相比于四轮独立线控电动汽车其他底盘系统,线控驱动系统具有如下特点:其一,驱动执行器的数量众多,各类可控执行机构在空间上大量应用及分布,各子系统之间的机械耦合相对弱化,电气化特征更加明显,其故障更具隐蔽性和突发性。其二,轮毂电机需频繁启动以应对车辆时变的行驶工况,使得线控驱动系统经常处于非稳态的工作状态。其三,多执行器冗余结构,往往使得多个控制系统共享同一传感器、执行机构或控制变量,这种行为耦合会产生各执行系统间的干扰或冲突。鉴于线控驱动系统自身的特殊性,有必要针对这种新型结构电动汽车的线控驱动系统,建立完善的容错控制机制,对提高车辆行驶安全性具有重大的实际意义。目前,针对四轮独立线控电动汽车驱动失效问题,多采用基于规则分配的被动容错控制策略,应对预先设定的驱动失效模式,仅对特定故障具有鲁棒性。考虑到线控驱动系统故障的不可预知性,采用主动容错控制的效果更佳。四轮独立线控电动汽车驱动系统主动容错控制尚处于研究阶段,许多问题亟待解决,大体可概括为以下几点:其一,基于重构控制分配的主动容错控制策略,通过对驱动失效的电动汽车动力学控制问题进行解耦,在集成控制架构下,将其转化为控制分配问题,但是仅从整车控制角度出发,缺乏对底层驱动执行器特性的综合考虑。其二,基于重构控制分配的主动容错控制策略,在进行重构控制分配性能指标设计时,多采用基于约束的单目标优化,考虑到驱动系统失效会影响到整车动力学特性,无法保证在重构控制分配中始终得到优化可行解。其三,将线控驱动系统的各职能单元统一为一个功能整体,未对各驱动执行单元之间关联做出定性分析,对失效的线控驱动系统采用输入直接置零的处理方式,忽略各驱动单元自身的故障补偿能力,降低了执行器效率。本文依托国家自然科学基金资助项目“分布式全线控电动汽车可重构集成控制策略研究”(编号:51505178)、“多智能体线控转向系统分层容错控制方法研究”(编号:51505179)及“基于驾驶员特性的新型线控转向系统控制机理和评价方法”(编号:51575223),面向智能电控底盘关键技术,从车辆系统动力学和自动控制理论出发,在分析四轮独立线控电动汽车驱动执行器工作特性和失效机理基础上,以保证车辆行驶安全性为前提,以最大化满足整车动力学需求为目标,提出了一种基于双层架构的线控驱动系统容错控制策略。面向整车控制层,考虑失效因子及故障约束,提出基于控制重构的线控驱动系统容错控制算法,专注于各驱动系统间的协调控制。面向驱动执行层,提出基于故障补偿的线控驱动系统容错控制算法,专注于各驱动系统自身的故障容错。明确各层控制算法的功能需求,形成双层联合容错机制。并针对本文提出的四轮独立线控电动汽车驱动系统主动容错控制策略,进行了台架及实车试验,具体研究内容如下:(1)基于残差理论的线控驱动系统故障诊断算法针对线控驱动系统的轮毂电机本体故障,提出基于参数估计的轮毂电机本体故障诊断算法,将无迹卡尔曼滤波算法与在轮毂电机离散模型相结合,建立轮毂电机内阻参数估计器,并进一步得到电机内阻残差,实现轮毂电机本体故障诊断。针对线控驱动系统的功率逆变器开路故障,提出基于状态估计的功率逆变器开路故障诊断算法,在分析功率逆变器工作特性基础上,建立功率逆变器逻辑模型,结合轮毂电机离散模型,将功率管的开关逻辑和相电流的连续特性统一考虑,建立状态估计器,实现相电流估计,并进一步得到相电流残差,实现功率逆变器开路故障诊断。针对线控驱动系统的霍尔传感器卡死故障,提出基于信号分析的霍尔传感器故障诊断算法,在霍尔信号特性分析的基础上,采用方法融合的方式估算四轮轮速,并进一步得到四轮轮速残差,实现霍尔传感器故障诊断。仿真结果表明:线控驱动系统故障诊断算法可有效识别,并定位上述故障。(2)基于控制重构的线控驱动系统容错控制算法面向整车控制层,以二自由度车辆模型为基础,搭建车辆参考模型,得出期望的车辆状态。结合模型预测控制理论,构建预测模型,以改善车辆的运动跟踪性为目标设计代价函数,考虑底层执行器约束,利用二次规划方法,进行滚动时域优化,求解使车辆达到期望状态时的车体控制总力,实现车辆运动跟踪。通过控制重构分配多目标优化算法,正常行驶时,采用以最小化轮胎负荷率为性能指标的控制优化分配,驱动失效时,以最大化满足车辆纵向力及横摆力矩需求为性能指标,结合失效因子,并在故障约束中考虑简化轮胎摩擦圆约束,将其软化为线性约束条件,以此兼顾车辆稳定性需求,使得四轮独立线控电动汽车在控制分配中均有优化可行解。仿真结果表明:基于控制重构的线控驱动系统容错控制算法,可主动调节驱动失效车辆的纵侧向力分配,在保证车辆行驶安全性的前提下,最大化满足整车动力学需求。(3)基于故障补偿的线控驱动系统容错控制算法面向驱动执行层,针对线控驱动系统驱动控制器故障,进行控制器功能冗余设计,在满足线控驱动系统基本需求的前提下,采用硬件备份的方式,实现功能冗余,并根据控制信号的传输方向,划分容错控制控制逻辑,实现冗余控制器的功能切换。针对线控驱动系统功率逆变器开路故障,提出功率逆变器拓扑重构,利用功率开关冗余特性,将常规的车用逆变器六开关拓扑重构为四开关容错拓扑,采用相电流补偿控制策略,解决四开关容错拓扑应用中由非工作相反电动势效应引起的相电流畸变问题。针对线控驱动系统霍尔传感器卡死故障,提出基于相位补偿的霍尔传感器信号重构,利用霍尔传感器信号在相邻换向周期内具有固定相位延迟的特性,通过对霍尔信号的电平特征提取,确定时间基准、相位延迟点及相位其补偿量,实现霍尔传感器信号重构。通过以上故障补偿算法,实现线控驱动系统自身的故障容错,提高失效线控驱动系统的执行效率。(4)线控驱动系统主动容错控制算法试验研究为了验证本文提出的主动容错控制算法的有效性,分别进行台架试验及实车试验。利用线控驱动系统加载试验台,进一步验证线控驱动系统故障诊断算法和故障补偿算法,具体试验包括:轮毂电机本体故障诊断试验、功率逆变器故障诊断及拓扑重构试验、霍尔传感器故障诊断及霍尔信号重构试验。利用四轮独立线控电动汽车试验平台,进一步验证线控驱动系统控制重构算法,试验工况包括:直线加速单轮失效工况、正弦转向双轮失效工况、阶跃转向双轮失效工况。试验结果表明:驱动系统故障诊断算法、基于故障补偿和基于控制重构的线控驱动系统容错控制算法,均具有良好的实际效果。本文的创新之处在于:(1)提出以“冗余补偿”为主要特征,具有“在线诊断”及“在线容错”功能,以及“控制重构”及“冗余补偿”双层架构的线控驱动系统主动容错控制策略,保证四轮独立线控电动汽车正常行驶及跛行行驶。(2)提出控制重构分配多目标优化算法,驱动正常工况下采用控制优化分配,驱动失效工况下采用基于失效因子和故障约束的控制重构分配,保证四轮独立线控电动汽车控制分配中均有优化可行解。(3)针对四轮独立线控电动汽车驱动系统容错控制中未考虑执行器故障补偿的问题,设计“控制器功能冗余”、“车用功率逆变器电流补偿”及“霍尔传感器相位补偿”,实现“控制器功能重构”、“功率逆变器拓扑重构”以及“霍尔传感器信号重构”,并提高线控驱动系统的执行效率。