[發明專利]一種分布式驅動電動汽車的容錯控制方法

有效

• 申請號: 201911347331.1
• 申請日: 2019-12-24
• 公開（公告）號: CN111002840B
• 公開（公告）日: 2022-07-12
• 發明（設計）人: 郭烈;鄭曉妮;陳俊杰;岳明;趙一兵;李琳輝
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: B60L15/20
• 分類號: B60L15/20
• 代理公司: 大連東方專利代理有限責任公司 21212
• 代理人: 李洪福

1.一種分布式驅動電動汽車的容錯控制方法，其特征在于：包括以下步驟：

A、建立整車模型

忽略汽車的俯仰、側傾、翻滾運動，將電動汽車的整車模型簡化為七自由度非線性動力學模型，整車模型包括車身三自由度非線性動力學模型、四個輪胎模型和車輪動力學模型，具體步驟如下：

A1、建立車身三自由度非線性動力學模型

由于車身三自由度非線性動力學模型中的縱向力和側向力相互耦合，縱向速度、側向速度和橫擺角速度也相互耦合，下面忽略空氣阻力、坡道助力以及汽車垂向運動的影響，同時忽略翻滾和俯仰運動的影響，僅使用具有縱向、側向和橫擺運動的車身三自由度非線性動力學模型，四輪獨立驅動電動汽車在縱向、橫向以及橫擺方向的動力學方程表示如下：

其中，m為汽車的質量，l_f為前軸到質心的距離，l_r為后軸到質心的距離，d為汽車輪距，J_z為汽車繞質心橫擺方向上的轉動慣量，F_x1、F_x2、F_x3、F_x4分別為左前輪、右前輪、左后輪、右后輪所受的縱向力，F_y1、F_y2、F_y3、F_y4分別為左前輪、右前輪、左后輪、右后輪所受的側向力，δ為前輪轉角，r為汽車橫擺角速度，為汽車橫擺角加速度，v_x為汽車縱向速度，為汽車縱向加速度，v_y為汽車側向速度，為汽車側向加速度，以x＝[v_x，v_y，r]^T為車身三自由度非線性動力學模型的狀態量，以u＝[T_m1，T_m2，T_m3，T_m4，δ]^T為車身三自由度非線性動力學模型的輸入量，其中T_m1、T_m2、T_m3、T_m4分別為左前、右前、左后、右后車輪的電機轉矩指令信號；

A2、建立Dugoff輪胎模型

使用Dugoff輪胎模型計算輪胎力，定義C_xi為第i個車輪的縱向剛度、C_yi為第i個車輪的側向剛度、F_xi為第i個車輪的縱向力、F_yi為第i個車輪的側向力，則：

其中：

式中，F_zi是第i個車輪的垂向力，μ是路面摩擦系數，且f(t_i)具有以下關系：

A3、建立車輪動力學模型

當電機驅動時，車輪的旋轉角速度受到電機輸出力矩T_i以及縱向力F_xi的影響，即：

其中，J_w是車輪轉動慣量，T_i是第i個電機輸出力矩；當電機驅動時代表驅動力矩，T_i＞0；當汽車制動時代表電機再生制動力矩，T_i＜0；i＝1、2、3、4分別代表左前輪、右前輪、左后輪、右后輪，w_i是車輪旋轉角速度，R為車輪的有效滾動半徑；

下面將電機輸出力矩與電機轉矩指令信號之間關系簡化為如下的傳遞函數關系：

其中，G(s)_i是第i個電機轉矩傳遞函數；若電機正常運行，輸出力矩T_i與力矩指令T_mi滿足上式關系，且0＜G(s)_i＜1；若電機失效，則G(s)_i＝0；s_l是拉普拉斯狀態空間量；ξ是阻尼系數；

式(6)中的F_xi由車輪滑移率λ_i決定，λ_i計算公式如下：

其中，α_i是第i個車輪的側偏角，則：

每個車輪的縱向速度為：

A4、建立整車模型輸出方程

以y為整車模型輸出量，則整車模型輸出方程為：

式中，β為質心側偏角；

B、建立上層控制器，計算期望橫擺力矩

上層控制器基于二階滑模算法控制器進行設計，并對增益變化率作自適應設計，在假設電機失效為完全失效即失效電機的輸出力矩為0的條件下，完成期望橫擺力矩的計算，具體步驟如下：

B1、建立參考模型輸出量y_d

其中：

v_yd＝0

其中，

β_upper是質心側偏角閾值，r_upper是橫擺角速度閾值，sgn()是符號函數；

B2、設計滑模函數s

s＝c₁(β_d-β)+c₂(r_d-r)+c₃(v_yd-v_y) (12)

其中c₁、c₂、c₃是加權系數；

滑模函數的一階導數為：

滑模函數的二階導數為：

B3、設計控制律

M＝u₁+u₂

s.t.M≤M_max

其中：u₁和u₂均是輸入控制率，s.t.表示滿足約束條件，M為期望橫擺力矩，M_max是最大橫擺力矩，且：

B4、設計控制增益自適應律

其中，p、w、ε、σ、k為常數，α_upper是α的閾值；α是自適應率；

B5、進行穩定性分析

構造Lyapunov函數對上層控制器進行穩定性分析，最后得到穩定性條件如下：

C、建立下層控制器，實現電機轉矩的分配

下層控制器根據如下力矩分配規則將計算得到的理想的橫擺力矩M合理的分配到正常車輪，具體步驟如下：

C1、建立等式約束

T_min≤T_mi≤T_max

其中，T_max是電機轉矩指令最大值，T_min是電機轉矩指令最小值；

C2、建立電機失效增益矩陣K

K＝diag(G(s)₁，G(s)₂，G(s)₃，G(s)₄) (18)

其中，k_i代表第i個電機的失效情況，當電機失效時，G(s)_i＝0；反之，0＜G(s)_i＜1；

C3、設計優化目標

C31、設計電機輸出力矩最小優化目標：

s.t u_min≤u≤u_max

其中，u＝[T_m1，T_m2，T_m3，T_m4]²，u_min和u_max分別表示電機輸出力矩指令的最大值向量和最小值向量；

C32、設計車輪利用率最小優化目標：

設每個車輪利用率ρ_i為：

車輪利用率加權矩陣W為：

則車輪利用率最小優化目標為：

C33、設計同軸左、右電機輸出力矩差值最小優化目標：

假設：

ΔT₁＝T_m1·G(s)₁-T_m2·G(s)₂

ΔT₂＝T_m3·G(s)₃-T_m4·G(s)₄

其中，ΔT₁、ΔT₂分別表示前后車軸左右車輪電機輸出轉矩差；

則同軸左、右電機輸出力矩差值最小優化目標為：

總的優化目標為：

C4、進行力矩分配

v＝diag(G(s)₁，G(s)₂，G(s)₃，G(s)₄)·diag(T_m1，T_m2，T_m3，T_m4) (16)

其中，v＝diag(T₁，T₂，T₃，T₄)。