分布式四驅(qū)電動汽車電機(jī)故障診斷及失效控制*

朱紹鵬，傅琪濤，黃小燕，王志威，楊興浩

（浙江大學(xué)能源工程學(xué)院動力機(jī)械及車輛工程研究所，杭州 310027）

前言

分布式四驅(qū)電動汽車憑借其結(jié)構(gòu)緊湊、機(jī)械傳動效率高和各電機(jī)控制響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，已成為近年來電動汽車研發(fā)熱點(diǎn)之一［1-2］。然而，由于分布式四驅(qū)電動汽車運(yùn)用輪轂電機(jī)等電氣化結(jié)構(gòu)部件取代傳統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)，這對控制系統(tǒng)的實(shí)時性和可靠性提出了更高要求［3］。例如當(dāng)電機(jī)發(fā)生故障時，可能無法提供期望的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，若沒有實(shí)時有效的控制調(diào)節(jié)，可能會導(dǎo)致車輛性能惡化，甚至發(fā)生車輛事故。

因此，不少學(xué)者都針對分布式四驅(qū)電動汽車的失效控制問題開展了相關(guān)研究。褚文博等［4］分別考慮車輛不同工況下的動力性和穩(wěn)定性要求，根據(jù)不同的失效工況和車輛行駛狀態(tài)來協(xié)調(diào)分配各驅(qū)動輪轉(zhuǎn)矩。田韶鵬等［5］提出的失效控制策略，分別以動力性和經(jīng)濟(jì)性為優(yōu)化目標(biāo)來分配各驅(qū)動輪轉(zhuǎn)矩。Alwi和Edwards［6］提出了一種基于在線滑模控制的主動容錯控制方法，能在故障發(fā)生時分析并確定維持當(dāng)前車輛行駛狀態(tài)所需的非線性增益，同時根據(jù)電機(jī)驅(qū)動器的增益水平，將控制信號重新分配給其余電機(jī)。王博等［7］提出了一種基于故障因子的失效控制算法，但論文中未給出明確的故障因子判別方法。

上述這些失效控制系統(tǒng)對電機(jī)發(fā)生任何故障時所采取的策略往往是令故障電機(jī)停止工作，即故障輪變?yōu)閺膭虞?。這種控制策略沒有充分利用分布式四驅(qū)電動汽車的電機(jī)冗余特性，并不是所有的電機(jī)故障都是不可逆的，需要通過停止電機(jī)工作來避免后續(xù)更嚴(yán)重的情況發(fā)生，很多情況下電機(jī)只是處于短時間的過流或過溫這類軟性故障［8］。Wang等［9］設(shè)計(jì)了一種基于李雅普諾夫穩(wěn)定性理論的失效控制系統(tǒng)，在一個輪轂電機(jī)出現(xiàn)故障時，盡可能減少此故障電機(jī)的使用程度，而另外3個電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩也將進(jìn)行再分配。

本文中針對分布式四驅(qū)電動汽車的驅(qū)動源冗余特性，考慮電機(jī)軟性與硬性故障診斷需求，設(shè)計(jì)具有電機(jī)故障診斷及處理功能的分布式四驅(qū)控制策略。為明確定位故障輪位置和故障發(fā)生時的轉(zhuǎn)矩值，引入控制增益，設(shè)計(jì)“故障診斷”模塊和“失效模式判斷和驅(qū)動力再分配”模塊，實(shí)現(xiàn)基于故障診斷的驅(qū)動力二次分配。針對不同故障形式，不僅通過MATLAB／Simulink與CarSim聯(lián)合仿真，還通過快速控制原型（rapid control prototype，RCP）測試，驗(yàn)證分析了設(shè)計(jì)的分布式四驅(qū)電動汽車電機(jī)故障診斷和失效控制的有效性。

1 分布式四驅(qū)控制策略設(shè)計(jì)

針對分布式四驅(qū)電動汽車的驅(qū)動力分配和操縱穩(wěn)定性控制，并考慮電機(jī)軟性與硬性故障診斷需求，設(shè)計(jì)采用分層結(jié)構(gòu)的分布式四驅(qū)控制策略，如圖1所示。該控制策略包含3層：期望總驅(qū)動力矩和期望橫擺力矩確定層、基于目標(biāo)函數(shù)的驅(qū)動力矩一次分配層和基于故障診斷的驅(qū)動力矩二次分配層。

圖1 考慮故障診斷及失效控制的分布式四驅(qū)控制策略

“期望總驅(qū)動力矩和期望橫擺力矩確定層”包含車輛參考模型和期望橫擺力矩確定兩個模塊，通過接收駕駛員輸入的加速踏板行程kpd和轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角δsw以及來自車輛傳感器反饋的車速v、橫擺角速度ω和質(zhì)心側(cè)偏角β等實(shí)際狀態(tài)參數(shù)，確定適合當(dāng)前工況的車輛期望總驅(qū)動力矩Td和期望橫擺力矩Mzd，該部分具體策略設(shè)計(jì)詳見文獻(xiàn)［10］。

“基于目標(biāo)函數(shù)的驅(qū)動力矩一次分配層”負(fù)責(zé)將“期望總驅(qū)動力矩和期望橫擺力矩確定層”確定出的期望總驅(qū)動力矩Td分配到各個驅(qū)動輪，同時要保證各驅(qū)動輪與地面作用力產(chǎn)生的對車輛質(zhì)心的橫擺力矩符合所確定的期望橫擺力矩Mzd［11］。因此，每個電機(jī)分配到的輸出轉(zhuǎn)矩滿足式（1）約束條件：

式中：Tfl、Tfr、Trl、Trr分別為左前輪、右前輪、左后輪、右后輪的輸出轉(zhuǎn)矩；δ為前輪轉(zhuǎn)角；ω為輪距，這里視前后輪距相等；Rroll為輪胎滾動半徑。

當(dāng)電機(jī)未發(fā)生故障時，4個車輪均能夠輸出正常轉(zhuǎn)矩。同時，車輛前進(jìn)驅(qū)動時電機(jī)不輸出負(fù)轉(zhuǎn)矩，且應(yīng)不超過當(dāng)前路面條件能提供的最大附著力。因此，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩還應(yīng)滿足式（2）約束條件：

式中：Timax為單個電機(jī)正常條件下最大輸出轉(zhuǎn)矩；μi為當(dāng)前路面條件下輪胎附著系數(shù)；Fzi為各輪胎垂直載荷。

驅(qū)動力矩一次分配基于目標(biāo)函數(shù)，根據(jù)不同的優(yōu)化目標(biāo)如穩(wěn)定性、動力性和經(jīng)濟(jì)性等，采取不同的四輪分配方式［10］。本文主要研究電機(jī)故障診斷和相應(yīng)的失效控制，因此采用較為簡單的平均分配模式，即前后軸線性分配，可以得到

此分配模式同樣滿足式（1）和式（2）的約束條件。

“基于故障診斷的驅(qū)動力矩二次分配層”包含故障診斷模塊和失效模式判斷與驅(qū)動力矩再分配模塊。故障診斷模塊通過分析比較4輪期望轉(zhuǎn)矩和傳感器實(shí)際反饋的4輪轉(zhuǎn)矩，判斷電機(jī)是否故障，明確故障輪位置和故障程度；失效模式判斷與驅(qū)動力矩再分配模塊在電機(jī)發(fā)生故障時，基于不同故障類型重新調(diào)整4輪電機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出，使其滿足穩(wěn)定性或動力性等不同要求。

2 基于故障診斷的驅(qū)動力矩再分配

2.1 電機(jī)故障診斷模塊設(shè)計(jì)

電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩與輸出功率和轉(zhuǎn)速的關(guān)系式為

式中：T為電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩；P為電機(jī)輸出功率；n為電機(jī)轉(zhuǎn)速。

由式（4）可知，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速一定時，輸出轉(zhuǎn)矩與輸出功率成正比。即當(dāng)車輛以一定速度在路上行駛時，若故障發(fā)生，為維持車輛當(dāng)前行駛狀態(tài)，須保證故障電機(jī)的轉(zhuǎn)速不變，輸出功率的降低必將導(dǎo)致其輸出轉(zhuǎn)矩的下降。

為明確定位故障輪和確定故障發(fā)生時的轉(zhuǎn)矩值，引入一個控制增益ki來描述，定義為

式中：T′i為傳感器測得的各電機(jī)實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩；Tdi為各電機(jī)期望輸出轉(zhuǎn)矩。

在正常情況下控制增益值為1，若某個電機(jī)發(fā)生故障，相應(yīng)的控制增益就會降低，即ki＜1，這樣就能明確定位故障輪位置。同時，通過控制增益Ki，還能確定故障發(fā)生時的電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩值，即

式中Tf_i為故障發(fā)生時電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩值。

因此，約束條件式（2）可改寫為

電機(jī)故障診斷模塊將記錄故障發(fā)生位置及對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩值，并將其傳遞給驅(qū)動力矩再分配模塊進(jìn)行控制，以保證車輛能維持期望的運(yùn)行狀態(tài)。

2.2 失效模式判斷與驅(qū)動力矩再分配模塊設(shè)計(jì)

對于分布式四驅(qū)電動汽車，根據(jù)電機(jī)故障的位置和數(shù)量，可得出6種類型的故障模式：單電機(jī)故障、同軸兩電機(jī)故障、同側(cè)兩電機(jī)故障、異軸異側(cè)兩電機(jī)故障、三電機(jī)故障和四電機(jī)故障。以單電機(jī)故障為例，假設(shè)左前輪電機(jī)發(fā)生故障，其輸出轉(zhuǎn)矩?fù)p失為T，則Tf_fl＝Tfl-T，代入式（1）得到：

若要使車輛能維持期望的行駛狀態(tài)，則必須保證

由式（8）可知，因左前輪電機(jī)故障而損失的側(cè)向力可通過增加右前輪電機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出來補(bǔ)償，而縱向力的損失可通過調(diào)整其余正常電機(jī)來進(jìn)行補(bǔ)償，即

若同軸兩電機(jī)發(fā)生故障，以前軸左右兩電機(jī)為例，其輸出轉(zhuǎn)矩分別損失為T1和T2，則有Tf_fl＝Tfl-T1、Tf_fr＝Tfr-T2?？v向力的損失可通過降低故障軸兩電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩上限、增加正常軸兩電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩上限來補(bǔ)償，而側(cè)向驅(qū)動力的損失可通過地面對輪胎的側(cè)向反力在一定范圍內(nèi)進(jìn)行補(bǔ)償，或通過駕駛員調(diào)整轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角來進(jìn)行補(bǔ)償。假設(shè)T1＜T2，調(diào)整后的四輪轉(zhuǎn)矩輸出為

同理，對于同側(cè)兩電機(jī)故障、異軸異側(cè)兩電機(jī)故障、三電機(jī)故障和四電機(jī)故障，也皆可通過式（1）得到相應(yīng)的4輪轉(zhuǎn)矩輸出解。電機(jī)軟性故障和硬性故障下的驅(qū)動力矩再分配控制策略分別如表1和表2所示。

表1 電機(jī)軟性故障下的驅(qū)動力再分配控制策略

表2 電機(jī)硬性故障下的驅(qū)動力再分配控制策略

3 故障診斷和失效控制仿真驗(yàn)證

3.1 仿真方案設(shè)計(jì)

本文中利用MATLAB／Simulink和CarSim搭建聯(lián)合仿真平臺，參照課題組研發(fā)的輪邊電機(jī)分布式四驅(qū)電動汽車“新火3號”實(shí)車的參數(shù)（見表3），在CarSim中搭建相應(yīng)的車輛模型。

表3 “新火3號”整車參數(shù)

為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的故障診斷模塊和失效模式判斷及驅(qū)動力矩再分配模塊的有效性，本文中選取初速度為60 km／h的單移線行駛工況，設(shè)計(jì)了3種故障工況（僅左前輪故障，前軸兩輪故障，左側(cè)兩輪故障）進(jìn)行仿真。

3.2 仿真結(jié)果分析

當(dāng)未發(fā)生故障時，仿真車輛期望輸出總轉(zhuǎn)矩為600 N·m，初速度為60 km／h的單移線仿真結(jié)果如圖2所示：（a）為轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角輸入曲線；（b）為縱向車速變化曲線；（c）為基于平均分配方式的各輪電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩。

圖2 正常行駛工況仿真結(jié)果

當(dāng)左前輪電機(jī)發(fā)生故障時，仿真結(jié)果如圖3所示。由圖3（a）可見：在3.5 s時左前輪控制增益減小至0.7，這是因?yàn)樽笄拜喸诖藭r發(fā)生故障，輸出轉(zhuǎn)矩從140突降至108 N·m，根據(jù)控制增益的定義式（5），左前輪控制增益減小；而在3.55 s時控制增益又變?yōu)?，這是因?yàn)?.05 s后故障診斷周期結(jié)束，傳感器檢測到的轉(zhuǎn)矩值和期望轉(zhuǎn)矩值相等，控制增益變?yōu)?。由圖3（b）可見，在3.5 s時左前輪降低至108 N·m，而其它3個車輪驅(qū)動電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩也有相應(yīng)變化，右前輪和左后輪輸出轉(zhuǎn)矩增加，右后輪輸出轉(zhuǎn)矩減小。通過圖3（c）可知，有失效控制的單輪故障行駛與無故障正常行駛的車輛軌跡十分吻合，而沒有失效控制的單輪故障行駛在Y軸產(chǎn)生較大側(cè)向偏移，無法完成期望行駛軌跡。因此可以證明單輪故障情況下，通過失效模式下驅(qū)動力再分配控制，車輛能保持期望的行駛狀態(tài)。

圖3 單輪故障工況仿真結(jié)果

當(dāng)前軸兩輪發(fā)生故障時，仿真結(jié)果如圖4所示。由圖4（a）可見，當(dāng)前軸兩輪發(fā)生故障時，故障軸前軸兩電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩大幅度降低，正常軸后軸兩輪電機(jī)將承擔(dān)大部分的轉(zhuǎn)矩輸出，均達(dá)到250 N·m左右。由圖4（b）可見，有控制前軸兩輪故障與無故障正常行駛下的車輛軌跡基本相同，但無控制前軸兩輪故障時車輛未能達(dá)到Y(jié)軸期望位移。

圖4 同軸兩輪故障工況仿真結(jié)果

當(dāng)左側(cè)兩輪發(fā)生故障時，仿真結(jié)果如圖5所示。由圖5（a）可見：在3.5 s故障發(fā)生后，4輪輸出轉(zhuǎn)矩均有大幅度降低，總轉(zhuǎn)矩輸出只達(dá)到100 N·m左右；在5 s時，車輛進(jìn)入直線行駛狀態(tài)，為滿足一定的動力性需求，各輪輸出轉(zhuǎn)矩有一定提升，但為了保護(hù)電機(jī)，其輸出轉(zhuǎn)矩仍小于正常狀態(tài)；6 s后，直線行駛段結(jié)束，車輛重新進(jìn)入過彎工況，為保證車輛穩(wěn)定性，4輪輸出轉(zhuǎn)矩均又降低。由圖5（b）可見，有控制的同側(cè)兩輪故障車輛的總體行駛趨勢未變，但其X軸位移和Y軸位移均小于無故障車輛行駛狀態(tài)下的位移量。由圖5（c）～圖5（e）可知，有控制的故障車輛橫擺角速度曲線與正常狀態(tài)基本重合，且其質(zhì)心側(cè)偏角振幅小于0.1°車輛處于穩(wěn)定狀態(tài)，而車速比正常狀態(tài)有所降低。因此，圖5（b）中有控制時的位移偏移量并非由車身的不穩(wěn)定所引起，而是由于車輛的縱向轉(zhuǎn)矩輸出受到較大影響，即在同側(cè)兩輪電機(jī)發(fā)生故障時，為兼顧行駛的穩(wěn)定性，車輛的最高車速被限制。

圖5 同側(cè)兩輪故障工況仿真結(jié)果

4 故障診斷及失效控制RCP

4.1 RCP方案設(shè)計(jì)

本研究利用LabVIEW開發(fā)快速控制原型（RCP）測試程序，利用課題組現(xiàn)有的分布式四驅(qū)電動車輛“新火3號”進(jìn)行道路試驗(yàn)。試驗(yàn)車輛“新火3號”如圖6所示。該RCP的下位機(jī)由NI cRIO實(shí)時控制器和C系列數(shù)據(jù)采集與通信板卡共同構(gòu)成，系統(tǒng)上位機(jī)則是安裝了LabVIEW軟件的試驗(yàn)電腦。試驗(yàn)車輛的主要參數(shù)見表3。

圖6 道路試驗(yàn)車輛“新火3號”

為驗(yàn)證故障診斷的驅(qū)動力矩二次分配控制方法的有效性，設(shè)計(jì)了6組RCP實(shí)車試驗(yàn)方案，如表4所示。由駕駛員控制轉(zhuǎn)向盤和油門踏板，并讓試驗(yàn)車輛在良好干燥的水泥路面行駛。在保證安全的前提下，為充分驗(yàn)證失效控制算法的有效性，將發(fā)生故障的電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩瞬間限制在15 N·m以下，模擬電機(jī)發(fā)生軟故障而導(dǎo)致的輸出轉(zhuǎn)矩變小的情況。由于整個試驗(yàn)由駕駛員人為操縱車輛完成，所以試驗(yàn)數(shù)據(jù)存在小幅度的波動。

表4 實(shí)車試驗(yàn)方案

4.2 RCP試驗(yàn)結(jié)果分析

4.2.1 單輪故障

A1工況直線加速左前輪故障的試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。起步階段，車輛各驅(qū)動電機(jī)正常工作，車速均勻增加。1.75 s時左前輪發(fā)生故障，輸出轉(zhuǎn)矩突降至15 N·m，此時車輛按照單輪故障失效控制策略進(jìn)行調(diào)節(jié)，由未發(fā)生故障的3個車輪進(jìn)行綜合協(xié)調(diào)性補(bǔ)償，右前輪的轉(zhuǎn)矩提高至48 N·m。車輛在7 s時達(dá)到30 km／h，其間車速未發(fā)生明顯波動，并保持直線行駛軌跡。

圖7 A1工況試驗(yàn)結(jié)果

A2工況右轉(zhuǎn)彎加速左前輪故障的試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。2.4 s時左前輪發(fā)生故障，輸出轉(zhuǎn)矩突降至15 N·m，此時車輛按照單輪故障失效控制策略進(jìn)行調(diào)節(jié)，右前輪的轉(zhuǎn)矩提高至48 N·m。3 s之后左后輪與右后輪轉(zhuǎn)矩開始對稱連續(xù)變化對因故障而損失的輸出進(jìn)行補(bǔ)償，以滿足右轉(zhuǎn)彎行駛工況的要求。此時，實(shí)際橫擺角速度與期望橫擺角速度基本吻合，質(zhì)心側(cè)偏角未發(fā)生明顯偏移。

圖8 A2工況試驗(yàn)結(jié)果

A1工況與A2工況的試驗(yàn)結(jié)果表明，單輪故障時，通過失效控制，車輛能保持期望的行駛狀態(tài)。

4.2.2 同軸雙輪故障

B1工況直線加速同軸雙輪故障的試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。2.6 s時左前輪與右前輪同時發(fā)生故障，輸出轉(zhuǎn)矩分別突降至8與6 N·m，此時車輛按照同軸雙輪故障失效控制策略進(jìn)行調(diào)節(jié)，左后輪與右后輪電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩分別增加至42與38 N·m，以進(jìn)行綜合協(xié)調(diào)性補(bǔ)償，其間車速未發(fā)生明顯波動，并保持直線行駛軌跡。

圖9 B1工況試驗(yàn)結(jié)果

B2工況右轉(zhuǎn)彎加速同軸雙輪故障的試驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。6.2 s時左前輪與右前輪同時發(fā)生故障，輸出轉(zhuǎn)矩分別突降至10與5 N·m，此時車輛按照同軸雙輪故障失效控制策略進(jìn)行調(diào)節(jié)，左后輪與右后輪電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩分別增加至36與38 N·m。此時，實(shí)際橫擺角速度與期望橫擺角速度基本吻合，質(zhì)心側(cè)偏角未發(fā)生明顯偏移。

圖10 B2工況試驗(yàn)結(jié)果

B1工況與B2工況的試驗(yàn)結(jié)果表明，同軸雙輪故障時，通過失效控制，車輛能夠保持期望的行駛狀態(tài)。

4.2.3 同側(cè)雙輪故障

C1工況直線加速同側(cè)雙輪故障的試驗(yàn)結(jié)果如圖11所示。3.6 s時左前輪與左后輪同時發(fā)生故障，輸出轉(zhuǎn)矩分別突降至8與6 N·m，此時車輛按照同側(cè)雙輪故障失效控制策略進(jìn)行調(diào)節(jié)，右前輪與右后輪輸出轉(zhuǎn)矩也分別減小至8與6 N·m，避免出現(xiàn)車身側(cè)翻、側(cè)向轉(zhuǎn)彎等危險情況。車輛損失了部分縱向加速性能，在滿足車身穩(wěn)定性要求的條件下沿直線安全行駛。

圖11 C1工況試驗(yàn)結(jié)果

C2工況右轉(zhuǎn)彎加速同側(cè)雙輪故障的試驗(yàn)結(jié)果如圖12所示。5.8 s時左前輪與左后輪同時發(fā)生故障，輸出轉(zhuǎn)矩分別突降至3與6 N·m，此時車輛按照同側(cè)雙輪故障失效控制策略進(jìn)行調(diào)節(jié)，右前輪與右后輪輸出轉(zhuǎn)矩也隨之分別減小至12與8 N·m，以避免出現(xiàn)車身側(cè)翻等危險情況。車輛將損失部分縱向加速性能，在滿足車身穩(wěn)定性要求的條件下沿直線安全行駛。

圖12 C2工況試驗(yàn)結(jié)果

C1工況與C2工況的試驗(yàn)結(jié)果表明，同側(cè)雙輪故障時，通過失效控制，車輛將損失部分縱向動力性能來保證其穩(wěn)定性。

5 結(jié)論

本文中針對分布式四驅(qū)電動汽車驅(qū)動電機(jī)故障進(jìn)行了動力系統(tǒng)的故障診斷、失效控制設(shè)計(jì)。提出了可涵蓋電機(jī)軟性與硬性故障的控制增益概念，對多種電機(jī)故障狀態(tài)進(jìn)行了分類歸納總結(jié)，設(shè)計(jì)了故障診斷模塊、失效模式判斷和驅(qū)動力矩再分配模塊，實(shí)現(xiàn)了基于故障診斷的驅(qū)動力矩二次分配控制。

針對不同故障形式進(jìn)行了仿真和RCP實(shí)車試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：設(shè)計(jì)的基于故障診斷的驅(qū)動力矩二次分配控制策略，在單輪故障、同軸兩輪故障工況下，能夠保證車輛維持期望的直線、轉(zhuǎn)向等行駛狀態(tài)；在同側(cè)兩輪故障工況下，車輛將犧牲部分縱向加速性能來滿足車輛穩(wěn)定性要求。