分布式驱动电动汽车多执行器容错控制研究

doi:10.19562/j.chinasae.qcgc.2023.12.007

摘要/Abstract

摘要：

分布式驱动电动汽车的各轮轮毂电机驱动力矩独立可控，是一个典型的过驱动系统。通过优化各轮驱动力矩分配，可以实现容错控制。本文中以分布式驱动电动汽车为研究对象，针对线控转向系统和轮毂电机多执行器同时失效的轨迹跟踪问题，提出了一种基于差动转向和驱动转矩分配的容错控制方法。该方法采用分层式架构：上层控制器通过模型预测控制方法得到前轮转角，并在转向系统执行器失效时，通过滑模控制方法计算差动转向力矩；下层控制器结合故障诊断信息，基于二次规划算法求解存在驱动电机失效情况的转矩优化分配策略。最后，进行了单执行器失效及多执行器同时失效的仿真实验，结果验证了该容错控制方法的有效性。

关键词: 分布式驱动电动汽车, 容错控制, 轨迹跟踪

Abstract:

Distributed drive electric vehicles with independently controllable torque for each wheel hub motor represent a typical over-actuated system. By optimizing the distribution of driving torque among the wheels， fault-tolerant control can be achieved. Taking distributed drive electric vehicles as the research object and focusing on the trajectory-tracking problem in the presence of simultaneous failure of the steer-by-wire system and multiple actuators of the wheel hub motors， a fault-tolerant control method based on differential steering and torque allocation is proposed in this paper. The method employs a hierarchical architecture. In the upper-level controller， the desired front-wheel steering angle is obtained using a model predictive control method. When failure occurs in the steering system actuators， a sliding mode control method is utilized to calculate the differential steering torque. In the lower-level controller， the torque optimization allocation strategy for failed drive motors is determined based on quadratic programming algorithms， taking into account of fault diagnosis information. Finally， simulation experiments are conducted to evaluate the effectiveness of the proposed fault-tolerant control method under both single actuator failure and multiple actuators failure scenarios. The results validate the effectiveness of the proposed approach.

Key words: distributed drive electric vehicles, fault-tolerant control, trajectory tracking

李琴,汤建明,张博远,陈勇,王勇. 分布式驱动电动汽车多执行器容错控制研究[J]. 汽车工程, 2023, 45(12): 2251-2259.

Qin Li,Jianming Tang,Boyuan Zhang,Yong Chen,Yong Wang. Research on Fault-Tolerant Control of Multi-Actuator for Distributed Drive Electric Vehicles[J]. Automotive Engineering, 2023, 45(12): 2251-2259.

图/表 9

图 1

图 2

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表1

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参考文献 18

1	MAO Y， ZUO S， CAO J. Effects of rotor position error on longitudinal vibration of electric wheel system in in-wheel PMSM driven vehicle［J］. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics， 2018， 23（3）： 1314-1325.
2	罗禹贡，陈锐，胡云.分布式电驱动车辆线控转向系统MFAC主动容错控制［J］.机械工程学报，2019，55（22）：131-139.
	LUO Y G， CHEN R， HU Y. Active fault-tolerant control based on MFAC or 4WID EV with steering by wire system［J］. J. Mech. Eng.， 2019， 55（22）： 131-139.
3	DALBONI M， TAVERNINI D， MONTANARO U， et al. Nonlinear model predictive control for integrated energy-efficient torque-vectoring and anti-roll moment distribution［J］. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics， 2021， 26（3）： 1212-1224.
4	KARKI A， PHUYAL S， TULADHAR D， et al. Status of pure electric vehicle power train technology and future prospects［J］. Applied System Innovation， 2020， 3（3）： 35.
5	邹渊，郭宁远，张旭东，等.分布式电驱动车辆力矩分配控制研究现状综述［J］.中国公路学报，2021，34（9）：1-25.
	ZOU Y， GUO N， ZHANG X， et al. Review of torque allocation control for distributed drive electric vehicles［J］. China Journal of Highway and Transport， 2021， 34（9）： 1-25.
6	赵轩，王姝，马建，等.分布式驱动电动汽车底盘集成控制技术综述［J］.中国公路学报，2023，36（4）：221-248.
	ZHAO X， WANG Z， MA J， et al. Review of chassis integrated control technology for distributed drive electric vehicles［J］. China Journal of Highway and Transport， 2023， 36（4）： 221-248.
7	CHEN T， CHEN L， XU X， et al. Passive fault-tolerant path following control of autonomous distributed drive electric vehicle considering steering system fault［J］. Mechanical Systems and Signal Processing， 2019， 123： 298-315.
8	张雷，王子浩，孙逢春，等.四轮轮毂电机驱动智能电动汽车转向失效容错控制研究［J］.机械工程学报，2021，57（20）：141-152.
	ZHANG L， WANG Z， SUN F， et al. Fault-tolerant control for intelligent four-wheel-independently-actuated electric vehicles under complete steer-by-wire system failur［J］. J. Mech. Eng.， 2021，57（20）：141-152.
9	ZHANG X， COCQUEMPOT V. Fault tolerant control for an electric 4WD vehicle's path tracking with active fault diagnosis［J］. IFAC Proceedings Volumes， 2014， 47（3）： 6728-6734.
10	ZHANG D， LIU G， ZHOU H， et al. Adaptive sliding mode fault-tolerant coordination control for four-wheel independently driven electric vehicles［J］. IEEE Transactions on Industrial Electronics， 2018， 65（11）： 9090-9100.
11	张雷，余文，王震坡，等.基于多方法切换的四轮轮毂电机驱动电动汽车容错控制策略［J］.机械工程学报，2020，56（16）：227-239.
	ZHANG L， YU W， WANG Z P， et al. Fault tolerant control based on multi-methods switching for four-wheel-independently-actuated electric vehicles［J］. J Mech Eng.， 2020， 56（16）： 227-239.
12	TANG H， CHEN Y， ZHOU A. Actuator fault-tolerant control for four-wheel-drive-by-wire electric vehicle［J］. IEEE Transactions on Transportation Electrification， 2021， 8（2）： 2361-2373.
13	CHEN Y， STOUT C， JOSHI A， et al. Driver-assistance lateral motion control for in-wheel-motor-driven electric ground vehicles subject to small torque variation［J］. IEEE Transactions on Vehicular Technology， 2018， 67（8）： 6838-6850.
14	ZOU Y， GUO N， ZHANG X. An integrated control strategy of path following and lateral motion stabilization for autonomous distributed drive electric vehicles［J］. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers， Part D： Journal of Automobile Engineering， 2021， 235（4）： 1164-1179.
15	ZHANG D， LIU G， ZHOU H， et al. Adaptive sliding mode fault-tolerant coordination control for four-wheel independently driven electric vehicles［J］. IEEE Transactions on Industrial Electronics， 2018， 65（11）： 9090-9100.
16	MIN H， FANG Y， WU X， et al. A fault diagnosis framework for autonomous vehicles with sensor self-diagnosis［J］. Expert Systems with Applications， 2023， 224： 120002.
17	FANG Y， MIN H， WU X， et al. Toward interpretability in fault diagnosis for autonomous vehicles： interpretation of sensor data anomalies［J］. IEEE Sensors Journal， 2023.
18	SHI Q， ZHANG H. Fault diagnosis of an autonomous vehicle with an improved SVM algorithm subject to unbalanced datasets［J］. IEEE Transactions on Industrial Electronics， 2020， 68（7）： 6248-6256.

参数	数值
车辆整备质量/kg	1 412
质心距前轴长/m	1.015
质心距后轴长/m	1.895
前轮侧偏刚度/（N·rad^-1）	52 000
后轮侧偏刚度/（N·rad^-1）	34 500
轴长/m	1.675
轮胎半径/m	0.308
绕Z轴转动惯量/（kg·m²）	1 536.7
轮毂电机转矩输出边界值/（N·m）	800

[1]	查云飞,吕小龙,陈慧勤,易迎春,王燕燕. 基于路面附着系数估计的车辆轨迹跟踪控制[J]. 汽车工程, 2023, 45(6): 1010-1021.
[2]	张彬,邹渊,张旭东,孙逢春,吴喆,孟逸豪. 混动履带式无人平台轨迹跟踪控制研究[J]. 汽车工程, 2023, 45(4): 579-587.
[3]	宋强,王冠峰,商赫,张念忠. 基于多参数控制的分布式驱动电动汽车操纵稳定性控制策略研究[J]. 汽车工程, 2023, 45(11): 2104-2112.
[4]	林程,梁晟,宫新乐,于潇,汪博文. 面向极限工况的分布式驱动电动汽车动力学集成控制方法[J]. 汽车工程, 2022, 44(9): 1372-1385.
[5]	李道飞,查安飞,徐彪,张家杰. 半挂汽车列车紧急避撞轨迹跟踪控制算法[J]. 汽车工程, 2022, 44(7): 1098-1106.
[6]	方培俊,蔡英凤,陈龙,廉玉波,王海,钟益林,孙晓强. 基于车辆动力学混合模型的智能汽车轨迹跟踪控制方法[J]. 汽车工程, 2022, 44(10): 1469-1483.
[7]	卢少波,谢菲菲,张博涵,陆嘉峰,李彩霞. 基于非对称势场的人车协同博弈避撞[J]. 汽车工程, 2022, 44(10): 1484-1493.
[8]	王宏伟,刘晨宇,李磊,张昊天. 基于高效NMPC算法的无人车轨迹跟踪控制研究[J]. 汽车工程, 2022, 44(10): 1494-1502.
[9]	牛国臣,李文帅,魏洪旭. 基于双五次多项式的智能汽车换道轨迹规划[J]. 汽车工程, 2021, 43(7): 978-986.
[10]	张志勇,龙凯,杜荣华,黄彩霞. 自动驾驶汽车高速超车轨迹跟踪协调控制[J]. 汽车工程, 2021, 43(7): 995-1004.
[11]	陈龙,邹凯,蔡英凤,滕成龙,孙晓强,王海. 基于NMPC的智能汽车纵横向综合轨迹跟踪控制[J]. 汽车工程, 2021, 43(2): 153-161.
[12]	陈龙, 解云鹏, 蔡英凤, 孙晓强, 滕成龙, 邹凯. 极限工况下无人驾驶车辆稳定跟踪控制^*[J]. 汽车工程, 2020, 42(8): 1016-1026.
[13]	张雷, 赵宪华, 王震坡. 四轮轮毂电机独立驱动电动汽车轨迹跟踪与横摆稳定性协调控制研究^*[J]. 汽车工程, 2020, 42(11): 1513-1521.
[14]	赵治国, 付十豪, 姜斯文, 陈家毅. 干式DCT同步器作动电机位置传感器故障诊断^*[J]. 汽车工程, 2020, 42(11): 1585-1594.
[15]	胡云, 江发潮, 陈锐, 罗禹贡. 分布式电动车辆驱动系统MFAC主动容错控制^*[J]. 汽车工程, 2019, 41(9): 983-989.