摘要：介紹了電控電動(dòng)式四輪轉(zhuǎn)向（4WS）系統(tǒng)的基本組成結(jié)構(gòu)工作原理，對(duì)四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向電機(jī),、整車驅(qū)動(dòng)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(dòng),，同時(shí)由電控單元（ECU）監(jiān)測(cè)控制的四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)。對(duì)未來四輪轉(zhuǎn)向電控技術(shù)和展趨勢(shì)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(duì)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(dòng)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(duì)于車身主動(dòng)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(dòng)性,、操縱穩(wěn)定性和行駛安全性,。
隨著對(duì)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(dòng)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(dòng)式等幾種類型,。本文介紹的是電控電動(dòng)式4WS系統(tǒng),。
2.電控電動(dòng)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(duì)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(duì)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)式的4WS系統(tǒng),。電控電動(dòng)式4WS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(dòng)式4WS將是4WS汽車的發(fā)展趨勢(shì),。
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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(hào)和汽車運(yùn)動(dòng)的信號(hào)送入ECU,ECU進(jìn)行分析計(jì)算，向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào),，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)動(dòng)作,，通過后輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)控制驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(dòng)回到中間位置,，汽車自動(dòng)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(chǔ)在ECU中,，以便于維修時(shí)檢碼,。
上述的電控電動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(cè)汽車轉(zhuǎn)向時(shí)的有關(guān)運(yùn)動(dòng)物理量,，并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，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(cè)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(cè)出來,，以脈沖信號(hào)的形式輸出,，送入四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)ECU,同時(shí)將電信號(hào)輸入到自動(dòng)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(cè)汽車轉(zhuǎn)向行駛時(shí)的車身橫擺角速度,，以電信號(hào)的形式輸入ECU,ECU輸出控制信號(hào)，實(shí)時(shí)控制汽車的轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng),，保證汽車轉(zhuǎn)向行駛時(shí)的動(dòng)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(hào)進(jìn)行分析,、計(jì)算、處理,，輸出一定的控制信號(hào)指令,，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)動(dòng)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(hào)調(diào)理電路,、微處理器、輸出信號(hào)處理電路,、電源電路等硬件部分和控制程序,、軟件平臺(tái)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(dòng)機(jī)
電動(dòng)機(jī)采用步進(jìn)電動(dòng)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(dòng)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(dòng)執(zhí)行元件。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種數(shù)字控制電動(dòng)機(jī),，將數(shù)字式電脈沖信號(hào)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(dòng)機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)是：步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的角位移與輸入脈沖數(shù)嚴(yán)格成正比,，隨動(dòng)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(dòng)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(jiǎn)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，增大步進(jìn)電動(dòng)機(jī)傳遞給轉(zhuǎn)向傳動(dòng)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(dòng)機(jī)構(gòu)
不同的車型，后輪轉(zhuǎn)向傳動(dòng)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(dòng)式4WS系統(tǒng)的特點(diǎn)分析
5.1 電控電動(dòng)式4WS與普通2WS系統(tǒng)對(duì)比分析
電控電動(dòng)式4WS汽車與普通的2WS汽車相比,，電控電動(dòng)式4WS汽車具有如下特點(diǎn)：
（1）轉(zhuǎn)向操作的響應(yīng)加快,，準(zhǔn)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(shí),，轉(zhuǎn)彎半徑小，轉(zhuǎn)向操作的機(jī)動(dòng)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,?？箓?cè)向干擾的穩(wěn)定性效果好。
5.2 電控電動(dòng)式4WS與電控液壓式4WS系統(tǒng)對(duì)比分析
電控電動(dòng)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(shì)：
?、俨捎貌竭M(jìn)電動(dòng)機(jī)作為后輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件，動(dòng)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(dòng)機(jī)的角位移與輸入脈沖數(shù)嚴(yán)格成正比,，在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，無累積誤差,，隨動(dòng)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(dòng)機(jī)由蓄電池供電，發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力消耗,。沒有液壓系統(tǒng)裝置,，系統(tǒng)的調(diào)整和檢測(cè)方便，裝配自動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(shì)有以下幾點(diǎn)：
?。?）針對(duì)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(cè)汽車的運(yùn)動(dòng)信號(hào),。
（2）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,。
（3）改進(jìn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和控制技術(shù),，消除步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作時(shí)存在的振蕩,、失步、振動(dòng),、噪聲等不足,。
（4）研究,、設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)合理,、布置方便的后輪轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)后輪的正確轉(zhuǎn)向,。
?。?）進(jìn)一步簡(jiǎn)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(dòng)安全技術(shù)（如4WD,、ABS,、ASR、ASC,、DYC等）相結(jié)合,，實(shí)現(xiàn)汽車主動(dòng)底盤技術(shù)的綜合控制，這是主動(dòng)控制4WS系統(tǒng)研究的長(zhǎng)期目標(biāo)。