完全雙余度線傳轉(zhuǎn)向機(jī)及其余度管理

蔡智凱 米峻男 王通 陳曦 連小珉

（清華大學(xué) 汽車安全與節(jié)能重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084）

1 前言

普通的線傳轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由于取消了轉(zhuǎn)向盤與轉(zhuǎn)向機(jī)之間的機(jī)械連接，其安全性存在較大隱患[1]。此外，法規(guī)對汽車電子系統(tǒng)的安全性要求越來越高，汽車電子電氣系統(tǒng)功能安全標(biāo)準(zhǔn)ISO26262[2]中要求汽車上達(dá)到ASILD的重要電子電氣系統(tǒng)的故障率低于10-8。線傳轉(zhuǎn)向機(jī)作為轉(zhuǎn)向執(zhí)行器，涉及到駕駛員和乘員的生命安全，需要達(dá)到這一等級，采用余度的方式是綜合成本和技術(shù)手段的一種較優(yōu)方案。

線傳轉(zhuǎn)向機(jī)是線傳轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其接收線傳方向機(jī)的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角信號(hào)，并通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行轉(zhuǎn)向操作。完全雙余度線傳轉(zhuǎn)向機(jī)的電子部件均采用了雙余度方案，在正常工作模式下采用熱備份的雙通道電機(jī)驅(qū)動(dòng)模式，并能在單通道故障的情況下通過余度管理有效檢測到并隔離故障通道，從而保證轉(zhuǎn)向的正常進(jìn)行，提高線傳轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的安全可靠性。

余度這一概念源自飛機(jī)，飛機(jī)上關(guān)于雙余度舵機(jī)的研究及余度管理方法[3-4]已較為成熟。余度的方式能在盡可能節(jié)省成本的同時(shí)大幅提高線控系統(tǒng)的安全性，具有較好的發(fā)展前景。目前，采用雙電機(jī)方案控制的線傳轉(zhuǎn)向機(jī)[5-6]已經(jīng)有了初步的研究，基于該方案的線傳轉(zhuǎn)向機(jī)的冗余容錯(cuò)方法[7-10]也得到了較多的應(yīng)用。但是，目前的研究多集中在以局部冗余的方式構(gòu)建線傳轉(zhuǎn)向機(jī)，其對故障的容錯(cuò)能力有限。

本文構(gòu)建了一種完全雙余度線傳轉(zhuǎn)向機(jī)的機(jī)電結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上提出了相應(yīng)的余度管理方法，并進(jìn)行了仿真模型的搭建與仿真，驗(yàn)證了提出的完全雙余度線傳轉(zhuǎn)向機(jī)架構(gòu)及仿真模型的合理性，以及相應(yīng)的余度管理方法的可靠性。

2 完全雙余度線傳轉(zhuǎn)向機(jī)的結(jié)構(gòu)與工作原理

完全雙余度線傳轉(zhuǎn)向機(jī)主要由其機(jī)電結(jié)構(gòu)與余度管理器組成。其機(jī)電結(jié)構(gòu)為轉(zhuǎn)向的主要執(zhí)行機(jī)構(gòu)，安裝在汽車轉(zhuǎn)向器的齒輪齒條上，以驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向的進(jìn)行；余度管理器控制轉(zhuǎn)向機(jī)的機(jī)電結(jié)構(gòu)進(jìn)行轉(zhuǎn)向，同時(shí)對轉(zhuǎn)向機(jī)進(jìn)行余度管理，以保證線傳轉(zhuǎn)向的正常進(jìn)行。

2.1 機(jī)電結(jié)構(gòu)

完全雙余度線傳轉(zhuǎn)向機(jī)的機(jī)電結(jié)構(gòu)由雙電機(jī)并聯(lián)耦合機(jī)構(gòu)、蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)角傳感器總成組成，如圖1所示。

圖1 完全雙余度線傳轉(zhuǎn)向機(jī)的機(jī)電結(jié)構(gòu)

如圖1所示的雙電機(jī)并聯(lián)耦合機(jī)構(gòu)由2個(gè)相同的電機(jī)經(jīng)過一對齒輪并聯(lián)耦合，構(gòu)成雙通道轉(zhuǎn)角驅(qū)動(dòng)，其輸出軸經(jīng)過蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)減速后通過連接轉(zhuǎn)向器的齒輪齒條驅(qū)動(dòng)汽車轉(zhuǎn)向。轉(zhuǎn)角傳感器總成由2個(gè)相同的轉(zhuǎn)角傳感器組成，實(shí)時(shí)感知齒輪齒條轉(zhuǎn)向器的小齒輪轉(zhuǎn)角以進(jìn)行轉(zhuǎn)向角度的反饋控制。

余度管理器一方面從線傳網(wǎng)絡(luò)接收轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角信息，另一方面接收轉(zhuǎn)角傳感器總成的轉(zhuǎn)角信息，以控制驅(qū)動(dòng)雙電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)向。此外，當(dāng)一路通道發(fā)生故障時(shí)，余度管理器能檢測到故障并對故障通道進(jìn)行隔離，同時(shí)發(fā)出報(bào)警。

該結(jié)構(gòu)中主要電子電氣部件如轉(zhuǎn)向電機(jī)、轉(zhuǎn)角傳感器及控制器均作了余度處理，保證它們中的任意一個(gè)發(fā)生故障后系統(tǒng)仍能正常進(jìn)行轉(zhuǎn)向，因此稱為完全雙余度線傳轉(zhuǎn)向機(jī)。

2.2 余度管理器架構(gòu)

完全雙余度線傳轉(zhuǎn)向機(jī)的余度管理器由3個(gè)控制器構(gòu)成，其中2個(gè)控制器構(gòu)成雙通道電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器，分別控制一路電機(jī)同步進(jìn)行轉(zhuǎn)向，第3個(gè)控制器對另2個(gè)控制器進(jìn)行監(jiān)控，以進(jìn)行故障的隔離。完全雙余度線傳轉(zhuǎn)向機(jī)的余度管理器架構(gòu)如圖2所示。

圖2 余度線傳轉(zhuǎn)向機(jī)的余度管理器架構(gòu)

圖2中的CGU1、CGU2和CGU3為構(gòu)成余度管理器的3個(gè)控制器，其中CGU1和CGU2分別通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)下位控制器CGM1和CGM2發(fā)送一定頻率的PWM波控制各自通道的H橋驅(qū)動(dòng)電路H1和H2進(jìn)行電機(jī)MS1和MS2的控制。電機(jī)力經(jīng)過齒輪對G1和G2耦合，再經(jīng)蝸輪蝸桿減速器GW減速后驅(qū)動(dòng)齒輪齒條GR。兩路電機(jī)通道的電流傳感器SMC1和SMC2測得各自通道電機(jī)的電流iSM1和iSM2，并發(fā)送給各自的控制器；與蝸輪軸同軸的轉(zhuǎn)角傳感器SPA1和SPA2同時(shí)采集小齒輪轉(zhuǎn)角θSP1和θSP2，也發(fā)送給相應(yīng)的控制器。3個(gè)控制器通過線傳網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息的交互。圖中θW為轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角，cs1、cs2和cs3分別為3個(gè)控制器的控制器狀態(tài)信息，以互相進(jìn)行控制器狀態(tài)監(jiān)控。

2.3 工作原理

如圖2所示的完全雙余度線傳轉(zhuǎn)向機(jī)余度管理器在正常工作狀態(tài)下由CGU1和CGU2控制兩電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)向，兩路電機(jī)通道分別稱為通道1與通道2。轉(zhuǎn)向角度的閉環(huán)控制采用PID控制方法。工作過程中，CGU1和CGU2與以CGU3為控制器的通道3始終進(jìn)行信息的交互與監(jiān)控。當(dāng)通道1或者通道2的轉(zhuǎn)角傳感器發(fā)生故障時(shí)，兩路通道均診斷出故障傳感器并采用正確傳感器的值進(jìn)行工作，系統(tǒng)不需要降階；當(dāng)通道1或者通道2發(fā)生包括控制器故障、電機(jī)故障等需要降階的故障時(shí)，相應(yīng)的另一通道診斷出該故障，并通過發(fā)送信號(hào)s21或s12經(jīng)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路上的電子開關(guān)B1或B2切斷故障通道的電機(jī)，保證轉(zhuǎn)向在單電機(jī)下正常進(jìn)行。同時(shí)，通道3的控制器檢測到該故障，發(fā)送信號(hào)s31或s32經(jīng)由邏輯電路B31或B32屏蔽故障通道的信號(hào)s21或s12，以防止錯(cuò)誤通道對正常通道的誤切斷。在這樣的機(jī)制下，保證余度轉(zhuǎn)向的正常進(jìn)行以及單故障下系統(tǒng)不失效。

3 完全雙余度線傳轉(zhuǎn)向機(jī)的余度管理

完全雙余度線傳轉(zhuǎn)向機(jī)由余度管理器控制其機(jī)電結(jié)構(gòu)的兩路電機(jī)同步進(jìn)行轉(zhuǎn)向。在此基礎(chǔ)上，提出了完全雙余度線傳轉(zhuǎn)向機(jī)的余度管理方法，保證系統(tǒng)的安全可靠性。

3.1 仲裁與故障診斷方法

完全雙余度線傳轉(zhuǎn)向機(jī)的仲裁與故障診斷方法是對系統(tǒng)在運(yùn)行過程中的各監(jiān)控量進(jìn)行運(yùn)算及判斷，以識(shí)別系統(tǒng)發(fā)生的故障。仲裁與故障診斷采用三狀態(tài)量多閾值診斷方法，其滿足：

式中，F(xiàn)ji(n)為通道j的控制器對通道i故障的診斷狀態(tài)，其為布爾型狀態(tài)量，F(xiàn)ji(n)=1表示通道i發(fā)生故障，F(xiàn)ji(n)=0表示通道i未發(fā)生故障；FAji(n)、FCji(n)和Si(n)分別表示通道i的轉(zhuǎn)角故障、電流故障和控制器自身故障，也為布爾型狀態(tài)量，分別表征這3個(gè)狀態(tài)量的故障情況，其中FAji(n)、FCji(n)分別表示通道j的控制器對通道i故障的診斷狀態(tài)。

通道i的轉(zhuǎn)角值、電流值以及控制器狀態(tài)量為故障診斷的主要判斷依據(jù)，對這3個(gè)狀態(tài)量進(jìn)行多項(xiàng)閾值判斷的診斷方法，稱為完全雙余度線傳轉(zhuǎn)向機(jī)故障診斷的三狀態(tài)量多閾值診斷方法。

對于式（1）的其他取值(i,j)∈{(1，1)，(2，2)，(3，3)}，其物理含義為控制器對自身通道的自診斷，由于在本研究的仲裁和故障診斷方法中不進(jìn)行控制器的自診斷，因此不作討論。

3.1.1 轉(zhuǎn)角故障診斷方法

FAji(n)表示轉(zhuǎn)角故障的狀態(tài)（包括轉(zhuǎn)角傳感器故障、轉(zhuǎn)角傳感器采集與接收故障、控制器內(nèi)部轉(zhuǎn)角信號(hào)處理故障），F(xiàn)Aji(n)=1表示通道i的轉(zhuǎn)角發(fā)生故障，F(xiàn)Aji(n)=0表示通道i未發(fā)生故障。

對轉(zhuǎn)角故障狀態(tài)量FAji(n)，有

式中，SAi(n)為轉(zhuǎn)角信息檢測狀態(tài)量；SATi(n)為轉(zhuǎn)角跟隨檢測狀態(tài)量。

當(dāng)SAi(n)=1或SATi(n)=1時(shí)，F(xiàn)Aji(n)=1，即通道i發(fā)生轉(zhuǎn)角故障。

式（2）中轉(zhuǎn)角信息檢測狀態(tài)量SAi(n)滿足

SA0i(n)為轉(zhuǎn)角信息檢測絕對值狀態(tài)量，其滿足

即轉(zhuǎn)角傳感器的轉(zhuǎn)角θSPi(n)的絕對值需要在閾值δAS以內(nèi)，否則認(rèn)為通道i發(fā)生轉(zhuǎn)角絕對值故障。

SA1i(n)為轉(zhuǎn)角信息一階差分狀態(tài)量，其滿足

式中，|ΔθSPi|=|θSPi(n)-θSPi(n-1)|，i=1，2。

即轉(zhuǎn)角傳感器的轉(zhuǎn)角一階差分的絕對值需要在閾值ΔδAS以內(nèi)，否則認(rèn)為通道i發(fā)生轉(zhuǎn)角速度故障。

SA2i(n)為轉(zhuǎn)角信息二階差分狀態(tài)量，其滿足

式中，|Δ2θSPi|=|θSPi(n)-2θSPi(n-1)+θSPi(n-2)|，i=1，2。

即轉(zhuǎn)角傳感器的轉(zhuǎn)角二階差分的絕對值需要在閾值Δ2δAS以內(nèi)，否則認(rèn)為通道i發(fā)生轉(zhuǎn)角加速度故障。

SATi(n)滿足

式中，|ΔθATi|=|θSPi(n)-θWi(n)|，i=1，2；ΔθATi為轉(zhuǎn)角跟蹤差；θSPi(n)為當(dāng)前轉(zhuǎn)角；θWi(n)為轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角。

即任意時(shí)刻的轉(zhuǎn)角跟蹤差ΔθATi(n)被限制在轉(zhuǎn)角跟蹤差閾值ΔδAT內(nèi)，否則認(rèn)為通道i發(fā)生了轉(zhuǎn)角跟隨故障。

當(dāng)檢測到一路轉(zhuǎn)角發(fā)生故障時(shí)，兩路通道均采用未故障通道的轉(zhuǎn)角傳感器值進(jìn)行工作，此時(shí)即完成轉(zhuǎn)角的仲裁。

SA0i(n)、SA1i(n)、SA2i(n)及 SATi(n)的i取值均為 1 和 2，表征其診斷對象為通道1和通道2。

3.1.2 電流的故障診斷方法

電流故障FCji(n)表示電流故障（包括電機(jī)故障、電流傳感器故障、電流傳感器的采集與接收故障、控制器內(nèi)部電流信號(hào)處理故障），F(xiàn)Cji(n)=1代表控制器i的電流發(fā)生故障，F(xiàn)Cji(n)=0表示控制器i未發(fā)生故障。其滿足

式中，SCi(n)為電流信息檢測狀態(tài)量；SCTi(n)為電流閉環(huán)檢測狀態(tài)量。

當(dāng)SCi(n)=1或SCTi(n)=1時(shí)，F(xiàn)Cji(n)=1，即通道i發(fā)生電流故障。

電流信息檢測狀態(tài)量SCi(n)滿足

SC0i(n)為電流信息檢測絕對值狀態(tài)量，其滿足

即電流傳感器的轉(zhuǎn)角ISMi(n)的絕對值需要在閾值δCS以內(nèi)，否則認(rèn)為通道i發(fā)生電流絕對值故障。

SC1i(n)為電流信息一階差分狀態(tài)量，其滿足

式中，|ΔISMi|=|ISMi(n)-ISMi(n-1)|，i=1，2。

即電流傳感器的電流一階差分的絕對值需要在閾值ΔδCS以內(nèi)，否則認(rèn)為通道i發(fā)生電流速度故障。

SCTi(n)滿足

式中，|ΔICTi|=|ISMi(n)-IGTi(n)|，i=1，2；ΔICTi為電流閉環(huán)差值；ISMi(n)為當(dāng)前電流；IGTi(n)為目標(biāo)電流。

即任意時(shí)刻的電流閉環(huán)差值ΔICTi被限制在電流閉環(huán)差閾值ΔδCT內(nèi)，否則認(rèn)為通道i發(fā)生了電流閉環(huán)故障。

SC0i(n)、SC1i(n)和SCTi(n)中的i取值均為1和2，表征其診斷對象為通道1和通道2。

除了轉(zhuǎn)角故障與電流故障，式（1）中的Si(n)表示通道i的控制器發(fā)生自身故障（通道i的控制器向另外2個(gè)控制器發(fā)送特定的自身控制器狀態(tài)信息，若接收不到則認(rèn)為通道i的控制器發(fā)生自身故障），Si(n)=1代表通道i的控制器發(fā)生自身故障，Si(n)=0表示通道i的控制器未發(fā)生自身故障。

綜合上述的轉(zhuǎn)角故障診斷方法與電流故障診斷方法，定義單通道的故障特征矩陣Bi(n)為

Bi(n)的取值與對應(yīng)的基本故障事件如表1所示。

表1 Bi(n)取值對應(yīng)的基本故障事件

定義故障特征量Ei1(n)、Ei2(n)分別為故障特征矩陣Bi(n)中第1行、第2行各元素之和，即

則若Ei1(n)＞0，則認(rèn)為通道i發(fā)生轉(zhuǎn)角故障即非降階故障，若Ei2(n)＞0，則認(rèn)為通道i發(fā)生非轉(zhuǎn)角故障即降階故障。

3.2 故障隔離、切換與報(bào)警方法

在完全雙余度線傳轉(zhuǎn)向機(jī)故障診斷的基礎(chǔ)上，對系統(tǒng)進(jìn)行故障的隔離與報(bào)警，并對致命性的故障進(jìn)行余度切換，以完成余度的降階，保證系統(tǒng)的正常工作。

對系統(tǒng)報(bào)警指示量Aji(n)，有

Aji(n)表示通道j的控制器對通道i的故障進(jìn)行報(bào)警，其為布爾型狀態(tài)量。當(dāng)Aji(n)=1時(shí)進(jìn)行報(bào)警，Aji(n)=0時(shí)則不報(bào)警。式（16）表明，通道j的控制器在對通道i進(jìn)行故障診斷過程中，連續(xù)3次診斷出其出現(xiàn)故障，則認(rèn)為通道i發(fā)生確實(shí)的故障，此時(shí)進(jìn)行故障報(bào)警。由于通道不會(huì)對自身進(jìn)行報(bào)警，因此(i,j)?{（1，1），（2，2），（3，3）}。

由于發(fā)生轉(zhuǎn)角故障時(shí)雙通道均可用正確的轉(zhuǎn)角值繼續(xù)工作，因此轉(zhuǎn)角故障僅進(jìn)行報(bào)警，而不進(jìn)行通道的隔離，稱為非降階報(bào)警，相應(yīng)地，對電流故障及控制器自身故障的報(bào)警稱為降階報(bào)警，這一報(bào)警方法稱為雙模式報(bào)警方法。對通道i（i=1，2），定義其降階故障檢測狀態(tài)量為

則故障隔離指示量Cji(n)滿足

Cji(n)為表征故障隔離的布爾型指示量，其表示通道j的控制器對通道i的降階性故障進(jìn)行隔離。當(dāng)Cji(n)=1時(shí)進(jìn)行故障隔離，Cji(n)=0時(shí)則不進(jìn)行故障隔離。與報(bào)警類似，故障的隔離也是連續(xù)3次檢測到故障后進(jìn)行。

由于故障的隔離基于3個(gè)控制器的共同作用，需要綜合另外兩路通道控制器的判斷，因此實(shí)際的故障隔離特征量εi滿足

當(dāng)εi=0時(shí)，表示通道i被隔離；當(dāng)εi=1時(shí)，表示通道i工作正常。當(dāng)通道i被隔離后，系統(tǒng)即進(jìn)行余度切換，在正常路通道電機(jī)作用下完成轉(zhuǎn)向工作，（i,j）的取值表征只有通道1和通道2在故障時(shí)需要被隔離。

4 仿真驗(yàn)證

針對上述完全雙余度線傳轉(zhuǎn)向機(jī)結(jié)構(gòu)及余度管理方法，基于Matlab的Simulink平臺(tái)搭建完全雙余度線傳轉(zhuǎn)向機(jī)的仿真模型，與CarSim軟件進(jìn)行聯(lián)合仿真，以驗(yàn)證完全雙余度線傳轉(zhuǎn)向機(jī)的余度管理方法與轉(zhuǎn)向能力。

4.1 仿真模型

完全雙余度線傳轉(zhuǎn)向機(jī)的仿真模型由轉(zhuǎn)角傳感器模塊Sa1和Sa2、兩路電機(jī)通道模塊M1和M2、轉(zhuǎn)向機(jī)機(jī)械耦合模塊G以及Car Sim車輛模型構(gòu)成，如圖3所示。

圖3 余度線傳轉(zhuǎn)向機(jī)的仿真模型

轉(zhuǎn)角傳感器模塊Sa1和Sa2仿真轉(zhuǎn)角傳感器，傳遞轉(zhuǎn)角信息，并能進(jìn)行轉(zhuǎn)角故障的注入；兩路電機(jī)通道模塊M1和M2模擬電機(jī)通道，其內(nèi)部進(jìn)行電機(jī)的轉(zhuǎn)向控制，并進(jìn)行故障的診斷；轉(zhuǎn)向機(jī)機(jī)械耦合模塊G模擬轉(zhuǎn)向機(jī)械部分，并進(jìn)行故障的隔離；CarSim車輛模型通過前端模型輸入轉(zhuǎn)向角度，并向前端模型輸出車輛回正力矩。系統(tǒng)總的輸入為用正弦波模擬的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角輸入。對于余度管理器通道3的余度管理功能，將其功能合并在電機(jī)通道模塊的仿真模型中，以驗(yàn)證其功能。

4.2 余度管理仿真方法

如圖3所示的完全雙余度線傳轉(zhuǎn)向機(jī)仿真模型的余度管理包括在電機(jī)通道模塊M1和M2中根據(jù)仿真信息實(shí)現(xiàn)前文所述故障診斷方法實(shí)現(xiàn)的故障診斷以及在轉(zhuǎn)向機(jī)機(jī)械耦合模塊G中實(shí)現(xiàn)故障的隔離。此外，在各模塊中通過注入故障以模擬故障的發(fā)生。注入故障的類型如圖4所示。

故障注入的類型分為信號(hào)斷路故障與信號(hào)紊亂故障。如圖4a所示的信號(hào)斷路故障表征原信號(hào)在t0時(shí)刻發(fā)生信號(hào)斷路，其實(shí)現(xiàn)方法是將原信號(hào)δ與信號(hào)斷路故障曲線w1相乘；如圖4b所示的信號(hào)紊亂故障表征原信號(hào)在t1到t2時(shí)刻發(fā)生幅度為h、時(shí)長為Δt的信號(hào)紊亂故障，其實(shí)現(xiàn)方法是將原信號(hào)δ與信號(hào)紊亂故障曲線w2相加。

圖4 完全雙余度線傳轉(zhuǎn)向機(jī)仿真的故障注入

4.3 仿真結(jié)果

對上述建立的完全雙余度線傳轉(zhuǎn)向機(jī)仿真模型在運(yùn)行過程中進(jìn)行故障的注入，以驗(yàn)證仿真控制和余度管理的效果。故障注入的類型選取信號(hào)紊亂故障，在3.6s時(shí)刻對通道1的電機(jī)電流傳感器注入幅度為10A的異常波動(dòng)，轉(zhuǎn)角跟隨仿真曲線如圖5所示。

圖5 電流故障仿真轉(zhuǎn)角跟隨曲線

從圖5中可以看出，轉(zhuǎn)角輸入曲線（轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角）與轉(zhuǎn)角跟隨曲線（小齒輪轉(zhuǎn)角）十分接近，即使在發(fā)生故障后轉(zhuǎn)角也未發(fā)生明顯變化，說明系統(tǒng)的工作情況較好。將二者作差，得到轉(zhuǎn)向盤與小齒輪的轉(zhuǎn)角差曲線，如圖6所示。

圖6 電流故障仿真轉(zhuǎn)角差

圖6中，轉(zhuǎn)向盤與小齒輪的轉(zhuǎn)角差在仿真過程中始終保持在3°以內(nèi)，折算到實(shí)際的車輪轉(zhuǎn)角則屬于非常小的值，說明跟隨效果很好。在故障注入時(shí)刻，轉(zhuǎn)角差增大幅度約為0.2°，說明余度切換對轉(zhuǎn)向性能的影響很小。仿真過程中兩通道電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩如圖7所示。

圖7中，在故障時(shí)刻前，兩電機(jī)同步輸出轉(zhuǎn)矩以驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向。在故障時(shí)刻，通道1電機(jī)發(fā)生故障，通道2的故障檢測模塊識(shí)別后通道1電機(jī)被迅速隔離，其輸出轉(zhuǎn)矩變?yōu)?，此時(shí)通道2電機(jī)轉(zhuǎn)矩迅速增加至原來的約2倍以繼續(xù)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向，系統(tǒng)在通道2電機(jī)的作用下維持正常轉(zhuǎn)向。

圖7 電流故障仿真電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩

此外，對轉(zhuǎn)角故障進(jìn)行了仿真。對通道1的轉(zhuǎn)角信號(hào)注入了在第3s時(shí)刻的信號(hào)斷路故障，仿真得到的轉(zhuǎn)角跟隨曲線與圖5相似，兩電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩如圖8所示。

圖8 轉(zhuǎn)角故障仿真電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩

由圖8可知，仿真過程中兩電機(jī)始終輸出相同轉(zhuǎn)矩，由于轉(zhuǎn)角故障為非降階故障，系統(tǒng)并沒有發(fā)生切換，兩電機(jī)始終保持工作。系統(tǒng)故障診斷的結(jié)果可以從圖9所示的故障報(bào)警曲線中看出。

圖9 轉(zhuǎn)角故障仿真故障報(bào)警曲線

由圖9可知，在第3s時(shí)刻通道1發(fā)生了轉(zhuǎn)角故障，此時(shí)通道2和通道3檢測到該故障并發(fā)出了報(bào)警信號(hào)，而通道2表現(xiàn)為正常。此時(shí)通道1的轉(zhuǎn)角信號(hào)不再使用，兩通道均根據(jù)通道2的轉(zhuǎn)角繼續(xù)進(jìn)行轉(zhuǎn)向。

控制器自身故障的仿真結(jié)果與電流故障類似，發(fā)生控制器自身故障的通道被迅速隔離，系統(tǒng)切換到單通道轉(zhuǎn)向模式下繼續(xù)進(jìn)行轉(zhuǎn)角的跟隨。

5 結(jié)束語

針對完全雙余度線傳轉(zhuǎn)向機(jī)及其余度管理問題，本文通過研究得出以下結(jié)論：

a.完全雙余度線傳轉(zhuǎn)向機(jī)的結(jié)構(gòu)能夠有效執(zhí)行轉(zhuǎn)向功能并保證系統(tǒng)在單一故障下不失效，可以作為線傳轉(zhuǎn)向汽車的具有高安全可靠性的轉(zhuǎn)向執(zhí)行器。

b.三狀態(tài)量多閾值的故障診斷方法、基于三控制器的故障隔離方法以及雙模式故障報(bào)警方法的余度管理方法能夠有效地識(shí)別并隔離完全雙余度線傳轉(zhuǎn)向機(jī)運(yùn)行過程中的故障，為線傳轉(zhuǎn)向汽車轉(zhuǎn)向安全性的保證提供有效的余度管理方法。

c.Simulink與CarSim平臺(tái)的完全雙余度線傳轉(zhuǎn)向機(jī)聯(lián)合仿真方法能有效模擬完全雙余度線傳轉(zhuǎn)向機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和余度管理情況，為完全雙余度線傳轉(zhuǎn)向機(jī)的余度管理方法的驗(yàn)證提供有效的平臺(tái)。

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