JP4326883B2 - 電動パワーステアリング装置の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は電動パワーステアリング装置の制御装置に関し、特に、ハンドルの操舵トルクを検出するトルクセンサの出力値が異常であっても正しく制御できる電動パワーステアリング装置の制御装置に関する。

自動車のステアリング装置をモータの回転力で操舵補助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。このような電動パワーステアリング装置の簡単な構成を図９に示し、説明する。操向ハンドル１０１の軸１０２は減速ギア１０３、ユニバーサルジョイント１０４ａ及び１０４ｂ、ピニオンラック機構１０５を経て操向車輪のタイロッド１０６に結合されている。軸１０２には，操向ハンドル１０１の操舵トルクを検出するトルクセンサ１０７が設けられており、操向ハンドル１０１の操舵力を補助するモータ１０８が減速ギア１０３を介して軸１０２に連結されている。そして電動パワーステアリング装置のモータ制御はトルクセンサ１０７の検出したトルク値や図示しない車速センサから検出された車速、或いはホールセンサ１１０などで検出したモータの回転角度などを入力値としてコントロールユニット１０９で制御される。コントロールユニット１０９は主としてＣＰＵで内部においてプログラムでモータ制御が実行される。

このような構成の電動パワーステアリング装置のモータ１０８を制御するモータの制御ブロック図の一例を図１０に示す。図１０において、トルクセンサ１０７で検出されたトルク値を入力して電流指令値算出部１２０で電流指令値Ｉｒｅｆを算出し、モータ電流の検出値との差を減算部１２１で算出し、電流制御部１２２でデュティー比を決定し、モータ駆動部１２３はデュティー比に従ったＰＷＭ制御を実行してモータ１０８を駆動する。

このような電動パワーステアリング装置では、トルクセンサ１０７の検出したトルク値が正しく検出されることを前提として電動パワーステアリング装置の制御が実行されている。しかし、実際にはトルクセンサ１０７にも故障が発生し、異常なトルクの検出値が入力されたときに、ハンドル操作に対して異常な動作を引起こすおそれがあるので、従来より種々の対策が施されてきた。

例えば、特許文献１においては、図１１のような制御方式を採用してトルクセンサの出力したトルク値の異常に対応している。トルクセンサの出力したトルク値が異常になったとき、一定時間（ｔＡ）異常が継続すると、トルク値に基く電流制御演算の出力値である補助操舵力指令値を遮断してしまう。異常がさらに長く一定時間（ｔＢ）継続するとモータ駆動の電源を遮断するという制御方式である。このような制御方式において、トルクセンサが地絡故障を発生し、トルクセンサの出力であるトルク値が零になったような場合のトルク値とモータ電流の関係を図１２に示す。この制御方式の場合、判定時間ｔＡの間、異常になったトルクセンサの出力値を基に計算するのでモータの発生するトルクも異常となり、ハンドルが運転手の意図としない動きをしてしまう。さらに、異常が判定時間（ｔＢ）以上継続するとモータ電源を遮断するため、ハンドルに大きなトルクを加えていた場合、トルクが急変して好ましくない。

別の対応策として特許文献２のような制御方式がある。特許文献２はトルクセンサの電源の電圧低下や瞬断などの重大な異常が発生すると、フェールスイッチが開放し、トルクセンサの出力であるトルク値としてフェールスイッチが開放する前のトルク値を保持し、その保持した値に出力ゲインを乗じることによって補助操舵力の指令値を求めている。また、その後の補助操舵力を徐々に減衰する制御するので補助操舵力が急変することはない。特許文献２の制御方式を用いた場合のトルクセンサ地絡故障時のトルクセンサの出力であるトルク値とモータ電流の関係を図１３に示す。故障発生から故障検出までの間、モータに負の最大電流が流れるが、故障検出後は故障発生直前のトルクから徐々にモータ電流を減少させるので特許文献１のような急激なトルクの変化は発生しない。

しかし、図１４のようなトルク値がチャタリングを起こしながら地絡故障を発生した場合は、トルクセンサの出力値をＡＤ変換器でサンプリングすると黒丸のような値をサンプリングする可能性がある。これらの値が地絡検出閾値以下にならなければ地絡発生と検出できず、そのまま制御を続行する。そして地絡検出後、故障発生直前のトルク値から徐々にモータ電流を減少させるが、チャタリングを生じて不安定なトルク値から徐々にモータ電流を減少させるため、最悪の場合、故障直前のトルクと逆向きのトルクから減少が開始されて好ましくない。

また、特許文献２の方法では、故障発生から故障検出までの判定期間中はモータに異常な電流が流れるため、故障検出時間をあまり長くすることはできない。しかし、故障検出の誤検出を防ぎ、故障検出を確実にするためには、故障検出時間をできるだけ長くしたいという矛盾があり問題となっていた。

特開２０００−３１８６３３号公報 特開２０００−３２９６２８号公報

トルクセンサの出力であるトルク値が異常になったとき、従来の制御方式ではトルクセンサが故障と検出するまでの間、異常なトルク値に基いて制御するためにモータの出力トルクが異常になる。また、異常なトルク値の代わりに代替値を使用する場合でも、適切な代替値が算出されていない問題があった。その結果、トルクセンサの出力が異常になるとハンドルが運転手の意図としない動きをしてしまい、運転手にハンドル操作の違和感を与える問題があった。また、故障期間中、モータに異常電流が流れるため、故障検出時間を長く取れず、その結果、トルクセンサの故障検出に関して誤検出を生ずる問題があった。

本発明は上述のような事情から成されたものであり、本発明の目的は、トルクセンサの出力値が異常になった場合でも、トルクセンサ故障の誤検出を防止できる程度に長く故障検出期間を確保しながら、ハンドル操作に違和感を与えず、安全なハンドル操作を確保できる電動パワーステアリング装置の制御装置を提供することにある。

本発明は、車両の操舵系に操舵補助力を付与するようにしたモータと、ハンドルに作用する操舵力を検出するトルクセンサとを備え、前記トルクセンサの出力値に基いてモータを制御する電動パワーステアリング装置の制御装置に関するものであり、本発明の上記目的は、前記トルクセンサの出力値の異常を検出するトルク異常検出手段と、前記トルクセンサの出力値が異常になる前の過去の正常なトルクセンサの複数の出力値に基き代替値を算出する代替値算出手段とからなるトルク入力処理部と、前記トルクセンサの出力値の異常が一定時間継続したら前記トルクセンサの故障であると判定するトルク故障検出手段とを備え、前記トルクセンサの出力値が異常のとき、前記トルクセンサが故障であると判定する前でも、前記トルクセンサの出力値の代わりに前記代替値に基いてモータを制御することによって達成される。また、本発明の上記目的は、前記代替値が、前記トルクセンサの出力値が異常となる直前の前記トルクセンサの出力値のｎ（自然数）サンプルの平均値であることによって達成される。また、本発明の上記目的は、前記代替値が、前記トルクセンサの出力値が異常となる直前の前記トルクセンサの出力値のｎ（自然数）サンプルの重み付き平均値であることによって達成される。また、本発明の上記目的は、前記代替値が、前記トルクセンサの出力値が異常となる直前の前記トルクセンサの出力値のｎ（自然数）サンプルから最小自乗法で算出した値であることによって達成される。

本発明の電動パワーステアリング装置の制御装置を用いれば、トルクセンサの出力であるトルク値が異常になった場合、直ちに異常なトルク値に代わって、異常直前の過去の検出トルク値を基に正しく予測された代替値を用いて電動パワーステアリング装置を制御するので、トルクセンサ故障の判定時間を誤検出を防止できる程度長く確保しつつ、トルクセンサ異常時においても正しいトルク出力を確保でき、ハンドル操作に違和感を与えず、安全なハンドル操作を確保できる電動パワーステアリング装置の制御装置を提供できる。

以下、図面に基づいて本発明の好適な実施例について詳細に説明する。

図１は本発明の一実施例を示す制御ブロック図である。トルクセンサ１０７で検出されたトルク値が直接、電流指令値算出部１２０に入力されずに、トルク入力処理部１０に入力され、その出力値が電流指令値算出部１２０に入力される。電流指令値算出部１２０で電流指令値Ｉｒｅｆを算出し、モータ電流の検出値との差を減算部１２１で算出し、電流制御部１２２でデュティー比を決定し、モータ駆動部１２３はデュティー比に従ったＰＷＭ制御を実行してモータ１０８を駆動する。

トルク入力処理部１０は、トルクセンサ１０７が出力したトルク値が正常の場合は、そのトルク値が電流指令値算出部１２０に入力されるように動作し、トルク値が異常の場合は代替値を算出して、その代替値を電流指令値算出部１２０に入力する。

トルク入力処理部１０はトルク異常検出手段１０−１と代替値算出手段１０−２と選択スイッチ１０−４から構成される。トルク故障検出手段１０−３はトルクセンサの出力値が異常になり、異常が一定時間継続したら故障と見なす。リミッタ１１はトルク故障検出手段１０−３が故障と判断したらモータ電流を徐々に減少させる（漸減処理）ためにリミッタ値を絞り込む機能を有している。なお、トルク故障検出手段１０−３は必ずしもトルク入力処理部１０に組み込まれている必要はない。この実施例では、トルク異常検出手段１０−１の出力結果を利用しているのでトルク故障検出手段１０−３をトルク入力処理部１０に組み込んでいる。また、モータ電流を徐々に減少させる方法はリミッタ１１に限定されるものではない。例えば、電流指令値算出部１２０の出力である電流指令値ＩｒｅｆにゲインＧを乗して、そのゲインＧを１から０に減少するようにすれば、Ｇ・Ｉｒｅｆの値はＩｒｅｆから徐々に０に向かって減少する。

トルク入力処理部１０の動作を図２のフローチャートを参照して説明する。トルクセンサ１０７の出力値であるトルク値ＴをＡＤ変換器を介して読み込む（Ｓ１）。次に、トルク値Ｔが正常か異常かを判定する（Ｓ２）。正常異常の判定値Ｔｒｅｆは種々考えられるが、例えば正常なトルク値では有り得ない閾値以上或いは以下の値を示したら異常とする。或いは不連続に急変した場合は異常とする。トルク値の異常としては出力電圧が零、或いは電源電圧に固定してしまったり、オフセット異常（（Ｔ＋α）とαだけバイアスされた形になる異常）やトルクアンプ異常（（Ｋ・Ｔ）となる異常、オペアンプの故障）が考えられる。トルク値Ｔが異常でなければ異常検出カウンタをクリアする（Ｓ３）。

この異常検出カウンタはトルク値Ｔの異常を検出した場合カウントするもので、一度でも検出したからといって直ちにトルクセンサの故障とは断定しない。後述するように異常検出カウンタのカウント数が設定値以上になった場合初めてトルクセンサ故障と判定する。次に過去トルク値更新ルーチンを呼び出して、図３に示すように直前ｎサンプル、例えば５サンプルの値Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４，Ｔ５を更新する（Ｓ４）。そして、トルク値は異常でないので、トルク値をトルク入力処理部１０としてトルク値Ｔを算出する（Ｓ５）。トルク値Ｔが異常でないので電流指令値算出部１２０は代替値でなくトルク値Ｔに基き電流指令値Ｉｒｅｆを算出する。

一方、Ｓ２において、トルク値Ｔが異常と判定されると、異常検出カウンタが１回カウントアップされる（Ｓ６）。次に、異常検出カウンタのカウント値Ｎが設定値以上か判定する（Ｓ７）。カウント値が設定値以上の場合、トルクセンサの故障と判定する。カウント値が設定値以下の場合はトルクセンサの故障とは判定しない。ただし、トルク値は異常であるので、そのトルク値Ｔをトルクセンサの出力値として電流指令値算出部１２０には使用できない。よって、トルク値Ｔの代わりに代替値を設定する必要がある（Ｓ８）。

ここで、代替値は過去のトルク値から予測される現在の正常なトルク値である必要があり、代替値の算出方法がいくつか存在する。代替値は過去の正常なトルク値のｎサンプルを用いて算出される。ただし、ｎは自然数である。例えば、図４に示すように過去正常なトルク値の５サンプルの値を基に予想される現在値を求め、それを代替値にする（Ｓ１１）。つまり、過去の５サンプルのトルク値を平均して、平均値Ｔｍ＝（Ｔ１＋Ｔ２＋Ｔ３＋Ｔ４＋Ｔ５）／５を代替値としても良い。その他の代替値の算出方法については、後で詳しく説明する。ここで、過去の正常なトルク値を使用すると述べたが、それは先ほどのＳ４のステップである過去トルク値更新ルーチンによって確保されている。

そして、異常なトルク値の代わりに、代替値をトルク値として入れ替える（Ｓ９）。そして、トルクセンサの出力値として、この代替値が電流指令値算出部１２０に入力される（Ｓ５）。この代替値によってモータが制御されることにより、異常なトルク値で制御された場合に発生していたモータの出力トルクを回避することができる。

そして、もうひとつ重要なことは、トルクセンサが故障であると判定する前であっても、異常なトルク値を制御に使用せず、代替値を用いて制御することである。従来はトルクセンサの故障と判定してから代替値を代入してモータの制御を実行していたために、故障と判定する前は異常なトルク値に基いて制御され、異常なモータの出力トルクが発生されハンドル操作に違和感を与えていた。

トルクセンサの異常が継続すると、トルク値は異常と判定されて（Ｓ２）、異常検出カウンタがカウントされ、カウント値が増加する（Ｓ６）。このトルクセンサの異常がさらに継続して、異常検出カウンタのカウント値が設定値Ｎを越えるとトルクセンサ故障と判定する（Ｓ７）。トルクセンサ故障と判定されるとモータ電流の徐々に減少させる制御を実行してモータの出力トルクの急激な変化を防止する（Ｓ１０）。モータ電流を徐々に減衰させる方法としては、代替値は一定のままにして電流指令値算出部１２０の出力にリミッタ１１を設けて、リミッタ１１のリミッタ値を徐々に絞るようにしてモータ電流を徐々に減衰させても良いし、或いは代替値のトルク値を徐々に減少させてモータ電流を徐々に減衰させても良い。

図５は、本実施例のトルク入力処理部１０を用いて、トルクセンサの出力値が突然零になった場合のトルクセンサの出力であるトルク値とモータ電流との関係を表わした図を示す。トルク値が突然零になっても異常なトルク値の代わりに代替値を直ちに使用するので、モータ電流はトルク値が異常になる直前の値を維持する。そして、トルクセンサ故障と判定するまでモータ電流は直前の値を維持してトルクセンサ故障と判定された後はモータ電流が徐々に減衰する。従来の制御方法による結果の図１２や図１３と比較すると、モータ電流はトルク値が異常になる直前の極性と逆になったりせずハンドル操作に違和感を与えることはない。

図６は、本実施例のトルク入力処理部１０を用いて、トルクセンサの出力値がチャタリングを発生して故障した場合のトルクセンサの出力であるトルク値（最悪のケース）とモータ電流との関係を表わした図を示す。トルク値がチャタリングを発生して、トルク値が異常と判定されると、過去の正常なトルク値を用いて代替値を算出し、その代替値に基いてモータ電流は制御される。よって、モータ電流はチャタリングを発生させる直前のモータ電流と大きく異なることのない電流を出力する。さらに、故障検出後はモータ電流を徐々に減衰させている。この結果と従来の制御方式で制御した結果の図１４と比較する。従来の制御方式の場合はモータ電流がトルクセンサ出力異常となる前と逆極性のモータ電流を発生して、その後乱高下するなど運転手にとって好ましくない結果になっている。また、故障検出後、モータ電流を徐々に減衰させるのは良いが、その減衰直前のモータ電流がやはり逆極性の電流から減衰する結果になっているので好ましくない。明らかに本実施例の制御方式の方が最悪のケースであってもハンドル操舵に好ましい制御になっている。

以上の実施例は、代替値が過去５サンプルの単純平均を用いた場合について説明したが、代替値の算出方法として、最小自乗法、過去のｎサンプル値から（ｎ−１）次式を算出して現在値を算出する方法、重み付き平均法があり、以下それらについて説明する。ただし、ｎは自然数である。

まず、過去のｎサンプルから（ｎ−１）次式を作成して代替値を算出する方法について説明する。例えば、図７に示すような過去３サンプル（Ｔ_０、Ｔ_１，Ｔ_２）から２次式を作成して現在値Ｔ_３を予測するには以下の計算を行なう。

とした場合、ａ，ｂ，ｃを算出するには、数２の連立方程式を求める必要がある。

よって、現在値Ｔ３は数３のように算出される。

実際の計算では逆行列部分は予め計算することができる。例えば、過去３サンプルの場合の逆行列部分は数４のようになる。

次に、最小自乗法を用いた代替値の算出方法について説明する。
過去のトルク値の直帰のｎサンプルから１次式を最小自乗法により作成して、現在値を予測し代替値を設定する。上述した代替値をｎ次式で求める方法の場合、過去のトルク値にノイズが含まれているので、厳密にｎ次式にフィッテイングすると最適な現在値を得られない場合がある。そこで、最小自乗法によって各係数を計算する。例えば、過去３サンプルから１次式を作成して現在値を予測する場合は以下の計算をすれば良い。

まず、現在値を求めるとは図８において、過去のｔ０、ｔ１、ｔ２のときのトルク値Ｔ０，Ｔ１，Ｔ２から現在時点ｔ３でのトルク値Ｔ３を求めることである。

ここで、係数のａ，ｂを求めるには、数６の連立方程式を解ければ良い。

そこで、過去３サンプルの場合は、逆行例を利用して数７のようになる。

実際の計算では逆行列は、予め計算することができる。その結果、各係数は以下数８のようになる。

最小自乗法でも、ｎ次式を用いる方法でも、代替値の最終的に計算する形はＴ＝ａＴ１＋ｂＴ２＋ｃＴ３＋ｄＴ４などの係数と過去トルク値との積和なのでＣＰＵにとって計算の負担は多くない。

最後に、重み付き平均について説明する。重み付き平均は図６に示すトルク値を過去のものから順に重み付けする。例えば、古い順に、Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４，Ｔ５であり、重みを、例えば、ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅとすれば、代替値Ｔは数９のようになる。

である。ここで、ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅをそれぞれ、例えば、８，４，２，１，１とすると数９は数１０のようになる。

となる。

以上説明した実施例によれば、トルクセンサの出力であるトルク値が異常になった場合は、直ちに異常なトルク値に代わって、正しく予測された代替値を用いて電動パワーステアリング装置のモータを制御するのでモータが異常なトルクを出力することが１サイクルたりとも存在せずに電動パワーステアリング装置を正しく制御できる。さらに、本実施例を用いれば、１サイクルたりとも異常なトルクを出力しないのでトルクセンサなどの故障検出をするための判定の時間を長く取っても問題がなく誤検出を防止できる。

従来の制御方法では、トルクセンサの出力異常を検知するまでは異常なトルク値を用いて制御するためモータの出力トルクが異常になったり、或いは代替値の設定も現在値を正しく予測した値でないのでモータの出力トルクが異常になったりする問題が存在した。また、モータの出力が異常になるためトルクセンサなどの異常検出のための判定時間を長く取ることができず、トルクセンサ故障の誤検出を生ずる不具合も存在したが、本発明を用いれば、これら従来の問題を解決することができる。

本発明の一実施例である制御ブロック図である。 本発明のトルク入力処理部の動作を示すフローチャートである。 過去トルク値の更新動作のフローチャートである。 過去トルク値から予想される現在値を代替値として代入するフローチャートである。 本発明を使用した場合のトルクセンサ地絡故障時のモータ電流の出力結果を示す図である。 本発明を使用した場合のトルクセンサがチャタリング現象を起こした故障時のモータ電流の出力結果を示す図である。 ｎ次式を用いた現在値推定の原理を示す図である。 最小自乗法を用いた現在値推定の原理を示す図である。 電動パワーステアリング装置の構成を示す図である。 従来の電動パワーステアリング装置の制御ブロック図である。 トルクセンサ地絡故障対応の従来の電動パワーステアリング装置の制御ブロック図である トルクセンサ地絡故障時の従来の制御によるモータ電流の出力結果を示す図である。 トルクセンサ地絡故障時の従来の改善した制御によるモータ電流の出力結果を示す図である。 トルクセンサチャタリング故障時の従来の制御によるモータ電流の出力結果を示す図である。

符号の説明

１０ トルク入力処理部
１０−１ トルク異常検出手段
１０−２ 代替値算出手段
１０−３ トルク故障検出手段
１０−４ 選択スイッチ
１１ リミッタ
１０７ トルクセンサ
１０８ モータ
１２０ 電流指令値算出部
１２１ 減算部
１２２ 電流制御部
１２３ モータ駆動部

Claims (4)

1. 車両の操舵系に操舵補助力を付与するようにしたモータと、ハンドルに作用する操舵力を検出するトルクセンサとを備え、前記トルクセンサの出力値に基いてモータを制御する電動パワーステアリング装置の制御装置において、
   前記トルクセンサの出力値の異常を検出するトルク異常検出手段と、前記トルクセンサの出力値が異常になる前の過去の正常なトルクセンサの複数の出力値に基き代替値を算出する代替値算出手段とからなるトルク入力処理部と、
   前記トルクセンサの出力値の異常が一定時間継続したら前記トルクセンサの故障であると判定するトルク故障検出手段とを備え、
   前記トルクセンサの出力値が異常のとき、前記トルクセンサが故障であると判定する前でも、前記トルクセンサの出力値の代わりに前記代替値に基いてモータを制御することを特徴とする電動パワーステアリング装置の制御装置。
2. 前記代替値が、前記トルクセンサの出力値が異常となる直前の前記トルクセンサの出力値のｎ（自然数）サンプルの平均値である請求項１に記載の電動パワーステアリング装置の制御装置。
3. 前記代替値が、前記トルクセンサの出力値が異常となる直前の前記トルクセンサの出力値のｎ（自然数）サンプルの重み付き平均値である請求項１に記載の電動パワーステアリング装置の制御装置。
4. 前記代替値が、前記トルクセンサの出力値が異常となる直前の前記トルクセンサの出力値のｎ（自然数）サンプルから最小自乗法で算出した値である請求項１に記載の電動パワーステアリング装置の制御装置。

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