陳黎卿 譚雨點(diǎn) 吳 榮 苗 偉 胡 芳

(1．安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，合肥230036;2．合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，合肥230009)

基于遺傳算法的電動(dòng)四驅(qū)汽車軸間扭矩分配控制策略

陳黎卿1譚雨點(diǎn)1吳 榮1苗 偉1胡 芳2

(1．安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，合肥230036;2．合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，合肥230009)

為了提高純電動(dòng)四輪驅(qū)動(dòng)汽車的整車動(dòng)力性和行駛穩(wěn)定性，提出一種通過對(duì)汽車前后軸轉(zhuǎn)速差及車輪滑轉(zhuǎn)率實(shí)時(shí)觀測(cè)完成軸間扭矩重新分配的控制策略。通過Matlab/Simulink構(gòu)建了整車動(dòng)力學(xué)模型，并設(shè)計(jì)了基于遺傳算法(GA)和PID控制的軸間扭矩分配控制系統(tǒng)，分別在低附著均一路面、對(duì)接路面對(duì)整車加速性能進(jìn)行了仿真分析。對(duì)該軸間扭矩控制系統(tǒng)進(jìn)行軟硬件設(shè)計(jì)，并對(duì)開發(fā)的控制器進(jìn)行了道路試驗(yàn)。結(jié)果顯示運(yùn)用該控制器及控制策略能較好地跟隨實(shí)時(shí)路況，使車輛動(dòng)力性和行駛穩(wěn)定性得到提升，試驗(yàn)結(jié)果也驗(yàn)證了控制系統(tǒng)的有效性。

純電動(dòng)四驅(qū)汽車;軸間扭矩分配;遺傳算法;軟硬件設(shè)計(jì);控制策略

引言

四輪驅(qū)動(dòng)汽車可通過分動(dòng)器或軸間差速器實(shí)現(xiàn)汽車前、后軸的扭矩分配，從而改善車輛行駛動(dòng)力性和通過性，因此針對(duì)四輪驅(qū)動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)力分配控制一直是研究熱點(diǎn)問題［1－5］。文獻(xiàn)［1－2］提出了一種全時(shí)四輪驅(qū)動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)輪牽引力綜合控制策略，在低附著路面上車輪過度滑轉(zhuǎn)時(shí)采用發(fā)動(dòng)機(jī)輸出力矩控制和驅(qū)動(dòng)輪制動(dòng)控制的聯(lián)合控制。PANZANI等［3］通過發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門控制系統(tǒng)和軸間扭矩分配控制系統(tǒng)的聯(lián)合控制實(shí)現(xiàn)軸間扭矩的分配控制。胡建軍等［4］通過發(fā)動(dòng)機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)矩控制和限滑差速器控制來調(diào)節(jié)各驅(qū)動(dòng)輪的驅(qū)動(dòng)力矩，并進(jìn)行仿真分析。陳黎卿等［5］提出了一種基于人群搜索算法的四驅(qū)汽車扭矩分配控制策略，探討了軸間和輪間扭矩分配對(duì)整車行駛穩(wěn)定性的影響。此外諸多學(xué)者還在混合動(dòng)力汽車四輪扭矩控制策略在轉(zhuǎn)向控制和限滑等方面開展了研究，并取得了一系列研究成果［6－12］。通過對(duì)現(xiàn)有國內(nèi)外學(xué)者研究成果分析可知，混合動(dòng)力、傳統(tǒng)燃油汽車等類型車輛的驅(qū)動(dòng)力分配控制策略研究已取得了顯著成果，但對(duì)于電動(dòng)四驅(qū)汽車軸間動(dòng)力分配以及控制系統(tǒng)研發(fā)尚需進(jìn)一步研究。

采用合適的控制策略和設(shè)計(jì)良好的控制器是充分發(fā)揮控制對(duì)象性能的關(guān)鍵，但控制器參數(shù)較多，僅依靠現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)知識(shí)選擇和調(diào)試參數(shù)，很難設(shè)計(jì)出優(yōu)良的控制器。對(duì)此吳光強(qiáng)等［13］將遺傳算法應(yīng)用到對(duì)混合動(dòng)力汽車的多參數(shù)優(yōu)化問題中，取得了良好的效果。王威等［14］采用基于遺傳算法優(yōu)化后的PID控制方法對(duì)汽車主動(dòng)懸架進(jìn)行控制取得了良好成效，提高了乘坐舒適性。因此，本文充分利用遺傳算法全局搜索能力，對(duì)PID控制器參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并對(duì)優(yōu)化前后的控制效果進(jìn)行對(duì)比分析。

本文以純電動(dòng)四驅(qū)汽車電控分動(dòng)器為研究對(duì)象，創(chuàng)建整車動(dòng)力學(xué)模型，在此基礎(chǔ)上研究軸間扭矩分配對(duì)整車性能的影響，并設(shè)計(jì)電控分動(dòng)器控制策略和控制器軟硬件。

1 電動(dòng)四輪驅(qū)動(dòng)汽車模型建立

1.1 整車數(shù)學(xué)模型

由于汽車運(yùn)動(dòng)情況的復(fù)雜性，在建立整車動(dòng)力學(xué)模型時(shí)，做以下簡(jiǎn)化:忽略汽車加速和制動(dòng)運(yùn)行時(shí)的整車質(zhì)心偏移。根據(jù)車輛的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和具體受力情況，四輪驅(qū)動(dòng)汽車整車模型如圖1所示。

圖1 四輪驅(qū)動(dòng)汽車整車模型Fig．1 Four-wheel drive automobilemodel

由圖1得整車動(dòng)力學(xué)方程為

式中 m——整車質(zhì)量 A——迎風(fēng)面積

CD——空氣阻力系數(shù)

Jz——整車?yán)@Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

f1、f2、f3、f4——左前輪、右前輪、左后輪、右后輪的滾動(dòng)阻力系數(shù)

Fz1、Fz2、Fz3、Fz4——左前輪、右前輪、左后輪、右后輪的動(dòng)載荷

αx——縱向加速度 αy——側(cè)向加速度

Fx1、Fx2、Fx3、Fx4——左前輪、右前輪、左后輪、右后輪縱向力

Fy1、Fy2、Fy3、Fy4——左前輪、右前輪、左后輪、右后輪側(cè)向力

df、dr——前、后輪距

lf、lr——前、后輪與整車質(zhì)心的距離

vx——縱向速度 vy——側(cè)向速度

σf——前輪轉(zhuǎn)角

1.2 傳動(dòng)系統(tǒng)模型

文中討論的電動(dòng)四驅(qū)汽車傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，主要由電動(dòng)機(jī)、變速器、分動(dòng)器、前后主減速器、前后橋差速器、半軸及驅(qū)動(dòng)輪等部件組成。

圖2 動(dòng)力傳動(dòng)系模型Fig．2 Power transmission system model

經(jīng)電控分動(dòng)器輸出的扭矩傳遞到前后驅(qū)動(dòng)橋，其分配關(guān)系可表達(dá)為

其中

式中 Jo、Jw——傳動(dòng)軸與主減速、半軸與車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

M——分動(dòng)器輸入轉(zhuǎn)矩

Mc——分動(dòng)器前輸出軸扭矩

Mf——前橋輸入扭矩

Mr——后橋輸入扭矩

i0——前后主減速器轉(zhuǎn)動(dòng)比

η0——分動(dòng)器到主減速器傳動(dòng)效率

ω1、ω2、ω3、ω4——左前輪、右前輪、左后輪、右后輪的角加速度

M1、M2、M3、M4——左前輪、右前輪、左后輪、右后輪的轉(zhuǎn)矩

r——輪胎半徑

ωof、ωor——前后差速器殼體的角加速度

1.3 輪胎模型

由于主要考慮動(dòng)力性影響，該特性主要由輪胎縱向附著力決定，故采用Dugoff輪胎模型。

驅(qū)動(dòng)輪滑轉(zhuǎn)率為［13］

地面給車輪的驅(qū)動(dòng)力為

式中 ω——驅(qū)動(dòng)輪角速度

v——實(shí)際車速

μ——地面與輪胎之間的摩擦因數(shù)

c——輪胎縱向剛度

Fz——驅(qū)動(dòng)輪輪荷

1.4 路面附著系數(shù)估計(jì)法

為了討論動(dòng)力分配對(duì)整車動(dòng)力性的影響，因此主要討論車輛直線行駛工況，忽略車輛的坡道阻力，根據(jù)縱向驅(qū)動(dòng)力及行駛阻力模型可得

式中 Fw——空氣阻力 Ff——滾動(dòng)阻力

Td——車輛驅(qū)動(dòng)力矩

ax——車輛縱向加速度

根據(jù)車輛單輪模型得出車輪滾動(dòng)方程

式中 Iw——轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 ωj——角加速度

可得車輛車輪與地面縱向作用力Fx

式中 kw——風(fēng)阻系數(shù)

忽略側(cè)載荷轉(zhuǎn)移的情況，車輛所受垂向力為

式中 L1、L2——車輛質(zhì)心與前、后軸的距離

hg——車輛的質(zhì)心高度

g——重力加速度

路面附著系數(shù)的計(jì)算公式為

1.5 滑轉(zhuǎn)率計(jì)算

車輛行駛過程中，滑轉(zhuǎn)率和附著系數(shù)之間的關(guān)系可用KIENTCH［15］提出的模型公式表示

式中 p1、p2——不同路況下輪胎地面附著估計(jì)值

λ——車輪滑轉(zhuǎn)率

ε——調(diào)試系數(shù)

通過路面附著系數(shù)估計(jì)法和KIENTCH模型可得出當(dāng)前路面的最優(yōu)滑轉(zhuǎn)率［16］。通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)前后輪的轉(zhuǎn)速差，調(diào)節(jié)電控分動(dòng)器輸入的電流值進(jìn)而改變前后軸轉(zhuǎn)矩的分配，提高行駛的動(dòng)力性。

2 動(dòng)力分配控制策略設(shè)計(jì)

2.1 電控分動(dòng)器工作原理

電控分動(dòng)器中的電磁離合器由控制離合器、濕式多片式離合器、銜鐵、線圈、主凸輪和球組成。它利用ECU(電子控制單元)控制通過線圈的電流使線圈、控制離合器產(chǎn)生電磁力，移動(dòng)銜鐵使摩擦片被壓緊，通過產(chǎn)生的摩擦力矩使電控分動(dòng)器實(shí)現(xiàn)扭矩的不同分配，根據(jù)輸出電流可產(chǎn)生相應(yīng)的扭矩［17］，電控分動(dòng)器模型如圖3所示。

圖3 電控分動(dòng)器模型Fig．3 Electronic control of actuatormodel

電控分動(dòng)器產(chǎn)生的扭矩為

式中 Ms——電控分動(dòng)器產(chǎn)生的扭矩

C——分動(dòng)器本身的結(jié)構(gòu)參數(shù)

I——電控分動(dòng)器內(nèi)線圈的電流

實(shí)車中經(jīng)傳感器得到車速信號(hào)、加速度信號(hào)、前后軸的轉(zhuǎn)速信號(hào);根據(jù)車輛模型部分的車速和軸速判斷車輛是否出現(xiàn)滑轉(zhuǎn)，然后計(jì)算出路面附著系數(shù)及目標(biāo)滑轉(zhuǎn)率，ECU通過判斷前后的轉(zhuǎn)速差對(duì)分動(dòng)器輸入電流進(jìn)行扭矩分配，使其行駛的滑轉(zhuǎn)率盡量靠近目標(biāo)滑轉(zhuǎn)率，最終使前后軸轉(zhuǎn)速相同。

2.2 控制策略設(shè)計(jì)

控制輸入量為誤差α(t)和輸出電流變化量ΔI。前后傳動(dòng)軸角速度差為

式中 ω0f、ω0r——前、后差速器殼體的角速度

控制器輸入誤差為

式中 ωr0——目標(biāo)轉(zhuǎn)速差，ωr0=0控制器輸出的電流變化量為

采用遺傳算法(Genetic algorithm，GA)對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行在線尋優(yōu)，在前后軸存在轉(zhuǎn)速差時(shí)會(huì)實(shí)時(shí)控制輸出變量對(duì)前后軸的輸出轉(zhuǎn)矩自行修正，扭矩控制系統(tǒng)如圖4所示。圖中ωr1為前后軸轉(zhuǎn)速差。

圖4 控制系統(tǒng)原理圖Fig．4 Principle block diagram of control system

2.3 不同路況的仿真分析

2.3.1 低附著系數(shù)路面仿真分析

設(shè)定附著系數(shù)為0.2的低附著均一路面，初速度為3m/s，結(jié)果如圖5所示。

圖5 低附著系數(shù)仿真結(jié)果Fig．5 Simulation results of low adhesion coefficient

由圖5a可知等扭矩分配時(shí)，車輛在1.27 s時(shí)轉(zhuǎn)速差達(dá)到最大19.32 rad/s，說明前輪出現(xiàn)明顯的打滑;而PID控制轉(zhuǎn)速差最大時(shí)為1.74 rad/s，GA-PID為0.23 rad/s;因此GA-PID控制相對(duì)更好地抑制了車輪的打滑現(xiàn)象;圖5b中等扭矩分配時(shí)前輪滑轉(zhuǎn)率達(dá)到0.694，而后輪滑轉(zhuǎn)率為0.531，可以看出前輪打滑更為嚴(yán)重，由于前輪的動(dòng)載荷更大，當(dāng)分配同樣的力矩時(shí)，前輪更容易打滑;PID控制和GA-PID控制滑轉(zhuǎn)率都較低，兩者相比，PID控制時(shí)的后輪仍有部分滑轉(zhuǎn)，滑轉(zhuǎn)率最大為0.167。

2.3.2 對(duì)接路面仿真分析

在附著系數(shù)為0.8的高附著路面駛向附著系數(shù)為0.2的低附著路面，初速度為3 m/s時(shí)的結(jié)果如圖6所示。

圖6 對(duì)接路面仿真結(jié)果Fig．6 Simulation results on split and opposite roads

對(duì)接路面仿真過程0.5 s時(shí)前輪從高附著路面到低附著路面，1.46 s時(shí)后輪從高附著路面到低附著路面。驅(qū)動(dòng)輪從高附著路面進(jìn)入低附著路面過程中由圖6a可知，等扭矩分配在0.97 s時(shí)驅(qū)動(dòng)輪過度滑轉(zhuǎn)，前后轉(zhuǎn)速差達(dá)到最大20.31 rad/s。PID和GAPID控制都很好地抑制車輪打滑現(xiàn)象，PID控制轉(zhuǎn)速差最大為 2.61 rad/s，GA-PID為 0.21 rad/s;圖6b中等扭矩分配時(shí)前輪的滑轉(zhuǎn)率達(dá)到了0.604，同前一工況相比，此時(shí)的后輪沒有出現(xiàn)較明顯的打滑，由于后輪駛上低附著路面之前汽車已經(jīng)換擋，輪胎產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力沒有超過地面附著力;PID控制和GA-PID控制都將滑轉(zhuǎn)率控制較低，PID控制的后輪滑轉(zhuǎn)率相對(duì)較大，在2.32 s時(shí)達(dá)到最大為0.103; GA-PID前后輪滑轉(zhuǎn)率均較低，抑制了驅(qū)動(dòng)輪滑轉(zhuǎn)，相比其他2種控制效果較好。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 控制系統(tǒng)軟硬件開發(fā)

該控制系統(tǒng)硬件以MC9S12XS256CAA為控制核心，設(shè)計(jì)了控制器核心電路、電源電路、復(fù)位及BDM電路、電磁線圈驅(qū)動(dòng)電路、輸出信號(hào)電路以及CAN總線通信電路，并對(duì)控制系統(tǒng)PCB硬件中增加了抗干擾設(shè)計(jì)。以CodeWarrior為平臺(tái)，對(duì)控制系統(tǒng)軟件框架、CAN總線通信程序、數(shù)據(jù)采集程序、PWM驅(qū)動(dòng)程序等進(jìn)行設(shè)計(jì)。分動(dòng)器軸間扭矩控制系統(tǒng)硬件、軟件框架如圖7所示。

圖7 控制器Fig．7 Control system unit

3.2 試驗(yàn)測(cè)試

為了對(duì)純電動(dòng)四驅(qū)車輛軸間扭矩分配控制器及控制策略進(jìn)行功能驗(yàn)證，將開發(fā)的控制器安裝在自制電動(dòng)四輪驅(qū)動(dòng)汽車進(jìn)行道路試驗(yàn)，測(cè)試設(shè)備為VG440-200型慣性測(cè)量系統(tǒng)、KD-10AGPS型速度傳感器。

測(cè)試試驗(yàn)方案:將開發(fā)的控制器安裝到自制四輪驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)車上，在試驗(yàn)車道總長(zhǎng)為60m對(duì)接路面進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)路面0～30m為水泥路面，30～60m為冰面，試驗(yàn)車起步加速通過水泥路面，通過冰面10m后進(jìn)行制動(dòng)至車輛停止。

測(cè)試試驗(yàn)原理及條件:將各種傳感器、NI PXI主機(jī)、電源適配器、PC機(jī)等安裝到自制電動(dòng)四驅(qū)車上進(jìn)行試驗(yàn)，通過傳感器測(cè)得數(shù)據(jù)信號(hào)傳遞到NI PXI-6122采集卡，并基于LabView編程的實(shí)車試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)車數(shù)據(jù)采集，測(cè)試試驗(yàn)原理如圖8所示。試驗(yàn)的對(duì)接路面是從水泥路面駛向冰面進(jìn)行的，試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。

圖8 控制器實(shí)車試驗(yàn)Fig．8 Real vehicle test of controller

圖9 試驗(yàn)車輛加速度Fig．9 Acceleration under different controls of test car

圖9為試驗(yàn)車在水泥路面駛向冰面的道路試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果，四輪驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)車在控制器控制下，前14.04 s是水泥路面行駛，4.47 s開始起步加速，其加速度最大值為1.334m/s2，14.04 s進(jìn)入冰面后，路面附著力減小，使加速度緩慢降低，車輪無明顯打滑，15.49 s之后進(jìn)行制動(dòng)至試驗(yàn)結(jié)束。而無控制器控制下試驗(yàn)車6.48 s開始起步加速，14.10 s加速度最大值為1.032m/s2，16.64 s進(jìn)入冰面，車輪出現(xiàn)明顯打滑，加速度出現(xiàn)急劇下降，17.18 s進(jìn)行制動(dòng)至試驗(yàn)結(jié)束。通過試驗(yàn)驗(yàn)證可以得到，控制效果較好。

4 結(jié)論

(1)提出了基于GA-PID控制算法的扭矩分配控制策略，并對(duì)低附著均一路面及對(duì)接路面進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，仿真結(jié)果表明該控制系統(tǒng)能較好改善汽車動(dòng)力性及行駛穩(wěn)定性。

(2)對(duì)基于GA-PID控制算法的扭矩分配控制系統(tǒng)進(jìn)行軟硬件設(shè)計(jì)及部分性能調(diào)試，通過自制四驅(qū)汽車在試驗(yàn)條件下對(duì)開發(fā)的控制器進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明運(yùn)用該控制器及控制策略能夠使整車動(dòng)力性得到有效改善。

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12 姜立標(biāo)，丘華川，吳中偉，等．四輪驅(qū)動(dòng)汽車牽引力控制系統(tǒng)控制策略［J］．北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2016，42(11):2289－2298．JIANG Libiao，QIU Huachuan，WU Zhongwei，et al．Four wheel drive vehicle traction control strategy［J］．Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics，2016，42(11):2289－2298．(in Chinese)

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14 王威，薛彥冰，宋玉玲，等．基于GA優(yōu)化控制規(guī)則的汽車主動(dòng)懸架模糊PID控制［J］．振動(dòng)與沖擊，2012，22(3):157－162．WANGWei，XUE Yanbing，SONG Yuling，et al．Fuzzy PID control of vehicle active suspension based on GA optimal control rules［J］．Vibration and Shock，2012，22(3):157－162．(in Chinese)

15 KIENTCH U．Realtime estimation of adhesion charcacteristic between tires and road［C］∥Proceedings of IFACWorld Congress，1993:15－18．

16 劉剛，靳立強(qiáng)，陳鵬飛．復(fù)雜工況下基于最佳滑移率的汽車牽引力控制算法［J］．吉林大學(xué)學(xué)報(bào):工學(xué)版，2016，46(5): 1391－1398．LIU Gang，JIN Liqiang，CHEN Pengfei．The traction control algorithm based on the optimal slip ratio under complex conditions［J］．Journal of Jilin University:Engineering Science，2016，46(5):1391－1398．(in Chinese)

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Torque Distribution Control Strategy of Electronically Controlled Four-wheel Drive Axle Based on Genetic Algorithm

CHEN Liqing1TAN Yudian1WU Rong1MIAOWei1HU Fang2
(1．College of Engineering，Anhui Agricultural University，Hefei230036，China 2．School of Mechanical and Automobile Engineering，Hefei University of Technology，Hefei230009，China)

In order to improve the four-wheel drive vehicle dynamic performance and running stability，

an axis torque distribution control strategy was proposed through real-time observation of front and rear shaft speed difference and wheel slip ratio of the car．The vehicle dynamics model was constructed through the Matlab/Simulink，including transmission system model，tiremodel and sub-modules like slip ratio calculation module and motor model．The inter axle torque distribution control system and application was designed based on genetic algorithm(GA)and the PID control．On the low adhesion uniform pavement，docking road face to speed up performance of vehicle was simulated and analyzed．The hardware and software design of the shaft torque control system was carried out，and the development of the shaft torque control system was done，and the developmentof the controllerwas verified by the road test．The hardware and software design included the controller circuit and power circuit，and the control system of PCB harware increased the anti-interence design．Taking CodeWarrior as platform，the control system software framework，CAN bus communication program，data acquisition program，PWM driver were designed．The result showed that the controller and the control strategy can follow the real-time road conditionswell，so that the vehicle dynamic performance and stability were improved．The test resultalso verified the effectiveness of the control system．

electric four-wheel drive vehicle;axle torque distribution;genetic algorithm;software and hardware design;control strategy

U461.2;U469.72

A

1000-1298(2017)07-0361-07

2016-11-14

2017-01-04

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51305004)

陳黎卿(1979—)，男，教授，博士，主要從事四驅(qū)汽車傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究，E-mail:lqchen@ahau．edu．cn

胡芳(1969—)，女，副研究員，博士，主要從事四驅(qū)汽車傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究，E-mail:hufangbig@126．com

10．6041/j．issn．1000-1298．2017．07．046