JP6695473B1 - 冗長系センサ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電子制御装置に接続されたセンサの冗長系を有した状態で、その回路、信号ライン等を削減できる冗長系センサ装置を提供する。【解決手段】電子制御装置に接続された少なくとも２組の独立したセンサにおいて、１組のセンサには少なくとも２つの出力信号ポートを備え、２組目のセンサには１つの出力信号ポートを備え、１組目の２つの出力信号は予め定めた一定の関係を有した異なる特性であり、２組目の１つの出力信号は、１組目の２つの出力信号のどちらか一方と同等の特性を有し、電子制御装置には異常判断部を備え、すべての出力信号を比較するように構成されており、制御には正常な信号を使用するようにする。【選択図】図２

Description

本願は、冗長系センサ装置に関する。

従来、センサの冗長性を備えるために、複数のセンサとそれらセンサに対応して複数の検出回路を備えた構成が考えられており、一方の異常に対して他方が正常であれば、他方のセンサのみを使用して、制御を継続するように構成されていた（例えば特許文献１参照）。

特許第６２８３７３７号公報

特許文献１に開示された従来の電動パワーステアリング装置のトルクセンサでは、２つの独立したトルク検出信号が、互いに異なる検出素子から検出されており、計４個の電子回路、４つの信号ラインを備えており、それらをそれぞれ比較してトルクセンサの異常を検知していた。また、３個のセンサを使用して多数決による正常あるいは異常の判断をすることも考えられる。

冗長系を考慮する場合、単純な故障、例えば断線、又は天絡、地絡のように、異常値に固定されるような故障は、簡単に正常あるいは異常が判断できる。しかし、出力値が固定ではなく変動するが、正確に変動しないような故障モ−ドの判断は難しく、２個のセンサの単純比較のみではどちらが正常であるか否かの判断が困難である。前述の特許文献１のように、従来は、複数のセンサ、複数の検出回路、信号ラインを設ける、つまり、最低でも２倍の構成要素を備え、それらの比較検証により判断していた。しかしながら、このような２倍の要素で構成する場合、コストのみならず、サイズおよび搭載性を悪化させるものとなっていた。

本願は、上記のような課題を解決するための技術を開示するものであり、従来装置と同等の冗長性を保った状態で、当該装置の回路および信号ラインを削減することができ、これによりコストおよびサイズの低減、搭載性の向上を実現した冗長系センサ装置を提供することを目的とする。

本願に開示される冗長系センサ装置は、
被検出対象物の物理特性を検出し、検出した物理特性に対応して信号を出力するとともに、予め定められた一定の関係にある複数の出力信号を出力する第１のセンサと、
前記第１のセンサの複数の出力信号のうちのいずれか一の出力信号と同等の特性を持つ出力信号のうちいずれか一の出力信号のみを出力する第２のセンサと、
入力信号の異常の有無を判断する異常判断部を有し、前記入力信号に応じて前記被検出対象物に供給する電力を演算して得られた制御信号を出力する制御回路を有して、前記被検出対象物を制御する電子制御装置と、
を備え、
前記異常判断部は、前記第１のセンサの出力信号および前記第２のセンサの出力信号について、異常の有無を判断するように構成されており、前記制御信号として、正常と判断された出力信号を使用することを特徴とするものである。

本願に開示される冗長系センサ装置によれば、従来装置と同等の冗長性を保った状態で、従来装置の回路および信号ラインを削減することができ、これによりコストおよびサイズの低減、搭載性の向上を実現した冗長系センサ装置を提供することができる。

実施の形態１の電動パワーステアリング装置の一例を示す全体回路図である。 実施の形態１におけるトルクセンサの回路図である。 実施の形態１におけるトルクセンサの出力信号特性の一例を示す図である。 実施の形態２における回転センサの回路図である。 実施の形態２における回転センサの出力信号特性図である。 実施の形態１におけるトルクセンサの出力信号特性の他の例を示す図である。

本願は、冗長性を有した上で構成要素を減らした冗長系センサ装置に関するものである。以下、電動パワーステアリング装置に使用されるトルクセンサを例にして、本願の冗長系センサ装置の好適な実施の形態の一例について図を用いて説明する。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１における電動パワーステアリング装置を示す回路図である。また、図２はトルクセンサの回路図、図３は出力信号図である。

図１に示す実施の形態１の電動パワーステアリング装置は、電子制御装置１ａ、１ｂとモータ２とを有している。電子制御装置１ａ、１ｂは、ほぼ同一回路構成であり、また、モータ２は、３相巻線（Ｕ１、Ｖ１、Ｗ１）を２組備えたブラシレスモータである。電子制御装置の一方、又はモータの一方の巻線が異常であっても、他方が正常であれば、モータ制御を継続可能で、モータも回転できるように冗長系をなしている。そのため、以下の説明では、一方について行うこととする。

電子制御装置１ａには、電源（バッテリ）９、イグニッションスイッチ７、トルクセンサＡ８ａ、トルクセンサＢ８ｂ、回転センサＡ１７ａ、回転センサＢ１７ｂの信号がそれぞれ入力される。電子制御装置１ａは、制御回路４ａ、インバータ回路３ａ、電源リレー５ａ等で構成され、他方の電子制御装置１ｂとは通信ライン１５で接続されている。

制御回路４ａは、電源回路Ａ１３ａ、入力回路Ａａ１１ａ、入力回路Ａｂ１２ａ、中央演算装置であるＣＰＵ_Ａ１０ａ、駆動回路Ａ１４ａから構成され、トルクセンサＡ８ａの入力に応じてモータ回転のための供給電力をＣＰＵ_Ａ１０ａが演算し、駆動回路Ａ１４ａを介して出力する。

インバータ回路３ａには、３相巻線（Ｕ１、Ｖ１、Ｗ１）へ電流を供給するために、上下アームのブリッジ回路を形成するスイッチング素子（例えばＦＥＴ、３１Ｕ、３２U）が配設されている。さらにモータ２への電流を遮断できるリレー３４Ｕ、電流検出用シャント抵抗３３Ｕも備えている。コンデンサ３０Ｕは、スイッチング素子３１Ｕ、３２Ｕのオン、オフによるインバータ回路３ａにおける電源電圧の変動を抑えるために備える。

その他の機能として、電源リレー５ａがフェールセーフのために、元電源を遮断可能としている。さらに、モータ２の回転角を検出するために、各々独立して動作する、２個の回転センサである回転センサＡ１７ａ、回転センサＢ１７ｂが、モータ２の近傍に配設されている。
なお、上記と同様に、電子制御装置１ｂの制御回路４ｂについても、電源回路Ｂ１３ｂ、入力回路Ｂａ１１ｂ、入力回路Ｂｂ１２ｂ、中央演算装置であるＣＰＵ_Ｂ１０ｂ、駆動回路Ｂ１４ｂから構成されている。

以上のように、電子制御装置１ａ、１ｂが独立に動作するよう構成されているため、一方が異常であっても他方がモータ２を駆動可能となっており、冗長性を確保している。なお、電子制御装置１ｂも前記電子制御装置１ａと同様の構成要素である、上述した制御回路４ｂ、ＣＰＵ_Ｂ１０ｂ、等を備えている。また、図中の電子制御装置１ａ、１ｂの外枠上の〇印は、接続用コネクタを示している。

次に、トルクセンサの冗長系について、図２、図３を用いて説明する。トルクセンサは、被検出対象物である車両のハンドルの操舵トルクを検出するセンサであり、トルクセンサＡ８ａは例えば図２に示すような回路図で、１つのセンサが構成されている。ブリッジ回路８０の４個の抵抗の対向角８１ａ〜８１ｄに電源８１を供給し、トルクが発生されていない、つまり操舵がされていない場合は、４個の抵抗は、ほぼ同一値であり電源が供給されていない対向角（８１ｂ、８１ｄ）には電位差が発生しない。ハンドルを操舵することにより抵抗値が変動し、対向角８１ａと対向角８１ｃとの間には電位差が生じないが、対向角８１ｂと対向角８１ｄ間に電位差が生じ、この電位差を検出、増幅する増幅器Ａ８２ａを介して出力信号ポート８３ａに信号が出力される。

増幅器Ｂ８２ｂは、増幅器Ａ８２ａに対して、＋、−の入力信号が逆であるので、その出力信号ポートでの信号特性は、図３に示したように、出力信号ポート８３ｂでの信号特性（図中の特性線Ｂを参照）は、出力信号ポート８３ａでの信号特性（図中の特性線Ａを参照）とは逆となる。なお、出力信号ポート８３ａ、８３ｂの信号は、ＣＰＵ_Ａ１０ａに入力されるため、信号の取りうる範囲は０Ｖ〜５Ｖとしている。
さらにハンドルは左右どちらの方向にも操舵されるため中立位置（ハンドルの操舵がない直進走行位置）を２．５Ｖとし、出力信号ポート８３ａでの電圧値は、右回転方向に２．５Ｖより大きい値（特性線Ａ参照）、左回転では逆に２．５Ｖより小さい値となるような特性（特性線Ｂ参照）としている。
なお、図３において、横軸は、ハンドルなどの被検出対象物の物理変数を示し、縦軸は、検出センサとしてのトルクセンサの出力電圧特性を示す。

また、この出力信号ポート８３ａでの最大電圧値＝４．５Ｖ、最小電圧値＝０．５Ｖとなるように設定されているので、断線（電圧値≒０Ｖ）、天絡（電圧値≒５Ｖ）、地絡（電圧値≒０Ｖ）が発生した場合、すぐに異常が判断できるようになっている。

以上のようなトルクセンサを２組備えると、４つの出力信号ポートが必要であり、これに伴い、回路、センサすべて２組必要となるので、コスト的にも、搭載性もデメリットとなる。そこで、冗長性に関わる装置の構成については、４つの出力信号ポートを有する従来装置と同等の冗長性能を有するが、２組目のトルクセンサは出力信号ポート１つのみ有する構成とし、回路、出力信号ライン他の構成要素を削減する。

２つの出力信号ポートを有するトルクセンサＡ８ａと、１つの出力信号ポートを有するトルクセンサＢ８ｂとの２組を配置した場合における、異常判断部を備えた電子制御装置１ａの正常あるいは異常判断について説明する。この異常判断部（図示せず）は、ＣＰＵ_Ａ１０ａに組み込まれているものとする。ここでトルクセンサＢ８ｂは出力信号ポート８３ａと同等の信号を出力する（図示しない）出力信号ポート８３ｃを備えているものとする。これら３つの出力信号ポートを有するため、それぞれの出力信号ポートでの出力２つずつを比較する。

まず出力信号ポート８３ａと８３ｂでの電圧値を加算すると正常であれば約５Ｖ一定となる。次に出力信号ポート８３ｂと８３ｃでの電圧値を加算し正常であれば、同様に５Ｖ一定となる。同様に出力信号ポート８３ａと８３ｃでの電圧値を減算すると正常であれば約０Ｖ一定となる。以上のように３つの出力信号ポートでの電圧値を２つずつ比較し、正常、異常を判断できる。以下では、上記３箇所の出力信号ポート８３ａ、８３ｂ、８３ｃでの電圧値を各々、［８３ａ］、［８３ｂ］、［８３ｃ］と表記する。

上記の比較検証は、図１のＣＰＵ_Ａ１０ａ、ＣＰＵ_Ｂ１０ｂ内部に設けられた図示しない異常判断部において実行される。具体的な比較検証方法は以下の８種類となる。
１）８３ａ系が異常と判断した場合の出力信号ポートでの電圧値
［８３ａ］＋［８３ｂ］≠５Ｖ、かつ［８３ｂ］＋［８３ｃ］＝５Ｖ
［８３ａ］−［８３ｃ］≠０Ｖ、かつ［８３ｂ］＋［８３ｃ］＝５Ｖ
２）８３ｂ系が異常と判断した場合の出力信号電圧値
［８３ａ］＋［８３ｂ］≠５Ｖ、かつ［８３ａ］−［８３ｃ］＝０Ｖ
［８３ｂ］＋［８３ｃ］≠５Ｖ、かつ［８３ａ］−［８３ｃ］＝０Ｖ
３）８３ｃ系が異常と判断した場合の出力信号電圧値
［８３ｂ］＋［８３ｃ］≠５Ｖ、かつ［８３ａ］＋［８３ｂ］＝５Ｖ
［８３ａ］−［８３ｃ］≠０Ｖ、かつ［８３ａ］＋［８３ｂ］＝５Ｖ
４）すべて正常と判断した場合の出力信号電圧値
［８３ａ］＋［８３ｃ］＝５Ｖ、かつ［８３ｂ］＋［８３ｃ］＝５Ｖ、かつ［８３ａ］−［８３ｃ］＝０Ｖ
５）２個以上のセンサ系が異常と判断した場合の出力信号電圧値
［８３ａ］＋［８３ｂ］≠５Ｖ、かつ［８３ａ］−［８３ｃ］≠０Ｖ、かつ［８３ｂ］＋［８３ｃ］≠５Ｖ

異常判断部が前記１）〜３）の場合において、異常と判断した場合、制御継続のため正常な出力信号を用いてモータ制御を継続する。なお、ＣＰＵ_Ａ１０ａ、ＣＰＵ_Ｂ１０ｂは通信ライン１５で接続されているとすると、両ＣＰＵの異常判断結果を照合することも可能であり、同一結果であれば、正常値を用いて制御を継続し、両ＣＰＵの異常判断が異なる結果又は前記５）の場合であれば、制御継続が不可能となるが、正常値であった前回値に近い値をしばらく利用して急激に制御中断を避けるような動作をさせることも可能である。

このような異常判断により、実行中の制御を中断することなく、正常センサ出力信号のみを使用して制御を継続することができる。さらに従来装置の４つの出力信号ポートを有する構成であっても同様な比較検証を行うことになり、３つと４つの出力信号ポートの有意差はないが、図２の増幅器Ｂ８２ｂ、出力信号ポート８３ｂが１個ずつ削減できる。

以上のように１組のセンサの出力信号は、一方と他方の出力特性が同一特性でなく、両者に一定の所定関係を有するものとし、２組目のセンサの特性は１組目のどちらかの特性と同一であることが条件であれば、完全独立、２組のセンサでなくても、１方は１つのみの出力信号ポートを有するセンサ構成として、計３つの出力信号ポートを有する構成であっても同程度の冗長性を備えることができ、回路、出力信号ライン他を削減できる。
なお、図２のセンサでは出力回路である増幅器が２個（増幅器Ａ、増幅器Ｂ）で、センサ自体であるブリッジ回路８０は１個であるが、センサ自体も２個用いて、それぞれに出力回路を有する構成であってもよい。

実施の形態２．
次に、トルクセンサ以外のセンサであっても、実施の形態１と同様な目的、効果が得られるので、別のセンサについて図４、図５を用いて説明する。この実施の形態２は、図１の電動パワーステアリング装置における回転センサＡ１７ａ、及び回転センサＢ１７ｂについて説明する。

図４は回転センサの概略回路図を示し、例えばレゾルバ構成のセンサである。中央には、被検出対象物としての、モータ２の出力軸端１７ｊに回転ロータ１７ｈが花びら形状に配置されたものが設けられ、モータ２の出力軸の回転に応じて回転ロータ１７ｈが回転する。５個のコイルの内、１７ｃ、１７ｆは励磁用コイルであり、花びら状の回転ロータ１７ｈの凸部と凹部の相違により、検出用コイル１７ｄ、１７ｅ、１７ｇに電流が流れるものである。１組目のレゾルバは励磁用コイル１７ｃ、検出用コイル１７ｄ、１７ｅで構成されている。２組目は、励磁コイル１７ｆ、検出用コイル１７ｇで構成されている。

信号波形を図５に示した。励磁用コイル１７ｃへは励磁波形が印加されており、１７ｃ１の波形となる。回転ロータの凹凸（花びら形状）が検出用コイル１７ｄ、１７ｅに接近するか、あるいは遠ざかることにより、検出用コイル１７ｄ、１７ｅに発生する信号は、それぞれ、形状が正弦波状の波形である検出出力波１７ｄ１、あるいは形状が余弦波状の波形である検出出力波１７ｅ１となる。これらの正弦波１７ｄ１、１７ｅ１を基にして正接を求め、物理特性である回転角を算出する。

一方、２組目のセンサは、励磁信号と正弦波（又は余弦波）の一方の出力とすると、３つの出力信号を２つずつ比較して、正常あるいは異常を判断する。正弦波１７ｄ１と余弦波１７ｅ１の一方を、所定角（９０度）だけ位相をずらし、比較（減算）した場合、正常であれば約０Ｖとなる。同様に、余弦波１７ｅ１と正弦波１７ｇ１（図示せず）も所定角だけ位相ずらして比較検証でき、正弦波１７ｄ１、１７ｇ１同士は、単純な比較（減算）により比較検証できる。

以上のように、回転センサであっても、１組の２つの出力信号に一定の関係があり、２組目のセンサはどちらか一方と同一の出力信号であれば、３つの出力信号をそれぞれ比較検証することにより、正常あるいは異常を判断することができる。これにより、完全２倍分、すなわち、２組各２つの出力信号を持ち、計４つの出力信号を持つセンサ構成よりも、コスト低減、搭載性向上を図ることができる。
なお、用いることができるセンサの種類は、前述の素子に限られず、例えばホール素子、磁気抵抗素子等でもよく、汎用性を有していることが特徴でもある。

また、図１ではＣＰＵが２個（ＣＰＵ_Ａ、ＣＰＵ_Ｂ）の構成で説明したが、ＣＰＵは１個、さらには電子制御装置１ａ、１ｂが１個の構成であっても、トルクセンサＡ８ａ、トルクセンサＢ８ｂ、又は回転センサＡ１７ａ、回転センサＢ１７ｂが３つの入力信号ポートを有していれば、上記と同様の効果を奏する装置の構成が可能である。また、上記と同様の効果を得るため、インバータ回路３ａ、３ｂとモータ２の３相巻線２組という出力段のみ２重系で構成された装置構成でも良い。
以上のように、センサの入力信号ポート、あるいは出力信号ポートを３箇所設けることにより、インターフェース回路、ＣＰＵのポートを削減することができる。

また，１組のセンサの出力信号は、一方と他方の出力特性が同一特性でなく、両者に一定の関係を有するものとし、２組目のセンサの特性は１組目のどちらかの特性と同一であることを条件としたが、２組目のセンサの特性と１組目のセンサのどちらかの特性とが一定の関係を有する場合も、同様に故障判定ができ同程度の冗長性を備えることができる。ここでは、この同一の場合および一定の関係を有する場合を併せて、同等の特性を有する場合と呼ぶ。

ここで、上記における一定の関係とは、例えば位相が所定角だけ異なっている場合であれば、位相をずらして位相が合う場合も含まれる。すなわち、ｓｉｎ、ｃｏｓの組合せの場合のように、位相をずらして位相が合うようにすれば、単純な演算（減算）により比較検証できる。同様に、信号にオフセットがある場合も一定の関係に含まれる。例えば図６に示したように、点線で示した特性線Ｂを、比較の前にオフセット（オフセット量）Δｖを予め補正してこのオフセット量Δｖを無くして零としたものを特性線Ｃとした場合に、特性線Ａと特性線Ｃの関係が互いに逆特性になっていれば、比較検証可能である。すなわち、このような関係にある特性線Ａと特性線Ｂの関係であっても、「一定の関係」に含まれる。なお、上記では特性線Ｂだけがオフセットがある場合について説明したが、これに限らず、特性線Ａと特性線Ｂがともにオフセットを持つ場合であっても、これら両方のオフセット量を零にすることにより、両者の関係が互いに逆特性になるも含まれる。

また、故障判定後にも残った正常な出力信号で制御継続するが、その場合にも残った正常な出力信号で故障判定をするために比較検証を続け、正常あるいは異常の判定を行う。それにより１次故障発生後に継続して制御を続けた場合に、２次故障が起きた場合でも、その故障を判定し、正常な状態へ移行するために、周囲に通知可能となる。

本願は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。

１ａ、１ｂ 電子制御装置、２ モータ、３ａ、３ｂ インバータ回路、４ａ、４ｂ 制御回路、８ａ トルクセンサＡ、８ｂ トルクセンサＢ、１０ａ ＣＰＵ_Ａ、１０ｂ ＣＰＵ_Ｂ、１１ａ 入力回路Ａａ、１１ｂ 入力回路Ｂａ、１２ａ 入力回路Ａｂ、１２ｂ 入力回路Ｂｂ、１３ａ 電源回路Ａ、１３ｂ 電源回路Ｂ、１４ａ 駆動回路Ａ、１４ｂ 駆動回路Ｂ、１５ 通信ライン、１７ａ 回転センサＡ、１７ｂ 回転センサＢ、８０ ブリッジ回路、８１ 電源、８１ａ、８１ｂ、８１ｃ、８１ｄ 対向角、８２ａ 増幅器Ａ、８２ｂ 増幅器Ｂ、８３ａ 出力信号ポート、８３ｂ 出力信号ポート

Claims (8)

1. 被検出対象物の物理特性を検出し、検出した物理特性に対応して信号を出力するとともに、予め定められた一定の関係にある複数の出力信号を出力する第１のセンサと、
   前記第１のセンサの複数の出力信号のうちのいずれか一の出力信号と同等の特性を持つ出力信号のうちいずれか一の出力信号のみを出力する第２のセンサと、
   入力信号の異常の有無を判断する異常判断部を有し、前記入力信号に応じて前記被検出対象物に供給する電力を演算して得られた制御信号を出力する制御回路を有して、前記被検出対象物を制御する電子制御装置と、
   を備え、
   前記異常判断部は、前記第１のセンサの出力信号および前記第２のセンサの出力信号について、異常の有無を判断するように構成されており、前記制御信号として、正常と判断された出力信号を使用することを特徴とする冗長系センサ装置。
2. 相互に通信可能な通信ラインで接続され、互いに独立して動作するよう構成された複数の電子制御装置を備えていることを特徴とする請求項１に記載の冗長系センサ装置。
3. 前記同等の特性とは、同一、または互いに一定の関係を有する特性であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の冗長系センサ装置。
4. 前記第１のセンサおよび前記第２のセンサは、ともに被検出対象物の操舵トルクをブリッジ回路の対向角での出力電圧として検出するトルクセンサであるか、あるいは、ともに被検出対象物の回転角をコイルに発生する交流電圧として検出する回転センサのいずれかであることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の冗長系センサ装置。
5. 前記トルクセンサにおいては、前記一定の関係が、前記ブリッジ回路の対向角での出力電圧が互いに逆特性の関係にあり、前記回転センサにおいては、前記コイルに発生した電圧波形の位相角が互いに所定角だけ異なる関係にあることを特徴とする請求項４に記載の冗長系センサ装置。
6. 前記異常判断部は、前記第１のセンサの複数の出力信号の中から２つの出力信号を選ぶとともに、前記第２のセンサの出力信号１つと合わせた３つの出力信号から２つ選んだ出力信号対のすべてを比較検証することにより、前記第１のセンサおよび前記第２のセンサの異常の有無を判断し、異常と判断された前記第１のセンサあるいは前記第２のセンサの出力信号の使用を停止するとともに、正常と判断された前記第１のセンサあるいは前記第２のセンサの出力信号を使用することにより、前記被検出対象物を制御することを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の冗長系センサ装置。
7. 前記一定の関係は、前記出力信号対の各出力信号の出力特性を比較検証する前に、各出力信号にオフセットがある場合に当該オフセットの量を零にした後の関係であることを特徴とする請求項６に記載の冗長系センサ装置。
8. 前記異常判断部は、前記第１のセンサおよび前記第２のセンサの異常の有無を判断し、異常と判断された場合には、異常と判断されたセンサの出力信号の使用を停止して異常であることを通知し、正常と判断されたセンサの出力信号のみを使用することにより、実行中の制御を継続するとともに、その後も、異常と判断されたセンサの出力信号を除く出力信号から選んだ出力信号対のすべてを比較検証し、センサの正常、異常の判断を継続して行うことを特徴とする請求項６または請求項７に記載の冗長系センサ装置。

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