CN111746304A - 基于失效状态的分布式驱动电动汽车驱动系统控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于失效状态的分布式驱动电动汽车驱动系统控制方法，该控制方法包括：对分布式驱动电动汽车驱动系统的失效情况进行分类研究，依据驱动轮上的驱动电机失效情况将失效分为四类，针对这四类失效模式设计相应的失效转矩再分配控制策略，同时设计失效状态的分布式驱动电动汽车电机控制层结构，控制层结构包括线性二自由度模型、速度控制器和驱动力矩控制器。本发明提出的失效分类方法能够考虑更多失效情况，大幅提升车辆的可行驶能力，针对失效模式设计的转矩再分配控制策略能够保证车辆的稳定性和动力性，可提高车辆的可行驶能力，验证了失效控制策略的有效性。

Description

基于失效状态的分布式驱动电动汽车驱动系统控制方法

技术领域

本发明属分布式驱动电动汽车控制技术领域，涉及一种基于失效状态的分布式驱动电动汽车驱动系统控制方法。

背景技术

自改革开放以来，我国的汽车行业发展迅速，给人民的生活带来了极大的便利。但是，庞大数量的汽车使得全球面临着能源枯竭的危机，新能源汽车正是解决这一难题的关键。纯电动汽车以电池为动力来源，用电机驱动电动汽车，已经成为了新能源汽车技术的主要研究方向。其中，分布式驱动电动汽车在结构上省去了发动机、变速器、差速器等一系列部件，整车可用空间增加，同时提高了电机控制的响应速度，增强了控制的时效性。

分布式驱动电动汽车又被称为四轮独立驱动电动汽车，通常有四个相互独立的轮毂电机或轮边电机，是车辆动力输出的执行器。由于分布式驱动电动汽车的执行器和控制单元的复杂程度较高，因此有学者对驱动系统可能出现失效情况及失效情况下的稳定性控制进行了研究。总结下来，一般分为两种失效控制方法，一种是针对特定的失效情况，设计对应的规则对驱动系统失效进行控制；另一种是基于失效情况对目标进行优化控制。

但是目前的专利或是产品很少研究驱动系统失效对转向轮方向的影响，当转向轮即前轴驱动轮出现故障时，转向轮左右输出转矩存在非期望差值，从而导致左右转向轮存在转速差，同时输出转矩对主销轴线的力矩不能相互抵消，影响了转向系统的自动回正功能，进而对车辆的行驶方向产生影响。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种应对驱动系统失效对转向轮方向影响的基于失效状态的分布式驱动电动汽车驱动系统控制方法。

本发明的基于失效状态的分布式驱动电动汽车驱动系统控制方法，通过获取分布式驱动电动汽车的驱动电机失效情况，将所述驱动电机失效情况分为四种模式，依据驱动系统的故障信息重置四个驱动电机的故障因子以补偿失效驱动电机的动力损失，对四个驱动轮的驱动电机的转矩输出做重新分配，能最大程度发挥驱动系统的动力和优势。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明的基于失效状态的分布式驱动电动汽车驱动系统控制方法，以故障因子为影响因素建立失效状态的分布式驱动电动汽车电机控制层结构，通过重新设置故障因子并依此获得左前轮、右前轮、左后轮和右后轮的输出转矩，并按所述输出转矩控制左前轮、右前轮、左后轮和右后轮；故障因子λ_i为驱动电机的实际输出转矩T_i与期望输出转矩T_di的比值，其中i＝fl,fr,rl,rr，fl表示左前驱动轮，fr表示右前驱动轮，rl表示左后驱动轮，rr表示右后驱动轮；

所述失效状态的分布式驱动电动汽车电机控制层结构由线性二自由度模型、速度控制器和驱动力矩控制器组成；

所述线性二自由度模型，输入为车辆的实际车速和方向盘转角，输出为车辆期望的横摆角速度和车辆期望的质心侧偏角；

所述速度控制器采用PID控制，通过实际车速与驾驶员期望车速的比较，得出驾驶员的期望转矩；

所述驱动力矩控制器包括上层的滑模控制器和下层的转矩再分配控制器；

所述滑模控制器是对车辆的期望横摆角速度和期望质心侧偏角采用滑模控制进行跟踪控制，并获得附加横摆力矩及附加输出转矩；

所述转矩再分配控制器依据附加输出转矩、驾驶员的期望转矩和重新设置的故障因子获得左前轮、右前轮、左后轮和右后轮的输出转矩。

作为优选的技术方案：

如上所述的所述的控制方法，重新设置故障因子的具体过程为：

将驱动电机失效情况分为四种模式：失效模式一、失效模式二、失效模式三和失效模式四；

a)所述失效模式一是故障模式只涉及车辆的前驱动轴，包括前驱动轴上单个驱动轮的部分失效和完全失效以及双驱动轮的部分失效和完全失效，后轴驱动轮均正常；该情况下车辆能保持一定的驱动能力，总计8种失效情况；

b)所述失效模式二是故障模式只涉及车辆的后驱动轴，包括后驱动轴上单个驱动轮的部分失效和完全失效以及双驱动轮的部分失效和完全失效，前轴驱动轮均正常；该情况下车辆能保持一定的驱动能力，总计8种失效情况；

c)所述失效模式三是故障模式同时涉及车辆的前驱动轴和后驱动轴，故障驱动轮数包括两轮、三轮以及四轮，按照故障驱动轮数将故障情况分为三种情况，包括：故障涉及异轴两驱动轮、故障涉及三个驱动轮和故障涉及四个驱动轮；

所述故障涉及异轴两驱动轮是两故障轮一个在前轴，一个在后轴，故障情况包括双驱动轮的部分失效和其中一轮部分失效，另一轮完全失效，总计12种失效情况；

所述故障涉及三个驱动轮包括其中一轮完全失效，其他两轮部分失效、同轴两轮完全失效，第三轮部分失效以及三个驱动轮均部分失效，总计20种失效情况；

所述故障涉及四个驱动轮包括单轮完全失效，其他三轮部分失效、同轴两轮完全失效，其他两轮部分失效以及四个驱动轮均部分失效，总计7种失效情况；

d)所述失效模式四包括的故障情况为分布在异轴上的两驱动轮完全失效，其他轮正常或则部分失效或则完全失效，总计25种失效情况；

通过故障因子的值进行故障模式的判断；

判断驱动系统没有故障发生的条件为：

判断故障情况属于所述失效模式一的条件为同时满足：

判断故障情况属于所述失效模式二的条件为同时满足：

判断故障情况属于所述失效模式四的条件为同时满足：

其余情形则为所述失效模式三；

重新设置故障因子如下：

针对所述失效模式一：

针对所述失效模式二：

针对所述失效模式三：

针对所述失效模式四：

所述左前轮、右前轮、左后轮和右后轮的输出转矩为：

其中，T_fl、T_fr、T_rl、T_rr分别表示左前轮、右前轮、左后轮、右后轮的输出转矩；λ_i(0≤λ_i≤1,i＝fl,fr,rl,rr)为故障因子，表示各个驱动轮的故障状态；λ′_i表示重新设置的故障因子；T_d表示期望转矩，ΔT表示附加输出转矩；在上述转矩再分配策略中，等号右边的第一项是期望转矩及其故障状态；等号右边第二项是附加转矩，其中分式项使得附加转矩可以根据同侧驱动轮的故障状态进行合理分配；分母中e→0⁺，e表示非常小的正数，防止出现分母为零的情况；

式中的c和d为调节系数，有其相应的规则设定，c、d主要是根据车辆的期望横摆角速度和实际横摆角速度的状态将附加输出转矩分配给左右侧驱动轮；在此先规定车辆向左转为正方向，向右转为负方向，其规则下表所示：

如上所述的控制方法，车辆期望的横摆角速度和车辆期望的质心侧偏角分别为：

式中，ω_d为期望横摆角速度，β_d为期望质心侧偏角，K为稳定性因数，

a、b为汽车质心距前后轴的距离，L为汽车轴距，m为汽车总质量，K₁、K₂为前后车轮侧偏刚度，μ为峰值路面系数，g为重力加速度，δ_f为前轮转角，u为汽车X方向的行驶速度。

如上所述的控制方法，车辆所需的期望转矩T_d与车辆转向输入角δ_f、期望车速V_d以及实际车速V有关，速度控制器选用PID控制器方法来计算期望输出转矩，控制器的偏差量为期望车速和实际车速之差，PID控制器的输出量为车辆所需的期望转矩；

偏差定义如下式：

ε(t)＝V_d-V；

所述期望转矩为：

式中，ε(t)为期望车速和实际车速之差，K_p为比例系数，t_i为积分时间常数，t_d为微分时间常数。

如上所述的控制方法，所述滑模控制器的滑模面选择为：

s＝(ω_d-ω)+ε(β_d-β)；

式中s为滑模面，ε>0为滑模系数，一般为正的常数，ω为横摆角速度，ω_d为期望横摆角速度，β为实际质心侧偏角，β_d为期望质心侧偏角；

为了使控制状态到达滑模面后的抖振尽量小，选择幂次趋近律表述到达条件，则有：

其中，k，φ均为常数，

为滑模面的一阶导数，

为期望横摆角速度的一阶导数，

为横摆角速度的一阶导数，

为期望质心侧偏角的一阶导数，

为实际质心侧偏角的一阶导数；

同时为了解决滑模控制系统中由于符号函数的存在导致的振荡现象，符号函数选择为：

其中，ξ为常数，且ξ>0；

横摆角速度的一阶导数为：

如上所述的控制方法，所述附加横摆力矩为：

其中I_Z为车辆绕Z轴的转动惯量；

为根据滑膜定理计算的横摆角速度的一阶导数；s为滑模面；ε>0为滑膜系数；ξ,k,φ为常数，且ξ>0；β为实际质心侧偏角；

所述附加输出转矩为：

ΔT＝πΔM_z；

其中π为转换系数。

发明机理：

本发明对分布式驱动电动汽车驱动系统的失效情况进行了分析，定义了驱动系统的失效，用故障因子表征驱动电机的失效程度，考虑到部分失效的轮毂电机仍有驱动能力，将失效情况分为四类，分类中包含了失效的80种情况。本发明提出的分类方法能够在单轮失效的情况下保证车辆的动力性，在异轴双轮失效的情况下保证车辆的可行驶能力。针对失效模式对电机控制层结构进行设计，控制层结构包括线性二自由度模型、速度控制器和驱动力矩控制器，通过线性二自由度模型得到期望横摆角速度和期望质心侧偏角，通过速度控制器得到期望转矩，驱动力矩控制器包括上层的滑模控制器和下层的转矩再分配控制器，通过滑模控制器得到附加输出转矩，通过转矩再分配控制器依据附加输出转矩、驾驶员的期望转矩和重新设置的故障因子对各轮的输出转矩进行控制输出。

为了进一步说明驱动系统失效对车辆行驶状态的影响，本发明通过对部分失效情况的仿真来说明。仿真设置左前驱动轮在10s时发生故障，损失60％的驱动力，然后通过对车辆质心侧偏角、横摆角速度、侧向角速度等车辆稳定性的表征参数进行观察，同时对驱动电机的输出转矩、车辆的纵向车速以及车辆的行驶轨迹进行对比，通过观察与对比分析说明四轮独立驱动电动汽车的驱动系统失效是如何影响车辆稳定性的。

仿真试验选择CarSim中的C-Class,Hatchback车辆模型，并将其动力系统更改为由Matlab/Simulink设计的电机模型输入，路面的附着系数设置为0.85，车辆从静止加速到80km/h，并作直线运动，仿真时间为25s。

如图3中所示，图(a)是车辆故障发生时的故障因子变化情况，在10s时车辆驱动系统发生故障，左前驱动电机的故障因子由1降到0.4，说明驱动电机因为故障损失了其60％的动力。从图(b)、图(c)、图(d)可以看出，原本做直线运动的车辆的横摆角速度、质心侧偏角以及侧向加速度均出现波动，说明车辆此时处于不稳定状态。通过驱动电机的转速图(g)和转矩图(h)可以看出，故障导致左前驱动电机的转速降低，转矩也降低。从图(f)可知，驱动电机的故障也导致前轮转向角发生偏转，进而导致车辆行驶方向发生改变。从车辆的行驶路径图(e)可以看出，车辆在故障发生之后，行驶路径严重偏离了原来的直线路径，说明此时车辆已经失去了按照预期路径行驶的能力。车辆的行驶状态为非期望状态，因此必须设计相关控制器对车辆加以控制。

有益效果

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明针对驱动电机发生故障的程度，考虑轮毂电机在部分失效的情况下依然能提供部分动力，将失效情况总结为80种情况，并且重新分为四类，该分类方法能够考虑更多的失效情况并同时能在更多的失效情况下保证车辆的行驶能力，提高了车辆的可行驶能力；

2、本发明针对失效情况的分类，对故障因子进行重置规则设定，基于重置的故障因子设计与失效分类对应的转矩再分配控制策略，提高了分布式驱动电动汽车在驱动系统失效情况下的稳定性和部分动力性。

附图说明

图1为本发明控制策略流程图；

图2为本发明控制层结构图；

图3为左前驱动电机失效车辆状态示意图，其中，(a)为各轮故障因子与时间的关系曲线图，(b)为横摆角速度与时间的关系曲线图，(c)为质心侧偏角与时间的关系曲线图，(d)为侧向加速度与时间的关系曲线图，(e)为车辆发生故障后的行驶路径图(X和Y为汽车行驶路径的坐标)，(f)为前轮转向角与时间的关系曲线图，(g)为驱动电机转速与时间的关系曲线图，(h)为驱动电机转矩与时间的关系曲线图；

图4为Sine wave工况仿真结果示意图，(a)为故障因子与时间的关系曲线图，(b)为故障因子重置与时间的关系曲线图，(c)为失效无控制各轮转矩与时间的关系曲线图，(d)为有控制各轮转矩与时间的关系曲线图，(e)为方向盘转角与时间的关系曲线图，(f)为横摆角速度与时间的关系曲线图，(g)为侧向加速度与时间的关系曲线图，(h)为质心侧偏角与时间的关系曲线图，(i)为纵向车速与时间的关系曲线图，(j)为车辆行驶的参考路径、失效无控制路径及有控制路径的对比图(X和Y为汽车行驶路径的坐标)。

具体实施方式

下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本发明的基于失效状态的分布式驱动电动汽车驱动系统控制方法，如图1所示，步骤如下：

(1)以故障因子为影响因素建立失效状态的分布式驱动电动汽车电机控制层结构；

故障因子λ_i为驱动电机的实际输出转矩T_i与期望输出转矩T_di的比值，其中i＝fl,fr,rl,rr，fl表示左前驱动轮，fr表示右前驱动轮，rl表示左后驱动轮，rr表示右后驱动轮；

如图2所示，失效状态的分布式驱动电动汽车电机控制层结构由线性二自由度模型、速度控制器和驱动力矩控制器组成；

线性二自由度模型，输入为车辆的实际车速和方向盘转角，输出为车辆期望的横摆角速度和车辆期望的质心侧偏角；车辆期望的横摆角速度和车辆期望的质心侧偏角分别为：

式中，ω_d为期望横摆角速度，β_d为期望质心侧偏角，K为稳定性因数，

a、b为汽车质心距前后轴的距离，L为汽车轴距，m为汽车总质量，K₁、K₂为前后车轮侧偏刚度，μ为峰值路面系数(根据不同的路面类型有不同的取值，而且有一点的变化范围，要根据做试验时具体情况而定)，g为重力加速度，δ_f为前轮转角，u为汽车X方向的行驶速度；

速度控制器采用PID控制，通过实际车速与驾驶员期望车速的比较，得出驾驶员的期望转矩；

速度控制器选用PID控制器方法来计算期望输出转矩，车辆所需的期望转矩T_d与车辆转向输入角δ_f、期望车速V_d以及实际车速V有关，控制器的偏差量为期望车速和实际车速之差，PID控制器的输出量为车辆所需的期望转矩；

偏差定义如下式：

ε(t)＝V_d-V；

期望转矩为：

式中，ε(t)为期望车速和实际车速之差，K_p为比例系数(实际应用中，比例系数的大小应视具体情况而定，比例系数太小，控制作用太弱，不利于系统克服扰动，余差太大，控制质量差，也没有什么控制作用；比例系数太大，控制作用太强，容易导致系统的稳定性变差，引发振荡)，t_i为积分时间常数，t_d为微分时间常数；

驱动力矩控制器包括上层的滑模控制器(即上层控制器)和下层的转矩再分配控制器；

滑模控制器是对车辆的期望横摆角速度和期望质心侧偏角采用滑模控制进行跟踪控制，并获得附加横摆力矩及附加输出转矩，滑模控制器的滑模面选择为：

s＝(ω_d-ω)+ε(β_d-β)；

式中s为滑模面，ε>0为滑模系数，一般为正的常数，ω为横摆角速度，ω_d为期望横摆角速度，β为实际质心侧偏角，β_d为期望质心侧偏角；

为了使控制状态到达滑模面后的抖振尽量小，选择幂次趋近律表述到达条件，则有：

其中，k，φ均为常数(这个要取适当值，改变滑模面趋近速度的，一般k>0,0<φ<1)，

为滑模面的一阶导数，

为期望横摆角速度的一阶导数，

为横摆角速度的一阶导数，

为期望质心侧偏角的一阶导数，

为实际质心侧偏角的一阶导数；

同时为了解决滑模控制系统中由于符号函数的存在导致的振荡现象，符号函数选择为：

其中，ξ为常数，且ξ>0；

横摆角速度的一阶导数为：

转矩再分配控制器依据附加横摆力矩、驾驶员的期望转矩和重新设置的故障因子获得左前轮、右前轮、左后轮和右后轮的输出转矩；

附加横摆力矩为：

其中I_Z为车辆绕Z轴的转动惯量；

为根据滑膜定理计算的横摆角速度的一阶导数；s为滑模面；ε>0为滑膜系数；ξ,k,φ为常数，且ξ>0；β为实际质心侧偏角；

附加输出转矩为：

ΔT＝πΔM_z；

其中π为转换系数，

其中，R为车轮半径，L为汽车轴距；

(2)重新设置故障因子并依此获得左前轮、右前轮、左后轮和右后轮的输出转矩；

λ_fl、λ_fr、λ_rl、λ_rr分别代表左前轮、右前轮、左后轮、右后轮的故障因子，它们通过各自驱动轮的实际输出转矩与期望输出转矩的比值得到，正常状态下各车轮的故障因子值均为1，当有驱动轮发生故障而不能提供期望输出转矩时，会有故障因子小于1，系统会判断车辆驱动系统处于故障状态，同时可以根据具体的故障因子的值判断失效模式并采取相应的转矩再分配控制策略；当故障因子等于1时，驱动轮不发生故障，汽车正常行驶；

具体地，本发明将驱动电机失效情况分为四种模式：失效模式一、失效模式二、失效模式三和失效模式四；

a)失效模式一是故障模式只涉及车辆的前驱动轴，包括前驱动轴上单个驱动轮的部分失效和完全失效以及双驱动轮的部分失效和完全失效，后轴驱动轮均正常；该情况下车辆能保持一定的驱动能力，总计8种失效情况；

b)失效模式二是故障模式只涉及车辆的后驱动轴，包括后驱动轴上单个驱动轮的部分失效和完全失效以及双驱动轮的部分失效和完全失效，前轴驱动轮均正常；该情况下车辆能保持一定的驱动能力，总计8种失效情况；

c)失效模式三是故障模式同时涉及车辆的前驱动轴和后驱动轴，故障驱动轮数包括两轮、三轮以及四轮，按照故障驱动轮数将故障情况分为三种情况，包括：故障涉及异轴两驱动轮、故障涉及三个驱动轮和故障涉及四个驱动轮；

故障涉及异轴两驱动轮是两故障轮一个在前轴，一个在后轴，故障情况包括双驱动轮的部分失效和其中一轮部分失效，另一轮完全失效，总计12种失效情况；

故障涉及三个驱动轮包括其中一轮完全失效，其他两轮部分失效、同轴两轮完全失效，第三轮部分失效以及三个驱动轮均部分失效，总计20种失效情况；

故障涉及四个驱动轮包括单轮完全失效，其他三轮部分失效、同轴两轮完全失效，其他两轮部分失效以及四个驱动轮均部分失效，总计7种失效情况；

d)失效模式四包括的故障情况为分布在异轴上的两驱动轮完全失效，其他轮正常或则部分失效或则完全失效，总计25种失效情况；

通过故障因子的值进行故障模式的判断；

判断驱动系统没有故障发生的条件为：

判断故障情况属于失效模式一的条件为同时满足：

判断故障情况属于失效模式二的条件为同时满足：

判断故障情况属于失效模式四的条件为同时满足：

其余情形则为失效模式三；

重新设置故障因子如下：

针对失效模式一：

针对失效模式二：

针对失效模式三：

针对失效模式四：

λ′_fl＝λ′_rl＝λ′_rl＝λ′_rr＝0；

左前轮、右前轮、左后轮和右后轮的输出转矩为：

其中，T_fl、T_fr、T_rl、T_rr分别表示左前轮、右前轮、左后轮、右后轮的输出转矩；λ_i(0≤λ_i≤1,i＝fl,fr,rl,rr)为故障因子，表示各个驱动轮的故障状态；λ′_i表示重新设置的故障因子；T_d表示期望转矩；ΔT表示附加输出转矩；在上述转矩再分配策略中，等号右边的第一项是期望转矩及其故障状态；等号右边第二项是附加转矩，其中分式项使得附加转矩可以根据同侧驱动轮的故障状态进行合理分配；分母中e→0⁺，e表示非常小的正数，防止出现分母为零的情况；

式中的c和d为调节系数，有其相应的规则设定，c、d主要是根据车辆的期望横摆角速度和实际横摆角速度的状态将附加输出转矩分配给左右侧驱动轮；在此先规定车辆向左转为正方向，向右转为负方向，其规则下表所示：

(3)按输出转矩控制左前轮、右前轮、左后轮和右后轮。

为了更好地说明和验证所设计的转矩再分配控制策略，以及更好地证明转矩再分配控制策略能将车辆的行驶能力发挥到极致，本发明将对其进行建模和仿真分析。首先在Matlab/Simulink中建立故障模拟器，编写失效模式判断及故障因子重置程序，建立转矩再分配控制器，然后又在CarSim中对车辆参数进行设置及相关其他参数的设置，最后对仿真条件进行设置，选择Sine wave工况进行仿真并分析结果，验证所设计控制策略的可靠性。结果表明本发明设计的控制策略可靠性较高。

仿真车辆原地起步，在7s内车速从静止加速到80km/h，之后在第10秒时方向盘进行sin wave操作，方向盘转角变化如图4(e)所示。在12秒时左前驱动轮完全失效，16秒时左后驱动轮失去50％动力，随后20秒时右后驱动轮完全失效。仿真针对无控制与有控制进行对比分析，结果如图4所示。

从Sine wave仿真工况的结果可以看出，本发明提出的转矩再分配控制策略在恶劣工况下依然能发挥非常好的控制效果。如图4中所示，从(a)图和(b)图可以知道本次工况共出现三次故障，故障因子发生了3次变化，并且依据规则也进行了故障因子的重置。从图(c)和图(d)中可以看出，当故障发生之后，无控制车辆只能通过提高其他驱动电机的转矩输出来维持车辆的动力性；而有控制车辆能够考虑车辆的稳定性优先，在此基础上对转矩进行合理分配，从而对动力性进行控制。对于有控制车辆而言，当12秒左前驱动轮完全失效时，车辆处于失效模式一；16秒左后驱动轮失去50％动力后，车辆处于失效模式三，此时车辆的动力性有所降低；随后20秒时有驱动轮也完全失效，此时车辆处于失效模式四，车辆全部驱动轮动力置零、停车，从图(d)中能看出转矩分配控制策略在每次模式切换都能迅速响应。通过横摆角速度、质心侧偏角以及侧向加速度的对比，很明显看出有控制时各项参数都能严格跟踪参考值，说明即使在恶劣的工况下车辆依然能准确跟踪期望值，在20秒时车辆处于失效模式四，在质心侧偏角的对比图中能看出有控制时的曲线不能跟踪参考曲线，由于此时车辆无驱动力输出，此时质心侧偏角参数不具备参考价值，从(i)图以及(j)图在20秒之后的曲线也能说明，首先车辆处于失效模式四时车速迅速下降，此时通过方向盘转角的变化，车辆的行驶路径依然能按照期望路径(即参考路径)行驶，并没有出现脱离期望路径的情况，所以，本发明提出的转矩再分配控制策略能够在驱动系统发生故障的时候维持车辆稳定性及部分动力性。

Claims (6)

1.基于失效状态的分布式驱动电动汽车驱动系统控制方法，其特征是：所述基于失效状态的分布式驱动电动汽车驱动系统控制方法是以故障因子为影响因素建立失效状态的分布式驱动电动汽车电机控制层结构，通过重新设置故障因子并依此获得左前轮、右前轮、左后轮和右后轮的输出转矩，并按所述输出转矩控制左前轮、右前轮、左后轮和右后轮；故障因子λ_i为驱动电机的实际输出转矩T_i与期望输出转矩T_di的比值，其中i＝fl，fr，rl，rr，fl表示左前驱动轮，fr表示右前驱动轮，rl表示左后驱动轮，rr表示右后驱动轮；

所述失效状态的分布式驱动电动汽车电机控制层结构由线性二自由度模型、速度控制器和驱动力矩控制器组成；

所述线性二自由度模型，输入为车辆的实际车速和方向盘转角，输出为车辆期望的横摆角速度和车辆期望的质心侧偏角；

所述速度控制器采用PID控制，通过实际车速与驾驶员期望车速的比较，得出驾驶员的期望转矩；

所述驱动力矩控制器包括上层的滑模控制器和下层的转矩再分配控制器；

所述滑模控制器是对车辆的期望横摆角速度和期望质心侧偏角采用滑模控制进行跟踪控制，并获得附加横摆力矩及附加输出转矩；

所述转矩再分配控制器依据附加输出转矩、驾驶员的期望转矩和重新设置的故障因子获得左前轮、右前轮、左后轮和右后轮的输出转矩。

2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，重新设置故障因子的具体过程为：

将驱动电机失效情况分为四种模式：失效模式一、失效模式二、失效模式三和失效模式四；

a)所述失效模式一是故障模式只涉及车辆的前驱动轴，包括前驱动轴上单个驱动轮的部分失效和完全失效以及双驱动轮的部分失效和完全失效，后轴驱动轮均正常；该情况下车辆能保持一定的驱动能力，总计8种失效情况；

b)所述失效模式二是故障模式只涉及车辆的后驱动轴，包括后驱动轴上单个驱动轮的部分失效和完全失效以及双驱动轮的部分失效和完全失效，前轴驱动轮均正常；该情况下车辆能保持一定的驱动能力，总计8种失效情况；

c)所述失效模式三是故障模式同时涉及车辆的前驱动轴和后驱动轴，故障驱动轮数包括两轮、三轮以及四轮，按照故障驱动轮数将故障情况分为三种情况，包括：故障涉及异轴两驱动轮、故障涉及三个驱动轮和故障涉及四个驱动轮；

所述故障涉及异轴两驱动轮是两故障轮一个在前轴，一个在后轴，故障情况包括双驱动轮的部分失效和其中一轮部分失效，另一轮完全失效，总计12种失效情况；

所述故障涉及三个驱动轮包括其中一轮完全失效，其他两轮部分失效、同轴两轮完全失效，第三轮部分失效以及三个驱动轮均部分失效，总计20种失效情况；

所述故障涉及四个驱动轮包括单轮完全失效，其他三轮部分失效、同轴两轮完全失效，其他两轮部分失效以及四个驱动轮均部分失效，总计7种失效情况；

d)所述失效模式四包括的故障情况为分布在异轴上的两驱动轮完全失效，其他轮正常或则部分失效或则完全失效，总计25种失效情况；

通过故障因子的值进行故障模式的判断；

判断驱动系统没有故障发生的条件为：

判断故障情况属于所述失效模式一的条件为同时满足：

判断故障情况属于所述失效模式二的条件为同时满足：

判断故障情况属于所述失效模式四的条件为同时满足：

其余情形则为所述失效模式三；

重新设置故障因子如下：

针对所述失效模式一：

针对所述失效模式二：

针对所述失效模式三：

针对所述失效模式四：

λ′_fl＝λ′_rl＝λ′_rl＝λ′_rr＝0；

所述左前轮、右前轮、左后轮和右后轮的输出转矩为：

其中，T_fl、T_fr、T_rl、T_rr分别表示左前轮、右前轮、左后轮、右后轮的输出转矩；λ_i(0≤λ_i≤1，i＝fl，fr，rl，rr)为故障因子，表示各个驱动轮的故障状态；λ′_i表示重新设置的故障因子；T_d表示期望转矩，ΔT表示附加输出转矩；在上述转矩再分配策略中，等号右边的第一项是期望转矩及其故障状态；等号右边第二项是附加力矩，其中分式项使得附加转矩可以根据同侧驱动轮的故障状态进行合理分配；分母中e→0⁺；

式中的c和d为调节系数，有其相应的规则设定，c、d主要是根据车辆的期望横摆角速度和实际横摆角速度的状态将附加输出转矩分配给左右侧驱动轮；在此先规定车辆向左转为正方向，向右转为负方向，其规则如下：

当ω_d≥0&ω＞0时，如|ω_d|-|ω|＞0，则c＝-1，d＝0，如|ω_d|-|ω|＜0，则c＝0，d＝-1，如|ω_d|-|ω|＝0，则c＝0，d＝0；当ω_d＞0&ω≤0时，c＝-1，d＝0；当ω_d＜0&ω≥0时，c＝0，d＝-1；当ω_d＜0&ω＜0时，如|ω_d|-|ω|＞0，则c＝0，d＝-1，如|ω_d|-|ω|＜0，则c＝-1，d＝0，如|ω_d|-|ω|＝0，则c＝0，d＝0。

3.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，车辆期望的横摆角速度和车辆期望的质心侧偏角分别为：

式中，ω_d为期望横摆角速度，β_d为期望质心侧偏角，K为稳定性因数，

a、b为汽车质心距前后轴的距离，L为汽车轴距，m为汽车总质量，K₁、K₂为前后车轮侧偏刚度，μ为峰值路面系数，g为重力加速度，δ_f为前轮转角，u为汽车X方向的行驶速度。

4.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述期望转矩为：

式中，ε(t)为期望车速和实际车速之差，K_p为比例系数，t_i为积分时间常数，t_d为微分时间常数。

5.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述滑模控制器的滑模面选择为：

s＝(ω_d-ω)+ε(β_d-β)；

式中，s为滑模面，ε＞0为滑模系数，一般为正的常数，ω为横摆角速度，ω_d为期望横摆角速度，β为实际质心侧偏角，β_d为期望质心侧偏角；

为了使控制状态到达滑模面后的抖振尽量小，选择幂次趋近律表述到达条件，则有：

其中，k，φ均为常数，

为滑模面的一阶导数，

为期望横摆角速度的一阶导数，

为横摆角速度的一阶导数，

为期望质心侧偏角的一阶导数，

为实际质心侧偏角的一阶导数；

同时为了解决滑模控制系统中由于符号函数的存在导致的振荡现象，符号函数选择为：

其中，ξ为常数，且ξ＞0；

横摆角速度的一阶导数为：

6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，所述附加横摆力矩为：

其中I_Z为车辆绕Z轴的转动惯量；

附加输出力矩为：

ΔT＝πΔM_Z；

其中π为转换系数。

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