[發明專利]一種基于鍵合圖模型的電動代步車故障診斷和估計方法

有效

• 申請號: 201810083969.8
• 申請日: 2018-01-29
• 公開（公告）號: CN108437798B
• 公開（公告）日: 2020-04-21
• 發明（設計）人: 郁明;孫路路;姜蒼華;王海;夏浩;李夢昕;肖晨雨
• 申請（專利權）人: 合肥工業大學
• 主分類號: B60L3/00
• 分類號: B60L3/00;G06F30/15;G06F30/20
• 代理公司: 合肥和瑞知識產權代理事務所(普通合伙) 34118
• 代理人: 王挺

1.一種基于鍵合圖模型的電動代步車故障診斷和估計方法，其特征在于，包括以下步驟：

S1、對電動代步車系統建模，得到電動代步車系統的鍵合圖模型；

S2、根據電動代步車系統的鍵合圖模型得到解析冗余關系，根據解析冗余關系生成殘差，得到故障特征矩陣；

S3、改變電動代步車系統的鍵合圖模型的參數值的大小，判斷殘差的大小是否超出了設定閾值，如果超出設定閾值，則電動代步車系統發生故障，如果未超出設定閾值，則電動代步車系統正常；

S4、根據殘差的大小是否超出了設定閾值得出相干向量，將相干向量與故障特征矩陣進行對比，得出電動代步車系統可能發生故障的集合；

S5、在電動代步車系統中選擇狀態變量和觀測變量建立狀態空間方程；

S6、將所述電動代步車系統可能發生故障的集合中的元素添加至電動代步車系統的狀態空間方程的狀態變量中，得到新的電動代步車系統的狀態變量，利用無跡卡爾曼濾波方法對新的電動代步車系統的狀態變量進行聯合估計，得出電動代步車系統的實際故障；

所述電動代步車的鍵合圖模型包括驅動鍵合圖模型(10)、電機鍵合圖模型(20)、后輪鍵合圖模型(30)、車身鍵合圖模型(40)、前輪鍵合圖模型(50)；所述電動代步車的鍵合圖模型的功率流的方向依次由驅動鍵合圖模型(10)、電機鍵合圖模型(20)、后輪鍵合圖模型(30)、車身鍵合圖模型(40)指向前輪鍵合圖模型(50)；

所述驅動鍵合圖模型(10)，其包括U_in電壓源，系數為k₁的第一TF轉換器；所述U_in電壓源經過第一TF轉換器轉換為電流，所述電流進入電機鍵合圖模型(20)；

電機鍵合圖模型(20)，其包括電機電氣部分的電阻R₁，系數為k₂的第一回轉器GY，電機的轉動慣量J₁，電機機械部分的摩擦R₂，系數為k₃的第二轉換器TF；所述電流進入電機鍵合圖模型(20)后，電流經過系數為k₂的第一回轉器GY轉換為電機的轉矩，所述電機的轉矩經過系數為k₃的第二轉換器TF轉換為后輪的角速度，所述后輪的角速度進入后輪鍵合圖模型(30)；

后輪鍵合圖模型(30)，其包括后輪的轉動慣量J₂，后輪的機械摩擦R₃，安裝在后輪上的傳感器后輪的角速度在后輪的轉動慣量J₂和后輪的機械摩擦R₃的作用下進入車身鍵合圖模型(40)；

車身鍵合圖模型(40)，其包括后輪到車身的傳動軸剛度C₁，系數為k₄的第三轉換器TF，車身的重量m，安裝在車身的傳感器車身到前輪的傳動軸剛度C₂；所述后輪的角速度進入車身鍵合圖模型(40)后，經過系數為k₄的第三轉換器TF轉換為車身的線速度，再經過系數為k₄的第四轉換器TF轉換為角速度，并將角速度送入前輪鍵合圖模型(50)；

前輪鍵合圖模型(50)，其包括前輪的轉動慣量J₃，前輪的機械摩擦R₄，安裝在前輪上的傳感器所述前輪鍵合圖模型(50)在前輪的轉動慣量J₃和前輪的機械摩擦R₄的作用下輸出角速度；

步驟S2中的根據電動代步車系統的鍵合圖模型解析冗余關系由公式(1)表示：

ARR_i(θ,u,De,Df)＝0 (1)

其中，ARR_i為第i個解析冗余關系，i＝1,2,...,n，θ為電動代步車的鍵合圖模型的標稱參數，u為電動代步車的鍵合圖模型的輸入信號，De為勢傳感器的測量值，Df為流傳感器的測量值，n為電動代步車的鍵合圖模型中的傳感器的總個數；

步驟S2中的根據解析冗余關系生成殘差，得到故障特征矩陣的具體操作步驟包括：

在電動代步車系統的后輪處設置增量編碼器，根據后輪處增量編碼器的共流結的特點，得到后輪處增量編碼器處的勢變量如公式(2)：

e₁₀＝e₉-e₁₁-e₁₂-e₁₃＝0 (2)

其中，e₁₀為后輪處增量編碼器處的勢變量，e₉表示鍵號為9所對應的勢變量，e₁₁表示鍵號為11所對應的勢變量，e₁₂表示鍵號為12所對應的勢變量，e₁₃表示鍵號為13所對應的勢變量；

根據電動代步車的鍵合圖模型得到公式(3)：

其中，u_in為電動代步車的鍵合圖模型中的輸入信號，k₁為電壓到電流的轉換比，k₂為電流到后輪轉矩的轉換比，k₃為電機轉矩到角速度的轉換比，k₄為車輪的半徑，kf為電機的粘性機械摩擦，Fu為電機的庫倫機械摩擦，kf₁為后輪的粘性機械摩擦，Fu₁為后輪的庫倫機械摩擦，J₁電機轉動慣量，J₂為后輪轉動慣量，C₁為后輪到車身傳動軸的剛度，為后輪的角速度，為車身的線速度，為后輪的角加速度，sign()為符號函數，∫()dt為積分符號，e₅、e₆、e₇、e₈、e₁₄分別為對應鍵上的勢變量，f₁₁、f₁₂、f₁₃、f₁₄、f₁₅分別為對應鍵上的流變量；

將公式(3)代入公式(2)，由傳感器處e₁₀＝0得到第一個殘差為公式(4)；

車身的速度傳感器處的殘差為公式(5)，以及前輪的增量編碼器處的殘差為公式(6)：

其中，m為電動代步車的重量，C₂為車身到前輪傳動軸的剛度，為前輪的角速度，J₃為前輪的轉動慣量，為前輪的角加速度，kf₂為前輪的粘性機械摩擦，Fu₂為前輪的庫倫機械摩擦，為車身的線加速度；

根據公式(4)、公式(5)和公式(6)得到故障特征矩陣，所述故障特征矩陣為6×4矩陣，所述故障特征矩陣的行依次為R₃(kf₁,Fu₁)，R₄(kf₂,Fu₂)，k₄，故障特征矩陣的列依次為ARR₁、ARR₂、ARR₃、Db，其中，(R₃(kf₁,Fu₁)，ARR₁)＝1，(R₃(kf₁,Fu₁)，ARR₂)＝0，(R₃(kf₁,Fu₁)，ARR₃)＝0，(R₃(kf₁,Fu₁)，Db)＝1；(R₄(kf₂,Fu₂)，ARR₁)＝0，(R₄(kf₂,Fu₂)，ARR₂)＝0，(R₄(kf₂,Fu₂)，ARR₃)＝1，(R₄(kf₂,Fu₂)，Db)＝1；(k₄，ARR₁)＝1，(k₄，ARR₂)＝1，(k₄，ARR₃)＝1，(k₄，Db)＝1；其中，Db為故障可檢測性，為傳感器的有效因子，為傳感器的有效因子，為傳感器的有效因子，R₃(kf₁,Fu₁)為后輪的機械摩擦，R₄(kf₂,Fu₂)為前輪的機械摩擦，k₄為轉換器的系數。