CN110937019B - 双电机线控转向系统的电机热力学保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种双电机线控转向系统的电机热力学保护方法，利用模型预测控制（MPC）通过电机热模型进行电机温度的预测。当一个电机过热后可以通过降低该电机的输出扭矩降低电机的温度，并采用另一个电机进行扭矩的补偿。当过热电机冷却后，双电机在恢复到正常的工作分配状态。综上，本发明专利提出的一种考虑电机热力学保护的双电机线控转向系统控制策略既可以实现线控转向系统转向电机的热力学保护防止电机热力学损害，又可以保证汽车的转向特性。

Description

双电机线控转向系统的电机热力学保护方法

技术领域

本发明涉及电机热保护容错技术领域，具体是双电机线控转向系统的电机热力学保护方法。

背景技术

线控转向作为一种智能化电子控制技术日益凸显出其独特的优势。线控转向系统可以实现主动转向，显著提高了转向系统的操作稳定性。机械连接的取消提高了汽车稳定性与操作稳定性，但采用线控代替机械连接的方式，使容错控制变成了确保线控转向汽车安全的关键。转向执行电机作为系统的执行机构，在转向过程中充当重要的组成部分，它的状态对汽车转向有极大影响。在转向过程中，转向电机是转向的动力源，一旦电机出现故障，电机的转向特性就很难保证，可能会出现较大的安全隐患。转向电机的工作环境恶劣，电机的寿命极大的受到电机温度的影响，同时电机也很容易因为过热而损坏进而影响车辆的转向性能，因此有必要针对线控转向系统制定相应的电机热力学保护策略，在保证线控转向系统转向性能的同时，改善转向电机的工作条件，提高转向电机的使用寿命。

发明内容

本发明为了解决现有技术的问题，提供了双电机线控转向系统的电机热力学保护方法，可以实现线控转向系统转向电机的热力学保护防止电机热力学损害，又可以保证汽车的转向特性。

本发明采用的双电机线控转向系统包括采集单元，转向盘总成，ECU控制模块,主辅双电机执行单元。

采集单元与ECU控制模块、转向盘总成及主辅双电机执行单元分别连接。所述采集单元包括转向盘转角传感器，转向盘力矩传感器，主转向电机转矩和转速传感器，辅转向电机转矩和转速传感器，车速传感器，横摆角速度传感器。

ECU控制模块与采集单元、主辅双电机执行单元、转向盘总成分别连接。

主辅双电机执行单元包括主转向电机控制器，主转向电机，主离合器，辅转向电机控制器，辅转向电机，辅离合器，齿轮齿条机构，前轮，转矩耦合器。

所述的主转向电机及主离合器分别连接主转向电机控制器，辅转向电机及辅离合器分别连接辅转向电机控制器，主转向电机通过主离合器与转矩耦合器的一个输入扭矩端相连、辅转向电机通过辅离合器与转矩耦合器的另一个输入扭矩端相连，转矩耦合器的输出扭矩端与齿轮齿条机构相连，前轮安装在齿轮齿条机构的两侧。

主转向电机转矩和转速传感器安装在主转向电机上，辅转向电机转矩和转速传感器安装在辅转向电机上，主电机扭矩和转速传感器与辅助电机扭矩和转速传感器连接总线，将主电机控制器及辅转向电机控制器的信号输入到总线中，再通过总线传输到ECU控制模块中。

所述的转向盘总成包括转向盘、转向柱、路感电机,路感电机控制器,转向盘通过转向杆柱与路感电机及转向盘转角传感器相连接，转向盘力矩传感器安装在转向杆柱上，路感电机控制器连接路感电机及转向盘力矩传感器，控制路感电机的运行。

所述ECU控制模块包括运算控制器和电机热力学保护单元，运算控制器包括电子控制单元和稳定性控制单元；运算控制器与路感电机控制器及总线相连接；运算控制器接收辅转向电机转矩，转速，电流，电压信号，主转向电机转矩，转速，电流，电压信号，转向盘力矩传感器传递的信号，并将指令传送给Flexray总线，总线将信号传递给电机热力学保护单元，电机热力学保护单元将热力学保护策略结果通过Flexray总线传递给主转向电机控制器及辅转向电机控制器，并实现电机间的热力学保护。

本发明提供的基于双电机线控转向系统控制的电机热力学保护策略具体包括以下步骤：

1)构建线控转向双电机耦合转向系统，包括采集单元、转向盘总成、ECU控制模块、主辅双电机执行单元；

2)在汽车行驶过程中，通过采集单元实时采集方向盘转角信号θ_sw,实际横摆角速度信号ω_r，质心侧偏角β，车速u，转向电机的电流，电压信号和转向电机的转速，转矩信号；

3)当驾驶员给方向盘施加方向盘转角信号θ_sw时，理想横摆角速度计算单元基于方向盘转角信号和车速u，根据变传动比规律得出该时刻的理想横摆角速度

以及前轮转角δ_f；

在持续转向过程中，理想的横摆角速度与前轮转角的关系为：

其中K_s是一个在0.12-0.37(1/s)范围的参数，L是汽车的轴距；

4)以汽车质心为原点，建立汽车的二自由度模型：

其中:β是车辆的质心侧偏角,ω_r是车辆的横摆角速度,m是车辆的质量，u是汽车的车速,k₁是前轮的刚度,k₂是后轮刚度,I_z是车辆的转动惯量，a是前轴长度,b是后轴轴距,δ_f汽车前轮转角；

取控制系统的状态变量

系统的输入u＝[ΔT],系统的扰动输入为w＝]T_inv d_r F_yw]^T，y＝[ω_r]为系统输出，求取线控双电机耦合转向系统的基于稳定性的鲁棒控制器，根据求出的理想横摆角速度与实际横摆角速度的差值信号，通过鲁棒控制器求取需要调整的双电机的输入扭矩；其中：θ_s1是逆向理想输入下小齿轮总的转角，θ_s2是控制器作用下小齿轮总的补偿转角，ΔT控制器作用下小齿轮总的补偿扭矩，d_r是路面干扰，F_yw是侧向风干扰,T_inv是逆向模型得出的电机的理想前馈输入扭矩；

5)根据步骤4)，通过稳定性控制器保证汽车在转向过程中的转向稳定性，并将此时车辆的两个转向执行电机命令信号并传递给电机热力学保护单元；

6)建立电机热力学模型：

电机的热力学模型被使用去预估电机的热力学状态。可以根据当前转向电机的输出扭矩，电流和温度，预估处下一时刻电机的温度以及电机过热需要经过的时常。电机的温度和输出扭矩通过热力学模型联系在一起，因此电机扭矩可以被调整去防止电机过热。

根据电机的热力学过载曲线，电机热力学等式：

其中：T_mi是电机的温度，I_i是相应的电机电流，角标i＝1代表主电机的参数，角标i＝2代表辅电机的参数，C是电机特定的热力学系数，R是电机的电阻，H是电机的运行散热系数；

通过峰值电机电流I_rated和最大允许的电机温度T_max结合电机热力学等式可得：

t＝C/H；

T_ni＝T_mi/T_max；

I_ni＝I_i/I_rated；

其中：t是一个时间常数，T_ni是每单位的温度，I_ni是每单位的电流，T_max是最大允许的电机温度；

根据额定的工作状况，电机产生的热量等于散发的热量：

根据电机的热力学负载曲线，电机在负载状态下从冷却状态到达过热临界值的时间为：

I_i＝c_uu_ai；

其中：c_u是电机的电流常数；

电流的热力学模型可以简化表示为：

其中：a₁＝H/C，

7)电机的热力学保护和扭矩补偿分配策略：

在大机械负载或者低电压等恶劣工况下，转向电机积累的热量可能会导致转向电机的失效以及缩短电机的寿命。因此，热力学保护策略应该被制定去防止当电机热失效的发生时电机的热毁坏。

电机温度未超过临界温度时，电极的热力学策略不被激活，当主电机或者辅助电机温度超过临界温度时，电机的热力学策略被使用。当其中一个转向电机的温度超过一定的临界值的时候，热力学保护策略将会被使用，此时过热电机的输出扭矩将会减少，电机的电流也会减少，从而降低电机的温度，防止电机过热。当过热电机经过冷却后，电机温度降到正常水平，热力学保护策略停止，电机恢复到之前的输出扭矩。

定义u_max是电机输出扭矩极限电压，输出扭矩极限定义范围是0-1.当转向电机在正常的转向工况时，u_max＝1；当其中的一个转向电机进入热力学失效的时候，电机的热力学保护策略将会在T_i＞＝T_c2时工作，过热电机将会降低输出扭矩为正常值的0.7倍u_max＝0.7，降低过热电机的输出扭矩可以使过热电机降低温度，但同时也会影响转向效果，因此采用另一个转向电机补偿转矩的形式，以此保证汽车的正常转向特性。当过热电机经过一定的时间冷却后，温度从T_c2降到T_c1，此时过热电机温度恢复到正常水平，此时当前转向电机恢复到正常的工作扭矩，而另一个转向电机也取消相应的转矩补偿。

由于电机的热力学保护策略，随着电机输出扭矩极限电压随着电机温度变化为：

结合电机的热力学保护过程，实际的电机的输出扭矩电压和电机输出扭矩极限电压的关系为：

结合车辆的动力学模型和电机的热模型构建线控转向系统的预测模型。车辆的动力学预测模型被使用去预测车辆的状态，转向电机的热力学预测模型结合模型预测控制方法被使用可以预测出一定时间内电机的温度状况，并采用相应的热力学保护策略防止电机的热失效。电机的动力学模型以及电机的热模型被离散化形成转向系统的预测模型，如下：

其中：T_s是离散的时间步长，

是电机的输出扭矩向量，u_a1(k)是第一个电机k时刻的输出扭矩，u_a2(k)是第二个电机的k时刻的输出扭矩。T_m1(k)，T_m2(k)代表着左右转向电机k时刻的温度，β(k)和ω_r(k)是k时刻电机的质心侧偏角和横摆角速度，β(k+1)，ω_r(k+1)是k+1时刻电机的质心侧偏角和横摆角速度，T_m1(k+1)是左转向电机在k+1时刻的温度，T_m2(k+1)是右转向电机在k+1时刻的温度。电机的热力学模型被包括在预测模型中，采用MATLAB工具箱中的模型预测算法(MPC)可以实现提前预测N步长的电机温度和车辆的横摆角速度和质心侧偏角。

通过T_m1(k)，T_m2(k)，T_c1，T_c2之间做差判断电机是否过热，T_m1-T_c2＞Δ₁时，s1设为1，表示第一个电机过热，否则为0；T_m2-T_c2＞Δ₁时，表示第二个电机过热，否则为0；s3,s4表示两个电机输出扭矩各自在总需求扭矩T_req中的占比。当两个电机均工作正常时，

两个电机平均分配扭矩；第一个电机过热时，S3＝0.8,S4＝0.2；第二个电机过热时，S3＝0.2,S4＝0.8。综上，若S＝[0 0 0.5 0.5]，两个转向电机都正常，两个电机平均扭矩分配；若S＝[0 1 0.8 0.2]，第一个转向电机都正常，第二个转向电机故障，两个电机扭矩分配比为0.8：0.2；若S＝[1 0 0.2 0.8]，第一个转向电机故障，第二个转向电机正常，两个电机扭矩分配比为0.2：0.8，两个电机同时过热的概率很低，不在考虑范围。

进一步改进，步骤4)中所述的求取的整车转向二自由度模型的稳定性鲁棒控制器的流程如下：

4.1)建立转向子系统的动态模型如下：

其中θ_s是总的小齿轮转角；B_R是等效阻尼系数，J_R等效的转动惯量，G₂是小齿轮转角到车轮的减速比,T是总的电机输出扭矩，G₁是电机输出到小齿轮的减速比，η是减速器的效率，d_r是路面干扰，τ_R是轮胎的回正力矩,t_p,t_m是轮胎的拖距。

4.2)建立线控主动前轮转向横摆角速度控制的状态空间：

取控制系统的状态变量

系统的输入u＝[ΔT],系统的扰动输入为w＝[T_inv d_r F_yw]^T，y＝[ω_r]系统输出为线控主动前轮转向横摆角速度控制的状态空间实现为：

式中，

C＝[0 0 0 0 0 1]；D₁＝[0 0 0]；D₂＝[0]；

其中：θ_s1是逆向理想输入下小齿轮总的转角，θ_s2是控制器作用下小齿轮总的补偿转角，ΔT控制器作用下小齿轮总的补偿扭矩，d_r是路面干扰，F_yw是侧向风干扰,T_inv是逆向模型得出的电机的理想前馈输入扭矩；

4.3)建立整车转向二自由度鲁棒控制系统为：

其中：

是求解INHHC所得控制器，T_inv是逆向模型得出的电机的理想前馈输入扭矩，

是目标的前轮转角，ω_r ^*，β^*是理想横摆角速度和质心侧偏角；

最终的控制器：

其中：系统输出包含Z₁,Z₂,Z₃，其中Z₁代表控制器输出大小，Z₂代表鲁棒稳定性和噪声抑制性能，Z₃使目标跟踪性能和干扰抑制性能，W₁,W₂,W₃是三种性能的加权函数。α^-1(s)是I型反馈系统积分器。

本发明有益效果在于：该策略利用模型预测控制(MPC)通过电机热模型进行电机温度的预测。当一个电机过热后可以通过降低该电机的输出扭矩降低电机的温度，并采用另一个电机进行扭矩的补偿。当过热电机冷却后，双电机在恢复到正常的工作分配状态。综上，本发明专利提出的一种考虑电机热力学保护的双电机线控转向系统控制策略既可以实现线控转向系统转向电机的热力学保护防止电机热力学损害，又可以保证汽车的转向特性。

附图说明

图1是本发明带有电机热力学保护功能的双电机线控转向系统结构示意图。

图2是本发明的电机的热力学保护策略图。

图3是本发明的控制原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

本发明采用的一种考虑电机热力学保护的双电机线控转向系统结构如图1所示，包括采集单元、转向盘总成、ECU控制模块、主辅双电机执行单元。

其中，采集单元分别与ECU控制模块、转向盘总成、主辅双电机执行单元连接；所述采集单元包括转向盘转角传感器4，转向盘力矩传感器5，主转向电机扭矩和转速传感器9，辅转向电机扭矩和转速传感器12，车速传感器19，横摆角速度传感器采集汽车状态的传感器；并将采集到的信号或指令分别转递给ECU控制模块、转向盘总成、主辅双电机执行单元，具体而言：采集单元实时将汽车行驶过程中车速信号、转向盘转角信号、转速传感器获得转向电机的转角信号、转矩传感器获得转向电机的转矩信号以及横摆角速度传感器获得的汽车横摆角速度信号、转向前轮的转角信号等传给电子控制单元；将电子控制单元得出的理想横摆角速度与实际横摆角速度差值信号及路面干扰侧向风干扰等信号发送给稳定性控制单元。

ECU控制模块分别与采集单元、主辅双电机执行单元、转向盘总成连接，其主要包括运算控制器7和电机热力学保护单元20。运算控制器7包括电子控制单元和稳定性控制单元。

ECU控制模块接收来自采集单元的信号，经过计算后把相应的指令传输给电机热力学保护单元20；具体而言，电子控制单元根据采集单元传送的方向盘转角信号、车速信号计算出理想的横摆角速度信号，再根据理想的横摆角速度信号与实际的横摆角速度信号计算出所需调整的理想横摆角速度差值，并把横摆角速度差值传递给稳定性控制单元；稳定性控制单元根据电子控制单元传递的横摆角速度差值综合考虑路面干扰，侧向风，系统摩擦等对汽车稳定的影响，从系统鲁棒性出发，以保证汽车的稳定性为前提，得出双执行电机总的需求转矩与需求转速并传递给电机热力学保护单元20；电机热力学保护单元20接收稳定性控制单元传递电信号,综合基于电机热模型的转向电机温度估计结果，若转向电机的温度在合理范围内，电机热力学单元20不动作，把稳定性控制单元传递的需求扭矩在主辅电机中平均分配。若基于电机热模型的温度结果，若转向电机温度超过或即将超过正常范围，电机热力学单元20动作，采用相应的热力学保护策略，降低过热转向电机的转矩，同时采用正常电机进行相应的转矩补偿。同时根据MPC策略预测需要的冷却时间，当过热电机进行相应的冷却到达正常温度时，主辅电机恢复正常的分配。

转向盘总成包括转向盘1、转向柱2、路感电机3,路感电机控制器6,转向盘1通过转向杆柱2与路感电机3及其转向盘转角传感器4相连接，转向盘力矩传感器5安装在转向杆柱2上；路感电机控制器6连接路感电机3及转向盘力矩传感器5，控制路感电机3的运行。

主辅双电机执行单元包括依次连接的主转向电机控制器8，主转向电机10，主离合器11，辅转向电机控制器16，辅转向电机13，辅离合器14，力矩耦合器18，齿轮齿条机构15，前轮17；主转向电机10通过主离合器11与力矩耦合器18输入端1相连，辅转向电机13通过辅离合器14与力矩耦合器18输入端2相连、力矩耦合器18输出端与齿轮齿条转向器15相连接，前轮17安装在齿轮齿条转向器15的两侧，主转向电机转矩与转角传感器9安装与主转向电机8上，辅转向电机转矩与转角传感器12安装在辅转向电机13上。

主转向电机转矩与转角传感器9与辅电机转矩与转角传感器12连接到Flexray总线上，主转向电机控制器8及辅转向电机控制器16信号输入到总线中，再通过总线传输到稳定性控制单元中；主转向电机10及其主离合器11连接主转向电机控制器8，主转向电机控制器8控制主转向电机10的输入转矩及主离合器11的运行，转矩电机13及辅离合器14连接辅转向电机控制器16，辅转向电机控制器16控制辅转向电机13的输入扭矩及辅离合器14的运行；稳定性控制器的输出端与Flexray总线相连接；电机热力学单元20的输入端Flexray总线相连接；电机热力学单元20接收来自Flexray总线传递的稳定性控制器得到的需求转矩与需求转速，通过电机热力学保护策略，实现线控转向系统的过热保护，并通过Flexary总线连接到主转向电机控制器8和辅转向电机控制器16。电机热力学单元20检测到主转向电机10过热时，选择主转向电机进行热力学保护，此时主转向电机控制器8将通过控制输入电流或输入电压使主转向电机10降低输入的扭矩并达到相应的需求扭矩，并保持主离合器11闭合，同时辅转向电机控制器16将通过控制输入电流或输入电压使辅转向电机13增加相应的扭矩并达到相应的补偿扭矩，并保持辅离合器14闭合。

电机热力学单元20检测到辅转向电机13过热时，选择辅转向电机13进行热力学保护，此时辅转向电机控制器16将通过控制输入电流或者输入电压使辅转向电机13降低输入的扭矩并达到相应的需求扭矩，并保持辅离合器14闭合，同时主转向电机控制器8将控制电流使主转向电机10增加相应的扭矩并达到相应的补偿扭矩，并保持主离合器11闭合。

本发明的一种考虑电机热力学保护的双电机线控转向系统控制策略，如图3所示，具体步骤如下：

1)建立转向模块与整车数学模型，求取鲁棒控制器：

转向模块与整车模型：

取控制系统的状态变量

系统的输入u＝[ΔT],系统的扰动输入为w＝[T_inv d_r F_yw]^T，y＝[ω_r]系统输出为线控主动前轮转向横摆角速度控制的状态空间实现为：

式中，

C＝[0 0 0 0 0 1]；D₁＝[0 0 0]；D₂＝[0]

其中：θ_s1是逆向理想输入下小齿轮总的转角，θ_s2是控制器作用下小齿轮总的补偿转角，ΔT控制器作用下小齿轮总的补偿扭矩，d_r是路面干扰，F_yw是侧向风干扰,T_inv是逆向模型得出的电机的理想前馈输入扭矩。

系统输入分别为逆模型推导出的理想扭矩输入T_inv，路面干扰d_r，侧向风干扰F_yw。W_d(s)＝[W_d1(s) W_d2(s) W_d3(s)]是输入干扰加权函数矩阵，为了使系统获得良好的抗干扰能力，W_d1(s),W_d2(s),W_d3(s)的幅频特性覆盖T_inv，d_r和F_yw到横摆角速度ω_r的传递函数的幅频特性。系统输出包含Z₁,Z₂,Z₃，其中Z₁代表控制器输出大小，Z₂代表鲁棒稳定性和噪声抑制性能，Z₃使目标跟踪性能和干扰抑制性能，W₁,W₂,W₃是三种性能的加权函数。α^-1(s)是I型反馈系统积分器，

建立整车转向二自由度鲁棒控制系统为：

其中：

是求解INHHC所得控制器。

最终的控制器：

根据控制系统的要求，闭环系统的稳定性条件，以及对输出系统的能量进行优化可得：

其中K(s)为设计控制器的传递函数，W₁(s)是限制补偿转矩大小的加权函数。

2)将前轮转角传感器采集实时的横摆角速度信号，与求得的理想横摆角速度信号做差，通过鲁棒控制器求得稳定性控制下电机总的需求扭矩与需求转速。

双电机的总的需求扭矩T_req：

T_req＝T_inv+ΔT

3)建立电机热力学模型

采用电机的热力学保护策略，必须得推导出电机的热力学模型。电机的热力学模型被使用去预估电机的热力学状态。可以根据当前转向电机的输出扭矩，电流和温度，预估处下一时刻电机的温度以及电机过热需要经过的时间。电机的温度和输出扭矩输出通过热力学模型联系在一起，因此电机扭矩可以被调整去防止电机过热。

根据电机的热力学过载曲线，电机热力学等式：

其中：T_mi是电机的温度，I_i是相应的电机电流，角标i＝1代表主电机的参数，角标i＝2代表辅电机的参数，C是电机特定的热力学系数，R是电机的电阻，H是电机的运行散热系数。

通过峰值电机电流I_rated和最大允许的电机温度T_max结合电机热力学等式可得：

t＝C/H

T_ni＝T_mi/T_max

I_ni＝I_i/I_rated

其中：t是一个时间常数，T_ni是每单位的温度，I_ni是每单位的电流，T_max是最大允许的电机温度

根据额定的工作状况，电机产生的热量等于散发的热量

根据电机的热力学负载曲线，电机在负载状态下从冷却状态到达过热临界值的时间为：

I_i＝c_uu_ai

其中：c_u是电机的电流常数

电流的热力学模型可以简化表示为：

其中：a₁＝H/C，

4)电机的热力学保护和扭矩补偿分配策略

在大机械负载或者低电压等恶劣工况下，转向电机积累的热量可能会导致转向电机的失效以及缩短电机的寿命。因此，热力学保护策略应该被制定去防止当电机热失效的发生时电机的热毁坏。尤是环境温度较高时更加剧了失效的可能。

电机温度未超过临界温度时，电极的热力学策略不被激活，当主电机或者辅助电机温度超过临界温度时，电机的热力学策略才会被使用。当其中一个转向电机的温度超过一定的临界值的时候，热力学保护策略将会被使用，此时过热电机的输出扭矩将会减少，电机的电流也会减少，从而降低电机的温度，防止电机过热。当过热电机经过冷却后，电机温度降到正常水平，热力学保护策略停止，电机恢复到之前的输出扭矩。

如图2所示：定义u_max是电机输出扭矩极限电压，输出扭矩极限定义范围是0-1.当转向电机在正常的转向工况时，u_max＝1；当其中的一个转向电机进入热力学失效的时候见升温曲线①，电机的热力学保护策略将会在T_i＞＝T_c2时工作，过热电机将会降低输出扭矩为正常值的0.7倍u_max＝0.7见热力学保护曲线②，降低过热电机的输出扭矩可以使过热电机降低温度，但同时也会影响转向效果，因此采用另一个转向电机补偿转矩的形式，以此保证汽车的正常转向特性。当过热电机经过一定的时间冷却后，温度从T_c2降到T_c1见降温曲线③，此时过热电机温度恢复到正常水平见恢复曲线④，此时当前转向电机恢复到正常的工作扭矩，而另一个转向电机也取消相应的转矩补偿。

由于电机的热力学保护策略，随着电机输出扭矩极限电压随着电机温度变化为：

其中：升温曲线①，热力学保护曲线②，降温曲线③，恢复曲线④

结合电机的热力学保护过程，实际的电机的输出扭矩电压和电机输出扭矩极限电压的关系为：

结合车辆的动力学模型和电机的热模型构建线控转向系统的预测模型。车辆的动力学预测模型被使用去预测车辆的状态，转向电机的热力学预测模型结合模型预测控制方法被使用可以预测出一定时间内电机的温度状况，并采用相应的热力学保护策略防止电机的热失效。电机的动力学模型以及电机的热模型被离散化形成转向系统的预测模型，如下：

其中：T_s是离散的时间步长，

是电机的输出扭矩向量，u_a1(k)是主电机k时刻的输出扭矩，u_a2(k)是辅助电机的k时刻的输出扭矩。T_m1(k)，T_m2(k)代表着两个转向电机k时刻的温度，β(k)和ω_r(k)是k时刻电机的质心侧偏角和横摆角速度，β(k+1)，ω_r(k+1)是k+1时刻电机的质心侧偏角和横摆角速度，T_m1(k+1)T_m2(k+1)是主电机和辅助电机在k+1时刻的温度。电机的热力学模型被包括在预测模型中，采用MATLAB工具箱中的模型预测算法(MPC)可以实现提前预测N步长的电机温度和车辆的横摆角速度和质心侧偏角。

通过T_m1(k)，T_m2(k)，T_c1，T_c2之间做差判断电机是否过热，T_m1-T_c2＞Δ₁时，s1设为1，表示第一个电机过热，否则为0；T_m2-T_c2＞Δ₁时，表示第二个电机过热，否则为0；s3,s4表示两个电机输出扭矩各自在总需求扭矩T_req中的占比。当两个电机均工作正常时，

两个电机平均分配扭矩；第一个电机过热时，S3＝0.8,S4＝0.2；第二个电机过热时，S3＝0.2,S4＝0.8。综上，若S＝[0 0 0.5 0.5]，两个转向电机都正常，两个电机平均扭矩分配；若S＝[0 1 0.8 0.2]，第一个转向电机都正常，第二个转向电机故障，两个电机扭矩分配比为0.8：0.2；若S＝[1 0 0.2 0.8]，第一个转向电机故障，第二个转向电机正常，两个电机扭矩分配比为0.2：0.8，电机的温度＝环境温度+电流发热提高的温度，因为两个主辅电机参数不同，所以两个电机同时过热的概率很低，不在考虑范围。

本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.双电机线控转向系统的电机热力学保护方法，其特征在于包括以下步骤：

1)构建线控转向双电机耦合转向系统，包括采集单元、转向盘总成、ECU控制模块、主辅双电机执行单元；

2)在汽车行驶过程中，通过采集单元实时采集方向盘转角信号θ_sw,实际横摆角速度信号ω_r，质心侧偏角β，车速u，转向电机的电流，电压信号和转向电机的转速，转矩信号；

3)当驾驶员给方向盘施加方向盘转角信号θ_sw时，理想横摆角速度计算单元基于方向盘转角信号和车速u，根据变传动比规律得出该时刻的理想横摆角速度

以及前轮转角δ_f；

4)以汽车质心为原点，建立汽车的二自由度模型；

5)根据步骤4)，通过稳定性控制器保证汽车在转向过程中的转向稳定性，并将此时车辆的两个转向执行电机命令信号并传递给电机热力学保护单元；

6)建立电机热力学模型：

其中：a₁＝H/C，

T_mi是电机的温度，角标i＝1代表主电机的参数，角标i＝2代表辅电机的参数，C是电机特定的热力学系数，R是电机的电阻，H是电机的运行散热系数，c_u是电机的电流常数；

7)电机热力学保护和扭矩补偿分配策略：

定义u_max是电机输出扭矩极限电压，输出扭矩极限定义范围是0-1.当转向电机在正常的转向工况时，u_max＝1；当其中的一个转向电机进入热力学失效的时候，电机的热力学保护策略将会在T_i＞＝T_c2时工作，过热电机将会降低输出扭矩为正常值的0.7倍u_max＝0.7，降低过热电机的输出扭矩可以使过热电机降低温度，但同时也会影响转向效果，因此采用另一个转向电机补偿转矩的形式，以此保证汽车的正常转向特性；当过热电机经过一定的时间冷却后，温度从T_c2降到T_c1，此时过热电机温度恢复到正常水平，此时当前转向电机恢复到正常的工作扭矩，而另一个转向电机也取消相应的转矩补偿；

由于电机的热力学保护策略，随着电机输出扭矩极限电压随着电机温度变化为：

结合电机的热力学保护过程，实际的电机的输出扭矩电压和电机输出扭矩极限电压的关系为：

结合车辆的动力学模型和电机的热模型构建线控转向系统的预测模型，车辆的动力学预测模型被使用去预测车辆的状态，转向电机的热力学预测模型结合模型预测控制方法被使用可以预测出一定时间内电机的温度状况，并采用相应的热力学保护策略防止电机的热失效，电机的动力学模型以及电机的热模型被离散化形成转向系统的预测模型，如下：

其中：T_s是离散的时间步长，

是电机的输出扭矩向量，u_a1(k)是第一个电机k时刻的输出扭矩，u_a2(k)是第二个电机的k时刻的输出扭矩；T_m1(k)，T_m2(k)代表着左右转向电机k时刻的温度，β(k)和ω_r(k)是k时刻电机的质心侧偏角和横摆角速度，β(k+1)，ω_r(k+1)是k+1时刻电机的质心侧偏角和横摆角速度，T_m1(k+1)是左转向电机在k+1时刻的温度，T_m2(k+1)是右转向电机在k+1时刻的温度；电机的热力学模型被包括在预测模型中，采用MATLAB工具箱中的模型预测算法实现提前预测N步长的电机温度和车辆的横摆角速度和质心侧偏角；

通过T_m1(k)，T_m2(k)，T_c1，T_c2之间做差判断电机是否过热，T_m1-T_c2＞Δ₁时，s1设为1，表示第一个电机过热，否则为0；T_m2-T_c2＞Δ₁时，表示第二个电机过热，否则为0；s3,s4表示两个电机输出扭矩各自在总需求扭矩T_req中的占比；当两个电机均工作正常时，

两个电机平均分配扭矩；第一个电机过热时，S3＝0.8,S4＝0.2；第二个电机过热时，S3＝0.2,S4＝0.8；综上，若S＝[0 0 0.5 0.5]，两个转向电机都正常，两个电机平均扭矩分配；若S＝[01 0.8 0.2]，第一个转向电机都正常，第二个转向电机故障，两个电机扭矩分配比为0.8：0.2；若S＝[1 0 0.2 0.8]，第一个转向电机故障，第二个转向电机正常，两个电机扭矩分配比为0.2：0.8。

2.根据权利要求1所述的双电机线控转向系统的电机热力学保护方法，其特征在于步骤6)所述热力学模型建立方法如下：

6.1)根据电机的热力学过载曲线，电机热力学等式：

其中：T_mi是电机的温度，I_i是相应的电机电流，角标i＝1代表主电机的参数，角标i＝2代表辅电机的参数，C是电机特定的热力学系数，R是电机的电阻，H是电机的运行散热系数；

6.2)通过峰值电机电流I_rated和最大允许的电机温度T_max结合电机热力学等式可得：

t＝C/H；

T_ni＝T_mi/T_max；

I_ni＝I_i/I_rated；

其中：t是一个时间常数，T_ni是每单位的温度，I_ni是每单位的电流，T_max是最大允许的电机温度；

6.3)根据额定的工作状况，电机产生的热量等于散发的热量：

6.4)根据电机的热力学负载曲线，电机在负载状态下从冷却状态到达过热临界值的时间为：

I_i＝c_uu_ai；

其中：c_u是电机的电流常数；

6.5)电流的热力学模型可以简化表示为：

其中：a₁＝H/C，

3.根据权利要求1所述的双电机线控转向系统的电机热力学保护方法，其特征在于步骤7)所述的电机热力学保护实施规则如下：

7.1)电机温度未超过临界温度时，电机热力学保护方法不被激活，当主电机或者辅助电机温度超过临界温度时，电机热力学保护方法被使用；

7.2)当其中一个转向电机的温度超过一定的临界值的时候，热力学保护策略将会被使用，此时过热电机的输出扭矩将会减少，电机的电流也会减少，从而降低电机的温度，防止电机过热；

7.3)当过热电机经过冷却后，电机温度降到正常水平，热力学保护策略停止，电机恢复到之前的输出扭矩。

4.根据权利要求1所述的双电机线控转向系统的电机热力学保护方法，其特征在于步骤4)中所述的建立汽车的二自由度模型流程如下：

4.1)建立转向子系统的动态模型如下：

其中θ_s是总的小齿轮转角；B_R是等效阻尼系数，J_R等效的转动惯量，G₂是小齿轮转角到车轮的减速比,T是总的电机输出扭矩，G₁是电机输出到小齿轮的减速比，η是减速器的效率，d_r是路面干扰，τ_R是轮胎的回正力矩,t_p,t_m是轮胎的拖距；

4.2)建立线控主动前轮转向横摆角速度控制的状态空间：

取控制系统的状态变量

系统的输入u＝[ΔT],系统的扰动输入为w＝[T_inv d_r F_yw]^T，y＝[ω_r]系统输出为线控主动前轮转向横摆角速度控制的状态空间实现为：

式中，

C＝[0 0 0 0 0 1]；D₁＝[0 0 0]；

D₂＝[0]

其中：θ_s1是逆向理想输入下小齿轮总的转角，θ_s2是控制器作用下小齿轮总的补偿转角，ΔT控制器作用下小齿轮总的补偿扭矩，d_r是路面干扰，F_yw是侧向风干扰,T_inv是逆向模型得出的电机的理想前馈输入扭矩；

4.3)建立整车转向二自由度鲁棒控制系统为：

其中：

是求解INHHC所得控制器，T_inv是逆向模型得出的电机的理想前馈输入扭矩，

是目标的前轮转角，

β^*是理想横摆角速度和质心侧偏角；

最终的控制器：

其中：系统输出包含Z₁,Z₂,Z₃，其中Z₁代表控制器输出大小，Z₂代表鲁棒稳定性和噪声抑制性能，Z₃是目标跟踪性能和干扰抑制性能，W₁,W₂,W₃是三种性能的加权函数，α^-1(s)是I型反馈系统积分器。

Images