基于SQP算法的四轮轮毂电机容错控制系统

摘要

本发明公开了基于SQP算法的四轮轮毂电机容错控制系统，包括电机状态监测总成模块、故障判断总成模块、整车控制模块、容错控制二次分配模块、驱动总成模块和紧急停车模块，本发明在单、多个轮毂电机发生故障后，实时改变四个轮毂电机的输出转矩、运动方向，有利于维持车辆在不同工况运行的稳定性，通过采用双层控制策略，并且引入SQP算法非线性约束优化问题转化为二次规划问题，对电机力矩进行优化与重新分配，具有全局收敛性、局部超线性收敛性以及计算效率高的优点，通过转矩期望值与转矩实际值之间的差值Te及其变化率Tec为输入变量，电机运行状态因子1为输出变量来构建模糊控制器，实现了对电机故障的主动检测。

说明书

技术领域

本发明涉及四轮毂驱动电动车技术领域，具体为基于SQP算法的四轮轮毂电机容错控制系统。

背景技术

四轮毂驱动电动车每个轮毂电机独立可控，当轮毂电机发生故障时，如果不能做出相应的对策，车辆就可能发生侧翻、跑偏等现象，威胁驾乘人员安全。

四轮毂驱动电动汽车具有独立驱动的特点，因此车辆四个轮毂电机转矩分配显得十分重要，这也是保证车辆稳定运行的重要保证和因素。转矩分配控制技术则是电动汽车电机协调控制策略的关键，目前转矩分配控制技术主要可分为两大类：基于规则的转矩分配和基于目标优化的转矩分配。基于规则的转矩分配主要是根据研究者需求所设计的相应规则对电机转矩进行分配。根据不同工况设计了转矩分配策略：在匀速直线工况下，设计了转矩平均分配策略；在加速或爬坡工况下，设计了前后轴附着力相等的转矩分配算法；在转向工况下，设计了以轮胎利用率最小的转矩优化分配策略。

由于基于规则的转矩分配存在无法应对复杂行驶状况的风险，电驱动车辆在进入失效控制工况下，传统控制策略存在的纵横向控制目标无法满足、驱动能力降低、安全性变差等缺点，大大降低了四轮毂驱动电动车在某一电机发生故障时的行驶安全性。

发明内容

本发明的目的在于提供基于SQP算法的四轮轮毂电机容错控制系统，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：基于SQP算法的四轮轮毂电机容错控制系统，包括电机状态监测总成模块、故障判断总成模块、整车控制模块、容错控制二次分配模块、驱动总成模块和紧急停车模块，所述电机状态监测总成模块与故障判断总成模块电性连接，且故障判断总成模块分别与紧急停车模块和容错控制二次分配模块电性连接，容错控制二次分配模块分别与整车控制模块和驱动总成模块电性连接。

优选的，所述电机状态监测总成模块包括第一电机监测模块、第二电机监测模块、第三电机监测模块和第四电机监测模块，电机状态监测总成模块分别与第一电机监测模块、第二电机监测模块、第三电机监测模块和第四电机监测模块电性连接。

优选的，所述故障判断总成模块包括第一故障判断模块、第二故障判断模块、第三故障判断模块和第四故障判断模块，且故障判断总成模块分别与第一故障判断模块、第二故障判断模块、第三故障判断模块和第四故障判断模块电性连接。

优选的，所述整车控制模块包括车速检测模块、前轮转向角检测模块和PI控制模块，且整车控制模块分别与车速检测模块、前轮转向角检测模块和PI控制模块电性连接，车速检测模块用于检测车辆速度V，前轮转向角检测模块用于检测前轮转向角δ。

优选的，所述容错控制二次分配模块包括SQP算法模块和轮胎负载检测模块，容错控制二次分配模块分别与SQP算法模块和轮胎负载检测模块电性连接。

优选的，所述驱动总成模块包括第一电机驱动模块、第二电机驱动模块、第三电机驱动模块和第四电机驱动模块，且驱动总成模块分别与第一电机驱动模块、第二电机驱动模块、第三电机驱动模块和第四电机驱动模块电性连接。

优选的，所述SQP算法模块中的SQP算法应用思路是将非线性约束优化问题转化为二次规划问题，其基本思想是：在每一迭代通过求解一个二次规划子问题来确立一个下降方向，以减少价值函数来取得步长，重复这些步骤直到求得原问题的解，其中SQP的目标函数与约束函数的表述方式如下所示：

式中：

H-指变量x的二次项系数矩阵，其是n×n维正定矩阵；

c-指变量x的一次项系数矩阵；

Ai、Bi-分别指变量x约束函数的一次项系数和常数项系数矩阵。

非线性约束优化问题的一般形式为：

在第k次迭代点x处，把式中式2中的f(x)利用Taylor公式展开，并简化为一个二次函数，同时将约束函数h

此时式3可看做是式2的近似问题，但式3的可行解在式2中不一定正确，所以，令y＝x-x

则式3描述的二次规划问题可以转化为变量为y的问题，即

此时，令

将式5改写成式1的格式：

对式6求解，并把结果作为原约束问题下一次迭代的搜索方向dx，并沿该搜索方向对原目标函数的约束进行一维搜索，公式描述为：

x

从而得到原问题的近似解x

从上述描述可知，基本思路的关键问题在于怎么获取式5中的矩阵H，SQP算法中矩阵H可采用变尺度法中的变尺度矩阵来逼近，其中变尺度矩阵表达式有两种方式，即DFP公式和BFGS公式，如下所示：

DFP公式：

BFGS公式：

SQP算法迭代步骤：

(1)给定原问题的初始值x

(2)迭代点x

(3)对式6的二次规划问题进行求解，并令其解d

(4)把d

(5)迭代终止条件的判断，若x

(6)按照式8或式9对矩阵H

优选的，所述轮胎负载检测模块将轮胎利用系数作为目标函数，由于轮胎受到的垂直载荷F

轮胎利用饱和度可用来描述车辆行驶过程中的稳定性，值越小车辆越稳定。由式10中每个变量的取值范围可得到η

当车辆匀速运动并且不考虑车辆制动的情况下，轮毂电机的输出转矩只和胎的纵向力有关；因此本系统只对纵向力进行控制，不对横向力进行控制，所以目标函数可改写为：

当车辆前转角较小时，其纵向力和横摆方向力矩平衡满足如下方程式：

轮胎纵向力与轮毂电机转矩的关系为：

即

由上可得本系统采用的目标函数和约束表达式为：

转化为标准形式：

式中：

A为一个4×4单位矩阵

使用SQP算法对式16进行求解求出最优解，然后根据式：

优选的，所述第一故障判断模块、第二故障判断模块、第三故障判断模块和第四故障判断模块分别检测轮毂电机理想力矩TLi与实际输出力矩Ti的差值Te，并且此时利用转矩期望值与转矩实际值之间的差值Te及其变化率Tec作为输入，电机运行状态因子λi作为输出，构建一个两输入一输出的模糊控制器，控制器输出的电机运行状态因子λi取值范围为[0，1]，取电机运行状态因子λi，当λi＝0时，说明轮胎已经故障失效，完全失去转矩输出。若λi＝1时，说明轮胎运行状态良好，能够提供足够的转矩输出。在轮毂电机发生故障时为了保持车辆稳定性，需要将电机运行因子λi放到式16中，以此来实现轮毂电机转矩的容错分配，式16引入λi变为：

s.t.A′

B

其中：

当轮毂电机发生故障，容错控制系统会自动更新目标函数中的Hesse矩阵H′和约束函数中的A′

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明设计的系统能在单、多个轮毂电机发生故障后，实时改变四个轮毂电机的输出转矩、运动方向，有利于维持车辆在不同工况运行的稳定性，提升了车辆行驶的安全性；

2.本发明通过采用双层控制策略，运动控制层采用变论域模糊PID算法对车辆稳定运行时所需的期望附加横摆力矩∑Mz和纵向力矩∑Fx进行跟踪计算，容错控制层主动故障检测方法对电机故障进行实时监测，并且引入SQP算法将复杂的非线性约束优化问题转化为简单的二次规划问题，对电机力矩进行优化与重新分配，具有全局收敛性、局部超线性收敛性以及计算效率高的优点，有利于提升应对的及时性；

3.本发明通过转矩期望值与转矩实际值之间的差值Te及其变化率Tec为输入变量，电机运行状态因子1为输出变量，构建一个两输入一输出的模糊控制器，实现了对电机故障的主动检测，有利于及时发现故障，提升了实用性。

附图说明

图1为本发明的系统结构框图；

图2为本发明的系统流程图；

图3为本发明的容错控制方法流程图；

图4为本发明的轮胎摩擦圆示意图；

图中：1、电机状态监测总成模块；2、故障判断总成模块；3、整车控制模块；4、容错控制二次分配模块；5、驱动总成模块；6、紧急停车模块；101、第一电机监测模块；102、第二电机监测模块；103、第三电机监测模块；104、第四电机监测模块；201、第一故障判断模块；202、第二故障判断模块；203、第三故障判断模块；204、第四故障判断模块；301、车速检测模块；302、前轮转向角检测模块；303、PI控制模块；401、SQP算法模块；402、轮胎负载检测模块；501、第一电机驱动模块；502、第二电机驱动模块；503、第三电机驱动模块；504、第四电机驱动模块。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-4，本发明提供的一种实施例：基于SQP算法的四轮轮毂电机容错控制系统，包括电机状态监测总成模块1、故障判断总成模块2、整车控制模块3、容错控制二次分配模块4、驱动总成模块5和紧急停车模块6，电机状态监测总成模块1与故障判断总成模块2电性连接，且故障判断总成模块2分别与紧急停车模块6和容错控制二次分配模块4电性连接，容错控制二次分配模块4分别与整车控制模块3和驱动总成模块5电性连接，电机状态监测总成模块1包括第一电机监测模块101、第二电机监测模块102、第三电机监测模块103和第四电机监测模块104，电机状态监测总成模块1分别与第一电机监测模块101、第二电机监测模块102、第三电机监测模块103和第四电机监测模块104电性连接，故障判断总成模块2包括第一故障判断模块201、第二故障判断模块202、第三故障判断模块203和第四故障判断模块204，且故障判断总成模块2分别与第一故障判断模块201、第二故障判断模块202、第三故障判断模块203和第四故障判断模块204电性连接，整车控制模块3包括车速检测模块301、前轮转向角检测模块302和PI控制模块303，且整车控制模块3分别与车速检测模块301、前轮转向角检测模块302和PI控制模块303电性连接，车速检测模块301用于检测车辆速度V，前轮转向角检测模块302用于检测前轮转向角δ，容错控制二次分配模块4包括SQP算法模块401和轮胎负载检测模块402，SQP算法模块401中的SQP算法应用思路是将非线性约束优化问题转化为二次规划问题，其基本思想是：在每一迭代通过求解一个二次规划子问题来确立一个下降方向，以减少价值函数来取得步长，重复这些步骤直到求得原问题的解，其中SQP的目标函数与约束函数的表述方式如下所示：

式中：

H-指变量x的二次项系数矩阵，其是n×n维正定矩阵；

c-指变量x的一次项系数矩阵；

Ai、Bi-分别指变量x约束函数的一次项系数和常数项系数矩阵。

非线性约束优化问题的一般形式为：

在第k次迭代点x处，把式中式2中的f(x)利用Taylor公式展开，并简化为一个二次函数，同时将约束函数h

此时式3可看做是式2的近似问题，但式3的可行解在式2中不一定正确。所以，令y＝x-x

则式3描述的二次规划问题可以转化为变量为y的问题，即

此时，令

将式5改写成式1的格式：

对式6求解，并把结果作为原约束问题下一次迭代的搜索方向dx，并沿该搜索方向对原目标函数的约束进行一维搜索，公式描述为：

x

从而得到原问题的近似解x

从上述描述可知，基本思路的关键问题在于怎么获取式5中的矩阵H，SQP算法中矩阵H可采用变尺度法中的变尺度矩阵来逼近，其中变尺度矩阵表达式有两种方式，即DFP公式和BFGS公式，如下所示：

DFP公式：

BFGS公式：

SQP算法迭代步骤：

(1)给定原问题的初始值x

(2)迭代点x

(3)对式6的二次规划问题进行求解，并令其解d

(4)把d

(5)迭代终止条件的判断，若x

(6)按照式8或式9对矩阵H

轮胎负载检测模块402将轮胎利用系数作为目标函数，由于轮胎受到的垂直载荷F

轮胎利用饱和度可用来描述车辆行驶过程中的稳定性，值越小车辆越稳定。由式10中每个变量的取值范围可得到η

当车辆匀速运动并且不考虑车辆制动的情况下，轮毂电机的输出转矩只和胎的纵向力有关；因此本系统只对纵向力进行控制，不对横向力进行控制，所以目标函数可改写为：

当车辆前转角较小时，其纵向力和横摆方向力矩平衡满足如下方程式：

轮胎纵向力与轮毂电机转矩的关系为：

即

转化为标准形式：

式中：

A为一个4×4单位矩阵

使用SQP算法对式16进行求解求出最优解，然后根据式：

s.t.A′

B

其中：

当轮毂电机发生故障，容错控制系统会自动更新目标函数中的Hesse矩阵H′和约束函数中的A′

工作原理：本发明在使用时，首先利用电机状态监测总成模块1中的第一电机监测模块101、第二电机监测模块102、第三电机监测模块103和第四电机监测模块104来分别对车辆的四个轮毂电机的运动状态进行监测，正常则继续行驶，不正常的则故障判断总成模块2中的第一故障判断模块201、第二故障判断模块202、第三故障判断模块203和第四故障判断模块204分别对四个轮毂电机进行故障判断，采用检测轮毂电机理想力矩TLi与实际输出力矩Ti的差值ΔTi，并且此时利用转矩期望值与转矩实际值之间的差值ΔTi及其变化率Tec作为输入，电机运行状态因子λi作为输出，构建一个两输入一输出的模糊控制器的方式进行主动判断，从而获取每个轮毂电机的状态因子λi，如果四个电机轮毂电机都未出现故障则说明车辆存在其他故障，此时紧急停车模块6开始介入，缓慢减速直至停车，当某一个或者多个轮毂电机出现故障时，整车控制模块3和容错控制二次分配模块4开始介入工作，整车控制模块3中的车速检测模块301和前轮转向角检测模块302分别对车辆的车速V和前轮转向角δ进行检测，传输到整车控制模块3计算车辆平稳运行所需的理想摆动角速度值w，并结合与车辆实际运行中的横摆角速度w和实际车速v可以得到横摆角速度的差值Δw和车速差值Δv，同时PI控制模块303用来计算得出车辆稳定运行所需理想的附加横摆力矩∑Mz和纵向力矩∑Fx，容错控制二次分配模块4中的轮胎负载检测模块402得出轮胎的负载并计算得出每个车轮的垂向力Fzi，随后结合∑Mz、∑Fx、λi和每个车轮的垂向力Fzi，利用SQP算法模块401的容错优化分配系统合理分配每个轮毂电机的力矩TLi，SQP算法模块401计算出的力矩TLi通过驱动总成模块5中的第一电机驱动模块501、第二电机驱动模块502、第三电机驱动模块503和第四电机驱动模块504分别分配到四个轮毂电机上，以此来保持车轮的稳定运行，实现轮毂电机发生故障后车辆仍能保持稳定，避免了轮毂电机故障导致的危险的发生，在低速小转向阶段改善了车辆的纵向驱动能力，在高速或者大转向阶段保证了车辆的横向稳定性，有效的保证车辆运行的稳定性和安全性。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。