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发表于 2021-8-12 14:12:35 | 显示全部楼层 |阅读模式
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分布式四驱电动汽车电机故障诊断及失效控制[size=0.6em]*
朱绍鹏,傅琪涛,黄小燕,王志威,杨兴浩(浙江大学能源工程学院动力机械及车辆工程研究所,杭州 310027)
[摘要] 本文针对分布式四驱电动汽车电机的软性及硬性故障,提出了一种基于电机失效控制增益的故障诊断和失效控制策略。设计了故障诊断模块和失效模式判断与驱动力再分配模块,与车辆直接横摆力矩控制相结合,实现了基于故障诊断的驱动力二次分配控制。通过MATLAB/Simulink与CarSim联合仿真和RCP实车试验,验证了提出的故障诊断与失效控制策略的有效性,该控制策略能充分利用分布式驱动的电机冗余特性,保证分布式四驱电动汽车在常见的多种电机失效工况下安全行驶。
关键词:分布式四驱电动汽车;电机故障;故障诊断;失效控制
前言

[size=1em]分布式四驱电动汽车凭借其结构紧凑、机械传动效率高和各电机控制响应快等优点,已成为近年来电动汽车研发热点之一[1-2]。然而,由于分布式四驱电动汽车运用轮毂电机等电气化结构部件取代传统机械结构,这对控制系统的实时性和可靠性提出了更高要求[3]。例如当电机发生故障时,可能无法提供期望的驱动转矩,若没有实时有效的控制调节,可能会导致车辆性能恶化,甚至发生车辆事故。

[size=1em]因此,不少学者都针对分布式四驱电动汽车的失效控制问题开展了相关研究。褚文博等[4]分别考虑车辆不同工况下的动力性和稳定性要求,根据不同的失效工况和车辆行驶状态来协调分配各驱动轮转矩。田韶鹏等[5]提出的失效控制策略,分别以动力性和经济性为优化目标来分配各驱动轮转矩。Alwi和Edwards[6]提出了一种基于在线滑模控制的主动容错控制方法,能在故障发生时分析并确定维持当前车辆行驶状态所需的非线性增益,同时根据电机驱动器的增益水平,将控制信号重新分配给其余电机。王博等[7]提出了一种基于故障因子的失效控制算法,但论文中未给出明确的故障因子判别方法。

[size=1em]上述这些失效控制系统对电机发生任何故障时所采取的策略往往是令故障电机停止工作,即故障轮变为从动轮。这种控制策略没有充分利用分布式四驱电动汽车的电机冗余特性,并不是所有的电机故障都是不可逆的,需要通过停止电机工作来避免后续更严重的情况发生,很多情况下电机只是处于短时间的过流或过温这类软性故障[8]。Wang等[9]设计了一种基于李雅普诺夫稳定性理论的失效控制系统,在一个轮毂电机出现故障时,尽可能减少此故障电机的使用程度,而另外3个电机的输出转矩也将进行再分配。

[size=1em]本文中针对分布式四驱电动汽车的驱动源冗余特性,考虑电机软性与硬性故障诊断需求,设计具有电机故障诊断及处理功能的分布式四驱控制策略。为明确定位故障轮位置和故障发生时的转矩值,引入控制增益,设计“故障诊断”模块和“失效模式判断和驱动力再分配”模块,实现基于故障诊断的驱动力二次分配。针对不同故障形式,不仅通过MATLAB/Simulink与CarSim联合仿真,还通过快速控制原型(rapid control prototype,RCP)测试,验证分析了设计的分布式四驱电动汽车电机故障诊断和失效控制的有效性。

1 分布式四驱控制策略设计

[size=1em]针对分布式四驱电动汽车的驱动力分配和操纵稳定性控制,并考虑电机软性与硬性故障诊断需求,设计采用分层结构的分布式四驱控制策略,如图1所示。该控制策略包含3层:期望总驱动力矩和期望横摆力矩确定层、基于目标函数的驱动力矩一次分配层和基于故障诊断的驱动力矩二次分配层。

[size=0.8em]图1 考虑故障诊断及失效控制的分布式四驱控制策略

[size=1em]“期望总驱动力矩和期望横摆力矩确定层”包含车辆参考模型和期望横摆力矩确定两个模块,通过接收驾驶员输入的加速踏板行程k pd和转向盘转角δsw以及来自车辆传感器反馈的车速v、横摆角速度ω和质心侧偏角β等实际状态参数,确定适合当前工况的车辆期望总驱动力矩T d和期望横摆力矩Mz d,该部分具体策略设计详见文献[10]。

[size=1em]“基于目标函数的驱动力矩一次分配层”负责将“期望总驱动力矩和期望横摆力矩确定层”确定出的期望总驱动力矩T d分配到各个驱动轮,同时要保证各驱动轮与地面作用力产生的对车辆质心的横摆力矩符合所确定的期望横摆力矩Mz d[11]。因此,每个电机分配到的输出转矩满足式(1)约束条件:


[size=1em]式中:T fl、T fr、T rl、T rr分别为左前轮、右前轮、左后轮、右后轮的输出转矩;δ为前轮转角;ω为轮距,这里视前后轮距相等;R roll为轮胎滚动半径。

[size=1em]当电机未发生故障时,4个车轮均能够输出正常转矩。同时,车辆前进驱动时电机不输出负转矩,且应不超过当前路面条件能提供的最大附着力。因此,电机输出转矩还应满足式(2)约束条件:


[size=1em]式中:Ti max为单个电机正常条件下最大输出转矩;μi为当前路面条件下轮胎附着系数;Fzi为各轮胎垂直载荷。

[size=1em]驱动力矩一次分配基于目标函数,根据不同的优化目标如稳定性、动力性和经济性等,采取不同的四轮分配方式[10]。本文主要研究电机故障诊断和相应的失效控制,因此采用较为简单的平均分配模式,即前后轴线性分配,可以得到


[size=1em]此分配模式同样满足式(1)和式(2)的约束条件。

[size=1em]“基于故障诊断的驱动力矩二次分配层”包含故障诊断模块和失效模式判断与驱动力矩再分配模块。故障诊断模块通过分析比较4轮期望转矩和传感器实际反馈的4轮转矩,判断电机是否故障,明确故障轮位置和故障程度;失效模式判断与驱动力矩再分配模块在电机发生故障时,基于不同故障类型重新调整4轮电机的转矩输出,使其满足稳定性或动力性等不同要求。

2 基于故障诊断的驱动力矩再分配2.1 电机故障诊断模块设计

[size=1em]电机输出转矩与输出功率和转速的关系式为


[size=1em]式中:T为电机输出转矩;P为电机输出功率;n为电机转速。

[size=1em]由式(4)可知,当电机转速一定时,输出转矩与输出功率成正比。即当车辆以一定速度在路上行驶时,若故障发生,为维持车辆当前行驶状态,须保证故障电机的转速不变,输出功率的降低必将导致其输出转矩的下降。

[size=1em]为明确定位故障轮和确定故障发生时的转矩值,引入一个控制增益ki来描述,定义为


[size=1em]式中:T′i为传感器测得的各电机实际输出转矩;T d i为各电机期望输出转矩。

[size=1em]在正常情况下控制增益值为1,若某个电机发生故障,相应的控制增益就会降低,即ki<1,这样就能明确定位故障轮位置。同时,通过控制增益Ki,还能确定故障发生时的电机输出转矩值,即


[size=1em]式中T f_i为故障发生时电机输出转矩值。

[size=1em]因此,约束条件式(2)可改写为


[size=1em]电机故障诊断模块将记录故障发生位置及对应的转矩值,并将其传递给驱动力矩再分配模块进行控制,以保证车辆能维持期望的运行状态。

2.2 失效模式判断与驱动力矩再分配模块设计

[size=1em]对于分布式四驱电动汽车,根据电机故障的位置和数量,可得出6种类型的故障模式:单电机故障、同轴两电机故障、同侧两电机故障、异轴异侧两电机故障、三电机故障和四电机故障。以单电机故障为例,假设左前轮电机发生故障,其输出转矩损失为T,则T f_fl=T fl-T,代入式(1)得到:


[size=1em]若要使车辆能维持期望的行驶状态,则必须保证


[size=1em]由式(8)可知,因左前轮电机故障而损失的侧向力可通过增加右前轮电机转矩输出来补偿,而纵向力的损失可通过调整其余正常电机来进行补偿,即


[size=1em]若同轴两电机发生故障,以前轴左右两电机为例,其输出转矩分别损失为T1和T2,则有T f_fl=T fl-T1、T f_fr=T fr-T2。纵向力的损失可通过降低故障轴两电机的输出转矩上限、增加正常轴两电机的输出转矩上限来补偿,而侧向驱动力的损失可通过地面对轮胎的侧向反力在一定范围内进行补偿,或通过驾驶员调整转向盘转角来进行补偿。假设T1<T2,调整后的四轮转矩输出为


[size=1em]同理,对于同侧两电机故障、异轴异侧两电机故障、三电机故障和四电机故障,也皆可通过式(1)得到相应的4轮转矩输出解。电机软性故障和硬性故障下的驱动力矩再分配控制策略分别如表1和表2所示。

[size=0.8em]表1 电机软性故障下的驱动力再分配控制策略

[size=0.8em]表2 电机硬性故障下的驱动力再分配控制策略

3 故障诊断和失效控制仿真验证3.1 仿真方案设计

[size=1em]本文中利用MATLAB/Simulink和CarSim搭建联合仿真平台,参照课题组研发的轮边电机分布式四驱电动汽车“新火3号”实车的参数(见表3),在CarSim中搭建相应的车辆模型。

[size=0.8em]表3 “新火3号”整车参数

[size=1em]为验证所设计的故障诊断模块和失效模式判断及驱动力矩再分配模块的有效性,本文中选取初速度为60 km/h的单移线行驶工况,设计了3种故障工况(仅左前轮故障,前轴两轮故障,左侧两轮故障)进行仿真。

3.2 仿真结果分析

[size=1em]当未发生故障时,仿真车辆期望输出总转矩为600 N·m,初速度为60 km/h的单移线仿真结果如图2所示:(a)为转向盘转角输入曲线;(b)为纵向车速变化曲线;(c)为基于平均分配方式的各轮电机输出转矩。

[size=0.8em]图2 正常行驶工况仿真结果

[size=1em]当左前轮电机发生故障时,仿真结果如图3所示。由图3(a)可见:在3.5 s时左前轮控制增益减小至0.7,这是因为左前轮在此时发生故障,输出转矩从140突降至108 N·m,根据控制增益的定义式(5),左前轮控制增益减小;而在3.55 s时控制增益又变为1,这是因为0.05 s后故障诊断周期结束,传感器检测到的转矩值和期望转矩值相等,控制增益变为1。由图3(b)可见,在3.5 s时左前轮降低至108 N·m,而其它3个车轮驱动电机的输出转矩也有相应变化,右前轮和左后轮输出转矩增加,右后轮输出转矩减小。通过图3(c)可知,有失效控制的单轮故障行驶与无故障正常行驶的车辆轨迹十分吻合,而没有失效控制的单轮故障行驶在Y轴产生较大侧向偏移,无法完成期望行驶轨迹。因此可以证明单轮故障情况下,通过失效模式下驱动力再分配控制,车辆能保持期望的行驶状态。

[size=0.8em]图3 单轮故障工况仿真结果

[size=1em]当前轴两轮发生故障时,仿真结果如图4所示。由图4(a)可见,当前轴两轮发生故障时,故障轴前轴两电机的输出转矩大幅度降低,正常轴后轴两轮电机将承担大部分的转矩输出,均达到250 N·m左右。由图4(b)可见,有控制前轴两轮故障与无故障正常行驶下的车辆轨迹基本相同,但无控制前轴两轮故障时车辆未能达到Y轴期望位移。

[size=0.8em]图4 同轴两轮故障工况仿真结果

[size=1em]当左侧两轮发生故障时,仿真结果如图5所示。由图5(a)可见:在3.5 s故障发生后,4轮输出转矩均有大幅度降低,总转矩输出只达到100 N·m左右;在5 s时,车辆进入直线行驶状态,为满足一定的动力性需求,各轮输出转矩有一定提升,但为了保护电机,其输出转矩仍小于正常状态;6 s后,直线行驶段结束,车辆重新进入过弯工况,为保证车辆稳定性,4轮输出转矩均又降低。由图5(b)可见,有控制的同侧两轮故障车辆的总体行驶趋势未变,但其X轴位移和Y轴位移均小于无故障车辆行驶状态下的位移量。由图5(c)~图5(e)可知,有控制的故障车辆横摆角速度曲线与正常状态基本重合,且其质心侧偏角振幅小于0.1°车辆处于稳定状态,而车速比正常状态有所降低。因此,图5(b)中有控制时的位移偏移量并非由车身的不稳定所引起,而是由于车辆的纵向转矩输出受到较大影响,即在同侧两轮电机发生故障时,为兼顾行驶的稳定性,车辆的最高车速被限制。

[size=0.8em]图5 同侧两轮故障工况仿真结果

4 故障诊断及失效控制RCP4.1 RCP方案设计

[size=1em]本研究利用LabVIEW开发快速控制原型(RCP)测试程序,利用课题组现有的分布式四驱电动车辆“新火3号”进行道路试验。试验车辆“新火3号”如图6所示。该RCP的下位机由NI cRIO实时控制器和C系列数据采集与通信板卡共同构成,系统上位机则是安装了LabVIEW软件的试验电脑。试验车辆的主要参数见表3。

[size=0.8em]图6 道路试验车辆“新火3号”

[size=1em]为验证故障诊断的驱动力矩二次分配控制方法的有效性,设计了6组RCP实车试验方案,如表4所示。由驾驶员控制转向盘和油门踏板,并让试验车辆在良好干燥的水泥路面行驶。在保证安全的前提下,为充分验证失效控制算法的有效性,将发生故障的电机输出转矩瞬间限制在15 N·m以下,模拟电机发生软故障而导致的输出转矩变小的情况。由于整个试验由驾驶员人为操纵车辆完成,所以试验数据存在小幅度的波动。

[size=0.8em]表4 实车试验方案

4.2 RCP试验结果分析

[size=1em]4.2.1 单轮故障

[size=1em]A1工况直线加速左前轮故障的试验结果如图7所示。起步阶段,车辆各驱动电机正常工作,车速均匀增加。1.75 s时左前轮发生故障,输出转矩突降至15 N·m,此时车辆按照单轮故障失效控制策略进行调节,由未发生故障的3个车轮进行综合协调性补偿,右前轮的转矩提高至48 N·m。车辆在7 s时达到30 km/h,其间车速未发生明显波动,并保持直线行驶轨迹。

[size=0.8em]图7 A1工况试验结果

[size=1em]A2工况右转弯加速左前轮故障的试验结果如图8所示。2.4 s时左前轮发生故障,输出转矩突降至15 N·m,此时车辆按照单轮故障失效控制策略进行调节,右前轮的转矩提高至48 N·m。3 s之后左后轮与右后轮转矩开始对称连续变化对因故障而损失的输出进行补偿,以满足右转弯行驶工况的要求。此时,实际横摆角速度与期望横摆角速度基本吻合,质心侧偏角未发生明显偏移。

[size=0.8em]图8 A2工况试验结果

[size=1em]A1工况与A2工况的试验结果表明,单轮故障时,通过失效控制,车辆能保持期望的行驶状态。

[size=1em]4.2.2 同轴双轮故障

[size=1em]B1工况直线加速同轴双轮故障的试验结果如图9所示。2.6 s时左前轮与右前轮同时发生故障,输出转矩分别突降至8与6 N·m,此时车辆按照同轴双轮故障失效控制策略进行调节,左后轮与右后轮电机输出转矩分别增加至42与38 N·m,以进行综合协调性补偿,其间车速未发生明显波动,并保持直线行驶轨迹。

[size=0.8em]图9 B1工况试验结果

[size=1em]B2工况右转弯加速同轴双轮故障的试验结果如图10所示。6.2 s时左前轮与右前轮同时发生故障,输出转矩分别突降至10与5 N·m,此时车辆按照同轴双轮故障失效控制策略进行调节,左后轮与右后轮电机输出转矩分别增加至36与38 N·m。此时,实际横摆角速度与期望横摆角速度基本吻合,质心侧偏角未发生明显偏移。

[size=0.8em]图10 B2工况试验结果

[size=1em]B1工况与B2工况的试验结果表明,同轴双轮故障时,通过失效控制,车辆能够保持期望的行驶状态。

[size=1em]4.2.3 同侧双轮故障

[size=1em]C1工况直线加速同侧双轮故障的试验结果如图11所示。3.6 s时左前轮与左后轮同时发生故障,输出转矩分别突降至8与6 N·m,此时车辆按照同侧双轮故障失效控制策略进行调节,右前轮与右后轮输出转矩也分别减小至8与6 N·m,避免出现车身侧翻、侧向转弯等危险情况。车辆损失了部分纵向加速性能,在满足车身稳定性要求的条件下沿直线安全行驶。

[size=0.8em]图11 C1工况试验结果

[size=1em]C2工况右转弯加速同侧双轮故障的试验结果如图12所示。5.8 s时左前轮与左后轮同时发生故障,输出转矩分别突降至3与6 N·m,此时车辆按照同侧双轮故障失效控制策略进行调节,右前轮与右后轮输出转矩也随之分别减小至12与8 N·m,以避免出现车身侧翻等危险情况。车辆将损失部分纵向加速性能,在满足车身稳定性要求的条件下沿直线安全行驶。

[size=0.8em]图12 C2工况试验结果

[size=1em]C1工况与C2工况的试验结果表明,同侧双轮故障时,通过失效控制,车辆将损失部分纵向动力性能来保证其稳定性。

5 结论

[size=1em]本文中针对分布式四驱电动汽车驱动电机故障进行了动力系统的故障诊断、失效控制设计。提出了可涵盖电机软性与硬性故障的控制增益概念,对多种电机故障状态进行了分类归纳总结,设计了故障诊断模块、失效模式判断和驱动力矩再分配模块,实现了基于故障诊断的驱动力矩二次分配控制。

[size=1em]针对不同故障形式进行了仿真和RCP实车试验,试验结果表明:设计的基于故障诊断的驱动力矩二次分配控制策略,在单轮故障、同轴两轮故障工况下,能够保证车辆维持期望的直线、转向等行驶状态;在同侧两轮故障工况下,车辆将牺牲部分纵向加速性能来满足车辆稳定性要求。



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