JPH1111331A - 電動パワーステアリング制御装置 - Google Patents

電動パワーステアリング制御装置

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JPH1111331A
JPH1111331A JP16264097A JP16264097A JPH1111331A JP H1111331 A JPH1111331 A JP H1111331A JP 16264097 A JP16264097 A JP 16264097A JP 16264097 A JP16264097 A JP 16264097A JP H1111331 A JPH1111331 A JP H1111331A
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switching element
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Shinichi Takashita
伸一 高下
Yuji Kishimoto
雄治 岸本
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Mitsubishi Electric Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 従来の電動パワーステアリング制御装置は、
故障検出時にモータへの通電を停止するためにリレーを
利用していた。しかし、このリレーが制御装置を小型化
するための障害となっていた。 【解決手段】 ブリッジ回路44Aを構成する半導体ス
イッチング素子として、過熱遮断機能付きパワーMOS
FETQ1A〜Q4Aを利用することにより、少なく
ともひとつの半導体スイッチング素子が過熱状態を検出
すると自己遮断し、スイッチング素子が短絡することを
防止するので、リレー46を除去することができた。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】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付勢する電動パワーステア
リング制御装置、特に過熱遮断機能付きパワーMOS
FETを用いた電動パワーステアリング制御装置に関す
るものである。
【0002】
【従来の技術】図3は一般的な電動パワーステアリング
制御装置を一部ブロック図で示す回路図である。図3に
おいて、車両のハンドル(図示せず)に対して補助トル
クを出力するモータ40は、バッテリ41からモータ駆
動電流IMが供給されて駆動される。
【0003】モータ駆動電流IMは、大容量(1000
μF〜3600μF程度)のコンデンサ42により、そ
のリプル成分が吸収され、シャント抵抗器43により検
出される。また、モータ駆動電流IMは、複数の半導体
スイッチング素子(例えばFET)Q1〜Q4からなる
ブリッジ回路44により、補助トルクの大きさおよび方
向に応じて切り換えられる。
【0004】コンデンサ42の一端は導電線L1により
接地されている。半導体スイッチング素子Q1〜Q4は
配線パターンP1およびP2によりブリッジ接続されて
ブリッジ回路44を構成する。また、この配線パターン
P1およびP2は、このブリッジ回路44をシャント抵
抗器43に接続する。ブリッジ回路44の出力端子は配
線パターンP3により構成されている。
【0005】モータ40およびバッテリ41は、複数の
接続端子からなるコネクタ45により、ブリッジ回路4
4に接続されている。モータ40とバッテリ41とコネ
クタ45とは外部配線L2により接続されている。モー
タ駆動電流IMは、常開のリレー46により必要に応じ
て通電遮断される。リレー46とコンデンサ42とシャ
ント抵抗器43とは、配線パターンP4により接続され
ている。コネクタ45は配線パターンP5により接地さ
れている。ブリッジ回路44の出力端子となる配線パタ
ーンP3は、コネクタ45に接続されている。
【0006】モータ40は、スイッチング制御回路47
によりスイッチング制御されるブリッジ回路44を介し
て駆動される。また、このスイッチング制御回路47
は、リレー46を駆動する。スイッチング制御回路47
は、導電線L4を介してブリッジ回路44に制御信号が
与えられる。モータ駆動電流IMは、シャント抵抗器4
3を介してモータ駆動電流検出手段48により検出され
る。スイッチング制御回路47およびモータ駆動電流検
出手段48は、後述するマイクロコンピュータ55の周
辺回路素子を構成している。
【0007】ハンドルの操舵トルクTはトルクセンサ5
0により検出され、車両の車速Vは車速センサ51によ
り検出される。マイクロコンピュータ55(ECU:EL
ECTRONIC CONTROL UNIT )は、操舵トルクTおよび車速
Vに基づいて補助トルクを演算するとともにモータ駆動
電流IMをシャント抵抗器43からフィードバックして
補助トルクに相当する駆動信号を生成し、ブリッジ回路
44を制御するための回転方向指令DO および電流制御
量IO を駆動信号としてスイッチング制御回路47に出
力する。
【0008】マイクロコンピュータ55は、モータ40
の回転方向指令DO および補助トルクに相当するモータ
電流指令Imを生成するモータ電流決定手段56と、モ
ータ電流指令Imとモータ駆動電流IMとの電流偏差△
Iを減算する減算手段57と、電流偏差△IからP(比
例)項、I(積分)項およびD(微分)項の補正量を算
出してPWM(pulse-width modulation)デューティ比
に相当する電流制御量IO を生成するPID演算手段5
8とを備えている。
【0009】また、図示しないが、マイクロコンピュー
タ55は、AD変換器やPWMタイマ回路等の他に周知
の自己診断機能を含み、システムが正常に動作している
か否かを常に自己診断し、異常が発生するとスイッチン
グ制御回路47を介してブリッジ回路44を構成する各
半導体スイッチング素子Q1〜Q4を全てオフするとと
もに、リレー46を開放して、モータ駆動電流IMを遮
断するようになっている。同時に、故障検出時には、故
障内容を制御装置内の図示しない記憶装置に記憶させる
ようになっている。マイクロコンピュータ55は導電線
L5により、スイッチング制御回路47に接続されてい
る。
【0010】次に、図3を参照しながら、電動パワース
テアリング制御装置の動作について説明する。マイクロ
コンピュータ55は、トルクセンサ50および車速セン
サ51から操舵トルクTおよび車速Vを取り込むととも
に、シャント抵抗器43からモータ駆動電流IMをフィ
ードバック入力し、パワーステアリングの回転方向指令
O と補助トルク量に相当する電流制御量IO とを生成
し、導電線L5を介してスイッチング制御回路47に出
力する。
【0011】スイッチング制御回路47は、定常駆動状
態では導電線L3を介した指令により常開のリレー46
を閉成しており、回転方向指令DO および電流制御量I
O が入力されると、PWM駆動信号を生成し、導電線L
4を介してブリッジ回路44の各半導体スイッチング素
子Q1〜Q4に印加する。
【0012】これにより、モータ駆動電流IMは、バッ
テリ41から、外部配線L2、コネクタ45、リレー4
6、配線パターンP4、シャント抵抗器43、配線パタ
ーンP1、ブリッジ回路44、配線パターンP3、コネ
クタ45および外部配線L2を介してモータ40に給電
される。モータ40はこのモータ駆動電流IMにより駆
動され、所要方向に所要量の補助トルクを出力する。
【0013】このとき、モータ駆動電流IMは、シャン
ト抵抗器43およびモータ駆動電流検出手段48を介し
て検出され、マイクロコンピュータ55内の減算手段5
7にフィードバックされることにより、モータ電流指令
Imと一致するように制御される。また、モータ駆動電
流IMは、ブリッジ回路44のPWM駆動時のスイッチ
ング動作によりリプル成分を含むが、大容量のコンデン
サ42により平滑されて抑制される。
【0014】
【発明が解決しようとする課題】ところで、この種の電
動パワーステアリング制御装置では、従来は故障検出時
に、モータ40への通電を遮断するためにリレー46を
使用していた。しかしながら、このリレー46には20
A〜60Aの大電流が流れるため、外形的にも大きくな
り、制御装置を小型化する場合の障害になっていた。ま
た、リレー46は機械的なオン、オフ動作を行うため、
半導体のスイッチング素子を使用した場合と比較する
と、信頼性と寿命に劣るという問題点があった。
【0015】制御装置が故障を検出時には、ブリッジ回
路44を構成する各半導体スイッチング素子Q1〜Q4
を全てオフすれば、リレー46をオフしなくてもバッテ
リ41からの通電を遮断して、モータへの通電を停止す
ることができる。しかし、各半導体スイッチング素子Q
1〜Q4のうち、Q1とQ4またはQ2とQ3のいずれ
かの組み合わせのうちのひとつで、スイッチング素子が
2個とも短絡する故障が発生した場合、リレー46をオ
フしなければ、バッテリ41からモータ40に電流が流
れたままとなる不具合が生じる。このため、リレー46
を除去することができなかった。
【0016】また、各半導体スイッチング素子Q1〜Q
4のうち、いずれか一個の半導体スイッチング素子で短
絡する故障が発生すると、モータ40が抵抗(スイッチ
ング素子の短絡抵抗と寄生ダイオードの順方向抵抗の
和)で短絡された状態となり、急ハンドル操舵時には、
ブレーキがかかった状態となり、ハンドルが重くなって
操舵できないという不具合が生じる。各半導体スイッチ
ング素子Q1〜Q4が短絡する故障原因としては、例え
ばモータ40への配線が途中で地絡したような場合、素
子に過電流が流れて過熱し短絡にいたるものがある。ま
た、前述したように、制御装置が故障を検出した場合に
は、故障内容を記憶させておき、修理を確実に実施でき
るようにしておく必要がある。従って、各半導体スイッ
チング素子Q1〜Q4の過熱による短絡故障と他の原因
による故障とを識別できると故障個所を速やかに特定で
き便利である。
【0017】この発明は、上記の問題点を解消するため
になされたもので、ブリッジ回路44を構成する半導体
スイッチング素子として、過熱遮断機能付きパワーMO
SFETを採用することにより、過熱状態を検出したと
きには半導体スイッチング素子自体を自己遮断させ、こ
の自己遮断の結果生じた異常を検出した故障検出機能
が、残りの全ての半導体スイッチング素子を遮断して、
各半導体スイッチング素子の短絡を防ぐ構造にすること
で、リレー46の除去を実現して、制御装置を小型化
し、かつ信頼性が向上した電動式パワーステアリング制
御装置を提供することを目的とする。
【0018】
【課題を解決するための手段】この発明に係る電動パワ
ーステアリング制御装置は、トルクセンサから操舵トル
ク信号を、車速センサから車速信号を、電動機駆動電流
検出手段から電動機駆動電流を、それぞれ入力として電
動機の駆動トルクを演算するマイクロコンピュータと、
このマイクロコンピュータが出力した信号に基づいて過
熱遮断機能を有した半導体スイッチング素子からなるス
イッチング回路を制御することにより、前記電動機が所
定の駆動方向に前記マイクロコンピュータが計算した駆
動トルクを出力するように、前記スイッチング回路を介
して電動機駆動電流を電動機に給電する電動機駆動回路
とを備えたものである。
【0019】また、この発明に係る電動パワーステアリ
ング制御装置は、過熱遮断機能を有した半導体スイッチ
ング素子として、過熱遮断回路を有したパワーMOS
FETを用いたものである。
【0020】また、この発明に係る電動パワーステアリ
ング制御装置は、少なくともひとつの半導体スイッチン
グ素子が過熱状態を検出すると自己遮断するとともに、
過熱状態検出信号をマイクロコンピュータに出力する過
熱遮断機能を有した半導体スイッチング素子を備えたも
のである。
【0021】また、この発明に係る電動パワーステアリ
ング制御装置は、マイクロコンピュータおよび/または
スイッチング回路とこのスイッチング回路を制御するス
イッチング制御回路とから構成された電動機駆動回路の
いずれかに設けられ、前記電動機駆動回路の動作を常に
監視して、異常が検出されたときには全ての半導体スイ
ッチング素子を遮断して電動機への通電を停止する故障
検出手段と、前記電動機への通電を停止した遮断状態を
保持する遮断状態保持手段とを備えたえたものである。
【0022】また、この発明に係るパワーステアリング
制御装置は、半導体スイッチング素子の故障を、半導体
スイッチング素子の過熱による故障とその他の理由によ
る故障とに識別して記憶する故障診断機能を設けたマイ
クロコンピュータを備えたものである。
【0023】
【発明の実施の形態】
実施の形態1.以下、この電動パワーステアリング制御
装置における実施の形態を図1、図2に基づいて説明す
る。図1は、この発明の実施の形態1に係る電動パワー
ステアリング制御装置を説明する一部ブロック図を含む
回路図である。図2は、実施の形態1に係る電動パワー
ステアリング制御装置に用いる、過熱状態を検知すると
自己遮断するスイッチング素子の一例である、過熱遮断
機能付きパワーMOSFETの遮断特性を示すグラフで
ある。なお、図において同一符号は従来のものと同一ま
たは相当のものを表す。実施の形態1に係るパワーステ
アリング制御装置は、図1に示すブリッジ44A以外
は、図3に示す従来のパワーステアリング制御装置と同
様の構成となっている。
【0024】図1において、55はマイクロコンピュー
タであり、トルクセンサ50から操舵時にステアリング
に加えられる操舵トルクTと操舵方向を、車速センサ5
1から車速Vを、モータ駆動電流検出手段48からモー
タ駆動電流IMを入力信号として処理し、モータ40の
回転方向指令DO と電流制御量IO をスイッチング制御
回路47に出力する。このスイッチング制御回路47
は、過熱遮断機能付きパワーMOS FETを半導体ス
イッチング素子として設けたブリッジ回路44Aの、各
スイッチング素子のオン・オフを制御するものであり、
ブリッジ回路44Aにおいてバッテリ41から供給され
た電流は、その断続および極性を切り換えて、モータ駆
動電流IMとしてモータ40に給電する。
【0025】なお、モータ駆動電流IMはシャント抵抗
器43により検出され、モータ駆動電流検出手段48を
介してマイクロコンピュータ55に設けられた減算手段
57にフィードバック入力される。マイクロコンピュー
タ55に設けられたモータ電流決定手段56は、トルク
センサ50から操舵トルクTを、車速センサ51から車
速Vを入力として処理し補助トルクに相当するモータ電
流Imを減算手段57に出力する。減算手段57はモー
タ駆動電流IMとモータ電流決定手段56から伝達され
たモータ電流Imから電流偏差△Iを演算し、この電流
偏差△IをPID演算手段58に出力する。PID演算
手段58もマイクロコンピュータ55に設けられてい
る。
【0026】PID演算手段58は、電流偏差△Iから
P(比例)項、I(積分)項、D(微分)項の補正量を
算出してPWMデューティ比に相当する電流制御量IO
を生成する。マイクロコンピュータ55は、この電流制
御量IO と回転方向指令DOをスイッチング制御回路4
7に出力する。
【0027】ブリッジ回路44Aは半導体スイッチング
素子として過熱遮断機能付きパワーMOS FETを採
用しており、各過熱遮断機能付きパワーMOS FET
Q1A〜Q4Aのゲートにおいてスイッチング制御回路
47と接続されている。以後、特に断らない限りスイッ
チング素子といえば、過熱遮断機能付きパワーMOSF
ETを意味するものとする。スイッチング制御回路47
はゲートに電圧を印加することにより各スイッチング素
子のオン・オフを制御している。もし、各スイッチング
素子Q1A〜Q4Aのうち少なくともひとつのスイッチ
ング素子が過熱状態を検出したときにはスイッチング素
子内部の過熱遮断回路がスイッチング素子を自己遮断す
る。
【0028】ブリッジ回路44Aを構成するスイッチン
グ素子Q1A〜Q4Aのうち、少なくともひとつが過熱
状態を検出して自己遮断するとスイッチング機能が作動
しなくなる。また、制御装置内の回路の一部が地絡した
ような状態になってもモータ40を適切に制御できなく
なることはいうまでもない。故障検出機能はブリッジ回
路44Aおよびこのブリッジ回路44Aを制御するスイ
ッチング制御回路47から構成された電動機駆動回路の
作動状況を常に監視し、何らかの異常を検出するとブリ
ッジ回路44Aを構成する全てのスイッチング素子を遮
断しモータ40への給電を停止する。前記故障検出機能
はマイクロコンピュータ55に設けられていても、ある
いは前記電動機駆動回路の一部に設けられていてもよ
い。
【0029】従来の一般的な電動パワーステアリング制
御装置においては、故障検出による回路の遮断とモータ
40への給電の停止は、図3に示すリレー46と、これ
を駆動するスイッチング制御回路47およびリレー46
とスイッチング制御回路を接続する導電線L3により行
われていた。しかし、過熱遮断機能付きパワーMOSF
ETをスイッチング素子として採用することにより、ス
イッチング素子が短絡することを防ぐことができるた
め、リレー46を除去し、装置を小型化することができ
る。
【0030】ところで、本発明に係る電動パワーステア
リング制御装置の過熱遮断機能付きパワーMOS FE
TQ1A〜Q4Aは、過熱状態を検出すると自己遮断す
るとともに過熱状態検出信号をマイクロコンピュータ5
5に出力する。マイクロコンピュータ55はこの過熱状
態検出信号をうけとり、過熱状態検出による故障とその
他の原因による故障とを識別して記憶する故障診断機能
を有している。この故障診断機能を備えることにより、
スイッチング素子の過熱による遮断故障なのか、あるい
は回路の一部が地絡した結果生じた故障など、その他の
原因による故障なのか故障原因を速やかに判定し、さら
に故障部位の特定も容易になる。なお、この故障診断機
能も前述した故障検出機能と同じく、必ずしもマイクロ
コンピュータ55内に設けられる必要はない。
【0031】前述したように、本発明に係る電動パワー
ステアリング制御装置に設けられた故障検出機能が、少
なくともひとつ以上の故障を検出した場合、各スイッチ
ング素子の短絡を防ぐために、ブリッジ回路44Aを構
成する全てのスイッチング素子Q1〜Q4を遮断して、
モータ40への給電を停止する。しかし、一度、故障状
態から正常に復帰してもモータ40への通電遮断状態を
保持したい場合もある。このような場合、遮断状態保持
手段を制御装置内に設けることによって、図示していな
いキースイッチをオフして、再投入するまではモータ4
0への通電遮断状態を保持することもできる。
【0032】図2は実施の形態1に係る電動パワーステ
アリング制御装置に用いられる過熱遮断機能付き半導体
スイッチング素子の一例である、過熱遮断機能付きパワ
ーMOS FETの遮断特性を示すグラフである。図2
の[a]はラッチ型電流遮断方式の遮断特性を示すグラ
フであり、縦軸はドレイン電流を、横軸はチャネル温度
を表している。ドレイン電流の大きさをIDとすると、
チャネル温度が170度に達するまではその値のまま通
電可能である。チャネル温度が170度に達すると過熱
状態を検出し、電流を遮断するので、ドレイン電流ID
は瞬時に0になる。これを示すのが下向きの矢印であ
る。一方チャネル温度が170度以下になると再び通電
し、ドレイン電流IDに復帰する。これを示すのが上向
きの矢印である。一方、図2の[b]はヒステリシス型
電流遮断方式の遮断特性を示すグラフである。ヒステリ
シス型電流遮断方式はラッチ型電流遮断方式にくらべ
て、遮断状態から通電状態に復帰する復帰温度に10度
程度幅を持たせてある。この幅を持たせることにより、
スイッチング素子が遮断・復帰状態を繰り返すことを防
止している。
【0033】
【発明の効果】以上のように、この発明に係る電動パワ
ーステアリング制御装置によれば、過熱遮断機能付き半
導体スイッチング素子、具体的には過熱遮断機能付きパ
ワーMOS FETを用いて、電動機の駆動を制御する
電動機駆動回路を構成することで、少なくともひとつの
半導体スイッチング素子が過熱状態を検出して自己遮断
した時点で、他の半導体スイッチング素子を遮断しモー
タへの通電を停止することができる。従って、従来の電
動パワーステアリング制御装置に設けられていたリレー
を本発明では除去することにより、電動パワーステアリ
ング制御装置を小型化でき、またスイッチング回路の信
頼性も高めることができた。
【0034】各半導体スイッチング素子Q1〜Q4とし
て、過熱遮断機能付きパワー MOS FETを用いる
ことにより、モータ40への配線が地絡してスイッチン
グ素子に過電流が流れるような障害が発生したとして
も、素子自身が過熱状態を検知して通電を自己遮断する
ため、素子短絡には至らずにすむ。また、各スイッチン
グ素子が過熱状態を検出して自己遮断するので、スイッ
チング素子が短絡してモータへの給電を停止できないと
いった障害が発生することを防止することができる。
【0035】また、少なくともひとつの前記過熱遮断機
能付き半導体スイッチング素子が過熱状態を検出すると
自己遮断するとともに、過熱状態検出信号をマイクロコ
ンピュータ等周辺機器に出力することにより、スイッチ
ング素子が短絡故障するのを防ぎ、かつ、故障部位、故
障原因を速やかに特定することができる。
【0036】また、故障検出機能を備えることにより、
制御装置の動作を常に監視し、異常な動作状態を検出す
ると全てのスイッチング素子を遮断することにより電動
機への給電を停止することにより半導体スイッチング素
子の短絡を防止することができる。さらに、この遮断状
態を保持する遮断状態保持手段も備えることにより、過
熱遮断機能付き半導体スイッチング素子を遮断してモー
タへの給電を停止した状態を保持することができる。
【0037】また、過熱状態検出による半導体スイッチ
ング素子の遮断故障とその他の原因による半導体スイッ
チング素子の遮断故障とを識別して記憶できるので、故
障原因を速やかに特定できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 この発明の実施の形態1に係る電動パワース
テアリング制御装置を説明する、一部ブロック図を含ん
だ回路図である。
【図2】 この発明の実施の形態1に係るパワーステア
リング制御装置に用いられた過熱遮断機能付きパワー
MOS FETの遮断特性を示すグラフである。
【図3】 従来の電動パワーステアリング制御装置を説
明する一部ブロック図を含んだ回路図である。
【符号の説明】
40 モータ、 41 バッテリ、 42 コンデン
サ、43 シャント抵抗器、 44・44A ブリッジ
回路、45 コネクタ、 46 リレー、 47 スイ
ッチング制御回路、48 モータ駆動電流検出手段、
50 トルクセンサ、51 車速センサ、 55 マイ
クロコンピュータ、Q1〜Q4 半導体スイッチング素
子、Q1A〜Q4A 過熱遮断機能付き半導体スイッチ
ング素子、IM モータ駆動電流、 Im モータ電流
指令、 IO 電流制御量、DO 回転方向指令、 T
操舵トルク、 V 車速。

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 トルクセンサから操舵トルク信号を、車
    速センサから車速信号を、電動機駆動電流検出手段から
    電動機駆動電流を、それぞれ入力として電動機の駆動ト
    ルクを演算するマイクロコンピュータと、このマイクロ
    コンピュータが出力した信号に基づいて過熱遮断機能を
    有した半導体スイッチング素子からなるスイッチング回
    路を制御することにより、前記電動機が所定の駆動方向
    に前記マイクロコンピュータが計算した駆動トルクを出
    力するように、前記スイッチング回路を介して電動機駆
    動電流を電動機に給電する電動機駆動回路とを備えたこ
    とを特徴とする電動パワーステアリング制御装置。
  2. 【請求項2】 過熱遮断機能を有した半導体スイッチン
    グ素子は、過熱遮断機能を有したパワーMOS FET
    であることを特徴とする請求項1に記載の電動パワース
    テアリング制御装置。
  3. 【請求項3】 過熱遮断機能を有した半導体スイッチン
    グ素子は、少なくともひとつの前記過熱遮断機能付き半
    導体スイッチング素子が過熱状態を検出すると自己遮断
    するとともに、過熱状態検出信号をマイクロコンピュー
    タに出力することを特徴とする請求項1または請求項2
    に記載の電動パワーステアリング制御装置。
  4. 【請求項4】 マイクロコンピュータおよび/またはス
    イッチング回路とこのスイッチング回路を制御するスイ
    ッチング制御回路とから構成された電動機駆動回路のい
    ずれかに設けられ、前記電動機駆動回路の動作を常に監
    視して、異常が検出されたときには全ての半導体スイッ
    チング素子を遮断して電動機への通電を停止する故障検
    出手段と、前記電動機への通電を停止した遮断状態を保
    持する遮断状態保持手段とを備えたことを特徴とする請
    求項1〜3のいずれか一項に記載の電動パワーステアリ
    ング制御装置。
  5. 【請求項5】 マイクロコンピュータは、半導体スイッ
    チング素子の過熱による故障とその他の理由による故障
    とに識別して記憶する故障診断機能を備えたことを特徴
    とする請求項1から4のいずれか一項に記載の電動パワ
    ーステアリング制御装置。
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