《電子技術(shù)應(yīng)用》
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四輪轉(zhuǎn)向汽車電子控制技術(shù)

2017-10-29

  摘要:介紹了電控電動式四輪轉(zhuǎn)向(4WS)系統(tǒng)的基本組成結(jié)構(gòu)工作原理,對四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向電機、整車驅(qū)動電機,以及傳感器的選取做了較詳細的介紹分析。在研究現(xiàn)有4WS電控技術(shù)的基礎(chǔ)上,提出了在助力轉(zhuǎn)向條件下前、后輪分別由電機驅(qū)動,同時由電控單元(ECU)監(jiān)測控制的四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)。對未來四輪轉(zhuǎn)向電控技術(shù)和展趨勢做了進一步的分析展望。

  1.前言

  隨著現(xiàn)代道路交通系統(tǒng)和現(xiàn)代汽車電子技術(shù)的發(fā)展,人們對汽車的轉(zhuǎn)向操縱性能和行駛穩(wěn)定性的要求日益提高。作為改善汽車操縱性能最有效的一種主動底盤控制技術(shù)--四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)。于二十世紀80年代中期開始在汽車上得到應(yīng)用,并伴隨著現(xiàn)代汽車工業(yè)的發(fā)展而不斷發(fā)展。汽車的四輪轉(zhuǎn)向(Four-wheel steering-4WS)是指汽車在轉(zhuǎn)向時。后輪可相對于車身主動轉(zhuǎn)向,使汽車的四個車輪都能起轉(zhuǎn)向作用。以改善汽車的轉(zhuǎn)向機動性、操縱穩(wěn)定性和行駛安全性。

  隨著對4WS這一領(lǐng)域研究的不斷進展,出現(xiàn)了多種不同結(jié)構(gòu)形式、不同控制方案的實用4WS系統(tǒng)。按照控制和驅(qū)動后輪轉(zhuǎn)向機構(gòu)的方式不同,4WS系統(tǒng)可分為機械式、液壓式、電控機械式、電控液壓式和電控電動式等幾種類型。本文介紹的是電控電動式4WS系統(tǒng)。

  2.電控電動式4WS系統(tǒng)的發(fā)展概況

  從20世紀初,日本政府頒發(fā)第1個關(guān)于四輪轉(zhuǎn)向的專利證書開始,對于汽車四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)的研究一直伴隨著汽車工業(yè)的發(fā)展而進行著。1985年,日本的NISSAN在客車上應(yīng)用了世界上第1例實用的4WS系統(tǒng),開始了現(xiàn)代4WS系統(tǒng)的研究與開發(fā)。在技術(shù)相對成熟的4WS汽車中,大多數(shù)采用電控液壓式4WS系統(tǒng),主要用于前輪采用液壓動力轉(zhuǎn)向的4WS汽車中,這種4WS系統(tǒng)具有工作壓力大、工作平穩(wěn)可靠等優(yōu)點。但由于液壓動力系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)布置、密封性、能耗、效率等方面的不足,尤其是在轉(zhuǎn)向過程中存在著響應(yīng)滯后的固有缺陷,使得電控液壓式4WS系統(tǒng)在適應(yīng)現(xiàn)代4WS汽車的轉(zhuǎn)向靈敏性、準確性方面受到了束縛,不能滿足汽車高速行駛穩(wěn)定性的要求。1988年3月,日本鈴木公司開發(fā)出電控電動式助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS),首次裝備在CERVO車上,有效地克服了液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的缺點。在EPS技術(shù)的基礎(chǔ)上,電控電動式4WS系統(tǒng)應(yīng)運而生。1992年,在日本本田序曲的汽車上采用了電控電動式4WS系統(tǒng)。1993年,在日產(chǎn)全新的LAUREL車系上也開始采用電控電動式的4WS系統(tǒng)。電控電動式4WS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、布置容易、控制效果好。

  隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展,計算機技術(shù)在汽車中的廣泛應(yīng)用,電控電動式4WS將是4WS汽車的發(fā)展趨勢。

  3.電控四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基本組成和工作原理

  3.1 電控四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基本組成

  電控電動式4WS系統(tǒng)是指采用電子控制、電機助力的4WS系統(tǒng),前、后輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)之間沒有任何機械連接、油管連接裝置,結(jié)構(gòu)上相互獨立。如圖1所示。

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  典型電控電動式4WS系統(tǒng)主要由前輪轉(zhuǎn)向機構(gòu)、傳感器、電控單元(ECU)、步進電動機。減速器和后輪轉(zhuǎn)向機構(gòu)等組成。本文介紹的電控電動式4WS系統(tǒng)前輪仍采用傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng),后輪采用電子控制、電機驅(qū)動的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。

  3.2 電控四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作原理

  轉(zhuǎn)向時,傳感器將前輪轉(zhuǎn)向的信號和汽車運動的信號送入ECU,ECU進行分析計算,向步進電動機輸出驅(qū)動信號,步進電動機動作,通過后輪轉(zhuǎn)向機構(gòu)控制驅(qū)動后輪偏轉(zhuǎn)。同時ECU進行實時監(jiān)視汽車狀況,計算目標轉(zhuǎn)向角與后輪實際轉(zhuǎn)向角之間的差值,來實時調(diào)整后輪的轉(zhuǎn)角。這樣可以根據(jù)汽車的實際運動狀態(tài),實現(xiàn)汽車的四輪轉(zhuǎn)向。

  系統(tǒng)可設(shè)有兩種轉(zhuǎn)向模式,既可進入4WS狀態(tài),也可保持傳統(tǒng)的2WS狀態(tài),駕駛員可通過駕駛室內(nèi)的轉(zhuǎn)向模式開關(guān)進行選擇。當4WS汽車在行駛過程中電子控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時,后輪自動回到中間位置,汽車自動進入前輪轉(zhuǎn)向狀態(tài),保證汽車像普通前輪轉(zhuǎn)向汽車一樣安全地行駛。同時儀表板上的4WS指示燈亮,警告駕駛員,故障情況被存儲在ECU中,以便于維修時檢碼。

  上述的電控電動式4WS系統(tǒng)后輪轉(zhuǎn)向裝置屬車速感應(yīng)型,其工作特點是后輪偏轉(zhuǎn)的方向和轉(zhuǎn)角大小主要受車速高低的控制,同時也響應(yīng)前輪轉(zhuǎn)角、橫擺角速度的變化。ECU根據(jù)設(shè)定的控制策略,通過程序控制,實現(xiàn)汽車的四輪轉(zhuǎn)向。在低速行駛或者方向盤轉(zhuǎn)角較大時,前、后輪實現(xiàn)逆相位轉(zhuǎn)向,且后輪偏轉(zhuǎn)角度隨前輪轉(zhuǎn)角增大而在一定范圍內(nèi)增大。這種轉(zhuǎn)向方式可改善汽車低速時的操縱輕便性,減小汽車的轉(zhuǎn)彎半徑,提高汽車的機動靈活性。在中、高速行駛或方向盤轉(zhuǎn)角較小時,前、后輪實現(xiàn)同相位轉(zhuǎn)向。使汽車車身的橫擺角速度大大減小,可減小汽車車身發(fā)生動態(tài)側(cè)偏的傾向,提高汽車高速行駛的操縱穩(wěn)定性。

  4.4WS系統(tǒng)電控部分的組成

  4.1 汽車傳感器

  傳感器的功用是檢測汽車轉(zhuǎn)向時的有關(guān)運動物理量,并轉(zhuǎn)換成電信號,輸入到ECU中,供ECU進行分析計算。

  4.1.1 前、后輪轉(zhuǎn)角傳感器

  前、后輪轉(zhuǎn)角傳感器分別安裝在前、后輪轉(zhuǎn)向機構(gòu)靠近車輪的一側(cè),采用非接觸型霍爾元件傳感器,用來檢測前、后車輪的瞬時偏轉(zhuǎn)角。

  4.1.2 車速傳感器

  車速傳感器安裝在車速里程表的轉(zhuǎn)子附近,采用光電式車速傳感器,將汽車前進速度檢測出來,以脈沖信號的形式輸出,送入四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)ECU,同時將電信號輸入到自動變速器ECU.

  4.1.3 車身橫擺角速度傳感器

  車身橫擺角速度傳感器安裝在汽車質(zhì)心處的車身上,采用壓電射流角速度傳感器,檢測汽車轉(zhuǎn)向行駛時的車身橫擺角速度,以電信號的形式輸入ECU,ECU輸出控制信號,實時控制汽車的轉(zhuǎn)向運動,保證汽車轉(zhuǎn)向行駛時的動態(tài)穩(wěn)定性。

  4.2 電控單元(ECU)

  ECU是4WS系統(tǒng)的核心,其功用是根據(jù)制定的控制方案,按照編制的程序?qū)Ω鞣N傳感器輸入信號進行分析、計算、處理,輸出一定的控制信號指令,驅(qū)動步進電動機動作。其電控單元的控制框圖如2圖所示,4WS系統(tǒng)ECU主要由輸入信號調(diào)理電路、微處理器、輸出信號處理電路、電源電路等硬件部分和控制程序、軟件平臺等軟件部分組成。為保證控制系統(tǒng)可靠地工作,電控單元還必須采取有效的抗干擾措施和故障自診斷處理措施。

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  4.3 步進電動機

  電動機采用步進電動機,其功用是根據(jù)ECU的指令輸出適宜的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)角,驅(qū)動后輪轉(zhuǎn)向機構(gòu),控制后輪的轉(zhuǎn)向,是后輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的驅(qū)動執(zhí)行元件。步進電動機是一種數(shù)字控制電動機,將數(shù)字式電脈沖信號轉(zhuǎn)換成角位移,控制性能好,非常適合于單片機控制。采用步進電動機的主要優(yōu)點是:步進電動機的角位移與輸入脈沖數(shù)嚴格成正比,隨動性好,可與角度反饋環(huán)節(jié)組成高性能的閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng);動態(tài)響應(yīng)快,易于實現(xiàn)起停、正反轉(zhuǎn)及變速;具有自鎖和保持轉(zhuǎn)矩能力;結(jié)構(gòu)簡單,堅固耐用,抗干擾能力強。

  4.4 減速機構(gòu)

  減速機構(gòu)的功用是降低步進電動機轉(zhuǎn)速,增大步進電動機傳遞給轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)的轉(zhuǎn)矩,常采用蝸輪蝸桿機構(gòu)或行星齒輪機構(gòu)。

  4.5 后輪轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)

  不同的車型,后輪轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式也不一樣,可采用傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)向機構(gòu)形式,也可根據(jù)汽車后懸結(jié)構(gòu)和行駛轉(zhuǎn)向要求,設(shè)計特定結(jié)構(gòu)形式的后輪轉(zhuǎn)向機構(gòu)。

  5.電控電動式4WS系統(tǒng)的特點分析

  5.1 電控電動式4WS與普通2WS系統(tǒng)對比分析

  電控電動式4WS汽車與普通的2WS汽車相比,電控電動式4WS汽車具有如下特點:

 ?。?)轉(zhuǎn)向操作的響應(yīng)加快,準確性高。

 ?。?)轉(zhuǎn)向操作的輕便性和行駛穩(wěn)定性提高。低速時,轉(zhuǎn)彎半徑小,轉(zhuǎn)向操作的機動靈活性提高(如圖3所示)。

 ?。?)超車時,變換車道更容易,減小了汽車產(chǎn)生擺尾和側(cè)滑的可能性??箓?cè)向干擾的穩(wěn)定性效果好。

  5.2 電控電動式4WS與電控液壓式4WS系統(tǒng)對比分析

  電控電動式4WS系統(tǒng)與電控液壓式4WS系統(tǒng)相比,也具有顯著的優(yōu)勢:

  ①采用步進電動機作為后輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的驅(qū)動執(zhí)行元件,動態(tài)響應(yīng)快,改善了瞬態(tài)轉(zhuǎn)向靈敏度,有效地降低了電控液壓式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向滯后特性。

 ?、诓竭M電動機的角位移與輸入脈沖數(shù)嚴格成正比,在轉(zhuǎn)動過程中,無累積誤差,隨動性好,轉(zhuǎn)向控制精度高,回正性好。

 ?、巯到y(tǒng)剛性大,有較高的慣性力矩,抗外界干擾的能力強。結(jié)構(gòu)緊湊,體積小,質(zhì)量輕,裝配布置方便。

 ?、懿竭M電動機由蓄電池供電,發(fā)動機動力消耗。沒有液壓系統(tǒng)裝置,系統(tǒng)的調(diào)整和檢測方便,裝配自動化程度高,能縮短系統(tǒng)產(chǎn)品的生產(chǎn)和開發(fā)周期。

  6.電控電動式4WS系統(tǒng)的技術(shù)展望目前在成型的4WS汽車中主要采用電控液壓式4WS系統(tǒng)。雖然電控電動式4WS系統(tǒng)發(fā)展較晚,相應(yīng)的技術(shù)還不夠成熟,存在動力小、ECU復(fù)雜、成本高等不足之處,但隨著現(xiàn)代電子技術(shù)、電機技術(shù)的飛速發(fā)展和應(yīng)用,電控電動式4WS系統(tǒng)在技術(shù)上將不斷完善,在轉(zhuǎn)向控制性能、系統(tǒng)布置、節(jié)能等方面也將越來越顯示其優(yōu)越性,其應(yīng)用前景廣闊,必將取代電控液壓式4WS系統(tǒng),并成為4WS系統(tǒng)發(fā)展的主流。它的發(fā)展趨勢有以下幾點:

  (1)針對4WS系統(tǒng),進一步開發(fā)、設(shè)計高性能、高精度、高靈敏度的傳感器,以便于正確地檢測汽車的運動信號。

  (2)將先進的控制理論與控制方法應(yīng)用于4WS控制器的研究中,提高轉(zhuǎn)向控制性能。

  (3)改進步進電動機的結(jié)構(gòu)和控制技術(shù),消除步進電動機工作時存在的振蕩、失步、振動、噪聲等不足。

 ?。?)研究、設(shè)計結(jié)構(gòu)合理、布置方便的后輪轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu),實現(xiàn)后輪的正確轉(zhuǎn)向。

 ?。?)進一步簡化系統(tǒng),減小系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的體積,控制生產(chǎn)成本。

 ?。?)把4WS技術(shù)與其它主動安全技術(shù)(如4WD、ABS、ASR、ASC、DYC等)相結(jié)合,實現(xiàn)汽車主動底盤技術(shù)的綜合控制,這是主動控制4WS系統(tǒng)研究的長期目標。


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