本发明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。
背景技术：
：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。技术实现要素：发明目的：为解决上述技术问题，本发明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，本发明采用的技术方案为：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。本发明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、右后轮毂电机的轮速，D为轮胎滚动半径，l为左、右车轮的轮距；从前、后轮转角值中获取两个前轮之间的转速差和两个后轮之间的转速差；(7-2)根据转速差和故障向量采取容错策略，包括：当四个轮毂电机全部正常运行时，将前轮转速差值平均分配到两前轮，后轮转速差值平均分配到两后轮，完成转向；当一个轮毂电机故障时，切断故障电机电流输入，控制其异侧轮毂电机转速，完成转向；当两个轮毂电机同时故障时，若为对角线上的两轮毂电机故障，则切断故障电机电流输入，控制其异侧正常轮毂电机转速，按照预定轨迹完成转向；若为两后轮轮毂电机故障，切断故障电机输入电流，容错控制策略单元控制后转向管柱离合器接合，通过转向伺服电机控制后轮转角，将前轮转速差值平均分配到两前轮，按照预定轨迹完成转向；若为两前轮电机故障，容错控制策略单元使前转向管柱离合器接合，通过转向伺服电机控制前轮转角，将后轮转速差值平均分配到两后轮，按照预定轨迹完成转向；当同侧的两个轮毂电机同时故障或三个以上的轮毂电机故障时，切断所有轮毂电机电流，进入制动状态。有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优势：1.使用线控四轮转向，在行驶过程中，使用变传动比计算出理想横摆角速度，通过与实际横摆角度的差值使用鲁棒控制求得前、后轮转角，通过转速分配控制四轮转向，提高了转向系统的操纵稳定性。2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横摆角速度计算得到的目标前、后轮转角重新分配轮毂电机的转速，或者起用转向伺服电机，使汽车按照预定轨迹转向，提高转向系统的可靠性和汽车行驶时的稳定性和安全性。附图说明图1为本发明实施例中带有容错功能的汽车动力转向控制装置在车体上的布置示意图；图2为本发明实施例中带有容错功能的汽车动力转向控制装置的原理图；图3为本发明中带有容错功能的汽车动力转向控制方法的原理图；图4为本发明实施例中鲁棒控制系统模型。图中：1、前轮，2、前轮轮毂电机，3、前轴，4、齿轮齿条转向器，5、转向伺服电机，6、前轮行星齿轮机构，7、前转向管柱离合器，8、所述带有容错功能的汽车动力转向控制装置，9、后轮，10、后轮轮毂电机，11、后轴，12、轮速传感器，13、后转向管柱离合器，14、后轮行星齿轮机构，15、万向节，16、前转向管柱，17、后转向管柱。具体实施方式为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。实施例：如图1所示为本实施例中带有容错功能的汽车动力转向控制装置在车体上的布置示意图，包括前轮1、前轮轮毂电机2、前轴3、齿轮齿条转向器4、转向伺服电机5、前轮行星齿轮机构6、前转向管柱离合器7、带有容错功能的汽车动力转向控制装置8、后轮9、后轮轮毂电机10、后轴11、轮速传感器12、后转向管柱离合器13、后轮行星齿轮机构14、万向节15、前转向管柱16、后转向管柱17。前、后轮的轮毂电机分别安装在前、后轮内，齿轮齿条转向器4与前轮1相连，转向柱通过行星齿轮结构与离合器相连。图2至图3所示为本发明实施例中带有容错功能的汽车动力转向控制装置的原理图和带有容错功能的汽车动力转向控制方法的原理图，本发明的控制流程如下：(一)求取理想横摆角速度车辆行驶时，当驾驶员转动转向盘，控制装置通过方向盘转角传感器、车速传感器采集到方向盘转角θsw，以及车速信号v，根据变传动比规律计算汽车该时刻的理想横摆角速度r*。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，其范围可根据驾驶员喜好选取，该范围为0.12-0.371/s。(二)建立整车转向二自由度模型并求取该模型的鲁棒控制器以汽车质心为原点，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，u＝[δf，δr]T，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；令系统状态向量u＝[δf，δr]T，y1＝[1，0]x；G为由u到y1的传递函数阵；w＝r*，为理想横摆角速度；W1，W2为相对应的加权函数，z1和z2为被调输出，设计如图4所示的整车转向二自由度模型的鲁棒控制系统：广义控制系统P(s)为：在四轮转向控制过程中，要求使汽车的横摆角速度能够良好的跟踪理想值，并且前后轮转角能尽量小，使轮胎能处于线性范围行驶，于此，求取z的H2范数为：将z的H2范数作为目标函数求取系统的鲁棒控制器。由于广义控制对象P(s)的H∞范数为求min||z||2即可变为求解控制器K，能使广义控制系统P(s)稳定且||Tzω||∞最小，则K即为广义控制对象P(s)的H∞控制器。通过横摆角速度传感器采集横摆角速度信号，与求得的理想横摆角速度值做差，通过鲁棒控制器求得目标前、后轮转角δf和δr。(三)建立电机模型，通过卡尔曼滤波实时辨识电机参数，检测电机故障：根据基尔霍夫电压定律，直流电机的电枢回路的微分方程可以表示为：其中，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。通过轮毂电机电流以及转速信号，实时辨识电机电枢电阻值，与实际值对比，误差超过阈值即判定电机故障。(四)形成故障信号向量并采取相应的容错策略定义1表示该电机正常运行，0表示该电机处于故障状态，按照电机故障情况输出故障向量如表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1111四轮全部正常根据故障信号向量采取相应的容错控制策略，保障汽车行驶的稳定性和安全性，具体包括以下流程：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、右后轮毂电机的轮速，D为轮胎滚动半径，l为左、右车轮的轮距；从前、后轮转角值中获取两个前轮之间的转速差和两个后轮之间的转速差。根据转速差和故障向量采取容错策略，包括：电机全部正常运行时(1111)，将转速差值平均分配到左右两轮，完成转向。当一个电机故障时(1110，1101，1011，0111)，切断其电流输入，控制其异侧电机转速，按照预定轨迹完成转向；当两个电机同时故障时，若为对角两电机故障(1001，0110)，则切断其电流输入，控制其异侧正常电机转速，完成转向；若为两后轮电机故障(1100)，切断其输入电流，电子控制单元发送信号到后转向管柱离合器控制其接合，通过转向伺服电机控制后轮转角，前轮转角有两前轮差速控制，按照预定轨迹完成转向；若为两前轮电机故障(0011)，则由电子控制单元发送一个转向离合器控制信号，使离合器接合，通过控制转向伺服电机控制前轮转角，后轮转角由后轮差速控制，按照预定轨迹完成转向；当左右同侧的两个电机同时故障(1010，0101)或三个以上的轮毂电机故障(0000，0001，0100，0010，1000)时，汽车将无法稳定行驶，应当立即制动，保证驾驶员的安全。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，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。当前第1页1 2 3