JP5092509B2 - 電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Description

本発明は、電動パワーステアリング装置に関するものである。

従来、車両用のパワーステアリング装置には、モータを駆動源とした電動パワーステアリング装置（ＥＰＳ）があり、こうしたＥＰＳには、油圧式のパワーステアリング装置と比較して、レイアウト自由度が高く、且つエネルギー消費量が小さいという特徴がある。このため、近年では、小型車両から大型車両までの幅広い車種において、その採用が検討されるようになっている。

さて、通常、このようなＥＰＳにおけるアシスト力の制御は、外乱に強い電流フィードバック制御の実行により行われる。しかしながら、一般に、外乱に弱いとされるオープン制御（オープンループ制御）であっても、高度な補正を行うことにより、高精度なモータ制御が可能であり、その採用により得られる利点も少なくない。例えば、特許文献１に記載のＥＰＳでは、オープン制御は実電流の検出を必要としない点に着目し、電流センサの故障時には、その制御形態を電流フィードバック制御からオープン制御へと切り替える。そして、これにより、当該故障発生時においても、そのアシスト力付与の実行を継続して、運転者の負担を軽減する構成となっている。
特開２００５−８８８７７号公報

しかしながら、その制御形態を電流フィードバック制御から完全なオープン制御へと切り替えるには、依然、大きな課題を残している。即ち、常にオープン制御とすることで、電流センサを廃止することができ、これにより大きなコストメリットを享受することができる。しかしながら、通常時においては高精度なモータ制御の実現が可能であるとしても、システムに何らかの異常が発生した場合には、オープン制御のデメリットが顕在化する可能性がある。

即ち、電流フィードバック制御を実行する構成では、例えば、駆動回路の故障（スイッチング素子の接点故障）等により生ずるモータに対する過大な電流出力、つまり過電流が発生した場合であっても、電力供給経路に設けられた電流センサにより、いち早くその発生を検知して迅速にフェールセーフを実行することが可能である。ところが、その制御形態を完全なオープン制御として電流センサを廃した構成では、こうした過電流の発生を検知することができない。その結果、モータや駆動回路が過熱する等の不具合が生ずるおそれがあり、この点において、なお改善の余地を残すものとなっていた。

本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、モータに通電される電流を検出することなく過電流の発生を検知する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にある。

上記問題点を解決するために、請求項１に記載の発明は、操舵系にステアリング操作を補助するためのアシスト力を付与すべく設けられた操舵力補助装置と、前記操舵力補助装置の駆動源であるモータに対して駆動電力を供給することにより該操舵力補助装置の作動を制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、モータ制御信号を生成するモータ制御信号生成手段と、前記モータと車載電源との間の電力供給経路の途中に設けられ前記モータ制御信号に基づき前記駆動電力を供給する駆動回路とからなり、前記モータ制御信号生成手段は、前記モータに供給する電流を検出することなくオープン制御により前記モータ制御信号を生成する電動パワーステアリング装置であって、前記車載電源の電源電圧を検出する第１の電圧検出手段と、前記駆動回路の端子電圧を検出する第２の電圧検出手段と、前記モータに対する積極的な通電制御の可能性を判定する判定手段と、前記モータに対する過大な電流出力の発生を検知する過電流検知手段とを備え、前記過電流検知手段は、前記積極的な通電制御の可能性が低い状況であるにも関わらず、前記電源電圧と前記端子電圧との差分値が所定の閾値を超えた場合に、前記過大な電流出力が発生したものと判定すること、を要旨とする。

即ち、駆動回路の端子電圧及び車載電源の電源電圧を監視することにより、駆動回路が設けられた電力供給経路における電圧降下の発生を検知することができる。そして、モータに対する積極的な通電制御を行う可能性が低い、即ち制御上、電圧降下が生ずる状況でないにも関わらず、当該電圧降下が発生した場合には、過電流が発生したものと判定することができる。従って、上記構成によれば、モータに通電される電流を検出することなく、過電流の発生を検知することができる。その結果、オープン制御の信頼性を高めることができるようになる。

請求項２に記載の発明は、前記モータ制御信号生成手段は、前記駆動回路が設けられた第１の電力供給経路から独立した第２の電力供給経路を介して供給される駆動電力に基づき作動するものであって、前記第１の電圧検出手段は、前記第２の電力供給経路において検出される電圧を前記電源電圧とすること、を要旨とする。

即ち、第２の電力供給経路は、駆動回路が設けられた第１の電力供給経路とは独立に設けられ、且つモータ制御信号生成手段の消費電力は、駆動回路の消費電力と比較して十分に小さく且つ一定である。従って、当該第２の電力供給経路において検出される電圧を電源電圧として利用することが可能であり、これにより車載電源への新たな電圧センサの設置及びそれに伴う信号線の延伸を回避することができる。

本発明によれば、モータに通電される電流を検出することなく過電流の発生を検知することが可能な電動パワーステアリング装置を提供することができる。

図１は、本実施形態のＥＰＳ１の概略構成図である。同図に示すように、ステアリングホイール（ステアリング）２が固定されたステアリングシャフト３は、ラックアンドピニオン機構４を介してラック５に連結されており、ステアリング操作に伴うステアリングシャフト３の回転は、ラックアンドピニオン機構４によりラック５の往復直線運動に変換される。そして、このラック５の往復直線運動により操舵輪６の舵角が変更されるようになっている。

また、ＥＰＳ１は、操舵系にステアリング操作を補助するためのアシスト力を付与する操舵力補助装置としてのＥＰＳアクチュエータ１０と、該ＥＰＳアクチュエータ１０の作動を制御する制御手段としてのＥＣＵ１１とを備えている。

本実施形態のＥＰＳアクチュエータ１０は、その駆動源であるモータ１２がラック５と同軸に配置された所謂ラック型のＥＰＳアクチュエータであり、モータ１２が発生するアシストトルクは、ボールねじ機構（図示略）を介してラック５に伝達される。尚、本実施形態のモータ１２は、ブラシレスモータであり、ＥＣＵ１１から三相（Ｕ，Ｖ，Ｗ）の駆動電力の供給を受けることにより回転する。そして、モータ制御装置としてのＥＣＵ１１は、このモータ１２が発生するアシストトルクを制御することにより、操舵系に付与するアシスト力を制御する（パワーアシスト制御）。

本実施形態では、ＥＣＵ１１には、トルクセンサ１４及び車速センサ１５が接続されている。そして、ＥＣＵ１１は、これらトルクセンサ１４及び車速センサ１５によりそれぞれ検出される操舵トルクτ及び車速Ｖに基づいて、ＥＰＳアクチュエータ１０の作動、即ちパワーアシスト制御を実行する。

次に、本実施形態のＥＰＳの電気的構成について説明する。
図２に示すように、ＥＣＵ１１は、モータ制御信号を出力するモータ制御信号出力手段としてのマイコン１７と、同マイコン１７の出力するモータ制御信号に基づいてモータ１２に三相の駆動電力を供給する駆動回路１８とを備えている。

本実施形態のＥＣＵ１１は、独立した２系統の電力供給経路Ｌp，Ｌcを介して車載電源（バッテリ）２０と接続されている。駆動回路１８は、ＥＰＳアクチュエータ１０の駆動源であるモータ１２と車載電源２０との間を接続する第１の電力供給経路Ｌｐの途中に設けられており、マイコン１７は、第２の電力供給経路Ｌcを介して供給される駆動電力に基づき作動する。尚、本実施形態では、マイコン１７は、ＥＣＵ１１に設けられた定電圧電源回路（レギュレータ）２１を介して第２の電力供給経路Ｌcと接続されている。そして、その定電圧電源回路２１において変圧された駆動電圧Ｖcc（例えば５Ｖ）に基づいて作動する。

本実施形態の駆動回路１８は、直列に接続された一対のスイッチング素子（ＦＥＴ）を基本単位（アーム）として、各相に対応する３つのアームを並列接続してなる周知のＰＷＭインバータであり、マイコン１７の出力するモータ制御信号は、駆動回路１８を構成する各ＦＥＴのオンｄｕｔｙ比を規定するものとなっている。そして、当該モータ制御信号がＦＥＴのゲート端子に印加され、同モータ制御信号に応答して各ＦＥＴがオン／オフすることにより、車載電源２０の直流電圧が三相（Ｕ，Ｖ，Ｗ）の駆動電力に変換されてモータ１２に供給されるようになっている。

さらに詳述すると、図３に示すように、本実施形態のマイコン１７は、操舵系に付与するアシスト力の制御目標量として電流指令値を演算する電流指令値演算手段としての電流指令値演算部２２と、電流指令値演算部２２により算出された電流指令値に基づいてモータ制御信号を生成するモータ制御信号生成手段としてのモータ制御信号生成部２４とを備えている。

本実施形態では、電流指令値演算部２２には、上記トルクセンサ１４及び車速センサ１５により検出された操舵トルクτ及び車速Ｖが入力される。そして、電流指令値演算部２２は、その操舵トルクτが大きいほど、また車速Ｖが小さいほど、より大きな目標アシスト力に対応する電流指令値Ｉ*を演算する。

また、本実施形態のマイコン１７には、回転角センサ２５により検出されたモータ１２の回転角θが入力されるようになっており（図２参照）、モータ制御信号生成部２４には、電流指令値演算部２２において演算された電流指令値Ｉ*とともに、上記検出された回転角θの微分により得られるモータ１２の回転角速度ωが入力されるようになっている。そして、本実施形態のモータ制御信号生成部２４は、これら入力される電流指令値Ｉ*及び回転角速度ωに基づいてオープン制御（オープンループ制御）を実行することにより、モータ制御信号を生成する。

具体的には、モータ制御信号生成部２４に入力された電流指令値Ｉ*及び回転角速度ωは、オープン制御演算部２６に入力されるようになっており、オープン制御演算部２６は、これら電流指令値Ｉ*及び回転角速度ωを変数とする所定のモータ電圧方程式を解くことにより電圧指令値Ｖ*を演算する。オープン制御演算部２６により演算された電圧指令値Ｖ*は、ＰＷＭ制御演算部２７に入力される。ＰＷＭ制御演算部２７は、その入力される電圧指令値Ｖ*に基づいて各相のｄｕｔｙ指令値を演算することにより、該各ｄｕｔｙ指令値に示されるオンｄｕｔｙ比を有するモータ制御信号を生成する。そして、マイコン１７は、このモータ制御信号生成部２４において演算されたモータ制御信号を、駆動回路１８の各スイッチング素子（のゲート端子）に出力することにより、同駆動回路１８の作動、即ちモータ１２への駆動電力の供給を制御する構成となっている。

（過電流検知）
次に、本実施形態のＥＰＳにおける過電流検知の態様について説明する。
図３に示すように、本実施形態のマイコン１７には、駆動回路１８の故障（スイッチング素子の接点故障）等により、モータ１２に対する過大な電流出力が発生、即ち過電流が発生した場合に、これを検知する過電流検知手段としての過電流検知部３０が設けられている。そして、本実施形態のＥＣＵ１１は、この過電流検知部３０において過電流の発生を検知した場合には、その制御形態を通常制御である上記パワーアシスト制御から速やかにフェールセーフ制御へと移行するように構成されている。

詳述すると、図２に示すように、本実施形態のＥＣＵ１１では、上記第１の電力供給経路Ｌｐ側の入力端子（パワー入力端子ＰＩＧ）及び第２の電力供給経路Ｌｃ側の入力端子（制御入力端子ＩＧ）には、それぞれ電圧センサ３１，３２が設けられており、マイコン１７は、これらの出力信号に基づいて各入力端子の電圧（Ｖ_PIG，Ｖ_IG）を検出する。そして、過電流検知部３０は、これら各電圧センサ３１，３２により検出された各入力端子の電圧に基づいて上記過電流の発生を検出する。

さらに詳述すると、本実施形態では、過電流検知部３０には、モータ１２の回転角速度ω、操舵トルクτ、及び電流指令値Ｉ*が入力されるようになっており、過電流検知部３０は、入力されるこれら各状態量に基づいて、モータ１２に対する積極的な通電制御の可能性を判定する。具体的には、判定手段としての過電流検知部３０は、モータ１２の回転角速度ω（の絶対値）が所定の閾値ω０以下、且つ操舵トルクτ（の絶対値）が所定の閾値τ０以下、且つ電流指令値演算部２２の出力する電流指令値Ｉ*（の絶対値）が所定の閾値Ｉ０以下である場合には、モータ１２に対する積極的な通電制御の可能性は低いと判定する。そして、モータ１２に対する積極的な通電制御を行う可能性の低い状況であるにも関わらず、上記各入力端子の電圧差（|Ｖ_PIG−Ｖ_IG|）が所定の閾値Ｖthを超えた場合には、モータ１２に対する過大な電流出力、即ち過電流が発生したものと判定する。

即ち、ＥＣＵ１１において駆動回路１８の入力端子を構成する上記第１の電力供給経路Ｌｐ側の入力端子の電圧Ｖ_PIGは、駆動回路１８の端子電圧として用いることが可能である。また、上記第２の電力供給経路Ｌｃは、第１の電力供給経路Ｌｐとは独立に設けられており、定電圧電源回路２１を介して接続されるマイコン１７の消費電力は、極めて小さく且つ略一定であることから、当該第２の電力供給経路Ｌｃ側の入力端子の電圧Ｖ_IGは、電源電圧Ｖbとして利用することができる。つまり、本実施形態では、上記二つの入力端子に設けられた各電圧センサ３１，３２及びマイコン１７により、第１及び第２の電圧検出手段が構成されており、これら二つの入力端子間の電圧差を監視することによって、第１の電力供給経路Ｌｐにおける電圧降下の発生を検知することができる。そして、本実施形態の過電流検知部３０は、モータ１２に対する積極的な通電制御を行う可能性が低い、即ち制御上、電圧降下が生ずる状況でないにも関わらず、当該電圧降下が発生した場合には、過電流が発生したものと判定する。

次に、本実施形態のマイコンにおける過電流検知の処理手順について説明する。
図４のフローチャートに示すように、マイコン１７は、上記各センサにより検出された状態量を取得すると（ステップ１０１）、先ずモータ１２に対する積極的な通電制御の可能性について判定する（ステップ１０２〜ステップ１０４）。

具体的には、マイコン１７は、先ずモータ１２の回転角速度ω（の絶対値）が所定の閾値ω０以下であるか否かを判定し（ステップ１０２）、回転角速度ωが閾値ω０以下であると判定した場合（|ω|≦ω０、ステップ１０２：ＹＥＳ）には、続いて操舵トルクτ（の絶対値）が所定の閾値τ０以下であるか否かを判定する（ステップ１０３）。次に、このステップ１０３において、操舵トルクτが所定の閾値τ０以下であると判定した場合（|τ|≦τ０、ステップ１０３：ＹＥＳ）、マイコン１７は、電流指令値Ｉ*（の絶対値）が所定の閾値Ｉ０以下であるか否かを判定する（ステップ１０４）。そして、このステップ１０４において、電流指令値Ｉ*が閾値Ｉ０以下であると判定した場合（|Ｉ*|≦Ｉ０、ステップ１０４：ＹＥＳ）には、モータ１２に対する積極的な通電制御の可能性は低いものと判定し、次に上記各入力端子の電圧差（|Ｖ_PIG−Ｖ_IG|）が所定の閾値Ｖthを超えるか否かを判定する（ステップ１０５）。

そして、このステップ１０５において、各入力端子の電圧差（|Ｖ_PIG−Ｖ_IG|）、即ち駆動回路１８の端子電圧と車載電源２０の電源電圧との差分値が所定の閾値Ｖthを超えると判定した場合（|Ｖ_PIG−Ｖ_IG|＞Ｖth、ステップ１０５：ＹＥＳ）には、過電流が発生したものと判定し、その制御形態をフェールセーフ制御へと移行する（ステップ１０６）。

ここで、本実施形態の過電流検知部３０は、過電流の発生を検知すると、その旨を示す検知信号Ｓrを出力するように構成されており（図３参照）、マイコン１７（ＥＣＵ１１）は、その検知信号Ｓrに基づいて、上記フェールセーフ制御を実行する。具体的には、モータ１２と駆動回路１８との間の動力線に設けられた相開放リレーを開作動させる。そして、これにより、当該過電流の発生に伴い生ずる不具合（モータ１２或いは駆動回路１８の過熱等）を未然に防止するように構成されている。

尚、上記ステップ１０２〜ステップ１０４の判定処理において、積極的な通電制御の可能性があると判定した場合（ステップ１０２：ＮＯ、ステップ１０３：ＮＯ、又はステップ１０４：ＮＯ）、マイコン１７は、上記ステップ１０５，１０６の処理を実行しない。つまり、正常であると判定して、通常のパワーアシスト制御を実行する（通常制御、ステップ１０７）。また、上記ステップ１０２〜ステップ１０４の各判定条件を満たし、ステップ１０５の判定処理を実行した場合であっても、当該ステップ１０５において、各入力端子の電圧差が所定の閾値Ｖth以下であると判定した場合（|Ｖ_PIG−Ｖ_IG|≦Ｖth、ステップ１０５：ＮＯ）にも、マイコン１７は、上記ステップ１０６の処理を実行しない。そして、通常のパワーアシスト制御を実行する（通常制御、ステップ１０７）。

以上、本実施形態によれば、以下のような作用・効果を得ることができる。
（１）マイコン１７は、モータ１２に対する過大な電流出力（過電流）の発生を検知する過電流検知部３０を備える。過電流検知部３０は、駆動回路１８の端子電圧に対応する電圧（Ｖ_PIG）及び車載電源２０の電源電圧Ｖbに対応する電圧（Ｖ_IG）を監視するとと
もに、モータ１２に対する積極的な通電制御の可能性を判定する。そして、モータ１２に対する積極的な通電制御を行う可能性の低い状況であるにも関わらず、端子電圧と電源電圧Ｖbとの差分値が所定の閾値を超えた場合には、モータ１２に対する過大な電流出力、
即ち過電流が発生したものと判定する。

即ち、駆動回路１８の端子電圧に対応する電圧（Ｖ_PIG）及び車載電源２０の電源電圧Ｖbに対応する電圧（Ｖ_IG）を監視することにより、駆動回路１８が設けられた第１の電力供給経路Ｌｐにおける電圧降下の発生を検知することができる。そして、モータ１２に対する積極的な通電制御を行う可能性が低い、即ち制御上、電圧降下が生ずる状況でないにも関わらず、当該電圧降下が発生した場合には、過電流が発生したものと判定することができる。従って、上記構成によれば、モータに通電される電流を検出することなく、過電流の発生を検知することができる。その結果、オープン制御の信頼性を高めることができるようになる。

（２）ＥＣＵ１１は、独立した２系統の電力供給経路Ｌp，Ｌcを介して車載電源（バッテリ）２０と接続される。駆動回路１８は、ＥＰＳアクチュエータ１０の駆動源であるモータ１２と車載電源２０との間を接続する第１の電力供給経路Ｌｐの途中に設けられ、マイコン１７は、第２の電力供給経路Ｌcを介して供給される駆動電力に基づき作動する。ＥＣＵ１１における上記第１の電力供給経路Ｌｐ側の入力端子（パワー入力端子ＰＩＧ）及び第２の電力供給経路Ｌｃ側の入力端子（制御入力端子ＩＧ）には、それぞれ電圧センサ３１，３２が設けられ、マイコン１７は、これら各センサの出力信号に基づいて各入力端子の電圧（Ｖ_PIG，Ｖ_IG）を検出する。そして、マイコン１７（過電流検知部３０）は、第２の電力供給経路Ｌｃ側の入力端子の電圧Ｖ_IGを電源電圧Ｖbとして利用する。

即ち、第２の電力供給経路Ｌｃは、第１の電力供給経路Ｌｐとは独立に設けられており、定電圧電源回路２１を介して接続されるマイコン１７の消費電力は、極めて小さく且つ略一定である。従って、当該第２の電力供給経路Ｌｃ側の入力端子の電圧Ｖ_IGを電源電圧Ｖbとして利用することが可能であり、これにより車載電源２０への新たな電圧センサの設置及びそれに伴う信号線の延伸を回避することができる。

なお、本実施形態は以下のように変更してもよい。
・本実施形態では、第２の電力供給経路Ｌｃの入力端子における電圧Ｖ_IGを電源電圧Ｖbとして利用することとしたが、直接的に電源電圧Ｖbを検出する構成としてもよい。

・本実施形態では、過電流検知部３０は、モータ１２の回転角速度ω、操舵トルクτ、及び電流指令値Ｉ*に基づいて、モータ１２に対する積極的な通電制御の可能性を判定する構成とした。しかし、これに限らず、積極的な通電制御の可能性の判定について、必ずしもこれら全ての状態量を用いる必要はなく、任意の組み合わせにより当該判定を行うこととしてもよい。そして、例えば、回転角速度ωの代わりに操舵速度を用いる等、その他の車両状態量を用いて当該判定を行うこととしてもよい。

電動パワーステアリング装置（ＥＰＳ）の概略構成図。 ＥＰＳの電気的構成を示すブロック図。 マイコンの制御ブロック図。 過電流検知の処理手順を示すフローチャート。

符号の説明

１…電動パワーステアリング装置（ＥＰＳ）、１０…ＥＰＳアクチュエータ、１１…ＥＣＵ、１２…モータ、１７…マイコン、１８…駆動回路、２０…車載電源、２２…電流指令値演算部、２４…モータ制御信号生成部、２６…オープン制御演算部、３０…過電流検知部、３１，３２…電圧センサ、Ｌp，Ｌｃ…電力供給経路、Ｖb…電源電圧、Ｖ_PIG，Ｖ_IG…電圧、Ｖth…閾値、ω…回転角速度、ω０…閾値、τ…操舵トルク、τ０…閾値、Ｉ*…電流指令値、Ｉ０…閾値。

Claims (2)

1. 操舵系にステアリング操作を補助するためのアシスト力を付与すべく設けられた操舵力補助装置と、前記操舵力補助装置の駆動源であるモータに対して駆動電力を供給することにより該操舵力補助装置の作動を制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、モータ制御信号を生成するモータ制御信号生成手段と、前記モータと車載電源との間の電力供給経路の途中に設けられ前記モータ制御信号に基づき前記駆動電力を供給する駆動回路とからなり、前記モータ制御信号生成手段は、前記モータに供給する電流を検出することなくオープン制御により前記モータ制御信号を生成する電動パワーステアリング装置であって、
   前記車載電源の電源電圧を検出する第１の電圧検出手段と、
   前記駆動回路の端子電圧を検出する第２の電圧検出手段と、
   前記モータに対する積極的な通電制御の可能性を判定する判定手段と、
   前記モータに対する過大な電流出力の発生を検知する過電流検知手段とを備え、
   前記過電流検知手段は、前記積極的な通電制御の可能性が低い状況であるにも関わらず、前記電源電圧と前記端子電圧との差分値が所定の閾値を超えた場合に、前記過大な電流出力が発生したものと判定すること、を特徴とする電動パワーステアリング装置。
2. 請求項１に記載の電動パワーステアリング装置において、
   前記モータ制御信号生成手段は、前記駆動回路が設けられた第１の電力供給経路から独立した第２の電力供給経路を介して供給される駆動電力に基づき作動するものであって、
   前記第１の電圧検出手段は、前記第２の電力供給経路において検出される電圧を前記電源電圧とすること、を特徴とする電動パワーステアリング装置。

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