JP2009248755A - 電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】モータ電流を用いずに故障判定を行うことができ、モータ電流を検出するシャント抵抗等のモータ電流検出手段を排除して、装置の発熱および電力損失を抑制し、装置の小型化、コストダウン、高効率化を実現できる電動パワーステアリング装置を提供する。
【解決手段】操舵系に連結されたモータ４と、このモータ４を駆動制御する駆動制御手段３０と、モータ４の印加電圧を検出するモータ印加電圧検出手段１２と、検出されたモータ印加電圧と駆動制御手段３０の出力電圧の比較結果に基づいて異常を判定する異常判定手段５０とを備える。
【選択図】図３

Description

この発明は、モータにより操舵補助トルクを発生する電動パワーステアリング装置に関するものである。

従来、電動パワーステアリング装置においては、操舵系の操舵トルクを検出するトルクセンサと車速を検出する車速センサを設け、それらの出力に基づいてモータのアシストトルクを制御しており、また、操舵フィーリングを改善するために、それに加えてモータの角速度や角加速度に基づいてステアリング系の慣性、粘性等を補償する制御方法が提案されている。

従来の電動パワーステアリング装置では、上記の如く、操舵トルク、モータの角速度や角加速度に基づいて決定されたモータ目標トルクから目標電流を決定し、モータの電流経路に挿入したシャント抵抗により検出した検出電流と、上記目標電流が一致するように電流フィードバック制御していた。

従来の電動パワーステアリング装置においては、上記のように電流フィードバック制御を実施していることから、装置が正常であれば、目標電流と検出電流が一致することから、目標電流と検出電流の差が所定値以上となった場合に、装置が異常であると判定していた。

特公平６−２９０３１号公報

上記特許文献１に記載されたような従来の電動パワーステアリング装置においては、電流を検出するためのシャント抵抗を備えている。このシャント抵抗に電流が流れることによってシャント抵抗が発熱する。

近年、電動パワーステアリング装置の装着車種が重量の大きい普通自動車まで拡大され、モータの大電流化が進み、このシャント抵抗による発熱の問題は顕著になってきている。また、このシャント抵抗による電圧降下は、すなわちシャント抵抗による電力損失と言い換えることもできるものであり、近年の大電流化に伴い、このシャント抵抗による電力損失も大きくなってきており、装置の高効率化を阻害するという問題も生じている。

さらに、シャント抵抗によって生じた熱を放熱するために、コントローラに大型のヒートシンクを設ける必要が生じており、また、電流を検出するためには、シャント抵抗はもちろん、シャント抵抗の両端電圧をマイクロコンピュータに取り込むための周辺回路が必要となるためコントローラが複雑化するだけでなく、これらの部品を回路基板に実装するためのスペースが必要となるため、さらにコントローラの大型化、コストアップを招くという問題があった。

この発明は、上記のような問題を解決するためになされたもので、モータ電流を用いずに故障判定を行うことができる電動パワーステアリング装置を提供することを目的とし、モータ電流検出手段の無い電動パワーステアリング装置に適したフェイルセーフ手段を提供するものである。さらには、モータ電流を検出するシャント抵抗等のモータ電流検出手段を排除して、装置の発熱および電力損失を抑制し、装置の小型化、コストダウン、高効率化を実現できる電動パワーステアリング装置を提供することを目的とする。

この発明に係わる電動パワーステアリング装置は、操舵系に連結されたモータと、このモータを駆動制御する駆動制御手段と、上記モータの印加電圧を検出するモータ印加電圧検出手段と、検出されたモータ印加電圧と上記駆動制御手段の出力電圧の比較結果に基づいて異常を判定する異常判定手段とを備えたものである。

この発明によれば、モータ電流を検出するシャント抵抗等のモータ電流検出手段の無い電動パワーステアリング装置に適したフェイルセーフ手段を提供するものである。

実施の形態１．
以下、この発明の実施形態１に係る電動パワーステアリング装置を図に従って説明する。図１において、１はステアリングホイール、２はステアリング軸、３は運転者の操舵力を検出するトルクセンサ、４は運転者の操舵力を補助するモータ、５はモータの出力トルクをステアリング軸２に伝達するための減速機、６は車両の走行速度を検出する車速センサ、７は車両に搭載された電源（バッテリ）、８はトルクセンサ３や車速センサ６の出力信号に基づいてモータ４を駆動するコントローラである。

図２は、コントローラ８の詳細を示す図である。９はマイクロコンピュータであり、マイクロプロセッサＭＰＵ、記憶装置（ＲＯＭ並びにＲＡＭ）、入出力ポートＩ／Ｏ、アナログ／デジタル変換器Ａ／Ｄ、およびパルス幅変調信号（ＰＷＭ信号）出力回路ＰＷＭ等を有するものである。１０は４つのパワーＭＯＳＦＥＴ（１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、以下ＦＥＴという）からなるブリッジ回路から構成されるブリッジ回路、１１はブリッジ回路１０を駆動するためのゲート駆動回路、１２はモータの印加電圧を検出するモータ印加電圧検出手段、１３はトルクセンサ３の出力信号を処理するトルクセンサ信号入力回路、１４は車速センサ６の出力信号を処理する車速センサ信号入力回路である。

図３は、コントローラ８の詳細な機能ブロックを示す図である。この機能ブロック図を参照しながら、この発明に係る電動パワーステアリング装置の動作を説明する。

まず、トルクセンサ３にて検出した運転者の操舵力と、車速センサ６にて検出した車速を、モータ目標トルク決定手段２０に入力し、検出した操舵力および車速に応じて予め決められた特性（アシストマップ）に従って、モータ４で出力すべきモータ目標トルクを決定する。

続いて、決定されたモータ目標トルクは、駆動制御手段３０のデューティ決定手段３１に入力される。このデューティ決定手段３１には、モータ目標トルク以外に、バッテリ電圧監視回路６０にて検出したバッテリ７の電圧ＶＢとモータ角速度検出手段４０にて検出されたモータ角速度ωが入力されている。デューティ決定手段３１は、入力されたモータ目標トルクと、入力されたモータ角速度ωから求めた誘起電圧Ｖｅから、モータ４に印加すべき電圧（すなわち、駆動制御手段３０の出力電圧）ＶＭ＊を決定し、この出力電圧ＶＭ＊とバッテリ電圧ＶＢからデューティＤＴＹを決定する。さらに、このデューティ決定手段３１は、この決定したデューティＤＴＹを、ゲート駆動回路１１に出力し、ブリッジ回路１０を構成するＦＥＴ１０ａ〜１０ｄをＰＷＭ駆動することでモータ４に所望のトルクを発生させ、運転者の操舵を補助するものである。

コントローラ８にはモータ印加電圧検出手段１２が設けられており、このモータ印加電圧検出手段１２には、ＰＷＭ信号のオン／オフに同期してハイ／ローを繰り返すモータ端子電圧を、ＰＷＭ信号の搬送周波数以下の通過特性を有するローパスフィルタを通過させることで、モータ端子電圧信号Ｖ１＿ｍｎｉｔ、Ｖ２＿ｍｎｉｔとして、モータ端子電圧Ｖ１、Ｖ２からＰＷＭの搬送波を除去した平均電圧を得る図示しないモータ端子電圧検出回路が含まれる。モータ印加電圧検出手段１２は、このモータ端子電圧信号Ｖ１＿ｍｎｉｔ、Ｖ２＿ｍｎｉｔから、
ＶＭ＝Ｖ１−Ｖ２
＝Ｖ１＿ｍｎｉｔ−Ｖ２＿ｍｎｉｔ・・・（１）
ただし、
Ｖ１＿ｍｎｉｔ、Ｖ２＿ｍｎｉｔ：モータ端子電圧信号（Ｖ）
としてモータ印加電圧ＶＭを演算している。

このモータ印加電圧検出手段１２によって検出されたモータ印加電圧ＶＭは、異常判定手段５０に入力される。この異常判定手段５０には、モータ印加電圧ＶＭ以外に、デューティ決定手段３１によって決定されたデューティＤＴＹ、バッテリ電圧監視回路６０にて検出したバッテリ電圧ＶＢおよびモータ角速度検出手段４０にて検出されたモータ角速度ωが入力されている。

次に、異常判定手段５０の動作について説明するが、この異常判定手段５０は、モータ４ないしはブリッジ回路１０の地絡等の故障を判定するものであり、その動作は、ブリッジ回路１０の駆動方式によって異なるため、以下に駆動方式毎の異常判定手段５０の動作をそれぞれ説明する。なお、具体的には、（ア）所望の通流方向の一対のＦＥＴの一方をＰＷＭ信号によって駆動し、他方の一対のＦＥＴをオフとする駆動方式、（イ）所望の通流方向の一対のＦＥＴの一方をＰＷＭ信号により駆動し、当該一対のＦＥＴの他方を継続的にオンとし、他方の一対のＦＥＴをオフとする駆動方式、（ウ）所望の通流方向の一対のＦＥＴをＰＷＭ信号により駆動し、他方の一対のＦＥＴを上記ＰＷＭ信号と相補的な信号によりＰＷＭ駆動する駆動方式がある。

以下に、上記（ア）の駆動方式を採用した場合について説明する。図４（ａ）には、各ＦＥＴ１０ａ〜１０ｂの駆動方法と、モータ４の逆起電力Ｖｅ＝０のときのモータ電流の経路が示されている。図４（ａ）の駆動方式では、Ｉ１で表される方向にモータ４に電流を通流するとき、ＦＥＴ１０ａ、１０ｄを所望のモータ電流値に応じたデューティ比でＰＷＭ駆動し、ＦＥＴ１０ｂ、１０ｃをオフする。ＦＥＴ１０ａ、１０ｄがオンの期間には、モータ電流はＩ１の経路で流れ、ＦＥＴ１０ａ、１０ｄがオフの期間には、モータ電流はＩ２の経路でバッテリ７に回生する。

また、図４（ｂ）には、逆起電力Ｖｅ＝０で、ＦＥＴ１０ａ〜１０ｄの電圧降下を無視したときの、モータ４の第１の端子電圧Ｖ１と、第２の端子電圧Ｖ２の波形を示している。この条件で、モータ駆動電圧からＰＷＭ搬送波成分を除去した平均値、すなわち、駆動制御手段３０の出力電圧ＶＭ＊は、図４（ｂ）の波形から、
ＶＭ＊＝Ｖ１−Ｖ２
＝｛ＶＢ・Ｔｏｎ−（ＶＢ＋２・ＶＦ）・Ｔｏｆｆ｝／（Ｔｏｎ＋Ｔｏｆｆ）
・・・（２）
ただし、
ＶＢ：バッテリ電圧（Ｖ）
Ｔｏｎ：ＰＷＭ信号のオン時間（ｓ）
Ｔｏｆｆ：ＰＷＭ信号のオフ時間（ｓ）
ＶＦ：ＦＥＴ１０ａ〜１０ｄの寄生ダイオード順方向電圧（Ｖ）
ＦＥＴ１０ａ〜１０ｄの電圧降下を無視
となる。さらに、
ＤＴＹ＝Ｔｏｎ／（Ｔｏｎ＋Ｔｏｆｆ）・・・（３）
ただし、ＤＴＹ：ＰＷＭ通電率とおくと、
ＶＭ＊＝ＶＢ・ＤＴＹ−（ＶＢ＋２・ＶＦ）・（１−ＤＴＹ）・・・（４）
と整理できる。

ここで、以上の演算は、上記（４）式の右辺が正の場合のみ成り立つ。上記（１）式の右辺が負になる場合は、いわゆる電流断続モードであり、厳密には別の演算式で求める必要があるが、その場合は、モータ印加電圧ＶＭが十分小さく、地絡故障等においても過電流破壊には至らないと考え、故障判定は禁止する。
このときの故障判定の条件は、上記（４）式右辺から、
ＶＢ・ＤＴＹ−（ＶＢ＋２・ＶＦ）・（１−ＤＴＹ）＞０
∴ＤＴＹ＞１／２＋ＶＦ／２（ＶＢ＋ＶＦ）・・・（５）
となる。さらに、ＶＢ≫ＶＦであり、上記（５）式右辺第２項ＶＦ／２（ＶＢ＋ＶＦ）≒０である。ゆえに（５）式は、
ＤＴＹ＞１／２・・・（６）
と近似できる。よって、モータ４が回転しておらず、ＰＷＭ通流率が５０％以上のときには、上記（４）式で出力電圧ＶＭ＊を求めることができる。

ここで、バッテリ電圧ＶＢは、バッテリ電圧監視回路６０から入力されており、また、ＰＷＭ通電率ＤＴＹはデューティ決定手段３１で決定した値であり、さらにまたダイオード順方向電圧ＶＦは定数である。以上のことから、異常判定手段５０において、上記（４）式を用いて駆動制御手段３０の出力電圧ＶＭ＊を演算することができる。

従って、異常判定手段５０においては、モータ角速度検出手段４０の出力によりモータ４が回転しておらず逆起電力が無視でき、かつ、ＰＷＭ通流率が５０％以上と判断される場合には、上記（１）式にて得たモータ印加電圧ＶＭと上記（４）式にて得た駆動制御手段３０の出力電圧ＶＭ＊を比較することにより、ブリッジ回路１０の地絡故障等の異常を判定することができる。

次に、図５に従って、上記（イ）の駆動方式を採用した場合について説明する。図５には、図４と同様に、ＦＥＴ１０ａ〜１０ｄの電圧降下を無視し、Ｖｅ＝０のときの、モータ４の電流、電圧波形が示されている。図４同様、モータ駆動電圧からＰＷＭ搬送波成分を除去した平均電圧、すなわち、駆動制御手段３０の出力電圧ＶＭ＊は、図５（ｂ）の波形から求められ、
ＶＭ＊＝ＶＢ・ＤＴＹ−ＶＦ・（１−ＤＴＹ）・・・（７）
となる。そして、図４について述べたように、モータ印加電圧検出手段１２によって検出されたモータ印加電圧ＶＭと、上記（７）式によって求めた駆動制御手段３０の出力電圧ＶＭ＊を比較することによって、ブリッジ回路１０の異常を判定することができる。

また、故障判定条件も、図４についての説明と同様に、上記（７）式の右辺が正の条件から求めることができ、
ＶＢ・ＤＴＹ−ＶＦ・（１−ＤＴＹ）＞０
∴ＤＴＹ＞ＶＦ／（ＶＢ＋ＶＦ）・・・（８）
となる。従い、ＶＢ≫ＶＦとみなせる場合には、ＤＴＹ＞０で故障判定することができる。

最後に、図６に従って、上記（ウ）の駆動方式を採用した場合について説明する。図６には、図４と同様に、ＦＥＴ１０ａ〜１０ｄの電圧降下を無視し、Ｖｅ＝０のときの、モータ４の電流、電圧波形が示されている。図４同様、モータ駆動電圧からＰＷＭ搬送波成分を除去した平均電圧、すなわち、駆動制御手段３０の出力電圧ＶＭ＊は、
ＶＭ＝ＶＢ・ＤＴＹ−ＶＢ・（１−ＤＴＹ）・・・（９）
となる。そして、図４について述べたように、モータ印加電圧検出手段１２によって検出されたモータ印加電圧ＶＭと、上記（７）式によって求めた駆動制御手段３０の出力電圧ＶＭ＊を比較することによって、ブリッジ回路１０の異常を判定することができる。

なお、ここでは、ＤＴＹ＝５０％のときにＶＭ＊＝０となり、正負いずれの電圧もモータ４に印加できる駆動方式のため、故障判定の禁止条件は無い。すなわち、逆起電力Ｖｅが０とみなせるときは、常時故障判定ができる。

ところで、上記の説明においては、誘起電圧Ｖｅ＝０の場合について説明したが、モータ４が回転すると誘起電圧Ｖｅが発生し、モータ角速度ωが大きくなるほど、この誘起電圧Ｖｅが大きくなることは周知の事実である。駆動制御手段３０がモータ４を所望の方向へ回転させるべくブリッジ回路１０のＦＥＴを駆動しているときに、外力によってモータ４が同じ方向へ速く回転させられている場合には、モータ角速度ωが非常に大きくなり、誘起電圧Ｖｅも大きくなるため、例えば、ＤＴＹ＝１００％として駆動しても、誘起電圧Ｖｅの影響で、検出したモータ端子電圧は、バッテリ電圧ＶＢを超えることも想定すべきであり、このような状態では、装置が正常であっても、検出したモータ印加電圧ＶＭと駆動制御手段３０の出力電圧ＶＭ＊が一致しない。また、このような状態、すなわち、モータ角速度ωが所定値よりも大きい状態では、異常判定を禁止することによって、誤判定を防止することができる。また、異常判定を禁止せずとも、モータ角速度ωが大きくなるほど、異常判定のしきい値εが大きくなるように変化させることによって、異常判定を継続させながらも、誤判定を防止することができる。

また同様に、ＤＴＹ＝０％（上記（ウ）の駆動方式の場合はＤＴＹ＝５０％）としても、誘起電圧Ｖｅの影響で、検出したモータ印加電圧は０Ｖとはならず、このような状態では、装置が正常であっても、検出したモータ印加電圧ＶＭと駆動制御手段３０の出力電圧ＶＭ＊が一致しない。このような状態においても、モータ角速度ωが所定値よりも大きい状態で異常判定を禁止、ないしはモータ角速度ωが大きくなるほど、異常判定のしきい値εが大きくなるように変化させることによって、異常判定を継続させながらも、誤判定を防止することができる。

以上、説明したように、検出したモータ印加電圧と、駆動制御手段３０の出力電圧を比較することによって異常判定することができる。また、駆動制御手段３０の出力電圧は上記のように求められるものであり、その式から明らかなように、モータ電流Ｉａとは無関係に求められるものである。モータ電流Ｉａに無関係であることから、異常判定のためにシャント抵抗を用いた電流検出を行う必要がない。

さらに、異常判定のためにシャント抵抗を用いた電流検出を行う必要がないため、シャント抵抗やその周辺回路等を排除することも可能であり、これらを排除した場合には、コントローラを単純化でき、また、シャント抵抗や周辺回路を回路基板に実装するスペースが不要となり、さらに、シャント抵抗にて生じる熱を放熱するためにヒートシンクを大型化する必要もなく装置の小型化、コストダウンを実現でき、さらにまた、シャント抵抗による電力損失がなくなるため、装置の高効率化を実現できるという効果を奏するものである。

この発明の実施形態１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。 この発明の実施形態１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。 この発明の実施形態１に係る電動パワーステアリング装置のコントローラの機能を示す機能ブロック図である。 この発明の実施形態１に係る電動パワーステアリング装置における駆動制御手段の出力電圧を演算する原理を説明する図である。 この発明の実施形態１に係る電動パワーステアリング装置における駆動制御手段の出力電圧を演算する原理を説明する図である。 この発明の実施形態１に係る電動パワーステアリング装置における駆動制御手段の出力電圧を演算する原理を説明する図である。

符号の説明

１ ステアリングホイール、２ ステアリング軸、３ トルクセンサ、４ モータ、５ 減速機、６ 車速センサ、７ バッテリ、８ コントローラ、９ マイクロコントローラ、１０ ブリッジ回路、１１ ゲート駆動回路、１２ モータ印加電圧検出手段、１３ トルクセンサ信号入力回路、１４ 車速センサ入力回路、２０ モータ目標トルク決定手段、３０ 駆動制御手段、３１ デューティ決定手段、４０ モータ角速度検出手段、５０ 異常判定手段、６０ バッテリ電圧監視回路。

Claims (6)

1. 操舵系に連結されたモータと、このモータを駆動制御する駆動制御手段と、上記モータの印加電圧を検出するモータ印加電圧検出手段と、検出されたモータ印加電圧と上記駆動制御手段の出力電圧の比較結果に基づいて異常を判定する異常判定手段とを備えたことを特徴とする電動パワーステアリング装置。
2. 上記駆動制御手段は、上記モータをＰＷＭ駆動するものであり、上記出力電圧は、ＰＷＭ信号のデューティおよび電源電圧に基づいて演算されることを特徴とする請求項１に記載の電動パワーステアリング装置。
3. 上記印加電圧検出手段は、遮断周波数が上記ＰＷＭ信号の搬送周波数よりも低い低域通過特性を有することを特徴とする請求項２に記載の電動パワーステアリング装置。
4. 上記異常判定手段は、上記ＰＷＭ信号のデューティが所定値以下のとき、異常判定を禁止することを特徴とする請求項２または３のいずれかに記載の電動パワーステアリング装置。
5. 上記モータの角速度を検出するモータ角速度検出手段を備え、上記異常判定手段は、上記モータ角速度が所定値以上のとき、異常判定を禁止することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の電動パワーステアリング装置。
6. 上記モータの角速度を検出するモータ角速度検出手段を備え、上記異常判定手段は、上記モータ角速度の大きさに応じて、異常判定のためのしきい値を変更することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の電動パワーステアリング装置。

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