基于故障診斷的分布式電動汽車容錯控制策略

李龍驤，王保華，2

（1.湖北汽車工業學院 汽車工程學院，湖北 十堰 442002；2.湖北隆中實驗室，湖北 襄陽 441000）

分布式電動汽車由于過驅動系統結構，電機數量增多的同時也增加了電機失效的概率。汽車行駛過程中電機失效會無法滿足期望的輸出力矩，從而影響動力性和穩定性。研究分布式電動汽車電機失效的容錯控制對提升汽車驅動能力和安全性具有重大意義。褚文博等［1］設計了基于規則的電機失效時協調汽車穩定性和動力性的控制方法，低速時保證車輛的動力性，高速時提高車輛的橫擺穩定性，但部分情況下會引入一些非期望的橫擺力矩。劉新磊等［2］針對分布式電驅動汽車雙電機失效模式，提出對應的力矩分配策略，保證了穩定性和動力性，但將失效電機轉矩置零，未考慮電機部分失效時對電機力矩余量的利用。張雷等［3］設計了基于多方法切換的容錯控制策略，針對不同的失效模式和工況，切換不同的控制方法，保證了電機失效時汽車的安全性，但控制切換閾值需要汽車實時的狀態值，對傳感器精度要求高。Zhang 等［5］將電機狀態考慮到力矩分配策略中，提高了車輛的動力性和穩定性，但需要及時的故障診斷，為被動容錯控制，無法對故障電機進行最大程度的補救。文中提出了基于故障診斷的滑模變結構控制的容錯控制策略。容錯控制器采用分層控制結構，上層控制器使用滑?？刂魄蟮卯斍败囕v所需的附加橫擺力矩，通過PI控制求出車輛期望的縱向力需求；下層控制器通過故障診斷模塊得到表征故障狀態的失效因子，設計故障容錯模塊，利用二次規劃重新優化分配驅動力矩，確保故障模式能夠保證車輛的動力性和行駛穩定性。

1 電機失效的車輛建模

忽略車輛的垂向、側傾和俯仰運動以及空氣阻力和懸架等對車輛的影響，建立三自由度動力學模型，包括縱向運動、側向運動和橫擺運動，模型見圖1?？v向運動平衡方程為

圖1 車輛模型

側向運動平衡方程為

橫擺運動平衡方程為

式中：Vx為縱向速度；Vy為側向速度；m為整車質量；γ為橫擺角速度；Fxi為第i個輪胎的縱向力；Fyi為第i個輪胎的側向力；δ為前輪轉角；Iz為車輛繞z軸的轉動慣量；a為質心到前軸的距離；b為質心到后軸的距離；d為輪距；i取1、2、3、4，分別表示左前輪、右前輪、左后輪和右后輪。

2 整車控制器設計

分布式電動車電機失效容錯控制結構見圖2，將期望車速和期望前輪轉角輸入到線性二自由度參考模型，得到期望橫擺角速度和質心側偏角，輸入容錯控制器中。容錯控制器分為2層，上層控制器將橫擺角速度和質心側偏角的偏差通過滑?？刂扑惴ㄓ嬎愀郊訖M擺力矩Mzd，期望車速與實際車速的偏差通過PI 控制算法計算出期望縱向力Fxd；下層為轉矩分配層，將上層輸出的期望橫擺力矩和縱向力進行二次規劃，以輪胎利用率為優化目標，結合電機故障診斷出的失效因子，算出最優力矩并分配給輪轂電機，保證車輛的穩定性和動力性。

圖2 容錯控制結構

2.1 縱向運動控制器

縱向力需求計算采用PI 控制器，根據期望車速Vxd和實際車速Vx的偏差計算Fxd，力矩分配時，需要保證4個車輪縱向力總和為Fxd。對Fxd進行估算：

式中：Kp為比例系數；Ki為積分系數。

2.2 橫向運動控制器

由線性二自由度車輛模型推出橫擺角速度和質心側偏角為

式中：kf為前輪側偏剛度；kr為后輪側偏剛度。定義滑模面s為

式中：ε為加權系數。選擇等速趨近律：

由于符號函數不連續，為了避免控制時系統抖振，采用飽和函數代替符號函數：

式中：τ為邊界層厚度。聯立式（5）～（7）可得目標橫擺力矩：

2.3 基于故障診斷的力矩分配策略

2.3.1 電機故障診斷模塊

驅動電機失效時，電機無法達到期望力矩輸出，將失效形式分為無失效、完全失效和部分失效。引入故障因子來表示電機的失效程度，確定故障車輪和故障時輸出轉矩。

式中：Ti為各電機的實際輸出轉矩；Tui為各電機的期望輸出轉矩；ki為電機故障因子，等于0表示電機完全失效，等于1表示電機沒有失效，小于1確定某電機失效；n為電機轉速；p為電機輸出功率。

電機診斷模塊將各個電機故障因子傳遞給下層的力矩分配控制器，電機失效時，給失效電機力矩輸出限值，充分利用各個電機余量力矩，保證車輛的穩定性和動力性。

2.3.2 考慮故障約束的力矩分配策略

利用二次規劃設計，基于優化輪胎負荷率算法，滿足上層容錯控制器算出的期望縱向力和橫擺力矩，并且滿足電機物理約束，使得到4 個電機的驅動力矩滿足車輛的動力性和橫擺穩定性。

式中：H、f為系數矩陣；A、Aeq、b為約束條件；UB、LB為電機力矩的上下限。

基于車輛穩定性的要求，將輪胎負荷率平方和作為目標函數：

式中：μ為地面附著系數。輪胎利用率越低，剩余可用的力越大，車輛附著能力提高，趨于穩定。橫擺穩定性主要受縱向力影響，側向力相較于縱向力較小，因此忽略側向力影響，目標函數簡化為

式中：R為車輪半徑。

容錯控制器在電機力矩分配時，需要滿足上層的期望縱向力和橫擺力矩，并且滿足電機輸出的物理約束和目標函數，約束為

式中：Timax為電機最大力矩；Timin為電機最小力矩；Fzi為第i個輪胎的垂向力。

3 聯合仿真分析

采用TruckSim 建立分布式電驅動汽車動力學模型并進行聯合仿真，在正弦輸入和雙移線輸入工況下分別驗證容錯控制策略的可行性和可靠性。車輛基本參數見表1。

表1 車輛基本參數

1）正弦輸入工況 初始車速設為100 km·h-1，路面附著系數為0.8，在5 s 時左前輪電機完全失效，即k1為0。從圖3a 可以看出，在5 s 時電機失效，無控制時出現突變，容錯控制時快速跟蹤理想值。由圖3b可知，無容錯控制時車速明顯降低，在容錯控制下車輛穩定跟隨目標車速。從圖3c可以看出，容錯控制下質心側偏角絕對值的最大值為0.6°，車輛處于穩定狀態。從圖3d可以看出，在5 s時左前輪失效，輸出轉矩為0 N·m。此時容錯控制策略發揮作用，重新分配正常電機的驅動轉矩，正常電機的轉矩輸出均變大；同時為了保證車輛的穩定性，左后輪轉矩進一步增大，彌補左前輪失效對車輛性能的影響。

圖3 不同輸入工況聯合仿真結果

2）雙移線輸入工況 初始車速設為85 km·h-1，路面附著系數為0.3，5 s后左前輪電機完全失效，即k1為0。從圖3e 可以看出，電機故障時，容錯控制器能有效跟蹤駕駛員的期望值，相較于無控制，明顯減小車輛的跑偏距離。由圖3f～g 可以看出，電機失效時，有容錯控制器的車輛能較好地跟蹤參考縱向速度和橫擺角速度，保證了車輛的動力性和穩定性。由圖3h可看出，5 s時左前電機完全失效時力矩輸出為0 N·m，容錯控制器起作用進行力矩重新分配，此時左后電機輸出力矩增大，補償由于電機故障所缺的力矩，保證車輛穩定行駛。

4 硬件在環仿真試驗

為了進一步驗證容錯控制策略的有效性和可靠性，建立硬件在環（HIL）仿真平臺并進行試驗。硬件在環仿真系統如圖4所示。

圖4 硬件在環仿真系統結構

1）正弦輸入工況 初始車速設為80 km·h-1，路面附著系數為0.8，開始時左前輪電機完全失效，即k1為0。由圖5a～b可知，有容錯控制器的車輛在電機失效時都能較好地跟蹤目標參考值，滿足車輛的動力性和橫擺穩定性要求，而無控制時均出現了較大的偏差。由圖5c可知，在電機出現故障時，相較于無控制，有容錯控制的車輛縱向速度與目標參考值的偏差大幅減小，更好地滿足車輛的動力性要求。由圖5d可知，左前電機故障時，容錯控制器重構力矩分配，左后電機力矩輸出變大，補償由于左前電機失效所缺的力矩，保證故障車輛的穩定性和動力性。

圖5 不同輸入工況硬件在環測試結果

2）雙移線輸入工況 初始車速設為80 km·h-1，路面附著系數為0.3，開始時左前輪電機完全失效，即k1為0。由圖5e～f 可知，電機失效時有容錯控制的車輛能精準跟蹤目標期望值，保證車輛的穩定性。由圖5g 可知，有容錯控的縱向速度偏差小于1%，且逐漸趨近目標參考值，滿足車輛的動力性要求。從圖5h可看出，電機故障時，無控制的車輛有側滑趨勢，而在容錯控制下，車輛能迅速趨近目標參考值，回到期望路線，保證故障車輛的穩定性。

5 結論

針對分布式電動汽車電機失效帶來的車輛行駛安全性問題，提出基于故障診斷的容錯控制策略和故障診斷方法。文中提出了電機失效故障因子，設計了電機故障診斷方法，建立了電機失效因子和失效模式確定方法，實現了分布式電驅動系統電機故障的主動診斷功能；設計了考慮故障約束的驅動力矩優化分配算法，將電機的失效因子引入力矩分配控制策略，并進行驅動力矩二次規劃優化分配，使分布式電驅動車輛在任何電機故障模式都能夠保證車輛的穩定性和動力性，提高了汽車的行駛安全性；進行了車輛動力學仿真和硬件在環仿真試驗，結果表明：在給定的行駛工況和單電機故障模式下，基于故障約束的主動容錯控制策略能獲得良好的控制效果，證明了主動容錯控制策略的正確性和具有電機失效容錯功能的整車控制器的可靠性。