一种双绕组分布式线控转向系统及其容错控制方法

1.本发明属于汽车线控转向和容错控制技术领域，具体指代一种双绕组分布式线控转向系统及其容错控制方法。


背景技术：

2.近年来，智能电动车辆因其在安全、舒适、节能、智能等方面的优势而成为了学者和研究机构的研究热点，大批新技术在智能电动车辆上得到了应用，分布式线控转向技术就是其中的代表技术之一。分布式线控转向技术将方向盘与转向执行器之间的机械结构取消，在四个车轮处各配备一套线控转向执行总成，并通过电信号控制四个线控转向执行总成完成转向，实现对四个车轮转动角度的独立控制。相比于传统转向系统，其具备低速灵活性好、高速稳定性好、控制精确、支持主动安全功能等显著优势。并且由于其具备四套转向执行总成，相比于前轮线控转向具备一定程度上的冗余备份，在一定程度上弥补了线控技术带来的可靠性降低的问题。但同时由于其具备多套频繁工作的线控转向总成，其出现故障时的复杂度较高，难以通过单一的故障诊断和容错控制算法实现对分布式线控转向系统的容错控制。
3.虽然现在已有一些对于线控转向系统的容错控制研究，但大多数方案都采用硬件冗余设计实现故障容错，如增加机械传动机构作为电信号失效的备份、设置双电机作为电机失效的备份等。但采用硬件冗余的方案大大增加了系统成本和体积，并不能完全发挥线控转向的优势。针对上述问题，中国发明专利申请号为cn 202010735410.6公开了一种四轮独立线控转向电动汽车执行机构主动容错控制算法及系统，其在不增加硬件冗余的情况下通过主动容错控制算法来实现对执行器故障的容错控制；但并未给出具体四轮转角如何分配、如何进行转角跟踪控制以及正常工况到故障工况如何平顺过渡的技术细节，且仅仅针对执行器故障。中国发明专利申请号为cn201810340702.2公开了一种线控四轮独立转向系统容错控制系统及其控制方法，其公开了线控四轮独立转向系统发生故障后如何进行模式切换和转角分配的计算方法，但在系统发生故障时仅仅设置前轮转向和后轮转向两种模式，不能发挥分布式转向的优势，并且不适合于高速工况，同时其未对不同故障类型进行区分容易因为传感器故障而产生误判。
4.因此，针对上述问题，本发明提出一种双绕组分布式线控转向系统及其控制方法，在故障发生时，本发明可以在保证安全的前提下最大限度的发挥分布式转向的性能优势，实现对多种故障情况下双绕组分布式线控转向系统的容错控制。


技术实现要素：

5.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绕组分布式线控转向系统及其容错控制方法，以解决现有分布式线控转向容错技术中故障状态下四轮转角控制难、容错控制模式单一的问题，本发明能够有效提升分布式线控转向系统的安全冗余性能，提高车辆的故障容错能力和驾驶的安全性。
6.为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
7.本发明的一种双绕组分布式线控转向系统，包括：方向盘总成、分布式转向控制器和分布式转向执行总成；
8.方向盘总成设置于车辆内，用于接收驾驶员的操作信息并提供路感反馈，其包括：方向盘、转向管柱、转角转矩传感器、路感电机，所述方向盘和转向管柱相连，转角转矩传感器和路感电机安装在转向管柱上，转角转矩传感器和路感电机与分布式转向控制器相连；
9.分布式转向控制器设置在底盘中央或集成到整车控制器中，通过车载总线与方向盘总成与分布式转向执行总成连接；根据驾驶员输入的方向盘转矩转角信息和车辆状态控制分布式转向执行总成完成转向并控制路感电机提供路感反馈；
10.分布式转向执行总成设置在四个车轮处，用于执行分布式转向控制器的控制指令，其包括：四个单轮转向总成和两个转向横拉杆结构，四个单轮转向总成分布在四个车轮处，两个转向横拉杆结构分别设置在两个前轮之间和两个后轮之间。
11.进一步地，所述单轮执行总成包括：转向电机控制器、双绕组转向电机、转向电机传感器、减速器总成、车轮转角传感器、转向臂、立柱及减震器，转向电机控制器与双绕组转向电机相连，双绕组转向电机输出轴与减速器总成输入端相连，并安装在车轮上方车架处，减速器总成输出端通过花键与转向臂相连，传递转矩，转向臂与立柱通过紧固螺栓连接，立柱上装有减震器；转向电机传感器与转向电机控制器相连；车轮转角传感器与分布式转向控制器相连。
12.进一步地，所述转向横拉杆结构安装在转向臂上，其包括横拉杆和电磁离合器，横拉杆的中间设置电磁离合装器，其中电磁离合器通过车载总线与分布式转向控制器相连。
13.进一步地，所述减速器总成采用一级行星齿轮减速器和二级蜗轮蜗杆减速器配合的两级减速装置。
14.进一步地，所述双绕组转向电机为六相永磁同步电机。
15.进一步地，所述车载总线包括但不限于can总线、flex ray总线。
16.本发明中，正常工况下电磁离合装置处于断开状态，四个车轮之间的转动互不干涉；当处于故障工况一侧单轮执行总成失去转向能力后，电磁离合器在分布式转向控制器的控制下接合，使得失去转向能力的一侧单轮执行总成随动转向。
17.单轮执行总成工作时，转向电机控制器根据分布式转向控制器的转角指令控制转向电机转动，转向电机输出转矩经减速器总成减速增扭后带动转向臂和车轮一同转动。
18.本发明还提供了一种双绕组分布式线控转向系统的容错控制方法，基于上述系统，包括以下步骤：
19.1)进行转向操作时，转角转矩传感器采集驾驶员输入转角信息、转矩信息并发送给分布式转向控制器，同时各单轮执行总成中的车轮转角传感器采集车轮转角信息并发送给分布式转向控制器；
20.2)分布式转向控制器根据驾驶员输入转角、转矩信息和车辆运行状态判断双绕组分布式线控转向系统处于正常工况还是故障工况；若处于正常工况则进入步骤3)；若处于故障工况则进入步骤4)；
21.3)分布式转向控制器计算得到四个车轮的转角分配指令，并控制四个单轮执行总成执行对应的车轮转角跟踪指令，进入步骤5)；
22.4)分布式转向控制器判断故障发生的具体位置和类型，若故障类型为传感器故障，则分布式转向控制器根据容错控制算法进行容错控制补偿；若故障类型为执行器故障且为双绕组转向电机缺相故障，则分布式转向控制器控制对应转向电机控制器根据基于模型预测控制原理的控制算法对电机故障后的模型进行重构，对发生故障的双绕组转向电机进行容错控制，双绕组转向电机执行分布式控制器的转角跟踪指令；若故障类型为执行器故障但并非为双绕组转向电机故障或传感器与执行器同时故障，则分布式转向控制器根据故障发生的位置控制对应的转向横拉杆结构接合，使得前轮或后轮仍具备正常转向功能的单轮转向执行总成带动故障的单轮总成进行转动，完成转向，进入步骤5)；
23.5)分布式转向控制器将当前车辆转向系统的状态反馈给整车控制器，若出现故障则在仪表盘上显示故障发生位置和类型信息，提示驾驶员及时进行检修。
24.进一步地，所述步骤2)中的车辆运行状态包括：车轮转角、车速、车辆横摆角速度、侧倾角速度、质心侧偏角。
25.进一步地，所述步骤2)中的判断方法具体为：
26.21)故障状态判定：分布式转向控制器利用状态观测器得到转向系统实时估计状态量，并与车轮转角传感器测量值做差得到残差序列；若残差序列处于规定阈值内，则系统处于正常工作状态；若残差序列超出阈值，则系统处于故障状态；
27.22)单一故障类型判定：分布式转向控制器判断转向系统处于故障状态后，分布式转向控制器根据转向电机传感器的采集数据对故障发生的双绕组转向电机进行故障诊断，若双绕组转向电机故障，则故障类型为执行器故障且为双绕组转向电机故障；若双绕组转向电机无故障，则根据状态观测器结果对车轮转角传感器进行故障诊断，若状态观测器结果为车轮转角传感器故障，则故障类型为传感器故障；若车轮转角传感器为正常工作状态，则故障类型为执行器故障但并非双绕组转向电机故障；
28.23)多故障状态判定：分布式转向控制器根据单一故障类型判定结果进行容错控制，并对容错补偿控制后的系统进行实时监控，若容错控制后系统仍无法跟踪分布式转向控制器转角控制指令，则系统同时存在多种故障。
29.进一步地，所述状态观测器包括但不限于滑模观测器、龙伯格观测器。
30.进一步地，所述步骤21)中状态观测器利用侧倾角速度和横摆角速度计算车轮转角，通过转角值的残差和残差范数判断传感器是否正常工作，公式如下：
[0031][0032]
式中，ω为车辆横摆角速度，δf为等效前轮转角，u为车速，l为轴距，k为稳定系数，m为整车质量，a、b为前轴中心、后轴中心到质心的距离，k1、k2为前轮侧偏刚度、后轮侧偏刚度，p为侧倾角速度，φ为侧倾角；
[0033]
利用横摆角速度、侧倾角速度、质心侧偏角残差序列是否超过阈值，来判断车轮转角观测器的观测值是否正确，具体观测值满足下式：
[0034][0035]
式中，e
ωm
、e
pm
、e
vm
分别为横摆角速度残差、侧倾角速度残差和质心侧偏角残差的上限值；σ
ω
、σ
p
、σ
β
分别为横摆角速度、侧倾角速度和质心侧偏角的测量误差。
[0036]
进一步地，所述步骤3)中分布式转向控制器计算各车轮转角分配情况的具体过程为：
[0037]
分布式线控转向控制器根据方向盘输入转角和车辆运行状态量确定当前时刻的等效前轮传动比和等效后轮传动比，再计算得到等效前轮转角和等效后轮转角并确定转向瞬心，根据转向瞬心的位置计算四个车轮的转角调节量；
[0038]
采用包括但不限于粒子群算法、遗传算法、神经网络算法来确定当前时刻等效前轮传动比和等效后轮传动比；
[0039]
当前时刻等效前轮转角和等效后轮转角的求解表达式如下：
[0040][0041]
式中，δf、δr分别为等效前轮转角和等效后轮转角，θ
sω
为方向盘输入转角，gf、gr分别为等效前轮传动比和等效后轮传动比；
[0042]
根据等效前轮转角和等效后轮转角确定转向瞬心位置的计算公式为：
[0043][0044]
式中，lf、lr分别为前轮和后轮到转向瞬心的距离，l为轴距，lb为车身宽度，lc为车身转弯内侧到转向瞬心的垂直距离；
[0045]
各个车轮转角调节量的求解表达式如下：
[0046][0047]
式中，υy为车辆纵向速度，l1为质心到前轴的距离，υ
x
为车辆横向速度，ω为横摆角速度，lb为车身宽度，δf为前轮转角调节量，δr为后轮转角调节量；
[0048]
各个车轮转角与转角调节量的关系为：
[0049][0050]
式中，δ
fl
为左前轮转角、δ
fr
为右前轮转角、δ
rl
为左后轮转角、δ
rl
为右后轮转角。
[0051]
进一步地，所述步骤4)中若故障类型为传感器故障，分布式转向控制器根据容错控制算法进行容错控制补偿，具体的容错控制补偿过程为：分布式转向控制器将状态观测器计算出的车轮转角量替代车轮转角传感器的测量值进行各轮转角分配计算并进行控制。
[0052]
进一步地，所述步骤4)中当故障类型为执行器故障且为双绕组转向电机缺相故障时，分布式转向控制器控制对应转向电机控制器对双绕组转向电机进行模型重构容错控制，具体容错控制过程为：转向电机传感器检测到双绕组转向电机出现缺相故障后，分布式转向控制器控制对应转向电机控制器，通过基于模型预测控制原理的控制算法对双绕组转向电机进行电机故障后的模型重构，将转向电机控制器中预测模型的状态空间方程重构为缺相故障后的电机模型进行控制；
[0053]
所述基于模型预测控制原理的控制算法分为转角控制环和电流控制环，转角控制环输入为分布式转向控制器计算得到的期望转角和系统的实时转角，输出为双绕组转向电机dq轴的参考电流，依据pi控制原理设计；电流控制环输入为dq轴参考电流和电机实际dq轴电流，输出为dq轴电压控制量；得到的dq轴电压控制量经过vsd坐标变换、矢量pwm调制作用于双绕组转向电机对双绕组转向电机进行控制；
[0054]
所述基于模型预测控制原理的控制算法的计算步骤包括：转向电机控制器接收电流反馈输入、转向电机控制器参数初始化、更新电流状态量、生成参考电流、更新状态空间方程abc矩阵、更新ψ矩阵和θ矩阵预测未来输出、计算代价函数的h矩阵和g矩阵、生成求解器约束、调用求解器求解输出控制电压；
[0055]
正常工况下的预测模型的状态空间方程满足如下表达式：
[0056]
i(k+1)＝ai(k)+bu(k)
[0057]
y(k)＝ci(k)
[0058]
式中，矩阵abc分别为：
[0059][0060][0061]
式中，r为定子电阻，ld，lq为d-q轴定子电感，lz为定子漏感，ts为采样周期，ψf为永磁体磁链，ωe(k)表示k时刻采样的电机角速度；
[0062]
算法的性能评价函数表达式为：
[0063][0064]
式中，t-1为上一采样时刻；n
p
为预测步长；nc为控制步长；y
p
(k+i|k)为控制输出预测值；y
ref
(k+i|k)为控制输出参考值；其中i＝0，1，
…
，n
c-1；q和r分别为输出量和控制增量的权重系数矩阵；同时系统约束设置为控制电压在设定范围内；
[0065]
重构状态量为ξ(k|k)＝[x(k) u(k-1)]
t
，经推导后输出量的表达式如下：
[0066]
y＝ψξ(k)+θδu
[0067]
式中，矩阵y、ψ、θ表达式如下：
[0068][0069]
将计算电压控制量的问题转化为一个二次型规划问题，表达式如下：
[0070][0071]
s.tδu
min
≤δu≤δu
max
[0072]
式中，h矩阵和g矩阵由以下公式得到：
[0073]
h＝θ
tqq
θ+rr，g＝θ
tqq
(e-y
ref
)
[0074][0075]
进一步地，所述故障后的模型指双绕组电机出现故障后的数学模型，如电机出现缺一相的故障，则电机故障后的模型由正常的六相电机模型重构为五相电机模型。
[0076]
本发明控制方法依据故障前后定子磁动势不变的原理进行故障模型重构，并根据重构后的数学模型修正故障后的预测模型，即对abc矩阵进行重构，并以定子电流幅值最小为优化目标求解缺相后的参考相电流进行电流环的跟踪控制。
[0077]
当线控转向系统故障类型为其他故障类型且发生故障的转向总成丧失转向能力时，分布式转向控制器控制对应前轮/后轮转向横拉杆结构接合，使得故障发生的车轮随动转动，完成转向。
[0078]
本发明的有益效果：
[0079]
本发明能够实现对多种故障工况下双绕组分布式线控转向系统的容错控制；相比于传统的线控四轮转向方法，本发明冗余成本显著降低，容错控制复杂度低。能够有效提升分布式线控转向系统的容错能力和车辆的行驶安全性。
[0080]
1.本发明采用以双绕组电机作为转向电机的分布式线控转向系统方案，并在转向横拉杆中增设电磁离合器，实现了针对分布式线控转向系统的转向电机故障、传感器故障以及其他导致单轮转向总成失去转向能力的故障的硬件冗余备份，极大的提高了分布式线控转向系统的硬件容错能力，同时本发明相较于现有技术的机械转向硬件冗余方案成本、系统复杂度和重量都得到了极大降低。应用本发明的分布式线控转向系统的车辆在行驶安全、成本控制、轻量化设计等方面都将具备明显优势。
[0081]
2.本发明采用了基于故障观测器和模型预测控制的双绕组线控转向系统容错控制方法，实现了对双绕组电机缺相故障、车轮转角传感器故障等多种故障工况下的双绕组分布式线控转向系统的容错控制，相比于现有技术方案可进行多种故障工况的容错控制，并对多种故障同时存在的工况进行了识别，提升了分布式转向车辆对于故障类型的识别准确率，极大提高了分布式线控转向系统的容错能力和车辆的行驶安全性。
附图说明
[0082]
图1为本发明系统的架构示意图；
[0083]
图2为本发明系统分布式转向执行总成的结构示意图；
[0084]
图3为本发明控制方法流程图；
[0085]
图4为故障模式判定流程图；
[0086]
图5为电机容错控制策略框图；
[0087]
图6为基于模型预测原理电机容错控制算法流程图。
具体实施方式
[0088]
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。
[0089]
参照图1-图2所示，本发明一种双绕组分布式线控转向系统，包括：方向盘总成1、分布式转向控制器2和分布式转向执行总成3；
[0090]
方向盘总成1设置于车辆内，用于接收驾驶员的操作信息并提供路感反馈，其包
括：方向盘101、转向管柱102、转角转矩传感器103、路感电机104，所述方向盘101和转向管柱102相连，转角转矩传感器103和路感电机104安装在转向管柱102上，转角转矩传感器103和路感电机104与分布式转向控制器2相连；
[0091]
分布式转向控制器2设置在底盘中央或集成到整车控制器中，通过车载总线与方向盘总成与分布式转向执行总成连接；根据驾驶员输入的方向盘转矩转角信息和车辆状态控制分布式转向执行总成完成转向并控制路感电机提供路感反馈；
[0092]
分布式转向执行总成3设置在四个车轮处，用于执行分布式转向控制器的控制指令，其包括：四个单轮转向总成301和两个转向横拉杆结构302，四个单轮转向总成301分布在四个车轮处，两个转向横拉杆结构302分别设置在两个前轮之间和两个后轮之间。
[0093]
其中，所述单轮执行总成301包括：转向电机控制器1、双绕组转向电机2、转向电机传感器3、减速器总成5、车轮转角传感器6、转向臂7、立柱9及减震器10，转向电机控制器1与双绕组转向电机2相连，双绕组转向电机2输出轴与减速器总成5输入端相连，并安装在车轮上方车架4处，减速器总成5输出端通过花键与转向臂7相连，传递转矩，转向臂7与立柱9通过紧固螺栓连接，立柱9上装有减震器10；转向电机传感器3与转向电机控制器1相连；车轮转角传感器6与分布式转向控制器201相连。
[0094]
其中，所述转向横拉杆结构302安装在转向臂7上，其包括横拉杆11和电磁离合器12，横拉杆11的中间设置电磁离合装器12，其中电磁离合器12通过车载总线与分布式转向控制器201相连。
[0095]
具体地，所述减速器总成5采用一级行星齿轮减速器和二级蜗轮蜗杆减速器配合的两级减速装置。
[0096]
具体地，所述双绕组转向电机2为六相永磁同步电机。
[0097]
具体地，所述车载总线包括但不限于can总线、flex ray总线。
[0098]
本发明中，正常工况下电磁离合装置处于断开状态，四个车轮之间的转动互不干涉；当处于故障工况一侧单轮执行总成失去转向能力后，电磁离合器在分布式转向控制器的控制下接合，使得失去转向能力的一侧单轮执行总成随动转向。
[0099]
单轮执行总成工作时，转向电机控制器根据分布式转向控制器的转角指令控制转向电机转动，转向电机输出转矩经减速器总成减速增扭后带动转向臂和车轮一同转动。
[0100]
参照图3-图6所示，本发明还提供了一种双绕组分布式线控转向系统的容错控制方法，基于上述系统，包括以下步骤：
[0101]
1)进行转向操作时，转角转矩传感器采集驾驶员输入转角信息、转矩信息并发送给分布式转向控制器，同时各单轮执行总成中的车轮转角传感器采集车轮转角信息并发送给分布式转向控制器；
[0102]
2)分布式转向控制器根据驾驶员输入转角、转矩信息和车辆运行状态判断双绕组分布式线控转向系统处于正常工况还是故障工况；若处于正常工况则进入步骤3)；若处于故障工况则进入步骤4)；
[0103]
3)分布式转向控制器计算得到四个车轮的转角分配指令，并控制四个单轮执行总成执行对应的车轮转角跟踪指令，进入步骤5)；
[0104]
4)分布式转向控制器判断故障发生的具体位置和类型，若故障类型为传感器故障，则分布式转向控制器根据容错控制算法进行容错控制补偿；若故障类型为执行器故障
且为双绕组转向电机缺相故障，则分布式转向控制器控制对应转向电机控制器根据基于模型预测控制原理的控制算法对电机故障后的模型进行重构，对发生故障的双绕组转向电机进行容错控制，双绕组转向电机执行分布式控制器的转角跟踪指令；若故障类型为执行器故障但并非为双绕组转向电机故障或传感器与执行器同时故障，则分布式转向控制器根据故障发生的位置控制对应的转向横拉杆结构接合，使得前轮或后轮仍具备正常转向功能的单轮转向执行总成带动故障的单轮总成进行转动，完成转向，进入步骤5)；
[0105]
5)分布式转向控制器将当前车辆转向系统的状态反馈给整车控制器，若出现故障则在仪表盘上显示故障发生位置和类型信息，提示驾驶员及时进行检修。
[0106]
具体地，所述步骤2)中的车辆运行状态包括：车轮转角、车速、车辆横摆角速度、侧倾角速度、质心侧偏角。
[0107]
所述步骤2)中的判断方法具体为：
[0108]
21)故障状态判定：分布式转向控制器利用状态观测器得到转向系统实时估计状态量，并与车轮转角传感器测量值做差得到残差序列；若残差序列处于规定阈值内，则系统处于正常工作状态；若残差序列超出阈值，则系统处于故障状态；
[0109]
22)单一故障类型判定：分布式转向控制器判断转向系统处于故障状态后，分布式转向控制器根据转向电机传感器的采集数据对故障发生的双绕组转向电机进行故障诊断，若双绕组转向电机故障，则故障类型为执行器故障且为双绕组转向电机故障；若双绕组转向电机无故障，则根据状态观测器结果对车轮转角传感器进行故障诊断，若状态观测器结果为车轮转角传感器故障，则故障类型为传感器故障；若车轮转角传感器为正常工作状态，则故障类型为执行器故障但并非双绕组转向电机故障；
[0110]
23)多故障状态判定：分布式转向控制器根据单一故障类型判定结果进行容错控制，并对容错补偿控制后的系统进行实时监控，若容错控制后系统仍无法跟踪分布式转向控制器转角控制指令，则系统同时存在多种故障。
[0111]
示例中，所述状态观测器包括但不限于滑模观测器、龙伯格观测器。
[0112]
所述步骤21)中状态观测器利用侧倾角速度和横摆角速度计算车轮转角，通过转角值的残差和残差范数判断传感器是否正常工作，公式如下：
[0113][0114]
式中，ω为车辆横摆角速度，δf为等效前轮转角，u为车速，l为轴距，k为稳定系数，m为整车质量，a、b为前轴中心、后轴中心到质心的距离，k1、k2为前轮侧偏刚度、后轮侧偏刚度，p为侧倾角速度，φ为侧倾角；
[0115]
利用横摆角速度、侧倾角速度、质心侧偏角残差序列是否超过阈值，来判断车轮转角观测器的观测值是否正确，具体观测值满足下式：
[0116][0117]
式中，e
ωm
、e
pm
、e
υm
分别为横摆角速度残差、侧倾角速度残差和质心侧偏角残差的上限值；σ
ω
、σ
p
、σ
β
分别为横摆角速度、侧倾角速度和质心侧偏角的测量误差。
[0118]
具体地，所述步骤3)中分布式转向控制器计算各车轮转角分配情况的具体过程为：
[0119]
分布式线控转向控制器根据方向盘输入转角和车辆运行状态量确定当前时刻的等效前轮传动比和等效后轮传动比，再计算得到等效前轮转角和等效后轮转角并确定转向瞬心，根据转向瞬心的位置计算四个车轮的转角调节量；
[0120]
采用包括但不限于粒子群算法、遗传算法、神经网络算法来确定当前时刻等效前轮传动比和等效后轮传动比；
[0121]
当前时刻等效前轮转角和等效后轮转角的求解表达式如下：
[0122][0123]
式中，δf、δr分别为等效前轮转角和等效后轮转角，θ
sω
为方向盘输入转角，gf、gr分别为等效前轮传动比和等效后轮传动比；
[0124]
根据等效前轮转角和等效后轮转角确定转向瞬心位置的计算公式为：
[0125][0126]
式中，lf、lr分别为前轮和后轮到转向瞬心的距离，l为轴距，lb为车身宽度，lc为车身转弯内侧到转向瞬心的垂直距离；
[0127]
各个车轮转角调节量的求解表达式如下：
[0128][0129]
式中，υy为车辆纵向速度，l1为质心到前轴的距离，υ
x
为车辆横向速度，ω为横摆角速度，lb为车身宽度，δf为前轮转角调节量，δr为后轮转角调节量；
[0130]
各个车轮转角与转角调节量的关系为：
[0131][0132]
式中，δ
fl
为左前轮转角、δ
fr
为右前轮转角、δ
rl
为左后轮转角、δ
rl
为右后轮转角。
[0133]
所述步骤4)中若故障类型为传感器故障，分布式转向控制器根据容错控制算法进行容错控制补偿，具体的容错控制补偿过程为：分布式转向控制器将状态观测器计算出的车轮转角量替代车轮转角传感器的测量值进行各轮转角分配计算并进行控制。
[0134]
所述步骤4)中当故障类型为执行器故障且为双绕组转向电机缺相故障时，分布式转向控制器控制对应转向电机控制器对双绕组转向电机进行模型重构容错控制，具体容错控制过程为：转向电机传感器检测到双绕组转向电机出现缺相故障后，分布式转向控制器控制对应转向电机控制器，通过基于模型预测控制原理的控制算法对双绕组转向电机进行电机故障后的模型重构，将转向电机控制器中预测模型的状态空间方程重构为缺相故障后的电机模型进行控制；
[0135]
所述基于模型预测控制原理的控制算法分为转角控制环和电流控制环，转角控制环输入为分布式转向控制器计算得到的期望转角和系统的实时转角，输出为双绕组转向电机dq轴的参考电流，依据pi控制原理设计；电流控制环输入为dq轴参考电流和电机实际dq轴电流，输出为dq轴电压控制量；得到的dq轴电压控制量经过vsd坐标变换、矢量pwm调制作用于双绕组转向电机对双绕组转向电机进行控制；
[0136]
所述基于模型预测控制原理的控制算法的计算步骤包括：转向电机控制器接收电流反馈输入、转向电机控制器参数初始化、更新电流状态量、生成参考电流、更新状态空间方程abc矩阵、更新ψ矩阵和θ矩阵预测未来输出、计算代价函数的h矩阵和g矩阵、生成求解器约束、调用求解器求解输出控制电压；
[0137]
正常工况下的预测模型的状态空间方程满足如下表达式：
[0138]
i(k+1)＝ai(k)+bu(k)
[0139]
y(k)＝ci(k)
[0140]
式中，矩阵abc分别为：
[0141][0142][0143]
式中，r为定子电阻，ld，lq为d-q轴定子电感，lz为定子漏感，ts为采样周期，ψf为永磁体磁链，ωe(k)表示k时刻采样的电机角速度；
[0144]
算法的性能评价函数表达式为：
[0145][0146]
式中，t-1为上一采样时刻；n
p
为预测步长；nc为控制步长；y
p
(k+i|k)为控制输出预测值；y
ref
(k+i|k)为控制输出参考值；其中i＝0，1，
…
，n
c-1；q和r分别为输出量和控制增量的权重系数矩阵；同时系统约束设置为控制电压在设定范围内；
[0147]
重构状态量为ξ(k|k)＝[x(k) u(k-1)]
t
，经推导后输出量的表达式如下：
[0148]
y＝ψξ(k)+θδu
[0149]
式中，矩阵y、ψ、θ表达式如下：
[0150][0151]
将计算电压控制量的问题转化为一个二次型规划问题，表达式如下：
[0152][0153]
s.tδu
min
≤δu≤δu
max
[0154]
式中，h矩阵和g矩阵由以下公式得到：
[0155]
h＝θ
tqq
θ+rr，g＝θ
tqq
(e-y
ref
)
[0156][0157]
此外，所述故障后的模型指双绕组电机出现故障后的数学模型，如电机出现缺一相的故障，则电机故障后的模型由正常的六相电机模型重构为五相电机模型。
[0158]
本发明控制方法依据故障前后定子磁动势不变的原理进行故障模型重构，并根据重构后的数学模型修正故障后的预测模型，即对abc矩阵进行重构，并以定子电流幅值最小为优化目标求解缺相后的参考相电流进行电流环的跟踪控制。
[0159]
当线控转向系统故障类型为其他故障类型且发生故障的转向总成丧失转向能力时，分布式转向控制器控制对应前轮/后轮转向横拉杆结构接合，使得故障发生的车轮随动转动，完成转向。
[0160]
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。

技术特征：
1.一种双绕组分布式线控转向系统，其特征在于，包括：方向盘总成、分布式转向控制器和分布式转向执行总成；方向盘总成设置于车辆内，用于接收驾驶员的操作信息并提供路感反馈，其包括：方向盘、转向管柱、转角转矩传感器、路感电机；所述方向盘和转向管柱相连，转角转矩传感器和路感电机安装在转向管柱上，转角转矩传感器和路感电机与分布式转向控制器相连；分布式转向控制器设置在底盘中央或集成到整车控制器中，通过车载总线与方向盘总成与分布式转向执行总成连接；根据驾驶员输入的方向盘转矩转角信息和车辆状态控制分布式转向执行总成完成转向并控制路感电机提供路感反馈；分布式转向执行总成设置在四个车轮处，用于执行分布式转向控制器的控制指令，其包括：四个单轮转向总成和两个转向横拉杆结构，四个单轮转向总成分布在四个车轮处，两个转向横拉杆结构分别设置在两个前轮之间和两个后轮之间。2.根据权利要求1所述的双绕组分布式线控转向系统，其特征在于，所述单轮执行总成包括：转向电机控制器、双绕组转向电机、转向电机传感器、减速器总成、车轮转角传感器、转向臂、立柱及减震器，转向电机控制器与双绕组转向电机相连，双绕组转向电机输出轴与减速器总成输入端相连，并安装在车轮上方车架处，减速器总成输出端通过花键与转向臂相连，传递转矩，转向臂与立柱通过紧固螺栓连接，立柱上装有减震器；转向电机传感器与转向电机控制器相连；车轮转角传感器与分布式转向控制器相连。3.根据权利要求1所述的双绕组分布式线控转向系统，其特征在于，所述转向横拉杆结构安装在转向臂上，其包括横拉杆和电磁离合器，横拉杆的中间设置电磁离合装器，其中电磁离合器通过车载总线与分布式转向控制器相连。4.根据权利要求1所述的双绕组分布式线控转向系统，其特征在于，所述减速器总成采用一级行星齿轮减速器和二级蜗轮蜗杆减速器配合的两级减速装置。5.一种双绕组分布式线控转向系统的容错控制方法，基于权利要求1-4中任意一项所述系统，其特征在于，包括以下步骤：1)进行转向操作时，转角转矩传感器采集驾驶员输入转角信息、转矩信息并发送给分布式转向控制器，同时各单轮执行总成中的车轮转角传感器采集车轮转角信息并发送给分布式转向控制器；2)分布式转向控制器根据驾驶员输入转角、转矩信息和车辆运行状态判断双绕组分布式线控转向系统处于正常工况还是故障工况；若处于正常工况则进入步骤3)；若处于故障工况则进入步骤4)；3)分布式转向控制器计算得到四个车轮的转角分配指令，并控制四个单轮执行总成执行对应的车轮转角跟踪指令，进入步骤5)；4)分布式转向控制器判断故障发生的具体位置和类型，若故障类型为传感器故障，则分布式转向控制器根据容错控制算法进行容错控制补偿；若故障类型为执行器故障且为双绕组转向电机缺相故障，则分布式转向控制器控制对应转向电机控制器根据基于模型预测控制原理的控制算法对电机故障后的模型进行重构，对发生故障的双绕组转向电机进行容错控制，双绕组转向电机执行分布式控制器的转角跟踪指令；若故障类型为执行器故障但并非为双绕组转向电机故障或传感器与执行器同时故障，则分布式转向控制器根据故障发生的位置控制对应的转向横拉杆结构接合，使得前轮或后轮仍具备正常转向功能的单轮转
向执行总成带动故障的单轮总成进行转动，完成转向，进入步骤5)；5)分布式转向控制器将当前车辆转向系统的状态反馈给整车控制器，若出现故障则在仪表盘上显示故障发生位置和类型信息。6.根据权利要求5所述的双绕组分布式线控转向系统的容错控制方法，其特征在于，所述步骤2)中的判断方法具体为：21)故障状态判定：分布式转向控制器利用状态观测器得到转向系统实时估计状态量，并与车轮转角传感器测量值做差得到残差序列；若残差序列处于规定阈值内，则系统处于正常工作状态；若残差序列超出阈值，则系统处于故障状态；22)单一故障类型判定：分布式转向控制器判断转向系统处于故障状态后，分布式转向控制器根据转向电机传感器的采集数据对故障发生的双绕组转向电机进行故障诊断，若双绕组转向电机故障，则故障类型为执行器故障且为双绕组转向电机故障；若双绕组转向电机无故障，则根据状态观测器结果对车轮转角传感器进行故障诊断，若状态观测器结果为车轮转角传感器故障，则故障类型为传感器故障；若车轮转角传感器为正常工作状态，则故障类型为执行器故障但并非双绕组转向电机故障；23)多故障状态判定：分布式转向控制器根据单一故障类型判定结果进行容错控制，并对容错补偿控制后的系统进行实时监控，若容错控制后系统仍无法跟踪分布式转向控制器转角控制指令，则系统同时存在多种故障。7.根据权利要求6所述的双绕组分布式线控转向系统的容错控制方法，其特征在于，所述步骤3)中分布式转向控制器计算各车轮转角分配情况的具体过程为：分布式线控转向控制器根据方向盘输入转角和车辆运行状态量确定当前时刻的等效前轮传动比和等效后轮传动比，再计算得到等效前轮转角和等效后轮转角并确定转向瞬心，根据转向瞬心的位置计算四个车轮的转角调节量；当前时刻等效前轮转角和等效后轮转角的求解表达式如下：式中，δ
f
、δ
r
分别为等效前轮转角和等效后轮转角，θ
sw
为方向盘输入转角，g
f
、g
r
分别为等效前轮传动比和等效后轮传动比；根据等效前轮转角和等效后轮转角确定转向瞬心位置的计算公式为：式中，l
f
、l
r
分别为前轮和后轮到转向瞬心的距离，l为轴距，l
b
为车身宽度，l
c
为车身转
弯内侧到转向瞬心的垂直距离；各个车轮转角调节量的求解表达式如下：式中，v
y
为车辆纵向速度，l1为质心到前轴的距离，v
x
为车辆横向速度，ω为横摆角速度，l
b
为车身宽度，δ
f
为前轮转角调节量，δ
r
为后轮转角调节量；各个车轮转角与转角调节量的关系为：式中，δ
fl
为左前轮转角、δ
fr
为右前轮转角、δ
rl
为左后轮转角、δ
rl
为右后轮转角。8.根据权利要求5所述的双绕组分布式线控转向系统的容错控制方法，其特征在于，所述步骤4)中若故障类型为传感器故障，分布式转向控制器根据容错控制算法进行容错控制补偿，具体的容错控制补偿过程为：分布式转向控制器将状态观测器计算出的车轮转角量替代车轮转角传感器的测量值进行各轮转角分配计算并进行控制。9.根据权利要求5所述的双绕组分布式线控转向系统的容错控制方法，其特征在于，所述步骤4)中当故障类型为执行器故障且为双绕组转向电机缺相故障时，分布式转向控制器控制对应转向电机控制器对双绕组转向电机进行模型重构容错控制，具体容错控制过程为：转向电机传感器检测到双绕组转向电机出现缺相故障后，分布式转向控制器控制对应转向电机控制器，通过基于模型预测控制原理的控制算法对双绕组转向电机进行电机故障后的模型重构，将转向电机控制器中预测模型的状态空间方程重构为缺相故障后的电机模型进行控制；所述基于模型预测控制原理的控制算法分为转角控制环和电流控制环，转角控制环输入为分布式转向控制器计算得到的期望转角和系统的实时转角，输出为双绕组转向电机dq轴的参考电流，依据pi控制原理设计；电流控制环输入为dq轴参考电流和电机实际dq轴电流，输出为dq轴电压控制量；得到的dq轴电压控制量经过vsd坐标变换、矢量pwm调制作用于双绕组转向电机对双绕组转向电机进行控制；所述基于模型预测控制原理的控制算法的计算步骤包括：转向电机控制器接收电流反馈输入、转向电机控制器参数初始化、更新电流状态量、生成参考电流、更新状态空间方程abc矩阵、更新ψ矩阵和θ矩阵预测未来输出、计算代价函数的h矩阵和g矩阵、生成求解器约束、调用求解器求解输出控制电压；正常工况下的预测模型的状态空间方程满足如下表达式：i(k+1)＝ai(k)+bu(k)y(k)＝ci(k)式中，矩阵abc分别为：
式中，r为定子电阻，l
d
，l
q
为d-q轴定子电感，l
z
为定子漏感，t
s
为采样周期，ψ
f
为永磁体磁链，ω
e
(k)表示k时刻采样的电机角速度；算法的性能评价函数表达式为：式中，t-1为上一采样时刻；n
p
为预测步长；n
c
为控制步长；y
p
(k+i|k)为控制输出预测值；y
ref
(k+i|k)为控制输出参考值；其中i＝0，1，
…
，n
c-1；q和r分别为输出量和控制增量的权重系数矩阵；同时系统约束设置为控制电压在设定范围内；重构状态量为ξ(k|k)＝[x(k) u(k-1)]
t
，经推导后输出量的表达式如下：y＝ψξ(k)+θδu式中，矩阵y、ψ、θ表达式如下：将计算电压控制量的问题转化为一个二次型规划问题，表达式如下：s.tδu
min
≤δu≤δu
max
式中，h矩阵和g矩阵由以下公式得到：h＝θ
t
q
q
θ+r
r
，g＝θ
t
q
q
(e-y
ref
)
10.根据权利要求9所述的双绕组分布式线控转向系统的容错控制方法，其特征在于，所述故障后的模型指双绕组电机出现故障后的数学模型。

技术总结
本发明公开了一种双绕组分布式线控转向系统及其容错控制方法，系统包括：方向盘总成、分布式转向控制器和分布式转向执行总成；方向盘总成设置于车辆内，用于接收驾驶员的操作信息并提供路感反馈；分布式转向控制器设置在底盘中央或集成到整车控制器中，通过车载总线与方向盘总成与分布式转向执行总成连接；分布式转向执行总成设置在四个车轮处，用于执行分布式转向控制器的控制指令。本发明能够实现对多种故障工况下双绕组分布式线控转向系统的容错控制；相比于传统的线控四轮转向方法，本发明冗余成本显著降低，容错控制复杂度低。能够有效提升分布式线控转向系统的容错能力和车辆的行驶安全性。辆的行驶安全性。辆的行驶安全性。


技术研发人员：王睿 赵万忠 储雨凯 吴金卫 周小川 栾众楷
受保护的技术使用者：南京航空航天大学
技术研发日：2023.04.27
技术公布日：2023/8/13