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(jī)、整車驅(qū)動電機(jī)，以及傳感器的選取做了較詳細(xì)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(jī)驅(qū)動，同時(shí)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(jìn)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(jì)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(shí)。后輪可相對于車身主動轉(zhuǎn)向，使汽車的四個(gè)車輪都能起轉(zhuǎn)向作用。以改善汽車的轉(zhuǎn)向機(jī)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(jìn)展，出現(xiàn)了多種不同結(jié)構(gòu)形式、不同控制方案的實(shí)用4WS系統(tǒng)。按照控制和驅(qū)動后輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的方式不同，4WS系統(tǒng)可分為機(jī)械式、液壓式、電控機(jī)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(jì)初，日本政府頒發(fā)第1個(gè)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(jìn)行著。1985年，日本的NISSAN在客車上應(yīng)用了世界上第1例實(shí)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(diǎn)。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(zhǔn)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(diǎn)。在EPS技術(shù)的基礎(chǔ)上，電控電動式4WS系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)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(jì)算機(jī)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(jī)助力的4WS系統(tǒng)，前、后輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)之間沒有任何機(jī)械連接、油管連接裝置，結(jié)構(gòu)上相互獨(dú)立。如圖1所示。
典型電控電動式4WS系統(tǒng)主要由前輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、傳感器、電控單元（ECU）、步進(jìn)電動機(jī)。減速器和后輪轉(zhuǎn)向機(jī)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(jī)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(shí)，傳感器將前輪轉(zhuǎn)向的信號和汽車運(yùn)動的信號送入ECU,ECU進(jìn)行分析計(jì)算，向步進(jìn)電動機(jī)輸出驅(qū)動信號，步進(jìn)電動機(jī)動作，通過后輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)控制驅(qū)動后輪偏轉(zhuǎn)。同時(shí)ECU進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視汽車狀況，計(jì)算目標(biāo)轉(zhuǎn)向角與后輪實(shí)際轉(zhuǎn)向角之間的差值，來實(shí)時(shí)調(diào)整后輪的轉(zhuǎn)角。這樣可以根據(jù)汽車的實(shí)際運(yùn)動狀態(tài)，實(shí)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(jìn)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(jìn)行選擇。當(dāng)4WS汽車在行駛過程中電子控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，后輪自動回到中間位置，汽車自動進(jìn)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(shí)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(shí)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(diǎn)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(shí)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(shí)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(shí)，前、后輪實(shí)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(shí)的操縱輕便性，減小汽車的轉(zhuǎn)彎半徑，提高汽車的機(jī)動靈活性。在中、高速行駛或方向盤轉(zhuǎn)角較小時(shí)，前、后輪實(shí)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(shí)的有關(guān)運(yùn)動物理量，并轉(zhuǎn)換成電信號，輸入到ECU中，供ECU進(jìn)行分析計(jì)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(jī)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(shí)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(jìn)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(shí)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(shí)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(shí)時(shí)控制汽車的轉(zhuǎn)向運(yùn)動，保證汽車轉(zhuǎn)向行駛時(shí)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(jìn)行分析、計(jì)算、處理，輸出一定的控制信號指令，驅(qū)動步進(jìn)電動機(jī)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。
4.3 步進(jìn)電動機(jī)
電動機(jī)采用步進(jìn)電動機(jī)，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(jī)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(jìn)電動機(jī)是一種數(shù)字控制電動機(jī)，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(jī)控制。采用步進(jìn)電動機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)是：步進(jìn)電動機(jī)的角位移與輸入脈沖數(shù)嚴(yán)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(shí)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(jiān)固耐用，抗干擾能力強(qiáng)。
4.4 減速機(jī)構(gòu)
減速機(jī)構(gòu)的功用是降低步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)速，增大步進(jìn)電動機(jī)傳遞給轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)矩，常采用蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)或行星齒輪機(jī)構(gòu)。
4.5 后輪轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)
不同的車型，后輪轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式也不一樣，可采用傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)向機(jī)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(jì)特定結(jié)構(gòu)形式的后輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。
5.電控電動式4WS系統(tǒng)的特點(diǎn)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(diǎn)：
?。?）轉(zhuǎn)向操作的響應(yīng)加快，準(zhǔn)確性高。
?。?）轉(zhuǎn)向操作的輕便性和行駛穩(wěn)定性提高。低速時(shí)，轉(zhuǎn)彎半徑小，轉(zhuǎn)向操作的機(jī)動靈活性提高（如圖3所示）。
?。?）超車時(shí)，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。抗側(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：
?、俨捎貌竭M(jìn)電動機(jī)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(jìn)電動機(jī)的角位移與輸入脈沖數(shù)嚴(yán)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(qiáng)。結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，質(zhì)量輕，裝配布置方便。
?、懿竭M(jìn)電動機(jī)由蓄電池供電，發(fā)動機(jī)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(jī)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(diǎn)：
?。?）針對4WS系統(tǒng)，進(jìn)一步開發(fā)、設(shè)計(jì)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(yùn)動信號。
?。?）將先進(jìn)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。
?。?）改進(jìn)步進(jìn)電動機(jī)的結(jié)構(gòu)和控制技術(shù)，消除步進(jìn)電動機(jī)工作時(shí)存在的振蕩、失步、振動、噪聲等不足。
?。?）研究、設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)合理、布置方便的后輪轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)后輪的正確轉(zhuǎn)向。
?。?）進(jìn)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(shí)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(biāo)。