一种双电机线控转向系统及其主动容错控制方法技术方案

本发明专利技术提供了一种双电机线控转向系统及其主动容错控制方法，所述方法包括：车辆前轮转角跟踪控制器、车辆稳定性控制器以及基于变参数模型(LPV)设计的非线性模型控制方法。前轮转角跟踪控制器与稳定性控制器是基于线性二次型调节器(LQR)以及最优控制算法设计的，包括：求解理想前轮转角；建立车辆双电机转向执行系统的动力学模型；根据理想前轮转角与转向系统动力学模型，设计转角跟踪控制器及稳定性控制器。双电机主动容错控制包括：通过双电机转矩传感器与前轮转角跟踪控制器输出的控制转矩比较，计算故障系数，将转向执行机构模型优化为含电机故障参数的变参数(LPV)非线性结构。本发明专利技术能够保障双电机故障后的车辆安全性。性。性。

【技术实现步骤摘要】
一种双电机线控转向系统及其主动容错控制方法


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

技术介绍

[0002]线控转向系统作为车辆主动安全性的关键总成，主要负责控制车辆的主动转向和对车辆横摆稳定性的控制。线控转向系统相较于传统的车辆转向，取消了转向管柱与车轮之间的部分机械结构，能依据不同驾驶员、不同道路条件自由设计不同的车辆传动比，使之能够同时满足车辆在低速灵活和在高速稳定的要求。
[0003]在转向执行机构设计部分，为了避免了由于单电机故障而导致的转向执行机构失效的问题，采用双电机结构，实现硬件冗余，提高了系统的响应特性和车辆的安全性。并且，转向系统所需的额定转矩可以由双电机共同承担，减小了单个电机的工作负载，提高转向执行机构的总体效率和使用寿命。
[0004]现有关于双电机的容错控制，尤其是关于双电机线控转向系统的主动容错控制方法公开较少，例如，中国专利技术专利申请号为CN201611018430.1中公开了一种基于卡尔曼滤波观测器的执行器故障检测方法；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，研究在电源故障下的双电机工作模式。
[0005]现有技术提到的大多数故障诊断方法是基于车辆动力学线性模型模型或固定参数下的容错控制方法，且大多数车辆稳定性控制方法的研究对象为车辆横摆角速度与质心侧偏角，以车辆前轮转角作为研究对象的控制方法较少。

技术实现思路

[0006]专利技术目的：本专利技术所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种双电机线控转向系统及其主动容错控制方法，可以实时跟踪车辆的前轮转角信号，跟踪误差精度高；针对回正力矩反馈信号和理想转角输出信号的干扰，设计鲁棒控制器，提升了系统的抗干扰性能；针对双电机的主动容错控制，依据故障形式设计控制信号的故障系数，采用变参数(LPV)模型对线性系统进行优化。
[0007]所述系统包括信息采集模块、前轮转角跟踪控制模块、变参数模块和转向执行模块；
[0008]所述信息采集模块包括方向盘(1)、方向盘转角传感器(2)、车速传感器(6)、左侧电机转矩转速传感器(7)、右侧电机转矩转速传感器(12)和控制模块(4)；
[0009]所述方向盘转角传感器(2)与转向管柱固定连接，方向盘转角传感器(2)负责采集由驾驶员输入方向盘的转角信号，并将采集到的信号发送给控制模块(4)；
[0010]所述车速传感器(6)安装在车辆前轮内，用于获得车辆实时车速，并发送给控制模块(4)；
[0011]所述转向执行模块包括执行电机M1(5)、执行电机M2(13)、左侧减速器(8)、右侧减
速器(11)、左侧电机转矩转速传感器(7)、右侧电机转矩转速传感器(12)、左侧传动齿轮(9)、右侧传动齿轮(10)和转向横拉杆；
[0012]所述左侧电机转矩转速传感器(7)与执行电机M1(5)的输出轴相连，所述右侧电机转矩转速传感器(12)与执行电机M2(13)的输出轴相连，左侧电机转矩转速传感器(7)与右侧电机转矩转速传感器(12)接受对应电机的转速信号，并将双电机的转速信号发送给控制模块(4)；
[0013]所述前轮转角跟踪控制模块接收来自控制模块的信号，包括方向盘转角信号和前轮车速信号，设计随不同车速情况变化的汽车传动比，通过最优控制方法以及线性二次型调节器(Linear Quadratic Regulator,LQR)对前轮转角进行跟踪反馈，计算双电机最优控制率，即双电机输出转矩；同时，在双电机发生故障后，接收变参数模型的双电机故障系数，在线性二次型调节器(LQR)前轮反馈的基础上设计鲁棒性控制方法，减少因系统内部误差对前轮转角跟踪反馈的干扰；
[0014]所述变参数模块基于线性变参数模型(Linear Parameter Varying,LPV)设计，用于接收来自控制模块(4)的双电机转角信号，通过与线性二次型调节器(LQR)控制器的输出控制转矩比较，计算各电机的故障系数，将系统优化为包含故障参数的非线性模型。
[0015]所述转向执行模块通过双电机转向执行系统的动力学模型，接收来自前轮转角跟踪控制模块中LQR控制器所计算的双电机控制转矩，计算在控制信号下转向执行系统所得的实际前轮转角。
[0016]所述左侧电机转矩转速传感器(7)连接在执行电机M1(5)的输出轴上，所述右侧电机转矩转速传感器(12)连接在执行电机M2(13)的输出轴上；所述执行电机M1(5)通过左侧减速器(8)和左侧传动齿轮(9)相连，所述执行电机M2(13)通过右侧减速器(11)和右侧传动齿轮(10)相连；所述左侧传动齿轮(9)、右侧传动齿轮(10)同时和所述齿条啮合；所述齿条与转向横拉杆固连；转向横拉杆分别连接左右车前轮(6)。
[0017]本专利技术还提供了一种双电机线控转向系统的主动容错控制方法，包括如下步骤：
[0018]步骤1，建立理想前轮转角与方向盘转角关系，设计变传动比，求解理想前轮转角；
[0019]步骤2，建立车辆双电机转向执行系统及其动力学模型；
[0020]步骤3，根据理想前轮转角与双电机转向执行系统模型，设计转角跟踪控制器；
[0021]步骤4，根据电机转矩传感器信号与线性二次型调节器LQR输出的控制信号，设计双电机故障系数，并完成电机容错控制。
[0022]进一步地，步骤1包括：车辆在行驶过程中，当驾驶员转动方向盘时，通过方向盘转角传感器(2)采集转角信号θ
sw
，通过前轮的车速传感器(6)采集车辆纵向车速信号u，得到此时理想前轮转角信号与方向盘转角信号θ
sw
的关系式如下：
[0023][0024]其中，i
s
为车辆传动比，根据车辆不同车速进行变化；K
u
为不足转向系数，a为质心到前轴轴距；b为质心到后轴轴距；L为前后轴轴距；m为整车质量；k1、k2分别为前、后轮侧偏刚度；K
s
为横摆角速度系数，该范围为0.12
‑
0.37s
‑1。
[0025]进一步地，所述步骤2具体包括：
[0026]双电机转向执行系统的动力学模型为：
[0027][0028]双电机转向执行系统的动力学模型是基于车辆的齿轮齿条传动机构，依据实际受力情况的动力学模型；
[0029]其中x
r
为齿条横向位移，与分别为x
r
的一阶导数与二阶导数；θ
s
为小齿轮转角，δ
f
为前轮转角，m
r
为齿条质量；B
r
为齿条阻尼系数；f
r
为齿条横向摩擦阻力；sgn(x)表示符号函数；r
p
为小齿轮半径；T
g1
为执行电机M1控制转矩，T
g2
为执行电机M2控制转矩，T...

【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，包括信息采集模块、前轮转角跟踪控制模块、变参数模块和转向执行模块；所述信息采集模块包括方向盘(1)、方向盘转角传感器(2)、车速传感器(6)、左侧电机转矩转速传感器(7)、右侧电机转矩转速传感器(12)、控制模块(4)；所述方向盘转角传感器(2)与转向管柱固定连接，方向盘转角传感器(2)负责采集由驾驶员输入方向盘的转角信号，并将采集到的信号发送给控制模块(4)；所述车速传感器(6)安装在车辆前轮内，用于获得车辆实时车速，并发送给控制模块(4)；所述转向执行模块包括执行电机M1(5)、执行电机M2(13)、左侧减速器(8)、右侧减速器(11)、左侧电机转矩转速传感器(7)、右侧电机转矩转速传感器(12)、左侧传动齿轮(9)、右侧传动齿轮(10)和转向横拉杆；所述左侧电机转矩转速传感器(7)与执行电机M1(5)的输出轴相连，所述右侧电机转矩转速传感器(12)与执行电机M2(13)的输出轴相连，左侧电机转矩转速传感器(7)与右侧电机转矩转速传感器(12)接受对应电机的转速信号，并将双电机的转速信号发送给控制模块(4)；所述前轮转角跟踪控制模块接收来自控制模块(4)的信号，包括方向盘转角信号和前轮车速信号，设计随不同车速情况变化的汽车传动比，通过最优控制方法以及线性二次型调节器LQR对前轮转角进行跟踪反馈，计算双电机最优控制率，即双电机输出转矩；同时，在双电机发生故障后，接收变参数模型的双电机故障系数，在线性二次型调节器LQR前轮反馈的基础上设计鲁棒性控制方法；所述变参数模块基于线性变参数模型设计，用于接收来自控制模块(4)的双电机转角信号，通过与线性二次型调节器控制器的输出控制转矩比较，计算各电机的故障系数，将系统优化为包含故障参数的非线性模型。2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述转向执行模块通过双电机转向执行系统的动力学模型，接收来自前轮转角跟踪控制模块中LQR控制器所计算的双电机控制转矩，计算在控制信号下转向执行系统所得的实际前轮转角。3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述左侧电机转矩转速传感器(7)连接在执行电机M1(5)的输出轴上，所述右侧电机转矩转速传感器(12)连接在执行电机M2(13)的输出轴上；所述执行电机M1(5)通过左侧减速器(8)和左侧传动齿轮(9)相连，所述执行电机M2(13)通过右侧减速器(11)和右侧传动齿轮(10)相连；所述左侧传动齿轮(9)、右侧传动齿轮(10)同时和所述齿条啮合；所述齿条与转向横拉杆固连；转向横拉杆分别连接左右车前轮(6)。4.一种双电机线控转向系统的主动容错控制方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，建立理想前轮转角与方向盘转角关系，设计变传动比，求解理想前轮转角；步骤2，建立车辆双电机转向执行系统及其动力学模型；步骤3，根据理想前轮转角与双电机转向执行系统的动力学模型，设计转角跟踪控制器；步骤4，根据电机转矩传感器信号与线性二次型调节器LQR输出的控制信号，设计双电机故障系数，并完成电机容错控制。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤1包括：车辆在行驶过程中，当驾驶员转动方向盘时，通过方向盘转角传感器(2)采集转角信号θ
sw
，通过前轮的车速传感器(6)采集车辆纵向车速信号u，得到此时理想前轮转角信号与方向盘转角信号θ
sw
的关系式如下：其中i
s
为车辆传动比，根据车辆不同车速进行变化；K
u
为不足转向系数，a为质心到前轴轴距；b为质心到后轴轴距；L为前后轴轴距；m为整车质量；k1、k2分别为前轮侧偏刚度、后轮侧偏刚度；K
s
为横摆角速度系数。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤2包括：双电机转向执行系统的动力学模型为：双电机转向执行系统的动力学模型是基于车辆的齿轮齿条传动机构，依据实际受力情况的动力学模型；其中x
r
为齿条横向位移，与分别为x
r
的一阶导数与二阶导数；θ
s
为小齿轮转角，δ
f
为前轮转角，m
r
为齿条质量；B
r
为齿条阻尼系数；f
r
为齿条横向摩擦阻力；sgn表示符号函数；r
p
为小齿轮半径；T
g1
为执行电机M1控制转矩，T
g2
为执行电机M2控制转矩，T
eq
为双电机控制转矩之和；F
R
为等效横摆阻力；T
R
为齿条等效横摆阻力矩；M
z
为回正力矩；K
t
为电磁转矩系数；G1为执行电机减速比；η为执行电机的传动效率；G2是从齿条到轮胎的传动比；综合车辆双电机转向执行系统的动力学模型，得出关于车辆前轮转角与双电机控制转矩的状态空间方程，取状态空间模型的状态变量状态变量的一阶微分信号为其中，与分别为前轮转角的一阶微分信号与二阶微分信号；系统输入量为双电机控制转矩u＝[T
g1 T
g2
]
T
，系统干扰量系统输出为实际前轮转角y＝δ
f
，建立双电机线控转向系统的状态空间模型如下：
其中，A、B1、B2、C为状态空间矩阵，、C为状态空间矩阵，C＝[1 0]；将上述车辆双电机转向执行系统的动力学模型所得的实际前轮转角信号δ
f
和纵向车速信号u作为输入，采用车辆二自由度模型，计算车辆的状态参数，包括横摆角速度ω
r
、质心侧偏角β和前轮侧偏角α
f
...

【专利技术属性】
技术研发人员：张寒，蒋文韬，李源浩，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：