四輪轂驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)電機(jī)故障檢測(cè)及容錯(cuò)控制策略

時(shí)培成，章 亮，陳 晨，梁濤年

(1.安徽工程大學(xué) 汽車(chē)新技術(shù)安徽省工程技術(shù)研究中心， 安徽 蕪湖 241000； 2.奇瑞汽車(chē)股份有限公司， 安徽 蕪湖 241009； 3.蕪湖伯特利汽車(chē)安全系統(tǒng)股份有限公司， 安徽 蕪湖 241009)

1 引言

四輪轂驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)采用輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)，輪轂電機(jī)因其將動(dòng)力、傳動(dòng)、制動(dòng)裝置都整合到輪轂內(nèi)，擺脫傳統(tǒng)機(jī)械系統(tǒng)束縛，底盤(pán)布置更加靈活，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度更快，使電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)效率得到質(zhì)的飛躍，較傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)和普通電動(dòng)車(chē)更具控制優(yōu)勢(shì)和發(fā)展?jié)摿Α?/p>

四輪轂驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)，顛覆傳統(tǒng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式，4個(gè)輪轂電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩均單獨(dú)控制，因此整車(chē)的操穩(wěn)性則完全取決于輪轂電機(jī)的運(yùn)行情況。當(dāng)某個(gè)電機(jī)發(fā)生故障時(shí)，如何檢測(cè)出故障電機(jī)以及利用無(wú)故障電機(jī)使車(chē)輛繼續(xù)保持穩(wěn)定運(yùn)行是保證駕乘人員人身安全的核心技術(shù)。針對(duì)電機(jī)故障檢測(cè)問(wèn)題以及驅(qū)動(dòng)容錯(cuò)控制策略，一些學(xué)者也展開(kāi)了研究，如文獻(xiàn)[8]中針對(duì)電機(jī)故障提出一種基于車(chē)載傳感器信號(hào)和無(wú)跡卡爾曼濾波器的診斷方法，并設(shè)計(jì)了基于障礙李雅普諾夫函數(shù)的容錯(cuò)控制，實(shí)現(xiàn)電機(jī)故障診斷和車(chē)輪轉(zhuǎn)矩重新分配，提高了車(chē)輛行駛穩(wěn)定性，但其采用線性輪胎模型，在汽車(chē)發(fā)生故障失穩(wěn)時(shí)不能及時(shí)描述出車(chē)輛滑移率和側(cè)偏角，使得工況設(shè)置上有局限性；文獻(xiàn)[9]中設(shè)計(jì)了一種自適應(yīng)主動(dòng)容錯(cuò)算法，利用遞推最小二乘法對(duì)電機(jī)進(jìn)行故障估計(jì)，當(dāng)檢測(cè)出故障電機(jī)時(shí)，減少故障輪力矩輸出，并利用基于模型的自適應(yīng)容錯(cuò)控制算法將未故障車(chē)輪之間力矩重新分配，增強(qiáng)車(chē)輛行駛安全性，但當(dāng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)失效時(shí)，控制器的有效性會(huì)大大降低；文獻(xiàn)[10]中提出了一種基于在線滑?？刂频闹鲃?dòng)容錯(cuò)控制方法，當(dāng)電機(jī)故障發(fā)生時(shí)能分析并確定當(dāng)前所需非線性增益，使得當(dāng)前行駛狀態(tài)不變，但其采用的滑?？刂坡?，實(shí)際測(cè)試值與理想值之間存在偏差，這影響了后續(xù)故障診斷及執(zhí)行器的轉(zhuǎn)矩重新分配。

本文在前人研究基礎(chǔ)上，針對(duì)四輪轂驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)電機(jī)故障檢測(cè)與容錯(cuò)控制問(wèn)題，采用模糊控制算法對(duì)電機(jī)進(jìn)行故障檢測(cè)，確保及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障電機(jī)。驅(qū)動(dòng)容錯(cuò)控制采用分層控制結(jié)構(gòu)，上層利用滑?？刂扑惴ㄓ?jì)算出車(chē)輛穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)所需期望橫擺力矩，同時(shí)利用PI算法計(jì)算出車(chē)輛穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)所需期望縱向力；下層提出2種轉(zhuǎn)矩分配策略，一是加入模糊控制器輸出電機(jī)運(yùn)行因子的二次規(guī)劃轉(zhuǎn)矩分配策略，二是采用模糊規(guī)劃算法對(duì)上層控制器所得期望橫擺力矩進(jìn)行優(yōu)化分配，提出基于模糊控制律的轉(zhuǎn)矩分配策略。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：本文所設(shè)計(jì)電機(jī)故障檢測(cè)及驅(qū)動(dòng)容錯(cuò)策略能有效增加電機(jī)突發(fā)故障時(shí)的車(chē)輛行駛穩(wěn)定性，保障車(chē)輛安全運(yùn)行。

2 整車(chē)故障容錯(cuò)控制結(jié)構(gòu)

圖1 整車(chē)容錯(cuò)控制結(jié)構(gòu)框圖

3 附加橫擺力矩滑?？刂扑惴?/h2>

3.1 車(chē)輛二自由度參考模型

為更好描述車(chē)輛行駛穩(wěn)定性，采用車(chē)輛二自由度參考模型對(duì)車(chē)輛穩(wěn)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行研究。分析假設(shè)前提：車(chē)輛在平面運(yùn)動(dòng)，忽略俯仰、側(cè)傾等運(yùn)動(dòng)，以及忽略懸架、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和空氣阻力等對(duì)車(chē)輛的影響；且需保證輪胎位于線性范圍內(nèi)以及側(cè)向加速度在04范圍內(nèi)。

車(chē)輛線性二自由度模型方程：

(1)

式(1)中：、為前輪、后輪側(cè)偏力；、為縱向、側(cè)向速度；為橫擺角速度；為質(zhì)心側(cè)偏角；為前輪轉(zhuǎn)角；為汽車(chē)質(zhì)量(kg)；為汽車(chē)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(kg·m)；、為圖2中前軸與后軸到質(zhì)心的距離。

圖2 車(chē)輛線性二自由度模型示意圖

設(shè)定輪胎力學(xué)特性處于線性區(qū)域，此時(shí)輪胎所受側(cè)向力可表示為：

(2)

式(2)中：、分別為前輪、后輪側(cè)偏剛度；、分別為前輪、后輪輪胎側(cè)偏角。

由質(zhì)心側(cè)偏角=，可得前、后輪輪胎側(cè)偏角為：

(3)

考慮小，則cos=1，此時(shí)將式(2)、式(3)代入式(1)可得：

(4)

式(4)經(jīng)數(shù)學(xué)變換可得：

(5)

(6)

(7)

3.2 橫擺力矩滑?？刂破髟O(shè)計(jì)

汽車(chē)可看作一個(gè)強(qiáng)耦合非線性系統(tǒng)，擁有大量的物理量，其中兩個(gè)關(guān)鍵量為橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角。汽車(chē)行駛過(guò)程中，當(dāng)橫擺角速度超過(guò)一定值，汽車(chē)將會(huì)有側(cè)翻的危險(xiǎn)；當(dāng)汽車(chē)縱向運(yùn)動(dòng)偏離目標(biāo)時(shí)，產(chǎn)生質(zhì)心側(cè)偏角，質(zhì)心側(cè)偏角值的大小同樣影響車(chē)輛行駛穩(wěn)定性。將橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角聯(lián)合控制，能有效提高車(chē)輛行駛穩(wěn)定性，同時(shí)增加車(chē)輛穩(wěn)定裕度，降低危險(xiǎn)發(fā)生率。為此，本文將汽車(chē)橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角作為控制目標(biāo)，利用滑?？刂破鏖_(kāi)展四輪轂驅(qū)動(dòng)汽車(chē)穩(wěn)定性控制研究。

當(dāng)施加橫擺力矩控制時(shí)，車(chē)輛二自由度模型為：

(8)

設(shè)車(chē)輛模型的橫擺角速度、質(zhì)心側(cè)偏角與計(jì)算期望值的偏差分別為：

=-

(9)

=-

(10)

定義如下系統(tǒng)滑模面：

=-+(-)

(11)

式(11)中：為權(quán)重系數(shù)；為滑模變量。

動(dòng)態(tài)特性為：

(12)

定義滑模趨近律為：

(13)

滑模趨近律中sgn()為符號(hào)函數(shù)，該函數(shù)不連續(xù)，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)抖振，為減少系統(tǒng)抖動(dòng)，本文采用雙曲正切函數(shù)代替符號(hào)函數(shù)，如圖3所示。雙曲正切函數(shù)輸出平滑有界沒(méi)有突變，能有效削弱系統(tǒng)抖振。

圖3 符號(hào)函數(shù)與雙曲正切函數(shù)曲線圖

將式(8)、式(12)和式(13)結(jié)合，可得橫擺力矩為：

(14)

4 電機(jī)故障檢測(cè)方法

汽車(chē)行駛過(guò)程中，電機(jī)突發(fā)故障時(shí)，會(huì)對(duì)駕乘人員的安全造成威脅，因此對(duì)電機(jī)進(jìn)行主動(dòng)故障檢測(cè)，及早發(fā)現(xiàn)故障電機(jī)，是提升多輪轂電機(jī)分布式驅(qū)動(dòng)汽車(chē)行駛安全性的必要手段。

電機(jī)故障主動(dòng)檢測(cè)，采用實(shí)際電機(jī)轉(zhuǎn)矩與期望轉(zhuǎn)矩之間的比值以及比值變化率Δ為輸入，輸出為電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)因子，構(gòu)建成一個(gè)兩輸入一輸出的電機(jī)模糊控制器。的模糊論域?yàn)閇09，1]，模糊語(yǔ)言劃分為[很大(PB)、大(B)、零(ZE)、小(S)、很小(NS)]；Δ的模糊論域?yàn)閇-4，4]，模糊語(yǔ)言劃分為[正(P)、零(ZE)、負(fù)(N)]；模糊論域?yàn)閇0，1]，模糊語(yǔ)言劃分為[正常(FB)，可能故障(F)、故障(FS)]。當(dāng)=0，此時(shí)說(shuō)明電機(jī)故障，無(wú)轉(zhuǎn)矩輸出；當(dāng)=1時(shí)，此時(shí)說(shuō)明電機(jī)正常運(yùn)行；當(dāng)(0，1)之間時(shí)，說(shuō)明電機(jī)可能故障，但仍有轉(zhuǎn)矩輸出。

當(dāng)很大(PB)而Δ為負(fù)()時(shí)，表明輪轂電機(jī)實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩與期望轉(zhuǎn)矩之間相差較大，此時(shí)輪轂電機(jī)發(fā)生故障，應(yīng)及時(shí)減少故障電機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出，調(diào)整其他正常電機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出，使車(chē)輛保持穩(wěn)定行駛；當(dāng)為零(ZE)且Δ也為零(ZE)時(shí)，表明實(shí)際轉(zhuǎn)矩與期望轉(zhuǎn)矩一致，此時(shí)輪轂電機(jī)運(yùn)行正常；當(dāng)很小(NS)而Δ為正(P)時(shí)，表明輪轂電機(jī)實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩與期望轉(zhuǎn)矩之間相差較多，但電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩增大，說(shuō)明電機(jī)在之后運(yùn)行中有可能發(fā)生故障。經(jīng)類(lèi)似分析可得表1所示電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)因子控制規(guī)則。

表1 電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)因子控制規(guī)則

5 驅(qū)動(dòng)容錯(cuò)控制策略分析

轉(zhuǎn)矩分配層將上層得到的力矩轉(zhuǎn)變成輪轂電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力矩，本文提出2種不同轉(zhuǎn)矩分配策略：一是利用二次規(guī)劃算法將轉(zhuǎn)矩分配給4個(gè)輪轂電機(jī)，并將電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)因子加入二次規(guī)劃算法中，將轉(zhuǎn)矩重新分配，維持車(chē)輛正常行駛狀態(tài)；二是采用模糊控制律轉(zhuǎn)矩分配，利用模糊控制器輸出量分配系數(shù)來(lái)確定轉(zhuǎn)矩分配值，實(shí)現(xiàn)車(chē)輛正常行駛。

5.1 二次規(guī)劃轉(zhuǎn)矩分配策略

二次規(guī)劃是非線性規(guī)劃特殊類(lèi)型，具有響應(yīng)速度快、實(shí)時(shí)性較好和分配精度高等優(yōu)勢(shì)。其標(biāo)準(zhǔn)形式為：

(15)

轉(zhuǎn)矩優(yōu)化分配中，考慮路面附著情況與輪胎利用率等條件，本文將4個(gè)車(chē)輪的飽和度平方和作為目標(biāo)函數(shù)。在實(shí)際情況下，受條件限制，側(cè)向力獲取困難，因此只考慮電機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出與輪胎縱向力相關(guān)。

優(yōu)化目標(biāo)：

(16)

式(16)中：表示各車(chē)輪；為路面附著系數(shù);表示車(chē)輪縱向力；表示垂直載荷。

轉(zhuǎn)矩輸出時(shí)，根據(jù)車(chē)輛動(dòng)力學(xué)，應(yīng)滿(mǎn)足縱向和橫擺方向力矩需求：

(17)

文中不考慮輪轂電機(jī)制動(dòng)問(wèn)題，故輪胎縱向力與輪轂電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系為：=。由于輪胎縱向力受到摩擦定律的限制以及每個(gè)輪轂電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩也有一定的限制，故輪胎縱向力最大值可表示為：max=max，因此縱向力約束為：

(18)

綜上分析，式(15)中：

為了使車(chē)輛在電機(jī)突發(fā)故障時(shí)仍能保持穩(wěn)定的運(yùn)行，需要將電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)因子放入到式(15)中，從而實(shí)現(xiàn)四輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)容錯(cuò)轉(zhuǎn)矩再分配。此時(shí)：

由此可知，當(dāng)電機(jī)發(fā)生故障時(shí)，電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)因子在目標(biāo)函數(shù)矩陣和約束函數(shù)中自動(dòng)更新，可實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)矩的重新分配，當(dāng)車(chē)輛在行駛中某一個(gè)或兩個(gè)電機(jī)故障時(shí)，剩余正常電機(jī)仍能輸出維持車(chē)輛穩(wěn)定行駛的轉(zhuǎn)矩，保障駕乘人員的安全。

5.2 模糊控制轉(zhuǎn)矩分配策略

模糊控制器輸入為駕駛員模塊求得期望轉(zhuǎn)矩與當(dāng)前路面條件能提供的最大轉(zhuǎn)矩 max差值和差值的變化率，輸出為分配系數(shù)；與 max模糊論域?yàn)閇-300，300]，模糊論域?yàn)閇0，1]語(yǔ)言變量模糊子集均為[很大(PB)、大(PM)、較大(PS)，中等(Z)、小(NS)、較小(NM)，很小(NB)]，模糊控制規(guī)則如表2所示。

表2 模糊控制規(guī)則Table 2 Fuzzy control rulesTable

模糊規(guī)則主要依據(jù)：

1) 當(dāng)期望轉(zhuǎn)矩小于等于4倍的低附著側(cè)車(chē)輪最大轉(zhuǎn)矩(≤4max)時(shí)，采用平均分配驅(qū)動(dòng)策略；

2) 當(dāng)期望轉(zhuǎn)矩大于4倍的低附著側(cè)車(chē)輪最大轉(zhuǎn)矩(>4max)時(shí)，基于最佳附著系數(shù)的控制目標(biāo)，采用驅(qū)動(dòng)補(bǔ)償策略，補(bǔ)償需求的橫擺力矩為低附著側(cè)最佳附著系數(shù)所得轉(zhuǎn)矩與實(shí)際電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩之差(Δ=max-)，此時(shí)按比例系數(shù)分配轉(zhuǎn)矩，低附著側(cè)分配轉(zhuǎn)矩為Δ=·，高附著側(cè)分配轉(zhuǎn)矩為Δ=(1-)·。

6 控制仿真及實(shí)驗(yàn)

6.1 仿真分析

Carsim是一款專(zhuān)為車(chē)輛動(dòng)力學(xué)仿真的軟件，為驗(yàn)證上述驅(qū)動(dòng)容錯(cuò)控制策略的有效性，采用Matlab和Carsim聯(lián)合仿真。在Simulink中搭建電機(jī)模塊、橫擺力矩控制模塊、電機(jī)故障診斷模塊和轉(zhuǎn)矩分配控制模塊等模塊，并與Carsim中接口聯(lián)合進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，以此觀測(cè)聯(lián)合情況下容錯(cuò)控制策略的效用性，搭建完成的整車(chē)驅(qū)動(dòng)容錯(cuò)控制系統(tǒng)，如圖4所示。 仿真車(chē)輛結(jié)構(gòu)參數(shù)為：整車(chē)質(zhì)量為1 125 kg；車(chē)身繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為1 800 kg·m；質(zhì)心高度為0.45 m；質(zhì)心到前后軸的距離分別為1.26 m和1.14 m；輪距為1.6 m；車(chē)輪半徑為0.3 m；輪胎側(cè)偏剛度為45 000 N/rad。

圖4 整車(chē)驅(qū)動(dòng)容錯(cuò)控制聯(lián)合仿真模型示意圖

仿真工況1：直線運(yùn)行工況，車(chē)速60 km/h，路面附著系數(shù)為0.3，4 s后左前輪故障。采用二次規(guī)劃和模糊控制轉(zhuǎn)矩分配控制2種方法，電機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出、側(cè)向位移和橫擺角速度分別為圖5(a)、(b)和(c)。根據(jù)圖5，車(chē)輛直線行駛時(shí)，當(dāng)其中一個(gè)電機(jī)故障無(wú)驅(qū)動(dòng)力矩輸出時(shí)，在沒(méi)有相應(yīng)控制策略下，車(chē)輛會(huì)瞬時(shí)發(fā)生劇烈跑偏現(xiàn)象；當(dāng)及時(shí)補(bǔ)償了故障電機(jī)所缺力矩，則車(chē)輛逐漸回歸穩(wěn)定；本文設(shè)計(jì)模糊控制轉(zhuǎn)矩分配和加入電機(jī)運(yùn)行因子的二次規(guī)劃轉(zhuǎn)矩分配將轉(zhuǎn)矩分配至剩余正常電機(jī)，大大降低了車(chē)輛跑偏的危險(xiǎn)，相比之下模糊控制的效果能更好地跟蹤期望值，所設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)矩分配策略對(duì)保障車(chē)輛穩(wěn)定性具有一定的積極效果。

仿真工況2：雙移線運(yùn)行工況，車(chē)速為80 km/h，5 s后左前輪故障。運(yùn)行仿真模型，結(jié)果如圖6所示。根據(jù)圖6可知，在超車(chē)過(guò)程中電機(jī)發(fā)生故障時(shí)，無(wú)控制策略的車(chē)輛已無(wú)法回歸原始路線，模糊控制車(chē)輛在電機(jī)突發(fā)故障時(shí)也會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，后續(xù)逐漸回歸原始路線，但不能精準(zhǔn)跟隨期望值；而二次規(guī)劃控制策略車(chē)輛在電機(jī)突發(fā)故障時(shí)僅發(fā)生小幅度偏離，且之后能精確跟蹤期望值，2種策略都能不同程度地增加車(chē)輛行駛的穩(wěn)定性和安全性。

仿真工況3：對(duì)開(kāi)路面行駛，左側(cè)路面附著系數(shù)為0.2，右側(cè)為0.7，車(chē)速為40 km/h。仿真結(jié)果如圖7所示。對(duì)開(kāi)路面加速起步過(guò)程中，高附著側(cè)輪胎驅(qū)動(dòng)力大于低附著側(cè)，車(chē)輛左右受力不均衡，車(chē)輛行駛中有側(cè)滑趨勢(shì)；當(dāng)無(wú)控制策略時(shí)，車(chē)輛發(fā)生劇烈偏移，而加入控制策略的車(chē)輛因及時(shí)補(bǔ)償驅(qū)動(dòng)力小的輪胎，車(chē)輛從開(kāi)始的偏離到逐漸穩(wěn)定，2種方法均保障了車(chē)輛維持當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定行駛。

圖5 直線工況下仿真曲線

圖6 雙移線工況下仿真曲線

圖7 對(duì)開(kāi)路面工況下仿真曲線

6.2 實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證仿真結(jié)果，采用了如圖8所示實(shí)驗(yàn)樣車(chē)。

圖8 樣車(chē)實(shí)物圖

樣車(chē)構(gòu)造主要包括整車(chē)車(chē)架、四輪輪轂電機(jī)、六軸加速度計(jì)、電子陀螺儀、多圈絕對(duì)值編碼器、鋰電池組、主控箱(包括：整車(chē)控制器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和電壓轉(zhuǎn)換器等)、方向盤(pán)角度傳感器等。

實(shí)驗(yàn)工況1：校內(nèi)瀝青路面直線行駛，方向盤(pán)角度為0，車(chē)速20 km/h左右，在第20 s左右人為斷電，設(shè)置右前輪為故障輪，采用無(wú)控制與本文提出的二次規(guī)劃和模糊2種容錯(cuò)控制策略進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。圖9為不同控制策略下各車(chē)輪驅(qū)動(dòng)力矩輸出曲線，由圖9(a)可見(jiàn)第20 s右前輪發(fā)生故障時(shí)，在無(wú)控制情況下，右前輪驅(qū)動(dòng)力矩急速下降為0，而其他車(chē)輪驅(qū)動(dòng)力矩不變，此時(shí)車(chē)輛兩邊力矩不平衡，產(chǎn)生橫擺力矩，使得車(chē)輛偏離原始路線；由圖9(b)、圖9(c)可見(jiàn)，加入容錯(cuò)控制策略后，在右前輪故障停止輸出力矩時(shí)，模糊控制和二次規(guī)劃策略均進(jìn)行了轉(zhuǎn)矩重新分配，能夠維持車(chē)輛驅(qū)動(dòng)力平衡，從而保證車(chē)輛沿著原始行駛路徑繼續(xù)行駛，其中，二次規(guī)劃策略在右前輪發(fā)生故障時(shí)，將左前輪電機(jī)也斷電了，使其驅(qū)動(dòng)力矩也降為0，同時(shí)將左右后輪的驅(qū)動(dòng)力矩增大了一倍；模糊控制策略，則將右后輪的正常電機(jī)驅(qū)動(dòng)力矩增大一倍，左前輪和左后輪驅(qū)動(dòng)力矩不變。

圖9 驅(qū)動(dòng)力矩輸出曲線

圖10所示為樣車(chē)在直線行駛工況下所行駛路徑。

圖10 直線工況下樣車(chē)運(yùn)行軌跡場(chǎng)景圖

圖10中樣車(chē)行駛在校內(nèi)瀝青路面，車(chē)輛保持直線行駛，由起點(diǎn)位置出發(fā)，當(dāng)?shù)?0 s時(shí)樣車(chē)行駛至電機(jī)故障位置，此時(shí)樣車(chē)在無(wú)控制下行駛路徑由紅色膠帶標(biāo)出，理想路徑(直線行駛)以及加入容錯(cuò)控制時(shí)車(chē)輛行駛路徑由線條標(biāo)出，此時(shí)可明顯對(duì)比得出容錯(cuò)策略具有一定成效，使樣車(chē)在電機(jī)故障時(shí)仍保持穩(wěn)定行駛，達(dá)到期望效果。

實(shí)驗(yàn)工況2：轉(zhuǎn)彎工況實(shí)驗(yàn)路面為校內(nèi)瀝青路面，在10 s左右車(chē)輛往左轉(zhuǎn)彎，當(dāng)?shù)?5 s時(shí)左前輪發(fā)生故障。車(chē)輛轉(zhuǎn)彎時(shí)方向盤(pán)轉(zhuǎn)角階躍輸入，如圖11(a)所示；圖11(b)、圖11(c)分別為前輪轉(zhuǎn)角和4個(gè)車(chē)輪轉(zhuǎn)速曲線，由圖11(b)可知，當(dāng)向左轉(zhuǎn)彎時(shí)，左前輪轉(zhuǎn)角較大，右前輪轉(zhuǎn)角偏??；此時(shí)外側(cè)即右前輪和右后輪阻力較小，左前輪和左后輪阻力較大，因此右前輪和右后輪轉(zhuǎn)速較高，左前輪和左后輪轉(zhuǎn)速較低，如圖11(c)所示。

圖11 轉(zhuǎn)彎工況實(shí)驗(yàn)曲線

圖12為樣車(chē)在轉(zhuǎn)彎工況下行駛路徑對(duì)比圖，考慮校內(nèi)白天車(chē)流量較大且轉(zhuǎn)彎時(shí)視線受阻，故轉(zhuǎn)彎工況未在馬路中央劃線區(qū)域中驗(yàn)證，在距離彎道邊緣20 cm左右處驅(qū)動(dòng)樣車(chē)，容錯(cuò)控制下路徑分別由藍(lán)色實(shí)線和黃色虛線標(biāo)出，無(wú)控制路徑由紅色膠帶標(biāo)出。由圖12路徑對(duì)比可看出，轉(zhuǎn)彎工況下電機(jī)故障時(shí)，無(wú)控制策略的樣車(chē)所行駛路徑明顯偏移彎道邊緣較多，而加入容錯(cuò)控制樣車(chē)行駛路徑雖有偏移，但不影響樣車(chē)轉(zhuǎn)彎，樣車(chē)整體保持穩(wěn)定。

圖12 轉(zhuǎn)彎工況下樣車(chē)行駛路徑

7 結(jié)論

1) 提出了基于模糊控制律的電機(jī)故障檢測(cè)方法?；谀：刂圃?，制定電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)因子控制規(guī)則表，將實(shí)際電機(jī)轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)矩期望值之間的比值以及比值變化率作為輸入，電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)因子作為輸出，構(gòu)建成一個(gè)兩輸入一輸出的電機(jī)模糊控制器，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)故障的主動(dòng)檢測(cè)。

2) 提出了具有雙層控制結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)容錯(cuò)控制策略。上層-轉(zhuǎn)矩計(jì)算層，利用滑?？刂破饔?jì)算車(chē)輛的橫擺力矩。下層-轉(zhuǎn)矩分配層，采用2種方法對(duì)比研究，一是采用二次規(guī)劃算法并將電機(jī)故障模糊控制器得出的電機(jī)運(yùn)行因子代入二次規(guī)劃中，根據(jù)車(chē)輛行駛狀態(tài)重新分配轉(zhuǎn)矩，二是以車(chē)輛期望轉(zhuǎn)矩值與4倍低附著側(cè)車(chē)輪最大轉(zhuǎn)矩值為依據(jù)，執(zhí)行基于模糊控制律的轉(zhuǎn)矩分配策略。

3) 利用Carsim與Simulink聯(lián)合搭建整車(chē)容錯(cuò)控制仿真模型，并在不同車(chē)速和附著路面條件下進(jìn)行了仿真分析；參照國(guó)內(nèi)外試驗(yàn)平臺(tái)的研究成果，搭建了以STM32F407ZGT6為主控芯片的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)樣車(chē)平臺(tái)，對(duì)直線和轉(zhuǎn)彎2種工況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明：2種容錯(cuò)控制策略都能在電機(jī)突發(fā)故障后不同程度增加車(chē)輛行駛的穩(wěn)定性，確保駕乘人員的安全。