一种双电机线控转向系统及其容错控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种双电机线控转向系统及其容错控制方法，系统包括：转向盘模块、转向执行模块、控制模块；转向盘模块；所述控制模块分别与转向盘转角传感器、转向盘转矩传感器、车速传感器、横摆角速度传感器、第一电流霍尔传感器、第二电流霍尔传感器、路感电机驱动器、第一转向电机驱动器和第二转向电机驱动器电气相连。本发明专利技术采用扩展卡尔曼滤波算法，基于双电机线控转向系统模型，建立参数和状态耦合自适应非线性观测器，实时准确的观测电机失效系数以及整车状态。数以及整车状态。数以及整车状态。

【技术实现步骤摘要】
一种双电机线控转向系统及其容错控制方法


[0001]本专利技术属于车辆线控转向系统
，具体涉及一种双电机线控转向系统及其容错控制方法。

技术介绍

[0002]随着汽车智能化程度越来越高，汽车上各模块逐渐趋于线控化设计，其中线控转向是当前人们研究的一个热点。由于线控转向系统摆脱了传统机械系统的连接，通过电子信号控制整个系统的运行，对于单一执行器的线控转向系统而言，一旦执行器出现问题，将会导致整个系统崩溃，往往采用主动容错引入双电机结构。如何对双电机线控转向系统进行实时故障诊断，快速准确实现其容错控制，是保证双电机线控转向系统稳定运行的关键。现有的故障诊断方法大多是针对单电机系统的，很少有研究关于双电机系统故障诊断，尤其是针对双电机线控转向系统。
[0003]现有的对双电机线控转向系统进行故障诊断和容错控制的方法公开较少，例如，中国专利技术专利申请号为CN201110171716.4中公开了一种应用于双电机线控转向系统的冗余容错控制方法，通过中央控制器检测两电机是否存在故障，从而对正常工作的电机进行转角控制；中国专利技术专利申请号为CN202010079815.9中公开了一种双电机同步控制系统的容错控制方法，通过检测双电机的三相电流判断逆变器的故障，将故障信号发送到容错逆变器和PWM信号逻辑合成单元完成容错拓扑的重构和容错算法。中国专利技术专利申请号为CN201910136329.3中公开了一种双电机双电源线控转向系统及其容错控制方法，通过多种供电模式，能够根据电源和电机故障情况进行快速切换，保证单个电源故障情况下，由另一个电源驱动双电机进行转向动作。
[0004]但是上述现有专利提到的双电机线控转向系统容错控制方法比较简单，只说明了发生故障时如何进行电机的控制，没有结合系统本身考虑如何进行故障诊断以及实时观测的问题，并且对电机的控制方法比较简单笼统，没有说明具体的控制策略以及对系统的稳定性。

技术实现思路

[0005]针对于上述现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种双电机线控转向系统及其容错控制方法，以克服现有线控转向系统技术中存在的故障检测准确率低、实时性差、系统稳定性无法保证的问题。
[0006]为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：
[0007]本专利技术的一种双电机线控转向系统，包括：转向盘模块、转向执行模块、控制模块；
[0008]转向盘模块，包括：转向盘、转向管柱、转向盘转角传感器、转向盘转矩传感器、路感电机驱动器、路感电机和路感电机减速器；
[0009]所述转向盘与转向管柱的一端固定连接；
[0010]所述路感电机的输出轴通过路感电机减速器与转向管柱的另一端相连，用于通过
转向管柱向转向盘传递路感；
[0011]所述路感电机驱动器与路感电机连接，用于驱动路感电机的转动状态；
[0012]所述转向盘转角传感器、转向盘转矩传感器均与转向管柱固定连接，分别采集转向盘的转角和转矩信号，并将采集到的信号发送给控制模块；
[0013]转向执行模块，包括：第一转向电机、第一转向电机减速器、第一转向电机驱动器、第一小齿轮、第二转向电机、第二转向电机减速器、第二转向电机驱动器、第二小齿轮、齿条、转向横拉杆、前轮、第一电流霍尔传感器、第二电流霍尔传感器、车速传感器及横摆角速度传感器；
[0014]所述第一转向电机通过第一转向电机减速器与第一小齿轮的转轴相连，第二转向电机通过第二转向电机减速器与第二小齿轮的转轴相连；
[0015]所述第一小齿轮、第二小齿轮均与齿条啮合；所述齿条和转向横拉杆相连；转向横拉杆的两端分别与车辆的两个前轮相连；
[0016]所述车速传感器安装在前轮内，用于获得车辆的车速，并将其发送给所述控制模块；
[0017]所述横摆角速度传感器安装在车身上，用于获得车辆实际的横摆角速度信号，并将其发送给所述控制模块；
[0018]所述第一电流霍尔传感器和第二电流霍尔传感器分别安装在第一转向电机和第二转向电机上，用于采集第一转向电机电流信号和第二转向电机电流信号，并将其发送给所述控制模块；
[0019]所述第一转向电机驱动器分别与第一转向电机、控制模块电气连接，用于控制第一转向电机转动状态；所述第二转向电机驱动器分别与第二转向电机、控制模块电气连接，用于控制第二转向电机转动状态；
[0020]所述控制模块分别与转向盘转角传感器、转向盘转矩传感器、车速传感器、横摆角速度传感器、第一电流霍尔传感器、第二电流霍尔传感器、路感电机驱动器、第一转向电机驱动器和第二转向电机驱动器电气相连。
[0021]进一步地，所述控制模块包括：信号采集模块、电机失效系数及整车状态联合估计模块、容错切换控制模块；
[0022]所述信息采集模块，用于对获取到的转向盘转角信号、转向盘转矩信号、车速信号、横摆角速度信号、第一转向电机电流信号、第二转向电机电流信号进行滤波降噪，并将处理后的信号传递给电机失效系数及整车状态联合估计模块和容错切换控制模块；
[0023]所述电机失效系数及整车状态联合估计模块，根据信息采集模块发送的信号，实时计算得到电机失效系数、横摆角速度、质心侧偏角，并发送给容错切换控制模块；
[0024]所述容错切换控制模块，根据电机失效系数及整车状态联合估计模块发送的信号，判断整车状态及两个转向电机的故障情况，并进行两个转向电机的切换控制和车辆的稳定性控制。
[0025]进一步地，所述第一转向电机、第二转向电机的型号相同。
[0026]进一步地，所述第一小齿轮、第二小齿轮的型号相同。
[0027]本专利技术的一种双电机线控转向系统的容错控制方法，基于上述系统，包括步骤如下：
[0028](1)建立双电机线控转向系统模型，包括：转向系统模型、转向电机模型、齿轮齿条模型、整车二自由度模型、变传动比模型；
[0029](2)定义两个转向电机的失效模式并建立转向电机故障模型；
[0030](3)根据步骤(1)和步骤(2)建立的模型，采用扩展卡尔曼滤波算法设计双电机线控转向系统的参数和状态耦合自适应非线性观测器，对整车状态及电机失效系数进行实时观测，获取整车状态及两个转向电机的故障情况；
[0031](4)根据整车状态及两个转向电机的故障情况，进行两个转向电机的切换控制和车辆的稳定性控制。
[0032]进一步地，所述步骤(1)中的双电机线控转向系统模型具体包括：
[0033](11)实时采集车辆行驶过程中的转向盘转角信号θ
sw
，横摆角速度γ，车速信号u，第i个转向电机电流信号I
i
,i＝1,2；
[0034](12)以车辆质心为原点，建立车辆的整车二自由度模型：
[0035][0036]式中，β为车辆的质心侧偏角；m为整车质量；k1,k2分别为前、后轮胎的侧偏刚度；I
z
为车辆绕z轴的转动惯量；a,b分别为质心到前、后轴的距离；δ
f
为前轮本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种双电机线控转向系统，其特征在于，包括：转向盘模块、转向执行模块、控制模块；转向盘模块，包括：转向盘、转向管柱、转向盘转角传感器、转向盘转矩传感器、路感电机驱动器、路感电机和路感电机减速器；所述转向盘与转向管柱的一端固定连接；所述路感电机的输出轴通过路感电机减速器与转向管柱的另一端相连，用于通过转向管柱向转向盘传递路感；所述路感电机驱动器与路感电机连接，用于驱动路感电机的转动状态；所述转向盘转角传感器、转向盘转矩传感器均与转向管柱固定连接，分别采集转向盘的转角和转矩信号，并将采集到的信号发送给控制模块；转向执行模块，包括：第一转向电机、第一转向电机减速器、第一转向电机驱动器、第一小齿轮、第二转向电机、第二转向电机减速器、第二转向电机驱动器、第二小齿轮、齿条、转向横拉杆、前轮、第一电流霍尔传感器、第二电流霍尔传感器、车速传感器及横摆角速度传感器；所述第一转向电机通过第一转向电机减速器与第一小齿轮的转轴相连，第二转向电机通过第二转向电机减速器与第二小齿轮的转轴相连；所述第一小齿轮、第二小齿轮均与齿条啮合；所述齿条和转向横拉杆相连；转向横拉杆的两端分别与车辆的两个前轮相连；所述车速传感器安装在前轮内，用于获得车辆的车速，并将其发送给所述控制模块；所述横摆角速度传感器安装在车身上，用于获得车辆实际的横摆角速度信号，并将其发送给所述控制模块；所述第一电流霍尔传感器和第二电流霍尔传感器分别安装在第一转向电机和第二转向电机上，用于采集第一转向电机电流信号和第二转向电机电流信号，并将其发送给所述控制模块；所述第一转向电机驱动器分别与第一转向电机、控制模块电气连接，用于控制第一转向电机转动状态；所述第二转向电机驱动器分别与第二转向电机、控制模块电气连接，用于控制第二转向电机转动状态；所述控制模块分别与转向盘转角传感器、转向盘转矩传感器、车速传感器、横摆角速度传感器、第一电流霍尔传感器、第二电流霍尔传感器、路感电机驱动器、第一转向电机驱动器和第二转向电机驱动器电气相连。2.根据权利要求1所述的双电机线控转向系统，其特征在于，所述控制模块包括：信号采集模块、电机失效系数及整车状态联合估计模块、容错切换控制模块；所述信息采集模块，用于对获取到的转向盘转角信号、转向盘转矩信号、车速信号、横摆角速度信号、第一转向电机电流信号、第二转向电机电流信号进行滤波降噪，并将处理后的信号传递给电机失效系数及整车状态联合估计模块和容错切换控制模块；所述电机失效系数及整车状态联合估计模块，根据信息采集模块发送的信号，实时计算得到电机失效系数、横摆角速度、质心侧偏角，并发送给容错切换控制模块；所述容错切换控制模块，根据电机失效系数及整车状态联合估计模块发送的信号，判断整车状态及两个转向电机的故障情况，并进行两个转向电机的切换控制和车辆的稳定性
控制。3.根据权利要求1所述的双电机线控转向系统，其特征在于，所述第一转向电机、第二转向电机的型号相同；所述第一小齿轮、第二小齿轮的型号相同。4.一种双电机线控转向系统的容错控制方法，基于权利要求1
‑
3中任意一项所述的系统，其特征在于，包括步骤如下：(1)建立双电机线控转向系统模型，包括：转向系统模型、转向电机模型、齿轮齿条模型、整车二自由度模型、变传动比模型；(2)定义两个转向电机的失效模式并建立转向电机故障模型；(3)根据步骤(1)和步骤(2)建立的模型，采用扩展卡尔曼滤波算法设计双电机线控转向系统的参数和状态耦合自适应非线性观测器，对整车状态及电机失效系数进行实时观测，获取整车状态及两个转向电机的故障情况；(4)根据整车状态及两个转向电机的故障情况，进行两个转向电机的切换控制和车辆的稳定性控制。5.根据权利要求4所述的双电机线控转向系统的容错控制方法，其特征在于，所述步骤(1)中的双电机线控转向系统模型具体包括：(11)实时采集车辆行驶过程中的转向盘转角信号θ
sw
，横摆角速度γ，车速信号u，第i个转向电机电流信号I
i
,i＝1,2；(12)以车辆质心为原点，建立车辆的整车二自由度模型：式中，β为车辆的质心侧偏角；m为整车质量；k1,k2分别为前、后轮胎的侧偏刚度；I
z
为车辆绕z轴的转动惯量；a,b分别为质心到前、后轴的距离；δ
f
为前轮转角；(13)建立转向系统模型：式中，θ
s
为小齿轮转角；B
R
为等效阻尼系数；J
R
为等效转动惯量；T1为第一转向电机输出转矩，T2为第二转向电机输出转矩；G1为转向电机输出到小齿轮的减速比；G2为第一小齿轮/第二小齿轮转角到前轮的减速比；η为转向电机减速器的效率；d
r
为路面干扰；τ
R
为轮胎的回正力矩；t
p
，t
m
分别为轮胎拖距和主销偏移量；建立转向电机模型：
式中，J
m
为第一、第二转向电机的转动惯量；B
m
为第一、第二转向电机阻尼系数；T
mi
为正常工作条件下第i个转向电机的名义输出转矩；K
ti
为第i个转向电机的电磁转矩常数；i
qi
为第i个转向电机q轴的电枢电流；建立齿轮齿条模型：式中，m
rack
为齿条质量；B
rack
为齿条阻尼系数；F
R
为转向阻力；x
r
为齿条位移；r
p
为小齿轮半径；为摩擦力；(14)根据整车二自由度模型，计算车辆进入稳态时的理想横摆角速度和质心侧偏角，输出转矩：式中，γ
*
为理想横摆角速度，β
*
为理想质心侧偏角；(15)建立变传动比模型：式中，i2为转向系统传动比；K
s
为横摆角速度增益，L为轴距，K
u
是稳定性因数。6.根据权利要求5所述的双电机线控转向系统的容错控制方法，其特征在于，所述步骤(2)具体包括：(21)进行转向电机的故障模式分析，定义电机失效系数χ
i
：
通过电机失效系数的定义，得到不同故障条件下第i个转向电机的输出电磁转矩T
mi
：结合步骤(1)中建立的转向电机模型，得到第i个转向电机的电磁转矩I
i
＝i
qti
；T
mi
为正常工作条件下第i个转向电机的名义输出转矩；建立转向电机故障模型为：式中，p
n
为极对数，为永磁体磁链，i
...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐坤豪，赵万忠，刘津强，梁为何，张森皓，刘利锋，李志成，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：