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原文传递一种带有容错功能的轮毂电动汽车直接横摆力矩控制方法

专利名称：	一种带有容错功能的轮毂电动汽车直接横摆力矩控制方法
摘要：	本发明公开了一种带有容错功能的轮毂电动汽车直接横摆力矩控制方法，主要步骤为：建立线性二自由度模型得到车辆的理想横摆角速度和理想质心侧偏角，构造状态观测器估计车辆的实际质心侧偏角；建立七自由度车辆动力学模型作为控制对象，并引入故障因子构建具有驱动电机故障的车辆动力学模型；基于自适应终端滑模理论与PI控制理论设计上层控制器得到虚拟控制指令；基于故障信息与力矩优化分配法设计容错下层控制器，保障故障后车辆的行驶性能与安全性能。本发明所提出的方法保证了故障后的行驶安全性，在有无执行器故障的条件下，均能保证车辆行驶的稳定性，扩大了行驶稳定性范围。同时，改善了对四轮的控制协调性并提高了故障车辆的响应性能。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	江苏;32
申请人：	江苏大学
发明人：	丁世宏;黄蓉;沈浩;马莉
专利状态：	有效
申请日期：	2018-12-10T00:00:00+0800
发布日期：	2019-05-10T00:00:00+0800
申请号：	CN201811503586.8
公开号：	CN109733205A
分类号：	B60L15/20(2006.01);B;B60;B60L;B60L15
申请人地址：	212013 江苏省镇江市京口区学府路301号
主权项：	1.一种带有容错功能的轮毂电动汽车直接横摆力矩控制方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，建立线性二自由度车辆动力学模型作为汽车运行过程中的参考模型；根据参考模型，计算出理想横摆角速度γd和理想质心侧偏角βd；并构造状态观测器，根据γ估计车辆的实际质心侧偏角β；步骤2，建立七自由度车辆动力学模型并引入故障因子，构建具有驱动电机故障的车辆动力学模型，根据故障因子的变化，设计车辆无故障、部分故障、完全故障的情况；步骤3，将由二自由度车辆模型得到的理想值与车辆动力学模型得到的实际值之差发送给上层控制器中的DYC控制器，利用自适应终端滑模控制算法计算出维持车辆稳定所需要的横摆力矩Mz；将输入纵向车速vx与实际纵向速度之差发给上层控制器中的PI控制器，计算维持车辆稳定所需要的纵向力Fx，Mz与Fx为所需的虚拟控制指令；步骤4，在力矩分配中，利用设计的优化分配算法与所给故障信息分配上层控制器模块计算出的横摆力矩Mz与纵向力Fx给四个轮毂电机，实现车辆的稳定运行。 2.根据权利要求1所述的一种带有容错功能的轮毂电动汽车直接横摆力矩控制方法，其特征在于，步骤1中，所述线性二自由度车辆动力学模型如下：理想横摆角速度和质心侧偏角的计算公式如下：式中βmax＝arctan(0.02μg)为质心侧偏角的最大值即上限，μ为摩擦系数，g为重力加速度，K＝m(bCr-aCf)/(2CfCr(a+b)2)为不足转向系数，m是车辆质量，vx是车辆质心的纵向速度，β是实际质心侧偏角，βd是理想质心侧偏角，γ是实际横摆角速度，γd是理想横摆角速度，Cf和Cr分别是前后轮胎的侧偏刚度，a和b分别是车辆质心到前后轴的纵向距离，δ是前轮转角，Iz是车辆转动惯量，v是车辆行驶速度。 3.根据权利要求1所述的一种带有容错功能的轮毂电动汽车直接横摆力矩控制方法，其特征在于，步骤1中，构造状态观测器，根据γ估计车辆的实际质心侧偏角β的方法如下：采用非光滑算法设计观测器估计质心侧偏角；将实际横摆角速度γ和车辆侧向加速度ay作为观测器的反馈变量，是侧向加速度ay的估计值，以侧向加速度偏差作为反馈量，对模型误差进行补偿控制；令X＝[γ,β]T，Y＝[γ,ay]T，u＝[δf]，建立二自由度车辆动力学模型状态空间表达式：式中：非光滑观测器设计如下：其中其中分别为γ和β的观测值，c1和c2是两个正常数，是设计的分段函数。 4.根据权利要求1所述的一种带有容错功能的轮毂电动汽车直接横摆力矩控制方法，其特征在于，步骤2中，七自由度模型设计如下：首先以控制增益ki描述电机驱动： i分别代表四个轮毂电机(i＝fl,fr,rl,rr)，Ti是四个电机力矩，Fi四轮轮胎力，R是轮胎滚动半径，电机故障被描述成控制增益的减少，以电机故障因子λi(0＜λi＜1)描述故障程度；假定控制增益ki与故障因子λi已知，执行器故障程度表示如下：带故障七自由度模型状态方程如下其中B为控制效能矩阵，代表执行器故障，公式如下： f1(x)＝βvxγ，τ2为横向扰动，a和b分别是车辆质心到前后轴的纵向距离，δ是前轮转角，d是车辆轮距。车轮旋转动力学方程为式中Itw为车轮的转动惯量，ωij为车轮的角速度，Tdij为驱动力矩，Tbij为制动力矩，R为轮胎的滚动半径。 5.根据权利要求1所述的一种带有容错功能的轮毂电动汽车直接横摆力矩控制方法，其特征在于，步骤3中，利用自适应终端滑模控制算法计算出维持车辆稳定所需要的横摆力矩Mz的方法：在二自由度车辆动力学模型的基础上增加一个附加的横摆力矩Mz，得到：整理为：改写为状态方程形式：其中u＝Mz；系统输出方程表示为： y＝Cx+Dδ 其中y＝[ay γ]T，ay是车辆侧向加速度；将表示的状态方程改写为：设非线性f＝ΔAx+ΔB1δ+ΔB2u+ξ,\|\|f\|\|≤L 则式整理为：设计跟随误差为：对滑模面求导有：令其中Lu为所设计的重要惯性环节，最终有u→L。设计的自适应终端滑模控制器为： η、μ为切换增益，且η＞0,μ＞0，sat(s)为饱和函数，Δ为边界厚度，Δ>0；引入边界层从而抑制抖动，滑动变量s将在有限时间内稳定； 6.根据权利要求1所述的一种带有容错功能的轮毂电动汽车直接横摆力矩控制方法，其特征在于，步骤3中，计算维持车辆稳定所需要的纵向力Fx的方法：车辆速度基准vxr由加速器踏板信号通过参考模型生成，车辆速度的参考模型： v0为t0时的车辆初始速度，axr是根据踏板位置信号所需的车辆加速度；纵向速度控制器是用于产生纵向力的PI控制器，基于输入的纵向车速Vx与实际纵向速度V之差调节P与I的参数，计算车辆所需的总纵向力Fx。 7.根据权利要求1所述的一种带有容错功能的轮毂电动汽车直接横摆力矩控制方法，其特征在于，步骤4的具体实现：采用二次规划的控制分配算法；首先纵向力Fx与横摆力矩Mz分配是将力和力矩vd分布到四个电机控制信号u中，进行控制： vd＝Buii 其中uii＝[ufl ufr url urr]T；轮胎利用率为ψi，定义为为提高轮胎利用率，设计二次规划目标函数：其中umin≤ui≤umax，将电机输出转矩控制在电机边界内，用于平衡控制分配的误差与控制输出；如果发生电机故障，电机控制增益将分别降低，并启动故障诊断，以识别电机的故障信息；根据故障诊断结果，自动更新Hessian矩阵H和控制有效性矩阵B，再次使用公式实现在一个或两个电机故障的情况下，重新分配的电动机转矩。 8.根据权利要求7所述的一种带有容错功能的轮毂电动汽车直接横摆力矩控制方法，其特征在于，所述二次规划的控制分配算法针对于一个电机故障的情况。
所属类别：	发明专利