基于遺傳算法的電動四驅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，中國社會經濟飛速發展，國民的生活水平不斷提高。消費者人群對電動四驅汽車的性能要求也更加側重。保證電動四驅汽車的操作穩定性和駕駛舒適性與安全性，是提升電動四驅汽車產品性能的關鍵。電動四驅汽車是通過分動器或者軸間差速器來實現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性能的關鍵。目前就電動四驅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汽車的相應的動力特性，重點研究了車軸間扭矩分配對汽車性能的影響，基于遺傳算法設計了電控分動器的控制策略。

關鍵詞：遺傳算法;電動四驅汽車;扭矩分配;控制

1 電動四驅汽車傳動系統分析及整車動力學建模

1.1 電動四驅汽車扭矩分配關鍵部件分析

實現電動四驅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，并轉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致分配器中的轉子與導磁體吸合，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子、球凸輪主動輪形成力傳遞整體機構。因此前軸的阻力矩將傳遞到轉子使其減速。由于花鍵的存在可使球凸輪從動輪與轉子之間也有力的作用，因此使得從動輪轉速降低，形成了一定的轉速差;因此電流信號的強弱決定了結合力，影響了扭矩的分配。

1.2 整車動力學建模

首先對整個電動四驅汽車建立動力學模型，當前較為常見的電動四驅汽車動力學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軸側向運動以及繞z軸方向的橫擺運動以及四個車輪的轉動。整車建模過程中需要對電動四驅汽車結構作相應的簡化處理。第一，電動汽車坐標系的原點應與汽車的質心重合。第二，汽車只考慮相對于地面的平行運動。第三，忽略輪胎傳動系統的影響，直接以轉角作為模型的參數。第四，四個輪胎的機械性能一致。從而可以建立汽車在坐標系下的運動平衡方程，分析汽車整體的力學特性。

1.3 傳動系統模型

兩驅車型屬于比較傳統的車型，新式的四驅車具有四個組成部分，其中包括發動機、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，也有部分四驅汽車上配置了使傳動扭矩鎖死以及轉移的差速器裝置，當然不同的電動四驅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動機動力總輸出源，再通過變速器將動力傳輸到分動箱，其次利用前后傳動軸將扭矩傳輸到主減速器上，最后由限滑差速器將扭矩傳輸到四個車輪上。根據上述傳動系統的動力傳輸模型，可以建立傳動系統輸出的扭矩經由變速器分動器輪間差速器等機構傳遞后的力矩表達式也可獲得汽車在行駛過程中各驅動輪所受滾動阻力矩的關系式。

1.4 輪胎模型

輪胎作為電動四驅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模型和相應的測試實驗。由于輪胎作為外力的輸入源，能夠建立準確的輪胎力學模型分析整個電動汽車動力特性極為關鍵。但是往往輪胎具有復雜的結構和非線性的力學特性因此準確的建立輪胎的力學模型成為國內外的研究熱點。目前對輪胎模型的建立主要有輪胎的理論模型，經驗模型兩種方式。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關系的數學簡化，得到用于表達輪胎結構的數學公式以及輪胎在運動過程中的力學特性表達式，這種方法需要充分理解和分析輪胎的結構，具有一定的局限性。經驗模型是指對輪胎實施大量的實驗，采集相應的實驗數據，通過擬合得到輪胎的力學模型并建立有限元模型。本文則選用現有的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節的智能計算技術，它有良好的魯棒性。遺傳算法可以較好的適用于不同領域的問題，不僅只針對某一特定問題的求解。遺傳算法已經有較為成熟的應用技術，對遺傳算法的理論研究和其與其他算法的結合已經具備較好的基礎。正是由于遺傳算法具有較好的魯棒性以及尋優能力，本文采用遺傳算法對電動四驅汽車軸間扭矩分配進行控制分析。

2.2 控制策略設計

對電動四驅汽車軸間扭矩分配控制策略設計，首先應當采用遺傳算法對PID參數進行在線尋找。這樣可以實時地對電動汽車運動過程中前后軸的輸出轉矩在線修正。其修正的具體過程如下：首先將轉速差作為輸入信號，通過基于遺傳算法優化后的PID控制器調節，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汽車的整車系統。其中由整車系統測量得到的轉速差將反饋到輸入信號當中。從而形成閉環控制的電動四驅汽車軸間扭矩分配控制調節系統，有效的提升汽車動力特性，改善電動四驅汽車運動平穩性。

2.3 不同路況的仿真分析

對電動四驅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，對低附著系數路面進行仿真分析，假定地面的附著系數為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，當汽車在1.27秒時，轉速差達到最大值為19.32rad每秒。此時說明汽車的前輪發生了明顯的打滑現象。而通過基于遺傳算法優化的PID控制下的汽車動力模型，此時的汽車轉速差為0.23rad每秒，說明基于遺傳算法的電動四驅汽車軸間扭矩分配控制有效的抑制打滑現象。第二，對接觸路面進行仿真分析。設定汽車從地面附著系數為0.8的路面駛向地面附著系數為0.2的路面，此時汽車的初速度仍為3m/s。從仿真分析結果中可以得知，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秒時驅動輪發生過度滑轉現象，此時前后輪的轉速差達到20.31rad每秒。而通過基于遺傳算法優化的PID控制的汽車動力模型，此時的轉速差為0.21rad每秒。通過上述的數據分析，可以知道遺傳算法優化的PID控制的汽車動力模型能夠有效的對電動四驅汽車軸間扭矩分配控制。

3 結語

四輪驅動汽車已經逐漸成為我國學研究的熱點問題，有文獻曾提出了一種新型的四輪驅動汽車，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，并取得了相應的研究成果。本文對現有的國內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，建立了相應的電動力學模型，并且以此為基礎，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，設計了相應的電控分動器的控制策略。本文研究結果對四驅汽車的整體動力性的改善有一定的幫助。

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