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滯后的固有缺陷，使得電控液壓式4WS系統(tǒng)在適應現(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,。
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,，同時也響應前輪轉(zhuǎn)角,、橫擺角速度的變化。ECU根據(jù)設定的控制策略,，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。
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：
（1）轉(zhuǎn)向操作的響應加快,，準確性高,。
（2）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：
?、俨捎貌竭M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，相應的技術(shù)還不夠成熟,，存在動力小,、ECU復雜、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：
?。?）針對4WS系統(tǒng),，進一步開發(fā)、設計高性能,、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,。
?。?）將先進的控制理論與控制方法應用于4WS控制器的研究中，提高轉(zhuǎn)向控制性能,。
?。?）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,。
（4）研究,、設計結(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,。
（6）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。