基于遺傳算法的電動四驅(qū)汽車軸間扭矩分配控制策略

吳亞東 黃芳芳 汪躍中

摘 要：近年來，中國社會經(jīng)濟飛速發(fā)展，國民的生活水平不斷提高。消費者人群對電動四驅(qū)汽車的性能要求也更加側(cè)重。保證電動四驅(qū)汽車的操作穩(wěn)定性和駕駛舒適性與安全性，是提升電動四驅(qū)汽車產(chǎn)品性能的關(guān)鍵。電動四驅(qū)汽車是通過分動器或者軸間差速器來實現(xiàn)汽車前后軸之間的扭矩分配。有效合理的分配軸間扭矩是改善汽車平穩(wěn)性能的關(guān)鍵。目前就電動四驅(qū)汽車軸間扭矩分配的控制成為研究的熱點問題。本文分析了電動四驅(qū)汽車的相應(yīng)的動力特性，重點研究了車軸間扭矩分配對汽車性能的影響，基于遺傳算法設(shè)計了電控分動器的控制策略。

關(guān)鍵詞：遺傳算法;電動四驅(qū)汽車;扭矩分配;控制

1 電動四驅(qū)汽車傳動系統(tǒng)分析及整車動力學(xué)建模

1.1 電動四驅(qū)汽車扭矩分配關(guān)鍵部件分析

實現(xiàn)電動四驅(qū)汽車軸間扭矩分配常采用電控多片式分動器。采用電控多片式分動器能實現(xiàn)對前后軸扭矩的主動分配，但在分配過程中會有一定的響應(yīng)時間。分動器主要部件包括：濕式多片離合器、傳動鏈、電磁線圈、壓力板、放大機構(gòu)以及前后輸出軸等。其控制原理是：由汽車檢測車輪的扭矩狀態(tài)，并轉(zhuǎn)化成電流信號給分動器的電磁線圈，之后由于磁場力的作用導(dǎo)致分配器中的轉(zhuǎn)子與導(dǎo)磁體吸合，從而使前軸上連接的主動鏈輪、摩擦片組與后軸上連接的轉(zhuǎn)子、球凸輪主動輪形成力傳遞整體機構(gòu)。因此前軸的阻力矩將傳遞到轉(zhuǎn)子使其減速。由于花鍵的存在可使球凸輪從動輪與轉(zhuǎn)子之間也有力的作用，因此使得從動輪轉(zhuǎn)速降低，形成了一定的轉(zhuǎn)速差;因此電流信號的強弱決定了結(jié)合力，影響了扭矩的分配。

1.2 整車動力學(xué)建模

首先對整個電動四驅(qū)汽車建立動力學(xué)模型，當(dāng)前較為常見的電動四驅(qū)汽車動力學(xué)模型為七自由度汽車模型。這個七自由度汽車模型，是指以汽車底盤運動中心建立直角坐標(biāo)系，汽車前進方向為X軸正方向，左右方向為Y軸方向。其中七自由度分別是，繞X軸的縱向運動、繞y軸側(cè)向運動以及繞z軸方向的橫擺運動以及四個車輪的轉(zhuǎn)動。整車建模過程中需要對電動四驅(qū)汽車結(jié)構(gòu)作相應(yīng)的簡化處理。第一，電動汽車坐標(biāo)系的原點應(yīng)與汽車的質(zhì)心重合。第二，汽車只考慮相對于地面的平行運動。第三，忽略輪胎傳動系統(tǒng)的影響，直接以轉(zhuǎn)角作為模型的參數(shù)。第四，四個輪胎的機械性能一致。從而可以建立汽車在坐標(biāo)系下的運動平衡方程，分析汽車整體的力學(xué)特性。

1.3 傳動系統(tǒng)模型

兩驅(qū)車型屬于比較傳統(tǒng)的車型，新式的四驅(qū)車具有四個組成部分，其中包括發(fā)動機、變速器、主減速器以及分動器，連接這些部分的包括軸組成部分和汽車的四個輪胎相連接的軸輪，也有部分四驅(qū)汽車上配置了使傳動扭矩鎖死以及轉(zhuǎn)移的差速器裝置，當(dāng)然不同的電動四驅(qū)汽車所配置的具體情況也不相同。傳動器的工作原理是首先由發(fā)動機動力總輸出源，再通過變速器將動力傳輸?shù)椒謩酉?，其次利用前后傳動軸將扭矩傳輸?shù)街鳒p速器上，最后由限滑差速器將扭矩傳輸?shù)剿膫€車輪上。根據(jù)上述傳動系統(tǒng)的動力傳輸模型，可以建立傳動系統(tǒng)輸出的扭矩經(jīng)由變速器分動器輪間差速器等機構(gòu)傳遞后的力矩表達式也可獲得汽車在行駛過程中各驅(qū)動輪所受滾動阻力矩的關(guān)系式。

1.4 輪胎模型

輪胎作為電動四驅(qū)汽車與地面直接接觸的部分，因此汽車車輪在行駛過程中受到地面摩擦力的大小和方向直接決定了整個電動汽車的運動特性，即包含汽車的平穩(wěn)性、制動性能等。通常研究輪胎的動力特性主要是通過建立輪胎的力學(xué)模型和相應(yīng)的測試實驗。由于輪胎作為外力的輸入源，能夠建立準(zhǔn)確的輪胎力學(xué)模型分析整個電動汽車動力特性極為關(guān)鍵。但是往往輪胎具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和非線性的力學(xué)特性因此準(zhǔn)確的建立輪胎的力學(xué)模型成為國內(nèi)外的研究熱點。目前對輪胎模型的建立主要有輪胎的理論模型，經(jīng)驗?zāi)Ｐ蛢煞N方式。輪胎的理論模型是指對輪胎的物理特性進行簡化，以及對其非線性力學(xué)關(guān)系的數(shù)學(xué)簡化，得到用于表達輪胎結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)公式以及輪胎在運動過程中的力學(xué)特性表達式，這種方法需要充分理解和分析輪胎的結(jié)構(gòu)，具有一定的局限性。經(jīng)驗?zāi)Ｐ褪侵笇喬嵤┐罅康膶嶒?，采集相?yīng)的實驗數(shù)據(jù)，通過擬合得到輪胎的力學(xué)模型并建立有限元模型。本文則選用現(xiàn)有的G.Gim理論模型來建立電動汽車的輪胎模型。

2 基于遺傳算法控制的電動四驅(qū)汽車扭矩分配

2.1 遺傳算法概述

我們用到的遺傳算法是通過模擬生物進化機制的一類用于解決實際問題的具有一定的自動調(diào)節(jié)的智能計算技術(shù)，它有良好的魯棒性。遺傳算法可以較好的適用于不同領(lǐng)域的問題，不僅只針對某一特定問題的求解。遺傳算法已經(jīng)有較為成熟的應(yīng)用技術(shù)，對遺傳算法的理論研究和其與其他算法的結(jié)合已經(jīng)具備較好的基礎(chǔ)。正是由于遺傳算法具有較好的魯棒性以及尋優(yōu)能力，本文采用遺傳算法對電動四驅(qū)汽車軸間扭矩分配進行控制分析。

2.2 控制策略設(shè)計

對電動四驅(qū)汽車軸間扭矩分配控制策略設(shè)計，首先應(yīng)當(dāng)采用遺傳算法對PID參數(shù)進行在線尋找。這樣可以實時地對電動汽車運動過程中前后軸的輸出轉(zhuǎn)矩在線修正。其修正的具體過程如下：首先將轉(zhuǎn)速差作為輸入信號，通過基于遺傳算法優(yōu)化后的PID控制器調(diào)節(jié)，將電壓信號傳輸給電控分動器，最終將控制后的力矩施加于電動四驅(qū)汽車的整車系統(tǒng)。其中由整車系統(tǒng)測量得到的轉(zhuǎn)速差將反饋到輸入信號當(dāng)中。從而形成閉環(huán)控制的電動四驅(qū)汽車軸間扭矩分配控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)，有效的提升汽車動力特性，改善電動四驅(qū)汽車運動平穩(wěn)性。

2.3 不同路況的仿真分析

對電動四驅(qū)汽車軸間扭矩分配控制，需要考慮電動汽車在不同路況上的行駛狀況。因此需要對不同路況進行仿真分析。第一，對低附著系數(shù)路面進行仿真分析，假定地面的附著系數(shù)為0.2，汽車的初速度為3m/s。通過前述建立的汽車運動模型分析可知，當(dāng)汽車在1.27秒時，轉(zhuǎn)速差達到最大值為19.32rad每秒。此時說明汽車的前輪發(fā)生了明顯的打滑現(xiàn)象。而通過基于遺傳算法優(yōu)化的PID控制下的汽車動力模型，此時的汽車轉(zhuǎn)速差為0.23rad每秒，說明基于遺傳算法的電動四驅(qū)汽車軸間扭矩分配控制有效的抑制打滑現(xiàn)象。第二，對接觸路面進行仿真分析。設(shè)定汽車從地面附著系數(shù)為0.8的路面駛向地面附著系數(shù)為0.2的路面，此時汽車的初速度仍為3m/s。從仿真分析結(jié)果中可以得知，汽車在行駛0.5秒后電動汽車的前輪從高附著路面駛向低附著路面，1.46秒后汽車的后輪高附著路面駛向低附著路面。普通動力模型下，等有機分配在0.97秒時驅(qū)動輪發(fā)生過度滑轉(zhuǎn)現(xiàn)象，此時前后輪的轉(zhuǎn)速差達到20.31rad每秒。而通過基于遺傳算法優(yōu)化的PID控制的汽車動力模型，此時的轉(zhuǎn)速差為0.21rad每秒。通過上述的數(shù)據(jù)分析，可以知道遺傳算法優(yōu)化的PID控制的汽車動力模型能夠有效的對電動四驅(qū)汽車軸間扭矩分配控制。

3 結(jié)語

四輪驅(qū)動汽車已經(jīng)逐漸成為我國學(xué)研究的熱點問題，有文獻曾提出了一種新型的四輪驅(qū)動汽車，隨著社會的不斷重視，許多科研人員對其進行了一定的研究，并取得了相應(yīng)的研究成果。本文對現(xiàn)有的國內(nèi)外文獻進行了一定的分析，對科研人員的研究成果進行了一定的了解，通過對電動汽車分動器進行研究，建立了相應(yīng)的電動力學(xué)模型，并且以此為基礎(chǔ)，重點研究了車軸間扭矩分配對汽車性能的一定影響，并且以遺傳算法為基礎(chǔ)，設(shè)計了相應(yīng)的電控分動器的控制策略。本文研究結(jié)果對四驅(qū)汽車的整體動力性的改善有一定的幫助。

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