解析四轮转向汽车电子控制技术

1.前言

随着现代道路交通系统和现代汽车技术的发展，人们对汽车的转向操纵性能和行驶稳定性的要求日益提高。作为改善汽车操纵性能最有效的一种主动底盘控制技术--四轮转向技术。于二十世纪80年代中期开始在汽车上得到应用，并伴随着现代汽车工业的发展而不断发展。汽车的四轮转向(Four-wheel steering-4WS)是指汽车在转向时。后轮可相对于车身主动转向，使汽车的四个车轮都能起转向作用。以改善汽车的转向机动性、操纵稳定性和行驶安全性。

随着对4WS这一领域研究的不断进展，出现了多种不同结构形式、不同控制方案的实用4WS系统。按照控制和驱动后轮转向机构的方式不同，4WS系统可分为机械式、液压式、电控机械式、电控液压式和电控电动式等几种类型。本文介绍的是电控电动式4WS系统。

2.电控电动式4WS系统的发展概况

从20世纪初，日本政府颁发第1个关于四轮转向的专利证书开始，对于汽车四轮转向技术的研究一直伴随着汽车工业的发展而进行着。1985年，日本的NISSAN在客车上应用了世界上第1例实用的4WS系统，开始了现代4WS系统的研究与开发。在技术相对成熟的4WS汽车中，大多数采用电控液压式4WS系统，主要用于前轮采用液压动力转向的4WS汽车中，这种4WS系统具有工作压力大、工作平稳可靠等优点。但由于液压动力系统在结构、系统布置、密封性、能耗、效率等方面的不足，尤其是在转向过程中存在着响应滞后的固有缺陷，使得电控液压式4WS系统在适应现代4WS汽车的转向灵敏性、准确性方面受到了束缚，不能满足汽车高速行驶稳定性的要求。1988年3月，日本铃木公司开发出电控电动式助力转向系统(EPS)，首次装备在CERVO车上，有效地克服了液压动力转向系统的缺点。在EPS技术的基础上，电控电动式4WS系统应运而生。1992年，在日本本田序曲的汽车上采用了电控电动式4WS系统。1993年，在日产全新的LAUREL车系上也开始采用电控电动式的4WS系统。电控电动式4WS系统结构简单、布置容易、控制效果好。

随着电子技术的飞速发展，计算机技术在汽车中的广泛应用，电控电动式4WS将是4WS汽车的发展趋势。

3.电控四轮转向系统的基本组成和工作原理

3.1 电控四轮转向系统的基本组成

电控电动式4WS系统是指采用电子控制、电机助力的4WS系统，前、后轮转向系统之间没有任何机械连接、油管连接装置，结构上相互独立。如图1所示。

典型电控电动式4WS系统主要由前轮转向机构、传感器、电控单元(ECU)、步进电动机。减速器和后轮转向机构等组成。本文介绍的电控电动式4WS系统前轮仍采用传统的转向系统，后轮采用电子控制、电机驱动的转向系统。

3.2 电控四轮转向系统的工作原理

转向时，传感器将前轮转向的信号和汽车运动的信号送入ECU,ECU进行分析计算，向步进电动机输出驱动信号，步进电动机动作，通过后轮转向机构控制驱动后轮偏转。同时ECU进行实时监视汽车状况，计算目标转向角与后轮实际转向角之间的差值，来实时调整后轮的转角。这样可以根据汽车的实际运动状态，实现汽车的四轮转向。

系统可设有两种转向模式，既可进入4WS状态，也可保持传统的2WS状态，驾驶员可通过驾驶室内的转向模式开关进行选择。当4WS汽车在行驶过程中电子控制系统出现故障时，后轮自动回到中间位置，汽车自动进入前轮转向状态，保证汽车像普通前轮转向汽车一样安全地行驶。同时仪表板上的4WS指示灯亮，警告驾驶员，故障情况被存储在ECU中，以便于维修时检码。

上述的电控电动式4WS系统后轮转向装置属车速感应型，其工作特点是后轮偏转的方向和转角大小主要受车速高低的控制，同时也响应前轮转角、横摆角速度的变化。ECU根据设定的控制策略，通过程序控制，实现汽车的四轮转向。在低速行驶或者方向盘转角较大时，前、后轮实现逆相位转向，且后轮偏转角度随前轮转角增大而在一定范围内增大。这种转向方式可改善汽车低速时的操纵轻便性，减小汽车的转弯半径，提高汽车的机动灵活性。在中、高速行驶或方向盘转角较小时，前、后轮实现同相位转向。使汽车车身的横摆角速度大大减小，可减小汽车车身发生动态侧偏的倾向，提高汽车高速行驶的操纵稳定性。

4.4WS系统电控部分的组成

4.1 传感器

传感器的功用是检测汽车转向时的有关运动物理量，并转换成电信号，输入到ECU中，供ECU进行分析计算。

4.1.1 前、后轮转角传感器

前、后轮转角传感器分别安装在前、后轮转向机构靠近车轮的一侧，采用非接触型霍尔元件传感器，用来检测前、后车轮的瞬时偏转角。

4.1.2 车速传感器

车速传感器安装在车速里程表的转子附近，采用光电式车速传感器，将汽车前进速度检测出来，以脉冲信号的形式输出，送入四轮转向系统ECU,同时将电信号输入到自动变速器ECU。

4.1.3 车身横摆角速度传感器

车身横摆角速度传感器安装在汽车质心处的车身上，采用压电射流角速度传感器，检测汽车转向行驶时的车身横摆角速度，以电信号的形式输入ECU,ECU输出控制信号，实时控制汽车的转向运动，保证汽车转向行驶时的动态稳定性。

4.2 电控单元(ECU)

ECU是4WS系统的核心，其功用是根据制定的控制方案，按照编制的程序对各种传感器输入信号进行分析、计算、处理，输出一定的控制信号指令，驱动步进电动机动作。其电控单元的控制框图如2图所示，4WS系统ECU主要由输入信号调理电路、微处理器、输出信号处理电路、电源电路等硬件部分和控制程序、软件平台等软件部分组成。为保证控制系统可靠地工作，电控单元还必须采取有效的抗干扰措施和故障自诊断处理措施。

4.3 步进电动机

电动机采用步进电动机，其功用是根据ECU的指令输出适宜的转矩和转角，驱动后轮转向机构，控制后轮的转向，是后轮转向系统中的驱动执行元件。步进电动机是一种数字控制电动机，将数字式电脉冲信号转换成角位移，控制性能好，非常适合于单片机控制。采用步进电动机的主要优点是：步进电动机的角位移与输入脉冲数严格成正比，随动性好，可与角度反馈环节组成高性能的闭环数控系统;动态响应快，易于实现起停、正反转及变速;具有自锁和保持转矩能力;结构简单，坚固耐用，抗干扰能力强。

4.4 减速机构

减速机构的功用是降低步进电动机转速，增大步进电动机传递给转向传动机构的转矩，常采用蜗轮蜗杆机构或行星齿轮机构。

4.5 后轮转向传动机构

不同的车型，后轮转向传动机构的结构形式也不一样，可采用传统的转向机构形式，也可根据汽车后悬结构和行驶转向要求，设计特定结构形式的后轮转向机构。

5.电控电动式4WS系统的特点分析

5.1 电控电动式4WS与普通2WS系统对比分析

电控电动式4WS汽车与普通的2WS汽车相比，电控电动式4WS汽车具有如下特点：

(1)转向操作的响应加快，准确性高。

(2)转向操作的轻便性和行驶稳定性提高。低速时，转弯半径小，转向操作的机动灵活性提高(如图3所示)。

(3)超车时，变换车道更容易，减小了汽车产生摆尾和侧滑的可能性。抗侧向干扰的稳定性效果好。

5.2 电控电动式4WS与电控液压式4WS系统对比分析

电控电动式4WS系统与电控液压式4WS系统相比，也具有显着的优势：

①采用步进电动机作为后轮转向系统的驱动执行元件，动态响应快，改善了瞬态转向灵敏度，有效地降低了电控液压式转向系统的转向滞后特性。

②步进电动机的角位移与输入脉冲数严格成正比，在转动过程中，无累积误差，随动性好，转向控制精度高，回正性好。

③系统刚性大，有较高的惯性力矩，抗外界干扰的能力强。结构紧凑，体积小，质量轻，装配布置方便。

④步进电动机由蓄电池供电，发动机动力消耗。没有液压系统装置，系统的调整和检测方便，装配自动化程度高，能缩短系统产品的生产和开发周期。

6.电控电动式4WS系统的技术展望

目前在成型的4WS汽车中主要采用电控液压式4WS系统。虽然电控电动式4WS系统发展较晚，相应的技术还不够成熟，存在动力小、ECU复杂、成本高等不足之处，但随着现代电子技术、电机技术的飞速发展和应用，电控电动式4WS系统在技术上将不断完善，在转向控制性能、系统布置、节能等方面也将越来越显示其优越性，其应用前景广阔，必将取代电控液压式4WS系统，并成为4WS系统发展的主流。它的发展趋势有以下几点：

(1)针对4WS系统，进一步开发、设计高性能、高精度、高灵敏度的传感器，以便于正确地检测汽车的运动信号。

(2)将先进的控制理论与控制方法应用于4WS控制器的研究中，提高转向控制性能。

(3)改进步进电动机的结构和控制技术，消除步进电动机工作时存在的振荡、失步、振动、噪声等不足。

(4)研究、设计结构合理、布置方便的后轮转向传动机构，实现后轮的正确转向。

(5)进一步简化系统，减小系统结构的体积，控制生产成本。

(6)把4WS技术与其它主动安全技术(如4WD、ABS、ASR、ASC、DYC等)相结合，实现汽车主动底盘技术的综合控制，这是主动控制4WS系统研究的长期目标。