解析四轮转向汽车电子控制技术
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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。 |
