JP2010155598A - 電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】アシスト電流指令値を最大電流より小さく制限することにより安全性を高めると共に、簡単な構成で処理負荷的に有利であり、出力過多異常の誤判定を生じない高機能な電動パワーステアリング装置を提供する。
【解決手段】マイクロコンピュータと、マイクロコンピュータ内のＲＯＭに格納されたプログラム、パラメータ等に基づいて制御演算処理するＣＰＵと、記憶領域を形成するＲＡＭとを備え、ＣＰＵはＲＯＭ及びＲＡＭと協働して、少なくとも操舵トルクに基づいて車両の操舵系に操舵補助力を付与するモータのアシスト電流指令値を演算し、アシスト電流指令値に基づいてアシスト制御する電動パワーステアリング装置であり、アシスト電流指令値の演算経路にリミッタを介すると共に、マイクロコンピュータの異常を診断する異常診断機能を具備している。
【選択図】図２

Description

本発明は、少なくとも操舵トルクに基づいて演算されたアシスト電流指令値に基づいて、車両の操舵系にモータによる操舵補助力を付与するようにした電動パワーステアリング装置に関し、特にアシスト電流指令値に対してリミッタによる制限値を施すことにより、異常出力の影響を抑制して安全性を高めると共に、各相電流指令値の演算部位における出力過多の異常検出機能を具備した電動パワーステアリング装置に関する。

一般的に、車両のステアリング装置をモータの回転力で操舵補助力（アシスト）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。かかる従来の電動パワーステアリング装置は、操舵補助トルクを正確に発生させるため、モータ電流のフィードバック制御を行っている。フィードバック制御は、電流指令値とモータ電流検出値との差が小さくなるようにモータ印加電圧を調整するものであり、モータ印加電圧の調整は、一般的にＰＷＭ（パルス幅変調）制御のデューティ比の調整で行っている。

このような電動パワーステアリング装置の一般的な構成を、図１４を参照して説明する。ハンドル１のコラム軸２は減速ギア３、ユニバーサルジョイント４Ａ及び４Ｂ、ピニオンラック機構５を経て操向車輪のタイロッド６に連結されている。コラム軸２には、ハンドル１の操舵トルクを検出するトルクセンサ１０が設けられており、ハンドル１の操舵力を補助するモータ２０が、減速ギア３を介してコラム軸２に連結されている。パワーステアリング装置を制御するコントロールユニット３０にはバッテリ１４から電力が供給されると共に、イグニションキー１１を経てイグニションキー信号が入力される。コントロールユニット３０は、トルクセンサ１０で検出された操舵トルクＴと車速センサ１２で検出された車速Ｖとに基づいてアシスト指令のアシスト電流指令値（操舵補助指令値）Ｉの演算を行い、演算されたアシスト電流指令値Ｉに基づいてモータ２０に供給する電流を制御する。

コントロールユニット３０は主としてＣＰＵ（又はＭＰＵ(Micro Processor Unit)やＭＣＵ(Micro Controller Unit)）、ＲＯＭやＲＡＭのメモリ等で構成されるが、そのＣＰＵ内部においてプログラムで実行される一般的な機能を示すと、図１５のようになっている。
図１５を参照してコントロールユニット３０の機能及び動作を説明すると、トルクセンサ１０で検出されて入力される操舵トルクＴ及び車速センサ１２（若しくはＣＡＮ(Controller Area Network)）からの車速Ｖは電流指令値演算部３１に入力され、電流指令値演算部３１において操舵トルクＴ及び車速Ｖに基づいてアシスト電流指令値Iref1が演算される。演算されたアシスト電流指令値Iref1は操舵系の安定性を高めるための位相補償部３２で位相補償され、位相補償されたアシスト電流指令値Iref2が加算部３３に入力される。また、操舵トルクＴは応答速度を高めるためのフィードフォワード系の微分補償部３５に入力され、微分補償された操舵トルクＴＡは加算部３３に入力され、加算部３３はアシスト電流指令値Iref2と操舵トルクＴＡを加算し、その加算結果であるアシスト電流指令値Iref3を減算部３４に加算入力する。
減算部３４は、アシスト電流指令値Iref3とフィードバックされているモータ電流ｉとの偏差Iref4（＝Iref3−ｉ）を求め、偏差Iref4はＰＩ制御部３６でＰＩ制御され、更にＰＷＭ制御部３７に入力されてデューティを演算され、インバータ３８を介してモータ２０をＰＷＭ駆動する。モータ２０のモータ電流値ｉはモータ電流検出手段２１で検出され、減算部３４に入力されてフィードバックされる。

ここにおいて、電動パワーステアリング装置では、モータ（ブラシレスモータ）２０のロータマグネットの座標軸であるトルクを制御する軸（ｑ軸）と磁界の強さを制御する軸（ｄ軸）を独立に設定し、各軸が９０度の位相関係にあることから、そのベクトルで各軸に相当する電流を制御するベクトル制御が実施されている。多相モータ（例えばＡ，Ｂ，Ｃの３相モータ）２０をベクトル制御する場合、図１６に示すように操舵トルクＴ及び車速Ｖに基づいて算出されたアシスト電流指令値Iref3とｄ軸電流指令値Id_refとを各相電流指令値生成部３００に入力し、モータ２０の回転位置信号θと共に、各相電流指令値生成部３００で生成された各相電流指令値Irefp1(Ia_ref、Ib_ref、Ic_ref)を減算部３４に入力し、減算部３４は、各相電流指令値Irefp1とフィードバックされているモータ電流ｉとの偏差Irefp2（＝Iref1−ｉ）を各相毎に求め、各相の偏差Irefp2はＰＩ制御部３６でＰＩ制御され、更にＰＷＭ制御部３７に入力されてデューティを演算され、インバータ３８を介してモータ２０をＰＷＭ駆動する。モータ２０のモータ電流値ｉはモータ電流検出手段２１で各相毎に検出され、各相毎に減算部３４に入力されてフィードバックされる。

なお、各相電流指令値生成部３００は、アシスト電流指令値Iref3をｑ軸電流指令値とし、このｑ軸電流指令値と別途入力されるｄ軸電流指令値Id_refを、回転位置信号θに応じて２相／３相変換することにより各相電流指令値Irefp1(Ia_ref、Ib_ref、Ic_ref)を生成する。

次に、コントロールユニット３０をマイクロコンピュータ（ＭＣＵ）で構成した場合の例を、図１７に示して説明する。マイクロコンピュータは、上述したフィードバック制御、フィードフォワード制御や比例演算等を行う制御演算処理手段であるＣＰＵ４０の他に、制御プログラムやパラメータ等を格納しているＲＯＭ４１、ＣＰＵ４０からの演算結果等を一時的に記憶する主記憶装置としてＲＡＭ４２を備えている。そして、ＣＰＵ４０は、入力手段４３からの入力信号及びＲＯＭ４１から読込まれるプログラムやパラメータに基づいて演算処理を行い、ＣＰＵ４０の演算処理結果が、主記憶装置のＲＡＭ４２を介して出力手段４４に出力されるように構成されている。

また、ＲＯＭ４１は不揮発性の記憶装置であり、データを書換える必要のないデータを格納する読込み専用のメモリである。つまり、上述したコントロールユニット３０の場合では、トルク制御系（電流指令値演算部３１、位相補償部３２、微分補償部３５等）、電流制御系（減算部３４、ＰＩ制御部３８、ＰＷＭ制御部３７、インバータ３８等）、アシスト補助系（モータ電流検出手段２１等）等の制御演算処理を行う演算制御プログラム及びその演算制御プログラムに用いるパラメータ等、変更することのないようなデータがＲＯＭ４１に格納されている。しかしながら、外部からの電気的な干渉や経年劣化等によりＲＯＭ４１やＲＡＭ４２に格納されたデータに異常が発生する可能性があるため、ＲＯＭ４１及びＲＡＭ４２のデータの異常を確実に検出する必要がある。

このような電動パワーステアリング装置において、駆動源であるモータ２０には直流モータのほか、ブラシレスＤＣモータが用いられている。このようなモータに供給する電流は、上述のようにＣＰＵ４０で演算され、演算に用いるプログラムや定数はＲＯＭ４１に格納され、変数等はＲＡＭ４２に格納される。そして、ＲＯＭ４１やＲＡＭ４２に異常が生じると演算結果も異常になり、モータ２０に異常な電流が流れてしまう。そのため、ＲＯＭ４１及びＲＡＭ４２の異常診断（故障診断を含む）を実施している。しかしながら、ＲＯＭ４１及びＲＡＭ４２の全領域を診断するには時間を要し、異常を検知するまでの間にモータ２０に異常な電流が流れてしまう恐れがある。

かかる問題を解決する手法が特開平６−２７０８２３号公報（特許文献１）に開示されている。特許文献１の手法は、操舵トルクとモータ駆動方向が不一致のときにモータの駆動を停止し、ＣＰＵのアシスト制御の演算をＣＰＵの外部から監視し、演算異常時における安全性を高めようとするものである。しかしながら、特許文献１に開示されている手法では、アシスト制御の正常時においても、操舵トルクとモータ駆動方向が不一致になるような制御を行う場合があり、単純に操舵トルクとモータ駆動方向の不一致で駆動を停止すると、正常状態であるにも拘わらず異常であると誤検知してしまう問題がある。

また、特開２００４−１３３６３５号公報（特許文献２）では診断領域内のＲＯＭ値を加算し、加算結果を規定値と比較することによって異常を検出している。特許文献２では異常検出時間を短くするためにＲＯＭ領域を分割しているが、異常時の影響を低減するための分割方法ではなく、処理が間に合わない場合には、モータからの異常出力が車両挙動に影響する恐れがある。

特開平６−２７０８２３号公報 特開２００４−１３３６３５号公報 特許第３３３６４０１号公報

電動パワーステアリング装置のアシスト制御の演算部の安全機能としてＲＯＭ／ＲＡＭの異常診断があり、最大電流までの異常電流を想定した場合、数十ｍｓ以内にシステムを安全な状態へ移行する必要がある（フォールトトレラント時間）が、ＲＯＭ／ＲＡＭの異常診断にはそれ以上の時間を要する（フォールトディテクション時間）。フォールトディテクション時間を小さくすることは異常診断領域を小さくすること、又は高速のマイクロコンピュータを用いることに相当し、実際的に困難である。そのため、本発明はフォールトトレラント時間を長くすることを目途としている。

また、ＲＯＭ及びＲＡＭの異常診断を全領域に亘って実施するには時間を要し、特に過大アシストとなる異常検知に対して、必要な異常検知時間をオーバーする可能性がある。そのため、特許第３３３６４０１号公報（特許文献３）に開示されている電動パワーステアリング装置では、操舵トルク検出値より算出された電流目標値、又は制御信号、又は実電流値より操舵トルクの次元の値を逆算し、逆算値と操舵トルク検出値とを比較して制御系の異常検出を行っている。

しかしながら、現代のステアリング制御は、慣性補償や車両特性改善のための補償機能等の付加機能が多数存在するため、操舵トルク検出値までの逆算処理が複雑化し、容量の増大及び処理負荷の増加が懸念されると共に、異常診断の範囲が大きいために、演算遅延等の影響によって誤判定等を生じ易い問題がある。

本発明は上述のような事情によりなされたものであり、本発明の目的は、通常の操舵では操舵トルクとアシスト電流指令値の方向が一致することを前提に、操舵トルクとアシスト電流指令値の方向が反対になるときをアシスト制御演算に異常が生じたと判定し、そのときにアシスト電流指令値を最大電流より小さく制限することにより安全性を高めると共に、各相電流指令値生成手段に対して簡単な構成で処理負荷的に有利であり、出力過多異常の誤判定を生じない高機能な電動パワーステアリング装置を提供することにある。

本発明は、マイクロコンピュータと、前記マイクロコンピュータ内のＲＯＭに格納されたプログラム、パラメータ等に基づいて制御演算処理するＣＰＵと、記憶領域を形成するＲＡＭとを備え、前記ＣＰＵは前記ＲＯＭ及びＲＡＭと協働して、少なくとも操舵トルクに基づいて車両の操舵系に操舵補助力を付与するモータのアシスト電流指令値を演算し、前記アシスト電流指令値に基づいてアシスト制御する電動パワーステアリング装置に関し、本発明の上記目的は、前記アシスト電流指令値の演算経路にリミッタを介挿すると共に、前記マイクロコンピュータの異常を診断する異常診断機能を具備することにより達成される。

また、本発明の上記目的は、前記マイクロコンピュータの異常を診断する異常診断機能に、少なくとも前記アシスト電流指令値の演算部を含む前記ＲＯＭ及びＲＡＭの領域を診断する機能を具備することにより、或いは前記リミッタが前記操舵トルクに感応して制限値を設定するようになっていることにより、或いは前記制限値が、前記操舵トルクの方向と前記アシスト電流指令値の方向が一致する場合の制限値よりも一致しない場合の制限値の方が小さくなっていることにより、或いは前記ＲＯＭ及びＲＡＭの領域がそれぞれ複数に分割されていることにより、或いは前記分割の領域が機能毎に分けられていることにより、或いは前記領域毎にそれぞれの診断周期で異常を検出するようになっていることにより、より効果的に達成される。

更に、本発明は、マイクロコンピュータと、前記マイクロコンピュータ内のＲＯＭに格納されたプログラム、パラメータ等に基づいて制御演算処理するＣＰＵと、記憶領域を形成するＲＡＭと、少なくとも操舵トルクに基づいて車両の操舵系に操舵補助力を付与するモータのアシスト電流指令値を演算するアシスト電流演算手段と、前記アシスト電流指令値、ｄ軸電流指令値及び前記モータの回転位置信号に基づいて各相電流指令値を生成する各相電流指令値生成手段とを具備し、前記各相電流指令値に基づいて前記モータをベクトル制御することによりアシストする電動パワーステアリング装置に関し、本発明の上記目的は、前記マイクロコンピュータの異常を診断する異常診断機能と、前記アシスト電流指令値、前記ｄ軸電流指令値及び各相電流指令値に基づいて前記各相電流指令値生成部の出力過多の異常を検出する異常判定部とを設けることにより達成される。

前記異常判定部は、前記各相電流指令値生成手段が出力するはずである電流エネルギー相当量を前記出力過多の異常の判定スレッショルド１とし、前記各相電流指令値で演算された出力電流エネルギー相当量が前記判定スレッショルド１を超えたときに異常と判定することにより、或いは前記異常判定部は、前記各相電流指令値生成手段が出力するはずである電流エネルギー相当量の最大値を前記出力過多の異常の判定スレッショルド２とし、前記各相電流指令値で演算された出力電流エネルギー相当量が前記判定スレッショルド２を超えたときに異常と判定することにより、或いは前記電流エネルギー相当量は前記各相電流指令値の２乗和であることにより、或いは前記異常判定部は、前記アシスト電流指令値の２乗値、前記ｄ軸電流指令値の２乗値、前記アシスト電流指令値及びｄ軸電流指令値の乗算値の絶対値にそれぞれゲインを乗算した値の総和値を前記出力過多の異常の判定スレッショルド３とし、前記各相電流指令値で演算された出力電流エネルギー相当量が前記判定スレッショルド３を超えたときに異常と判定することにより、或いは前記アシスト電流指令値の演算経路にリミッタが介挿されており、前記リミッタで上下限値を制限されたアシスト電流指令値が前記各相電流指令値生成手段に入力されていることにより、より効果的に達成される。

本発明の電動パワーステアリング装置によれば、操舵トルクとモータ駆動方向が不一致になる場合に出力を制限するリミッタを設け、正常時のモータ駆動を阻害しないようになっている。特に、リミッタは操舵トルクの大きさに感応して制限値を設定しているので、操舵フィーリングに違和感を与えることもない。リミッタにより異常時の出力電流が低減されるため、異常を検出するまでの診断時間を確保することができる。

また、本発明の電動パワーステアリング装置によれば、各相電流指令値生成手段の出力電流エネルギーに相当する各相電流指令値の２乗和と、各相電流指令値生成手段の入力値とから出力エネルギーの最大値を判定スレッショルドとして算出し、各相電流指令値の２乗和が判定スレッショルドを越えた場合に異常と判定する異常判定部を設けているので、簡単な構成で処理負荷的に有利であり、出力過多異常の誤判定を生じない高機能な電動パワーステアリング装置を実現することができる。

本発明に係る電動パワーステアリング装置のコントロールユニットのマイクロコンピュータ構成例を示すブロック図である。 本発明に係る電動パワーステアリング装置の機能構成例（第１実施形態）を示すブロック図である。 本発明に使用するリミッタの制限値の一例を示す特性図である。 ＳＡＴを説明するための模式図である。 電流指令値の制限特性の例を示す図である。 本発明に使用するリミッタの制限値の他の例を示す特性図である。 本発明に係る電動パワーステアリング装置の他の機能構成例（第２実施形態）を示すブロック図である。 本発明に係る電動パワーステアリング装置の機能構成例（第３実施形態）を示すブロック図である。 矩形波制御システムの動作を説明するための転流パターン図である。 擬似矩形波駆動制御システムの動作例を説明するための特性図である。 擬似矩形波駆動制御システムの動作例を説明するための特性図である。 擬似矩形波駆動制御システムの動作例を説明するための特性図である。 本発明に係る電動パワーステアリング装置の機能構成例（第４実施形態）を示すブロック図である。 一般的な電動パワーステアリング装置の構成例を示す構成図である。 一般的なコントロールユニットの機能構成例を示すブロック図である。 多相モータのベクトル制御式コントロールユニットの機能構成例を示すブロック図である。 一般的なマイクロコンピュータ構成のコントロールユニットを示すブロック図である。

電動パワーステアリング装置のモータに供給する電流のアシスト電流指令値はマイクロコンピュータのＣＰＵ（ＭＰＵやＭＣＵ等を含む）で演算され、演算に用いるプログラムや定数はＲＯＭに格納され、変数等はＲＡＭに格納されており、ＲＯＭやＲＡＭに異常が生じると演算結果も異常になり、モータに異常な電流が流れてしまうので、ＲＯＭ及びＲＡＭの異常診断（故障診断を含む）を実施する。異常診断はアシスト制御開始前の初期診断、アシスト制御実行中の常時診断でも行う。しかしながら、ＲＯＭ及びＲＡＭの全領域を診断するには時間を要し、異常を検知するまでにモータに異常な電流が流れてしまう恐れがあるため、本発明では異常出力の影響を抑えるためのリミッタをアシスト電流指令値演算経路に介挿する。リミッタにより異常出力の影響が低減されるため、異常を検出するまでの診断時間を確保することができる。本発明では、逆アシスト状態＝アシスト電流指令値が操舵トルクと逆向きで、操舵トルクが大きい場合を異常として制限し、リミッタの制限値は、操舵トルクとアシスト電流指令値の方向が逆のときに、操舵トルクの絶対値の増加に従って減少する特性になっている。ＲＯＭ及びＲＡＭの異常診断と、リミッタにおける逆アシスト状態で、操舵トルクが大きい場合のリミット処理とは、それぞれが独立に常時機能するようになっている。

また、リミッタの後段の各相電流指令値生成手段が入力に対し出力過多となる異常状態となった場合には、過大アシストとなる可能性がある。しかしながら、本発明では、出力値のエネルギー量である２乗和と、入力値のエネルギー量との比較で異常検出を行っているため、構成が簡単でかつ処理負荷が小さく、出力エネルギー量が過大となることによる過大アシストを短時間で検出することができる。更に、診断する機能を異常に基づいて過大アシストとなる部位に重点を置き、個別に診断しかつ簡単な構成になっているため、処理負荷に有利であり、誤判定等も生じ難い利点がある。

以下に本発明の実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明に係る電動パワーステアリング装置のマイクロコンピュータ構成（制御装置）例を図１７に対応させて示すブロック図であり、本発明のＲＯＭ４１は異常診断を実行するための診断処理プログラム４１Ａを内蔵していると共に、ＲＯＭ４１及びＲＡＭ４２の領域が機能毎（例えばトルク制御系、電流制御系、補償系）に分割されている。そのため、機能毎に異常診断を行うことが可能であり、異常発生部位の特定も容易である。そして、ＲＯＭ４１及びＲＡＭ４２の各領域がそれぞれの診断周期で、ＲＯＭ４１はサムチェックを行い、ＲＡＭ４２は書き込み値、読み込み値を診断する公知の診断手法（例えば特許文献１及び２、特開２００８−２３０５２９号公報等）を用いて異常診断されるようになっている。

また、図２は、本発明の電動パワーステアリング装置の機能構成例を図１５に対応させて示すブロック図であり、加算部３３から出力されるアシスト電流指令値Iref3を、所定演算式若しくはルックアップテーブル等で演算された制限値で制限するリミッタ６０を設けている。リミッタ６０には操舵トルクＴが入力されており、制限値が操舵トルクＴに感応して設定されるよう上下限値演算部６５を設けている。また、モータ２０にはレゾルバ等の回転センサ２２が取り付けられており、回転センサ２２からの回転位置信号θ、操舵トルクＴ及びアシスト電流指令値Iref3等に基づいて補償信号ＣＭを生成し、補償信号ＣＭを加算部３３に加算する補償部７０が設けられている。

リミッタ４０の制限値は例えば図３に示す特性を有しており、操舵トルクＴ及びアシスト電流指令値Iref3の方向が一致する第１象限及び第３象限では上限値＋Ｌ２及び下限値−Ｌ２でアシスト電流指令値Iref3を制限し、操舵トルクＴ及びアシスト電流指令値Iref3の方向が相違する第２象限及び第４象限では制限値を０にして制限しない。つまり、操舵トルクＴと同じ方向のアシスト電流指令値Iref3は最大値で制限し、反対方向のアシスト電流指令値Iref3は最大値よりも小さい値で制限する。本例では、操舵トルクＴが＋Ｔ１以上の場合、及び操舵トルクＴが−Ｔ１以下の場合に制限値を０にしているが、任意のトルク値において制限値０を設定できる。操舵トルクＴ＝０における制限値＋Ｌ１及び−Ｌ１も任意の大きさに設定できる。

また、本発明では補償系を形成する補償部７０を具備しており、その構成例を説明する。回転センサ２２からの回転位置信号θは角速度演算部７１に入力され、演算（例えば微分）された角速度ωは角加速度演算部７２に入力されると共に、収れん性制御部７３及びＳＡＴ（セルフアライニングトルク）推定部７５に入力される。角加速度演算部７２で演算（例えば微分）された角加速度ω^＊は慣性補償部７４及びＳＡＴ推定部７５に入力される。ＳＡＴ推定部７５で推定されたＳＡＴ値ＳＡＴａ及び慣性補償部７４からの慣性補償値ＩＮａが加算部７７で加算され、更に加算部７６で収れん性制御部７３からの収れん性制御値Ｇａと加算され、加算部７６の加算値が補償信号ＣＭとして加算部３３に加算される。

収れん性制御部７３は、車両のヨーの収れん性を改善するためにハンドルが振れ回る動作に対してブレーキをかけるためのものであり、慣性補償部７４は、モータ慣性を加減速させるトルクを操舵トルクＴから排除し、慣性感のない操舵感にするものである。ＳＡＴの補償は車両挙動を安定化するものであり、その推定は次のように行う。

図４は路面からステアリングまでの間に発生するトルクの様子を示しており、ドライバがハンドル１を操舵することによって操舵トルクＴが発生し、その操舵トルクＴに従ってモータ２０がアシストトルクＴｍを発生する。その結果、車輪が転舵され、反力としてＳＡＴが発生する。また、その際、モータ２０の慣性Ｊ及び摩擦（静摩擦）Ｆｒによってハンドル操舵の抵抗となるトルクが生じる。これらの力の釣り合いを考えると、下記数１のような運動方程式が得られる。

（数１）
J・ω^*+Fr・sign(ω)+SAT=Tm+Ｔ

ここで、上記数１を初期値０としてラプラス変換し、ＳＡＴについて解くと下記数２が得られる。

（数２）
SAT(s)=Tm(s)+Ｔ(s)−J・ω^*(s)−Fr・sign(ω(s))

上記数２から分るように、モータ２０の慣性Ｊ及び静摩擦Ｆｒを定数として予め求めておくことで、モータ回転角速度ω、回転角加速度ω^＊、アシスト電流指令値（操舵補助力）及び操舵トルクＴよりＳＡＴを推定することができる。かかる理由より、ＳＡＴ推定部７５には操舵トルクＴ、角速度ω、角加速度ω^＊、アシスト電流指令値Iref2がそれぞれ入力されている。

なお、補償部７０を構成する補償要素として、モータ２０の回転方向に対してロストルク相当のアシストを行うためのロストルク補償部、検出トルクに含まれる慣性要素とバネ要素から成る共振系の共振周波数のピーク値を除去し、制御系の安定性と応答性を阻害する共振周波数の位相ずれを補償するためのロバスト安定化補償部等を更に設けても良い。

このような制御装置の構成において、その動作を説明する。動作はＣＰＵ４０とＲＯＭ４１，ＲＡＭ４２との協働により、ＲＯＭ４１に格納された演算制御プログラムに従って実行される。

トルクセンサからの操舵トルクＴは電流令値演算部３１に入力されると共に、微分補償部３５、リミッタ６０及びＳＡＴ推定部７５に入力され、位相補償部３２からのアシスト電流指令値Iref2が加算部３３に入力されると共に、ＳＡＴ推定部７５に入力される。加算部３３で補償信号ＣＭ等を加算したアシスト電流指令値Iref3はリミッタ６０に入力され、図３に示す操舵トルクＴとの関係に従ってアシスト電流指令値Iref3を制限する。即ち、操舵トルクＴ及びアシスト電流指令値Iref3の方向が一致する第１象限（いずれも正）では上限値＋Ｌ２で制限し、操舵トルクＴ及びアシスト電流指令値Iref3の方向が一致する第３象限（いずれも負）では下限値−Ｌ２で制限し、上記上限値＋Ｌ２及び下限値−Ｌ２で制限されたアシスト電流指令値Irefaを出力して加算部３４に入力する。また、操舵トルクＴ及びアシスト電流指令値Iref3の方向が相違する第２象限及び第４象限では制限値を０にする。その際、操舵トルクＴが小さい範囲＋Ｔ１〜−Ｔ１では制限値が０ではなく、線形（若しくは非線形）に変化するようになっている。補償部７０は車両の挙動やハンドル挙動を調整するために必要なモータ電流値を演算し、補償信号ＣＭは操舵トルクＴの方向と一致しない場合があるので、操舵トルクＴが小さい領域では制限をかけないようにしている。操舵トルクＴが大きい領域でアシスト電流指令値Iref3の方向と不一致の場合に制限をかける。これは、補償部７０からの補償信号ＣＭはドライバによる操舵を妨げないように調整されているため、操舵トルクＴが大きい領域でアシスト電流指令値Iref3の方向と不一致な演算値は異常とみなせるからである。

リミッタ６０の制限値で制限されたアシスト電流指令値Irefaは図５に示すような特性で出力され、上下を制限されたアシスト電流指令値Irefaに基づいてモータ２０は前述のように電流制御される。モータ２０の回転位置信号θは補償部７０に入力され、ＳＡＴ推定部７５からのＳＡＴ推定値ＳＡＴａ、慣性補償部７４からの慣性補償信号ＩＮａ、収れん性制御部７３からの収れん性制御信号Ｇａに基づいて補償信号ＣＭを演算して加算部３３に加算する。

電流指令値演算部３１、位相補償部３２及び微分補償部３５のトルク制御系と同様に、異常診断機能によってＲＯＭ／ＲＡＭ等に異常が発生すると、例えばアシスト電流指令値を演算する処理で変数（ＲＡＭの故障）やゲイン（ＲＯＭの故障）に異常が生じた場合、システムの最大電流が流れるモードに陥る可能性があるため、充分に短い時間で異常を検出する必要がある。加算部３３以降インバータ３８までの経路及び補償部７０は電流制御系であり、電流制御系に介挿されたリミッタ６０により、トルク制御系及び補償系（補償部７０）領域の異常による異常出力は低減されるため、ＲＯＭ４１及びＲＡＭ４２の分割された領域毎の診断時間を、下記の通り設定することができる。

（数３）
電流制御系診断時間≦トルク系診断時間≦補償系診断時間

診断時間を上記数３のような関係に設定できるので、電流制御系に介挿されたリミッタ６０によって車両の挙動に影響が出るまでの診断時間を充分に確保することができ、快適な操舵フィーリングを妨げることなく、異常出力を確実に制限することができる。

図６はリミッタ６０の別の特性例を示しており、操舵トルクＴとアシスト電流指令値Iref3が逆方向の場合に、第２象限及び第４象限に示すようにアシスト電流指令値Iref3を最大電流より小さく制限するが、操舵トルクＴの０〜＋Ｔ１１の第２象限では最大値−Ｌ１１で制限し、操舵トルクＴの０〜−Ｔ１１の第４象限では最大値＋Ｌ１１で制限する。そして、操舵トルクＴが大きくなるに従って制限値が小さくなる部分Ａ２，Ｂ２を含んでいる。トルク制御は正常な場合にも第２象限及び第４象限を使用することもあるが、操舵トルクＴが小さい領域に限られ、なるべく正常時の操舵を制限しないようにするため、制限値が小さくなる部分Ａ２，Ｂ２を設けている。そして、操舵トルクＴが＋Ｔ１０以上及び−Ｔ１０以下で制限値を最終的に０まで制限する。トルク制御の演算が異常になった状態を、操舵トルクＴとアシスト電流指令値Iref3の方向が逆でアシスト電流指令値Iref3が大きい場合と考えると、このような状態が発生しないように制限することができる。

制限値は、トルク制御の演算によっては図５のような特性になることもある。また、制限値は操舵トルクＴだけでなく、車速Ｖに感応して上下限値演算部６５で設定されても良い。

また、本発明のリミッタ６０を図１６に示すようなベクトル制御式電動パワーステアリング装置に適用すると、図７に示す構成（第２実施形態）となる。本例においても、リミッタ６０の効果は上記同様である。

ここにおいて、上述の実施形態ではリミッタ６０をトルク制御系に介挿し、トルク制御演算の出力であるアシスト電流指令値Iref3に操舵トルクＴに応じた上下限値を導入することで、トルク制御演算部位の異常出力の影響を抑え、診断時間を確保するようにしている。しかし、リミッタ６０より後段の制御要素の異常に対しては、リミッタ６０は当然のように機能せず、特に多相ブラシレスモータで各相毎に電流フィードバックを行うような制御態様の場合、アシスト電流指令値Iref3aをモータの回転位置信号θに応じて２相／３相変換し、各相電流指令値Irefp1を演算した後、モータの各相電流検出値iとの偏差を用いてフィードバック制御を行うが、リミッタ６０の後段に配置される各相電流指令値生成部３００が入力に対し出力過多となる異常状態になった場合には、過大アシストとなる可能性が残るという問題がある。

また、近年の電動パワーステアリングの操舵応答性要求に対応するため、弱め界磁制御を採用するシステムが多く採用されているが、ｄ軸電流指令値Id_refが投入される場合、アシスト電流指令値Iref3aに対して各相電流指令値Irefp1はｄ軸電流指令値Id_ref分だけ大きな値になる。そのため、前述のリミッタ６０を各相電流指令値生成部３００の後段に配置したとしても、操舵トルクＴと各相電流指令値Irefp1との相関関係が一様とはならず、リミッタ６０による上下限等の処理を効果的に行うことができない。

そこで、本発明の第３実施形態では、各相電流指令値生成手段としての各相電流指令値生成部３００の出力である各相電流指令値Irefp1（Ia_ref、Ib_ref、Ic_ref）に基づいて、出力電流エネルギー量に相当する２乗和を演算し、各相電流指令値生成部３００の入力であるアシスト電流指令値Iref3及びｄ軸電流指令値Id_refより出力電流エネルギー量の最大値を判定スレッショルドＤｔとして算出し、各相電流指令値Irefp1の２乗和が判定スレッショルドＤｔを越えた場合に異常と判定し、異常信号ＡＳを出力する異常判定部８０を設けている。異常判定部８０は２乗和という簡単な構成で異常診断できるため、各相電流指令値生成部３００が異常状態となり、過大アシストとなる出力電流エネルギーの過大出力を短時間にかつ誤検出なく検出することができ、比較的小さな機能部位の診断としているため、異常部位の要因特定が容易である。

図８に第３実施形態の構成例（３相ブラシレスモータ）を示して、以下詳細に説明する。

上述のようにリミッタ６０で上下限値をリミットされたアシスト電流指令値Iref3aは、各相電流指令値生成部３００に入力されると共に異常判定部８０に入力され、モータ２０の速度状態等により決定されるｄ軸電流指令値Id_refも、各相電流指令値生成部３００に入力されると共に異常判定部８０に入力される。各相電流指令値生成部３００で生成された３相の各相電流指令値Irefp1は減算部３４に入力されると共に異常判定部８０に入力され、減算部３４で３相のモータ電流検出値ｉにより電流フィードバック制御される。異常判定部８０が異常を判定した場合には異常信号ＡＳを出力し、迅速にアシスト制御禁止等の処理を実行する。

第３実施形態はＲＯＭ／ＲＡＭ等の異常により、各相電流指令値生成部３００の出力（各相電流指令値Irefp1）が入力（アシスト電流指令値Iref3a）に対して過大出力となり、過大アシストが継続する異常状態を検知する手法であり、そのための異常判定部８０をリミッタ６０の後段に設けている。異常判定部８０は、出力である各相電流指令値Irefp1の２乗和、即ち出力電流エネルギー量と、入力であるアシスト電流指令値Iref3a及びｄ軸電流指令値Id_refより出力電流エネルギー量の最大量として演算された判定スレッショルドＤｔとを比較し、各相電流指令値Irefp1の２乗和が判定スレッショルドＤｔを超えたときに異常と判定する。つまり、過大アシストが継続するということは、そのモータに流そうとしている電流エネルギー量が過大となっていることに相当するため、電流エネルギー量を入出力で比較することで、過大アシスト継続となる異常状態を検出することができる。

異常判定の判定方法はシステムの駆動制御方法により判定スレッショルドＤｔの計算方法が異なるため、例として矩形波駆動制御システム、正弦波駆動制御システム、特許第３８０４６８６号に開示されている擬似矩形波駆動制御システムについて、以下詳細に説明する。なお、以下では説明を簡易化するため、リミッタ６０から出力されるアシスト電流指令値Iref3aを単に”Iref”と表記し、各相電流指令値生成部３００から出力される各相電流指令値Irefp1をA相電流指令値Ia_ref、B相電流指令値Ib_ref、C相電流指令値Ic_refで表記して説明する。
（１）矩形波駆動制御システム
矩形波制御時は、一般的に図９に示すようなパターン＃１〜＃６の転流制御でモータが駆動され、パターン＃１〜＃６のいずれにおいても電流エネルギー量である各相電流指令値Ia_ref、Ib_ref、Ic_refの2乗和は２×Iref^２となる。よって、演算が正常である場合は、常に下記数４が成立する

（数４）
Ia_ref^２＋Ib_ref^２＋Ic_ref^２＝２×Iref^２

異常検出部８０で検出したい異常状態は過大出力の継続状態であるため、２×Iref^２を判定スレッショルドＤｔとして下記数５が成立する場合、異常と判定する。

（数５）
Ia_ref^２＋Ib_ref^２＋Ic_ref^２＞ ２×Iref^２＝Ｄｔ

（２）正弦波駆動制御システム
正弦波駆動制御時は一般的にアシスト電流指令値をｑ軸電流指令値Iq_refとし、ｄ軸電流指令値Id_refとｑ軸電流指令値Iq_refを２／３相変換することにより、θをモータ電気角として下記数６に従って各相電流指令値Ia_ref、Ib_ref、Ic_refを算出する。

（数６）
Ia_ref
=Iq_ref×sinθ＋Id_ref×cosθ
Ib_ref
=Iq_ref×sin(θ−120°)＋Id_ref×cos(θ−120°)
Ic_ref
=Iq_ref×sin(θ−240°)＋Id_ref×cos(θ−240°)
Iq_ref
=Iref

上記数６より、電流エネルギー量である各相電流指令値Ia_ref、Ib_ref、Ic_refの２乗和は下記数７となる。

（数７）
Ia_ref^２＋Ib_ref^２＋Ic_ref^２ = 3/2×(Iq_ref^２＋Id_ref^２)
=3/2×(Iref^２＋Id_ref^２)
この数７より"3/2×(Iref^２＋Id_ref^２)”を判定スレッショルドＤｔとして、下記数８が成立した時に異常と判定する。

（数８）
Ia_ref^２＋Ib_ref^２＋Ic_ref^２ ＞ 3/2×(Iref^２＋Id_ref^２)＝Ｄｔ

（３）擬似矩形波駆動制御システム
擬似矩形波駆動制御システムでは、各相電流指令値Ia_ref、Ib_ref、Ic_refは下記数９及び数１０に従って算出される。ただし、Ktはトルク定数、ｅｄ（θ）は１[ｒａｄ／ｓ]当りのｑ軸誘起電圧、ｅｑ（θ）は１[ｒａｄ／ｓ]当りのｄ軸誘起電圧である。

（数９）
Ia_ref
= Iq_ref×sinθ＋Id_ref×cosθ
Ib_ref
= Iq_ref×sin(θ−120°)＋Id_ref×cos(θ−120°)
Ic_ref
= Iq_ref×sin(θ−240°)＋Id_ref×cos(θ−240°)

上記数９及び数１０より、出力の電流エネルギー量である各相電流指令値Ia_ref、Ib_ref、Ic_refの２乗和は下記数１１となる。

ここで、判定スレッショルドＤｔとなる数１１の右辺が角度関数となっており、

は図１０のように値が変化し、

は図１１のように値が変化し、

は図１２のように値が変化する。そのため、判定スレッショルドＤｔの算出が容易ではない。

ここにおいて、異常判定部８０は出力が過大出力となることを検出するものであり、全角度領域でとり得る最大値を判定スレッショルドＤｔとすれば良い。例えばｄ軸電流指令値Id_refが０であった場合、ｄ軸電流指令値Id_refに関連する右辺第２項及び第３項は０となるため、下記数１５が成立する。

また、アシスト電流指令値Irefが０であり、ｄ軸電流指令値Id_refが出力されていた場合、アシスト電流指令値Irefに関連する右辺第１項及び第３項は０となるため、下記数１６が成立する。

残りの第3項は両指令値に関連する項であるため、上記のように容易に範囲を設定できない。よって、第３項がとり得る最大値にて判定スレッショルドＤｔを定義する。第３項がとり得る値の範囲は

が０を中心とした角度周期関数となることに注目すると、下記数１７のようになる。

これより、出力の電流エネルギー量である各相電流指令値Ia_ref、Ib_ref、Ic_refの２乗和に対し、制御系が正常である場合は必ず下記数１８が成立する。

よって、下記数１９が成立した場合に異常と判定する。

（数１９）
Ia_ref^２＋Ib_ref^２＋Ic_ref^２ > Gain(Iref)×Iref^２＋Gain(Id)×Id_ref^２
＋Gain(Iref_Id)×|Iref×Id_ref|＝Ｄｔ
ただし、Gain(Iref)、Gain(Id)及びGain(Iref_Id)は下記数２０である。

なお、スケーリング誤差による誤判定を回避するため、判定スレッショルドＤｔに所定値を加算若しくは乗算しても良い。

また、本発明の異常判定部８０はリミッタ６０の後段に配置するだけでなく、図１３に示すようにリミッタ６０のないベクトル制御式コントロールユニットの各相電流指令値生成部３００の入出力間に配置するようにしても、出力過多異常の検出を行うことができる。

なお、上述ではＡＢＣ相の３相モータの場合を説明したが、３相以上の多相モータの場合についても同様に適用可能である。

１ ハンドル
２ コラム軸
３ 減速ギア
１０ トルクセンサ
１１ イグニションキー
２０ モータ
２１ モータ電流検出手段
２２ 回転センサ
３０ コントロールユニット
３１ 電流指令値演算部
３２ 位相補償部
３５ 微分補償部
３６ ＰＩ制御部
３７ ＰＷＭ制御部
３８ インバータ
４０ ＣＰＵ
４１ ＲＯＭ
４１Ａ 診断処理プログラム
４２ ＲＡＭ
６０ リミッタ
６５ 上下限値演算部
７０ 補償部
７１ 角速度演算部
７２ 角加速度演算部
７３ 収れん性制御部
７４ 慣性補償部
７５ ＳＡＴ推定部
８０ 異常判定部
３００ 各相電流指令値生成部

Claims (13)

1. マイクロコンピュータと、前記マイクロコンピュータ内のＲＯＭに格納されたプログラム、パラメータ等に基づいて制御演算処理するＣＰＵと、記憶領域を形成するＲＡＭとを備え、前記ＣＰＵは前記ＲＯＭ及びＲＡＭと協働して、少なくとも操舵トルクに基づいて車両の操舵系に操舵補助力を付与するモータのアシスト電流指令値を演算し、前記アシスト電流指令値に基づいてアシスト制御する電動パワーステアリング装置において、前記アシスト電流指令値の演算経路にリミッタを介挿すると共に、前記マイクロコンピュータの異常を診断する異常診断機能を具備したことを特徴とする電動パワーステアリング装置。
2. 前記マイクロコンピュータの異常を診断する異常診断機能に、少なくとも前記アシスト電流指令値の演算部を含む前記ＲＯＭ及びＲＡＭの領域を診断する機能を具備している請求項１に記載の電動パワーステアリング装置。
3. 前記リミッタが前記操舵トルクに感応して制限値を設定するようになっている請求項２に記載の電動パワーステアリング装置。
4. 前記制限値が、前記操舵トルクの方向と前記アシスト電流指令値の方向が一致する場合の制限値よりも一致しない場合の制限値の方が小さくなっている請求項３に記載の電動パワーステアリング装置。
5. 前記ＲＯＭ及びＲＡＭの領域がそれぞれ複数に分割されている請求項２乃至４のいずれかに記載の電動パワーステアリング装置。
6. 前記分割の領域が機能毎に分けられている請求項５に記載の電動パワーステアリング装置。
7. 前記領域毎にそれぞれの診断周期で異常を検出するようになっている請求項６に記載の電動パワーステアリング装置。
8. マイクロコンピュータと、前記マイクロコンピュータ内のＲＯＭに格納されたプログラム、パラメータ等に基づいて制御演算処理するＣＰＵと、記憶領域を形成するＲＡＭと、少なくとも操舵トルクに基づいて車両の操舵系に操舵補助力を付与するモータのアシスト電流指令値を演算するアシスト電流演算手段と、前記アシスト電流指令値、ｄ軸電流指令値及び前記モータの回転位置信号に基づいて各相電流指令値を生成する各相電流指令値生成手段とを具備し、前記各相電流指令値に基づいて前記モータをベクトル制御することによりアシストする電動パワーステアリング装置において、前記マイクロコンピュータの異常を診断する異常診断機能と、前記アシスト電流指令値、前記ｄ軸電流指令値及び各相電流指令値に基づいて前記各相電流指令値生成部の出力過多の異常を検出する異常判定部とを具備したことを特徴とする電動パワーステアリング装置。
9. 前記異常判定部は、前記各相電流指令値生成手段が出力するはずである電流エネルギー相当量を前記出力過多の異常の判定スレッショルド１とし、前記各相電流指令値で演算された出力電流エネルギー相当量が前記判定スレッショルド１を超えたときに異常と判定する請求項８に記載の電動パワーステアリング装置。
10. 前記異常判定部は、前記各相電流指令値生成手段が出力するはずである電流エネルギー相当量の最大値を前記出力過多の異常の判定スレッショルド２とし、前記各相電流指令値で演算された出力電流エネルギー相当量が前記判定スレッショルド２を超えたときに異常と判定する請求項８に記載の電動パワーステアリング装置。
11. 前記電流エネルギー相当量は前記各相電流指令値の２乗和である請求項９又は１０に記載の電動パワーステアリング装置。
12. 前記異常判定部は、前記アシスト電流指令値の２乗値、前記ｄ軸電流指令値の２乗値、前記アシスト電流指令値及びｄ軸電流指令値の乗算値の絶対値にそれぞれゲインを乗算した値の総和値を前記出力過多の異常の判定スレッショルド３とし、前記各相電流指令値で演算された出力電流エネルギー相当量が前記判定スレッショルド３を超えたときに異常と判定する請求項８に記載の電動パワーステアリング装置。
13. 前記アシスト電流指令値の演算経路にリミッタが介挿されており、前記リミッタで上下限値を制限されたアシスト電流指令値が前記各相電流指令値生成手段に入力されている請求項８乃至１２のいずれかに記載の電動パワーステアリング装置。

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