引言

近年來(lái)，集成式電控制動(dòng)系統(tǒng)（Integrated Elec—tronic Braking Control System，IBC）正快速發(fā)展，諸多學(xué)者圍繞IBC 壓力控制展開(kāi)研究[13]，針對(duì) IBC的壓力控制算法也已較為成熟，可以實(shí)現(xiàn)IBC壓力的精確控制[]。然而，隨著智能汽車(chē)的發(fā)展，汽車(chē)安全對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)功能提出了更高要求[70]；由于搭載了復(fù)雜的電子電氣系統(tǒng)，IBC存在功能失效風(fēng)險(xiǎn)，而對(duì)于僅依靠 IBC進(jìn)行制動(dòng)控制的智能汽車(chē)，若其IBC功能失效，依靠IBC的機(jī)械備份模式無(wú)法在自動(dòng)駕駛模式下完成制動(dòng)控制，從而威脅駕乘人員生命安全。因此，在保留IBC功能的基礎(chǔ)上搭配冗余制動(dòng)單元(Redundant Brake Unit, RBU)構(gòu)成冗余 電控制動(dòng)系統(tǒng)，并對(duì)冗余電控制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)容錯(cuò)機(jī)制、進(jìn)行容錯(cuò)控制，對(duì)滿足智能汽車(chē)冗余安全要求以及提高制動(dòng)系統(tǒng)可靠性具有重要意義。

提出了不同構(gòu)型方案，大陸集團(tuán)提出了主制動(dòng)單元MK C1和冗余制動(dòng)單元MK 100 HBE配合的方案架構(gòu)，正常模式下，由MK C1完成制動(dòng)，在MK C1失效時(shí)，由 MK 100 HBE 對(duì)前輪進(jìn)行制動(dòng)[10]；博世公司提出了主制動(dòng)單元（Integrated Power Brake，IPB）搭配冗余制動(dòng)單元的布置方案，在正常工作模式下由IPB完成制動(dòng)，IPB失效時(shí)，利用RBU實(shí)現(xiàn)制動(dòng)功能[11]。然而，對(duì)于冗余電控制動(dòng)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)容錯(cuò)控制機(jī)制，并根據(jù)主制動(dòng)單元故障診斷結(jié)果及容錯(cuò)控制機(jī)制設(shè)計(jì)容錯(cuò)控制方法、實(shí)現(xiàn)制動(dòng)系統(tǒng)的容錯(cuò)控制，仍有待研究。

對(duì)于冗余電控制動(dòng)系統(tǒng)，一些企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)針對(duì)電控制動(dòng)系統(tǒng)容錯(cuò)控制方法，眾多學(xué)者進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[12]針對(duì)自動(dòng)駕駛汽車(chē)執(zhí)行器故障設(shè)計(jì)了LPV/H輸出反饋容錯(cuò)控制器和制動(dòng)分配方案，提高了各種類型電液制動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。張利鵬等[13]針對(duì)分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)在輕度回饋制動(dòng)工況下的單側(cè)電機(jī)故障，提出了一種異側(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)矩截?cái)嗫刂坪椭苿?dòng)系統(tǒng)液壓主動(dòng)補(bǔ)償?shù)娜蒎e(cuò)控制方法，該方法能夠使車(chē)輛快速恢復(fù)穩(wěn)定行駛并滿足制動(dòng)強(qiáng)度需求。Ho等[11]提出了一種在電子液壓制動(dòng)系統(tǒng)中壓力傳感器發(fā)生故障時(shí)的容錯(cuò)控制方法，使用基于電機(jī)位置得到的虛擬壓力信號(hào)代替故障后的壓力傳感器信號(hào)作為反饋控制值，并利用最小二乘法對(duì)電機(jī)位置與壓力之間的關(guān)系進(jìn)行在線更新以提升算法的魯棒性。文獻(xiàn)[15]協(xié)同前輪線控轉(zhuǎn)向和線控制動(dòng)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了單輪制動(dòng)失效下制動(dòng)力優(yōu)化分配控制策略，提高了單輪制動(dòng)失效的車(chē)輛制動(dòng)穩(wěn)定性。熊璐等[1]根據(jù)電子液壓制動(dòng)系統(tǒng)的線控和解耦特性，通過(guò)調(diào)節(jié)主缸壓力來(lái)實(shí)現(xiàn)ABS功能的冗余，在常規(guī)ABS功能失效時(shí)保證車(chē)輛的穩(wěn)定性。雖然上述研究為電控制動(dòng)系統(tǒng)提供了豐富的容錯(cuò)控制方法，但是在深入研究后不難發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有研究多為單純的軟件冗余容錯(cuò)控制，并未有效結(jié)合硬件冗余容錯(cuò)控制，雖然這類容錯(cuò)控制方法成本低、使制動(dòng)系統(tǒng)的可靠性有所提高，但是對(duì)于很多諸如電機(jī)系統(tǒng)故障等僅依靠軟件冗余很難實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的容錯(cuò)控制，這將導(dǎo)致電控制動(dòng)系統(tǒng)存在安全隱患，無(wú)法滿足現(xiàn)階段智能汽車(chē)對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)在安全方面的需求。

因此，本文以現(xiàn)有研究中冗余電控制動(dòng)系統(tǒng)容錯(cuò)機(jī)制與硬件冗余容錯(cuò)控制研究不足作為切入點(diǎn)，以滿足L3及以上等級(jí)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)安全要求作為研究目標(biāo)，設(shè)計(jì)針對(duì)冗余電控制動(dòng)系統(tǒng)電流傳感器故障的容錯(cuò)控制機(jī)制，根據(jù)電流傳感器故障狀態(tài)選擇不同的容錯(cuò)控制方法，有效結(jié)合軟件冗余與硬件冗余容錯(cuò)控制，極大提高智能汽車(chē)電控制動(dòng)系統(tǒng)的可靠性。本文首先分析冗余電控制動(dòng)系統(tǒng)工作原理，設(shè)計(jì)系統(tǒng)容錯(cuò)機(jī)制，并對(duì)電流傳感器進(jìn)行故障診斷，獲取冗余電控制動(dòng)系統(tǒng)故障狀態(tài)以實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)機(jī)制對(duì)容錯(cuò)控制方法的選擇；然后，設(shè)計(jì)基于坐標(biāo)變換的軟件冗余容錯(cuò)控制方法以實(shí)現(xiàn)單相電流傳感器故障容錯(cuò)控制，分析RBU中進(jìn)液閥的增壓特性和出液閥的減壓特性，并據(jù)此設(shè)計(jì)RBU的控制算法以完成基于RBU的硬件冗余容錯(cuò)控制方法來(lái)實(shí)現(xiàn)多相電流傳感器故障容錯(cuò)控制；最后，搭建硬件在環(huán)試驗(yàn)臺(tái)，進(jìn)行硬件在環(huán)試驗(yàn)驗(yàn)證。

1冗余電控制動(dòng)系統(tǒng)控制架構(gòu)

1.1冗余制動(dòng)系統(tǒng)工作原理

本文研究的冗余電控制動(dòng)系統(tǒng)由IBC和RBU組成，RBU布置于IBC與兩前輪輪缸之間，結(jié)構(gòu)如圖1所示。在正常工作狀態(tài)下，由IBC系統(tǒng)進(jìn)行控制，當(dāng)駕駛?cè)瞬认轮苿?dòng)踏板或接收到上層的目標(biāo)制動(dòng)壓力時(shí)，打開(kāi)IBC控制閥，關(guān)閉IBC隔離閥，采用壓力環(huán)、位置環(huán)、電流環(huán)的級(jí)聯(lián)式三閉環(huán)控制算法完成永磁同步電機(jī)(Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM）的控制，經(jīng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)推動(dòng)伺服缸活塞建立壓力，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)IBC的壓力控制完成制動(dòng)動(dòng)作；當(dāng)檢測(cè)到IBC功能失效時(shí)，此時(shí)若駕駛?cè)瞬认轮苿?dòng)踏板或接收到上層的目標(biāo)制動(dòng)壓力時(shí)，則打開(kāi)IBC隔離閥，關(guān)閉IBC控制閥，IBC進(jìn)入機(jī)械備份狀態(tài)，同時(shí)打開(kāi)RBU吸入閥，關(guān)閉RBU隔離閥，通過(guò)控制RBU電機(jī)帶動(dòng)液壓泵對(duì)兩前輪進(jìn)行建壓，完成制動(dòng)動(dòng)作。

圖1 冗余電控制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2冗余電控制動(dòng)系統(tǒng)電流傳感器故障容錯(cuò)機(jī)制

當(dāng)冗余電控制動(dòng)系統(tǒng)收到上層系統(tǒng)目標(biāo)壓力或從踏板位移傳感器信號(hào)計(jì)算得到目標(biāo)壓力后，系統(tǒng)向IBC發(fā)送目標(biāo)壓力，同時(shí)計(jì)算僅前輪制動(dòng)時(shí)所需的目標(biāo)壓力發(fā)送至RBU，RBU以激活信號(hào)作為開(kāi)始工作標(biāo)志；在正常工作狀態(tài)時(shí)RBU處于未激活狀態(tài)，僅由IBC進(jìn)行制動(dòng)，同時(shí)對(duì)IBC的電流傳感器進(jìn)行故障診斷，并依據(jù)診斷結(jié)果制定容錯(cuò)控制機(jī)制，實(shí)施容錯(cuò)控制。

電流傳感器在PMSM控制中起到重要作用，若其故障將造成PMSM控制異常，進(jìn)而造成制動(dòng)系統(tǒng)功能失效。電流傳感器的故障診斷方法在第1.3節(jié)詳細(xì)介紹，根據(jù)故障診斷結(jié)果可以將電機(jī)電流傳感器故障狀態(tài)分為無(wú)故障狀態(tài)和有故障狀態(tài)。無(wú)故障狀態(tài)下采用級(jí)聯(lián)式三閉環(huán)控制算法利用三相電流信號(hào)完成IBC控制；有故障時(shí)則根據(jù)故障傳感器數(shù)量Nm分為單相電流傳感器故障狀態(tài)和多相電流傳感器故障狀態(tài)，據(jù)此選擇軟件冗余或硬件冗余容錯(cuò)控制方法完成冗余電控制動(dòng)系統(tǒng)容錯(cuò)控制。

本文設(shè)計(jì)的冗余電控制動(dòng)系統(tǒng)電流傳感器故障容錯(cuò)控制機(jī)制如圖2所示，所采用的容錯(cuò)控制方法包括基于坐標(biāo)變換的軟件冗余容錯(cuò)控制和基于RBU的硬件冗余容錯(cuò)控制。根據(jù)電流傳感器故障診斷結(jié)果確認(rèn)系統(tǒng)故障狀態(tài)，若診斷結(jié)果為單相電流傳感器故障，采用基于坐標(biāo)變換的軟件冗余容錯(cuò)控制，在輸出系統(tǒng)故障狀態(tài)的同時(shí)，利用坐標(biāo)變換重構(gòu)電流，此時(shí)不發(fā)送RBU激活信號(hào)，仍采用IBC完成制動(dòng)壓力控制；若檢測(cè)結(jié)果為多相電流傳感器故障，IBC進(jìn)入機(jī)械備份狀態(tài)（第1.1節(jié)所述），同時(shí)輸出RBU激活信號(hào)，通過(guò)RBU控制算法對(duì)兩前輪輪缸建壓完成制動(dòng)動(dòng)作，具體容錯(cuò)控制方法將在第2節(jié)中進(jìn)行詳細(xì)介紹。

圖B 冗余電控制動(dòng)系統(tǒng)電流傳感器故障容錯(cuò)機(jī)制

1.3基于坐標(biāo)變換的電流傳感器故障診斷

本節(jié)針對(duì)PMSM電機(jī)電流傳感器進(jìn)行故障診斷以獲得冗余電控制動(dòng)系統(tǒng)故障狀態(tài)。PMSM電機(jī)控制中采用的坐標(biāo)變換包括靜止坐標(biāo)變換（Clark變換）和同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換（Park變換），各坐標(biāo)系如圖3所示，其中：A、B、C為三相坐標(biāo)系；a、3為靜止坐標(biāo)系；d、q為同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系；d軸為勵(lì)磁分量；q軸為力矩分量；0。為電角度；。為轉(zhuǎn)子角速度?；谧鴺?biāo)變換的電流傳感器故障診斷邏輯如圖4所示。

圖3 PMSM電機(jī)坐標(biāo)系

圖4 電流傳感器故障診斷邏輯

為確定A、B、C三相電流傳感器的故障狀態(tài)，首先假定A相軸線方向與a相同向，將測(cè)得的A、B、C三相電流利用坐標(biāo)轉(zhuǎn)換式（1）轉(zhuǎn)換為a、3兩相電流。由式（1）可知，如果A相電流傳感器出現(xiàn)故障，那么a相和B相的電流均錯(cuò)誤；如果B相電流傳感器出現(xiàn)故障，則a相對(duì)應(yīng)的電流正確，而B(niǎo)相對(duì)應(yīng)的電流錯(cuò)誤；如果C相電流傳感器出現(xiàn)故障，a相和3相的電流均正確。因此在得到一個(gè)準(zhǔn)確的a相和B相的電流估計(jì)值時(shí)，就可以檢測(cè)A、B相電流傳感器的故障情況。本文選擇利用d、q軸電流的目標(biāo)值經(jīng)過(guò)Park逆變換作為a、B相的電流估計(jì)值進(jìn)行A、B相電流傳感器的故障檢測(cè)，如式（2）所示。式（1）、（2）可表示為

式中：i、i為a相與B相電流；i、i為A相與B相電流；is、分別為a相與B相電流估計(jì)值；id分別為d軸與q軸電流目標(biāo)值；0為轉(zhuǎn)子電角度。

同理，假設(shè)a相分別與B、C相軸線處于同一方向，可以得到相應(yīng)坐標(biāo)系下a相電流、以及電流估計(jì)值即

式中：ic為C相電流。

由上述分析可知，a相電流值的正確與否僅和與a相同一軸向電流傳感器有關(guān)，因此對(duì)用不同坐標(biāo)系獲得的3組a相電流值與a相電流估計(jì)值分別進(jìn)行殘差計(jì)算，即

式中：Y、Y1、Y2分別為3種坐標(biāo)變換下的a相電流殘差。

當(dāng)殘差大于閾值時(shí)判定對(duì)應(yīng)的電流傳感器發(fā)生故障[18—20，經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)測(cè)試，將閾值Threshold選擇為

由于電機(jī)控制過(guò)程中存在電流波動(dòng)較大的情況，可能造成部分時(shí)間殘差較大，出現(xiàn)短暫的殘差超過(guò)閾值情況。為避免故障誤報(bào)，選擇在殘差和閾值的比較過(guò)程加入一個(gè)時(shí)間閾值判斷，僅當(dāng)殘差絕對(duì)值持續(xù)大于閾值超過(guò)10ms后才判定發(fā)生故障。

2 容錯(cuò)控制方法

針對(duì)電流傳感器故障狀態(tài)，設(shè)計(jì)基于坐標(biāo)變換的軟件冗余容錯(cuò)控制方法以及基于RBU的硬件冗余容錯(cuò)控制方法。

2.1基于坐標(biāo)變換的軟件冗余容錯(cuò)控制

對(duì)于單相電流傳感器故障，由于IBC控制算法中電流環(huán)采用的是矢量控制112，因此可以根據(jù)坐標(biāo)變換方法選擇合適的坐標(biāo)重構(gòu)d、q軸電流信號(hào)完成容錯(cuò)控制。例如，若C相電流傳感器故障時(shí)，選擇a相與A相軸線處于同一方向的坐標(biāo)變換d、q軸電流值為

同理可以獲得A、B相電流傳感器故障時(shí)的d、q軸電流值如式（10）、（11）所示，完成單相電流傳感器故障時(shí)的容錯(cuò)控制。式（10）、（11）可表示為

2.2 基于RBU的硬件冗余容錯(cuò)控制

對(duì)于多相電流傳感器故障，采用級(jí)聯(lián)式三閉環(huán)控制算法已經(jīng)無(wú)法完成IBC系統(tǒng)的控制，此時(shí)IBC進(jìn)入機(jī)械備份狀態(tài)，同時(shí)向RBU發(fā)送激活信號(hào)，由RBU完成建壓實(shí)現(xiàn)制動(dòng)動(dòng)作。由于RBU僅對(duì)前輪輪缸建立制動(dòng)壓力，與IBC同時(shí)對(duì)前后輪建壓不同，因此利用式（12）重新計(jì)算目標(biāo)制動(dòng)壓力，即

式中：P為目標(biāo)壓力；F為期望制動(dòng)力；r為車(chē)輪滾動(dòng)半徑；Km為前輪輪缸制動(dòng)效能因數(shù)。

獲得目標(biāo)壓力后對(duì)RBU進(jìn)行控制完成建壓。為實(shí)現(xiàn)RBU的精確壓力控制，首先需要對(duì)其電磁閥進(jìn)行特性分析，然后設(shè)計(jì)增減壓控制策略。

2.2.1 RBU電磁閥特性分析與測(cè)試

RBU的進(jìn)液閥、出液閥均采用高速開(kāi)關(guān)閥，利用脈沖寬度調(diào)制(Pulse Width Modulation,PWM)的方式實(shí)現(xiàn)閥開(kāi)度的調(diào)節(jié)以控制通過(guò)閥的制動(dòng)液流速。在閥工作時(shí)閥芯推桿主要受到電磁力Fm、彈簧力F、液壓力F以及相對(duì)較小的摩擦阻力和黏性阻力，在忽略較小的阻力后，閥芯推桿受力情況如圖5所示，其中在通電后，閥芯推桿受到的電磁力如式(13)所示

式中：μ為空氣磁導(dǎo)率；Iv為通過(guò)線圈的電流；N為電磁閥線圈匝數(shù)；δ為空氣氣隙長(zhǎng)度；S為空氣氣隙面積。

圖5 電磁閥閥芯推桿受力分析

當(dāng)電磁閥通電工作時(shí)，開(kāi)始產(chǎn)生電磁力，閥芯推桿處于受力不平衡狀態(tài)，開(kāi)始移動(dòng)；隨著閥芯位置的不斷變化，空氣氣隙的長(zhǎng)度和面積都在發(fā)生變化，從而引起電磁力的不斷改變；當(dāng)閥芯推桿受力平衡時(shí)，閥芯將穩(wěn)定保持某位置不動(dòng)，空氣氣隙的長(zhǎng)度和面積不再發(fā)生改變，制動(dòng)液流動(dòng)的空隙也不再改變，若此時(shí)電磁閥兩側(cè)壓力確定，則制動(dòng)液流量也可確定。由式（13）可知，閥芯推桿所受電磁力Fm與通過(guò)線圈的電流I的平方成正比，因此可以通過(guò)控制電流I，控制制動(dòng)液流量。

通電后，電磁閥的電壓方程為

式中：U、為線圈兩端電壓；1，為通過(guò)線圈的電流；R為線圈電阻；L為電磁閥電感；K、為線圈反電動(dòng)勢(shì)系數(shù)。

使用 PWM 信號(hào)對(duì)閥進(jìn)行控制時(shí)，通過(guò)閥線圈的電流 1、為

式中：r=L/R為閥線圈時(shí)間常數(shù)；Dp為PWM信號(hào)占空比；TP為PWM信號(hào)周期；dI。為電流變化量。

聯(lián)立式（14）、（15）可得