CN109808508B - 一种分布式驱动电动汽车的驱动系统容错控制策略 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分布式驱动电动汽车的驱动系统容错控制策略，在已知某个车轮失效的情况下，采用容错控制策略进行车辆的容错控制；上层控制：选取车辆的横摆角速度和质心偏转角作为控制目标，建立失效故障下车辆横摆力矩控制体系，通过基于横摆角速度和质心偏转角进行约束的滑模变结构控制策略，计算得到期望横摆力矩；下层控制：通过滑模变结构控制或者LQR分别实现动力学及稳定性转矩协调优化分配策略，结合期望横摆力矩，计算出车轮力矩的分配，对正常工作的车轮进行力矩重分配，保证车辆的行驶稳定。本发明能对正常工作的车轮进行力矩重分配，最大可能符合预定行车轨迹，避免突发的变化，保证车辆行驶安全和稳定。

Description

一种分布式驱动电动汽车的驱动系统容错控制策略

技术领域

本发明涉及分布式驱动电动汽车控制领域，尤其涉及一种分布式驱动电动汽车的驱动系统容错控制策略。

背景技术

目前环境形势下，电动车是汽车行业研究的热点及重点。分布式驱动电动汽车是电动车的一种，有四轮可以独立驱动的优势，更加便于控制各轮胎纵向力，出现失效情况时，分布式驱动电动汽车能更好的减小失效带来的危害和损失。

现已有的稳定性或者动力性控制策略一般都基于正常行驶状态下的车辆，适用于失效情况下的容错控制策略的专利较少。车辆行驶过程中若突然出现驱动失效情况，不及时进行容错控制，将会严重影响行车安全性。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种分布式驱动电动汽车的驱动系统容错控制策略。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明提供一种分布式驱动电动汽车的驱动系统容错控制策略，电动汽车的驱动系统中，上层控制器采用滑模变结构控制，下层控制器采用滑模变结构控制或者LQR；该容错控制策略包括以下步骤：

在已知某个车轮失效的情况下，采用容错控制策略进行车辆的容错控制；

上层控制：选取车辆的横摆角速度和质心偏转角作为控制目标，建立失效故障下车辆横摆力矩控制体系，通过基于横摆角速度和质心偏转角进行约束的滑模变结构控制策略，计算得到期望横摆力矩；

下层控制：通过滑模变结构控制或者LQR分别实现动力学及稳定性转矩协调优化分配策略，结合期望横摆力矩，计算出车轮力矩的分配，对正常工作的车轮进行力矩重分配，保证车辆的行驶稳定。

进一步地，本发明的上层控制中采用滑模变结构控制得到车辆的期望横摆力矩；设计了附加横摆力矩控制器，用滑模变结构控制得到期望的附加横摆力矩M；选取质心侧偏角β和横摆角速度γ作为状态变量，输入为车辆的质心侧偏角β与横摆角速度γ与实际的值的误差，输出为M，公式如下：

s＝e_γ-c·e_β＝γ_d-γ+c·(β_d-β)

又由

可得：

其中，

其中，c、ε为控制器设计参数，β为质心侧偏角，β_d为期望质心侧偏角，γ为横摆角速度，γ_d为期望横摆角速度，m为整车整备质量，v_x为纵向车速，F_yf、F_yr为车辆前、后轮横向力，δ_f为前轮转角，α_f、α_r为前后轮侧偏角，l_f、l_r为质心到前、后轴的距离，k_f、k_r为前、后轮侧偏刚度，I_Z为车辆绕Z轴的转动惯量。

进一步地，本发明的下层控制中采用动力学及稳定性转矩协调优化分配策略，通过滑模变结构控制或者LQR实现两种控制策略，并实现软件冗余，减小软件出错的情况。

进一步地，本发明的下层控制中采用滑模变结构控制策略的具体方法为：

上层控制中用滑模变结构控制得到期望驱动力矩T；先建立附加横摆力矩M和纵向滑移率λ的关系：通过动力学方程，得到附加横摆力矩M与轮胎纵向力F_x的关系，再由魔术公式查表得到对应的滑移率λ，从而将上层控制器得到的期望附加横摆力矩经过转换得到纵向滑移率λ；通过滑移率，再建立λ和T的关系；选取纵向滑移率λ为状态变量，以期望值和实际值的误差作为控制输入，最终求得驱动力矩；其计算公式为：

其中

其中，λ为纵向滑移率，λ_d为期望纵向滑移率，q为滑模控制器设计参数，v_x为纵向车速，ω为车辆旋转角速度，R表示车轮半径，T_t表示驱动力矩，μ为路面附着系数，F_z为车辆垂向载荷，J表示车轮的转动惯量，g为重力加速度。

进一步地，本发明的下层控制中采用LQR控制策略的具体方法为：

用LQR来控制失效后的力矩分配，通过对四个独立驱动的车轮施加不同大小的驱动力，来产生期望横摆力矩，下列公式为根据LQR控制力矩分配后得到的四个车轮所需要的力矩变化量：

其中，M为上层控制器得到的附加横摆力矩，R表示车轮半径，d_f、d_r为前、后轴距，l_f、l_r为质心到前、后轴的距离，δ_f为前轮转角。

进一步地，本发明的下层控制中的动力学及稳定性转矩协调优化分配策略，针对车辆行驶理论，添加纵向驱动力、能提供最大驱动力、地面最大附着作为本约束条件：

轮胎摩擦椭圆限制：

路面附着和能提供最大驱动力对纵向力的限制：

max(-μF_zi,-F_m)≤F_xi≤min(μF_zi,F_m)

其中，F_xi为车轮纵向力，F_yi为车轮横向力，F_zi为车轮垂向载荷，μ为路面附着系数，F_m为车轮纵向力的最大值。

本发明产生的有益效果是：本发明的分布式驱动电动汽车的驱动系统容错控制策略，针对车辆行驶过程中出现的驱动失效问题进行容错控制，上层根据滑模变结构控制得到期望横摆力矩，下层通过滑模变结构控制或者LQR(线性二次调节器)得到分配给每个车轮的力矩。对正常工作的车轮进行力矩重分配，最大可能符合预定行车轨迹，避免突发的变化，保证车辆行驶安全和稳定。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例的结构示意图；

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明实施例的分布式驱动电动汽车的驱动系统容错控制策略，在电动汽车的驱动系统中，上层控制器采用滑模变结构控制，下层控制器采用滑模变结构控制或者LQR；该容错控制策略包括以下步骤：

在已知某个车轮失效的情况下，采用容错控制策略进行车辆的容错控制；

上层控制：选取车辆的横摆角速度和质心偏转角作为控制目标，建立失效故障下车辆横摆力矩控制体系，通过基于横摆角速度和质心偏转角进行约束的滑模变结构控制策略，计算得到期望横摆力矩；

下层控制：通过滑模变结构控制或者LQR分别实现动力学及稳定性转矩协调优化分配策略，结合期望横摆力矩，计算出车轮力矩的分配，对正常工作的车轮进行力矩重分配，保证车辆的行驶稳定。

假设可以检测到每个车辆的纵向力，故本发明在已知某个车轮失效的情况下进行容错控制。上层控制器根据横摆角速度和质心侧偏角的差值进行滑模控制，得到期望横摆力矩。下层具体实施控制的时候，通过横摆力矩决策出车轮力矩的分配。

上层输入实际横摆角速度和质心侧偏角，通过滑模公式计算出期望横摆力矩M，进而输入下层控制器。

s＝e_γ-c·e_β＝γ_d-γ+c·(β_d-β)

又由

可得：

下层输入为期望横摆力矩M。

(1)以滑模变结构控制为例，输入为期望横摆力矩M，由汽车动力学模型可以得到M和纵向力F_xij的关系：

M＝F_xfl·(sinδ_f·l_f-d·cosδ_f/2)+F_xfr·(sinδ_f·l_f+d·cosδ_f/2)-F_xrl·d/2+F_xrr·d/2根据得到的期望横摆力矩得到期望的纵向力，再由轮胎公式可以查表得到期望的滑移率λ，进而输入到滑模控制器中，进行进一步求解。

其中

这样就可以得到车轮应有的输出转矩。

(2)以LQR控制为例，计算出车轮需要变化的力矩ΔT_ij，再根据失效情况对正常工作的车轮进行力矩调整。

其中，M为上层控制器得到的附加横摆力矩，R表示车轮半径，d_f、d_r为前、后轴距，l_f、l_r为质心到前、后轴的距离，δ_f为前轮转角。

若左前轮失效，

则右前轮的期望力矩为：

则右后轮的期望力矩为：

则左后轮的期望力矩为：

其他车轮失效，则有相对应的算法。

两种下层控制策略可以实现软件冗余，若其中一种出现较大偏差，可由另一种进行补偿。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (2)

1.一种分布式驱动电动汽车的驱动系统容错控制策略，其特征在于，电动汽车的驱动系统中，上层控制器采用滑模变结构控制，下层控制器采用滑模变结构控制或者LQR；该容错控制策略包括以下步骤：

在已知某个车轮失效的情况下，采用容错控制策略进行车辆的容错控制；

上层控制：选取车辆的横摆角速度和质心偏转角作为控制目标，建立失效故障下车辆横摆力矩控制体系，通过基于横摆角速度和质心偏转角进行约束的滑模变结构控制策略，计算得到期望横摆力矩；

下层控制：通过滑模变结构控制或者LQR分别实现动力学及稳定性转矩协调优化分配策略，结合期望横摆力矩，计算出车轮力矩的分配，对正常工作的车轮进行力矩重分配，保证车辆的行驶稳定；

上层控制中采用滑模变结构控制得到车辆的期望横摆力矩；设计了附加横摆力矩控制器，用滑模变结构控制得到期望的附加横摆力矩M；选取质心侧偏角β和横摆角速度γ作为状态变量，输入为车辆的质心侧偏角β与横摆角速度γ与实际的值的误差，输出为M，公式如下：

s＝e_γ-c·e_β＝γ_d-γ+c·(β_d-β)

又由

可得：

其中，

其中，c、ε为控制器设计参数，β为质心侧偏角，β_d为期望质心侧偏角，γ为横摆角速度，γ_d为期望横摆角速度，m为整车整备质量，v_x为纵向车速，F_yf、F_yr为车辆前、后轮横向力，δ_f为前轮转角，α_f、α_r为前后轮侧偏角，l_f、l_r为质心到前、后轴的距离，k_f、k_r为前、后轮侧偏刚度，I_Z为车辆绕Z轴的转动惯量；

下层控制中采用动力学及稳定性转矩协调优化分配策略，通过滑模变结构控制或者LQR实现两种控制策略，并实现软件冗余，减小软件出错的情况；

下层控制中采用滑模变结构控制策略的具体方法为：

上层控制中用滑模变结构控制得到期望驱动力矩T；先建立附加横摆力矩M和纵向滑移率λ的关系：通过动力学方程，得到附加横摆力矩M与轮胎纵向力F_x的关系，再由魔术公式查表得到对应的滑移率λ，从而将上层控制器得到的期望附加横摆力矩经过转换得到纵向滑移率λ；通过滑移率，再建立λ和T的关系；选取纵向滑移率λ为状态变量，以期望值和实际值的误差作为控制输入，最终求得驱动力矩；其计算公式为：

其中

其中，λ为纵向滑移率，λ_d为期望纵向滑移率，q为滑模控制器设计参数，v_x为纵向车速，ω为车辆旋转角速度，R表示车轮半径，T_t表示驱动力矩，μ为路面附着系数，F_z为车辆垂向载荷，J表示车轮的转动惯量，g为重力加速度；

下层控制中采用LQR控制策略的具体方法为：

用LQR来控制失效后的力矩分配，通过对四个独立驱动的车轮施加不同大小的驱动力，来产生期望横摆力矩，下列公式为根据LQR控制力矩分配后得到的四个车轮所需要的力矩变化量：

其中，M为上层控制器得到的附加横摆力矩，R表示车轮半径，d_f、d_r为前、后轴距，l_f、l_r为质心到前、后轴的距离，δ_f为前轮转角。

2.根据权利要求1所述的分布式驱动电动汽车的驱动系统容错控制策略，其特征在于，下层控制中的动力学及稳定性转矩协调优化分配策略，针对车辆行驶理论，添加纵向驱动力、能提供最大驱动力、地面最大附着作为本约束条件：

轮胎摩擦椭圆限制：

路面附着和能提供最大驱动力对纵向力的限制：

max(-μF_zi,-F_m)≤F_xi≤min(μF_zi,F_m)

其中，F_xi为车轮纵向力，F_yi为车轮横向力，F_zi为车轮垂向载荷，μ为路面附着系数，F_m为车轮纵向力的最大值。

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