JPH11263240A - 電動パワーステアリング装置の制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 電動パワーステアリング装置の制御装置にお
いて、モータ駆動系の天絡及び地絡の検出が可能である
と共に、ある程度のインピーダンスでの天絡又は地絡の
場合の故障検出が可能な制御装置を提供する。 【解決手段】 ステアリングシャフトに発生する操舵ト
ルクに基いて演算された操舵補助指令値と、モータのモ
ータ電流値とから演算した電流制御値に基いてステアリ
ング機構に操舵補助力を与える前記モータを制御するよ
うになっている電動パワーステアリング装置の制御装置
であり、前記モータの端子電圧の検出値と、前記モータ
をＰＷＭで駆動する場合のデューティ比から推定される
モータ端子電圧との差が所定時間以上継続して所定値を
越えたとき、モータ駆動系の故障と判断してモータ出力
を停止させる駆動手段を具備している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、自動車や車両の操
舵系にモータによる操舵補助力を付与するようにした電
動パワーステアリング装置の制御装置に関し、特にモー
タ駆動系の天絡及び地絡の検出や故障検出を行なって、
パワー素子を全てオフさせてモータへの電流供給を禁止
して、事故を防止するようにした電動パワーステアリン
グ装置の制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】自動車や車両のステアリング装置をモー
タの回転力で補助負荷付勢する電動パワーステアリング
装置は、モータの駆動力を減速機を介してギア又はベル
ト等の伝達機構により、ステアリングシャフト或いはラ
ック軸に補助負荷付勢するようになっている。かかる従
来の電動パワーステアリング装置は、アシストトルク
（操舵補助トルク）を正確に発生させるため、モータ電
流のフィードバック制御を行なっている。フィードバッ
ク制御は、電流指令値とモータ電流検出値との差が小さ
くなるようにモータ印加電圧を調整するものであり、モ
ータ印加電圧の調整は、一般的にＰＷＭ（パルス幅変
調）制御のデュ−ティ比の調整で行なっている。

【０００３】ここで、電動パワーステアリング装置の一
般的な構成を図４に示して説明すると、操向ハンドル１
の軸２は減速ギア３、ユニバーサルジョイント４ａ及び
４ｂ，ピニオンラック機構５を経て操向車輪のタイロッ
ド６に結合されている。軸２には、操向ハンドル１の操
舵トルクを検出するトルクセンサ１０が設けられてお
り、操向ハンドル１の操舵力を補助するモータ２０がク
ラッチ２１、減速ギア３を介して軸２に結合されてい
る。パワーステアリング装置を制御するコントロールユ
ニット３０には、バッテリ１４からイグニションキー１
１を経て電力が供給され、コントロールユニット３０
は、トルクセンサ１０で検出された操舵トルクＴと車速
センサ１２で検出された車速Ｖとに基いてアシスト指令
の操舵補助指令値Ｉの演算を行ない、演算された操舵補
助指令値Ｉに基いてモータ２０に供給する電流を制御す
る。クラッチ２１はコントロールユニット３０でＯＮ／
ＯＦＦ制御され、通常の動作状態ではＯＮ（結合）され
ている。そして、コントロールユニット３０によりパワ
ーステアリング装置が故障と判断された時、及びイグニ
ションキー１１によりバッテリ１４の電源がＯＦＦとな
っている時に、クラッチ２１はＯＦＦ（切離）される。

【０００４】コントロールユニット３０は主としてＣＰ
Ｕで構成されるが、そのＣＰＵ内部においてプログラム
で実行される一般的な機能を示すと図５のようになる。
例えば位相補償器３１は独立したハードウェアとしての
位相補償器を示すものではなく、ＣＰＵで実行される位
相補償機能を示している。コントロールユニット３０の
機能及び動作を説明すると、トルクセンサ１０で検出さ
れて入力される操舵トルクＴは、操舵系の安定性を高め
るために位相補償器３１で位相補償され、位相補償され
た操舵トルクＴＡが操舵補助指令値演算器３２に入力さ
れる。又、車速センサ１２で検出された車速Ｖも操舵補
助指令値演算器３２に入力される。操舵補助指令値演算
器３２は、入力された操舵トルクＴＡ及び車速Ｖに基い
てモータ２０に供給する電流の制御目標値である操舵補
助指令値Ｉを決定し、操舵補助指令値演算器３２にはメ
モリ３３が付設されている。メモリ３３は車速Ｖをパラ
メータとして操舵トルクに対応する操舵補助指令値Ｉを
格納しており、操舵補助指令値演算器３２による操舵補
助指令値Ｉの演算に使用される。操舵補助指令値Ｉは減
算器３０Ａに入力されると共に、応答速度を高めるため
のフィードフォワード系の微分補償器３４に入力され、
減算器３０Ａの偏差（Ｉ−ｉ）は比例演算器３５に入力
され、その比例出力は加算器３０Ｂに入力されると共に
フィードバック系の特性を改善するための積分演算器３
６に入力される。微分補償器３４及び積分補償器３６の
出力も加算器３０Ｂに加算入力され、加算器３０Ｂでの
加算結果である電流制御値Ｅが、モータ駆動信号として
モータ駆動回路３７に入力される。モータ２０のモータ
電流値ｉはモータ電流検出回路３８で検出され、モータ
電流値ｉは減算器３０Ａに入力されてフィードバックさ
れる。

【０００５】モータ駆動回路３７の構成例を図６に示し
て説明すると、モータ駆動回路３７は加算器３０Ｂから
の電流制御値Ｅに基いて、パワー素子としての電界効果
トランジスタ（ＦＥＴ）ＦＥＴ１〜ＦＥＴ４の各ゲート
を駆動するＦＥＴゲート駆動回路３７１、ＦＥＴ１〜Ｆ
ＥＴ４で成るＨブリッジ回路、ＦＥＴ１及びＦＥＴ２の
ハイサイド側を駆動する昇圧電源３７２等で構成されて
いる。ＦＥＴ１及びＦＥＴ２は、電流制御値Ｅに基いて
決定されるデューティ比Ｄ１のＰＷＭ（パルス幅変調）
信号によってＯＮ／ＯＦＦされ、実際にモータに流れる
電流Ｉｒの大きさが制御される。ＦＥＴ３及びＦＥＴ４
は、デューティ比Ｄ１の小さい領域では所定１次関数式
（ａ，ｂを定数としてＤ２＝ａ・Ｄ１＋ｂ）で定義され
るデューティ比Ｄ２のＰＷＭ信号で駆動され、デューテ
ィ比Ｄ１の大きい領域ではＰＷＭ信号の符号により決定
されるモータの回転方向に応じてＯＮ／ＯＦＦされる。
例えばＦＥＴ３が導通状態にあるときは、電流はＦＥＴ
１、モータ２０、ＦＥＴ３、抵抗Ｒ１を経て流れ、モー
タ２０に正方向の電流が流れる。又、ＦＥＴ４が導通状
態にあるときは、電流はＦＥＴ２、モータ２０、ＦＥＴ
４、抵抗Ｒ２を経て流れ、モータ２０に負方向の電流が
流れる。従って、加算器３０Ｂからの電流制御値ＥもＰ
ＷＭ出力となっている。又、モータ電流検出回路３８は
抵抗Ｒ１の両端における電圧降下に基いて正方向電流の
大きさを検出すると共に、抵抗Ｒ２の両端における電圧
降下に基いて負方向の電流の大きさを検出する。モータ
電流検出回路３８で検出されたモータ電流値ｉは、減算
器３０Ａに入力されてフィードバックされる。

【０００６】上述のような電動パワーステアリング装置
の制御装置において、モータ線の地絡が発生するとＦＥ
Ｔに大電流が流れ、ＦＥＴが破壊したり、火災が発生し
たりする恐れがある。このため、パワー素子（ＦＥＴ）
の通電／非通電（ＯＮ／ＯＦＦ）に関係なく、モータ駆
動回路の異常を短時間に検出できる制御装置の出現が望
まれている。

【０００７】このような要請を考慮した制御装置とし
て、例えば特開平２−２８０６２号公報に示されるもの
があり、図７に示す構成となっている。即ち、正転用パ
ワートランジスタ１００ａのコレクタと逆転用パワート
ランジスタ１００ｃのコレクタとは、フェイルリレー回
路１０１及びキースイッチ１０２を介して主電源１０３
に接続されている。正転用パワートランジスタ１００ｂ
のエミッタと逆転用パワートランジスタ１００ｄのエミ
ッタとは、電流検出用抵抗１１０を介して接地されてい
る。電流検出回路１１１は、電流検出用抵抗１１０の端
子電圧に基づいて、モータ１２０に流れる電流を検出す
る。この検出電流は、制御装置１１２に送られる。第２
接続点Ｐ２には、第２サンプルホールド回路１４０が接
続されており、このサンプルホールド回路１４０の出力
ｆは制御装置１１２に送られる。各サンプルホールド回
路１３０、１４０は例えば制御装置１１２によって制御
されるスイッチ１１３と、ホールド用コンデンサ１１４
と、電圧ホロア１１５とから構成されている。又、第１
接続点Ｐ１には第１プルアップ回路１２１が、第２接続
点Ｐ２には第２プルアップ回路１２２がそれぞれ接続さ
れている。プルアップ回路１２１、１２２は、モータ１
２０の電機子抵抗より十分に大きい抵抗値を有する抵抗
１２３とダイオード１２４を介して、接続点Ｐ１及びＰ
２に常時電圧を印加するものである。

【０００８】そして、非通電状態では、正常時には、２
つのサンプルホールド回路１３０及び１４０の出力ｅ及
びｆがいずれもＨレベルであるが、異常発生時には、出
力ｅ及びｆのいずれもＬレベルになる。正転駆動状態で
は、正常時には、第１サンプルホールド回路１３０の出
力ｅはＨレベル、第２サンプルホールド回路１４０の出
力ｆはＬレベルであるが、異常発生時には、出力ｅ及び
ｆのいずれもＬレベルになる。逆転駆動状態では、正常
時には、第１サンプルホールド回路１３０の出力ｅはＬ
レベル、第２サンプルホールド回路１４０の出力ｆはＨ
レベルであるが、異常発生時には、出力ｅ及びｆのいず
れもＬレベルになる。これらにより、非通電、正転駆動
及び逆転駆動のいずれの状態においても、正常時には、
２つのサンプルホールド回路１３０及び１４０の出力ｅ
及びｆの論理和ＯＲが“１”であり、異常が発生すると
これらの論理和が“０”になる。従って、制御装置１１
２において、２つのサンプルホールド回路１３０及び１
４０の出力ｅ及びｆの論理和が“０”になった状態が所
定時間持続することを検出するだけで、非通電／通電に
関係なく、異常検出を行うことができる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の制御装置では、モータ天絡の場合は、サンプルホー
ルド回路の出力はいずれもＨレベルとなってＯＲ出力が
“１”になるため、異常を検出できない欠点がある。ま
た、モータホット側のサンプルホールド回路の出力によ
って判別しているので、セルフステアを生じるモータコ
ールド側の地絡を検出できないと共に、サンプルホール
ド回路の論理出力のため、ある程度のインピーダンスを
介しての地絡は検出できないといった不都合がある。

【００１０】本発明は上述のような事情よりなされたも
のであり、本発明の目的は上記従来の問題点を解決する
ことにあり、モータ駆動系の天絡及び地絡の検出が可能
であると共に、ある程度のインピーダンスでの天絡又は
地絡の場合の故障検出が可能な電動パワーステアリング
装置の制御装置を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、ステアリング
シャフトに発生する操舵トルクに基いて演算された操舵
補助指令値と、モータのモータ電流値とから演算した電
流制御値に基いてステアリング機構に操舵補助力を与え
る前記モータを制御するようになっている電動パワース
テアリング装置の制御装置に関するもので、本発明の上
記目的は、前記モータの端子電圧の検出値と、前記モー
タをＰＷＭで駆動する場合のデューティ比から推定され
るモータ端子電圧との差が所定時間以上継続して所定値
を越えたとき、モータ駆動系の故障と判断してモータ出
力を停止させる駆動手段を具備することによって達成さ
れる。

【００１２】

【発明の実施の形態】上述したような従来装置の問題を
解決するために、本発明では、モータ端子電圧の検出値
と、ＰＷＭのデューティ指令値から推定されるモータ端
子電圧との差が、所定時間以上継続して所定値を越えた
ときにパワー素子を全てオフし、モータへの電流供給を
禁止するようにしている。以下、本発明の実施例を図面
を参照して説明する。

【００１３】本発明では、図６に対応した図１に示すよ
うに、モータ２０はパワー素子としてのＦＥＴ１〜ＦＥ
Ｔ４のＨブリッジ回路に接続され、ＦＥＴゲート駆動回
路３７１のＰＷＭ駆動により制御される。ＰＷＭ駆動方
法は対向する上下段のＦＥＴ１〜ＦＥＴ４を異なるデュ
ーティ比で駆動し、バッテリ電圧をＶｂ、上流側のＦＥ
Ｔ１、ＦＥＴ２のＯＮ期間をＤ１、下流側のＦＥＴ３、
ＦＥＴ４のＯＮ期間をＤ２とする。そして、正転駆動を
考えると、ＦＥＴ１をデューティ比Ｄ１で、ＦＥＴ３を
デューティ比Ｄ２でＯＮ／ＯＦＦする。このとき、各デ
ューティ比Ｄ１、Ｄ２によって推定される端子Ｍ１及び
Ｍ２の電位ＶＭ１及びＶＭ２は、それぞれ下記数１及び
数２によって表わされる。

【数１】ＶＭ１＝Ｄ１・Ｖｂ

【数２】ＶＭ２＝（１−Ｄ２）・Ｖｂ デューディ比Ｄ２はデューティ比Ｄ１の関係で、下記数
３のように表わされる。

【数３】 Ｄ１＞γのとき Ｄ２＝１ Ｄ１≦γのとき Ｄ２＝ａ・Ｄ１＋ｂ 従って、デューティ比Ｄ１及びＤ２によって推定される
モータ端子電圧ＶＭは、下記数４により算出できる。

【数４】 ＶＭ＝ＶＭ１−ＶＭ２＝（Ｄ１＋Ｄ２−１）・Ｖｂ ＝｛（１＋ａ）・Ｄ１＋（ｂ−１）｝・Ｖｂ

【００１４】一方、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）３７３
及び３７４を介してＡ／Ｄ変換（図示せず）により実測
される端子Ｍ１及びＭ２の電位をそれぞれＶｍ１及びＶ
ｍ２とすると、実測されるモータ端子電圧Ｖｍは下記数
５によって求められる。

【数５】Ｖｍ＝Ｖｍ１−Ｖｍ２ 正常に駆動されている場合、上記推定により算出された
算出端子電圧ＶＭと実測端子電圧Ｖｍとは図２（Ａ）に
示すようにほぼ同じ値となる。また、操舵入力がなくモ
ータ２０が停止している場合も、端子Ｍ１及びＭ２の電
位は同じプルアップ／プルダウン回路により所定電圧に
保持されるので、算出端子電圧ＶＭと実測端子電圧Ｖｍ
との差は現れない。図２（Ａ）は、ＰＷＭ駆動によって
与えられるモータ端子電圧の算出端子電圧ＶＭの特性を
示しており、実測端子電圧Ｖｍは、正常駆動では算出端
子電圧ＶＭとの差が所定値α以下の値になることを示し
ている。しかし、デューティ比Ｄ１が小さい領域では、
図２（Ｂ）に示すようにモータ電流Ｉｍがほとんど流れ
ない断続モードとなる。このとき、実測端子電圧Ｖｍに
は逆起電力のみが計測される。これに対し、算出端子電
圧ＶＭはデューティ比のみで算出されるため、誤検出す
る恐れがある。従って、本発明では、モータ電流Ｉｍが
ΔＩ以下となる場合は不感帯とし、モータ電流ΔＩ以上
の電流のときに上記判定を行なうようにする。

【００１５】図３は本発明の動作例を示しており、先ず
モータ電流検出手段でモータ電流Ｉｍの検出を行ない
（ステップＳ１）、電流制御値（デューティ比Ｄ１）の
算出を行なうと共に（ステップＳ２）、前述した関数式
に基づいてデューティ比Ｄ２を算出する（ステップＳ
３）。次に、Ａ／Ｄ変換されたモータ端子電圧Ｖｍ１及
びＶｍ２を読込み（ステップＳ４）、実測端子電圧Ｖｍ
を前記数５に従って求め（ステップＳ５）、算出された
デューティ比Ｄ１及びＤ２に基づいて前記数１及び数２
に従ってモータ端子電圧ＶＭ１及びＶＭ２を推定する
（ステップＳ６）。そして、数４に従ってモータ端子電
圧ＶＭを算出し（ステップＳ７）、モータ電流ＩｍがΔ
Ｉより大きく、算出端子出圧ＶＭと実測端子電圧Ｖｍと
の差が所定値αより大きいか否かを判定し（ステップＳ
１０）、少なくとも一方の条件が“ＮＯ”の場合は、更
にモータ電流Ｉｍが所定値Ｃ１より大きく、デューティ
比Ｄ１が所定値Ｎ１よりも小さいか否かを判定し（ステ
ップＳ２０）、少なくとも一方の条件が“ＮＯ”の場合
は、モータ電流Ｉｍが所定値Ｃ２よりも小さく、デュー
ティ比Ｄ１が所定値Ｎ２より大きいか否かを判定し（ス
テップＳ３０）、少なくとも一方の条件が“ＮＯ”の場
合はリターンとなる。ただし、Ｎ１≦Ｎ２である。ま
た、上記ステップＳ１０，Ｓ２０及びＳ３０においてい
ずれの条件も“ＹＥＳ”の場合には所定時間が経過した
か否かを判定する（ステップＳ４０）。そして、所定時
間が経過した場合に、モータ駆動系に故障が発生したと
判定する。

【００１６】以下に、各故障モードでの検出動作を説明
する。 （１）モータ線が断線した場合 操舵入力がなくモータ２０が停止している場合は、端子
Ｍ１及びＭ２の電位は正常時と同じ値を示すため、断線
故障を検出することができない。しかしながら、操舵に
より操舵補助指令が入力されたときに、デューティ比が
増加してもモータ電流Ｉｍが流れないため、直ちにデュ
ーティ比は最大値となる。よって、デューティ比と検出
電流の格差に基づく判定（上記ステップＳ３０）によ
り、モータ２０の断線を検出することができる。

【００１７】（２）モータ線が上流側の端子Ｍ１で天絡
した場合 端子Ｍ１の電位は、デューティ比Ｄ１に関係なくほぼバ
ッテリ電圧Ｖｂとなる。また、端子Ｍ２の電位はデュー
ティ比Ｄ２に従った電位を保つ。その結果、算出端子電
圧ＶＭと実測端子電圧Ｖｍとの間に差を生じるので、上
記ステップＳ１０の判定によって異常を検出することが
できる。

【００１８】（３）モータ線が上流側の端子Ｍ１で地絡
した場合 端子Ｍ１の電位は、デューティ比Ｄ１に関係なくほぼ零
となり、端子Ｍ２の電位はデューティ比Ｄ２に従った電
位を保つ。その結果、天絡の場合と同様に、算出端子電
圧ＶＭと実測端子電圧Ｖｍとの間に差を生じるので、上
記ステップＳ１０の判定によって異常を検出することが
できる。

【００１９】（４）モータ線が下流側の端子Ｍ２で天絡
した場合 端子Ｍ１及びＭ２の電位は正常駆動時とほぼ等しい値を
示すため、このモードは端子電圧のみの比較では異常を
検出できない。しかしながら、モータ駆動系は電流制御
で構成されているので、天絡による電流がモータ電流検
出抵抗を流れるため、電流検出値が急増する。その結
果、電流フィードバックによりデューティ指令値は小さ
くなるが、電流検出値は大きな値を維持する。よって、
上記ステップＳ２０のように、電流検出値Ｉｍが所定値
Ｃ１以上で、かつデューティ比Ｄ１が所定値Ｎ１以下と
なるときに、故障が発生したと判断することができる。
仮に、電流検出部が短絡故障しても操舵方向が切り替わ
ると、上流側天絡モードとなるので異常検出が可能とな
る。

【００２０】（５）モータ線が下流側の端子Ｍ２で地絡
した場合 デューティ比Ｄ１がγ以上（Ｄ２が１００％）のときは
Ｖｍ≒ＶＭとなるため、端子電圧のみの比較では故障検
出できないが、デューティ比Ｄ２が１００％以下の場
合、端子Ｍ２の電位はデューティ比Ｄ２がＯＦＦとなる
期間もほぼ零となるので、算出端子電圧ＶＭと実測端子
電圧Ｖｍとの間に差を生じ、上記推定により異常を検出
することができる。更に電流フィードバック制御が構成
されているので、地絡が生じると電流検出値はほとんど
零となるため、デューティ指令値は急激に最大値とな
る。よって、上記ステップＳ３０のように、デューティ
比Ｄ１が所定値Ｎ２以上で、かつ電流検出値Ｉｍが所定
値Ｃ２以下となるとき、モータ２０に故障が発生したと
判断することができる。

【００２１】

【発明の効果】以上のように本発明の電動パワーステア
リング装置の制御装置によれば、モータ駆動系の天絡及
び地絡の検出や故障検出を行なって、異常が検出された
ときにパワー素子を全てオフさせてモータへの電流供給
を禁止するようにしているので、火災等の事故を未然に
防止できる制御装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による電動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の駆動回路の一例を示すブ
ロック図である。

【図２】本発明の動作を説明するための図である。

【図３】本発明の動作例を示すフローチャートである。

【図４】電動パワーステアリング装置の一例を示すブロ
ック構成図である

【図５】コントロールユニットの一般的な内部構成を示
すブロック図である。

【図６】モータ駆動回路の一例を示す結線図である。

【図７】従来の故障検出回路の一例を示す回路図であ
る。

【符号の説明】

１ 操向ハンドル ５ ピニオンラック機構 １０ トルクセンサ １２ 車速センサ ２０ モータ ３０ コントロールユニット ３１ 位相補償器 ３７ モータ駆動回路 ３８ モータ電流検出回路

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ステアリングシャフトに発生する操舵ト
   ルクに基いて演算された操舵補助指令値と、モータのモ
   ータ電流値とから演算した電流制御値に基いてステアリ
   ング機構に操舵補助力を与える前記モータを制御するよ
   うになっている電動パワーステアリング装置の制御装置
   において、前記モータの端子電圧の検出値と、前記モー
   タをＰＷＭで駆動する場合のデューティ比から推定され
   るモータ端子電圧との差が所定時間以上継続して所定値
   を越えたとき、モータ駆動系の故障と判断してモータ出
   力を停止させる駆動手段を具備したことを特徴とする電
   動パワーステアリング装置の制御装置。