基于滑模观测器的电动助力转向系统的鲁棒故障诊断
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第３７卷 第２期 陕西科技大学学报 Ｖｏｌ．３７Ｎｏ．２
２０１９年４月 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｈａａｎｘｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ＆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ａｐｒ．２０１９
＊ 文 章 编 号 ：２０９６－３９８Ｘ（２０１９）０２－０１５６－０５
０ 引 言
随 着 时 代 的 发 展 和 科 技 的 进 步 ，新 能 源 汽 车 无 疑 成 为 一 个 重 要 的 发 展 趋 势 ，电 动 助 力 转 向 系 统 无
疑 是 汽 车 上 的 核 心 部 件 ，作 为 转 型 系 统 的 核 心 部 件 助 力 电 机 ，由 于 汽 车 复 杂 多 变 的 驾 驶 条 件 和 运 行 环 境 ，加 上 电 机 的 内 部 结 构 ，容 易 引 发 各 种 故 障 ．一 旦 出现故障，就不可 避 免 地 会 产 生 极 其 严 重 的 故 障．
＊ 收稿日期：２０１８－１１－２９ 基 金 项 目 ：江 苏 省 科 技 厅 重 点 研 发 计 划 项 目 （ＢＥ２０１７３３３－１） 作 者 简 介 ：罗 石 （１９６９－ ），男 ，江 苏 镇 江 人 ，副 教 授 ，博 士 ，研 究 方 向 ：汽 车 电 子 及 故 障 诊 断
第２期
罗 石 等 ：基 于 滑 模 观 测 器 的 电 动 助 力ｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｄｉｓｃｕｓｓｅｓ ｔｈｅ ｆａｕｌｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ａｓｓｉｓｔ ｍｏｔｏｒ．Ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ｅｘｐｌａｉｎｉｎｇ ｔｈｅ ｗｏｒｋｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｏｗｅｒ ｓｔｅｅｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎ－ｓｉｔｕ ｒｅ－ ｓｉｓｔａｎｃｅ ｔｏｒｑｕｅ ｍｏｄｅｌ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｓ ｔｈｅ ａｃｔｕａｔｏｒ－ａｓｓｉｓｔｅｄ ｍｏｔｏｒ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｔｈｅ ＥＰＳ ｓｙｓｔｅｍ．Ａ ｓｌｉｄｉｎｇ ｍｏｄｅ ｏｂｓｅｒｖｅｒ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｆｏｒ ｔｈｅ ｗｈｏｌｅ ｓｙｓｔｅｍ ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｖｅｈｉｃｌｅ ｍｏｄｅｌ．Ａｆｔｅｒ ｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇ ｔｈｅ ｒｅｌｅｖａｎｔ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｌｉｎｅａｒ ｍａｔｒｉｘ ｉｎｅｑｕａｌｉｔｉｅｓ ｕｓｉｎｇ ＬＭＩ ａｌｇｏ－ ｒｉｔｈｍ，ｔｈｅｎ ｔｈｅ ｓｌｉｄｉｎｇ ｍｏｄｅ ｏｂｓｅｒｖｅｒ ｉｓ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ ｔｏ ｄｅｔｅｃｔ ａｎｄ ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔ ｔｈｅ ｆａｕｌｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｏｗｅｒ ｓｔｅｅｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ａ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｅｘａｍｐｌｅ ｉｓ ｇｉｖｅｎ ｔｏ ｖｅｒｉｆｙ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃ－ ｔｉｖｅｎｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｍｅｔｈｏｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｖｅｈｉｃｌｅ ｓａｆｅｔｙ；ｆａｕｌｔ ｄｉａｇｎｏｓｉｓ；ｓｌｉｄｉｎｇ ｍｏｄｅ ｏｂｓｅｒｖｅｒ；ｒｏｂｕｓｔ ｆａｕｌｔ ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃ－ ｔｉｏｎ；ＬＭＩ ｍｅｔｈｏｄ
· １５７ ·
因 此 ，对 助 力 电 机 的 故 障 诊 断 和 定 位 具 有 十 分 重 要 的意义．
近 年 来 ，有 许 多 研 究 人 员 对 于 助 力 电 机 进 行 了 大量的研究．蔡祥熙 对 ［１］ 于助力电机的过热原因 进 行 了 分 析 ，并 且 对 于 过 热 原 因 做 了 相 关 的 分 析 和 实 验．曹 艳 玲 等 对 ［２］ 路 面 附 着 系 数 做 了 相 关 研 究，从 而完成了电机的稳定性控制．王祥等 则 ［３］ 提出了 用 遗忘因子递推最小二乘法来完成直流电机故障诊 断．Ｂｈａｔ Ｒ Ａ 等 通 ［４］ 过 对 转 向 系 统 中 的 电 机 进 行 建模，从而完 成 了 对 电 机 的 分 析．Ｌｅｅ Ｄ 等 通 ［５］ 过 对驾驶员转矩和辅助电机转矩之间一一对应的关 系完成了对控制器的设计．从上面看到，对 ＥＰＳ 系 统 的 研 究 一 直 在 进 行 ，包 括 对 助 力 电 机 的 控 制 和 故 障 诊 断 ，上 述 方 法 在 无 扰 动 电 机 故 障 诊 断 中 具 有 极 好 的 应 用 效 果 ．然 而 ，由 于 汽 车 自 身 运 行 环 境 复 杂 ， 干扰因素 多，传 统 的 故 障 诊 断 方 法 存 在 一 定 的 误 差．为此，本文提出 了 一 种 应 用 于 助 力 转 向 系 统 故 障诊断的新 方 法———滑 模 观 测 器 法［６，７］．与 传 统 的 诊 断 方 法 相 比 ，滑 模 观 测 器 具 有 较 强 的 抗 干 扰 能 力 和鲁棒性．此外，本 文 不 仅 仅 对 于 电 机 的 状 态 进 行 观测，同时对整车 状 态 进 行 了 观 测，保 证 了 故 障 的 准确度和故障的 实 时 重 构．仿 真 结 果 表 明，该 方 法 能有效地重构具有干扰的故障．
基于滑模观测器的电动助力转向系统 的鲁棒故障诊断
罗 石，汤晓东，范中心
（江苏大学 汽车与交通工程学院，江苏 镇江 ２１２０００）
摘 要 ：主 要 讨 论 了 助 力 电 机 的 故 障 及 其 定 位 ．在 阐 述 了 电 动 助 力 转 向 系 统 的 工 作 原 理 的 基 础 上，结合原地阻力矩模型，构 建 了 ＥＰＳ 系 统 的 执 行 器 助 力 电 机 模 型．在 考 虑 整 车 模 型 的 基 础 上，构建了滑模观测器来观测整个系统的 状 态．采 用 ＬＭＩ方 法 计 算 出 滑 模 观 测 器 的 增 益 及 故 障重构信号，构建的滑模观测器对电动助力转向系统的故障实现了检测以及重构 ，最后通过仿 真算例验证了这种方法的有效性． 关 键 词 ：汽 车 安 全 ；故 障 诊 断 ；滑 模 观 测 器 ；鲁 棒 故 障 重 构 ；ＬＭＩ计 算 方 法 中 图 分 类 号 ：Ｕ４７２ 文 献 标 志 码 ：Ａ DOI:10.19481/ki.issn2096-398x.2019.02.026
Ｒｏｂｕｓｔ ｆａｕｌｔ ｄｉａｇｎｏｓｉｓ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｏｗｅｒ ｓｔｅｅｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｓｌｉｄｉｎｇ ｍｏｄｅ ｏｂｓｅｒｖｅｒ
ＬＵＯ Ｓｈｉ，ＴＡＮＧ Ｘｉａｏ－ｄｏｎｇ，ＦＡＮ Ｚｈｏｎｇ－ｘｉｎ
（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ ａｎｄ Ｔｒａｆｆｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｊｉａｎｇｓｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｚｈｅｎｊｉａｎｇ ２１２０００，Ｃｈｉｎａ）
２０１９年４月 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｈａａｎｘｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ＆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ａｐｒ．２０１９
＊ 文 章 编 号 ：２０９６－３９８Ｘ（２０１９）０２－０１５６－０５
０ 引 言
随 着 时 代 的 发 展 和 科 技 的 进 步 ，新 能 源 汽 车 无 疑 成 为 一 个 重 要 的 发 展 趋 势 ，电 动 助 力 转 向 系 统 无
疑 是 汽 车 上 的 核 心 部 件 ，作 为 转 型 系 统 的 核 心 部 件 助 力 电 机 ，由 于 汽 车 复 杂 多 变 的 驾 驶 条 件 和 运 行 环 境 ，加 上 电 机 的 内 部 结 构 ，容 易 引 发 各 种 故 障 ．一 旦 出现故障，就不可 避 免 地 会 产 生 极 其 严 重 的 故 障．
＊ 收稿日期：２０１８－１１－２９ 基 金 项 目 ：江 苏 省 科 技 厅 重 点 研 发 计 划 项 目 （ＢＥ２０１７３３３－１） 作 者 简 介 ：罗 石 （１９６９－ ），男 ，江 苏 镇 江 人 ，副 教 授 ，博 士 ，研 究 方 向 ：汽 车 电 子 及 故 障 诊 断
第２期
罗 石 等 ：基 于 滑 模 观 测 器 的 电 动 助 力ｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｄｉｓｃｕｓｓｅｓ ｔｈｅ ｆａｕｌｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ａｓｓｉｓｔ ｍｏｔｏｒ．Ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ｅｘｐｌａｉｎｉｎｇ ｔｈｅ ｗｏｒｋｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｏｗｅｒ ｓｔｅｅｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎ－ｓｉｔｕ ｒｅ－ ｓｉｓｔａｎｃｅ ｔｏｒｑｕｅ ｍｏｄｅｌ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｓ ｔｈｅ ａｃｔｕａｔｏｒ－ａｓｓｉｓｔｅｄ ｍｏｔｏｒ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｔｈｅ ＥＰＳ ｓｙｓｔｅｍ．Ａ ｓｌｉｄｉｎｇ ｍｏｄｅ ｏｂｓｅｒｖｅｒ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｆｏｒ ｔｈｅ ｗｈｏｌｅ ｓｙｓｔｅｍ ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｖｅｈｉｃｌｅ ｍｏｄｅｌ．Ａｆｔｅｒ ｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇ ｔｈｅ ｒｅｌｅｖａｎｔ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｌｉｎｅａｒ ｍａｔｒｉｘ ｉｎｅｑｕａｌｉｔｉｅｓ ｕｓｉｎｇ ＬＭＩ ａｌｇｏ－ ｒｉｔｈｍ，ｔｈｅｎ ｔｈｅ ｓｌｉｄｉｎｇ ｍｏｄｅ ｏｂｓｅｒｖｅｒ ｉｓ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ ｔｏ ｄｅｔｅｃｔ ａｎｄ ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔ ｔｈｅ ｆａｕｌｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｏｗｅｒ ｓｔｅｅｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ａ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｅｘａｍｐｌｅ ｉｓ ｇｉｖｅｎ ｔｏ ｖｅｒｉｆｙ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃ－ ｔｉｖｅｎｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｍｅｔｈｏｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｖｅｈｉｃｌｅ ｓａｆｅｔｙ；ｆａｕｌｔ ｄｉａｇｎｏｓｉｓ；ｓｌｉｄｉｎｇ ｍｏｄｅ ｏｂｓｅｒｖｅｒ；ｒｏｂｕｓｔ ｆａｕｌｔ ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃ－ ｔｉｏｎ；ＬＭＩ ｍｅｔｈｏｄ
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因 此 ，对 助 力 电 机 的 故 障 诊 断 和 定 位 具 有 十 分 重 要 的意义．
近 年 来 ，有 许 多 研 究 人 员 对 于 助 力 电 机 进 行 了 大量的研究．蔡祥熙 对 ［１］ 于助力电机的过热原因 进 行 了 分 析 ，并 且 对 于 过 热 原 因 做 了 相 关 的 分 析 和 实 验．曹 艳 玲 等 对 ［２］ 路 面 附 着 系 数 做 了 相 关 研 究，从 而完成了电机的稳定性控制．王祥等 则 ［３］ 提出了 用 遗忘因子递推最小二乘法来完成直流电机故障诊 断．Ｂｈａｔ Ｒ Ａ 等 通 ［４］ 过 对 转 向 系 统 中 的 电 机 进 行 建模，从而完 成 了 对 电 机 的 分 析．Ｌｅｅ Ｄ 等 通 ［５］ 过 对驾驶员转矩和辅助电机转矩之间一一对应的关 系完成了对控制器的设计．从上面看到，对 ＥＰＳ 系 统 的 研 究 一 直 在 进 行 ，包 括 对 助 力 电 机 的 控 制 和 故 障 诊 断 ，上 述 方 法 在 无 扰 动 电 机 故 障 诊 断 中 具 有 极 好 的 应 用 效 果 ．然 而 ，由 于 汽 车 自 身 运 行 环 境 复 杂 ， 干扰因素 多，传 统 的 故 障 诊 断 方 法 存 在 一 定 的 误 差．为此，本文提出 了 一 种 应 用 于 助 力 转 向 系 统 故 障诊断的新 方 法———滑 模 观 测 器 法［６，７］．与 传 统 的 诊 断 方 法 相 比 ，滑 模 观 测 器 具 有 较 强 的 抗 干 扰 能 力 和鲁棒性．此外，本 文 不 仅 仅 对 于 电 机 的 状 态 进 行 观测，同时对整车 状 态 进 行 了 观 测，保 证 了 故 障 的 准确度和故障的 实 时 重 构．仿 真 结 果 表 明，该 方 法 能有效地重构具有干扰的故障．
基于滑模观测器的电动助力转向系统 的鲁棒故障诊断
罗 石，汤晓东，范中心
（江苏大学 汽车与交通工程学院，江苏 镇江 ２１２０００）
摘 要 ：主 要 讨 论 了 助 力 电 机 的 故 障 及 其 定 位 ．在 阐 述 了 电 动 助 力 转 向 系 统 的 工 作 原 理 的 基 础 上，结合原地阻力矩模型，构 建 了 ＥＰＳ 系 统 的 执 行 器 助 力 电 机 模 型．在 考 虑 整 车 模 型 的 基 础 上，构建了滑模观测器来观测整个系统的 状 态．采 用 ＬＭＩ方 法 计 算 出 滑 模 观 测 器 的 增 益 及 故 障重构信号，构建的滑模观测器对电动助力转向系统的故障实现了检测以及重构 ，最后通过仿 真算例验证了这种方法的有效性． 关 键 词 ：汽 车 安 全 ；故 障 诊 断 ；滑 模 观 测 器 ；鲁 棒 故 障 重 构 ；ＬＭＩ计 算 方 法 中 图 分 类 号 ：Ｕ４７２ 文 献 标 志 码 ：Ａ DOI:10.19481/ki.issn2096-398x.2019.02.026
Ｒｏｂｕｓｔ ｆａｕｌｔ ｄｉａｇｎｏｓｉｓ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｏｗｅｒ ｓｔｅｅｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｓｌｉｄｉｎｇ ｍｏｄｅ ｏｂｓｅｒｖｅｒ
ＬＵＯ Ｓｈｉ，ＴＡＮＧ Ｘｉａｏ－ｄｏｎｇ，ＦＡＮ Ｚｈｏｎｇ－ｘｉｎ
（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ ａｎｄ Ｔｒａｆｆｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｊｉａｎｇｓｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｚｈｅｎｊｉａｎｇ ２１２０００，Ｃｈｉｎａ）