JPWO2016042607A1 - 電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】回転角度検出系を３系統として異常検出を行うと共に、回転角度検出系のいずれかが異常となっても瞬時に異常系統を特定でき、残りの正常な角度検出信号を利用して信頼性の高い角度検出を行ってアシスト制御を継続する電動パワーステアリング装置を提供する。【解決手段】少なくとも操舵トルクに基づいて電流指令値を演算し、電流指令値に基づいてインバータによりブラシレスモータをＰＷＭ制御すると共に、ブラシレスモータの回転角度を検出して電流制御を行い、操舵系をアシスト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において、ブラシレスモータの回転角度を検出する３系統の回転角度検出系と、３系統の回転角度検出系から出力される各角度の差の絶対値を閾値と比較して、回転角度検出系の正常／異常を診断して処理する角度診断部とを具備し、角度診断部で正常と診断された系統の出力角度を用いてアシスト制御を継続する。

Description

本発明は、電流指令値に基づいてインバータによりブラシレスモータをＰＷＭ制御すると共に、ブラシレスモータの回転角度を検出して電流制御を行い、操舵系をアシスト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に関し、特にブラシレスモータの回転角度の検出を３系統の回転角度検出系で行うと共に、各系統の正常／異常（故障を含む）を診断し、１系統のみの異常である場合には他の２系統の回転角度検出系の検出角度を用いてアシスト制御を継続するようにした信頼性の高い電動パワーステアリング装置に関する。

車両のステアリング機構にモータの回転力で操舵補助力（アシスト力）を付与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構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操舵補助力を付与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（ＥＰＳ）は、操舵補助力の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っている。フィードバック制御は、操舵補助指令値（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）制御のデューティの調整で行っている。

電動パワーステアリング装置の一般的な構成を図１に示して説明すると、ハンドル１のコラム軸（ステアリングシャフト、ハンドル軸）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、タイロッド６ａ，６ｂを経て、更にハブユニット７ａ，７ｂを介して操向車輪８Ｌ，８Ｒに連結されている。また、コラム軸２には、ハンドル１の操舵トルクを検出するトルクセンサ１０及び操舵角θを検出する舵角センサ１４が設けられており、ハンドル１の操舵力を補助するモータ２０が減速ギア３を介してコラム軸２に連結されている。電動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（ＥＣＵ）３０には、バッテリ１３から電力が供給されると共に、イグニションキー１１を経てイグニションキー信号が入力される。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Ｔｈと車速センサ１２で検出された車速Ｖｅｌとに基づいてアシスト（操舵補助）指令の電流指令値の演算を行い、電流指令値に補償等を施した電圧制御指令値Ｖｒｅｆによってモータ２０に供給する電流を制御する。舵角センサ１４は必須のものではなく、配設されていなくても良い。

コントロールユニット３０には、車両の各種情報を授受するＣＡＮ（Controller Area Network）５０が接続されており、車速ＶｅｌはＣＡＮ５０から受信することも可能である。また、コントロールユニット３０には、ＣＡＮ５０以外の通信、アナログ／ディジタル信号、電波等を授受する非ＣＡＮ５１も接続されている。

コントロールユニット３０は主としてＣＰＵ（ＭＣＵ、ＭＰＵ等も含む）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２のようになる。

図２を参照して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で検出された操舵トルクＴｈ及び車速センサ１２で検出された（若しくはＣＡＮ５０からの）車速Ｖｅｌは、電流指令値Ｉｒｅｆ１を演算する電流指令値演算部３１に入力される。電流指令値演算部３１は、入力された操舵トルクＴｈ及び車速Ｖｅｌに基づいてアシストマップ等を用いて、モータ２０に供給する電流の制御目標値である電流指令値Ｉｒｅｆ１を演算する。電流指令値Ｉｒｅｆ１は加算部３２Ａを経て電流制限部３３に入力され、最大電流を制限された電流指令値Ｉｒｅｆｍが減算部３２Ｂに入力され、フィードバックされているモータ電流値Ｉｍとの偏差Ｉ（Ｉｒｅｆｍ−Ｉｍ）が演算され、その偏差Ｉが操舵動作の特性改善のためのＰＩ制御部３５に入力される。ＰＩ制御部３５で特性改善された電圧制御指令値ＶｒｅｆがＰＷＭ制御部３６に入力され、更に駆動部としてのインバータ３７を介してモータ２０がＰＷＭ駆動される。モータ２０の電流値Ｉｍはモータ電流検出器３８で検出され、減算部３２Ｂにフィードバックされる。インバータ回路３７は駆動素子としてＦＥＴが用いられ、ＦＥＴのブリッジ回路で構成されている。

また、モータ２０がブラシレスモータである場合には、モータの回転角度に応じてモータコイルに電流を通電させる必要があるため、レゾルバや磁気抵抗素子（ＭＲセンサ）を用いた回転センサ２１が必要となる。回転センサ２１の出力信号は角度検出回路２２に入力されて処理され、角度検出回路２２で回転角度θを検出し、更に角速度演算部２３でモータ角速度ωを演算するようになっている。

加算部３２Ａには補償信号生成部３４からの補償信号ＣＭが加算されており、補償信号ＣＭの加算によって操舵システム系の特性補償を行い、収れん性や慣性特性等を改善するようになっている。補償信号生成部３４は、セルフアライニングトルク（ＳＡＴ）３４３と慣性３４２を加算部３４４で加算し、その加算結果に更に収れん性３４１を加算部３４５で加算し、加算部３４５の加算結果を補償信号ＣＭとしている。

このような電動パワーステアリング装置で高い操作性と信頼性が求められる場合には、回転角検出手段の高い精度、高い故障検出性が要求される。このため、角度検出手段の２系統化、センサモジュールからＥＣＵへの信号伝達手段のディジタル化（ＳＥＮＴ(Single Edge Nibble Transmission)規格などノイズに強いため）の要求が強まっている。

例えば特開２００４−１９４４９０号公報（特許文献１）には、冗長性を持たせて信頼性を向上したブラシレスモータの制御方法が開示されている。即ち、複数のホールセンサから成り、ロータマグネットの磁気を検知してロータ回転位置を検出する第１のセンサ群と、ホールセンサに偏倚角だけ間隔をあけて配置された複数のホールセンサから成る第２のセンサ群を設け、ホールセンサが正常に作動するときは、両センサ群を用いてオーバーラップ通電制御を行い、ホールセンサが故障した場合には、故障センサを含まない方のセンサ群を用いて矩形波制御を実施している。

特開２００４−１９４４９０号公報 特開２０１１−２４４６７８号公報

しかしながら、２重化の比較による故障（異常）検出では、１系統が故障した後に、正常な系統の回転センサを用いてアシスト制御を継続する場合の異常検出の手段が乏しく、信頼性の高いモータ制御を実施できない。このため、電動パワーステアリング装置では、１系統故障した後にアシスト制御を停止する手段が採用されており、運転者に負担がかかることが課題となっている。

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、回転角度検出系を３系統とし、３検出信号の多数決で異常（故障を含む）検出を行うと共に、回転角度検出系のいずれかが異常となっても瞬時に異常系統を特定でき、残りの正常な角度検出信号を利用して信頼性の高い角度検出を行ってアシスト制御を継続できる機能を具備した電動パワーステアリング装置を提供することにある。

本発明は、少なくとも操舵トルクに基づいて電流指令値を演算し、前記電流指令値に基づいてインバータによりブラシレスモータをＰＷＭ制御すると共に、前記ブラシレスモータの回転角度を検出して電流制御を行い、操舵系をアシスト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に関し、本発明の上記目的は、前記ブラシレスモータの回転角度を検出する３系統の回転角度検出系と、前記３系統の回転角度検出系から出力される各角度の差の絶対値を閾値と比較して、前記回転角度検出系の正常／異常を診断して処理する角度診断部とを具備し、前記角度診断部で正常と診断された系統の出力角度を用いて前記アシスト制御を継続することにより達成される。

本発明の上記目的は、前記角度診断部は、各角度差の絶対値が前記閾値より小さいときに正常と診断し、前記各角度の差の絶対値が前記閾値以上のときに異常と診断することにより、或いは前記各角度差の絶対値が全て前記閾値より小さいとき、前記３系統のいずれかを出力角度として出力するようになっていることにより、或いは前記各角度差の絶対値の１つが前記閾値より小さいとき、異常と診断した系統以外の正常な２系統の出力角度を用いて前記アシスト制御を継続するようになっていることにより、或いは前記正常な２系統の出力角度について異常診断を継続することにより、或いは前記異常と診断する系統が２以上であるとき、前記アシスト制御を停止するか又はセンサレス駆動を実施するようになっていることにより、より効果的に達成される。

本発明に係る電動パワーステアリング装置によれば、回転角度検出系を３系統とし、３検出信号の多数決で異常（故障を含む）検出を行うと共に、回転角度検出系のいずれかが異常となっても瞬時に異常系統を特定でき、残りの正常な角度検出信号を利用して信頼性の高い角度検出を行ってアシスト制御を継続できる。１系統目の異常発生後も２系統で相互監視が可能なため、１重異常発生後もアシスト制御停止の可能性が減少する利点がある。そのため、運転者への負荷負担も軽減される。

電動パワーステアリング装置の概要を示す構成図である。 電動パワーステアリング装置の制御系の構成例を示すブロック図である。 本発明の構成例を示すブロック線図である。 本発明に係る診断制御部の構成例を示すブロック図である。 本発明の動作例を示すフローチャートの一部である。 本発明の動作例を示すフローチャートの一部である。

本発明は、ブラシレスモータの回転角度の検出を３系統の回転角度検出系で行うと共に、各系統の正常／異常（故障を含む）を多数決で診断し、１系統のみの異常である場合には他の２系統の回転角度検出系の出力角度を用いてアシスト制御を継続するようにした信頼性の高い電動パワーステアリング装置である。回転角度検出系を３系統とし、３検出信号の多数決で異常（故障を含む）検出を行うと共に、回転角度検出系のいずれかが異常となっても瞬時に異常系統を特定でき、残りの正常な角度検出信号を利用して信頼性の高い角度検出を行ってアシスト制御を継続できる。

本発明で使用する回転センサはレゾルバ、ＭＲセンサ等であり、それぞれの系統からの角度信号はＳＥＮＴ通信規格などのディジタル出力、又は角度値に応じたアナログ出力を想定する。

以下に、本発明の実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。

図３は本発明の構成例を図２に対応させて示しており、ブラシレスモータ２０にはレゾルバ、ＭＲセンサ等の回転センサ１０１，１０２，１０３が３系統に連結されており、回転センサ１０１，１０２，１０３にはそれぞれ信号を処理する角度検出回路１１１，１１２，１１３が接続されており、角度検出回路１１１，１１２，１１３から検出回転角度θａ，θｂ，θｃが出力される。回転センサ１０１及び角度検出回路１１１でａ系統の回転角度検出系を構成し、回転センサ１０２及び角度検出回路１１２でｂ系統の回転角度検出系を構成し、回転センサ１０３及び角度検出回路１１３でｃ系統の回転角度検出系を構成し、全体で３系統の回転角度検出系を構成している。

角度検出回路１１１〜１１３からの検出回転角度θａ〜θｃは角度診断部１００に入力され、角度診断部１００には異常判定用の閾値θｔｈも入力されている。角度診断部１００は入力された検出角度θａ〜θｃ及び閾値θｔｈに基づいて３系統の回転角度検出系の正常／異常（故障を含む）を診断し、回転角度θ又はアシスト制御の停止若しくはセンサレス駆動を実施する異常信号ＡＳを出力する。

角度診断部１００は例えば図４に示すような構成であり、検出角度θａは差演算部１２１及び１２３に入力され、検出角度θｂは差演算部１２１及び１２２に入力され、検出角度θｃは差演算部１２２及び１２３に入力される。差演算部１２１で演算された差ｄ１（＝θａ−θｂ）は、絶対値部１３１で絶対値Ｄ１（＝｜θａ−θｂ｜）にされて比較部１４１に入力される。また、差演算部１２２で演算された差ｄ２（＝θｂ−θｃ）は、絶対値部１３２で絶対値Ｄ２（＝｜θｂ−θｃ｜）にされて比較部１４２に入力され、差演算部１２３で演算された差ｄ３（＝θｃ−θａ）は、絶対値部１３３で絶対値Ｄ３（＝｜θｃ−θａ｜）にされて比較部１４３に入力される。比較部１４１〜１４３には所定の閾値θｔｈが入力されており、それぞれ比較部１４１〜１４３で絶対値Ｄ１〜Ｄ３と閾値θｔｈとが比較され、正常／異常の判定結果ＤＳ１〜ＤＳ３が判定部１２０に入力される。判定部１２０には検出回転角度θａ〜θｃも入力されており、判定部１２０は、判定結果ＤＳ１〜ＤＳ３に基づいて角度θを出力するか、或いはアシスト停止又はセンサレス駆動のための異常信号ＡＳを出力する。

このような構成において、その動作例を図５及び図６のフローチャートを参照して説明する。

アシスト制御のためにブラシレスモータ２０が駆動されると、同時に回転センサ１０１〜１０３も回転し、角度検出回路１１１〜１１３によって回転角度θａ〜θｃが検出され（ステップＳ１）、回転角度θａは角度診断部１００内の差演算部１２１及び１２３に入力され、回転角度θｂは差演算部１２１及び１２２に入力され、回転角度θｃは差演算部１２２及び１２３に入力され、以下のような角度診断が実施される（ステップＳ２）。即ち、差演算部１２１は差ｄ１（＝θａ−θｂ）を演算し、絶対値部１３１は差ｄ１の絶対値Ｄ１（＝｜θａ−θｂ｜）を求めて比較部１４１に入力する。また、差演算部１２２は差ｄ２（＝θｂ−θｃ）を演算し、絶対値部１３２は差ｄ２の絶対値Ｄ２（＝｜θｂ−θｃ｜）を求めて比較部１４２に入力し、差演算部１２３は差ｄ３（＝θｃ−θａ）を演算し、絶対値部１３３は差ｄ３の絶対値Ｄ３（＝｜θｃ−θａ｜）を求めて比較部１４３に入力する。そして、比較部１４１〜１４３は絶対値Ｄ１〜Ｄ３と閾値θｔｈを比較し、その判定結果ＤＳ１〜ＤＳ３を判定部１２０に入力する。比較部１４１〜１４３の比較はそれぞれ｜θａ−θｂ｜＜θｔｈであるか否か、｜θｂ−θｃ｜＜θｔｈであるか否か、｜θｃ−θａ｜＜θｔｈであるか否かであり、その結果が判定結果ＤＳ１〜ＤＳ３となっている。

判定部１２０は、入力された判定結果ＤＳ１〜ＤＳ３に基づいて、｜θａ−θｂ｜＜θｔｈ、｜θｂ−θｃ｜＜θｔｈ、｜θｃ−θａ｜＜θｔｈの２つ以上が成立するか否かを判定し（ステップＳ３）、２つ以上が成立する場合には３系統の回転角度検出系が正常であり（ステップＳ４）、いずれかの系統の検出角度θａ〜θｃを回転角度θとして出力し（ステップＳ５）、これによりアシスト制御を継続する（ステップＳ６）。

一方、上記ステップＳ３において、２つ以上が成立していないと判定された場合には、先ず成立式が１つであるか否かを判定する（ステップＳ１０）。成立式が１つであると判定された場合（Ｙｅｓの場合）、最初に｜θａ−θｂ｜＜θｔｈのみが成立するか否かを判定し（ステップＳ１１）、｜θａ−θｂ｜＜θｔｈのみが成立する場合には系統ｃの異常と判定し（ステップＳ１２）、以後は系統ａ，ｂの信号、つまり回転角度θａ、θｂを使用してアシスト制御を継続する（ステップＳ１３）。

上記ステップＳ１１においてＮｏと判定された場合には、｜θｂ−θｃ｜＜θｔｈのみが成立するか否かを判定し（ステップＳ２０）、｜θｂ−θｃ｜＜θｔｈのみが成立する場合（Ｙｅｓの場合）には系統ａの異常と判定し（ステップＳ２１）、以後は系統ｂ，ｃの信号、つまり回転角度θｂ、θｃを使用してアシスト制御を継続する（ステップＳ２２）。

また、上記ステップＳ２０においてＮｏと判定された場合には、｜θｃ−θａ｜＜θｔｈのみが成立するか否かを判定し（ステップＳ２３）、｜θｃ−θａ｜＜θｔｈのみが成立する場合（Ｙｅｓの場合）には系統ｂの異常と判定し（ステップＳ２４）、以後は系統ｃ，ａの信号、つまり回転角度θｃ、θａを使用してアシスト制御を継続する（ステップＳ２５）。なお、上記比較判定の順番は任意であり、適宜変更可能である。

上述のように３系統中異常な系統が判断された場合は、正常な系統のいずれかの回転角度を使用してアシスト制御を継続し、正常なもう１系統の検出値と相互比較して異常を検出する。この結果、更に異常検出された場合、つまり上記ステップＳ１０においてＮｏの場合、又は上記ステップＳ２３においてＮｏの場合には、異常信号ＡＳを出力してアシスト制御を停止するか、或いは特開２０１１−２４４６７８号公報（特許文献２）に開示されているようなセンサレス駆動を実施する（ステップＳ３０）。

センサレス駆動は、例えば、駆動対象に加えられるモータトルク以外のトルクが検出され、駆動対象に作用させるべきトルク指令値が設定され、検出トルクとトルク指令値との偏差をゼロにすべく加算角が演算され、これにより、トルク指令値に応じたトルクが駆動対象に加えられる状態となるように、モータトルクが制御されるものであり、モータトルクは、ロータの磁極方向に従う回転座標系の座標軸と仮想軸とのずれ量である負荷角に対応している。

１ ハンドル
２ コラム軸（ステアリングシャフト、ハンドル軸）
１０ トルクセンサ
１２ 車速センサ
１４ 舵角センサ
２０ モータ（ブラシレスモータ）
３０ コントロールユニット（ＥＣＵ）
３１ 電流指令値演算部
３３ 電流制限部
３４ 補償信号生成部
３５ ＰＩ制御部
３６ ＰＷＭ制御部
３７ インバータ
５０ ＣＡＮ
１００ 角度診断部
１０１〜１０３ 回転センサ
１１１〜１１３ 角度検出回路
１２０ 判定部
１２１〜１２３ 差演算部
１３１〜１３３ 絶対値部
１４１〜１４３ 比較部

Claims (6)

1. 少なくとも操舵トルクに基づいて電流指令値を演算し、前記電流指令値に基づいてインバータによりブラシレスモータをＰＷＭ制御すると共に、前記ブラシレスモータの回転角度を検出して電流制御を行い、操舵系をアシスト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において、
   前記ブラシレスモータの回転角度を検出する３系統の回転角度検出系と、前記３系統の回転角度検出系から出力される各角度の差の絶対値を閾値と比較して、前記回転角度検出系の正常／異常を診断して処理する角度診断部とを具備し、
   前記角度診断部で正常と診断された系統の出力角度を用いて前記アシスト制御を継続することを特徴とする電動パワーステアリング装置。
2. 前記角度診断部は、各角度差の絶対値が前記閾値より小さいときに正常と診断し、前記各角度の差の絶対値が前記閾値以上のときに異常と診断する請求項１に記載の電動パワーステアリング装置。
3. 前記各角度差の絶対値が全て前記閾値より小さいとき、前記３系統のいずれかを出力角度として出力するようになっている請求項２に記載の電動パワーステアリング装置。
4. 前記各角度差の絶対値の１つが前記閾値より小さいとき、異常と診断した系統以外の正常な２系統の出力角度を用いて前記アシスト制御を継続するようになっている請求項３に記載の電動パワーステアリング装置。
5. 前記正常な２系統の出力角度について異常診断を継続する請求項４に記載の電動パワーステアリング装置。
6. 前記異常と診断する系統が２以上であるとき、前記アシスト制御を停止するか又はセンサレス駆動を実施するようになっている請求項２に記載の電動パワーステアリング装置。

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