と、 前記モータ電流と前記モータ電流指令値とを比較して前
   記モータ電流指令値の方が大きい場合に出力信号を生成
   するコンパレータと、 前記コンパレータの出力信号と前記右方向及び左方向の
   モータ駆動信号の各々との論理積をとって前記ＤＣモー
   タが右方向又は左方向に回転するように前記パワーＭＯ
   ＳＦＥＴユニットを通電させる論理回路と、 前記フェールセーフリレーの常開接点の閉成時に前記マ
   イクロコンピュータの出力により前記電磁クラッチの通
   電指令を示す電磁クラッチ駆動回路と を備えたことを特徴とするモータ駆動式パワーステアリ
   ング装置。
2. 【請求項２】前記コントロールユニットは、前記トルク
   センサの出力がほぼ零に近い場合においても、前記ＤＣ
   モータの無負荷電流値に近い値のモータ電流を流し、前
   記ＤＣモータのトルク不足に伴う引っかかりを減少させ
   たことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のモータ
   駆動式パワーステアリング装置。
3. 【請求項３】前記コントロールユニットは、前記車速の
   増加と共に前記操舵補助力を減少させ、前記操舵補助力
   が零となる車速においても、前記ＤＣモータの無負荷電
   流以下に設定しないと共に、前記電磁クラッチを遮断す
   る車速よりも、前記無負荷電流相当電流を遮断する車速
   を高い値に設定したことを特徴とする特許請求の範囲第
   １項記載のモータ駆動式パワーステアリング装置。
4. 【請求項４】前記コントロールユニットは、前記電磁ク
   ラッチに対する印加電圧を遮断した後、前記電磁クラッ
   チが機械的に離脱するのに要する時間以上経過後に前記
   モータ電流を遮断することを特徴とする特許請求の範囲
   第１項記載のモータ駆動式パワーステアリング装置。