JP2009096325A - ステアリング装置の故障検知装置 - Google Patents

Abstract

【課題】角度センサの個数を減らしてもステアリング装置の故障を検知可能な故障検知装置を提供する。
【解決手段】可変ギア比機構２により転舵輪の転舵角に対する操舵ハンドル４の回転角度θｈの伝達ギア比を変化させるとともに、電動パワーステアリング３により操舵時の補助力を発生させるステアリング装置１の故障を検知する故障検知装置５において、電動パワーステアリング３に用いられ補助力の発生源となるアシストモータ３ｂの回転速度ｄθｅｐｓ／ｄｔを、アシストモータ３ｂのモータ電流ｉと印加電圧Ｖとから算出する算出部５ａと、可変ギア比機構２に用いられ回転することにより伝達ギア比を変化させる差動ギア用モータ２ａの回転速度ｄθｍ／ｄｔと、操舵ハンドル４の回転速度ｄθｈ／ｄｔと、算出されたアシストモータ３ｂの回転速度ｄθｅｐｓ／ｄｔとから故障の判定を行う判定部５ｂとを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、可変ギア比機構により転舵輪の転舵角に対する操舵ハンドルの回転角度の伝達ギア比を変化させるとともに、電動パワーステアリングにより操舵時の補助力を発生させるステアリング装置の故障を検知する故障検知装置に関する。

従来から、可変ギア比機構と電動パワーステアリングとを備えたステアリング装置が提案されている。可変ギア比機構によれば、駐車操作時などの低車速域で、伝達ギア比（＝ハンドル角／転舵角）を小さく（クイックレシオ化）設定することで、操舵ハンドルを少し回転させることで転舵輪を大きく転舵できるので、運転者の操作負担が軽減され、利便性を向上させることができる。高車速域では、伝達ギア比を大きく（スローレシオ化）設定することで、操舵ハンドルを大きく回転させても転舵輪は少し転舵するだけなので、ヨーレート応答特性が改善され、車両の安定性を向上させることができる。

また、電動パワーステアリングによれば、補助力が発生するので操舵ハンドルを軽く操作するだけで転舵輪を転舵させることができる。

このような可変ギア比機構と電動パワーステアリングとを備えたステアリング装置においては、通常、３個の角度センサが用いられている。１つ目は、操舵ハンドルの回転角度を計測するためのハンドル角度センサであり、２つ目は、可変ギア比機構にて回転することにより伝達ギア比を変化させる差動ギア用モータの回転角度を計測するための差動ギア用モータ角度センサであり、３つ目は、電動パワーステアリングに用いられるラック＆ピニオン式ギアボックスのピニオンの回転角度を計測するためのピニオン角度センサである。

従来、ステアリング装置の故障を検知する際、そのなかでも特に、これらの角度センサの故障を検知するために、３個の角度センサそれぞれが計測した回転角度を相互比較することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００３−３０６１５９号公報

しかしながら、それぞれの回転角度の検知のために角度センサを３個設置することは、ステアリング装置における角度センサのコストの比率をアップさせたり、角度センサとの通信に用いる車載電線を増加させたりするので、より低価格でステアリング装置を実現する際の障害となっていた。

そこで、本発明は、角度センサの個数を減らしてもステアリング装置の故障を検知可能な故障検知装置を提供することを目的とする。

本発明は、可変ギア比機構により転舵輪の転舵角に対する操舵ハンドルの回転角度の伝達ギア比を変化させるとともに、電動パワーステアリングにより操舵時の補助力を発生させるステアリング装置の故障を検知する故障検知装置において、
前記電動パワーステアリングに用いられ前記補助力の発生源となるアシストモータの回転速度を、前記アシストモータのモータ電流と印加電圧とから算出する算出部と、
前記可変ギア比機構に用いられ回転することにより前記伝達ギア比を変化させる差動ギア用モータの回転速度と、前記操舵ハンドルの回転速度と、算出された前記アシストモータの回転速度とから前記故障の判定を行う判定部とを有することを特徴とする。

本発明によれば、前記操舵ハンドルの回転速度は、ハンドル角度センサを用いて計測されたハンドル回転角度を時間微分して算出することができ、差動ギア用モータの回転速度は、差動ギア用モータ角度センサを用いて、差動ギア用モータ角度センサで計測された差動ギア用回転角度を時間微分して算出することができる。

また、前記アシストモータの回転速度は、角度センサを用いることなく前記算出部において算出できる。

このため、多くても２つの角度センサ（ハンドル角度センサと差動ギア用モータ角度センサ）を用いただけで、ステアリング装置の故障を検知することができる。

また、本発明は、可変ギア比機構により転舵輪の転舵角に対する操舵ハンドルの回転角度の伝達ギア比を変化させるとともに、電動パワーステアリングにより操舵時の補助力を発生させるステアリング装置の故障を検知する故障検知装置において、
前記電動パワーステアリングに用いられ前記補助力の発生源となるアシストモータの回転角度を、前記アシストモータのモータ電流と印加電圧とから算出する算出部と、
前記可変ギア比機構に用いられ回転することにより前記伝達ギア比を変化させる差動ギア用モータの回転角度と、前記操舵ハンドルの回転角度と、算出された前記アシストモータの回転角度とから前記故障の判定を行う判定部とを有することを特徴とする。

本発明によれば、前記操舵ハンドルの回転角度は、ハンドル角度センサで計測することができ、差動ギア用モータの回転角度は、差動ギア用モータ角度センサで計測することができる。

また、前記アシストモータの回転角度は、角度センサを用いることなく前記算出部において算出できる。

このため、多くても２つの角度センサ（ハンドル角度センサと差動ギア用モータ角度センサ）を用いただけで、ステアリング装置の故障を検知することができる。

本発明によれば、角度センサの個数を減らしてもステアリング装置の故障を検知可能な故障検知装置を提供できる。

次に、本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図において、共通する部分には同一の符号を付し重複した説明を省略する。

図１に、本発明の実施形態に係る故障検知装置５を備えるステアリング装置１の構成図を示す。ステアリング装置１は、故障検知装置５の他に、操舵ハンドル４と、可変ギア比機構２と、電動パワーステアリング３とを有している。

操舵ハンドル４には、操舵ハンドル４のハンドル回転角度θｈを計測可能なハンドル角度センサ４ａが設けられている。計測されたハンドル回転角度θｈは故障検知装置５へ送信されている。

可変ギア比機構２は、操舵ハンドル４とラック＆ピニオン式ギアボックス３ａのそれぞれに連結する差動ギア２ｂと、転舵輪の転舵角に対する操舵ハンドル４の回転角度θｈの伝達ギア比を変化させるために差動ギア２ｂを回動させる差動ギア用モータ２ａと、差動ギア用モータ２ａを回動させるための制御信号を出力する可変ギア比機構ＥＣＵ２ｃと、差動ギア用モータ２ａの差動ギア用モータ回転角度θｍを計測する差動ギア用モータ角度センサ２ｄとを有している。

可変ギア比機構ＥＣＵ２ｃは、車両の車速に応じて、たとえば、低車速域であれば、伝達ギア比を小さく（クイックレシオ化）設定できるように制御信号を出力し、高車速域であれば、伝達ギア比を大きく（スローレシオ化）設定できるように制御信号を出力する。差動ギア用モータ角度センサ２ｄで計測された差動ギア用モータ回転角度θｍは、故障検知装置５に送信されている。

電動パワーステアリング３は、転舵輪の転舵角を変えるラック＆ピニオン式ギアボックス３ａと、操舵時の補助力の発生源となるＥＰＳモータ（アシストモータ）３ｂと、ＥＰＳモータ３ｂを車速に応じて制御するＥＰＳ ＥＣＵ３ｃとを有している。

ＥＰＳ ＥＣＵ３ｃは、ＥＰＳモータ３ｂに操舵アシストトルクを発生させるために、モータ印加電圧Ｖを設定し、ＥＰＳモータ３ｂに供給している。その際にＥＰＳモータ３ｂに流れるモータ電流ｉをＥＰＳ ＥＣＵ３ｃが計測する。

また、モータ電流ｉとモータ印加電圧Ｖの値は故障検知装置５に送信されている。

ラック＆ピニオン式ギアボックス３ａにおけるピニオンの回転角度θｐは、ハンドル回転角度θｈと差動ギア用モータ回転角度θｍに対して機械的な拘束関係にあり、詳細は後記するが、ピニオンの回転角度θｐと、ハンドル回転角度θｈと、差動ギア用モータ回転角度θｍとの間には機械的拘束関係に基づく関係式が存在する。

また、ピニオンの回転角度θｐとＥＰＳモータ３ｂの回転角度θｅｐｓとの間にも機械的な拘束関係にあり、詳細は後記するが、ピニオンの回転角度θｐと、ＥＰＳモータ３ｂの回転角度θｅｐｓとの間にも機械的拘束関係に基づく関係式が存在する。

故障検知装置５は、算出部５ａと、第１判定部５ｂと、第２判定部５ｃとを有し、第１故障信号と第２故障信号を出力する。車両では第１故障信号と第２故障信号の少なくとも一方の信号に基づいて警報が出され、車両の運転者はステアリング装置１の故障を認知することができる。

図２に、本発明の実施形態に係る故障検知装置５におけるデータフローを示す。図２を用いて、各データフローをそれぞれ追いながら、算出部５ａと、第１判定部５ｂと、第２判定部５ｃとについて詳細に説明する。

まず、ハンドル回転角度θｈは、計測されたハンドル角度センサ４ａから故障検知装置５へ送信され、故障検知装置５に取得される。ハンドル回転角度θｈは、第１判定部５ｂで時間微分され、第１判定部５ｂはハンドル回転速度（ｄθｈ／ｄｔ）を算出する。

同様に、差動ギア用モータ回転角度θｍは、計測された差動ギア用モータ角度センサ２ｄから故障検知装置５へ送信され、故障検知装置５に取得される。差動ギア用モータ回転角度θｍは、第１判定部５ｂで時間微分され、差動ギア用モータ回転速度（ｄθｍ／ｄｔ）を算出する。

モータ電流ｉとモータ印加電圧Ｖの値は、ＥＰＳ ＥＣＵ（３ｃ）から故障検知装置５へ送信され、故障検知装置５に取得される。一般的に、ＥＰＳモータ３ｂの回転速度（ｄθｅｐｓ／ｄｔ）と、モータ電流ｉと、モータ印加電圧Ｖとの間には、電気的関係式である式１が成立する。ここで、Ｒ［Ω］は回路抵抗であり、Ｌ［Ｈ］は回路インダクタンスであり、ｋ［Ｖｓ／ｒａｄ］は逆起電圧定数である。そして、式１は式２のように変形することができる。

Ｌ×ｄｉ／ｄｔ＋Ｒ×ｉ＝Ｖ−ｋ×ｄθｅｐｓ／ｄｔ・・・式１
ｄθｅｐｓ／ｄｔ＝（Ｖ−Ｌ×ｄｉ／ｄｔ−Ｒ×ｉ）／ｋ・・・式２

（尚、式２の手法以外にも、印加電圧Ｖ、モータ電流ｉ、モータ回転速度ｄθｅｐｓ／ｄｔを実際に計測してそのデータを事前にマップデータとして故障検知装置５内に準備しておき、印加電圧Ｖとモータ電流ｉとからモータ回転速度ｄθｅｐｓ／ｄｔを推定する手法をとっても良い。）

算出部５ａは、式２を用いて、ＥＰＳモータ３ｂの回転速度（ｄθｅｐｓ／ｄｔ）を、ＥＰＳモータ３ｂのモータ電流ｉとモータ印加電圧Ｖとから算出する。

式２を時間について積分すると、式３を導出することができる。算出部５ａは、式３を用いて、ＥＰＳモータ３ｂの回転角度θｅｐｓを、ＥＰＳモータ３ｂのモータ電流ｉとモータ印加電圧Ｖとから算出する。

θｅｐｓ＝（１／ｋ）×∫（Ｖ−Ｌ×ｄｉ／ｄｔ−Ｒ×ｉ）ｄｔ・・・式３

（第２判定部による故障判定）
最初に、第２判定部５ｃでの故障判定について説明する。第２判定部５ｃは、操舵ハンドル４の回転角度θｈと、差動ギア用モータ２ａの回転角度θｍと、ＥＰＳモータ３ｂの回転角度θｅｐｓとから故障の判定を行う。一般的に、ピニオンの回転角度θｐと、操舵ハンドル４の回転角度θｈと、差動ギア用モータ２ａの回転角度θｍとの間には、機械的拘束関係より式４が成立する。ここで、ａ、ｂは定数である。

また、ピニオンの回転角度θｐと、ＥＰＳモータ３ｂの回転角度θｅｐｓとの間にも、機械的拘束関係より式５が成立する。ここで、ｃは定数である。

θｐ＝ａ×θｈ＋ｂ×θｍ・・・式４
θｐ＝ｃ×θｅｐｓ・・・式５

第２判定部５ｃは、まず、式４を用いて、操舵ハンドル４の回転角度θｈと、差動ギア用モータ２ａの回転角度θｍとから、ピニオンの回転角度θｐを算出する。次に、第２判定部５ｃは、式５を用いて、ＥＰＳモータ３ｂの回転角度θｅｐｓから、ピニオンの回転角度θｐを算出する。

第２判定部５ｃは、式４に由来するピニオンの回転角度θｐと式５に由来するピニオンの回転角度θｐとの差が、設定された閾値（＝第２設定閾値）以下か否かの判定をする。第２設定閾値以下であれば、式４に由来するピニオンの回転角度θｐと式５に由来するピニオンの回転角度θｐの両者の値がほぼ同じであるとみなし、ステアリング装置１における故障の発生を示す第２故障信号を出力しない。

一方、第２設定閾値を超えていれば、式４に由来するピニオンの回転角度θｐと式５に由来するピニオンの回転角度θｐの両者の値が大幅に異なるとみなし、前記第２故障信号を出力する。

（第１判定部による故障判定）
次に、第１判定部５ｂでの故障判定について説明する。第１判定部５ｂは、操舵ハンドル４の回転速度（ｄθｈ／ｄｔ）と、差動ギア用モータ２ａの回転速度（ｄθｍ／ｄｔ）と、ＥＰＳモータ３ｂの回転速度（ｄθｅｐｓ／ｄｔ）とから故障の判定を行う。式４を時間について微分すると、式６を導出することができる。また、式５を時間について微分すると、式７を導出することができる。

ｄθｐ／ｄｔ＝ａ×ｄθｈ／ｄｔ＋ｂ×ｄθｍ／ｄｔ・・・式６
ｄθｐ／ｄｔ＝ｃ×ｄθｅｐｓ／ｄｔ・・・式７

第１判定部５ｂは、まず、式６を用いて、操舵ハンドル４の回転速度（ｄθｈ／ｄｔ）と、差動ギア用モータ２ａの回転速度（ｄθｍ／ｄｔ）とから、ピニオンの回転速度（ｄθｐ／ｄｔ）を算出する。次に、第１判定部５ｂは、式７を用いて、ＥＰＳモータ３ｂの回転速度（ｄθｅｐｓ／ｄｔ）から、ピニオンの回転速度（ｄθｐ／ｄｔ）を算出する。

第１判定部５ｂは、式６に由来するピニオンの回転速度（ｄθｐ／ｄｔ）と式７に由来するピニオンの回転速度（ｄθｐ／ｄｔ）との差が、設定された閾値（＝第１設定閾値）以下か否かの判定をする。第１設定閾値以下であれば、式６に由来するピニオンの回転速度（ｄθｐ／ｄｔ）と式７に由来するピニオンの回転速度（ｄθｐ／ｄｔ）の両者の値がほぼ同じであるとみなし、ステアリング装置１における故障の発生を示す第１故障信号を出力しない。

一方、第１設定閾値を超えていれば、式６に由来するピニオンの回転速度（ｄθｐ／ｄｔ）と式７に由来するピニオンの回転速度（ｄθｐ／ｄｔ）の両者の値が大幅に異なるとみなし、前記第１故障信号を出力する。

このように、ＥＰＳモータ３ｂの回転角度θｅｐｓと回転速度（ｄθｅｐｓ／ｄｔ）は、角度センサを用いることなく算出部５ａにおいて算出できる。このため、多くても２つの角度センサ（ハンドル角度センサ４ａと差動ギア用モータ角度センサ２ｄ）を用いただけで、ステアリング装置１の故障を検知することができる。

本発明の実施形態に係る故障検知装置を備えるステアリング装置の構成図である。 本発明の実施形態に係る故障検知装置におけるデータフローを示す図である。

符号の説明

１ ステアリング装置
２ 可変ギア比機構
２ａ 差動ギア用モータ
２ｂ 差動ギア
２ｃ 可変ギア比機構ＥＣＵ
２ｄ 差動ギア用モータ角度センサ
３ 電動パワーステアリング
３ａ ラック＆ピニオン式ギアボックス
３ｂ ＥＰＳモータ（アシストモータ）
３ｃ ＥＰＳ ＥＣＵ
４ 操舵ハンドル
４ａ ハンドル角度センサ
５ 故障検知装置
５ａ 算出部
５ｂ 第１判定部
５ｃ 第２判定部

Claims (2)

1. 可変ギア比機構により転舵輪の転舵角に対する操舵ハンドルの回転角度の伝達ギア比を変化させるとともに、電動パワーステアリングにより操舵時の補助力を発生させるステアリング装置の故障を検知する故障検知装置において、
   前記電動パワーステアリングに用いられ前記補助力の発生源となるアシストモータの回転速度を、前記アシストモータのモータ電流と印加電圧とから算出する算出部と、
   前記可変ギア比機構に用いられ回転することにより前記伝達ギア比を変化させる差動ギア用モータの回転速度と、前記操舵ハンドルの回転速度と、算出された前記アシストモータの回転速度とから前記故障の判定を行う判定部とを有することを特徴とするステアリング装置の故障検知装置。
2. 可変ギア比機構により転舵輪の転舵角に対する操舵ハンドルの回転角度の伝達ギア比を変化させるとともに、電動パワーステアリングにより操舵時の補助力を発生させるステアリング装置の故障を検知する故障検知装置において、
   前記電動パワーステアリングに用いられ前記補助力の発生源となるアシストモータの回転角度を、前記アシストモータのモータ電流と印加電圧とから算出する算出部と、
   前記可変ギア比機構に用いられ回転することにより前記伝達ギア比を変化させる差動ギア用モータの回転角度と、前記操舵ハンドルの回転角度と、算出された前記アシストモータの回転角度とから前記故障の判定を行う判定部とを有することを特徴とするステアリング装置の故障検知装置。

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