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分布式电动车辆驱动系统MFAC主动容错控制

胡云;江发潮;陈锐;罗禹贡

【期刊名称】《《汽车工程》》

【年(卷),期】2019(041)009

【总页数】8页(P983-989,1005)

【关键词】分布式电驱动车辆;容错控制;无模型自适应控制

【作者】胡云;江发潮;陈锐;罗禹贡

【作者单位】中国农业大学工学院北京100083;清华大学车辆与运载学院北京

100084

【正文语种】中文

前言

四轮独立驱动的分布式电驱动车辆具有节能且电机冗余的特点，应用日益广泛，其

4个电机都能独立控制［1-2］，但是电机发生故障时，故障电机无法输出驱动转

矩，势必导致车辆出现一系列非期望参数变化，使车身出现失稳的情况，从而增加

交通事故发生的概率。但考虑到分布式电驱动车辆4个轮毂电机和转向电机构成

系统冗余配置，驱动系统执行器发生故障以后，可以通过驱动系统非故障电机和转

向系统的协同控制，实现车辆在驱动系统发生失效以后维持既定轨迹行驶，从而保

证驾驶员的安全。

容错控制技术最先是在航空航天领域得到发展，所用到的控制方法包括线性二次控

制［3］、滑模控制［4］、控制分配［5］、机器学习［6］等；在车辆容错控制

领域，学者对执行器故障诊断以及容错控制策略进行了相关研究，但大部分集中于

传统车辆［7］。近年来针对分布式电驱动车辆驱动系统容错控制也有学者进行了

相关研究，但大多集中于电机故障诊断以及电机失效控制上。有学者提出同时关闭

分布式电驱动车辆失效车轮电机和对侧电机的方法，这样在单个车轮发生故障或者

是同轴两个电机故障的情况下能提供部分驱动力且维持车辆稳定性，易于实现，但

其没有根据车辆实时状态对车辆车轮转矩进行实时分配，降低了车辆纵向驱动能力

［8］；清华大学褚文博等［9］针对四轮独立驱动电动车研究了兼顾纵向动力性

和横向稳定性的基于规则转矩分配的容错控制策略，但没有考虑部分失效以及其失

效后无法进行自适用容错控制；美国俄亥俄州立大学Wang等［10］针对四轮独

立电驱动车辆驱动系统容错控制提出了基于自适应的被动容错控制方法和主动故障

诊断方法来精确隔离和评估故障，该方法没有考虑不确定性对控制系统带来的影响，

并且需要建立复杂的车辆动力学模型。

无模型自适应控制方法是针对离散非线性时间系统使用动态线性化方法及伪偏导数

在闭环系统的每个动态工作点建立等价的动态线性化数据模型，然后基于此等价的

虚拟数据模型设计控制器并进行控制系统的理论分析［11］，实现仅利用被控对

象的输入输出信息对非线性系统进行自适应控制。近年来，无模型自适应控制方法

已经得到了广泛应用，例如无人驾驶横向控制［12］和自动泊车［13］等。

针对现有的车辆主动容错控制方法大多需要依赖精确车辆模型和故障诊断单元，使

得在控制系统设计时由于车辆系统模型复杂、非线性和强耦合等特点带来一系列问

题。本文中提出仅利用车辆系统的多个输入输出数据，不包含精确的车辆模型信息，

在驱动系统各个失效工况下仅通过驱动系统非故障电机和转向系统自适应协同容错

控制，从而保证车辆既能维持期望车速也不偏离既定轨迹行驶，确保行驶安全。

1主动容错控制系统设计

本文中考虑分布式电驱动车辆驱动系统发生失效以后，基于多输入多输出无模型自

适应控制方法，利用驱动系统非故障电机以及转向系统协同容错控制来保证车辆既

能维持期望车速前进，也不会偏离既定轨迹。设计的分布式电驱动车辆主动容错控

制框架如图1所示，主动容错框架由驾驶员期望模型、MIMO-MFAC控制器和被

控对象3部分组成。

图1MIMO-MFAC主动容错控制系统框图

1.1驾驶员期望模型

驾驶员期望模型根据期望路径和期望车速通过预瞄PID进行跟踪控制，得到期望

的前轮转角，然后根据车辆2自由度模型得到车辆期望的横摆角速度，具体的轨

迹跟踪控制逻辑如图2所示。其通过两个增量PID对横向位置偏差和航向角偏差

进行控制，将目标轨迹转化为期望前轮转角。

图2轨迹跟踪逻辑框图

图中，e（y）k为横向位置偏差，e（ψ）k为航向角偏差，δf为前轮转角，xk为

后轴中心纵向坐标，yk为后轴中心横向坐标，ψk为航向角

接着将预瞄PID得到期望前轮转角根据式（1）和式（2）所示车辆2自由度微分

方程得到车辆期望横摆角速度。

式中：m为