分布式电驱动履带车辆容错分配控制策略

曾庆含，冯云鹏，马晓军

（1.解放军32178 部队科技创新中心，北京 100014；2.陆军装甲兵学院，北京 100072）

0 引言

分布式电驱动具有结构紧凑、动力冗余等突出优势，因此，电驱动车辆逐步呈现由集中式驱动向分布式驱动发展的趋势，尤其是中型和重型车辆［1-2］。分布式电驱动执行机构包括多个驱动电机，驱动电机一旦故障时，车辆动力下降，如何通过分配控制其他电机正常工作，实现车辆容错降级稳定行驶，是车辆控制要解决的重点问题。

文献［3］指出通过故障检测和隔离进行系统故障后的重构，实现系统容错控制，能够显著提高系统可靠性。文献［4］围绕提高车辆行驶稳定性的控制目标，设计了容错控制算法，当电机故障时，自动调节车辆纵向力的分配，避免驱动系统崩溃，适应车辆驱动需求。此外，Javier Gutiérrez 指出驱动电机失效时通过引入一定的分配规则，能够提高车辆转向能力和故障容错能力［5］；文献［6］指出从系统层面着手，围绕动力性优先和稳定性优先的分配目标，对单轮驱动失效和异侧双轮驱动失效情况下的控制分配规则进行了分析；文献［7］根据车辆能否继续行驶，提出了车速保持性和减速停车性两种控制分配规则，满足直线、转向行驶控制要求。

上述基于逻辑切换控制规则的分配方法，结构简单，易于理解，但对于系统驱动维数较高时，分配规则会过于复杂。文献［8］指出基于规则的主动容错和基于优化的被动容错控制相结合，实现典型失效工况快速力矩分配和特殊失效工况快可靠构建控制是重要发展趋势之一。面向4 轮独立电驱动车辆的整车控制层，文献［9］研究了采用故障因子对电机输出规则约束进行调节的容错控制方法，能够大大降低控制系统复杂程度，文献［10］区分正常行驶和驱动失效2 种工况，设计了控制重构分配多目标优化算法，对本文分配规则和故障因子设计具有一定借鉴意义。

本文主要以一种分布式电驱动履带车辆为研究对象，开展容错分配控制策略的研究，提出了一种规则与优化约束调整的容错分配方法，进了Matlab 与RecurDyn 联合仿真实验，全面验证了容错控制算法的可行性。

1 系统描述

车辆采用串联式电传动结构，发动机带动发电机发电，经整流后变为高压直流电，作为车辆主动力源，超级电容、高压蓄电池并联在直流母线上作为辅助动力源，二者共同提供驱动电机电能。在安装驱动电机①、②提供车辆驱动力的情况下，选择受力情况相对均匀、一致性好的后四对负重轮安装小功率的轮毂电机③~⑩，提供辅助驱动力。车辆在良好路面情况下行驶，单独采用主驱动电机即可满足车辆驱动要求，当爬坡、中心转向等大力矩需求工况时，则轮毂电机投入使用，通过电动轮与履带的摩擦传递部分动力，进一步提高车辆动力因数。车载协调控制器根据驾驶员信号，结合反馈的状态信号调节各驱动电机输出转矩，开展分布式驱动系统的协调控制，实现车辆正常的直线、转向行驶性能［11］，车辆结构如图1 所示。

图1 分布式电驱动履带车辆结构图

2 电机故障容错控制分配策略

容错控制分配方法一般包括显示规则和性能优化分配方法两种。该车辆驱动电机数目达到10个，故障组合多，采用传统显示规则的分配方法难以全面覆盖所有故障，若是单纯采用故障电机及其对侧电机切断的规则，又过于保守，不利于发挥驱动系统动力，且自适应调节能力差。因此，针对上述复杂系统控制分配问题，本文采用规则分配和故障因子对分配律约束条件进行调节的方法，实现系统容错控制分配。其结构如图2 所示，当驱动电机出现故障时，关闭该驱动电机，同时识别系统故障因子，然后根据反馈的车速信号确定分配规则，对控制分配律的约束条件进行调整，完成驱动电机容错分配。

图2 容错控制分配律流程图

2.1 分配律

根据车辆设计方案，主电机依靠于主动轮与履带的啮合关系，强制传递动力，轮毂电机依靠负重轮与履带间的摩擦传递辅助动力。由于主电机功率大等级高，动力传递效率高，即期望动力优先分配给主电机，当主电机输出动力出现不足时，再平均分配给各轮毂电机，如式（1）所示。

2.2 故障因子

本文重点判断系统层级故障即某一驱动系统的驱动力能否正常输出，而不对部件具体什么类型的故障进行诊断。电机故障包括完全故障和部分故障两种，完全故障是指电机彻底失效，不能输出转矩；部分故障时若继续使用电机，可能会导致系统状态的恶化甚至不稳定，因此，所有故障一律认为是完全故障。因此，可将电机状态分为故障、完好两种，并通过故障因子对电机分配转矩进行约束。故障因子设为lk（k=1-10），其数值为0 或1。状态因子为0，表明该电机故障，不分配转矩；状态因子为1，表明该电机完好，参与分配。

2.3 分配规则

分配规则主要包括安全性规则和动力性规则。

安全性规则：车辆高速行驶时，主要依靠双侧主电机驱动，一旦主电机出现故障，两侧驱动力出现严重的不平衡，造成非期望的横摆力矩，导致车辆出现偏驶，越野路面条件下，甚至可能造成车辆侧滑，危及车辆和驾驶员人身安全。基于安全性原则，此时应该将所有电机关闭，直至车速降至30 km/h 以下，即

式中，lk为第k 台电机的故障因子。

动力性规则：履带车辆转向阻力大，低速行驶横向稳定性好，应该以尽量满足纵向驱动力需求为目标。电机故障时，只需将该电机故障因子使能，以充分发挥正常电机动力，满足车辆30 km/h 以下低速应急机动动力要求。

2.4 分配约束条件修正

以右侧履带系统为例，主电机分配转矩为u1：式中，lk为轮毂电机故障因子，uk*为轮毂电机分配转矩。

3 建模与仿真

3.1 系统仿真模型

为了验证协调分配控制算法的性能，本文在Simulink 中构建了驾驶员操控系统、控制器、电机驱动系统的数学模型，在多体动力学仿真软件Recur-Dyn 中建立了车辆动力学模型，通过软件接口技术进行数据交互，实现机械、电气、控制系统的一体化联合仿真［12］。车辆动力学模型包含车体、行动装置3 部分，其中利用RecurDyn 的TrackHM 模块中建立车辆行动装置模型，采用主动轮前置、双销式履带、双轮缘负重轮、扭杆式独立悬挂结构，如图3 所示。

图3 电传动履带车辆动力学仿真模型

车辆及电驱动系统仿真参数如表1 所示。

表1 系统仿真基本参数

3.2 联合仿真实验

为验证容错控制律的有效性，对水平路面条件下直线和转向行驶过程中单侧主电机故障的工况进行了仿真。

3.2.1 直线行驶容错分配实验

如图4 所示，车辆以70 km/h 匀速直线行驶过程中，4 s时右侧主电机故障。由曲线4（a）~4（d）可知，无容错控制时，由于车速降低，在速度闭环作用下，左侧电机输出转矩上升，引起车辆出现小角度偏驶，即使有横摆角速度闭环抑制下，转矩又逐渐下降，但由于车速较高，到车辆稳定行驶前，横向偏驶量可达20 m，实际道路情况下早已冲出跑道，危及人车安全。由曲线4（e）~4（h）可知，采用容错控制后，基于安全性规则，一旦主电机故障，所有电机输出置零，直至车辆稳定降速行驶至30 km/h 以下后，再按照动力性规则分配，完好电机投入使用，低速行驶时即使出现小角度偏转，也不会出现大范围的偏移，横向偏驶量在2 m 以内，车辆行驶安全性大大提高。

3.2.2 转向行驶容错分配实验

如第159 页图5 所示，车辆期望车速为5 km/h，4 s时车辆开始转向，期望转向半径为10 B，7 s时回正进入匀速直线行驶状态，其中5 s时主电机故障。

图4 直线行驶容错分配实验

由曲线图5（a）、5（b）可知，无容错控制出现故障后，虽然闭环控制算法作用下能够一定程度上抑制扰动，转向过程中行驶速度、横摆角速度均出现了20%以上的大幅波动，车辆行驶稳定性大受影响。由曲线图5（g）、5（h）可知，采用容错控制后，则速度、横摆角速度跟踪平稳，车辆行驶稳定性大大提高。分析其原因，主电机故障时，只要当分配转矩值超出其最大输出能力时，轮毂电机投入使用输出转矩，如转矩曲线图5（c）、5（d）所示，因此，导致整个驱动系统呈现出非线性死区特性，闭环控制效果恶化，而采用容错控制后，则避免了死区现象，如转矩曲线图5（i）、5（j）所示。对比分析轮速曲线图5（e）、（f）、（k）、（l）可知，容错控制后驱动轮轮速更加平稳，匹配效果更好。

4 结论

图5 转向行驶容错分配实验

以分布式电驱动履带车辆为对象，研究了容错分配控制策略，针对车辆驱动电机数目多，故障情况复杂的特点，设计了先基于安全性和动力性分配规则，再通过故障因子对不同电机故障时的分配律约束条件进行加权调整，结构简单，易于实现。通过构建的Matlab 与RecurDyn 联合仿真模型，进行了主电机故障时的直线和转向行驶仿真实验，表明所提出的容错控制策略能够大大提高车辆行驶的安全性和稳定性。