分布式電驅動履帶車輛容錯分配控制策略

曾慶含，馮云鵬，馬曉軍

（1.解放軍32178 部隊科技創(chuàng)新中心，北京 100014；2.陸軍裝甲兵學院，北京 100072）

0 引言

分布式電驅動具有結構緊湊、動力冗余等突出優(yōu)勢，因此，電驅動車輛逐步呈現(xiàn)由集中式驅動向分布式驅動發(fā)展的趨勢，尤其是中型和重型車輛［1-2］。分布式電驅動執(zhí)行機構包括多個驅動電機，驅動電機一旦故障時，車輛動力下降，如何通過分配控制其他電機正常工作，實現(xiàn)車輛容錯降級穩(wěn)定行駛，是車輛控制要解決的重點問題。

文獻［3］指出通過故障檢測和隔離進行系統(tǒng)故障后的重構，實現(xiàn)系統(tǒng)容錯控制，能夠顯著提高系統(tǒng)可靠性。文獻［4］圍繞提高車輛行駛穩(wěn)定性的控制目標，設計了容錯控制算法，當電機故障時，自動調節(jié)車輛縱向力的分配，避免驅動系統(tǒng)崩潰，適應車輛驅動需求。此外，Javier Gutiérrez 指出驅動電機失效時通過引入一定的分配規(guī)則，能夠提高車輛轉向能力和故障容錯能力［5］；文獻［6］指出從系統(tǒng)層面著手，圍繞動力性優(yōu)先和穩(wěn)定性優(yōu)先的分配目標，對單輪驅動失效和異側雙輪驅動失效情況下的控制分配規(guī)則進行了分析；文獻［7］根據(jù)車輛能否繼續(xù)行駛，提出了車速保持性和減速停車性兩種控制分配規(guī)則，滿足直線、轉向行駛控制要求。

上述基于邏輯切換控制規(guī)則的分配方法，結構簡單，易于理解，但對于系統(tǒng)驅動維數(shù)較高時，分配規(guī)則會過于復雜。文獻［8］指出基于規(guī)則的主動容錯和基于優(yōu)化的被動容錯控制相結合，實現(xiàn)典型失效工況快速力矩分配和特殊失效工況快可靠構建控制是重要發(fā)展趨勢之一。面向4 輪獨立電驅動車輛的整車控制層，文獻［9］研究了采用故障因子對電機輸出規(guī)則約束進行調節(jié)的容錯控制方法，能夠大大降低控制系統(tǒng)復雜程度，文獻［10］區(qū)分正常行駛和驅動失效2 種工況，設計了控制重構分配多目標優(yōu)化算法，對本文分配規(guī)則和故障因子設計具有一定借鑒意義。

本文主要以一種分布式電驅動履帶車輛為研究對象，開展容錯分配控制策略的研究，提出了一種規(guī)則與優(yōu)化約束調整的容錯分配方法，進了Matlab 與RecurDyn 聯(lián)合仿真實驗，全面驗證了容錯控制算法的可行性。

1 系統(tǒng)描述

車輛采用串聯(lián)式電傳動結構，發(fā)動機帶動發(fā)電機發(fā)電，經整流后變?yōu)楦邏褐绷麟?，作為車輛主動力源，超級電容、高壓蓄電池并聯(lián)在直流母線上作為輔助動力源，二者共同提供驅動電機電能。在安裝驅動電機①、②提供車輛驅動力的情況下，選擇受力情況相對均勻、一致性好的后四對負重輪安裝小功率的輪轂電機③~⑩，提供輔助驅動力。車輛在良好路面情況下行駛，單獨采用主驅動電機即可滿足車輛驅動要求，當爬坡、中心轉向等大力矩需求工況時，則輪轂電機投入使用，通過電動輪與履帶的摩擦傳遞部分動力，進一步提高車輛動力因數(shù)。車載協(xié)調控制器根據(jù)駕駛員信號，結合反饋的狀態(tài)信號調節(jié)各驅動電機輸出轉矩，開展分布式驅動系統(tǒng)的協(xié)調控制，實現(xiàn)車輛正常的直線、轉向行駛性能［11］，車輛結構如圖1 所示。

圖1 分布式電驅動履帶車輛結構圖

2 電機故障容錯控制分配策略

容錯控制分配方法一般包括顯示規(guī)則和性能優(yōu)化分配方法兩種。該車輛驅動電機數(shù)目達到10個，故障組合多，采用傳統(tǒng)顯示規(guī)則的分配方法難以全面覆蓋所有故障，若是單純采用故障電機及其對側電機切斷的規(guī)則，又過于保守，不利于發(fā)揮驅動系統(tǒng)動力，且自適應調節(jié)能力差。因此，針對上述復雜系統(tǒng)控制分配問題，本文采用規(guī)則分配和故障因子對分配律約束條件進行調節(jié)的方法，實現(xiàn)系統(tǒng)容錯控制分配。其結構如圖2 所示，當驅動電機出現(xiàn)故障時，關閉該驅動電機，同時識別系統(tǒng)故障因子，然后根據(jù)反饋的車速信號確定分配規(guī)則，對控制分配律的約束條件進行調整，完成驅動電機容錯分配。

圖2 容錯控制分配律流程圖

2.1 分配律

根據(jù)車輛設計方案，主電機依靠于主動輪與履帶的嚙合關系，強制傳遞動力，輪轂電機依靠負重輪與履帶間的摩擦傳遞輔助動力。由于主電機功率大等級高，動力傳遞效率高，即期望動力優(yōu)先分配給主電機，當主電機輸出動力出現(xiàn)不足時，再平均分配給各輪轂電機，如式（1）所示。

2.2 故障因子

本文重點判斷系統(tǒng)層級故障即某一驅動系統(tǒng)的驅動力能否正常輸出，而不對部件具體什么類型的故障進行診斷。電機故障包括完全故障和部分故障兩種，完全故障是指電機徹底失效，不能輸出轉矩；部分故障時若繼續(xù)使用電機，可能會導致系統(tǒng)狀態(tài)的惡化甚至不穩(wěn)定，因此，所有故障一律認為是完全故障。因此，可將電機狀態(tài)分為故障、完好兩種，并通過故障因子對電機分配轉矩進行約束。故障因子設為lk（k=1-10），其數(shù)值為0 或1。狀態(tài)因子為0，表明該電機故障，不分配轉矩；狀態(tài)因子為1，表明該電機完好，參與分配。

2.3 分配規(guī)則

分配規(guī)則主要包括安全性規(guī)則和動力性規(guī)則。

安全性規(guī)則：車輛高速行駛時，主要依靠雙側主電機驅動，一旦主電機出現(xiàn)故障，兩側驅動力出現(xiàn)嚴重的不平衡，造成非期望的橫擺力矩，導致車輛出現(xiàn)偏駛，越野路面條件下，甚至可能造成車輛側滑，危及車輛和駕駛員人身安全?；诎踩栽瓌t，此時應該將所有電機關閉，直至車速降至30 km/h 以下，即

式中，lk為第k 臺電機的故障因子。

動力性規(guī)則：履帶車輛轉向阻力大，低速行駛橫向穩(wěn)定性好，應該以盡量滿足縱向驅動力需求為目標。電機故障時，只需將該電機故障因子使能，以充分發(fā)揮正常電機動力，滿足車輛30 km/h 以下低速應急機動動力要求。

2.4 分配約束條件修正

以右側履帶系統(tǒng)為例，主電機分配轉矩為u1：式中，lk為輪轂電機故障因子，uk*為輪轂電機分配轉矩。

3 建模與仿真

3.1 系統(tǒng)仿真模型

為了驗證協(xié)調分配控制算法的性能，本文在Simulink 中構建了駕駛員操控系統(tǒng)、控制器、電機驅動系統(tǒng)的數(shù)學模型，在多體動力學仿真軟件Recur-Dyn 中建立了車輛動力學模型，通過軟件接口技術進行數(shù)據(jù)交互，實現(xiàn)機械、電氣、控制系統(tǒng)的一體化聯(lián)合仿真［12］。車輛動力學模型包含車體、行動裝置3 部分，其中利用RecurDyn 的TrackHM 模塊中建立車輛行動裝置模型，采用主動輪前置、雙銷式履帶、雙輪緣負重輪、扭桿式獨立懸掛結構，如圖3 所示。

圖3 電傳動履帶車輛動力學仿真模型

車輛及電驅動系統(tǒng)仿真參數(shù)如表1 所示。

表1 系統(tǒng)仿真基本參數(shù)

3.2 聯(lián)合仿真實驗

為驗證容錯控制律的有效性，對水平路面條件下直線和轉向行駛過程中單側主電機故障的工況進行了仿真。

3.2.1 直線行駛容錯分配實驗

如圖4 所示，車輛以70 km/h 勻速直線行駛過程中，4 s時右側主電機故障。由曲線4（a）~4（d）可知，無容錯控制時，由于車速降低，在速度閉環(huán)作用下，左側電機輸出轉矩上升，引起車輛出現(xiàn)小角度偏駛，即使有橫擺角速度閉環(huán)抑制下，轉矩又逐漸下降，但由于車速較高，到車輛穩(wěn)定行駛前，橫向偏駛量可達20 m，實際道路情況下早已沖出跑道，危及人車安全。由曲線4（e）~4（h）可知，采用容錯控制后，基于安全性規(guī)則，一旦主電機故障，所有電機輸出置零，直至車輛穩(wěn)定降速行駛至30 km/h 以下后，再按照動力性規(guī)則分配，完好電機投入使用，低速行駛時即使出現(xiàn)小角度偏轉，也不會出現(xiàn)大范圍的偏移，橫向偏駛量在2 m 以內，車輛行駛安全性大大提高。

3.2.2 轉向行駛容錯分配實驗

如第159 頁圖5 所示，車輛期望車速為5 km/h，4 s時車輛開始轉向，期望轉向半徑為10 B，7 s時回正進入勻速直線行駛狀態(tài)，其中5 s時主電機故障。

圖4 直線行駛容錯分配實驗

由曲線圖5（a）、5（b）可知，無容錯控制出現(xiàn)故障后，雖然閉環(huán)控制算法作用下能夠一定程度上抑制擾動，轉向過程中行駛速度、橫擺角速度均出現(xiàn)了20%以上的大幅波動，車輛行駛穩(wěn)定性大受影響。由曲線圖5（g）、5（h）可知，采用容錯控制后，則速度、橫擺角速度跟蹤平穩(wěn)，車輛行駛穩(wěn)定性大大提高。分析其原因，主電機故障時，只要當分配轉矩值超出其最大輸出能力時，輪轂電機投入使用輸出轉矩，如轉矩曲線圖5（c）、5（d）所示，因此，導致整個驅動系統(tǒng)呈現(xiàn)出非線性死區(qū)特性，閉環(huán)控制效果惡化，而采用容錯控制后，則避免了死區(qū)現(xiàn)象，如轉矩曲線圖5（i）、5（j）所示。對比分析輪速曲線圖5（e）、（f）、（k）、（l）可知，容錯控制后驅動輪輪速更加平穩(wěn)，匹配效果更好。

4 結論

圖5 轉向行駛容錯分配實驗

以分布式電驅動履帶車輛為對象，研究了容錯分配控制策略，針對車輛驅動電機數(shù)目多，故障情況復雜的特點，設計了先基于安全性和動力性分配規(guī)則，再通過故障因子對不同電機故障時的分配律約束條件進行加權調整，結構簡單，易于實現(xiàn)。通過構建的Matlab 與RecurDyn 聯(lián)合仿真模型，進行了主電機故障時的直線和轉向行駛仿真實驗，表明所提出的容錯控制策略能夠大大提高車輛行駛的安全性和穩(wěn)定性。