一种带有容错功能的汽车动力转向控制装置及控制方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种带有容错功能的汽车动力转向控制装置及控制方法，该控制装置包括：采集单元、理想横摆角速度计算单元、减法器单元、横摆角速度控制单元、电机故障诊断单元和容错控制策略单元；该控制装置实时采集轮毂电机的转速和电流信号，对其进行故障诊断并生成故障信号向量，根据故障信号向量以及理想横摆角速度计算单元计算得到的目标转角重新分配电机的转矩，或者起用转向伺服电机，使汽车按照预定轨迹转向。本发明专利技术能够实时检测轮毂电机故障，在故障发生时通过有效的控制手段达到容错功能，提高转向系统的可靠性和汽车行驶时的稳定性和安全性。

【技术实现步骤摘要】
一种带有容错功能的汽车动力转向控制装置及控制方法
本专利技术涉及电动轮汽车动力转向领域，尤其是一种带有容错功能的汽车动力转向控制装置及控制方法。
技术介绍
轮毂电机驱动的汽车，省去变速箱、离合器、传动轴等各类传动装置，机械结构简化，消耗在传动机构上的能量大幅度的减少。驱动轮之间不需要差速器，通过线缆对每个电机单独供电，对轮毂电机转速的控制可以直接通过改变相应的控制策略来实现，每个驱动轮都能独立控制。线控转向系统利用控制器综合驾驶员的方向盘转角输入、车辆状态和路面情况来确定合理的车轮转角，决定电机的输入电流，控制车轮差速转动并完成转向操作，实现转向系统的智能控制，其控制流程如下：方向盘通过扭杆与转向器相连，同时转向器通过扭矩传感器与微处理器相连，当驾驶员转动方向盘时，转向器的输入轴和输出轴在扭杆作用下会产生相对位移，扭矩传感器将相对位移信号转换为电信号发送给微处理器，微处理器根据车速传感器和扭矩传感器的信号决定轮毂电机的旋转方向和助力电流大小并发送给电磁离合器，电磁离合器与转向挂柱相连，将旋转方向和助力电流大小转化为轮毂电机的扭矩信号传递到转向管柱上，从而完成转向。采用线控四轮转向的电动轮汽车，能够灵活地控制系统的位移传递特性，使汽车获得比较理想的转向特性，改善汽车的操纵稳定性。但是，由于电机安装在车轮内部，行驶时受到地面影响较大，在泥地或沙石等恶劣路面条件下行驶易发生故障，现有的线控四轮转向的电动轮汽车不具有故障容错功能，当发生故障时控制系统可靠性降低。
技术实现思路
专利技术目的：为解决上述技术问题，本专利技术提出一种带有容错功能的汽车动力转向控制装置及控制方法。实现了变传动比控制下的四轮转向、电机故障时的容错控制，在保证汽车操纵稳定性的基础上通过软硬件结合的方式提高了系统的可靠性和安全性，实现了汽车灵活性与安全性的完美融合。技术方案：为实现上述技术效果，本专利技术采用的技术方案为：一种带有容错功能的汽车动力转向控制装置，该装置包括：采集单元、理想横摆角速度计算单元、减法器单元、横摆角速度控制单元、电机故障诊断单元和容错控制策略单元；其中，采集单元实时采集汽车行驶过程中的方向盘转角信号θsw、实际横摆角速度信号r、质心偏侧角信号β、车速信号v、轮毂电机电流信号i和轮毂电机转速信号ω，并将方向盘转角信号θsw和车速信号v发送给理想横摆角速度计算单元，将轮毂电机电流信号i和轮毂电机转速信号ω发送给电机故障诊断单元，将实际横摆角速度信号r发送给减法器单元；理想横摆角速度计算单元根据方向盘转角信号θsw和车速信号v计算出理想横摆角速度r*并发送给减法器单元；减法器单元根据理想横摆角速度r*和实际横摆角速度信号r求出横摆角速度差值信号，并发送给横摆角速度控制单元；横摆角速度控制单元根据横摆角速度差值信号计算出所要调整的前、后轮转角信号δf和δr并发送给容错控制策略单元；电机故障诊断单元根据轮毂电机电流信号i和轮毂电机转速信号ω形成故障信号向量并发送给容错控制策略单元；容错控制策略单元根据前、后轮转角信号δf、δr和故障信号向量采取相应的容错控制策略，并将容错策略转换为轮毂电机控制电压和离合器控制电压分别发送给轮毂电机和离合器，重新分配轮毂电机的转矩，使汽车按照预定轨迹转向。本专利技术还提出一种带有容错功能的汽车动力转向控制方法，该方法包括：步骤(1)：构建带有容错功能的汽车动力转向控制装置；步骤(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θsw、实际横摆角速度信号r、质心偏侧角信号β、车速信号v、轮毂电机电流信号i和轮毂电机转速信号ω；步骤(3)：当驾驶员给方向盘施加转角信号θsw时，理想横摆角速度计算单元基于方向盘转角信号θsw和车速信号v，根据变传动比规律得出该时刻的理想横摆角速度r*；步骤(4)：以汽车质心为原点，行驶方向为x轴正向，在大地平面中垂直于行驶方向左侧为y轴正向，垂直于地面向上为z轴纵向，建立整车转向二自由度模型：其中，和分别表示横摆角速度信号r和质心偏侧角信号β的一阶导数，a为质心到前轴轴距，b为质心到后轴轴距，k1为前轮偏侧刚度，k2为后轮偏侧刚度，δf为前轮转角，δr为后轮转角，m为整车质量，Iz为整车绕z轴转动惯量；以理想横摆角速度r*为外部输入，u＝[δf，δr]T为控制输入构建所述整车转向二自由度模型的鲁棒控制系统，以最优控制问题为目标问题求取整车转向二自由度模型鲁棒控制系统的鲁棒控制器；步骤(5)：求出理想横摆角速度r*与实际横摆角速度r的差值信号，根据差值信号利用上述鲁棒控制器求取需要调整的前、后轮转角信号；步骤(6)：通过电机故障诊断单元根据轮毂电机电流信号i和轮毂电机转速信号ω形成故障信号向量；步骤(7)：容错控制策略单元根据故障信号向量采取相应的容错策略，并将容错策略转换为轮毂电机控制电流和离合器控制电压分别发送给轮毂电机和离合器，控制四个车轮按照预定轨迹转向。进一步的，所述步骤3中计算理想横摆角速度r*的表达式为：其中，a0＝k1k2(a+b)2+(k2b-k1a)mv2b0＝k1k2(a+b)v式中，L为汽车前轴到后轴的轴距；Ks为系数，取值范围为0.12-0.371/s。进一步的，所述步骤(4)中求取整车转向二自由度模型鲁棒控制系统的鲁棒控制器的流程包括：(4-1)建立整车转向二自由度模型鲁棒控制系统为：u＝Ky式中，P(s)为广义控制系统，K为P(s)的鲁棒控制器，W1、W2为加权函数，G为中间传递函数，为被调输出，y为测量输出；(4-2)求取广义控制对象P(s)的H∞范数为：定义K为使广义控制对象P(s)的||Tzω||∞最小的H∞控制器，通过求min||z||2即可求解控制器K。进一步的，所述步骤(6)中形成故障信号向量的流程包括：(6-1)根据基尔霍夫电压定律，构建轮毂电机直流电机的电枢回路模型为：式中，U为轮毂电机电枢两端电压；i为轮毂电机电流；R为轮毂电机电枢电阻；Ke为电机反电动势常数；Li为电感系数；(6-2)通过轮毂电机电流i以及转速信号ω，实时辨识电机电枢电阻值，并与电机电枢电阻值实际值对比，当电机电枢电阻值测量值与实际值的误差超过设定阈值即判定电机故障；(6-3)定义1表示该轮毂电机正常运行，0表示该轮毂电机处于故障状态，按照四个轮毂电机故障情况形成故障向量表，所述故障向量表包括四个轮毂电机的运行状态和对应的故障情况。进一步的，所述故障向量表如表1所示：表1故障向量故障情况0000四个电机全部故障0001右后轮正常，其余电机故障0010左后轮正常，其余电机故障0100右前轮正常，其余电机故障1000左前轮正常，其余电机故障0011两后轮正常，两前轮故障0101右侧两轮正常，其余两轮故障0110右前、左后两轮正常，其余两轮故障1100两前轮正常，两后轮故障1001左前、右后两轮正常，其余两轮故障1010左侧两轮正常，其余两轮故障0111左前轮故障，其余三轮正常1101左后轮故障，其余三轮正常1011右前轮故障，其余三轮正常1110右后轮故障，其余三轮正常1111四轮全部正常进一步的，所述步骤(7)中的采取容错策略的步骤包括：(7-1)构建前、后轮转角与轮毂电机转速的数学模型如下：其中，ω1、ω2、ω3、ω4分别表示左前、右前、左后、右后轮本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种带有容错功能的汽车动力转向控制装置，其特征在于包括：采集单元、理想横摆角速度计算单元、减法器单元、横摆角速度控制单元、电机故障诊断单元和容错控制策略单元；其中，采集单元实时采集汽车行驶过程中的方向盘转角信号θsw、实际横摆角速度信号r、质心偏侧角信号β、车速信号v、轮毂电机电流信号i和轮毂电机转速信号ω，并将方向盘转角信号θsw和车速信号v发送给理想横摆角速度计算单元，将轮毂电机电流信号i和轮毂电机转速信号ω发送给电机故障诊断单元，将实际横摆角速度信号r发送给减法器单元；理想横摆角速度计算单元根据方向盘转角信号θsw和车速信号v计算出理想横摆角速度r*并发送给减法器单元；减法器单元根据理想横标角速度r*和实际横摆角速度信号r求出横摆角速度差值信号，并发送给横摆角速度控制单元；横摆角速度控制单元根据横摆角速度差值信号计算出所要调整的前、后轮转角信号δf和δr并发送给容错控制策略单元；电机故障诊断单元根据轮毂电机电流信号i和轮毂电机转速信号ω形成故障信号向量并发送给容错控制策略单元；容错控制策略单元根据前、后轮转角信号δf、δr和故障信号向量采取相应的容错控制策略，并将容错策略转换为轮毂电机控制电压和离合器控制电压分别发送给轮毂电机和离合器，重新分配轮毂电机的转矩，使汽车按照预定轨迹转向。...

【技术特征摘要】
1.一种带有容错功能的汽车动力转向控制装置，其特征在于包括：采集单元、理想横摆角速度计算单元、减法器单元、横摆角速度控制单元、电机故障诊断单元和容错控制策略单元；其中，采集单元实时采集汽车行驶过程中的方向盘转角信号θsw、实际横摆角速度信号r、质心偏侧角信号β、车速信号v、轮毂电机电流信号i和轮毂电机转速信号ω，并将方向盘转角信号θsw和车速信号v发送给理想横摆角速度计算单元，将轮毂电机电流信号i和轮毂电机转速信号ω发送给电机故障诊断单元，将实际横摆角速度信号r发送给减法器单元；理想横摆角速度计算单元根据方向盘转角信号θsw和车速信号v计算出理想横摆角速度r*并发送给减法器单元；减法器单元根据理想横摆角速度r*和实际横摆角速度信号r求出横摆角速度差值信号，并发送给横摆角速度控制单元；横摆角速度控制单元根据横摆角速度差值信号计算出所要调整的前、后轮转角信号δf和δr并发送给容错控制策略单元；电机故障诊断单元根据轮毂电机电流信号i和轮毂电机转速信号ω形成故障信号向量并发送给容错控制策略单元；容错控制策略单元根据前、后轮转角信号δf、δr和故障信号向量采取相应的容错控制策略，并将容错策略转换为轮毂电机控制电压和离合器控制电压分别发送给轮毂电机和离合器，重新分配轮毂电机的转矩，使汽车按照预定轨迹转向。2.一种带有容错功能的汽车动力转向控制方法，其特征在于包括：步骤(1)：构建如权利要求1所述的带有容错功能的汽车动力转向控制装置；步骤(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θsw、实际横摆角速度信号r、质心偏侧角信号β、车速信号v、轮毂电机电流信号i和轮毂电机转速信号ω；步骤(3)：当驾驶员给方向盘施加转角信号θsw时，理想横摆角速度计算单元基于方向盘转角信号θsw和车速信号v，根据变传动比规律得出该时刻的理想横摆角速度r*；步骤(4)：以汽车质心为原点，行驶方向为x轴正向，在大地平面中垂直于行驶方向左侧为y轴正向，垂直于地面向上为z轴纵向，建立整车转向二自由度模型：其中，和分别表示横摆角速度信号r和质心偏侧角信号β的一阶导数，a为质心到前轴轴距，b为质心到后轴轴距，k1为前轮偏侧刚度，k2为后轮偏侧刚度，δf为前轮转角，δr为后轮转角，m为整车质量，Iz为整车绕z轴转动惯量；以理想横摆角速度r*为外部输入，u＝[δf，δr]T为控制输入构建所述整车转向二自由度模型的鲁棒控制系统，以最优控制问题为目标问题求取整车转向二自由度模型鲁棒控制系统的鲁棒控制器；步骤(5)：求出理想横摆角速度r*与实际横摆角速度r的差值信号，根据差值信号利用上述鲁棒控制器求取需要调整的前、后轮转角信号；步骤(6)：通过电机故障诊断单元根据轮毂电机电流信号i和轮毂电机转速信号ω形成故障信号向量；步骤(7)：容错控制策略单元根据故障信号向量采取相应的容错策略，并将容错策略转换为轮毂电机控制电压和离合器控制电压分别发送给轮毂电机和离合器，控制四个车轮按照预定轨迹转向。3.根据权利要求2所述的一种带有容错功能的汽车动力转向控制方法，其特征在于，所述步骤(3)中计算理想横摆角速度r*的表达式为：...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵万忠，张寒，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32