基于全状态观测器的分布式驱动电动汽车驱动系统容错控制研究

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作为目前研究热门的分布式驱动电动汽车,是电动汽车领域重要的一个发展方向。其与传统车辆相比,最大优点是各车轮可以独立控制,动力输出响应迅速。但由于其独特的结构,执行机构数目的增加,增大了发生的故障的概率。当驱动电机发生故障时,若没有相应的控制策略,车辆将会偏离期望行驶路径甚至失去稳定性,使驾乘人员的生命安全受到威胁。因此驱动系统容错控制策略显得尤为重要。本文以提升故障车辆稳定性为目标,以某一轮边驱动电动汽车为研究对象,研究了驱动电机故障因子观测和容错控制策略问题。主要研究内容如下:首先建立了轮边驱动电动汽车的Carsim车辆动力学模型,并进行了验证。对分布式驱动电动汽车的故障状态进行了分析,以车辆动力学原理为根据,搭建了包含车身纵向、侧向、横摆运动和四个车轮转动的七自由度非线性车辆动力学模型,分析并验证了七自由度车辆模型的有效性和精度。以此七自由度车辆模型为基础,考虑分布式驱动车辆的非线性特性,提出了一种面向全状态基于扩展卡尔曼滤波观察器的分布式驱动汽车驱动电机故障观测方法。仿真结果表明,本文所建立故障观测器能够在车辆各个工况下(即全状态)正常运行,估计精度基本满足要求,拥有对车辆故障信息进行实时观测的能力。其次,研究了车辆主动及被动容错控制策略。对驱动电机故障因子可信度进行评判,根据主/被动容错控制切换模块决策出合适当前的容错控制方法,以充分发挥主/被动容错控制方法的优势。其中,主/被动容错控制分别是基于滑模变结构控制理论和基于简单规则控制的控制策略,而主动控制模块分为上层期望横摆力矩计算层和下层转矩分配层;被动控制模型则通过规则计算直接求解出分配转矩。对主/被动容错控制策略进行了直线行驶工况和转向行驶工况下的仿真验证,结果表明本文所设计的主/被动容错控制策略均能有效提高车辆在驱动电机发生故障时的稳定性,并且主动控制策略相比于被动控制策略有更好的控制效果,同时主/被动容错控制切换策略也能够充分发挥两种容错控制的优势,更科学地对故障车辆进行控制。最后,建立了dSPACE硬件在环实验平台,选取典型工况,通过平台对控制策略的实时性和有效性进行验证。结果表明,本文设计的容错控制策略具有优良的性能,能够对车辆当前的故障进行观测,并且有效地提升了故障车辆的安全性能。
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