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原文传递基于线控转向双电机的主动容错和故障缓解系统及其控制方法

专利名称：	基于线控转向双电机的主动容错和故障缓解系统及其控制方法
摘要：	本申请公开一种基于线控转向双电机的主动容错和故障缓解系统及其模式切换控制方法，该系统包含所述系统包括依次连接的采集单元、转向盘总成、ECU控制模块和前轮转向总成，容错控制器；其控制方法包括采集单元将采集到的汽车信号传递给ECU控制模块，再通过容错控制策略单元、横摆角速度计算单元，稳定性控制单元、双机补偿单元，选取对应的补偿策略，作用于齿条机构；本申请提供的系统和方法可以依据故障电机不同的故障工况，在主动容错及故障缓解模式中进行切换，实现汽车实时性能的最优控制，从而保证汽车在汽车野外故障条件下的行驶性和较高的性能。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	江苏;32
申请人：	南京航空航天大学
发明人：	王安;赵万忠;王春燕;陈莉娟
专利状态：	有效
申请日期：	2018-12-18T00:00:00+0800
发布日期：	2019-05-10T00:00:00+0800
申请号：	CN201811549717.6
公开号：	CN109733464A
代理机构：	江苏圣典律师事务所
代理人：	贺翔;杨文晰
分类号：	B62D5/04(2006.01);B;B62;B62D;B62D5
申请人地址：	210016 江苏省南京市秦淮区御道街29号
主权项：	1.一种基于线控转向双电机的主动容错和故障缓解系统，其特征在于，所述系统包括采集单元、转向盘总成、ECU控制模块、双机执行单元；其中，采集单元与ECU控制模块、转向盘总成及双机执行单元分别连接；所述采集单元包括转向盘转角传感器(4)，转向盘力矩传感器(5)，前轮转角传感器(9)，前轮力矩传感器(12)，车速传感器(19)，横摆角速度传感器； ECU控制模块与采集单元、双机执行单元、转向盘总成分别连接，所述ECU控制模块包括运算控制器(7)和容错控制器(18)，运算控制器(7)包括电机故障诊断单元、电子控制单元；容错控制器(18)包括容错控制策略单元，横摆角速度计算单元，稳定性控制单元，双电机容错补偿单元；转向盘总成包括转向盘(1)、转向柱(2)、路感电机(3),路感电机控制器(6),转向盘(1)通过转向杆柱(2)与路感电机(3)及转向盘转角传感器(4)相连接，转向盘力矩传感器(5)安装在转向杆柱(2)上，路感电机控制器(6)连接路感电机(3)及转向盘力矩传感器(5)，控制路感电机(3)的运行；双机执行单元包括转角电机控制器(8)，转角电机(10)，双极减速器(11)，转矩电机控制器(16)，转矩电机(13)，减速器(14)，齿轮齿条机构(15)，前轮(17)；齿轮齿条机构(15)与转角电机(10)、转矩电机(13)、双极减速器(11)、减速器(14)分别连接，前轮(17)安装在齿轮齿条机构(15)的两侧，前轮转角传感器(9)安装在前轮(17)上，前轮转角传感器(9)与前轮力矩传感器(12)连接总线，将转角电机控制器(8)及转矩电机控制器(16)的信号输入到总线中，再通过总线传输到容错控制器(18)中；转角电机(10)及双极减速器(11)分别连接转角电机控制器(8)；容错控制器(18)与路感电机控制器(6)及总线相连接；容错控制器(18)接收前轮力矩传感器(12)，前轮转角传感器(9)，转向盘力矩传感器(5)，运算控制器(7)传递的信号，并将指令传送给转角电机控制器(8)及转矩电机控制器(16)。 2.如权利要求1所述基于上述线控转向双电机的主动容错和故障缓解系统的模式切换控制方法，其特在在于，具体步骤如下：步骤1：汽车在行驶途中，采集单元将转角电机R2和转矩电机的电阻R3，电流信号I2和I3传递给电机故障诊断单元，电机故障诊断单元根据电阻与电流的大小，判定电机状态，并且输出电机电流与转矩的关系T＝f(I)，并将指令传递给容错控制策略单元；步骤2：容错控制策略单元接收到来自故障诊断单元的诊断结果，得到转角电机或者转矩电机运行状态工况，并且通过比较转角电机电压U2和转距电机电压U3与参考阈值U0比较，决定采取主动容错策略1，或主动容错策略2，或故障缓解策略1，或故障缓解策略2；步骤2.1：当电机的输出最大电压大于安全裕度电压，即U＞＝0.5Umax，U0＝0.5Umax时，即可以认为电机可发挥电机部分功能，输出一定的转矩，转矩T＝f(I)；当电机的最大电压小于安全裕度，即U＜＝0.5Umax，U0＝0.5Umax时，认为故障电机不可发挥功能，故障电机不能完成补偿工作，此时系统隔离故障电机，并进行主动容错策略的控制；步骤2.2：定义0表示转角电机正常运行，1表示转角电机半正常运行，2代表转角电机不能运行，全故障，定义3表示转矩电机正常运行，4表示转矩电机半正常运行，5表示转矩电机不能运行，全故障；半正常运行表示U2>＝U0或者U3>＝U0；步骤3：横摆角速度计算单元根据采集单元实时采集的方向盘转角信号δsw，车速信号u根据变传动比规律计算出实时的理想的横摆角速度信号ωr，再根据理想横摆角速度信号ωr与实际的横摆角速度信号ωr计算出所需调整的理想横摆角速度差值Δωr，并把横摆角速度差值Δωr传递给稳定性控制单元；横摆角速度计算单元根据汽车实时车速u和前轮转角输入整车转向二自由度模型得到实际横摆角速度ωr： Δωr＝ωr-ωr* (2) 式(1)中：m为汽车质量；Iz为汽车绕z轴的转动惯量；k1、k2分别为前后车轮的侧偏刚度；δf为前轮转角；a，b分别为前、后轴至车辆质心的距离；u为车辆前进速度；ωr为横摆角速度；β为质心侧偏角；步骤4：稳定性控制单元接收来自横摆角速度控制单元输入的横摆角速度差值Δωr，转换成相应的补偿转矩T1，综合路面干扰形成的补偿转矩T2，系统摩擦形成的补偿转矩T3，考虑系统稳定性控制因素，采用μ综合鲁棒控制器控制，并且把补偿转矩ΔT传递给双机补偿单元； ΔT＝ΔT1+ΔT2+ΔT3 (3) ΔT使总的补偿转矩，ΔT1使弥补横摆角速度差值所需的补偿转矩，ΔT2路面干扰形成的补偿转矩，ΔT3系统摩擦形成的补偿转矩；步骤5：容错控制器接收来自稳定性控制单元的补偿转矩T，通过接受到容错控制器传来的的容错策略，选取对应的补偿策略，作用于双机执行单元。 3.根据权利要求2所述的方法，其特在在于，步骤1中，所述电机故障诊断单元，包括通过Kalman滤波器实现转角电机和转矩电机电阻，电流，电压的在线辨识：其中：对于离散线性系统： x(k)＝Ax(k-1)+B(u(k)+w(k)) (4) yv(k)＝Cx(k)+v(k) (5) 式(4)、(5)中，x(k)为k时刻的系统状态，x(k-1)为k-1时刻的系统状态，A，B是系统参数，u(k)是k时刻对系统的控制量，w(k)为过程噪声信号，v(k)为测量噪声信号，yv(k)是系统k时刻的测量值，C是矩阵；离散卡尔曼滤波递推算法为： Mn(k)＝P(k)CT/[CP(k)CT+R] (6) P(k)＝AP(k-1)AT+BQBT (7) P(k)＝(En-Mn(k)C)P(k) (8) x(k)＝Ax(k-1)+Mn(k)(yv(k)-CAx(k-1)) (9) ye(k)＝Cx(k) (10) 式(6)-(10)中x(k)时k时刻的系统状态，x(k-1)时k-1时刻的系统状态，A，B，R是系统参数，C是矩阵，AT是A矩阵的转置矩阵，BT是B矩阵的转置矩阵，CT是C矩阵的转置矩阵，ye(k)是经过卡尔曼滤波器修正后的输出信号，P(k)是系统k时刻的协方差，P(k-1)是系统k-1时刻的协方差，En是单位向量，Mn(k)是中间变量； En为单位向量，则系统误差的协方差errcov(k)为： errcov(k)＝CP(k)CT (11) 式(11)中，errcov(k)是系统误差的协方差，C是矩阵，CT是C矩阵的转置矩阵，P(k)是系统k时刻的协方差；根据基尔霍夫电压定律，构建转角电机与转矩电机的回路模型：转角电机电学方程为：式(12)中：L为转向电机电感；R2为转向电机电阻；kb2为电动势常数；u2是转角电机的输入电压，是转角电机的电流，是转角电机转角加速度，kb2是转角电机的刚度。转矩电机电学方程为：式中：L为转矩电机电感；R3为转矩电机电阻；kb3为电动势常数；u3是转矩电机的输入电压，ia3是转矩电机的电流，是转矩电机转角加速度，kb3是转角电机的刚度。 4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤2中形所述主动容错策略1，或主动容错策略2，或故障缓解策略1，或故障缓解策略2的流程包括： 1)当转角电机与转矩电机全部正常工作时，两个电机共同作用，控制前轮转角，以及汽车横摆角速度，此时无需容错策略；两个电机正常工作下，齿条运动分析如下：齿条的运动微分方程为：式中：mrack为齿条的质量；yrack为齿条的位移；rL为主销轴的偏置；KL为转向拉杆刚度；Brack为齿条阻尼系数；Ffrrack为系统间的摩擦力，G为双减速器机构的减速比；Tg2是转向电机2的输出转矩；Tg3是转向电机3的输出转矩；为齿条加速度，为齿条的运动速度；车轮的运动微分方程为：式(15)中：Jw为前轮的转动惯量；Tfrkp为摩擦力矩；Bkp主销的阻尼系数。转向前轮的转角加速度，为转向前轮角速度，MZ为车轮的回正力矩； 2)当转角电机正常，转矩电机半正常，系统进行故障缓解策略1，转角电机主要进行汽车横摆角速度控制，而转矩电机补偿横摆角速度控制器反馈回来的补偿扭矩ΔT1；对综合ΔT1＝ΔT11+ΔT21+ΔT31 (16) 其中ΔT1使总的补偿转矩，T11使弥补横摆角速度差值所需的补偿转矩，T21路面干扰形成的补偿转矩，T31系统摩擦形成的补偿转矩；式(17)中，mrack为齿条的质量；yrack为齿条的位移；rL为主销轴的偏置；KL为转向拉杆刚度；Brack为齿条阻尼系数；Ffrrack为系统间的摩擦力，G为双减速器机构的减速比；Tg2是转向电机2的输出转矩；Tg3是转向电机3的输出转矩； 3)当转角电机半正常，转矩电机正常，采用故障缓解策略2，转矩电机充当转角电机功能进行主要控制，转角电机充当转矩电机功能，进行补偿横摆角速度控制器反馈回来的补偿扭矩ΔT2；对综合ΔT2＝ΔT12+ΔT22+ΔT32 (18) 其中ΔT2使总的补偿转矩，T12使弥补横摆角速度差值所需的补偿转矩，T22路面干扰形成的补偿转矩，T32系统摩擦形成的补偿转矩； 4)当转角电机正常，转矩电机全故障，采用主动容错策略1，切断转矩电机电流输入，转角电机单独控制，进行补偿横摆角速度控制器反馈回来的补偿扭矩ΔT3；对其综合ΔT3＝ΔT13+ΔT23+ΔT33 (20) 其中ΔT3使总的补偿转矩，T13使弥补横摆角速度差值所需的补偿转矩，T23路面干扰形成的补偿转矩，T33系统摩擦形成的补偿转矩；式(21)中，mrack为齿条的质量；yrack为齿条的位移；rL为主销轴的偏置；KL为转向拉杆刚度；Brack为齿条阻尼系数；Ffrrack为系统间的摩擦力，G为双减速器机构的减速比；Tg2是转向电机2的输出转矩；Tg3是转向电机3的输出转矩； 5)当转角电机全故障，转矩电机正常，采用主动容错策略2，切断转角电机电流输入，转矩电机单独控制，转矩电机充当转角电机功能，进行补偿横摆角速度控制器反馈回来的补偿扭矩ΔT4：对其综合ΔT4＝ΔT14+ΔT24+ΔT34 (22) 其中ΔT4使总的补偿转矩，T14使弥补横摆角速度差值所需的补偿转矩，T24路面干扰形成的补偿转矩，T34系统摩擦形成的补偿转矩； 5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤4中，所述μ综合鲁棒控制器的控制框架包括： a)横摆角速度跟踪，\|\|Z1\|\|2＝\|\|W1(ωr-ωr)\|\|2 (24) 其中，W1为加权函数，通常设置成低通滤波器W1＝k1(as+b)/(cs+d) (25) 式(24)(25)中，\|\|Z1\|\|2式被控对象的评价输出的2范数，ωr是理想横摆角速度值，ωr是实际汽车横摆角速度值，W1为加权函数，a，s，b，a，d是低通滤波器的参数； μ综合鲁棒控制器输出相应的补偿扭矩并且把补偿转矩ΔT传递给双机补偿单元； b)补偿反馈，稳定性控制：ΔT＝ΔT1+ΔT2+ΔT3 (26) 其中ΔT使总的补偿转矩，ΔT1使弥补横摆角速度差值所需的补偿转矩，ΔT2路面干扰形成的补偿转矩，ΔT3系统摩擦形成的补偿转矩。
所属类别：	发明专利