基于线控转向双电机的主动容错和故障缓解系统及其控制方法与流程

本发明涉及线控转向系统及容错控制系统
技术领域：
，特别是在依据线控转向双电机不同故障工况下切换工作模式功能，并保证良好的汽车行驶性能和续航能力的线控转向双电机容错系统及其模式切换控制方法。
背景技术：
：目前,关于汽车故障容错普遍采用硬件冗余和软件冗余两种方式。其中硬件冗余可以在汽车发生故障的时候采取替换的方式，用新的硬件替换掉故障的硬件，以此保证汽车的正常行驶；但硬件冗余方式将加大汽车的经济成本，没有考虑汽车实时的故障状况，不能实现汽车实时最优分配，是一种较为保守的容错方式。软件冗余是一种以软件冗余来减少硬件冗余开发成本的方式，软件冗余的核心方式是主动容错的方式，该方式通过其他组正确数据的辨识及推导，用推导出的近似正确的数据替换掉因传感器等失效测得的错误数据，这样可以解决因为某些传感器失效带来的连锁误差，可大大减少容错的开发成本。但有些执行器不适合完全用主动容错的方式替代，因为有些执行器的故障，不仅仅会造成数据的错误，更会直接影响汽车的执行效果。比如汽车线控转向的执行电机，单转向执行电机发生故障，只采用主动容错的方式无法替代转向电机失效带来的转向影响，不能保证野外工况下唯一执行器转向执行电机发生故障，汽车的正常行驶和最优控制。单独的主动容错方式无法解决执行器故障问题，单独的硬件冗余方式或硬件冗余与主动容错方式结合无法解决汽车行驶实时最优化问题，会造成故障执行器资源的浪费。技术实现要素：针对现有容错理念及现有技术的不足，本发明提出了一种新型容错理念-故障缓解，并基于此理念提供了一种基于线控转向双执行电机的主动容错和故障环节系统及其模式切换方法，在保证安全性的基础上，通过硬件冗余和主动容错及故障缓解三者相结合的方式极大的提高了系统的安全性、可靠性、以及性能的实时优越性，实现了汽车安全性与可靠性完美的融合，解决了在单电机故障的情况下，汽车无法运行或者性能急剧下降的问题，解决了硬件冗余与主动容错技术直接隔离故障电机，因方式过于保守造成的故障电机性能浪费的问题，更解决了汽车行驶过程中不能依据汽车故障类型实现汽车实时最优化性能的问题。本发明是通过如下技术方案实现的：首先，本发明提供了一种基于线控转向双电机的主动容错和故障缓解系统，该系统包括：采集单元、转向盘总成、ecu控制模块、双机执行单元；其中，采集单元分别与ecu控制模块、转向盘总成、双机执行单元连接；所述采集单元包括转向盘转角传感器4，转向盘力矩传感器5，前轮转角传感器9，前轮力矩传感器12，车速传感器19，横摆角速度传感器采集汽车状态的传感器；并将采集到的信号或指令分别转递给ecu控制模块、转向盘总成、双机执行单元，具体而言：采集单元实时将汽车行驶过程中车速信号、转向盘转角信号、转速传感器获得转向电机的转角信号、转矩传感器获得转矩电机的转矩信号以及横摆角速度传感器获得的汽车横摆角速度信号、转向前轮的转角信号等传给电子控制单元及横摆角速度计算单元；将转角电机与转矩电机的电阻、电压、电流信号发送给电机故障诊断单元；将故障诊断单元发送的指令传递给容错控制策略单元；将横摆角速度计算单元得出的理想横摆角速度与实际横摆角速度差值信号及路面干扰侧向风干扰等信号发送给双机容错补偿控制单元；ecu控制模块分别与采集单元、双机执行单元、转向盘总成连接，其主要包括运算控制器7和容错控制器18，运算控制器7包括电机故障诊断单元、电子控制单元；容错控制器18即容错控制器，包括容错控制策略单元，横摆角速度计算单元，稳定性控制单元，双电机容错补偿单元；ecu控制模块接收来自采集单元的信号，经过计算后把相应的指令传输给双机执行单元进行动作；具体而言，电机故障诊断单元为自适应的kalman滤波器，以实现转角电机和转矩电机电阻，电流，电压的在线辨识，其根据采集单元传送的转角电机与转矩电机实时的电阻、电流、电压信号，判定电机的状态，并将电机的实际电压，电流信号传递给容错控制器。容错控制器根据电机故障诊断单元传来的信号，对于不同的电机故障，通过主动容错及故障缓解的方式进行相应的容错补偿控制策略；横摆角速度计算单元根据采集单元传送的方向盘转角信号、车速信号计算出理想的横摆角速度信号，再根据理想的横摆角速度信号与实际的横摆角速度信号计算出所需调整的理想横摆角速度差值，并把横摆角速度差值传递给稳定性控制单元；稳定性控制单元根据横摆角速度计算单元传递的横摆角速度差值综合考虑路面干扰，侧向风，系统摩擦等对汽车稳定的影响，从系统鲁棒性出发，以保证汽车的稳定性为前提，得出补偿转矩并传递给双机容错补偿单元；双机容错补偿单元接收稳定性控制单元传递的补偿转矩信号,并且根据容错控制策略单元的容错策略，通过转矩电机控制器16控制转矩电机13动作，对系统进行补偿，从而实现故障的主动容错或故障缓解。转向盘总成包括转向盘1、转向柱2、路感电机3,路感电机控制器6,转向盘1通过转向杆柱2与路感电机3及其转向盘转角传感器4相连接，转向盘力矩传感器5安装在转向杆柱2上；路感电机控制器6连接路感电机3及转向盘力矩传感器5，控制路感电机3的运行。双机执行单元包括依次连接的转角电机控制器8，转角电机10，双极减速器11，转矩电机控制器16，转矩电机13，减速器14，齿轮齿条机构15，前轮17；转角电机10及转矩电机13及双极减速器11、减速器14与齿轮齿条转向器15相连接，前轮17安装在齿轮齿条转向器15的两侧，前轮转角传感器9安装与前轮17上，转角传感器9与前轮力矩传感器12连接f1exray总线，将转角电机控制器8及转矩电机控制器16信号输入到总线中，再通过总线传输到容错控制器18中；转角电机10及其减速机构11连接转角控制单元8，转角电机控制单元8控制转角电机10及双极减速器11的运行，转矩电机13及减速器14连接转矩电机控制器16，转矩电机控制器16控制转矩电机13及减速器14的运行；容错控制器18的输出端分别与路感电机控制器6的输入端和flexray总线相连接；容错控制器18接收传入到flexary的前轮力矩电机传感器12，前轮转角电机传感器9，转向盘力矩传感器5的信号及运算控制器7的信号，行鲁棒性控制及补偿策略的控制，并把指令输入flexery总线，并将指令传送给转角电机控制器8及转矩电机控制器16使相应电机动作。其次，本发明还提供了一种基于上述线控转向双电机的主动容错和故障缓解系统的模式切换控制方法，该方法包括如下步骤：步骤1：汽车在行驶途中，采集单元将转角电机r2和转矩电机的电阻r3，电流信号i2和i3传递给电机故障诊断单元，电机故障诊断单元根据电阻与电流的大小，判定电机状态，并且输出电机电流与转矩的关系t＝f(i)，并将指令传递给容错控制策略单元；步骤2：容错控制策略单元接收到来自故障诊断单元的诊断结果，得到转角电机或者转矩电机运行状态工况，并且通过比较转角电机电压u2和转距电机电压u3与参考阈值u0比较，决定采取主动容错策略1，或主动容错策略2，或故障缓解策略1，或故障缓解策略2；步骤3：横摆角速度计算单元根据采集单元实时采集的方向盘转角信号δsw，车速信号u根据变传动比规律计算出实时的理想的横摆角速度信号ωr*，再根据理想的横摆角速度信号ωr*与实际的横摆角速度信号ωr计算出所需调整的理想横摆角速度差值δωr，并把横摆角速度差值δωr传递给稳定性控制单元；横摆角速度计算单元根据汽车实时车速u和前轮转角输入整车转向二自由度模型得到实际横摆角速度ωr。δωr＝ωr-ωr*(2)式(1)中：m为汽车质量；iz为汽车绕z轴的转动惯量；k1、k2分别为前后车轮的侧偏刚度；δf为前轮转角；a，b分别为前、后轴至车辆质心的距离；u为车辆前进速度；ωr为横摆角速度；β为质心侧偏角；步骤4：稳定性控制单元接收来自横摆角速度控制单元输入的横摆角速度差值δωr，转换成相应的补偿转矩t1，综合路面干扰形成的补偿转矩t2，系统摩擦形成的补偿转矩t3，考虑系统稳定性控制因素，采用μ综合鲁棒控制器控制，提高系统抵抗外界干扰的能力，并且把补偿转矩δt传递给双机补偿单元；δt＝δt1+δt2+δt3(3)δt使总的补偿转矩，δt1使弥补横摆角速度差值所需的补偿转矩，δt2路面干扰形成的补偿转矩，δt3系统摩擦形成的补偿转矩；步骤5：容错控制器接收来自稳定性控制单元的补偿转矩t，通过接受到容错控制器传来的的容错策略，选取对应的补偿策略，作用于双机执行单元和转向盘总成，保证汽车能有好的横摆角速度控制效果，及较好的稳定性。进一步的，在上述一种基于上述线控转向双电机的主动容错和故障缓解系统的模式切换控制方法中，还包括在步骤1中构建电机故障诊断单元，可以通过设计一个自适应的kalman滤波器实现转角电机和转矩电机电阻，电流，电压的在线辨识：其中：对于离散线性系统：x(k)＝ax(k-1)+b(u(k)+w(k))(4)yv(k)＝cx(k)+v(k)(5)式(4)、(5)中，x(k)时k时刻的系统状态，x(k-1)时k-1时刻的系统状态，a，b是系统参数，u(k)是k时刻对系统的控制量，w(k)为过程噪声信号，v(k)为测量噪声信号，yv(k)是系统k时刻的测量值，c是矩阵；离散卡尔曼滤波递推算法为：mn(k)＝p(k)ct/[cp(k)ct+r](6)p(k)＝ap(k-1)at+bqbt(7)p(k)＝(en-mn(k)c)p(k)(8)x(k)＝ax(k-1)+mn(k)(yv(k)-cax(k-1))(9)ye(k)＝cx(k)(10)式(6)-(10)中x(k)时k时刻的系统状态，x(k-1)时k-1时刻的系统状态，a，b，r是系统参数，c是矩阵，at是a矩阵的转置矩阵，bt是b矩阵的转置矩阵，ct是c矩阵的转置矩阵，ye(k)是经过卡尔曼滤波器修正后的输出信号，p(k)是系统k时刻的协方差，p(k-1)是系统k-1时刻的协方差，en是单位向量，mn(k)是中间变量en为单位向量，则系统误差的协方差errcov(k)为：errcov(k)＝cp(k)ct(11)式(11)中，errcov(k)是系统误差的协方差，c是矩阵，ct是c矩阵的转置矩阵，p(k)是系统k时刻的协方差。根据基尔霍夫电压定律，构建转角电机与转矩电机的回路模型：转角电机电学方程为：式(12)中：l为转向电机电感；r2为转向电机电阻；kb2为电动势常数；u2是转角电机的输入电压，是转角电机的电流，是转角电机转角加速度，kb2是转角电机的刚度。转矩电机电学方程为：式中：l为转矩电机电感；r3为转矩电机电阻；kb3为电动势常数；u3是转矩电机的输入电压，ia3是转矩电机的电流，是转矩电机转角加速度，kb3是转角电机的刚度。自适应的kalman滤波器将转角电机，转矩电机的电压，电流，电阻信号传递给容错控制策略单元。进一步的，所述步骤2中形成的四种实时容错控制策略，主动容错策略1，或主动容错策略2，或故障缓解策略1，或故障缓解策略2的流程包括：步骤2.1：kalman滤波器通过监测电阻波动超出正常范围，可以判定转角电机或转矩电机故障。从电机性能最优化考虑，当电机的输出最大电压大于安全裕度电压即u＞＝0.5umax，u0＝0.5umax时，即可以认为电机可发挥电机部分功能，输出一定的转矩，转矩t＝f(i)，这是故障缓解策略的前提，较高的输出电压能力也是电机可以进行补偿工作的保证；从安全性考虑，为了防止转角电机或者转矩电机不能够及时输出足够的转矩，当电机的最大电压小于安全裕度即u＜＝0.5umax，u0＝0.5umax时，即可认为故障电机不可发挥功能，故障电机不能完成补偿工作，此时系统隔离故障电机，并进行主动容错策略的控制；步骤2.2：定义0表示转角电机正常运行，1表示转角电机半正常运行，2代表转角电机不能运行，全故障，定义3表示转矩电机正常运行，4表示转矩电机半正常运行，5表示转矩电机不能运行，全故障；半正常运行表示u2＞＝u0或者u3＞＝u0；按照转角电机与转矩电机故障情况形成故障向量表，该故障向量表包括转角电机与转矩电机的运行状态和对应的故障情况；所述故障向量表如下：故障向量表故障向量故障情况03两个电机正常25两个电机全故障04转角电机正常，转矩电机半正常13转角电机半正常，转矩电机正常05转角电机正常，转矩电机全故障23转角电机全故障，转矩电机正常15转角电机半正常，转矩电机全故障24转角电机全故障，转矩电机半正常14转角电机半正常，转矩半正常步骤2采取的容错策略具体包括：1)当转角电机与转矩电机全部正常工作时，两个电机共同作用，控制前轮转角，以及汽车横摆角速度，此时无需容错策略；两个电机正常工作下，齿条运动分析如下：齿条的运动微分方程为：式中：mrack为齿条的质量；yrack为齿条的位移；rl为主销轴的偏置；kl为转向拉杆刚度；brack为齿条阻尼系数；ffrrack为系统间的摩擦力，g为双减速器机构的减速比；tg2是转向电机2的输出转矩；tg3是转向电机3的输出转矩；为齿条加速度，为齿条的运动速度；车轮的运动微分方程为：式(15)中：jw为前轮的转动惯量；tfrkp为摩擦力矩；bkp主销的阻尼系数。转向前轮的转角加速度，为转向前轮角速度，mz为车轮的回正力矩；2)当转角电机正常，转矩电机半正常，系统进行故障缓解策略1，转角电机主要进行汽车横摆角速度控制，而转矩电机补偿横摆角速度控制器反馈回来的补偿扭矩δt1；对综合δt1＝δt11+δt21+δt31(16)其中δt1使总的补偿转矩，t11使弥补横摆角速度差值所需的补偿转矩，t21路面干扰形成的补偿转矩，t31系统摩擦形成的补偿转矩；式(17)中，mrack为齿条的质量；yrack为齿条的位移；rl为主销轴的偏置；kl为转向拉杆刚度；brack为齿条阻尼系数；ffrrack为系统间的摩擦力，g为双减速器机构的减速比；tg2是转向电机2的输出转矩；ta3是转向电机3的输出转矩；3)当转角电机半正常，转矩电机正常，采用故障缓解策略2，转矩电机充当转角电机功能进行主要控制，转角电机充当转矩电机功能，进行补偿横摆角速度控制器反馈回来的补偿扭矩δt2；对综合δt2＝δt12+δt22+δt32(18)其中δt2使总的补偿转矩，t12使弥补横摆角速度差值所需的补偿转矩，t22路面干扰形成的补偿转矩，t32系统摩擦形成的补偿转矩；4)当转角电机正常，转矩电机全故障，采用主动容错策略1，切断转矩电机电流输入，转角电机单独控制，进行补偿横摆角速度控制器反馈回来的补偿扭矩δt3；对其综合δt3＝δt13+δt23+δt33(20)其中δt3使总的补偿转矩，t13使弥补横摆角速度差值所需的补偿转矩，t23路面干扰形成的补偿转矩，t33系统摩擦形成的补偿转矩；式(21)中，mrack为齿条的质量；yrack为齿条的位移；rl为主销轴的偏置；kl为转向拉杆刚度；brack为齿条阻尼系数；ffrrack为系统间的摩擦力，g为双减速器机构的减速比；tg2是转向电机2的输出转矩；ta3是转向电机3的输出转矩；5)当转角电机全故障，转矩电机正常，采用主动容错策略2，切断转角电机电流输入，转矩电机单独控制，转矩电机充当转角电机功能，进行补偿横摆角速度控制器反馈回来的补偿扭矩δt4；对其综合δt4＝δt14+δt24+δt34(22)其中δt4使总的补偿转矩，t14使弥补横摆角速度差值所需的补偿转矩，t24路面干扰形成的补偿转矩，t34系统摩擦形成的补偿转矩；6)当两个电机正常的时候，不需要应用容错策略，当两个电机都有故障(半正常，或者全故障)，几率很小，不在本申请讨论范围之内。进一步，上述基于线控转向双电机的主动容错和故障缓解系统的模式切换控制方法中，所述步骤4中，μ综合鲁棒控制器的控制框架包括：a)横摆角速度跟踪，||z1||2＝||w1(ωr*-ωr)||2(24)其中，w1为加权函数，通常设置成低通滤波器w1＝k1(as+b)/(cs+d)(25)式(24)(25)中||z1||2式被控对象的评价输出的2范数，ωr*是理想横摆角速度值，ωr是实际汽车横摆角速度值，w1为加权函数，a，s，b，a，d是低通滤波器的参数。μ综合鲁棒控制器要能够快速的跟踪不同容错策略下的理想横摆角速度与实际横摆角速度差值，又要对外界干扰如地面干扰，侧向风干扰有一个较好的干扰抑制，或者输出相应的补偿扭矩并且把补偿转矩δt传递给双机补偿单元；b)补偿反馈，稳定性控制：δt＝δt1+δt2+δt3(26)其中δt使总的补偿转矩，δt1使弥补横摆角速度差值所需的补偿转矩，δt2路面干扰形成的补偿转矩，δt3系统摩擦形成的补偿转矩。本发明中，故障缓解的容错理念是相对于传统容错理念提出的。传统的研究思路是采用硬件冗余或者软件冗余的方式，硬件冗余考虑的是用新的硬件替代发生故障的硬件，将发生错误的硬件从系统中分离出来，或者采用软件冗余的方式，用软件冗余代替硬件冗余，通过其他传感器或者执行器的计算数据通过推导，代替发生故障的部件的数据。而在实际过程中这是较为保守的容错方式，本质上就是替代关系，用新的部件代替故障的部件，用其他数据替代错误的数据，而此时的汽车可以称作“无病工作”。然而故障部件的剩余功能没有得到充分开发而浪费，而比如电机发生故障后并没有完全瘫痪，是可以使用一部分功能输出一定的扭矩，针对电机不同故障工况，可以采取故障电机与正常的电机同时工作，此时的汽车可以称作“带病工作”。本申请通过故障电机与正常电机的匹配与比较实现汽车实时最优控制。并且同时可以保证汽车在极端野外环境下较好的工作能力与性能，也为汽车到最进的维修点修理提供了保证。与现有即使相比，通过本发明的线控转向双电机系统及其容错模式切换控制方法，在汽车线控转向系统中实现了多种转向模式功能，依据汽车转向执行双电机不同的故障进行转向模式的切换，实现汽车实时的最优控制，是线控转向汽车经济性与灵活性的统一，并且充分利用故障部件的剩余功能，节省资源，具有广阔的市场应用前景。附图说明图1为本发明线控转向双电机系统的结构布置简图。图2为本发明线控转向双电机主动容错与故障缓解容错系统控制装置原理图。图3为本发明线控转向双电机主动容错与故障缓解容错系统控制策略总图。图4为基于横摆角速度反馈的带有容错功能的线控转向双电机汽车车辆稳定性控制系统框图。图中，1、转向盘；2、转向柱；3、路感电机；4、转向盘转角传感器；5、转向盘力矩传感器；6、路感电机控制器；7、运算控制器；8、转角电机控制器；9、前轮转角传感器；10、转角电机；11、双极减速器；12、前轮力矩传感器；13、转矩电机；14、减速器；15、齿轮齿条机构；16、转矩电机控制器；17、前轮；18、容错控制器；19、车速传感器。具体实施方式为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。参照图1所示本发明的一种基于线控转向双电机的主动容错和故障缓解系统在车体上的布置图，包括：采集单元、转向盘总成、ecu控制模块(型号mt20u2，在具体实施中，也可以使用m7或mt20u)、双机执行单元；其中，采集单元与ecu控制模块、转向盘总成、双机执行单元分别连接；采集单元包括转向盘转角传感器4，转向盘力矩传感器5，前轮转角传感器9，前轮力矩传感器12，车速传感器19，横摆角速度传感器等采集汽车状态的传感器；采集单元实时将汽车行驶过程中车速信号、转向盘转角信号、转速传感器获得转向电机的转角信号、转矩传感器获得转矩电机的转矩信号以及横摆角速度传感器获得的汽车横摆角速度信号、转向前轮的转角信号等传给电子控制单元及横摆角速度计算单元；将转角电机与转矩电机的电阻、电压、电流信号发送给电机故障诊断单元；将故障诊断单元发送的指令传递给容错控制策略单元；将横摆角速度计算单元得出的理想横摆角速度与实际横摆角速度差值信号及路面干扰侧向风干扰等信号发送给双机容错补偿控制单元；ecu控制模块与采集单元、双机执行单元、转向盘总成分别连接，主要包括运算控制器7和容错控制器18，运算控制器7包括电机故障诊断单元、电子控制单元；容错控制器18即容错控制器，包括容错控制策略单元，横摆角速度计算单元，稳定性控制单元，双电机容错补偿单元；ecu控制模块接收来自采集单元的信号，经过计算后把相应的指令传输给双机执行单元进行动作；具体而言，电机故障诊断单元为自适应的kalman滤波器，以实现转角电机和转矩电机电阻，电流，电压的在线辨识，其根据采集单元传送的转角电机与转矩电机实时的电阻、电流、电压信号，判定电机的状态，并将电机的实际电压，电流信号传递给容错控制器。容错控制器根据电机故障诊断单元传来的信号，对于不同的电机故障，通过主动容错及故障缓解的方式进行相应的容错补偿控制策略；横摆角速度计算单元根据采集单元传送的方向盘转角信号、车速信号计算出理想的横摆角速度信号，再根据理想的横摆角速度信号与实际的横摆角速度信号计算出所需调整的理想横摆角速度差值，并把横摆角速度差值传递给稳定性控制单元；稳定性控制单元根据横摆角速度计算单元传递的横摆角速度差值综合考虑路面干扰，侧向风，系统摩擦等对汽车稳定的影响，从系统鲁棒性出发，以保证汽车的稳定性为前提，得出补偿转矩并传递给双机容错补偿单元；双机容错补偿单元接收稳定性控制单元传递的补偿转矩信号,并且根据容错控制策略单元的容错策略，通过转矩电机控制器16控制转矩电机13动作，对系统进行补偿，从而实现故障的主动容错或故障缓解。转向盘总成与采集单元、ecu控制模块分别连接，所述转向盘总成包括转向盘1、转向柱2、路感电机3,路感电机控制器6,转向盘1通过转向杆柱2与路感电机3及其转向盘转角传感器4相连接，转向盘力矩传感器5安装在转向杆柱2上；路感电机控制器6连接路感电机3及转向盘力矩传感器5，控制路感电机3的运行。双机执行单元与采集单元、ecu控制模块分别连接，所述双机执行单元包括依次连接的转角电机控制器8，转角电机10，双极减速器11，转矩电机控制器16，转矩电机13，减速器14，齿轮齿条机构15，前轮17；转角电机10及转矩电机13及双极减速器11、减速器14与齿轮齿条转向器15相连接，前轮17安装在齿轮齿条转向器15的两侧，前轮转角传感器9安装与前轮17上，转角传感器9与前轮力矩传感器12连接flexray总线，将转角电机控制器8及转矩电机控制器16信号输入到总线中，再通过总线传输到容错控制器18中；转角电机10及其减速机构11连接转角控制单元8，转角电机控制单元8控制转角电机10及双极减速器11的运行，转矩电机13及减速器14连接转矩电机控制器16，转矩电机控制器16控制转矩电机13及减速器14的运行；容错控制器18的输出端分别与路感电机控制器6的输入端和flexray总线相连接；容错控制器18接收传入到flexary的前轮力矩电机传感器12，前轮转角电机传感器9，转向盘力矩传感器5的信号及运算控制器7的信号，行鲁棒性控制及补偿策略的控制，并把指令输入flexery总线，并将指令传送给转角电机控制器8及转矩电机控制器16使相应电机动作。图2、3为线控转向双电机主动容错与故障缓解容错系统控制装置原理图和线控转向双电机主动容错与故障缓解容错系统控制策略总图，本发明的控制流程如下：步骤1：汽车在行驶途中，采集单元将转角电机r2和转矩电机的电阻r3，电流信号i2和i3传递给电机故障诊断单元，电机故障诊断单元根据电阻与电流的大小，判定电机状态，并且输出电机电流与转矩的关系t＝f(i)，并将指令(转矩电机的电压，电流，电阻信号)传递给容错控制策略单元；所述电机故障诊断单元包括自适应的kalman滤波器实现转角电机和转矩电机电阻，电流，电压的在线辨识：其中：对于离散线性系统：x(k)＝ax(k-1)+b(u(k)+w(k))(4)yv(k)＝cx(k)+v(k)(5)式(4)、(5)中，x(k)时k时刻的系统状态，x(k-1)时k-1时刻的系统状态，a，b是系统参数，u(k)是k时刻对系统的控制量，w(k)为过程噪声信号，v(k)为测量噪声信号，yv(k)是系统k时刻的测量值，c是矩阵；离散卡尔曼滤波递推算法为：mn(k)＝p(k)ct/[cp(k)ct+r](6)p(k)＝ap(k-1)at+bqbt(7)p(k)＝(en-mn(k)c)p(k)(8)x(k)＝ax(k-1)+mn(k)(yv(k)-cax(k-1))(9)ye(k)＝cx(k)(10)式(6)-(10)中x(k)时k时刻的系统状态，x(k-1)时k-1时刻的系统状态，a，b，r是系统参数，c是矩阵，at是a矩阵的转置矩阵，bt是b矩阵的转置矩阵，ct是c矩阵的转置矩阵，ye(k)是经过卡尔曼滤波器修正后的输出信号，p(k)是系统k时刻的协方差，p(k-1)是系统k-1时刻的协方差,en是单位向量,mn(k)是中间变量en为单位向量，则系统误差的协方差errcov(k)为：errcov(k)＝cp(k)ct(11)式(11)中，errcov(k)是系统误差的协方差，c是矩阵,ct是c矩阵的转置矩阵,p(k)是系统k时刻的协方差。根据基尔霍夫电压定律，构建转角电机与转矩电机的回路模型：转角电机电学方程为：式(12)中：l为转向电机电感；r2为转向电机电阻；kb2为电动势常数；u2是转角电机的输入电压，是转角电机的电流，是转角电机转角加速度，kb2是转角电机的刚度。转矩电机电学方程为：式中：l为转矩电机电感；r3为转矩电机电阻；kb3为电动势常数；u3是转矩电机的输入电压，ia3是转矩电机的电流，是转矩电机转角加速度，kb3是转角电机的刚度；步骤2：容错控制策略单元接收到来自故障诊断单元的诊断结果，得到转角电机或者转矩电机运行状态工况，并且通过比较转角电机电压u2和转距电机电压u3与参考阈值u0比较，决定采取主动容错策略1，或主动容错策略2，或故障缓解策略1，或故障缓解策略2；上述主动容错策略1，或主动容错策略2，或故障缓解策略1，或故障缓解策略2的流程包括：步骤2.1：kalman滤波器通过监测电阻波动超出正常范围，可以判定转角电机或转矩电机故障。从电机性能最优化考虑，当电机的输出最大电压大于安全裕度电压即u＞＝0.5umax，u0＝0.5umax时，即可以认为电机可发挥电机部分功能，输出一定的转矩，转矩t＝f(i)，这是故障缓解策略的前提，较高的输出电压能力也是电机可以进行补偿工作的保证；从安全性考虑，为了防止转角电机或者转矩电机不能够及时输出足够的转矩，当电机的最大电压小于安全裕度即u＜＝0.5umax，u0＝0.5umax时，即可认为故障电机不可发挥功能，故障电机不能完成补偿工作，此时系统隔离故障电机，并进行主动容错策略的控制；步骤2.2：定义0表示转角电机正常运行，1表示转角电机半正常运行，2代表转角电机不能运行，全故障，定义3表示转矩电机正常运行，4表示转矩电机半正常运行，5表示转矩电机不能运行，全故障；半正常运行表示u2＞＝u0或者u3＞＝u0；按照转角电机与转矩电机故障情况形成故障向量表，该故障向量表包括转角电机与转矩电机的运行状态和对应的故障情况；所述故障向量表如下：故障向量表步骤2采取的容错策略具体包括：1)当转角电机与转矩电机全部正常工作时，两个电机共同作用，控制前轮转角，以及汽车横摆角速度，此时无需容错策略；两个电机正常工作下，齿条运动分析如下：齿条的运动微分方程为：式中：mrack为齿条的质量；yrack为齿条的位移；rl为主销轴的偏置；kl为转向拉杆刚度；brack为齿条阻尼系数；ffrrack为系统间的摩擦力，g为双减速器机构的减速比；tg2是转向电机2的输出转矩；tg3是转向电机3的输出转矩；为齿条加速度，为齿条的运动速度；车轮的运动微分方程为：式(15)中：jw为前轮的转动惯量；tfrkp为摩擦力矩；bkp主销的阻尼系数。转向前轮的转角加速度，为转向前轮角速度，mz为车轮的回正力矩；2)当转角电机正常，转矩电机半正常，系统进行故障缓解策略1，转角电机主要进行汽车横摆角速度控制，而转矩电机补偿横摆角速度控制器反馈回来的补偿扭矩δt1；对综合δt1＝δt11+δt21+δt31(16)其中δt1使总的补偿转矩，t11使弥补横摆角速度差值所需的补偿转矩，t21路面干扰形成的补偿转矩，t31系统摩擦形成的补偿转矩；式(17)中，mrack为齿条的质量；yrack为齿条的位移；rl为主销轴的偏置；kl为转向拉杆刚度；brack为齿条阻尼系数；ffrrack为系统间的摩擦力，g为双减速器机构的减速比；ta2是转向电机2的输出转矩；ta3是转向电机3的输出转矩；3)当转角电机半正常，转矩电机正常，采用故障缓解策略2，转矩电机充当转角电机功能进行主要控制，转角电机充当转矩电机功能，进行补偿横摆角速度控制器反馈回来的补偿扭矩δt2对综合δt2＝δt12+δt22+δt32(18)其中δt2使总的补偿转矩，t12使弥补横摆角速度差值所需的补偿转矩，t22路面干扰形成的补偿转矩，t32系统摩擦形成的补偿转矩；4)当转角电机正常，转矩电机全故障，采用主动容错策略1，切断转矩电机电流输入，转角电机单独控制，进行补偿横摆角速度控制器反馈回来的补偿扭矩δt3；对其综合δt3＝δt13+δt23+δt33(20)其中δt3使总的补偿转矩，t13使弥补横摆角速度差值所需的补偿转矩，t23路面干扰形成的补偿转矩，t33系统摩擦形成的补偿转矩；式(21)中，mrack为齿条的质量；yrack为齿条的位移；rl为主销轴的偏置；kl为转向拉杆刚度；brack为齿条阻尼系数；ffrrack为系统间的摩擦力，g为双减速器机构的减速比；ta2是转向电机2的输出转矩；ta3是转向电机3的输出转矩；5)当转角电机全故障，转矩电机正常，采用主动容错策略2，切断转角电机电流输入，转矩电机单独控制，转矩电机充当转角电机功能，进行补偿横摆角速度控制器反馈回来的补偿扭矩δt4：对其综合δt4＝δt14+δt24+δt34(22)其中δt4使总的补偿转矩，t14使弥补横摆角速度差值所需的补偿转矩，t24路面干扰形成的补偿转矩，t34系统摩擦形成的补偿转矩；6)当两个电机正常的时候，不需要应用容错策略，当两个电机都有故障(半正常，或者全故障)，几率很小，不在本申请讨论范围之内。进一步，上述基于线控转向双电机的主动容错和故障缓解系统的模式切换控制方法中，所述步骤4中，μ综合鲁棒控制器的控制框架图如图4所示，图4中，k为控制器，系统的扰动输入ωr为理想的横摆角速度，干扰输入为理想的前轮转角δf*，侧向风干扰fv以及路面的干扰力矩tr，w1，w2为加权函数，通常设置成高通滤波器。wd为干扰加权矩阵，δg为未知参数摄动，δi是补偿电流，z1，z2为评价输出。具体而言，μ综合鲁棒控制器的控制框架包括：a)横摆角速度跟踪，||z1||2＝||w1(ωr*-ωr)||2(24)其中，w1为加权函数，通常设置成低通滤波器w1＝k1(as+b)/(cs+d)(25)式(24)(25)中||zz||2式被控对象的评价输出的2范数，ωr*是理想横摆角速度值，ωr是实际汽车横摆角速度值，w1为加权函数，a，s，b，a，d是低通滤波器的参数。μ综合鲁棒控制器要能够快速的跟踪不同容错策略下的理想横摆角速度与实际横摆角速度差值，又要对外界干扰如地面干扰，侧向风干扰有一个较好的干扰抑制，或者输出相应的补偿扭矩并且把补偿转矩δt传递给双机补偿单元；b)补偿反馈，稳定性控制：δt＝δt1+δt2+δt3(26)其中δt使总的补偿转矩，δt1使弥补横摆角速度差值所需的补偿转矩，δt2路面干扰形成的补偿转矩，δt3系统摩擦形成的补偿转矩；步骤3：横摆角速度计算单元根据采集单元实时采集的方向盘转角信号δsw，车速信号u根据变传动比规律计算出实时的理想的横摆角速度信号ωr*，再根据理想的横摆角速度信号ωr*与实际的横摆角速度信号ωr计算出所需调整的理想横摆角速度差值δωr，并把横摆角速度差值δωr传递给稳定性控制单元；横摆角速度计算单元根据汽车实时车速u和前轮转角输入整车转向二自由度模型得到实际横摆角速度ωr。δωr＝ωr-ωr*(2)式(1)中：m为汽车质量；iz为汽车绕z轴的转动惯量；k1、k2分别为前后车轮的侧偏刚度；δf为前轮转角；a，b分别为前、后轴至车辆质心的距离；u为车辆前进速度；ωr为横摆角速度；β为质心侧偏角；步骤4：稳定性控制单元接收来自横摆角速度控制单元输入的横摆角速度差值δωr，转换成相应的补偿转矩t1,综合路面干扰形成的补偿转矩t2，系统摩擦形成的补偿转矩t3,考虑系统稳定性控制因素，采用μ综合鲁棒控制器控制，提高系统抵抗外界干扰的能力，并且把补偿转矩δt传递给双机补偿单元；δt＝δt1+δt2+δt3(3)δt使总的补偿转矩，δt1使弥补横摆角速度差值所需的补偿转矩，δt2路面干扰形成的补偿转矩,δt3系统摩擦形成的补偿转矩；步骤5：容错控制器接收来自稳定性控制单元的补偿转矩t，通过接受到容错控制器传来的的容错策略，选取对应的补偿策略，作用于齿条机构，保证汽车能有好的横摆角速度控制效果，及较好的稳定性。本发明具体应用途径很多，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，再不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。当前第1页12