一种基于二次优化的分布式驱动电动汽车失效控制系统

摘要

本发明涉及一种基于二次优化的分布式驱动电动汽车失效控制系统，它包括人-车状态观测系统、方向盘转角传感器、车速传感器、需求纵向驱动力传感器、需求直接横摆力矩传感器，其特征在于：它还包括一基于二次优化的整车驱动力失效分配控制器和四个驱动电机失效状态传感器；驾驶员通过人-车状态观测系统实时监测汽车的行驶状态，并同时监测各驱动电机失效状态传感器，通过失效因子值的大小得知驱动电机发生失效时，整车控制器将采集的信号发送到整车驱动力失效分配控制器，整车驱动力失效分配控制器根据得到方向盘转角信号和车速信号制定驾驶员对动力性和稳定性的需求，结合其它各值得到驱动力的最优值，将驱动力最优值发送到各驱动电机。本发明可以广泛应用于分布式驱动电动汽车的失效协调控制中。

说明书

技术领域

本发明涉及一种汽车失效控制系统，特别是关于一种基于二次优化的分布式驱动 电动汽车失效控制系统。

背景技术

电动汽车可以有效地解决我国能源紧缺、环境污染等问题。分布式驱动电动汽车 由于具有响应快速、驱动传动链短、传动高效和结构紧凑的优点，成为电动汽车领域 的一个重要发展方向。现有技术中针对分布式驱动电动汽车驱动电机的失效控制方法 比较多，大多方法通常是集中在对驱动电机的故障诊断和容错控制。在判断得知驱动 电机发生失效的情况下，现有技术提出了同时关闭失效驱动轮和对侧驱动轮的控制方 法保证行车安全，此方法可以在单轮失效或同轴双轮失效的情况下保证一部分驱动能 力，但是上述失效控制系统不能依据当前的汽车行驶状态实时进行驱动力分配控制， 而且也没有考虑在驱动电机部分失效的情况下也可以发出部分驱动力的情况，也没有 充分考虑驱动电机响应速度特性，这样不仅削弱了分布式驱动电动汽车的纵向驱动性 能和横向稳定性能，也没有完全解决在失效状况下合理驱动的问题。

由于分布式驱动电动汽车具有多个驱动电机，各驱动电机存在冗余配置，在出现 一个或多个驱动电机失效的情况下依然可以保证一定的驱动能力，如何协调利用所有 驱动电机实现平稳行驶，对增强分布式驱动电动汽车的通过能力和行驶安全性都具有 十分重要的意义。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种分布式驱动电动汽车在出现一个或多个 驱动电机发生失效时通过对所有驱动电机发出的驱动力进行二次优化协调控制且能够 满足驾驶员需求的基于二次优化的分布式驱动电动汽车失效控制系统。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种基于二次优化的分布式驱动电 动汽车失效控制系统，它包括一人-车状态观测系统、一方向盘转角传感器、一车速传 感器、一需求纵向驱动力传感器、一需求直接横摆力矩传感器，其特征在于：它还包 括一设置在整车控制器中的基于二次优化的整车驱动力失效分配控制器和四个分别设 置在每一驱动电机控制器中的驱动电机失效状态传感器；驾驶员通过人-车状态观测系 统实时监测汽车的行驶状态，并同时监测各所述驱动电机失效状态传感器采集的失效 因子值，通过失效因子值的大小得知有驱动电机发生失效时，整车控制器将采集的所 述方向盘转角传感器、车速传感器、需求纵向驱动力传感器、需求直接横摆力矩传感 器和驱动电机失效状态传感器的信号发送到所述整车驱动力失效分配控制器，所述整 车驱动力失效分配控制器根据得到方向盘转角信号和车速信号制定驾驶员对动力性和 稳定性的需求，结合各驱动电机的失效因子值、需求纵向驱动力、需求直接横摆力矩 和各驱动电机响应速度，得到所需驱动力的最优值，将驱动力最优值分别发送到各驱 动电机。

所述各驱动电机的驱动力最优值的求解过程如下：1)建立分布式驱动电动汽车的 简化模型，从各驱动电机控制器得到各驱动轮的驱动力，以得到由四个驱动轮的驱动 力到总纵向驱动力和总横摆力矩的控制矩阵；2)根据分布式驱动电动汽车行驶过程中 各驱动电机失效状态传感器采集的各驱动电机的失效因子值和各驱动轮的驱动力响应 速率限制，设定各驱动轮的驱动力边界条件，即设定驱动力饱和限制和驱动力响应速 率限制；所述失效因子值为每一驱动电机当前能发出的驱动力与理论能发出的最大驱 动力的比值，所述失效因子值的取值范围为[0，1]；3)以总纵向驱动力和总横摆力矩与 需求纵向驱动力、需求直接横摆力矩之差的二范数值达到最小作为控制目标，以驱动 力饱和限制和驱动力响应速率限制为边界条件，制定满足驾驶员需求的目标函数，求 解第一次优化的驱动力值；4)按照降低失效驱动电机的使用优先等级的原则，利用二 次优化的驱动力分配权重矩阵，制定二次优化函数，对第一次优化得到驱动力值进行 二次优化，以所述步骤2)中的驱动力饱和限制和驱动力相应速率限制为边界条件， 以二次优化函数为目标函数，求解得到各驱动力的最优值。

所述步骤4)中的二次优化函数U为：

$U=\arg \underset{{\underset{‾}{x}}^{*}\le x\le {\bar{x}}^{*}}{\min }({\left|\right|H_{x}x\left|\right|}_2^2+\lambda {\left|\right|H_y(\mathrm{Bx}-y_d)\left|\right|}_2^2)$

上述公式中，x为四个驱动轮的驱动力，x^*为驱动力的下限，为驱动力的上限， H_x为二次优化的驱动力分配权重矩阵，λ为罚因子；H_y＝diag(H_y1，H_y2)，其中，H_y1为 纵向驱动权重、H_y2为横向稳定权重，y_d为驾驶员的需求，B为控制矩阵。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于在整车控制器中 设置了一个基于二次优化的整车驱动力失效分配控制器，可以在一个或多个驱动电机 发生失效时通过基于二次优化的分布式驱动电动汽车失效协调控制方法得到各驱动力 的最优值，将各驱动力最优值发送到各驱动电机，完成驱动力协调控制满足驾驶员对 动力性和稳定性的需求，因此可以在驱动电机发生失效的情况下很好地保持了分布式 驱动电动汽车的纵向驱动性能和横向稳定性能。2、本发明由于在各驱动电机控制器中 设置有驱动电机失效状态传感器，可以通过采集的失效因子的数值范围实时判断各驱 动电机是否处于失效状态，而且还可以根据驱动电机的失效因子值和驱动力响应速度， 设定驱动力的边界条件，使得分配的驱动力能够满足驱动力饱和限制和驱动力响应速 率限制，因此可以很好地保护驱动电机，同时也减少了驱动电机失效对分布式驱动电 动汽车造成的瞬时冲击。3、本发明由于采取降低失效驱动电机的使用优先等级的原则， 对第一次优化的驱动力值进行二次优化得到驱动力的最优解，优先使用正常工作的驱 动电机，此驱动力求解方法充分利用多个驱动电机独立驱动的优势，能够有效地保护 驱动电机。本发明可以广泛应用于分布式驱动电动汽车的失效协调控制中。

附图说明

图1是本发明的控制系统框架示意图；

图2是本发明求解驱动力最优值的流程示意图；

图3是本发明的分布式驱动电动汽车的简化模型示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1、图2所示，本发明的分布式驱动电动汽车失效协调控制系统与常规技术 的分布式驱动电动汽车驱动力协调控制系统类似，包括一人-车状态观测系统1、一方 向盘转角传感器2、一车速传感器3、一需求纵向驱动力传感器4、一需求直接横摆力 矩传感器5。本发明与常规技术的区别在于：还包括一个设置在整车控制器6中的基 于二次优化的整车驱动力失效分配控制器7和分别设置在四个驱动电机控制器中的驱 动电机失效状态传感器8。

当驾驶员操作时通过人-车状态观测系统1实时监测分布式驱动电动汽车的行驶 状态，并同时监测各驱动电机失效状态传感器8采集的失效因子值，并通过失效因子 值的大小判断驱动电机是否处于失效状态，判断得知驱动电机发生失效时，分布式驱 动电动汽车进入失效协调控制模式，此时由整车控制器6将从方向盘转角传感器2、 车速传感器3、需求纵向驱动力传感器4、需求直接横摆力矩传感器5和驱动电机失效 状态传感器8采集到的方向盘转角信号，车速信号，需求纵向驱动力信号，需求直接 横摆力矩信号和四个驱动电机的失效因子值分别发送到整车驱动力失效分配控制器7 中。整车驱动力失效分配控制器7根据方向盘转角信号和车速信号制定驾驶员对动力 性和稳定性的需求，并结合各驱动电机的失效因子值、需求纵向驱动力、直接横摆力 矩和电机响应速度，通过基于二次优化的分布式驱动电动汽车失效协调控制求解得到 各驱动电机驱动力的最优值，将得到的驱动力发送到各驱动电机，完成分布式驱动电 动汽车驱动力协调控制。

上述实施例中，通过四个驱动电机失效状态传感器8采集各驱动电机的失效因子 值，根据从各驱动电机控制器得到的驱动力可以计算得到各驱动电机的失效因子μ， μ∈[0，1]，其各失效因子的数值大小为每一驱动电机当前能发出的驱动力F与理论能发 出的最大驱动力F_max的比值，利用失效因子μ可以判断各驱动电机是否发生失效，失 效因子μ的取值如下式所示：

$\left(\begin{array}{c}\mu =1\\ 0<\mu <1\\ \mu =0\end{array}\right)---\left(1\right)$

上述公式中，μ＝1则可以认为不存在驱动电机发生失效，汽车正常行驶；μ＝0则 可以认为所有驱动电机发生失效，0＜μ＜1则可以认为部分驱动电机发生失效，如果有 驱动电机发生失效，分布式驱动电动汽车进入失效协调控制模式，否则，不进入失效 协调控制模式。一旦进入失效协调控制模式后，分布式驱动电动汽车便不再退出此模 式，直至分布式驱动电动汽车最终下电停车。

如图2所示，本发明通过基于二次优化的分布式驱动电动汽车失效协调控制求解 各驱动电机驱动力最优值的过程如下：

1)建立适合于进行失效控制的分布式驱动电动汽车简化模型，从各驱动电机控制 器得到的各驱动轮的驱动力，进而得到由四个驱动轮的驱动力到分布式驱动电动汽车 的总纵向驱动力和总横摆力矩的控制矩阵，即利用控制矩阵将四个驱动轮的驱动力转 换为总纵向驱动力和总横摆力矩。

如图3所示，由各驱动电机控制器得到的各驱动力分别为F₁，F₂，F₃和F₄(分别 指左前驱动轮，右前驱动轮，左后驱动轮，右后驱动轮)，由上述四个驱动力得到分布 式驱动电动汽车的总纵向驱动力F_x和分布式驱动电动汽车的总横摆力矩M_z的计算公 式分别为：

F_x＝(F₁+F₂)cosδ+(F₃+F₄)                        (2)

$M_Z=l_f(F_1+F_2)\sin \delta +\frac{b_f}{2}(F_2-F_1)\cos \delta +\frac{b_r}{2}(F_4-F_3)---\left(3\right)$

其中，δ为方向盘转角，l_f、l_r分别为前、后轴的轴距，b_f、b_r分别为前、后驱动 轮的轮距。

由于分布式驱动电动汽车在实际运行中，方向盘转角很小即可以认为δ≈0，则相 对应sinδ≈0，cosδ≈1，上述公式(2)和(3)可以化简为：

F_x＝F₁+F₂+F₃+F₄                                 (4)

$M_Z=\frac{b_f}{2}(F_2-F_1)+\frac{b_r}{2}(F_4-F_3)---\left(5\right)$

假设四个驱动轮的驱动力F₁，F₂，F₃和F₄与总纵向驱动力F_x和总横摆力矩M_z的 函数关系式为如下公式(6)，其中输入量x为四个驱动轮的驱动力，输出量y为总纵 向驱动力F_x和总横摆力矩M_z：

y＝Bx                            (6)

x＝(F₁ F₂ F₃ F₄)^T                (7)

y＝(F_x M_Z)^T                      (8)

联合上述公式(4)～(8)计算得到从四个驱动轮的驱动力x到总纵向驱动力F_x和 总横摆力矩M_z的控制矩阵B为：

$B=\left(\begin{array}{cccc}1& 1& 1& 1\\ -\frac{b_f}{2}& \frac{b_f}{2}& -\frac{b_r}{2}& \frac{b_r}{2}\end{array}\right)---\left(9\right)$

2)根据各驱动电机失效状态传感器8采集得各失效因子μ_i(i＝1，2，3，4分别 对应左前驱动轮，右前驱动轮，左后驱动轮，右后驱动轮的失效因子值)和各驱动轮 的驱动力响应速率限制，设定各驱动轮的驱动力边界条件，即进入驱动力限制层设定 驱动力饱和限制和驱动力响应速率限制，目的是为了使得最终分配的驱动力满足驱动 力饱和限制和驱动力响应速率限制。

①驱动力饱和限制

各驱动电机失效状态传感器8实时采集各驱动电机的失效因子μ_i，在分布式驱动 电动汽车行驶状态下，由于失效因子μ_i取值范围为μ_i∈[0，1]，则对应的各驱动轮的驱 动力F_i的取值范围为：

0≤F_i≤μ_iF_max                                    (10)

上述公式(10)简化为一般形式如下：

$\underset{‾}{x}\le x\le \bar{x}---\left(11\right)$

x＝[F₁ F₂ F₃ F₄]^T

其中，x＝[0 0 0 0]^T

$\bar{x}={\left(\begin{array}{cccc}{\mu }_1& {\mu }_2& {\mu }_3& {\mu }_4\end{array}\right)}^T{F}_{\max }$

②驱动力响应速率限制

各驱动轮的驱动力响应速度受其本身状态和外部环境的影响，有一定的变化速率 限制，而考虑到激烈的驱动力响应会引起分布式驱动电动汽车运动不稳定，因此需要 设定驱动力响应速率限制，驱动力响应速率的取值范围为：

$r_{\min }<\stackrel{·}{x}<r_{\max }---\left(12\right)$

上述公式中，r_min为驱动力最大降低速率，r_max为驱动力最大升高速率。

联立上述公式(11)和(12)，得到在某一时刻t时的驱动力边界条件如下：

x(t-Δt)+r_minΔt≤x(t)≤x(t-Δt)+r_maxΔt          (13)

上述公式中，Δt为控制步长。

3)以总纵向驱动力F_x和总横摆力矩M_z与需求纵向驱动力F_xd、需求直接横摆力矩 M_zd之差的二范数值达到最小作为控制目标，以驱动力饱和限制和驱动力响应速率为 边界条件，设定分配优化准则即进入权重调整层调整纵向驱动权重H_y1、横向稳定权 重H_y2，制定满足驾驶员需求的目标函数Ω：

$\Omega =\arg \underset{{\underset{‾}{x}}^{*}\le x\le {\bar{x}}^{*}}{\min }{\left|\right|H_y(\mathrm{Bx}-y_d)\left|\right|}_2---\left(14\right)$

x^*＝max{x，x(t-Δt)+r_minΔt}

${\bar{x}}^{*}=\min \{\bar{x},x(t-\mathrm{\Delta t})+r_{\max }\mathrm{\Delta t}\}$

其中，

H_y＝diag(H_y1，H_y2)

y_d＝(F_xd M_zd)^T

上述公式中，y_d反映驾驶员的需求，x^*为驱动力的下限，x^*为驱动力的上限。低 速阶段，分布式驱动电动汽车稳定性较好，驾驶员需求的是较大的动力性，所以应加 大纵向驱动权重H_y1，随着车速的不断增加和方向盘转角的不断加大，分布式驱动电 动汽车趋于不稳定，所以应加大横向稳定权重H_y2，满足稳定性需求。其中，纵向驱 动权重H_y1、横向稳定权重H_y2与车速信号v_x和方向盘转角信号δ的函数关系式为：

H_y1＝c_Fx1exp(-d_Fx1|v_x|)+c_Fx2exp(-d_Fx2|δ|)            (15)

H_y2＝c_Mz1exp(d_Mz1|v_x|)+c_Mz2exp(d_Mz2|δ|)              (16)

上述公式中，c_Fx1，c_Fx2，c_Mz1，d_Mz2，d_Fx1，d_Fx2，d_Mz1，d_Mz2为选定的控制参数，通过纵向驱动 权重H_y1和横向稳定权重H_y2的自动调整，分布式驱动电动汽车可以在动力性与稳定性 之间进行协调控制。

由上述公式(14)求解得到的结果为第一次优化的驱动力值，其基本满足了驾驶 员的需求，但是并不是最优解，主要是因为驱动电机发生部分失效时，虽然仍然可以 发出部分驱动力，但是为了保护驱动电机，本发明采取降低失效驱动电机的使用优先 等级的原则，即在失效控制过程中，优先使用正常工作的驱动电机。

4)按照降低失效驱动电机的使用优先等级的原则，利用二次优化的驱动力分配权 重矩阵，制定二次优化函数U，对得到的第一次优化的驱动力值进行二次优化，以步 骤2)的驱动力饱和限制和驱动力相应速率限制为边界条件，以二次优化函数U为目 标函数，求解各驱动力的最优值，将最后得到的驱动力分别发送到各驱动电机中。

为降低失效驱动电机的使用优先等级，设定的二次优化函数U：

$U=\arg \underset{x\in \Omega }{\min }{\left|\right|H_{x}x\left|\right|}_2---\left(17\right)$

其中，$H_x=h_0\mathrm{diag}\left(\begin{array}{cccc}\frac{1}{{\mu }_1+\eta }& \frac{1}{{\mu }_2+\eta }& \frac{1}{{\mu }_3+\eta }& \frac{1}{{\mu }_4+\eta }\end{array}\right)$

上述公式中，H_x为二次优化的驱动力分配权重矩阵，h₀为二次优化的加权系数， 通过增加失效驱动轮对应的驱动力分配加权系数H_x(i，i)来降低失效驱动电机的使用等 级，代表降低驱动电机使用优先等级的程度，η是一小正数，可以设定η＝10^-6，其目 的是为防止分母出现0。利用上述公式(17)求出的值为驱动力最优解，二次优化求 解得到的驱动力最优解不仅考虑了驾驶员需求，满足了驱动轮驱动力限制，同时也降 低了失效驱动电机的使用优先等级。

为了使运算更加方便快捷，将两次优化的函数即上述(14)与(17)合并，得到 下面最终的二次优化函数U：

$U=\arg \underset{{\underset{‾}{x}}^{*}\le x\le {\bar{x}}^{*}}{\min }({\left|\right|H_{x}x\left|\right|}_2^2+\lambda {\left|\right|H_y(\mathrm{Bx}-y_d)\left|\right|}_2^2)---\left(18\right)$

上述公式中，λ为一罚因子，由于满足驾驶员的需求比降低失效驱动电机使用等 级更重要，设定罚因子λ为一个很大的正数即λ＝10⁶。

以上述步骤2)的驱动力饱和限制和驱动力响应速率限制为边界条件，以上述公 式(18)为目标函数，将上述二次优化函数求解转化为下式：

$\min \frac{1}{2}{x}^T\mathrm{Hx}+c^{T}x$

s.t.    Ax≥b                                            (19)

上述公式为求解二次优化函数的标准形式，其中min表示控制目标，s.t.表示边 界条件，其中参数H、c、A和b的计算公式为：

$\frac{1}{2}H=\left(\begin{array}{cccc}{H}_{x1}& 0& 0& 0\\ 0& H_{x2}& 0& 0\\ 0& 0& H_{x3}& 0\\ 0& 0& 0& H_{x4}\end{array}\right)+\lambda H_{y1}^2\left(\begin{array}{c}1\\ 1\\ 1\\ 1\end{array}\right)\left(\begin{array}{cccc}1& 1& 1& 1\end{array}\right)+\lambda H_{y2}^2\left(\begin{array}{c}-\frac{b_f}{2}\\ \frac{b_f}{2}\\ -\frac{b_r}{2}\\ \frac{b_r}{2}\end{array}\right)\left(\begin{array}{cccc}-\frac{b_f}{2}& \frac{b_f}{2}& -\frac{b_r}{2}& \frac{b_r}{2}\end{array}\right)$

其中，$c=-2\lambda H_{y1}^2{F}_{\mathrm{xd}}{\left(\begin{array}{cccc}1& 1& 1& 1\end{array}\right)}^T-2\lambda H_{y2}^2{M}_{\mathrm{zd}}{\left(\begin{array}{cccc}-\frac{b_f}{2}& \frac{b_f}{2}& -\frac{b_r}{2}& \frac{b_r}{2}\end{array}\right)}^T$

$A=\left(\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0\\ 0& 0& 0& 1\\ -1& 0& 0& 0\\ 0& -1& 0& 0\\ 0& 0& -1& 0\\ 0& 0& 0& -1\end{array}\right),$$b=\max \{\left(\begin{array}{c}0\\ 0\\ 0\\ 0\\ -{\mu }_1\\ -{\mu }_2\\ -{\mu }_3\\ -{\mu }_4\end{array}\right)F_{\max },\left(\begin{array}{c}{F}_1(t-\mathrm{\Delta t})+r_{\min }\mathrm{\Delta t}\\ F_2(t-\mathrm{\Delta t})+r_{\min }\mathrm{\Delta t}\\ F_3(t-\mathrm{\Delta t})+r_{\min }\mathrm{\Delta t}\\ F_4(t-\mathrm{\Delta t})+r_{\min }\mathrm{\Delta t}\\ -F_1(t-\mathrm{\Delta t})-r_{\max }\mathrm{\Delta t}\\ -F_2(t-\mathrm{\Delta t})-r_{\max }\mathrm{\Delta t}\\ -F_3(t-\mathrm{\Delta t})-r_{\max }\mathrm{\Delta t}\\ -F_4(t-\mathrm{\Delta t})-r_{\max }\mathrm{\Delta t}\end{array}\right)\}$

利用起作用集方法可以对上述公式(19)进行求解得到各驱动轮的驱动力x，其 中x＝[F₁ F₂ F₃ F₄]^T，将最后求解得到的驱动力的最优值分别发送到各驱动电机中， 各驱动电机执行该驱动力命令，完成基于二次优化的分布式驱动汽车失效控制调节。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各系统的结构、作用方式、计算方法等都 是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应 排除在本发明的保护范围之外。