CN110481338B - 一种轮毂电机车辆失效控制方法及整车控制器 - Google Patents

一种轮毂电机车辆失效控制方法及整车控制器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及轮毂电机车辆失效控制技术领域，公开了一种轮毂电机车辆失效控制方法，包括以下步骤：根据轮毂电机的失效状态选择驱动模式；进入两驱模式时进行纵向驱动力的分配：根据二阶滑模控制方法建立横摆力矩控制器，计算期望横摆力矩；结合驾驶员意图参数和车辆姿态参数设定分配权重系数；采用根据所述期望横摆力矩和分配权重系数进行纵向驱动力的分配；结合所述驱动模式以及纵向驱动力的分配结果对车辆进行失效控制。本发明提供的轮毂电机车辆失效控制方法能够在保证汽车安全行驶的前提下发挥剩余动力性，保证汽车在电机失效状态下安全行驶。

Description

一种轮毂电机车辆失效控制方法及整车控制器
技术领域
本发明涉及轮毂电机车辆失效控制技术领域，具体涉及一种轮毂电机车辆 失效控制方法及整车控制器。
背景技术
随着汽车产业的迅速发展，新能源汽车已经成为了汽车行业大力发展主流 方向。对于电动汽车产业中的轮毂电机驱动车辆的发展，分布式轮毂电机驱动 系统可以随时独立控制每个车轮，并通过电机控制器直接发送转矩等指令给车 轮。车轮的分布式控制方式相较于传统集中式控制方式，更易于发挥车辆的动 力性、保证车辆的稳定性，同时也使车辆的驱动工况更加复杂，要求具有更高 的容错性，所以分布式轮毂电机车辆发展越来越快。但当车辆电机发生故障时， 会对车辆的安全性造成了很大隐患，故障严重时甚至会造成重大事故。
目前在分布式驱动车辆故障控制中，应用较为广泛的是驾驶员采取减速停 车的处理方法，然后进行车辆故障维修，必须等待车辆故障完全消除之后才能 进行驾驶。这种方法虽然有效但是由于维修时间较长且过程较为繁琐，会给驾 驶者带来麻烦，也没有充分发挥分布式轮毂电机车辆的独立驱动优势以及突出 车辆多驱动容错性。针对这种故障问题，目前的主流的控制方法是采取转矩平 均分配，在此基础上提出将四轮驱动变为两轮驱动的模式，以此来应对车辆发 生失效故障时的驱动问题。但是这种方法只适用于简单场景下，没有考虑到车 辆的实时状态，也没有引入驾驶员意图决策，适应性不强。如何在最大程度上 发挥分布式驱动轮毂电机车辆独立可控的优势，在车辆发生电机失效故障时能 够发挥剩余动力性，同时保证车辆的安全性，这是现阶段急需解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服上述技术不足，提供一种轮毂电机车辆失效控制方 法及整车控制器，解决现有技术中轮毂电机失效控制没有发挥剩余动力性，无 法保证车辆行驶安全的技术问题。
为达到上述技术目的，本发明的技术方案提供轮毂电机车辆失效控制方法， 包括以下步骤：
根据轮毂电机的失效状态选择驱动模式；
进入两驱模式时进行纵向驱动力的分配：根据二阶滑模控制方法建立横摆 力矩控制器，计算期望横摆力矩；结合驾驶员意图参数和车辆姿态参数设定分 配权重系数；根据所述期望横摆力矩和分配权重系数进行纵向驱动力的分配；
结合所述驱动模式以及纵向驱动力的分配结果对车辆进行失效控制。
与现有技术相比，本发明的有益效果包括：本发明首先根据轮毂电机的失 效状态选择相应的驱动模式，当车辆进如两驱模式时，车辆仍然可以正常行驶， 计算期望横摆力矩后，结合驾驶员意图参数和车辆姿态参数进行纵向驱动力的 分配，使得车辆在两驱模式时，能够最大化利用轮毂电机独立可控的优势，充 分发挥剩余动力性，保证车辆安全性的同时进行两驱行驶，不需要立即停车检 修。由于车辆行驶状态和工况的复杂性，本发明基于整车行驶状况的实时观测 和失效故障的特征进行策略选择控制，使车辆能够满足不同场景下的控制需求。 对于驱动模式的选择，主要根据车辆故障检测系统得到的电机失效特征来确定 采取何种驱动模式。本发明采用上层初级控制和下层二级控制结合的方法，可以在很大程度上提高车辆故障发生时的安全性，最大化发挥利用轮毂电机车辆 独立可控的优势。
附图说明
图1是本发明提供的轮毂电机车辆失效控制方法一实施方式的流程图；
图2是本发明提供的驱动模式选择一实施方式的流程图；
图3是本发明提供的横摆力矩控制器一实施方式的设计原理图；
图4a是仿真试验一中添加横摆力矩控制器的行驶轨迹图；
图4b是仿真试验一中未添加横摆力矩控制器的行驶轨迹图；
图4c是仿真试验一中添加与未添加横摆力矩控制器的车速对比图；
图4d是仿真试验一中添加与未添加横摆力矩控制器的横摆角速度对比图；
图4e是仿真试验一中添加与未添加横摆力矩控制器的质心侧偏角对比图；
图4f是仿真试验一中添加与未添加横摆力矩控制器的纵向加速度对比图；
图5a是仿真试验二中本发明工况与对比工况的车速对比图；
图5b是仿真试验二中本发明工况与对比工况的质心侧偏角对比图；
图5c是仿真试验二中本发明工况与对比工况的横摆角速度对比图；
图5d是仿真试验二中本发明工况与对比工况的纵向加速度对比图；
图5e是仿真试验二中对比工况的各车轮转矩分配图；
图5f是仿真试验二中本发明工况的各车轮转矩分配图。
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 仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
如图1示，本发明的实施例1提供了轮毂电机车辆失效控制方法，以下简 称本控制方法，包括以下步骤：
S1、根据轮毂电机的失效状态选择驱动模式；
S2、进入两驱模式时进行纵向驱动力的分配：根据二阶滑模控制方法建立 横摆力矩控制器，计算期望横摆力矩；结合驾驶员意图参数和车辆姿态参数设 定分配权重系数；根据所述期望横摆力矩和分配权重系数进行纵向驱动力的分 配；
S3、结合所述驱动模式以及纵向驱动力的分配结果对车辆进行失效控制。
分布式驱动车辆在行驶过程中，可能会发生驱动轮毂电机突然发生故障导 致驱动电机失效的情况。此时如果不及时对车辆进行安全控制，因失效电机不 响应而带来的动力不平衡将会严重影响行车安全性。本实施例主要针对轮毂电 机失效车辆进入两驱模式时的失效控制，制定了在保证车辆不失稳前提下，充 分发挥整车动力性的控制策略。车辆进入两驱模式后根据二阶滑模控制计算得 到期望横摆力矩；然后针对车辆需求转矩的优化分配，引入分配权重系数获取 分配给有效车轮的纵向驱动力的最优解，从而最大程度上发挥车辆的动力性。 完成了在车辆发生失效故障时，基于车辆稳定性前提下，最大化发挥车辆动力 性的控制方法，本方法能同时进行多故障模式的容错处理，在保证车辆稳定性的前提下，可发挥分布式轮毂电机驱动车辆的优点。
具体的，本发明中提及的两驱模式包括两个前轮实现驱动的前驱模式、两 个后轮实现驱动的后驱模式，以及一个前轮一个后轮实现的对角驱动模式。
本控制方法针对现有控制方法无法满足车辆姿态变化的复杂性的，设计横 摆力矩控制器，保证车辆的动力性和稳定性。并对纵向驱动力进行优化分配， 使车辆能够在不失稳的前提下充分发挥车辆的动力性，最大化发挥轮毂电机车 辆独立可控高容错的特点。
优选的，根据轮毂电机的失效状态选择驱动模式，具体为：
如果轮毂电机的失效个数为一个，则控制与失效轮毂电机同轴异侧的轮毂 电机停止运行，然后进入两驱模式；如果同轴异侧的两个轮毂电机失效，则进 入两驱模式；如果异轴异侧的两个轮毂电机失效，则进入两驱模式；如果同侧 的两个轮毂电机失效，则进入停车模式；如果轮毂电机的失效个数为三个或三 个以上，则进入停车模式。
具体的，轮毂电机以下简称电机。
车辆驱动模式的选择是本发明中控制策略的基础，整车控制器实时采集车 辆失效电机信息，依据失效电机个数和位置进行失效故障下的驱动模式选择， 本实施例全面考虑到车辆失效电机的所有可能情况。主要的失效形式有：单电 机失效、同轴两电机失效、同侧两电机失效、异轴异侧两电机失效、三电机失 效以及全电机失效。根据失效电机个数和位置，确定车辆的驱动模式，主要驱 动模式：两驱模式和停车模式，两驱模式包括前驱、后驱和对角驱动。
单电机失效下驱动模式：车辆在行驶过程中出现一个电机失效的情况时， 进入一级跛行模式，同时整车控制器发送指令停止与失效电机同轴异侧的电机 的驱动，使车辆变成两驱模式。
双电机失效下驱动模式：车辆在行驶过程中出现两个电机失效的情况时， 车辆进入二级跛行模式。当同侧两电机失效时，此时车辆进入减速停车模式； 当同轴异侧两电机失效时，此时车辆可以进行正常的跛行模式；当异轴异侧两 电机出现故障时，此时车辆利用对角两完好电机进入两驱模式，进行对角驱动。
三电机及四电机失效下驱动模式：车辆故障系统检测到有三个及以上电机 出现失效故障时，此时车辆应该迅速进入三级跛行模式，应该迅速进入停车模 式。
图2示出了对于不同数量和位置的电机出现故障失效时驱动模式的选择。
优选的，根据二阶滑模控制方法建立横摆力矩控制器，计算期望横摆力矩， 具体为：
获取车辆转向时当前时刻与下一时刻的状态变化方程：
vx(t+Δt)＝vx-vy sinΔθvxvy
其中，vx(t+Δt)为下一时刻的车辆纵向速度，vx为当前时刻的车辆纵向速 度，vy为当前时刻的车辆横向速度，Δθ为当前时刻与下一时刻间转向轮转角 差值；
根据状态变化方程获取转向平衡方程：
Figure BDA0002140529040000051
其中，Fy为侧向力矩，MZ为转动力矩，Fyf为前轴侧向力，Fyr为后轴侧 向力，δ为前轴转向轮转角，a为前轴到质心的距离，b为后轴到质心的距离；
转换所述转向平衡方程得到：
Figure BDA0002140529040000061
其中，kf为前轴侧偏刚度，kr为后轴的侧偏刚度，α1为前轮侧偏角，α2后轮侧偏角；
获取车辆运动过程中受力与运动状态的关系式为：
Figure BDA0002140529040000062
其中，γ为实际质心侧偏角，β为实际横摆角速度；
根据所述转向平衡方程获取期望质心侧偏角和期望横摆角速度：
Figure BDA0002140529040000063
Figure BDA0002140529040000064
其中，γtarget为所述期望质心侧偏角，βtarget为所述期望横摆角速度，
Figure BDA0002140529040000065
为车辆稳定性系数，δ为前轴转向轮转角，m为整车质量，d为 前轴与后轴之间的轴距；
获取实际横摆角速度与期望横摆角速度的差值：
Δβ＝|β-βtarget|
其中，Δβ为实际横摆角速度与期望横摆角速度的差值；
获取实际质心偏侧角与期望质心偏侧角的差值：
Δγ＝|γ-γtarget|
其中，Δγ为实际质心偏侧角与期望质心偏侧角的差值；
计算控制权重系数，用于对期望质心侧偏角和期望横摆角速度进行协调控 制：
Figure BDA0002140529040000071
其中，ξ为权重系数，μ为地面附着力，Fxmax为最大纵向驱动力，ε1、ε2为 二阶滑模趋近律参数的两种不同取值，
Figure BDA0002140529040000072
为实际横摆角速度变化率；
二阶滑模控制器：
s＝ζeγ+(1-ζ)eβ
其中，s为二阶滑模的控制变量，eγ、eβ均为二阶滑模的输入变量，ζ为 二阶滑模的变量控制参数；
以横摆力矩作为二阶滑模的控制变量，以实际横摆角速度与期望横摆角速 度的差值以及实际质心侧偏角与期望质心侧偏角的差值作为二阶滑模的输入变 量，以控制权重系数作为二阶滑模的变量控制参数，建立横摆力矩控制器：
M＝ξΔγ+(1-ξ)Δβ＝ξ(γtarget-γ)+(1-ξ)(βtarget-β)
获取车辆运动学公式：
Figure BDA0002140529040000073
Figure BDA0002140529040000074
其中，Mtarget为期望横摆力矩，Fyf为前轴侧向力，Fyr为后轴侧向力，α为 轮胎侧偏角，
Figure BDA0002140529040000075
为实际质心偏侧角变化率，
Figure BDA0002140529040000076
为期望质心侧偏角变化率；
获取二阶滑模趋近律：
Figure BDA0002140529040000077
Figure BDA0002140529040000078
其中，ε为趋近律参数；
结合所述横摆力矩控制器、运动学公式以及二阶滑模趋近律，得到期望横 摆力矩：
Figure BDA0002140529040000081
其中，
Figure RE-GDA0002235930710000082
为期望横摆角速度变化率，δ为前轴转向轮转角，
Figure RE-GDA0002235930710000083
kf为前轴侧偏刚度， kr为后轴的侧偏刚度，lf为前轴到质心的距离，lr为后轴到质心的距离，IZ为 横摆转动惯量。
本优选实施例采用二阶滑模控制，控制变量为车辆的横摆力矩，以此来保 证车辆质心侧偏角和横摆角速度处于极限稳定性阈值范围内。横摆力矩控制器 采用了滑模的思想，利用车辆传感器参数和动力学参数计算得到车辆的实际质 心侧偏角以及实际横摆角速度，选取质心侧偏角和横摆角速度作为目标状态控 制量，横摆力矩控制器的输入变量为期望质心侧偏角与实际质心侧偏角的差值、 期望横摆角速度与实际横摆角速度的差值，输出变量为横摆力矩，得到关于汽 车失效故障下横摆力矩控制器。图3为横摆力矩控制器的设计原理图。
优选的，结合驾驶员意图参数和车辆姿态参数设定分配权重系数，具体为：
计算动力性权重系数和稳定性权重系数：
Figure BDA0002140529040000084
Figure BDA0002140529040000085
其中，HF为所述动力性权重系数，HM为所述稳定性权重系数，ki均为大 于零的常数，i＝1,2,3…,8；
轮毂电机的失效个数为一个，选择所述动力性权重系数作为所述约束条件 的分配权重系数；同轴异侧的两个轮毂电机失效，选择所述动力性权重系数作 为所述约束条件的分配权重系数；异轴异侧的两个轮毂电机失效，选择所述稳 定性权重系数作为所述约束条件的分配权重系数。
依据汽车不同状态进行模式选择，HF会随着车速的升高、转向盘转角绝对 值的增大而逐渐减小。HM会随着车速升高、转向盘转角绝对值的增大而增大。
本实施例中对横摆力矩分配器的设计，考虑到汽车动力性和稳定性的协调 权重分配，根据车辆轮毂电机失效的位置和数量进行驱动轮的选择以及转矩分 配，汽车动力性和稳定性的协调权重分配具体如图2所示。同时结合车速和方 向盘转角等车辆状态进行转矩分配的优化，设计Fd_total与Mtarget为基于动力性与稳 定性控制的加权后的控制目标，权重系数HF、HM为二者控制所占权数，HF和HM的 取值，主要通过车辆实时状态并综合驾驶员意图所确定。使车辆在不同驱动模 式能有效满足附加横摆力矩需求，安全稳定的进入两驱模式。
优选的，根据所述期望横摆力矩和分配权重系数进行纵向驱动力的分配， 具体为：
Y＝BX
Y＝[Fd,Myaw]
Figure BDA0002140529040000091
其中，X为分配前各车轮的纵向驱动力矩矩阵，X＝[Fxfl,Fxfr,Fxrl,Fxrr]T， Y为分配后各车轮的纵向驱动力及横摆力矩阵，B为分配矩阵，Fd为实际纵向 驱动力，Myaw为实际横摆力矩，tf为前轮轮距；
设置约束条件计算各车轮的纵向驱动力：
Figure BDA0002140529040000092
其中，Ω为约束参数，Hy为分配权重系数，Ytarget为纵向驱动力及横摆力 矩矩阵，FZij为各个车轮的垂向力，Fxij为各个车轮的纵向驱动力，ij＝fl,fr,rl,rr， fl为左前车轮，fr为右前车轮，rl左后车轮，rr右后车轮。
优选的，所述纵向驱动力的分配还包括，对所述纵向驱动力的分配进行二 次规划：
Figure BDA0002140529040000101
其中，f(x)为横摆力矩函数，G和P均为规划系数矩阵，μ为地面附着力， FZij为各个车轮的垂向力，Fxij为各个车轮所分配的纵向驱动力，ij＝fl,fr,rl,rr，fl 为左前车轮，fr为右前车轮，rl左后车轮，rr右后车轮，Fmax为最大纵向驱动 力；
根据所述动力性权重系数和稳定性权重系数计算规划系数矩阵：
Figure BDA0002140529040000102
Figure BDA0002140529040000103
其中，tf为前轮轮距，tr后轮轮距，Fd_target为车辆纵向总需求力；
结合车辆动力学，得到二次规划后各车轮所分配的纵向驱动力：
Figure BDA0002140529040000104
本实施例设定稳定性参数和地面附着力等限定条件进行阈值约束，则可得 到车辆有效车轮的纵向驱动力，以此来确定汽车电机的输出转矩，利用二次规 划算法求出最优的X，即各个车轮的纵向驱动力。
本优选实施例，在期望横摆力矩分配中引入二次规划，目的是为了计算出 各个车轮的纵向驱动力。对于期望横摆力矩二次规划设计需要设定限定条件进 行区间限制，通过此可以得到车辆跛行状态下正常横摆力矩值，结合车辆动力 学理论，从而确定车辆每个车轮的纵向驱动力，进而可以得到电机的输出转矩， 依据以上对于汽车动力性权重系数和稳定性权重系数的计算和横摆力矩的二次 规划分配，可以得到车辆在不同跛行状态下轮毂电机的实时需求的纵向驱动力 及力矩。整车控制器将目标转矩指令发送给对应电机控制器，控制对应无故障 的轮毂电机，使车辆安全平稳进入跛行模式。
本实施例在计算期望横摆力矩的基础上，对附加横摆力矩分配器进行了相 应设计，同时考虑到汽车动力性和稳定性的协调权重分配。下层控制依据车辆 失效轮毂电机的位置和数量，结合汽车车速和方向盘转角进行分配策略的优化 选择，使得汽车在不同等级下的跛行驱动模式中可以稳定有效的提供车辆需要 的力矩值。
优选的，本控制方法还包括，轮毂电机的失效个数为三个时进行纵向驱动 力的分配：
判断车辆的行驶方向：
如果车辆为直线行驶，则控制电机负载清零并制动停车；
如果车辆为左转向行驶，此时δ＞0，进一步判断正常轮毂电机的位置，如 果车辆右后侧轮毂电机正常时，右后侧车轮的纵向驱动力分配为
Figure BDA0002140529040000111
如果 车辆右前侧轮毂电机正常时，右前侧车轮的纵向驱动力分配为
Figure BDA0002140529040000112
如 果车辆左后侧轮毂电机正常时，左后侧车轮的纵向驱动力分配为
Figure BDA0002140529040000113
如 果车辆左前侧轮毂电机正常时，左前侧车轮的纵向驱动力分配为
Figure BDA0002140529040000114
如果车辆为右转向行驶，此时δ＜0，进一步判断正常轮毂电机的位置，如 果车辆右后侧轮毂电机正常时，右后侧车轮的纵向驱动力分配为
Figure BDA0002140529040000115
如果车辆右前侧轮毂电机正常时，右前侧车轮的纵向驱动力分配为
Figure BDA0002140529040000121
如果车辆左后侧轮毂电机正常时，左后侧车轮的纵向驱动力分配 为
Figure BDA0002140529040000122
如果车辆左前侧轮毂电机正常时，左前侧车轮的纵向驱动力分配为
Figure BDA0002140529040000123
其中，MZ为转动力矩，δ为前轴转向轮转角，a为前轴到质心的距离，b为 后轴到质心的距离。
对于步骤S1中分析得到的关于电机不同失效数量和失效位置所对应驱动 模式的选择中，若出现三电机及以上电机故障时，车辆选择迅速靠边停车模式， 否则车辆将无法保证其稳定性而引发车辆安全问题。本优选实施例中，在此种 情况发生时，将对驾驶员意图以及车辆行驶状态进行识别，然后选择适当的控 制策略进行紧急停车。当车辆处于直线行驶工况，需立即控制电机负载清零， 进行紧急制动停车；当车辆处于转向工况，车辆需提供附加横摆力矩控制车辆 处于稳定性阈值范围内，靠边停车模式主要针对同侧两电机故障以及三电机及 以上故障。
单电机正常工作下控制策略：对于车辆检测得到单个电机正常工作而其余 三电机失效故障时，此时车辆不能控制电机驱动车辆继续行驶。在此状态下， 依据电机故障失效的位置和车辆转向方向，对正常电机进行纵向驱动力的分配， 从而控制车辆稳定安全的停车。
优选的，本控制方法还包括，同侧的两个轮毂电机失效时进行纵向驱动力 的分配：
判断车辆的行驶方向：
如果车辆为直线行驶，则控制电机负载清零并制动停车；
如果车辆为左转向行驶，此时δ＞0，进一步判断正常轮毂电机的位置，如 果车辆右侧两个轮毂电机正常时，右前侧车轮的的纵向驱动力分配为
Figure BDA0002140529040000124
右后侧车轮的纵向驱动力分配为
Figure BDA0002140529040000125
如果车辆左侧两个轮毂 电机正常时，左前侧车轮的的纵向驱动力分配为
Figure BDA0002140529040000131
左后侧车轮的 纵向驱动力分配为
Figure BDA0002140529040000132
如果车辆为右转向行驶，此时δ＜0，进一步判断正常轮毂电机的位置，如 果车辆右侧两个轮毂电机正常时，右前侧车轮的纵向驱动力分配为
Figure BDA0002140529040000133
右后侧车轮的纵向驱动力分配为
Figure BDA0002140529040000134
如果车辆左侧两个 轮毂电机正常时，左前侧车轮的纵向驱动力分配为
Figure BDA0002140529040000135
左后侧车轮的 纵向驱动力分配为
Figure BDA0002140529040000136
其中，MZ为转动力矩，δ为前轴转向轮转角，a为前轴到质心的距离，b为 后轴到质心的距离。
对于车辆检测到同一侧两电机出现故障，对侧两电机可以正常工作时，此 时车辆继续行驶将失去行驶稳定性，因此不能控制电机驱动车辆继续跛行行驶。 车辆在此状态下，依据电机失效位置和车辆转向方向为正常电机分配纵向驱动 力，从而控制车辆稳定安全的停车。
优选的，本控制方法还包括，轮毂电机的失效个数为四个时进行纵向驱动 力的分配：
各车轮纵向驱动力均分配为零。
全电机故障下安全控制策略：对于车辆行驶过程中检测发现所有轮毂电机 都出现失效故障时，此时行驶非常危险，车辆需要立即进行制动减速，停车同 时可开启报警闪光灯以示提醒。
本发明对于车辆故障检测中出现同侧两电机故障、三电机及四电机故障时， 为保证车辆的安全性，车辆选择迅速停车模式的故障处理方法。基于此故障模 式下的行驶理论，当车辆处于直线行驶工况，需立即控制电机负载清零，进行 紧急制动停车；当车辆处于转向工况，车辆需提供附加横摆力矩控制车辆处于 稳定性阈值范围内，同时考虑加入驾驶员转向意图作为主动判断条件，驾驶员 转向意图主要分为左转向和右转向两种。
具体的，以下通过仿真实验结果进行验证说明。
仿真实验一：针对横摆力矩控制器的蛇形工况仿真试验
蛇形工况仿真试验主要依据GB/T6323.1-1994进行，在路面附着系数为0.8 的路面以50km/h的稳定车速通过7段标桩。
图4a为未添加本发明提供的横摆力矩控制器时的行驶轨迹图，图4b为添 加本发明提供的横摆力矩控制器时的轨迹图，可看出未添加横摆力矩控制器的 车辆无法完成蛇形路面试验，车辆在70m后发生失稳，偏离行驶轨迹。而添加 横摆力矩控制器后车辆能完整地通过蛇形路面，具有良好的循迹能力且整车未 失稳。
从图4c和图4d可看出，添加横摆力矩控制器后的纵向车速发生波动后很 快去向稳定，车速跟随原来的车速，横摆角速度最大值为1deg/s且跟随车辆行 驶轨迹；而未添加横摆力矩控制器车辆在失去循迹能力之后最大横摆角速度达 到-2.5deg/s，超过路面所能提供的最大附着极限，车辆原地打转失稳。
从图4e可看出，添加横摆力矩控制器后在路径侧向偏移量最大位置时质心 侧偏角为20deg，而未添加横摆力矩控制器时质心侧偏角最大达到60deg，且此 时车辆出现失稳。从图4f可看出，添加横摆力矩控制器后纵向加速度最大值为 2m/s2，且跟随车辆行驶轨迹；而未添加横摆力矩控制器车辆在失去循迹能力之 后最大纵向加速度达到6m/s2，超过路面所能提供的最大附着极限，车辆原地打 转失稳。
仿真实验二：针对纵向驱动力分配算法的高附路面急加速工况试验
高附路面急加速工况试验是选取加速工况验证本发明纵向驱动力分配算法 的有效性，试验时间为15s。为保证在此时间范围内，速度覆盖范围较大，故 选取较大的加速度。设计加速踏板开度为0.9，路面附着系数为0.85。加速过 程中为验证故障状态下动力性与稳定性的加权分配算法，对比工况为添加横摆 力矩平均分配的算法，本发明工况为添加本发明提供的分配权重系数以及纵向 驱动力的分配算法。
图5a示出了两种工况的车速对比情况，图5b示出了两种工况的质心侧偏 角对比情况，图5c示出了两种工况的横摆角速度对比情况，图5d示出了两种 工况的纵向加速度对比情况，图5e示出了对比工况各车轮转矩分配情况，图 5f示出了本发明工况的各车轮转矩分配情况。分析图5a，在第一次出现失效故 障时，车辆处于低速状态，本发明工况此时处于单轴驱动状态，保证车辆动力 性的补充，在5至10s单轴驱动期间，本发明工况车速相对目标值降低了2km/h 左右，提升车辆动力性响应，而对比工况的车速降低了20km/h。从图5b-图5d 可看出，在5s及10s失效时，本发明工况质心侧偏角产生了峰值并迅速恢复正 常值，当10s发生失效故障时，此时车速已达到70km，此时稳定性权重系数上 升，再分配的质心侧偏角得以控制，车辆未出现失稳，在5至10s以及10至 15s时，按照故障驱动模式转换后，车辆的质心侧偏角以及横摆角速度取值很 小，车辆处于稳态。最大质心侧偏角为0.001deg，最大横摆角速度为 0.015deg/s，车辆整体处于平稳状态。因此，本发明提供的纵向驱动力分配算 法在失效控制模式下，有效地提升了车辆的动力性并保证了车辆稳定性。
实施例2
本发明的实施例2提供了整车控制器，包括处理器以及存储器，所述存储 器上存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，实现以上任一 实施例提供的轮毂电机车辆失效控制方法。
轮毂电机车辆失效控制方法具体为：根据轮毂电机的失效状态选择驱动模 式；
进入两驱模式时进行纵向驱动力的分配：根据二阶滑模控制方法建立横摆 力矩控制器，计算期望横摆力矩；结合驾驶员意图参数和车辆姿态参数设定分 配权重系数；根据所述期望横摆力矩和分配权重系数进行纵向驱动力的分配；
结合所述驱动模式以及纵向驱动力的分配结果对车辆进行失效控制。
本发明提供的整车控制器，用于实现轮毂电机车辆失效控制方法，因此， 上述轮毂电机车辆失效控制方法所具备的技术效果，整车控制器同样具备，在 此不再赘述。
以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任 何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本 发明权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.一种轮毂电机车辆失效控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
根据轮毂电机的失效状态选择驱动模式，具体为：如果轮毂电机的失效个数为一个，则控制与失效轮毂电机同轴异侧的轮毂电机停止运行，然后进入两驱模式；如果同轴异侧的两个轮毂电机失效，则进入两驱模式；如果异轴异侧的两个轮毂电机失效，则进入两驱模式；
进入两驱模式时进行纵向驱动力的分配：根据二阶滑模控制方法建立横摆力矩控制器，计算期望横摆力矩；结合驾驶员意图参数和车辆姿态参数设定分配权重系数；采用根据所述期望横摆力矩和分配权重系数进行纵向驱动力的分配；
结合所述两驱模式以及纵向驱动力的分配结果对车辆进行失效控制；
根据二阶滑模控制方法建立横摆力矩控制器，计算期望横摆力矩，具体为：
以横摆力矩作为二阶滑模的控制变量，以实际横摆角速度与期望横摆角速度的差值以及实际质心侧偏角与期望质心侧偏角的差值作为二阶滑模的输入变量，以控制权重系数作为二阶滑模的变量控制参数，建立横摆力矩控制器：
M＝ξΔγ+(1-ξ)Δβ＝ξ(γtarget-γ)+(1-ξ)(βtarget-β)
其中，M为所述横摆力矩，γ为实际质心侧偏角，β为实际横摆角速度，γtarget为期望质心侧偏角，βtarget为期望横摆角速度，Δγ为实际质心侧偏角与期望质心侧偏角的差值，Δβ为实际横摆角速度与期望横摆角速度的差值，ξ为控制权重系数；
获取车辆运动学公式：
Figure FDA0003926464370000011
Figure FDA0003926464370000012
其中，m为整车质量，vx为车辆纵向速度，
Figure FDA0003926464370000013
为实际质心侧偏角变化率，Fyf为前轴侧向力，Fyr为后轴侧向力，
Figure FDA0003926464370000021
为期望质心侧偏角变化率，α为轮胎侧偏角，Mtarget为期望横摆力矩；
获取二阶滑模趋近律：
Figure FDA0003926464370000022
其中，ε为趋近律参数；
结合所述横摆力矩控制器、运动学公式以及二阶滑模趋近律，得到期望横摆力矩：
Figure FDA0003926464370000023
其中，
Figure FDA0003926464370000024
为期望横摆角速度变化率，δ为前轴转向轮转角，
Figure FDA0003926464370000025
kf为前轴侧偏刚度，kr为后轴侧偏刚度，lf为前轴到质心的距离，lr为后轴到质心的距离，IZ为横摆转动惯量；
结合驾驶员意图参数和车辆姿态参数设定分配权重系数，具体为：
计算动力性权重系数和稳定性权重系数：
Figure FDA0003926464370000026
Figure FDA0003926464370000027
其中，HF为所述动力性权重系数，HM为所述稳定性权重系数，ki均为大于零的常数，i＝1,2,3…,8；
轮毂电机的失效个数为一个，选择所述动力性权重系数作为约束条件的分配权重系数；同轴异侧的两个轮毂电机失效，选择所述动力性权重系数作为所述约束条件的分配权重系数；异轴异侧的两个轮毂电机失效，选择所述稳定性权重系数作为所述约束条件的分配权重系数。
2.根据权利要求1所述的轮毂电机车辆失效控制方法，其特征在于，根据轮毂电机的失效状态选择驱动模式，还包括：
如果同侧的两个轮毂电机失效，则进入停车模式；如果轮毂电机的失效个数为三个或三个以上，则进入停车模式。
3.根据权利要求1所述的轮毂电机车辆失效控制方法，其特征在于，根据所述期望横摆力矩和分配权重系数进行纵向驱动力的分配，具体为：
Y＝BX
Ytarget＝[Fd，Myaw]
Figure FDA0003926464370000031
其中，X为分配前各车轮的纵向驱动力矩阵，Y为分配后各车轮的纵向驱动力，Ytarget为各车轮的实际纵向驱动力及横摆力矩矩阵，B为分配矩阵，Fd为实际纵向驱动力，Myaw为实际横摆力矩，tf为前轮轮距；
设置约束条件计算各车轮的纵向驱动力：
Figure FDA0003926464370000032
其中，Ω为约束参数，Hy为分配权重系数，Ytarget为实际纵向驱动力及横摆力矩矩阵，FZij为各个车轮的垂向力，Fxij为各个车轮所分配的纵向驱动力，ij＝fl,fr,rl,rr，fl为左前车轮，fr为右前车轮，rl左后车轮，rr右后车轮,μ为地面附着力,Fmax为最大纵向驱动力。
4.根据权利要求3所述的轮毂电机车辆失效控制方法，其特征在于，所述纵向驱动力的分配还包括，对所述纵向驱动力的分配进行二次规划：
Figure FDA0003926464370000041
其中，f(x)为横摆力矩函数，G和P均为规划系数矩阵，μ为地面附着力，FZij为各个车轮的垂向力，Fxij为各个车轮所分配的纵向驱动力，ij＝fl,fr,rl,rr，fl为左前车轮，fr为右前车轮，rl左后车轮，rr右后车轮，Fmax为最大纵向驱动力；
根据所述动力性权重系数和稳定性权重系数计算规划系数矩阵：
Figure FDA0003926464370000042
Figure FDA0003926464370000043
其中，tf为前轮轮距，tr为后轮轮距，Fd_target为车辆纵向总需求力；
结合车辆动力学，得到二次规划后各车轮所分配的纵向驱动力：
Figure FDA0003926464370000044
其中，Fd_target为车辆纵向总需求力，tf为前轮轮距，tr为后轮轮距。
5.根据权利要求1所述的轮毂电机车辆失效控制方法，其特征在于，还包括，轮毂电机的失效个数为三个时进行纵向驱动力的分配：
判断车辆的行驶方向：
如果车辆为直线行驶，则控制电机负载清零并制动停车；
如果车辆为左转向行驶，进一步判断正常轮毂电机的位置，如果车辆右后侧轮毂电机正常时，右后侧车轮的纵向驱动力分配为
Figure FDA0003926464370000051
如果车辆右前侧轮毂电机正常时，右前侧车轮的纵向驱动力分配为
Figure FDA0003926464370000052
如果车辆左后侧轮毂电机正常时，左后侧车轮的纵向驱动力分配为
Figure FDA0003926464370000053
如果车辆左前侧轮毂电机正常时，左前侧车轮的纵向驱动力分配为
Figure FDA0003926464370000054
如果车辆为右转向行驶，进一步判断正常轮毂电机的位置，如果车辆右后侧轮毂电机正常时，右后侧车轮的纵向驱动力分配为
Figure FDA0003926464370000055
如果车辆右前侧轮毂电机正常时，右前侧车轮的纵向驱动力分配为
Figure FDA0003926464370000056
如果车辆左后侧轮毂电机正常时，左后侧车轮的纵向驱动力分配为
Figure FDA0003926464370000057
如果车辆左前侧轮毂电机正常时，左前侧车轮的纵向驱动力分配为
Figure FDA0003926464370000058
其中，MZ为转动力矩，δ为前轴转向轮转角，a为前轴到质心的距离，b为后轴到质心的距离。
6.根据权利要求1所述的轮毂电机车辆失效控制方法，其特征在于，还包括，同侧的两个轮毂电机失效时进行纵向驱动力的分配：
判断车辆的行驶方向：
如果车辆为直线行驶，则控制电机负载清零并制动停车；
如果车辆为左转向行驶，进一步判断正常轮毂电机的位置，如果车辆右侧两个轮毂电机正常时，右前侧车轮的纵向驱动力分配为
Figure FDA0003926464370000059
右后侧车轮的纵向驱动力分配为
Figure FDA00039264643700000510
如果车辆左侧两个轮毂电机正常时，左前侧车轮的纵向驱动力分配为
Figure FDA00039264643700000511
左后侧车轮的纵向驱动力分配为
Figure FDA0003926464370000061
如果车辆为右转向行驶，进一步判断正常轮毂电机的位置，如果车辆右侧两个轮毂电机正常时，右前侧车轮的纵向驱动力分配为
Figure FDA0003926464370000062
右后侧车轮的纵向驱动力分配为
Figure FDA0003926464370000063
如果车辆左侧两个轮毂电机正常时，左前侧车轮的纵向驱动力分配为
Figure FDA0003926464370000064
左后侧车轮的纵向驱动力分配为
Figure FDA0003926464370000065
其中，MZ为转动力矩，δ为前轴转向轮转角，a为前轴到质心的距离，b为后轴到质心的距离。
7.根据权利要求1所述的轮毂电机车辆失效控制方法，其特征在于，还包括，轮毂电机的失效个数为四个时进行纵向驱动力的分配：
各车轮纵向驱动力均分配为零。
8.一种整车控制器，其特征在于，包括处理器以及存储器，所述存储器上存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，实现如权利要求1-7任一所述的轮毂电机车辆失效控制方法。
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