李冰，　許一男

( 延邊大學(xué)工學(xué)院 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)， 吉林 延吉 133002 )

?

汽車電子制動(dòng)踏板模擬器中傳感器的容錯(cuò)控制研究

李冰，許一男*

( 延邊大學(xué)工學(xué)院 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)， 吉林 延吉 133002 )

摘要：根據(jù)汽車電子制動(dòng)踏板模擬器的物理結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)特性，建立了電子制動(dòng)踏板模擬器的數(shù)學(xué)模型.針對(duì)電子制動(dòng)踏板模擬器中搭載的角位移傳感器和踏板力傳感器，提出了一種傳感器的容錯(cuò)控制架構(gòu)模型.軟硬件仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，電子制動(dòng)踏板模擬器中的傳感器在出現(xiàn)故障的狀態(tài)下，電子制動(dòng)踏板模擬器仍能準(zhǔn)確地估計(jì)出傳感器的輸出值，使電子制動(dòng)踏板模擬器仍能正常運(yùn)行，提高了電子制動(dòng)踏板模擬器的可靠性. 傳感器； 容錯(cuò)控制； 電子機(jī)械制動(dòng)器； 電子制動(dòng)踏板模擬器 TP11

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

隨著汽車電子化進(jìn)程不斷加快和汽車制造技術(shù)不斷成熟，基于線控技術(shù)(x-by-wire)的電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)(Electro-mechanical Brake,EMB)逐漸成為下一代汽車制動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展方向[1-2].電子制動(dòng)踏板模擬器是駕駛員與EMB執(zhí)行器之間的橋梁，它能給駕駛員提供與傳統(tǒng)制動(dòng)系統(tǒng)類似的制動(dòng)踏板感覺[3-4].良好的制動(dòng)踏板感覺，不僅可以提高駕車舒適性和安全性，而且是駕駛員對(duì)純電動(dòng)汽車制動(dòng)系統(tǒng)性能主觀評(píng)價(jià)的主要因素，所以電子制動(dòng)踏板模擬器的性能好壞具有重要意義.電子制動(dòng)踏板模擬器由踏板感覺模擬器、踏板單元傳感器、踏板及支撐架等組成，如圖1所示.其中一旦傳感器出現(xiàn)故障，就會(huì)無(wú)法正確地描述駕駛員的制動(dòng)意圖，造成整個(gè)EMB系統(tǒng)的失效，易導(dǎo)致交通事故；因此，電子制動(dòng)踏板模擬器的傳感器要具有容錯(cuò)控制能力[5-6].為了準(zhǔn)確地描述駕駛員的制動(dòng)意圖，并在電子制動(dòng)踏板模擬器中的傳感器出現(xiàn)故障時(shí)，電子制動(dòng)踏板模擬器仍能正常運(yùn)行，本文提出了一種基于解析重構(gòu)模型的自適應(yīng)容錯(cuò)控制方法.

圖1　電子制動(dòng)踏板模擬器的物理結(jié)構(gòu)

1電子制動(dòng)踏板模擬器的數(shù)學(xué)模型

電子制動(dòng)踏板模擬器中搭載的角位移傳感器用于測(cè)量踏板的轉(zhuǎn)角變化，壓力傳感器用于測(cè)量踏板力，扭轉(zhuǎn)彈簧用于模擬踏板感覺，當(dāng)駕駛員松開踏板時(shí),扭轉(zhuǎn)彈簧使踏板回復(fù)原位.根據(jù)電子制動(dòng)踏板的運(yùn)動(dòng)特性，在慣性條件下其運(yùn)動(dòng)方程描述為：

(1)

式中α為踏板角位移， Mp是踏板力矩， Mb是踏板反向力矩， k2是復(fù)位彈簧系數(shù)， d是衰減系數(shù)， J是慣性系數(shù).根據(jù)方程(1)，建立電子制動(dòng)踏板模擬器的狀態(tài)方程：

(2)

根據(jù)電子制動(dòng)踏板模擬器的物理結(jié)構(gòu)，建立踏板力矩和踏板力之間的關(guān)系表達(dá)式：

Mp=Fpl,

(3)

式中F為踏板力， l為踏板長(zhǎng)度.

2基于解析重構(gòu)模型的容錯(cuò)控制架構(gòu)模型

當(dāng)故障檢測(cè)器檢測(cè)出傳感器的故障之后，需要隔離故障傳感器，并建立故障傳感器的重構(gòu)模型.故障傳感器的輸出信號(hào)可以利用電子制動(dòng)踏板模擬器的數(shù)學(xué)模型和無(wú)故障傳感器的信號(hào)值來(lái)估計(jì).由于電子制動(dòng)踏板模擬器的移位過(guò)程較短，對(duì)踏板角速度和角加速度的影響小，因此在描述踏板力與踏板角位移的關(guān)系時(shí)可以忽略踏板角速度和角加速度.根據(jù)式(1)，可以建立角位移傳感器的重構(gòu)模型(式(4))和踏板力傳感器的重構(gòu)模型(式(5)):

(4)

(5)

本文通過(guò)電子制動(dòng)踏板模擬器的角位移傳感器和踏板力傳感器的重構(gòu)模型來(lái)建立容錯(cuò)控制架構(gòu)，如圖2所示.

圖2　電子制動(dòng)踏板模擬器的容錯(cuò)控制架構(gòu)模型

3仿真驗(yàn)證

為驗(yàn)證本文所提出的容錯(cuò)控制方法的可靠性，利用商用的電子制動(dòng)踏板模擬器來(lái)實(shí)現(xiàn)硬件在環(huán)實(shí)驗(yàn)，如圖3所示.在電子自動(dòng)踏板模擬器上輸入的踏板角位移和踏板力的傳感器信號(hào)各通過(guò)放大器放大信號(hào)后進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，從而獲得2種傳感器的數(shù)字信號(hào).為了實(shí)現(xiàn)基于硬件系統(tǒng)的集成控制目標(biāo)，本研究利用ARM處理器和FPGA來(lái)實(shí)現(xiàn)故障診斷模塊和容錯(cuò)控制模塊.上述2種傳感器的數(shù)字信號(hào)各輸入到故障診斷單元和容錯(cuò)控制單元，其最終的信號(hào)通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換之后輸出到示波器.

圖3　硬件在環(huán)實(shí)驗(yàn)環(huán)境

圖4為踏板角位移傳感器的硬件仿真結(jié)果圖，其中： (a)為踏板力傳感器的實(shí)際輸出值，該傳感器正常運(yùn)行； (b)為踏板角位移傳感器的實(shí)際輸出值，在0到3.1 s之間該傳感器正常運(yùn)行，在3.1 s時(shí)刻該傳感器出現(xiàn)了故障，因此該時(shí)刻輸出信號(hào)為零； (c)為踏板角位移傳感器的容錯(cuò)控制輸出值，該信號(hào)在3.1 s時(shí)刻檢測(cè)出故障之后能較準(zhǔn)確地估計(jì)出踏板角位移傳感器的輸出信號(hào).

圖4　踏板角位移傳感器的硬件仿真結(jié)果圖

圖5為踏板力傳感器的硬件仿真結(jié)果圖，其中： (a)為踏板角位移傳感器的實(shí)際輸出值，該傳感器正常運(yùn)行； (b)為踏板力傳感器的實(shí)際輸出值，在0到3.1 s之間該傳感器正常運(yùn)行，在3.1 s時(shí)刻該傳感器出現(xiàn)了故障，因此該時(shí)刻輸出信號(hào)為零； (c)為踏板力傳感器的容錯(cuò)控制輸出值，該信號(hào)在3.1 s時(shí)刻檢測(cè)出故障之后能比較準(zhǔn)確地估計(jì)出踏板力傳感器的輸出信號(hào).

圖5　踏板力傳感器的硬件仿真結(jié)果圖

4結(jié)論

本文建立了一種電子制動(dòng)踏板模擬器的數(shù)學(xué)模型，并建立了一種基于解析重構(gòu)模型的傳感器自適應(yīng)容錯(cuò)架構(gòu)模型.當(dāng)檢測(cè)到傳感器存在故障時(shí)，信號(hào)切換到故障傳感器的重構(gòu)模型，在硬件在環(huán)實(shí)驗(yàn)環(huán)境下能準(zhǔn)確地估計(jì)出傳感器正常工作狀態(tài)時(shí)的信號(hào).本文的研究結(jié)果提高了電子制動(dòng)踏板模擬器的主動(dòng)安全性和可靠性，但本文研究的電子制動(dòng)踏板模擬器的數(shù)學(xué)模型方案在非線性狀態(tài)下建立數(shù)學(xué)模型有待進(jìn)一步研究.

參考文獻(xiàn)：

[1]張冬明.新能源汽車推廣應(yīng)用相關(guān)政策及趨勢(shì)分析[J].汽車工業(yè)研究,2015(1):19-23.

[2]張晨曦,文福拴,薛禹勝,等.電動(dòng)汽車發(fā)展的社會(huì)綜合效益分析[J].華北電力大學(xué)學(xué)報(bào)，2014,41(3):55-63.

[3]Dardanelli A, Alli G, Savaresi S. Modeling and control of an electro-mechanical Brake-by-wire actuator for a sport motorbike[C]//5th IFAC Symposium on Mechatronic Systems. Marriott Boston Cambridge, United States of America. International Federation of Automatic Control, 2010:524-531.

[4]Choe B D, Hwang W H, Huh K S. Modeling of EMB (Electro Mechanical Brake) to emulate gearbox fault and control[J]. Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, 2012,20(6):33-38.

[5]Li C Y, Xu Y N. Research of fault detection and diagnosis for EMB sensors system based on particle filter[J]. International Journal of Modeling and Optimization, 2014,4(4):342-345.

[6]Foo G H B, Zhang X, Vilathgamuwa D M. A sensor fault detection and isolation method in interior permanent-magnet synchronous motor drives based on an extended Kalman filter[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2013,60(8):3485-3495.

A study of sensor fault-tolerant control for vehicleelectronic brake pedal simulator

LI Bing,XU Yinan*

(DepartmentofComputerScience&Technology,CollegeofEngineering,

YanbianUniversity,Yanji133002,China)

Abstract：A mathematical model of the vehicle electronic brake pedal simulator is established according to the physical structure and motion characteristics of that. A sensor fault diagnosis method is proposed for the angular displacement sensor and pedal force sensor in electronic brake pedal simulator. The SW/HW simulation results show that in a sensor failure, the fault-tolerant control architecture model estimates the sensor output value in the normal state, which makes electronic brake pedal emulator can still operate normally, so as to further improve the reliability of electronic brake pedal simulator.

Key words：Sensor; fault-tolerant control; electro-mechanical brake; electronic brake pedal simulator

文章編號(hào)：1004-4353(2015)04-0348-03

*通信作者：許一男(1980—)，男，副教授，研究方向?yàn)槠囯娮涌刂?、車載總線網(wǎng)絡(luò).

收稿日期：2015-11-13