CN114454950B - 一种双电机线控转向系统及其容错控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双电机线控转向系统及其容错控制方法，系统包括：转向盘模块、转向执行模块、控制模块；转向盘模块；所述控制模块分别与转向盘转角传感器、转向盘转矩传感器、车速传感器、横摆角速度传感器、第一电流霍尔传感器、第二电流霍尔传感器、路感电机驱动器、第一转向电机驱动器和第二转向电机驱动器电气相连。本发明采用扩展卡尔曼滤波算法，基于双电机线控转向系统模型，建立参数和状态耦合自适应非线性观测器，实时准确的观测电机失效系数以及整车状态。

Description

一种双电机线控转向系统及其容错控制方法

技术领域

本发明属于车辆线控转向系统技术领域，具体涉及一种双电机线控转向系统及其容错控制方法。

背景技术

随着汽车智能化程度越来越高，汽车上各模块逐渐趋于线控化设计，其中线控转向是当前人们研究的一个热点。由于线控转向系统摆脱了传统机械系统的连接，通过电子信号控制整个系统的运行，对于单一执行器的线控转向系统而言，一旦执行器出现问题，将会导致整个系统崩溃，往往采用主动容错引入双电机结构。如何对双电机线控转向系统进行实时故障诊断，快速准确实现其容错控制，是保证双电机线控转向系统稳定运行的关键。现有的故障诊断方法大多是针对单电机系统的，很少有研究关于双电机系统故障诊断，尤其是针对双电机线控转向系统。

现有的对双电机线控转向系统进行故障诊断和容错控制的方法公开较少，例如，中国发明专利申请号为CN201110171716.4中公开了一种应用于双电机线控转向系统的冗余容错控制方法，通过中央控制器检测两电机是否存在故障，从而对正常工作的电机进行转角控制；中国发明专利申请号为CN202010079815.9中公开了一种双电机同步控制系统的容错控制方法，通过检测双电机的三相电流判断逆变器的故障，将故障信号发送到容错逆变器和PWM信号逻辑合成单元完成容错拓扑的重构和容错算法。中国发明专利申请号为CN201910136329.3中公开了一种双电机双电源线控转向系统及其容错控制方法，通过多种供电模式，能够根据电源和电机故障情况进行快速切换，保证单个电源故障情况下，由另一个电源驱动双电机进行转向动作。

但是上述现有专利提到的双电机线控转向系统容错控制方法比较简单，只说明了发生故障时如何进行电机的控制，没有结合系统本身考虑如何进行故障诊断以及实时观测的问题，并且对电机的控制方法比较简单笼统，没有说明具体的控制策略以及对系统的稳定性。

发明内容

针对于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种双电机线控转向系统及其容错控制方法，以克服现有线控转向系统技术中存在的故障检测准确率低、实时性差、系统稳定性无法保证的问题。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明的一种双电机线控转向系统，包括：转向盘模块、转向执行模块、控制模块；

转向盘模块，包括：转向盘、转向管柱、转向盘转角传感器、转向盘转矩传感器、路感电机驱动器、路感电机和路感电机减速器；

所述转向盘与转向管柱的一端固定连接；

所述路感电机的输出轴通过路感电机减速器与转向管柱的另一端相连，用于通过转向管柱向转向盘传递路感；

所述路感电机驱动器与路感电机连接，用于驱动路感电机的转动状态；

所述转向盘转角传感器、转向盘转矩传感器均与转向管柱固定连接，分别采集转向盘的转角和转矩信号，并将采集到的信号发送给控制模块；

转向执行模块，包括：第一转向电机、第一转向电机减速器、第一转向电机驱动器、第一小齿轮、第二转向电机、第二转向电机减速器、第二转向电机驱动器、第二小齿轮、齿条、转向横拉杆、前轮、第一电流霍尔传感器、第二电流霍尔传感器、车速传感器及横摆角速度传感器；

所述第一转向电机通过第一转向电机减速器与第一小齿轮的转轴相连，第二转向电机通过第二转向电机减速器与第二小齿轮的转轴相连；

所述第一小齿轮、第二小齿轮均与齿条啮合；所述齿条和转向横拉杆相连；转向横拉杆的两端分别与车辆的两个前轮相连；

所述车速传感器安装在前轮内，用于获得车辆的车速，并将其发送给所述控制模块；

所述横摆角速度传感器安装在车身上，用于获得车辆实际的横摆角速度信号，并将其发送给所述控制模块；

所述第一电流霍尔传感器和第二电流霍尔传感器分别安装在第一转向电机和第二转向电机上，用于采集第一转向电机电流信号和第二转向电机电流信号，并将其发送给所述控制模块；

所述第一转向电机驱动器分别与第一转向电机、控制模块电气连接，用于控制第一转向电机转动状态；所述第二转向电机驱动器分别与第二转向电机、控制模块电气连接，用于控制第二转向电机转动状态；

所述控制模块分别与转向盘转角传感器、转向盘转矩传感器、车速传感器、横摆角速度传感器、第一电流霍尔传感器、第二电流霍尔传感器、路感电机驱动器、第一转向电机驱动器和第二转向电机驱动器电气相连。

进一步地，所述控制模块包括：信号采集模块、电机失效系数及整车状态联合估计模块、容错切换控制模块；

所述信息采集模块，用于对获取到的转向盘转角信号、转向盘转矩信号、车速信号、横摆角速度信号、第一转向电机电流信号、第二转向电机电流信号进行滤波降噪，并将处理后的信号传递给电机失效系数及整车状态联合估计模块和容错切换控制模块；

所述电机失效系数及整车状态联合估计模块，根据信息采集模块发送的信号，实时计算得到电机失效系数、横摆角速度、质心侧偏角，并发送给容错切换控制模块；

所述容错切换控制模块，根据电机失效系数及整车状态联合估计模块发送的信号，判断整车状态及两个转向电机的故障情况，并进行两个转向电机的切换控制和车辆的稳定性控制。

进一步地，所述第一转向电机、第二转向电机的型号相同。

进一步地，所述第一小齿轮、第二小齿轮的型号相同。

本发明的一种双电机线控转向系统的容错控制方法，基于上述系统，包括步骤如下：

(1)建立双电机线控转向系统模型，包括：转向系统模型、转向电机模型、齿轮齿条模型、整车二自由度模型、变传动比模型；

(2)定义两个转向电机的失效模式并建立转向电机故障模型；

(3)根据步骤(1)和步骤(2)建立的模型，采用扩展卡尔曼滤波算法设计双电机线控转向系统的参数和状态耦合自适应非线性观测器，对整车状态及电机失效系数进行实时观测，获取整车状态及两个转向电机的故障情况；

(4)根据整车状态及两个转向电机的故障情况，进行两个转向电机的切换控制和车辆的稳定性控制。

进一步地，所述步骤(1)中的双电机线控转向系统模型具体包括：

(11)实时采集车辆行驶过程中的转向盘转角信号θ_sw，横摆角速度γ，车速信号u，第i个转向电机电流信号I_i,i＝1,2；

(12)以车辆质心为原点，建立车辆的整车二自由度模型：

式中，β为车辆的质心侧偏角；m为整车质量；k₁,k₂分别为前、后轮胎的侧偏刚度；I_z为车辆绕z轴的转动惯量；a,b分别为质心到前、后轴的距离；δ_f为前轮转角；

(13)建立转向系统模型：

式中，θ_s为小齿轮转角；B_R为等效阻尼系数；J_R为等效转动惯量；T₁为第一转向电机输出转矩，T₂为第二转向电机输出转矩；G₁为转向电机输出到小齿轮(第一转向电机输出到第一小齿轮或第二转向电机输出到第二小齿轮)的减速比；G₂为第一小齿轮/第二小齿轮转角到前轮的减速比；η为转向电机减速器的效率；d_r为路面干扰；τ_R为轮胎的回正力矩；t_p，t_m分别为轮胎拖距和主销偏移量；

建立转向电机模型：

式中，J_m为第一、第二转向电机的转动惯量；B_m为第一、第二转向电机阻尼系数；T_mi为正常工作条件下第i个转向电机的名义输出转矩；K_ti为第i个转向电机的电磁转矩常数；i_qi为第i个转向电机q轴的电枢电流；

建立齿轮齿条模型：

式中，m_rack为齿条质量；B_rack为齿条阻尼系数；F_R为转向阻力；x_r为齿条位移；r_p为小齿轮半径；

为摩擦力；

(14)根据整车二自由度模型，计算车辆进入稳态时的理想横摆角速度和质心侧偏角，输出转矩：

式中，γ^*为理想横摆角速度，β^*为理想质心侧偏角；

(15)建立变传动比模型：

式中，i₂为转向系统传动比；K_s为横摆角速度增益，是一个0.12-0.37 1/s的参数，L为轴距，K_u是稳定性因数。

进一步地，所述步骤(2)具体包括：

(21)进行转向电机的故障模式分析，定义电机失效系数χ_i：

通过电机失效系数的定义，得到不同故障条件下第i个转向电机的输出电磁转矩T_mi：

结合步骤(1)中建立的转向电机模型，得到第i个转向电机的电磁转矩

I_i＝i_qti；T_mi为正常工作条件下第i个转向电机的名义输出转矩；

建立转向电机故障模型为：

式中，p_n为极对数，

为永磁体磁链，i_qi为第i个转向电机q轴的电枢电流；

(22)定义电机失效系数：

进一步地，所述步骤(3)中设计双电机线控转向系统的参数和状态耦合自适应非线性观测器具体包括：

(31)采用扩展卡尔曼滤波算法，建立双电机线控转向的系统的状态方程：

式中，状态向量x＝[u,γ,β]^T，参数向量设为θ＝[K_t1,K_t2]^T，系统输入为u＝[θ_sw,I_m1,I_m2]^T，量测输出z＝[u,γ]^T；f(·)和h(·)分别为系统非线性函数和量测函数；x(k),u(k),θ(k),z(k)分别为k时刻的状态向量、输入向量、参数向量和量测输出；w(k)为k时刻的过程噪声，v(k)为k时刻的量测噪声，γ为横摆角速度，β为车辆的质心侧偏角，K_t1,K_t2分别为第一转向电机和第二转向电机的电磁转矩常数；

(32)建立参数观测器：

式中，θ(k+1)为k+1时刻的参数向量；η(k)为k时刻具有未知时变统计值且独立于w(k)和v(k)的高斯白噪声；E()为对变量求期望；cov[]为协方差函数；μ_η(k)为k时刻高斯白噪声的期望；Q_η(k)为k时刻高斯白噪声的协方差；

将双电机线控转向的系统线性化表示为：

式中，Φ_x(·)为系统线性化函数；x(k+1)为k+1时刻的状态向量；z(k+1)为k+1时刻的量测输出；v(k+1)为k+1时刻的量测噪声；

以滤波值

代替x(k)，得到新的关于θ的量测输出：

式中，e(k)为k时刻用状态估计值

近似代替值x(k)产生的模型误差，v_θ(k+1)为k+1时刻考虑模型误差的量测噪声；

量测噪声的方差和协方差矩阵表示如下：

其中，μ_θ(k)，Q_v(k)分别为k时刻考虑模型误差的量测噪声的期望和协方差矩阵；

由此，观测参数θ的滤波方程为：

P_θ(k+1)＝[I-K_θ(k+1)H_θ(k)]P_θ(k+1|k)

其中，

ε_θ(k+1)为k+1时刻的残差；

为k时刻对状态向量的估计值；K_θ(k+1)为k+1时刻的状态增益矩阵；P_θ(k+1)为k+1时刻的状态估计误差协方差矩阵；P_θ(k+1|k)为在第k时刻对k+1时刻状态估计误差协方差矩阵的估计值；I为单位矩阵；

为k时刻考虑模型误差的量测噪声的协方差矩阵估计值；θ(k+1|k)为第k时刻对k+1时刻参数向量的估计值；

为k时刻考虑模型误差的量测噪声的方差矩阵的估计值；

(33)使用所述估计值θ(k+1)替换θ(k)，建立状态估计器：

其中，w_x(k)为替换θ(k+1)的虚拟噪声，表示为：

其中，μ_w(k)，Q_w(k)分别为虚拟噪声的期望和协方差矩阵。

进一步地，所述步骤(4)具体包括：

若电机失效系数χ₁＝1且χ₂＝1时，两个转向电机状态为正常，采用H₂/H_∞控制算法进行稳定性控制；

若电机失效系数0.6＜χ₁＜1,χ₂＝1、0.6＜χ₂＜1,χ₁＝1或0.6＜χ₁＜1,0.6＜χ₂＜1，其中一个转向电机或两个转向电机部分失效时，采用μ控制算法进行容错稳定性控制；若两个转向电机的电机失效系数均小于0.6，则两个转向电机处于严重的部分失效；

若电机失效系数χ₁＝0,χ₂＝1或χ₂＝0,χ₁＝1时，其中一个转向电机完全失效，切换为另一个正常工作的转向电机采用H₂/H_∞控制算法进行稳定性控制；若两个转向电机的电机失效系数都为0时，则两个转向电机均完全失效。

进一步地，所述H₂/H_∞控制算法设计如下：

控制系统的状态变量为

输入为u＝[ΔT]，测量输出为y₁＝[γ]，y₂＝[ΔT]，基于主动前轮转向的横摆角速度补偿控制的状态空间被实现如下：

式中：

C₁₁＝[0 0 0 1]，D₁₁＝[0]；C₁₂＝[0 0 0 0]；D₁₂＝[1]

式中，Δθ_s为补偿的小齿轮转角，ΔT为正常电机的补偿转矩，m为整车质量，k₁,k₂分别为前、后轮胎的侧偏刚度，a，b分别为质心到前、后轴的距离，u为车速，γ为车辆横摆角速度，β为车辆质心侧偏角，I_z为整车绕z轴转动惯量，δ_f为前轮转角，J_R为齿条等效转动惯量，B_R为齿条等效阻尼系数，G₁为两个转向电机减速器的减速比，G₂为齿轮齿条机构的减速比，η为两个转向电机减速器的效率系数，t_p，t_m分别为轮胎拖距和主销偏移量，J_m为电机转动惯量，B_m为电机阻尼系数。

进一步地，所述μ控制算法设计如下：

取控制系统的状态变量

系统的输入u＝[ΔT]，系统的扰动输入为w＝[d_r F_yw]^T，y＝[γ]系统输出，线控主动前轮转向横摆角速度控制的状态空间实现为：

式中：

C＝[0 0 0 0 0 1]；D₁＝[0 0]；D₂＝[0]

式中，θ_s1为当前小齿轮总的转角；θ_s2为μ控制器作用下小齿轮总的补偿转角；ΔT为容错控制器作用下小齿轮总的补偿转矩；d_r为路面干扰；F_yw为侧向风干扰。

本发明的有益效果：

1、本发明采用扩展卡尔曼滤波算法，基于双电机线控转向系统模型，建立参数和状态耦合自适应非线性观测器，实时准确地观测电机失效系数以及整车状态。

2、本发明通过观测的电机失效系数以及整车状态，进行相应的切换容错控制，保证车辆的安全性和稳定性，通过仿真实验证明其有效性。

附图说明

图1为本发明系统结构示意图；

图2为本发明中电机失效系数及整车状态联合估计流程图；

图3为本发明实施例提供的一种双电机线控转向系统主动容错控制流程图；

图4a为在正弦工况下双电机都正常时在容错控制下横摆角速度仿真图；

图4b为在正弦工况下双电机都正常时在容错控制下质心侧偏角仿真图；

图5a为在正弦工况下双电机均轻微故障时(0.8＜χ_i＜1)在容错控制下横摆角速度仿真图；

图5b为在正弦工况下双电机均轻微故障时(0.8＜χ_i＜1)在容错控制下质心侧偏角仿真图。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施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，本发明的一种双电机线控转向系统，包括：转向盘模块、转向执行模块、控制模块5；

转向盘模块，包括：转向盘1、转向管柱2、转向盘转角传感器3、转向盘转矩传感器19、路感电机驱动器17、路感电机18和路感电机减速器4；

所述转向盘1与转向管柱2的一端固定连接；

所述路感电机18的输出轴通过路感电机减速器4与转向管柱2的另一端相连，用于通过转向管柱2向转向盘1传递路感；

所述路感电机驱动器17与路感电机18连接，用于驱动路感电机18的转动状态；

所述转向盘转角传感器3、转向盘转矩传感器19均与转向管柱2固定连接，分别采集转向盘1的转角和转矩信号，并将采集到的信号发送给控制模块5；

转向执行模块，包括：第一转向电机8、第一转向电机减速器9、第一转向电机驱动器6、第一小齿轮10、第二转向电机15、第二转向电机减速器14、第二转向电机驱动器16、第二小齿轮11、齿条12、转向横拉杆13、前轮7、第一电流霍尔传感器、第二电流霍尔传感器、车速传感器及横摆角速度传感器；示例中，所述第一转向电机、第二转向电机的型号相同；所述第一小齿轮、第二小齿轮的型号相同。

所述第一转向电机8通过第一转向电机减速器9与第一小齿轮10的转轴相连，第二转向电机15通过第二转向电机减速器14与第二小齿轮11的转轴相连；

所述第一小齿轮10、第二小齿轮11均与齿条12啮合；所述齿条12和转向横拉杆13相连；转向横拉杆13的两端分别与车辆的两个前轮7相连；

所述车速传感器安装在前轮7内，用于获得车辆的车速，并将其发送给所述控制模块5；

所述横摆角速度传感器安装在车身上，用于获得车辆实际的横摆角速度信号，并将其发送给所述控制模块5；

所述第一电流霍尔传感器和第二电流霍尔传感器分别安装在第一转向电机8和第二转向电机15上，用于采集第一转向电机电流信号和第二转向电机电流信号，并将其发送给所述控制模块5；

所述第一转向电机驱动器6分别与第一转向电机8、控制模块5电气连接，用于控制第一转向电机8的转动状态；所述第二转向电机驱动器16分别与第二转向电机15、控制模块5电气连接，用于控制第二转向电机15的转动状态；

所述控制模块5分别与转向盘转角传感器、转向盘转矩传感器、车速传感器、横摆角速度传感器、第一电流霍尔传感器、第二电流霍尔传感器、路感电机驱动器、第一转向电机驱动器和第二转向电机驱动器电气相连。

具体地，所述控制模块5包括：信号采集模块、电机失效系数及整车状态联合估计模块、容错切换控制模块；

所述信息采集模块，用于对获取到的转向盘转角信号、转向盘转矩信号、车速信号、横摆角速度信号、第一转向电机电流信号、第二转向电机电流信号进行滤波降噪，并将处理后的信号传递给电机失效系数及整车状态联合估计模块和容错切换控制模块；

所述电机失效系数及整车状态联合估计模块，根据信息采集模块发送的信号，实时计算得到电机失效系数、横摆角速度、质心侧偏角，并发送给容错切换控制模块；

所述容错切换控制模块，根据电机失效系数及整车状态联合估计模块发送的信号，判断整车状态及两个转向电机的故障情况，并进行两个转向电机的切换控制和车辆的稳定性控制。

本发明的一种双电机线控转向系统的容错控制方法，基于上述系统，包括步骤如下：

(1)建立双电机线控转向系统模型，包括：转向系统模型、转向电机模型、齿轮齿条模型、整车二自由度模型、变传动比模型；

具体地，所述步骤(1)中的双电机线控转向系统模型具体包括：

(11)实时采集车辆行驶过程中的转向盘转角信号θ_sw，横摆角速度γ，车速信号u，第i个转向电机电流信号I_i,i＝1,2；

(12)以车辆质心为原点，建立车辆的整车二自由度模型：

式中，β为车辆的质心侧偏角；m为整车质量；k₁,k₂分别为前、后轮胎的侧偏刚度；I_z为车辆绕z轴的转动惯量；a,b分别为质心到前、后轴的距离；δ_f为前轮转角；

(13)建立转向系统模型：

式中，θ_s为小齿轮转角；B_R为等效阻尼系数；J_R为等效转动惯量；T₁为第一转向电机输出转矩，T₂为第二转向电机输出转矩；G₁为转向电机输出到小齿轮(第一转向电机输出到第一小齿轮或第二转向电机输出到第二小齿轮)的减速比；G₂为第一小齿轮/第二小齿轮转角到前轮的减速比；η为转向电机减速器的效率；d_r为路面干扰；τ_R为轮胎的回正力矩；t_p，t_m分别为轮胎拖距和主销偏移量；

建立转向电机模型：

式中，J_m为第一、第二转向电机的转动惯量；B_m为第一、第二转向电机阻尼系数；T_mi为正常工作条件下第i个转向电机的名义输出转矩；K_ti为第i个转向电机的电磁转矩常数；i_qi为第i个转向电机q轴的电枢电流；

建立齿轮齿条模型：

式中，m_rack为齿条质量；B_rack为齿条阻尼系数；F_R为转向阻力；x_r为齿条位移；r_p为小齿轮半径；

为摩擦力；

(14)根据整车二自由度模型，计算车辆进入稳态时的理想横摆角速度和质心侧偏角，输出转矩：

式中，γ^*为理想横摆角速度，β^*为理想质心侧偏角；

(15)建立变传动比模型：

式中，i₂为转向系统传动比；K_s为横摆角速度增益，是一个0.12-0.37 1/s的参数，L为轴距，K_u是稳定性因数。

(2)定义两个转向电机的失效模式并建立转向电机故障模型；

具体地，所述步骤(2)具体包括：

(21)进行转向电机的故障模式分析，定义电机失效系数χ_i：

通过电机失效系数的定义，得到不同故障条件下第i个转向电机的输出电磁转矩T_mi：

结合步骤(1)中建立的转向电机模型，得到第i个转向电机的电磁转矩

I_i＝i_qti；T_mi为正常工作条件下第i个转向电机的名义输出转矩；

建立转向电机故障模型为：

式中，p_n为极对数，

为永磁体磁链，i_qi为第i个转向电机q轴的电枢电流；

(22)定义电机失效系数：

(3)参照图2所示，根据步骤(1)和步骤(2)建立的模型，采用扩展卡尔曼滤波算法设计双电机线控转向系统的参数和状态耦合自适应非线性观测器，对整车状态及电机失效系数进行实时观测，获取整车状态及两个转向电机的故障情况；

具体地，所述步骤(3)中设计双电机线控转向系统的参数和状态耦合自适应非线性观测器具体包括：

(31)采用扩展卡尔曼滤波算法，建立双电机线控转向的系统的状态方程：

式中，状态向量x＝[u,γ,β]^T，参数向量设为θ＝[K_t1,K_t2]^T，系统输入为u＝[θ_sw,I_m1,I_m2]^T，量测输出z＝[u,γ]^T；f(·)和h(·)分别为系统非线性函数和量测函数；x(k),u(k),θ(k),z(k)分别为k时刻的状态向量、输入向量、参数向量和量测输出；w(k)为k时刻的过程噪声，v(k)为k时刻的量测噪声，γ为横摆角速度，β为车辆的质心侧偏角，K_t1,K_t2分别为第一转向电机和第二转向电机的电磁转矩常数；

(32)建立参数观测器：

式中，θ(k+1)为k+1时刻的参数向量；η(k)为k时刻具有未知时变统计值且独立于w(k)和v(k)的高斯白噪声；E(·)为对变量求期望；cov[·]为协方差函数；μ_η(k)为k时刻高斯白噪声的期望；Q_η(k)为k时刻高斯白噪声的协方差；

将双电机线控转向的系统线性化表示为：

式中，Φ_x(·)为系统线性化函数；x(k+1)为k+1时刻的状态向量；z(k+1)为k+1时刻的量测输出；v(k+1)为k+1时刻的量测噪声；

以滤波值

代替x(k)，得到新的关于θ的量测输出：

式中，e(k)为k时刻用状态估计值

近似代替值x(k)产生的模型误差，v_θ(k+1)为k+1时刻考虑模型误差的量测噪声；

量测噪声的方差和协方差矩阵表示如下：

其中，μ_θ(k)，Q_v(k)分别为k时刻考虑模型误差的量测噪声的期望和协方差矩阵；

由此，观测参数θ的滤波方程为：

P_θ(k+1)＝[I-K_θ(k+1)H_θ(k)]P_θ(k+1|k)

其中，

ε_θ(k+1)为k+1时刻的残差；

为k时刻对状态向量的估计值；K_θ(k+1)为k+1时刻的状态增益矩阵；P_θ(k+1)为k+1时刻的状态估计误差协方差矩阵；P_θ(k+1|k)为在第k时刻对k+1时刻状态估计误差协方差矩阵的估计值；I为单位矩阵；

为k时刻考虑模型误差的量测噪声的协方差矩阵估计值；θ(k+1|k)为第k时刻对k+1时刻参数向量的估计值；

为k时刻考虑模型误差的量测噪声的方差矩阵的估计值；

(33)使用所述估计值θ(k+1)替换θ(k)，建立状态估计器：

其中，w_x(k)为替换θ(k+1)的虚拟噪声，表示为：

其中，μ_w(k)，Q_w(k)分别为虚拟噪声的期望和协方差矩阵。

(4)参照图3所示，根据整车状态及两个转向电机的故障情况，进行两个转向电机的切换控制和车辆的稳定性控制；

具体地，所述步骤(4)具体包括：

若电机失效系数χ₁＝1且χ₂＝1时，两个转向电机状态为正常，采用H₂/H_∞控制算法进行稳定性控制；

若电机失效系数0.6＜χ₁＜1,χ₂＝1、0.6＜χ₂＜1,χ₁＝1或0.6＜χ₁＜1,0.6＜χ₂＜1，其中一个转向电机或两个转向电机部分失效时，采用μ控制算法进行容错稳定性控制；若两个转向电机的电机失效系数均小于0.6，则两个转向电机处于严重的部分失效；

若电机失效系数χ₁＝0,χ₂＝1或χ₂＝0,χ₁＝1时，其中一个转向电机完全失效，切换为另一个正常工作的转向电机采用H₂/H_∞控制算法进行稳定性控制；若两个转向电机的电机失效系数都为0时，则两个转向电机均完全失效。

示例中，所述H₂/H_∞控制算法设计如下：

控制系统的状态变量为

输入为u＝[ΔT]，测量输出为y₁＝[γ]，y₂＝[ΔT]，基于主动前轮转向的横摆角速度补偿控制的状态空间被实现如下：

式中：

C₁₁＝[0 0 0 1]，D₁₁＝[0]；C₁₂＝[0 0 0 0]；D₁₂＝[1]

式中，Δθ_s为补偿的小齿轮转角，ΔT为正常电机的补偿转矩，m为整车质量，k₁,k₂分别为前、后轮胎的侧偏刚度，a，b分别为质心到前、后轴的距离，u为车速，γ为车辆横摆角速度，β为车辆质心侧偏角，I_z为整车绕z轴转动惯量，δ_f为前轮转角，J_R为齿条等效转动惯量，B_R为齿条等效阻尼系数，G₁为两个转向电机减速器的减速比，G₂为齿轮齿条机构的减速比，η为两个转向电机减速器的效率系数，t_p，t_m分别为轮胎拖距和主销偏移量，J_m为电机转动惯量，B_m为电机阻尼系数。

示例中，所述μ控制算法设计如下：

取控制系统的状态变量

系统的输入u＝[ΔT]，系统的扰动输入为w＝[d_r F_yw]^T，y＝[γ]系统输出，线控主动前轮转向横摆角速度控制的状态空间实现为：

式中：

C＝[0 0 0 0 0 1]；D₁＝[0 0]；D₂＝[0]

式中，θ_s1为当前小齿轮总的转角；θ_s2为μ控制器作用下小齿轮总的补偿转角；ΔT为容错控制器作用下小齿轮总的补偿转矩；d_r为路面干扰；F_yw为侧向风干扰。

根据所设计的双电机线控转向系统及其容错控制方法，设置车速80km/h，在正弦工况下对以下两种情况进行仿真验证。

当两个转向电机都正常工作时，容错切换控制模块采用H₂/H_∞控制算法对车辆进行稳定性控制，参照图4a所示，容错切换控制模块控制的横摆角速度可以很好地控制车辆稳定性，并且电机失效系数及整车状态联合估计模块观测到的横摆角速度较为准确；参照图4b所示，容错切换控制模块控制的质心侧偏角在0.2rad以内，可以很好地保证车辆在转向电机正常工作时的稳定性；

当两个转向电机都出现轻微失效时，容错切换控制模块采用μ控制算法对车辆进行稳定性控制，参照图5a所示，容错切换控制模块控制的横摆角速度可以很好地控制车辆稳定性，并且电机失效系数及整车状态联合估计模块观测到的横摆角速度较为准确；参照图5b所示，容错切换控制模块控制的质心侧偏角在0.15rad以内，可以很好地保证车辆下转向电机轻微故障时的稳定性。

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，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种双电机线控转向系统，其特征在于，包括：转向盘模块、转向执行模块、控制模块；

转向盘模块，包括：转向盘、转向管柱、转向盘转角传感器、转向盘转矩传感器、路感电机驱动器、路感电机和路感电机减速器；

所述转向盘与转向管柱的一端固定连接；

所述路感电机的输出轴通过路感电机减速器与转向管柱的另一端相连，用于通过转向管柱向转向盘传递路感；

所述路感电机驱动器与路感电机连接，用于驱动路感电机的转动状态；

所述转向盘转角传感器、转向盘转矩传感器均与转向管柱固定连接，分别采集转向盘的转角和转矩信号，并将采集到的信号发送给控制模块；

转向执行模块，包括：第一转向电机、第一转向电机减速器、第一转向电机驱动器、第一小齿轮、第二转向电机、第二转向电机减速器、第二转向电机驱动器、第二小齿轮、齿条、转向横拉杆、前轮、第一电流霍尔传感器、第二电流霍尔传感器、车速传感器及横摆角速度传感器；

所述第一转向电机通过第一转向电机减速器与第一小齿轮的转轴相连，第二转向电机通过第二转向电机减速器与第二小齿轮的转轴相连；

所述第一小齿轮、第二小齿轮均与齿条啮合；所述齿条和转向横拉杆相连；转向横拉杆的两端分别与车辆的两个前轮相连；

所述车速传感器安装在前轮内，用于获得车辆的车速，并将其发送给所述控制模块；

所述横摆角速度传感器安装在车身上，用于获得车辆实际的横摆角速度信号，并将其发送给所述控制模块；

所述第一电流霍尔传感器和第二电流霍尔传感器分别安装在第一转向电机和第二转向电机上，用于采集第一转向电机电流信号和第二转向电机电流信号，并将其发送给所述控制模块；

所述第一转向电机驱动器分别与第一转向电机、控制模块电气连接，用于控制第一转向电机转动状态；所述第二转向电机驱动器分别与第二转向电机、控制模块电气连接，用于控制第二转向电机转动状态；

所述控制模块分别与转向盘转角传感器、转向盘转矩传感器、车速传感器、横摆角速度传感器、第一电流霍尔传感器、第二电流霍尔传感器、路感电机驱动器、第一转向电机驱动器和第二转向电机驱动器电气相连；

所述控制模块包括：信息采集模块、电机失效系数及整车状态联合估计模块、容错切换控制模块；

所述信息采集模块，用于对获取到的转向盘转角信号、转向盘转矩信号、车速信号、横摆角速度信号、第一转向电机电流信号、第二转向电机电流信号进行滤波降噪，并将处理后的信号传递给电机失效系数及整车状态联合估计模块和容错切换控制模块；

所述电机失效系数及整车状态联合估计模块，根据信息采集模块发送的信号，实时计算得到电机失效系数、横摆角速度、质心侧偏角，并发送给容错切换控制模块；

所述容错切换控制模块，根据电机失效系数及整车状态联合估计模块发送的信号，判断整车状态及两个转向电机的故障情况，并进行两个转向电机的切换控制和车辆的稳定性控制。

2.根据权利要求1所述的双电机线控转向系统，其特征在于，所述第一转向电机、第二转向电机的型号相同；所述第一小齿轮、第二小齿轮的型号相同。

3.一种双电机线控转向系统的容错控制方法，基于权利要求1-2中任意一项所述的系统，其特征在于，包括步骤如下：

(1)建立双电机线控转向系统模型，包括：转向系统模型、转向电机模型、齿轮齿条模型、整车二自由度模型、变传动比模型；

(2)定义两个转向电机的失效模式并建立转向电机故障模型；

(3)根据步骤(1)和步骤(2)建立的模型，采用扩展卡尔曼滤波算法设计双电机线控转向系统的参数和状态耦合自适应非线性观测器，对整车状态及电机失效系数进行实时观测，获取整车状态及两个转向电机的故障情况；

(4)根据整车状态及两个转向电机的故障情况，进行两个转向电机的切换控制和车辆的稳定性控制。

4.根据权利要求3所述的双电机线控转向系统的容错控制方法，其特征在于，所述步骤(1)中的双电机线控转向系统模型具体包括：

(11)实时采集车辆行驶过程中的转向盘转角信号θ_sw，横摆角速度γ，车速信号u，第i个转向电机电流信号I_i,i＝1,2；

(12)以车辆质心为原点，建立车辆的整车二自由度模型：

式中，β为车辆的质心侧偏角；m为整车质量；k₁,k₂分别为前、后轮胎的侧偏刚度；I_z为车辆绕z轴的转动惯量；a,b分别为质心到前、后轴的距离；δ_f为前轮转角；

(13)建立转向系统模型：

式中，θ_s为小齿轮转角；B_R为等效阻尼系数；J_R为等效转动惯量；T₁为第一转向电机输出转矩，T₂为第二转向电机输出转矩；G₁为转向电机输出到小齿轮的减速比；G₂为第一小齿轮/第二小齿轮转角到前轮的减速比；η为转向电机减速器的效率；d_r为路面干扰；τ_R为轮胎的回正力矩；t_p，t_m分别为轮胎拖距和主销偏移量；

建立转向电机模型：

式中，J_m为第一、第二转向电机的转动惯量；B_m为第一、第二转向电机阻尼系数；T_mi为正常工作条件下第i个转向电机的名义输出转矩；K_ti为第i个转向电机的电磁转矩常数；i_qi为第i个转向电机q轴的电枢电流；

建立齿轮齿条模型：

式中，m_rack为齿条质量；B_rack为齿条阻尼系数；F_R为转向阻力；x_r为齿条位移；r_p为小齿轮半径；

为摩擦力；

(14)根据整车二自由度模型，计算车辆进入稳态时的理想横摆角速度和质心侧偏角，输出转矩：

式中，γ^*为理想横摆角速度，β^*为理想质心侧偏角；

(15)建立变传动比模型：

式中，i₂为转向系统传动比；K_s为横摆角速度增益，L为轴距，K_u是稳定性因数。

5.根据权利要求4所述的双电机线控转向系统的容错控制方法，其特征在于，所述步骤(2)具体包括：

(21)进行转向电机的故障模式分析，定义电机失效系数χ_i：

通过电机失效系数的定义，得到不同故障条件下第i个转向电机的输出电磁转矩T_mi：

结合步骤(1)中建立的转向电机模型，得到第i个转向电机的电磁转矩

I_i＝i_qi；T_mi为正常工作条件下第i个转向电机的名义输出转矩；

建立转向电机故障模型为：

式中，p_n为极对数，

为永磁体磁链，i_qi为第i个转向电机q轴的电枢电流；

(22)定义电机失效系数：

6.根据权利要求5所述的双电机线控转向系统的容错控制方法，其特征在于，所述步骤(3)中设计双电机线控转向系统的参数和状态耦合自适应非线性观测器具体包括：

(31)采用扩展卡尔曼滤波算法，建立双电机线控转向的系统的状态方程：

式中，状态向量x＝[u,γ,β]^T，参数向量设为θ＝[K_t1,K_t2]^T，系统输入为u＝[θ_sw,I_m1,I_m2]^T，量测输出z＝[u,γ]^T；f(·)和h(·)分别为系统非线性函数和量测函数；x(k),u(k),θ(k),z(k)分别为k时刻的状态向量、输入向量、参数向量和量测输出；w(k)为k时刻的过程噪声，v(k)为k时刻的量测噪声，γ为横摆角速度，β为车辆的质心侧偏角，K_t1,K_t2分别为第一转向电机和第二转向电机的电磁转矩常数；

(32)建立参数观测器：

式中，θ(k+1)为k+1时刻的参数向量；η(k)为k时刻具有未知时变统计值且独立于w(k)和v(k)的高斯白噪声；E(·)为对变量求期望；cov[·]为协方差函数；μ_η(k)为k时刻高斯白噪声的期望；Q_η(k)为k时刻高斯白噪声的协方差；

将双电机线控转向的系统线性化表示为：

式中，Φ_x(·)为系统线性化函数；x(k+1)为k+1时刻的状态向量；z(k+1)为k+1时刻的量测输出；v(k+1)为k+1时刻的量测噪声；

以滤波值

代替x(k)，得到新的关于θ的量测输出：

式中，e(k)为k时刻用状态估计值

近似代替值x(k)产生的模型误差，v_θ(k+1)为k+1时刻考虑模型误差的量测噪声；

量测噪声的方差和协方差矩阵表示如下：

其中，μ_θ(k)，Q_v(k)分别为k时刻考虑模型误差的量测噪声的期望和协方差矩阵；

由此，观测参数θ的滤波方程为：

P_θ(k+1)＝[I-K_θ(k+1)H_θ(k)]P_θ(k+1|k)

其中，

ε_θ(k+1)为k+1时刻的残差；

为k时刻对状态向量的估计值；K_θ(k+1)为k+1时刻的状态增益矩阵；P_θ(k+1)为k+1时刻的状态估计误差协方差矩阵；P_θ(k+1|k)为在第k时刻对k+1时刻状态估计误差协方差矩阵的估计值；I为单位矩阵；

为k时刻考虑模型误差的量测噪声的协方差矩阵估计值；θ(k+1|k)为第k时刻对k+1时刻参数向量的估计值；

为k时刻考虑模型误差的量测噪声的方差矩阵的估计值；

(33)使用所述估计值θ(k+1)替换θ(k)，建立状态估计器：

其中，w_x(k)为替换θ(k+1)的虚拟噪声，表示为：

其中，μ_w(k)，Q_w(k)分别为虚拟噪声的期望和协方差矩阵。

7.根据权利要求6所述的双电机线控转向系统的容错控制方法，其特征在于，所述步骤(4)具体包括：

若电机失效系数χ₁＝1且χ₂＝1时，两个转向电机状态为正常，采用H₂/H_∞控制算法进行稳定性控制；

若电机失效系数0.6＜χ₁＜1,χ₂＝1、0.6＜χ₂＜1,χ₁＝1或0.6＜χ₁＜1,0.6＜χ₂＜1，其中一个转向电机或两个转向电机部分失效时，采用μ控制算法进行容错稳定性控制；若两个转向电机的电机失效系数均小于0.6，则两个转向电机处于严重的部分失效；

若电机失效系数χ₁＝0,χ₂＝1或χ₂＝0,χ₁＝1时，其中一个转向电机完全失效，切换为另一个正常工作的转向电机采用H₂/H_∞控制算法进行稳定性控制；若两个转向电机的电机失效系数都为0时，则两个转向电机均完全失效。

8.根据权利要求7所述的双电机线控转向系统的容错控制方法，其特征在于，所述H₂/H_∞控制算法设计如下：

控制系统的状态变量为

输入为u＝[ΔT]，测量输出为y₁＝[γ]，y₂＝[ΔT]，基于主动前轮转向的横摆角速度补偿控制的状态空间被实现如下：

式中：

C₁₁＝[0 0 0 1]，D₁₁＝[0]；C₁₂＝[0 0 0 0]；D₁₂＝[1]

式中，Δθ_s为补偿的小齿轮转角，ΔT为正常电机的补偿转矩，m为整车质量，k₁,k₂分别为前、后轮胎的侧偏刚度，a，b分别为质心到前、后轴的距离，u为车速，γ为车辆横摆角速度，β为车辆质心侧偏角，I_z为整车绕z轴转动惯量，δ_f为前轮转角，J_R为齿条等效转动惯量，B_R为齿条等效阻尼系数，G₁为两个转向电机减速器的减速比，G₂为齿轮齿条机构的减速比，η为两个转向电机减速器的效率系数，t_p，t_m分别为轮胎拖距和主销偏移量，J_m为电机转动惯量，B_m为电机阻尼系数。

9.根据权利要求7所述的双电机线控转向系统的容错控制方法，其特征在于，所述μ控制算法设计如下：

取控制系统的状态变量

系统的输入u＝[ΔT]，系统的扰动输入为w＝[d_r F_yw]^T，y＝[γ]系统输出，线控主动前轮转向横摆角速度控制的状态空间实现为：

式中：

C＝[0 0 0 0 0 1]；D₁＝[0 0]；D₂＝[0]

式中，θ_s1为当前小齿轮总的转角；θ_s2为μ控制器作用下小齿轮总的补偿转角；ΔT为容错控制器作用下小齿轮总的补偿转矩；d_r为路面干扰；F_yw为侧向风干扰。

Images