智能汽车冗余电控制动系统电流传感器故障容错控制

引言

近年来，集成式电控制动系统（Integrated Elec—tronic Braking Control System，IBC）正快速发展，诸多学者围绕IBC 压力控制展开研究[13]，针对 IBC的压力控制算法也已较为成熟，可以实现IBC压力的精确控制[]。然而，随着智能汽车的发展，汽车安全对制动系统功能提出了更高要求[70]；由于搭载了复杂的电子电气系统，IBC存在功能失效风险，而对于仅依靠 IBC进行制动控制的智能汽车，若其IBC功能失效，依靠IBC的机械备份模式无法在自动驾驶模式下完成制动控制，从而威胁驾乘人员生命安全。因此，在保留IBC功能的基础上搭配冗余制动单元(Redundant Brake Unit, RBU)构成冗余 电控制动系统，并对冗余电控制动系统设计容错机制、进行容错控制，对满足智能汽车冗余安全要求以及提高制动系统可靠性具有重要意义。

提出了不同构型方案，大陆集团提出了主制动单元MK C1和冗余制动单元MK 100 HBE配合的方案架构，正常模式下，由MK C1完成制动，在MK C1失效时，由 MK 100 HBE 对前轮进行制动[10]；博世公司提出了主制动单元（Integrated Power Brake，IPB）搭配冗余制动单元的布置方案，在正常工作模式下由IPB完成制动，IPB失效时，利用RBU实现制动功能[11]。然而，对于冗余电控制动系统，设计容错控制机制，并根据主制动单元故障诊断结果及容错控制机制设计容错控制方法、实现制动系统的容错控制，仍有待研究。

对于冗余电控制动系统，一些企业和研究机构针对电控制动系统容错控制方法，众多学者进行了研究。文献[12]针对自动驾驶汽车执行器故障设计了LPV/H输出反馈容错控制器和制动分配方案，提高了各种类型电液制动系统的稳定性和安全性。张利鹏等[13]针对分布式驱动电动汽车在轻度回馈制动工况下的单侧电机故障，提出了一种异侧电机转矩截断控制和制动系统液压主动补偿的容错控制方法，该方法能够使车辆快速恢复稳定行驶并满足制动强度需求。Ho等[11]提出了一种在电子液压制动系统中压力传感器发生故障时的容错控制方法，使用基于电机位置得到的虚拟压力信号代替故障后的压力传感器信号作为反馈控制值，并利用最小二乘法对电机位置与压力之间的关系进行在线更新以提升算法的鲁棒性。文献[15]协同前轮线控转向和线控制动系统，设计了单轮制动失效下制动力优化分配控制策略，提高了单轮制动失效的车辆制动稳定性。熊璐等[1]根据电子液压制动系统的线控和解耦特性，通过调节主缸压力来实现ABS功能的冗余，在常规ABS功能失效时保证车辆的稳定性。虽然上述研究为电控制动系统提供了丰富的容错控制方法，但是在深入研究后不难发现，现有研究多为单纯的软件冗余容错控制，并未有效结合硬件冗余容错控制，虽然这类容错控制方法成本低、使制动系统的可靠性有所提高，但是对于很多诸如电机系统故障等仅依靠软件冗余很难实现系统的容错控制，这将导致电控制动系统存在安全隐患，无法满足现阶段智能汽车对制动系统在安全方面的需求。

因此，本文以现有研究中冗余电控制动系统容错机制与硬件冗余容错控制研究不足作为切入点，以满足L3及以上等级自动驾驶系统安全要求作为研究目标，设计针对冗余电控制动系统电流传感器故障的容错控制机制，根据电流传感器故障状态选择不同的容错控制方法，有效结合软件冗余与硬件冗余容错控制，极大提高智能汽车电控制动系统的可靠性。本文首先分析冗余电控制动系统工作原理，设计系统容错机制，并对电流传感器进行故障诊断，获取冗余电控制动系统故障状态以实现容错机制对容错控制方法的选择；然后，设计基于坐标变换的软件冗余容错控制方法以实现单相电流传感器故障容错控制，分析RBU中进液阀的增压特性和出液阀的减压特性，并据此设计RBU的控制算法以完成基于RBU的硬件冗余容错控制方法来实现多相电流传感器故障容错控制；最后，搭建硬件在环试验台，进行硬件在环试验验证。

1冗余电控制动系统控制架构

1.1冗余制动系统工作原理

本文研究的冗余电控制动系统由IBC和RBU组成，RBU布置于IBC与两前轮轮缸之间，结构如图1所示。在正常工作状态下，由IBC系统进行控制，当驾驶人踩下制动踏板或接收到上层的目标制动压力时，打开IBC控制阀，关闭IBC隔离阀，采用压力环、位置环、电流环的级联式三闭环控制算法完成永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM）的控制，经传动机构推动伺服缸活塞建立压力，从而实现对IBC的压力控制完成制动动作；当检测到IBC功能失效时，此时若驾驶人踩下制动踏板或接收到上层的目标制动压力时，则打开IBC隔离阀，关闭IBC控制阀，IBC进入机械备份状态，同时打开RBU吸入阀，关闭RBU隔离阀，通过控制RBU电机带动液压泵对两前轮进行建压，完成制动动作。

图1 冗余电控制动系统结构

1.2冗余电控制动系统电流传感器故障容错机制

当冗余电控制动系统收到上层系统目标压力或从踏板位移传感器信号计算得到目标压力后，系统向IBC发送目标压力，同时计算仅前轮制动时所需的目标压力发送至RBU，RBU以激活信号作为开始工作标志；在正常工作状态时RBU处于未激活状态，仅由IBC进行制动，同时对IBC的电流传感器进行故障诊断，并依据诊断结果制定容错控制机制，实施容错控制。

电流传感器在PMSM控制中起到重要作用，若其故障将造成PMSM控制异常，进而造成制动系统功能失效。电流传感器的故障诊断方法在第1.3节详细介绍，根据故障诊断结果可以将电机电流传感器故障状态分为无故障状态和有故障状态。无故障状态下采用级联式三闭环控制算法利用三相电流信号完成IBC控制；有故障时则根据故障传感器数量Nm分为单相电流传感器故障状态和多相电流传感器故障状态，据此选择软件冗余或硬件冗余容错控制方法完成冗余电控制动系统容错控制。

本文设计的冗余电控制动系统电流传感器故障容错控制机制如图2所示，所采用的容错控制方法包括基于坐标变换的软件冗余容错控制和基于RBU的硬件冗余容错控制。根据电流传感器故障诊断结果确认系统故障状态，若诊断结果为单相电流传感器故障，采用基于坐标变换的软件冗余容错控制，在输出系统故障状态的同时，利用坐标变换重构电流，此时不发送RBU激活信号，仍采用IBC完成制动压力控制；若检测结果为多相电流传感器故障，IBC进入机械备份状态（第1.1节所述），同时输出RBU激活信号，通过RBU控制算法对两前轮轮缸建压完成制动动作，具体容错控制方法将在第2节中进行详细介绍。

图B 冗余电控制动系统电流传感器故障容错机制

1.3基于坐标变换的电流传感器故障诊断

本节针对PMSM电机电流传感器进行故障诊断以获得冗余电控制动系统故障状态。PMSM电机控制中采用的坐标变换包括静止坐标变换（Clark变换）和同步旋转坐标变换（Park变换），各坐标系如图3所示，其中：A、B、C为三相坐标系；a、3为静止坐标系；d、q为同步旋转坐标系；d轴为励磁分量；q轴为力矩分量；0。为电角度；。为转子角速度。基于坐标变换的电流传感器故障诊断逻辑如图4所示。

图3 PMSM电机坐标系

图4 电流传感器故障诊断逻辑

为确定A、B、C三相电流传感器的故障状态，首先假定A相轴线方向与a相同向，将测得的A、B、C三相电流利用坐标转换式（1）转换为a、3两相电流。由式（1）可知，如果A相电流传感器出现故障，那么a相和B相的电流均错误；如果B相电流传感器出现故障，则a相对应的电流正确，而B相对应的电流错误；如果C相电流传感器出现故障，a相和3相的电流均正确。因此在得到一个准确的a相和B相的电流估计值时，就可以检测A、B相电流传感器的故障情况。本文选择利用d、q轴电流的目标值经过Park逆变换作为a、B相的电流估计值进行A、B相电流传感器的故障检测，如式（2）所示。式（1）、（2）可表示为

式中：i、i为a相与B相电流；i、i为A相与B相电流；is、分别为a相与B相电流估计值；id分别为d轴与q轴电流目标值；0为转子电角度。

同理，假设a相分别与B、C相轴线处于同一方向，可以得到相应坐标系下a相电流、以及电流估计值即

式中：ic为C相电流。

由上述分析可知，a相电流值的正确与否仅和与a相同一轴向电流传感器有关，因此对用不同坐标系获得的3组a相电流值与a相电流估计值分别进行残差计算，即

式中：Y、Y1、Y2分别为3种坐标变换下的a相电流残差。

当残差大于阈值时判定对应的电流传感器发生故障[18—20，经过多次试验测试，将阈值Threshold选择为

由于电机控制过程中存在电流波动较大的情况，可能造成部分时间残差较大，出现短暂的残差超过阈值情况。为避免故障误报，选择在残差和阈值的比较过程加入一个时间阈值判断，仅当残差绝对值持续大于阈值超过10ms后才判定发生故障。

2 容错控制方法

针对电流传感器故障状态，设计基于坐标变换的软件冗余容错控制方法以及基于RBU的硬件冗余容错控制方法。

2.1基于坐标变换的软件冗余容错控制

对于单相电流传感器故障，由于IBC控制算法中电流环采用的是矢量控制112，因此可以根据坐标变换方法选择合适的坐标重构d、q轴电流信号完成容错控制。例如，若C相电流传感器故障时，选择a相与A相轴线处于同一方向的坐标变换d、q轴电流值为

同理可以获得A、B相电流传感器故障时的d、q轴电流值如式（10）、（11）所示，完成单相电流传感器故障时的容错控制。式（10）、（11）可表示为

2.2 基于RBU的硬件冗余容错控制

对于多相电流传感器故障，采用级联式三闭环控制算法已经无法完成IBC系统的控制，此时IBC进入机械备份状态，同时向RBU发送激活信号，由RBU完成建压实现制动动作。由于RBU仅对前轮轮缸建立制动压力，与IBC同时对前后轮建压不同，因此利用式（12）重新计算目标制动压力，即

式中：P为目标压力；F为期望制动力；r为车轮滚动半径；Km为前轮轮缸制动效能因数。

获得目标压力后对RBU进行控制完成建压。为实现RBU的精确压力控制，首先需要对其电磁阀进行特性分析，然后设计增减压控制策略。

2.2.1 RBU电磁阀特性分析与测试

RBU的进液阀、出液阀均采用高速开关阀，利用脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation,PWM)的方式实现阀开度的调节以控制通过阀的制动液流速。在阀工作时阀芯推杆主要受到电磁力Fm、弹簧力F、液压力F以及相对较小的摩擦阻力和黏性阻力，在忽略较小的阻力后，阀芯推杆受力情况如图5所示，其中在通电后，阀芯推杆受到的电磁力如式(13)所示

式中：μ为空气磁导率；Iv为通过线圈的电流；N为电磁阀线圈匝数；δ为空气气隙长度；S为空气气隙面积。

图5 电磁阀阀芯推杆受力分析

当电磁阀通电工作时，开始产生电磁力，阀芯推杆处于受力不平衡状态，开始移动；随着阀芯位置的不断变化，空气气隙的长度和面积都在发生变化，从而引起电磁力的不断改变；当阀芯推杆受力平衡时，阀芯将稳定保持某位置不动，空气气隙的长度和面积不再发生改变，制动液流动的空隙也不再改变，若此时电磁阀两侧压力确定，则制动液流量也可确定。由式（13）可知，阀芯推杆所受电磁力Fm与通过线圈的电流I的平方成正比，因此可以通过控制电流I，控制制动液流量。

通电后，电磁阀的电压方程为

式中：U、为线圈两端电压；1，为通过线圈的电流；R为线圈电阻；L为电磁阀电感；K、为线圈反电动势系数。

使用 PWM 信号对阀进行控制时，通过阀线圈的电流 1、为

式中：r=L/R为阀线圈时间常数；Dp为PWM信号占空比；TP为PWM信号周期；dI。为电流变化量。

联立式（14）、（15）可得