电机失效状态下分布式驱动电动汽车的控制方法及系统与流程

本发明涉及车辆控制领域，特别是涉及一种电机失效状态下分布式驱动电动汽车的控制方法及系统。

背景技术：

分布式驱动电动汽车是指在车辆上装备两台或以上驱动电机，每个驱动电机经过一定的途径将动力传递到对应的驱动轮。因此目前分布式驱动电动汽车主要由两种构型组成：双电机驱动构型和四电机驱动构型，而本申请涉及的驱动电机失效主要针对的是四轮毂/轮边电机驱动构型。

当出现驱动电机失效后，通过相应的转矩重构方法对电机转矩进行重新分配从而保证车辆的动力性和横摆稳定性。目前最接近的控制方法是双电机驱动分布式驱动车辆跛行控制，该方法在电机出现故障时通过对故障电机进行恒功率限制并使车辆恒速运行，并且在转向的时候由传感器检测自身的状态参数并通过转向助力系统对车辆前轮转角进行调整。该方案主要针对的是双电机分布式驱动方案，如果使用该方法对四轮毂电机分布式驱动电动汽车进行控制时，车辆的动力性会受到很大的限制，并且由于转向时转向助力电机的介入会导致驾驶员的驾驶感受与平时的驾驶习惯出现偏差从而影响驾驶。因此，该方法不适应四轮毂/轮边电机驱动分布式驱动电动汽车，现有技术也没有针对上述四轮毂/轮边电机驱动电动汽车的驱动电机失效状态下的容错控制方法。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种电机失效状态下分布式驱动电动汽车的控制方法及系统，以实现电机失效状态下对四轮毂电机分布式驱动电动汽车进行控制，保证车辆的稳定性，同时不影响驾驶员驾驶。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种电机失效状态下分布式驱动电动汽车的控制方法，包括：

获取分布式驱动电动汽车的驱动电机失效情况；所述驱动电机失效情况包括：单电机失效、异侧双电机失效和不可控失效；所述不可控失效包括同侧双电机失效、三电机失效和四电机失效；

当所述分布式驱动电动汽车的驱动电机失效情况为不可控失效时，确定所有驱动电机的转矩信号均为零；

当所述分布式驱动电动汽车的驱动电机失效情况为单电机失效或异侧双电机失效时，获取所述分布式驱动电动汽车的车辆参数；所述车辆参数包括车辆方向盘转角、车速和车辆实际横摆角速度；

根据所述分布式驱动电动汽车的驱动电机失效情况和所述车辆参数，确定各个驱动电机的转矩信号；

根据各个驱动电机的转矩信号调节所述分布式驱动电动汽车各个驱动电机的转矩。

可选的，所述获取分布式驱动电动汽车的驱动电机失效情况，之前还包括：

获取每个电机控制器的电机失效因子；

根据电机失效因子的取值确定分布式驱动电动汽车的每个驱动电机的失效情况；当电机失效因子取值为1时，确定对应的驱动电机无失效；当电机失效因子取值为0时，确定对应的驱动电机出现失效。

可选的，所述根据所述分布式驱动电动汽车的驱动电机失效情况和所述车辆参数，确定各个驱动电机的转矩信号，具体包括：

获取车辆总驱动转矩；所述车辆总驱动转矩为所述分布式驱动电动汽车的油门踏板开度对应的总驱动转矩；

根据所述车辆参数，确定车辆的广义附加横摆力矩；

当所述分布式驱动电动汽车的驱动电机失效情况为单电机失效时，根据所述车辆总驱动转矩和所述广义附加横摆力矩，利用公式确定各个驱动电机的转矩信号其中，与失效电机不同侧的两个驱动电机的转矩相等，λ1为左前驱动电机的失效因子，λ2为右前驱动电机的失效因子，λ3为左后驱动电机的失效因子，λ4为右后驱动电机的失效因子；bf为前轮距，br为后轮距，r0为车轮滚动半径，t1为左前驱动电机的转矩信号，t2为右前驱动电机的转矩信号，t3为左后驱动电机的转矩信号，t4为右后驱动电机的转矩信号，texp为车辆总驱动转矩，δm为广义附加横摆力矩；

当所述分布式驱动电动汽车的驱动电机失效情况为异侧双电机失效时，根据所述车辆总驱动转矩和所述广义附加横摆力矩，利用公式确定各个驱动电机的转矩信号

可选的，所述根据所述车辆参数，确定车辆的广义附加横摆力矩，具体包括：

根据车辆方向盘转角确定车辆前轮转角；

根据所述车辆前轮转角和所述车速，基于二自由度模型确定车辆当前状态下的期望横摆角速度；

根据车辆实际横摆角速度和所述期望横摆角速度，利用pid控制算法确定所述车辆的广义附加横摆力矩。

本发明还提供一种电机失效状态下分布式驱动电动汽车的控制系统，包括：

驱动电机失效情况获取模块，用于获取分布式驱动电动汽车的驱动电机失效情况；所述驱动电机失效情况包括：单电机失效、异侧双电机失效和不可控失效；所述不可控失效包括同侧双电机失效、三电机失效和四电机失效；

第一转矩信号确定模块，用于当所述分布式驱动电动汽车的驱动电机失效情况为不可控失效时，确定所有驱动电机的转矩信号均为零；

车辆参数获取模块，用于当所述分布式驱动电动汽车的驱动电机失效情况为单电机失效或异侧双电机失效时，获取所述分布式驱动电动汽车的车辆参数；所述车辆参数包括车辆方向盘转角、车速和车辆实际横摆角速度；

第二转矩信号确定模块，用于根据所述分布式驱动电动汽车的驱动电机失效情况和所述车辆参数，确定各个驱动电机的转矩信号；

转矩调节模块，用于根据各个驱动电机的转矩信号调节所述分布式驱动电动汽车各个驱动电机的转矩。

可选的，还包括：

电机失效因子获取模块，用于在获取分布式驱动电动汽车的驱动电机失效情况之前，获取每个电机控制器的电机失效因子；

驱动电机失效情况确定模块，用于根据电机失效因子的取值确定分布式驱动电动汽车的每个驱动电机的失效情况；当电机失效因子取值为1时，确定对应的驱动电机无失效；当电机失效因子取值为0时，确定对应的驱动电机出现失效。

可选的，所述第二转矩信号确定模块，具体包括：

车辆总驱动转矩获取单元，用于获取车辆总驱动转矩；所述车辆总驱动转矩为所述分布式驱动电动汽车的油门踏板开度对应的总驱动转矩；

广义附加横摆力矩确定单元，用于根据所述车辆参数，确定车辆的广义附加横摆力矩；

第一转矩信号确定单元，用于当所述分布式驱动电动汽车的驱动电机失效情况为单电机失效时，根据所述车辆总驱动转矩和所述广义附加横摆力矩，利用公式确定各个驱动电机的转矩信号其中，与失效电机不同侧的两个驱动电机的转矩相等，λ1为左前驱动电机的失效因子，λ2为右前驱动电机的失效因子，λ3为左后驱动电机的失效因子，λ4为右后驱动电机的失效因子；bf为前轮距，br为后轮距，r0为车轮滚动半径，t1为左前驱动电机的转矩信号，t2为右前驱动电机的转矩信号，t3为左后驱动电机的转矩信号，t4为右后驱动电机的转矩信号，texp为车辆总驱动转矩，δm为广义附加横摆力矩；

第二转矩信号确定单元，用于当所述分布式驱动电动汽车的驱动电机失效情况为异侧双电机失效时，根据所述车辆总驱动转矩和所述广义附加横摆力矩，利用公式确定各个驱动电机的转矩信号

可选的，所述广义附加横摆力矩确定单元具体包括：

车辆前轮转角确定子单元，用于根据车辆方向盘转角确定车辆前轮转角；

期望横摆角速度确定子单元，用于根据所述车辆前轮转角和所述车速，基于二自由度模型确定车辆当前状态下的期望横摆角速度；

广义附加横摆力矩确定子单元，用于根据车辆实际横摆角速度和所述期望横摆角速度，利用pid控制算法确定所述车辆的广义附加横摆力矩。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明为针对四轮毂电机分布式驱动电动汽车的驱动电机失效时的容错控制方法，通过总转矩约束在大部分情况下保证了车辆的原来的动力性，通过附加横摆力矩约束保证了车辆的稳定性，在出现电机失效的情况下，无需对转向系统进行介入控制，仍然能够保持自身的动力性与横摆稳定性，从而保证了驾驶员的驾驶手感，能够对四轮毂电机分布式驱动电动汽车进行有效控制。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明电机失效状态下分布式驱动电动汽车的控制方法的流程示意图；

图2为本发明电机失效状态下分布式驱动电动汽车的控制系统的结构示意图；

图3为本发明具体实施案例的流程示意图；

图4为本发明中二自由度模型的示意图。

具体实施方式

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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明主要针对的是四轮毂电机/轮边电机驱动汽车的驱动电机出现失效时进行相应的控制，其最终是通过对车辆的剩余驱动电机转矩进行重构的方法实现。首先本发明中包含的硬件设备有：四个轮毂/轮边电机的电机控制器，车辆方向盘转角传感器，车辆横摆角速度传感器，车辆整车控制器。

四个电机控制器安装在车辆底盘上通过can线将电机失效因子传递给整车控制器。此处的电机失效因子为电机控制器自身的故障诊断模块所给出的电机是否失效标志位，该模块属于现有技术，为电机控制器根据电机当前故障状态给出的电机是否能够工作的标志位信息，电机失效时电机失效因子为0，电机正常时电机失效因子为1。该控制器接受整车控制器的转矩控制信号产生电机转矩；车辆方向盘转角传感器安装在车辆方向盘上其通过can线将方向盘转角信号传给整车控制器；车辆横摆角速度传感器安装在车辆质心位置附近通过can线将横摆角速度值传递给整车控制器；最后整车控制器安装在车辆前舱中，其通过can线与四个电机控制器相连接并给四个电机控制器发送相应的转矩指令，本发明的控制方法集成于该控制器中，并且原有的控制策略将提供车辆总转矩需求与车速信息。

图1为本发明电机失效状态下分布式驱动电动汽车的控制方法的流程示意图。如图1所示，所述控制方法包括以下步骤：

步骤100：获取分布式驱动电动汽车的驱动电机失效情况。对驱动电机失效情况进行判断的过程如下：首先，获取每个电机控制器的电机失效因子；然后，根据电机失效因子的取值确定分布式驱动电动汽车的每个驱动电机的失效情况；当电机失效因子取值为1时，确定对应的驱动电机无失效；当电机失效因子取值为0时，确定对应的驱动电机出现失效。

本发明针对的电动汽车有四个驱动电机，当有驱动电机出现失效时，驱动电机失效情况可以分为以下三大类。

1)单电机失效

此时四个电机失效因子有一个为0，即单个电机出现失效情况。

2)异侧双电机失效

此时四个电机的失效因子有两个为0，且两个失效的电机分别位于车辆的两侧。

3)不可控失效

此类车辆失效情况下，车辆无法控制，其由同侧双电机失效、三电机失效与最严重的四电机失效情况所组成。

当无电机失效时，此时四个电机失效因子均为1无电机出现失效，车辆按照正常转矩分配。

步骤200：当分布式驱动电动汽车的驱动电机失效情况为不可控失效时，确定所有驱动电机的转矩信号均为零。对于不可控失效情况，为了确保整车的安全，整车控制器给四个电机控制器发出的转矩命令均为0，从而使得车辆能够快速停下。

步骤300：当分布式驱动电动汽车的驱动电机失效情况为单电机失效或异侧双电机失效时，获取分布式驱动电动汽车的车辆参数。所述车辆参数包括车辆方向盘转角、车速和车辆实际横摆角速度。

步骤400：根据分布式驱动电动汽车的驱动电机失效情况和车辆参数，确定各个驱动电机的转矩信号。此处通过总转矩约束以保证车辆的原来的动力性，通过附加横摆力矩约束以保证车辆的稳定性，进而确定各个驱动电机的转矩信号，具体如下：

获取车辆总驱动转矩；所述车辆总驱动转矩为所述分布式驱动电动汽车的油门踏板开度对应的总驱动转矩；

根据所述车辆参数，确定车辆的广义附加横摆力矩；

当所述分布式驱动电动汽车的驱动电机失效情况为单电机失效时，根据所述车辆总驱动转矩和所述广义附加横摆力矩，利用公式确定各个驱动电机的转矩信号其中，与失效电机不同侧的两个驱动电机的转矩相等，λ1为左前驱动电机的失效因子，λ2为右前驱动电机的失效因子，λ3为左后驱动电机的失效因子，λ4为右后驱动电机的失效因子；bf为前轮距，br为后轮距，r0为车轮滚动半径，t1为左前驱动电机的转矩信号，t2为右前驱动电机的转矩信号，t3为左后驱动电机的转矩信号，t4为右后驱动电机的转矩信号，texp为车辆总驱动转矩，δm为广义附加横摆力矩；

当所述分布式驱动电动汽车的驱动电机失效情况为异侧双电机失效时，根据所述车辆总驱动转矩和所述广义附加横摆力矩，利用公式确定各个驱动电机的转矩信号

步骤500：根据各个驱动电机的转矩信号调节分布式驱动电动汽车各个驱动电机的转矩。

图2为本发明电机失效状态下分布式驱动电动汽车的控制系统的结构示意图。如图2所示，所述控制系统包括以下结构：

驱动电机失效情况获取模块201，用于获取分布式驱动电动汽车的驱动电机失效情况；所述驱动电机失效情况包括：单电机失效、异侧双电机失效和不可控失效；所述不可控失效包括同侧双电机失效、三电机失效和四电机失效；

第一转矩信号确定模块202，用于当所述分布式驱动电动汽车的驱动电机失效情况为不可控失效时，确定所有驱动电机的转矩信号均为零；

车辆参数获取模块203，用于当所述分布式驱动电动汽车的驱动电机失效情况为单电机失效或异侧双电机失效时，获取所述分布式驱动电动汽车的车辆参数；所述车辆参数包括车辆方向盘转角、车速和车辆实际横摆角速度；

第二转矩信号确定模块204，用于根据所述分布式驱动电动汽车的驱动电机失效情况和所述车辆参数，确定各个驱动电机的转矩信号；

转矩调节模块205，用于根据各个驱动电机的转矩信号调节所述分布式驱动电动汽车各个驱动电机的转矩。

所述系统还包括：

电机失效因子获取模块，用于在获取分布式驱动电动汽车的驱动电机失效情况之前，获取每个电机控制器的电机失效因子；

驱动电机失效情况确定模块，用于根据电机失效因子的取值确定分布式驱动电动汽车的每个驱动电机的失效情况；当电机失效因子取值为1时，确定对应的驱动电机无失效；当电机失效因子取值为0时，确定对应的驱动电机出现失效。

所述第二转矩信号确定模块204具体包括：

车辆总驱动转矩获取单元，用于获取车辆总驱动转矩；所述车辆总驱动转矩为所述分布式驱动电动汽车的油门踏板开度对应的总驱动转矩；

广义附加横摆力矩确定单元，用于根据所述车辆参数，确定车辆的广义附加横摆力矩；

第一转矩信号确定单元，用于当所述分布式驱动电动汽车的驱动电机失效情况为单电机失效时，根据所述车辆总驱动转矩和所述广义附加横摆力矩，利用公式确定各个驱动电机的转矩信号其中，与失效电机不同侧的两个驱动电机的转矩相等，λ1为左前驱动电机的失效因子，λ2为右前驱动电机的失效因子，λ3为左后驱动电机的失效因子，λ4为右后驱动电机的失效因子；bf为前轮距，br为后轮距，r0为车轮滚动半径，t1为左前驱动电机的转矩信号，t2为右前驱动电机的转矩信号，t3为左后驱动电机的转矩信号，t4为右后驱动电机的转矩信号，texp为车辆总驱动转矩，δm为广义附加横摆力矩；

第二转矩信号确定单元，用于当所述分布式驱动电动汽车的驱动电机失效情况为异侧双电机失效时，根据所述车辆总驱动转矩和所述广义附加横摆力矩，利用公式确定各个驱动电机的转矩信号

所述广义附加横摆力矩确定单元具体包括：

车辆前轮转角确定子单元，用于根据车辆方向盘转角确定车辆前轮转角；

期望横摆角速度确定子单元，用于根据所述车辆前轮转角和所述车速，基于二自由度模型确定车辆当前状态下的期望横摆角速度；

广义附加横摆力矩确定子单元，用于根据车辆实际横摆角速度和所述期望横摆角速度，利用pid控制算法确定所述车辆的广义附加横摆力矩。

下面结合一个具体实施案例进一步说明本发明的方案。

图3为本发明具体实施案例的流程示意图。如图3所示，本实施案例包括以下步骤：

第一步：整车控制器采集电机控制器的电机失效因子，并且根据采集到的电机失效因子进行整车驱动电机失效情况判断。

1)无电机失效

此时四个电机失效因子均为1无电机出现失效，车辆按照正常转矩分配进行不触发失效控制程序，不进入第二步。

2)单电机失效

此时四个电机失效因子有一个为0，即单个电机出现失效情况，此类失效情况出现时触发失效控制程序进入。

3)异侧双电机失效

此时四个电机的失效因子有两个为0，且两个失效的电机分别位于车辆的两侧，此类失效情况出现时触发失效控制程序。

4)不可控失效

此类车辆失效情况下，车辆无法控制，其由同侧双电机失效、三电机失效与最严重的四电机失效情况所组成，此类失效情况触发失效控制策略。

第二步:整车控制器在得出车辆目前的失效形式后，整车控制器会对进入失效控制的三大类失效情况选择相应的控制方法。

对于不可控失效情况，为了确保整车的安全，整车控制器给四个电机控制器发出的转矩命令均为0，从而使得车辆能够快速停下，该失效情况下不进入第四步回到第一步。

在判明为单电机失效情况后，其进入第四步中对应的单电机失效控制法；在判明为异侧双电机失效情况后进入第四步中的异侧双电机失效控制法。

第三步：对于上述两种失效情况的控制的目标，就是要保证车辆的驱动性与横摆稳定性。而车辆驱动性的保持由车辆广义纵向力决定横摆稳定性由广义横摆力矩所决定，上述广义力和广义力矩与车辆的四个驱动电机的转矩关系如下所示：

式中，r0为车轮滚动半径；bf为前轮距；br为后轮距；texp为车辆总驱动转矩，为整车控制器给出的车辆需求总电机驱动转矩矩，其来自于整车控制器中踏板解析模块；δm为维持车辆横摆稳定性所需的广义附加横摆力矩；λ1为左前驱动电机的失效因子，λ2为右前驱动电机的失效因子，λ3为左后驱动电机的失效因子，λ4为右后驱动电机的失效因子；t1为左前驱动电机的转矩信号，t2为右前驱动电机的转矩信号，t3为左后驱动电机的转矩信号，t4为右后驱动电机的转矩信号。

此时其广义纵向力由整车控制器自身踏板解析策略给出的车辆总驱动转矩计算得出，其广义附加横摆力矩的得出需要经过相应的控制策略计算出。

其广义附加横摆力矩以期望横摆角速度为控制目标通过pid控制得出，其广义附加横摆力矩得出过程如下所示。

首先整车控制器根据方向盘转角传感器信息得出车辆方向盘转角，并通过查表模型得出车辆前轮转角；此外车辆根据整车控制器中车速计算模块得出的车速，基于二自由度模型得出车辆当前状态下的期望横摆角速度的值，其期望横摆角速度的值的计算公式如下所示：

式中lf和lr分别为车辆质心到前轴和后轴的距离，vx为车辆纵向车速，m为整车质量，和分别为前轴和后轴的轮胎侧偏刚度，此处的轮胎侧偏刚度为前轴/后轴两个轮胎的侧偏刚度之和，δ为车辆的前轮转角，γd为期望横摆角速度。

图4为二自由度模型的示意图。如图4所示，二自由度模型为车辆工程领域已有的稳定性控制方面的已有技术，二自由度模型能够表现出车辆线性区域的响应特性，此特性为大多数驾驶员熟悉的车辆特性。二自由度模型有侧向和横摆两个方向上的自由度，其纵向方向上的车辆车速为匀速。其为将四轮车辆模型进行简化后得出的单轮车辆模型。

其车辆受到的作用力只有前后轮胎侧向力作用，其轮胎侧向力由轮胎的侧偏角所决定，而轮胎侧偏角由车辆的横摆角速度等自身运动状态所决定。因此基于上述关系可以列算出二自由度车辆模型的动力学公式。通过对模型进行动力学分析可以最终得出公式(2)所示的车辆在一定的车速与方向盘转角状态下对应的稳态横摆角速度需求，并最终以该需求作为车辆的目标横摆角速度。

在公式(2)得出期望横摆角速度后，将期望横摆角速度与整车控制器接收到的横摆角速度传感器的车辆实际横摆角速度做差e＝γd-γ，后输入到pid控制算法中从而得出其广义附加横摆力矩的值。其计算公式如下所示:

kp、ki、kd分别为pid控制算法中比例、积分和微分模块的系数，该系数为现场标定的定值。

至此车辆所需的总驱动转矩与广义附加横摆力矩均已得出，上述控制量会进入到第四步中的具体控制方法中。

第四步：根据第二步中的失效情况确定后分别选择相应的控制方法中，其两种失效情况的控制方法如下所示：

1.单电机失效控制方法

在上述第二步判定车辆失效情况为单电机失效后，本部分的控制方法是以第三步中计算得出的车辆总驱动转矩与广义附加横摆力矩为目标，通过公式(1)中的约束方程解算出各车轮的分配的转矩信号。

由于此时公式(1)中有两个方程但是有三个未知数因为其失效电机的转矩分配必定为0，此时公式1可以有无数解，因此此时引入一条规则即未失效侧分配的两个电机转矩大小相等。因此根据该规则可以给出其相应的计算方程如下所示：

由公式(4)可知，出现单电机失效后通过引入的未失效侧电机转矩大小相等的规则，可以使得上述公式(4)具有唯一解，在得出其各驱动电机转矩信号后，整车控制器将上述转矩信号发送给各个电机控制器。

2.异侧双轮失效控制法

在上述第二步判定为异侧双轮失效情况后，本部分的控制方法是以第三步中计算得出的车辆总驱动转矩与广义附加横摆力矩为目标，通过公式(1)中的约束方程解算出各车轮的分配的转矩信号。由于此时车辆有两个失效电机其转矩必定为0，此时公式1中的未知数数目与方程数目相同，此时可以直接求解公式1得出相应电机转矩信号，其计算方程如下所示

由公式(5)计算得出各电机转矩信号后，整车控制器将其分配的电机转矩信号发送给相应的电机控制器。

上述控制方法得出各电机对应的转矩指令信号后，重复第一步完成整个控制策略的循环。

对于分布式驱动电动汽车来说，由于其四个轮毂/轮边电机均直接驱动车轮并决定了车轮的驱动力，此外由于车辆驱动电机即轮毂电机的数量多和工作环境较恶劣因此其驱动电机出现失效的可能性增大。本发明在分布式驱动电动汽车在出现电机失效的情况下，仍然能够保持自身的动力性与横摆稳定性。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。