基于汽車電子控制技術的四輪轉向系統

來源：汽車設計

1.引言

汽車自誕生以來對行駛穩定性以及汽車操控性操控性能要求的不斷提高，正是驅動著汽車工業不斷發展的直接動力。隨著以集成電路為基礎的汽車電子控制技術的發展成熟以期消費者需求的日漸旺盛，四輪轉向技術作為一種主動底盤控制技術開始得到廣泛的應用，四輪轉向技術的應用可以對車輛操縱性能以及轉向性能產生直接、有效的作用。四輪轉向技術誕生三十多年以來，被應用于眾多車型上并經受了多年的運行檢驗，相關技術已經得到了長足的發展進步。

4WS是汽車四輪轉向的縮寫，應用4WS技術的汽車在轉向時，汽車后輪也會產生現對于車身的轉向，該后輪轉向是主動的，這樣汽車的四個輪子都參與到了汽車的轉向過程并起到轉向作用。這樣不僅降低了汽車的轉向半徑，也相應的提升了車輛的行駛穩定性、轉向機動型以及操縱穩定性。后輪主動參與車輛轉向是4WS與傳統2WS的顯著區別，根據轉向時后輪與前輪轉向的不同分為同相位轉向以及逆相位轉向，同相位轉向是指后輪與前輪轉向方向相同，而逆相位轉向則是指后輪與前輪轉向相反。這兩種不同的轉向方式給四輪轉向汽車的行駛品質的提升具有促進作用，在車輛高速行駛時，同相位轉向幫助車輛提升操縱的穩定性，而在車輛低速行駛時則采用逆相位形式，幫助汽車轉向減少轉彎半徑，提升車輛的行駛靈活性。在車輛四輪轉向技術發展過程中發展出了多種不同的四輪轉向實現方案，按照車輛結構以及執行機構的不同可以分為：電子控制電動式、機械+電子控制式、液壓控制液壓工作式、電子控制液壓工作式等。

2.四輪轉向系統結構及工作原理

現階段的汽車四輪轉向系統4WS得到了廣泛的應用，4WS系統最初是由尼桑公司研究并應用于車輛生產之中的，經過了三十多年的發展，4WS系統以其優秀的四輪控制性能得到了廣泛的歡迎，也幫助車企在車輛研發領域積累了深厚的技術基礎，助力車企開發出更加適應市場和更高經濟效益的車型。

2.1.4WS 系統的組成

隨著二十世紀末以來在信息技術、集成電路、微電子領域的技術突破，以這些技術為基礎的汽車電子控制技術也逐步發展成熟，4WS系統的發展成熟也正是基于汽車電子控制技術的進步，4WS系統中對于車輛四輪的控制以及前后輪的轉向分配使用到了電子控制技術以及電機助力技術。由于在車輛四輪轉向過程中，車輛的前輪和后輪在不同的速度之下的轉向方式存在差別，因此在四輪轉向控制之中應用4WS結構相對獨立，且在車輛前后輪轉向系統中不存在機械連接，因此可以確保轉向性能可以在系統正常運行的狀態下保持高水平。

車輛轉向機構、ECU、減速器、電動機、傳感器等部分共同構成4WS系統，并實現對車輛四輪轉向的有效控制。在車輛后輪參與轉向的過程中電子控制技術深度介入，幫助車輛后輪執行正確的轉向工作，滿足車輛的正常行駛以及提升車輛的轉向性能。

2.2電子控制 4WS 系統的工作原理

ECU即電子控制單元，常被形象的稱為“行車電腦”，ECU是車輛電子控制系統內執行分析計算并向相應部件輸出控制信號的單元，在4WS系統中ECU也承擔UI車輛運動信號的分析和運算，在車輛進行四輪轉向時，位于車輛前輪的傳感器將車輛前輪的轉向信號以及車輛的運動狀態傳入ECU，經過ECU對該型號的處理、分析、運算，產生輸送向步進電機的驅動信號，步進電機根據驅動信號執行相應的動作作用于車輛的后輪轉向機構，通過這個途徑控制后輪的轉向。ECU在此過程中仍然對車輛的運動狀態進行全程、實時的監測，對車輛后輪轉向角與目標轉向角之間的差值進行計算，根據計算結果對后輪的轉角實現實時調整。這樣的實時調整與車輛的實際運動狀態相契合，實現汽車的四輪轉向。

電子控制4WS系統設定有兩種轉向模式可供駕駛員選擇，駕駛員可以通過轉向模式開關選擇傳統的2WS模式也可以保持4WS狀態繼續行駛，設置這兩種轉向模式不僅是為駕駛員根據實際路況提供更多地選擇，也是當4WS系統出現故障無法正常執行四輪轉向時保留傳統的前輪轉向設置，保證車輛運行的安全性，確保駕乘人員的人身安全。當4WS系統出現故障時，駕駛室儀表臺上出現4WS故障指示燈，提醒駕駛員4WS系統出現故障，車輛四輪轉向系統不能正常運行，檢測車輛運行狀態的ECU實時記錄故障信息，方便技術人員在故障檢測維修時進行檢碼。

上述的可以實現車輛前后輪同相位以及逆相位轉向的4WS系統屬于電子電動式四輪轉向系統，這種系統的后輪轉向裝置是受車輛車速的控制，即車輛后輪的偏轉角度以及方向是根據車速的大小而改變的，同時后輪偏轉角和方向的變化也是對前輪轉角和橫擺角速度變化的響應。在ECU中設定了車輛在不同速度下的四輪轉向控制策略，再車輛高速或者低速狀態下根據程序控制前后輪的轉向。當ECU接收到傳感器發送來的車輛中高速行駛狀態的信號亦或是方向盤的小角度轉動的信號時，ECU根據控制策略程序控制車輛前后輪進行同相位轉向，減小車輛的橫擺角速度，降低車輛車身的動態側偏，幫助車輛在高速行駛時保持操縱的穩定性。當ECU接收到傳感器發送來的低速行駛狀態或者是方向盤的大角度轉動信號時，ECU則采用低速運行時的控制策略，程序控制前后輪實現逆相位轉向，車輛前輪轉角增大的同時增大后輪的偏轉角度，幫助車輛駕駛員輕松操縱低速車輛進行轉向，并且降低車輛低速狀態下的轉彎半徑，提升車輛的靈活性。

3.基于汽車電子控制技術的四輪轉向系統分析

3.1結構框架

在汽車四輪轉向系統的設計中對于系統整體的結構設計是關鍵，從系統整體的角度出發開展設計工作，在統攬全局的基礎上分析系統的局部細節，確保汽輪轉向系統的電子控制功能可以有效地發揮作用。在4WS系統中承擔車輛狀態感知的傳感器以及對車輛運行信息進行分析計算的ECU是關系到電子控制系統功能發揮的重點，這就需要在系統設計的過程中選用質量可靠、性能過硬的單片機，并且在車輛儀表臺中設置合理、醒目的故障提示燈，保證在系統出現故障時給駕駛員以清晰的提醒，避免在出現系統故障時駕駛員在不知情的狀態下進行不當的轉向操作。

4WS系統整合了4WS轉向模式以及傳統的2WS轉向模式，這兩種模式之間的兼容需要在系統設計時予以深度考慮，確保這兩種轉向模式可以根據路況順利切換，或者在4WS模式出現故障無法正常運行時2WS模式能夠接管車輛的轉向工作，保證車輛運行的安全性。因此，系統的安全性、穩定性是4WS系統設計的重點，而選用一個高性能、高質量的控制核心又是此設計重點的關鍵?？刂坪诵牡母咝阅芸梢詫Λ@取的信號進行高效的處理，是系統性能保持在高水平，并且可以穩定發揮控制作用。

3.2系統設計

3.2.1微處理器設計

在四輪轉向系統的各個組成部分中，微處理器是其中的重點部分，微處理器的高性能對于4WS系統功能的發揮具有至關重要的作用。微處理器是ECU的核心部門，由于ECU是對車輛運行狀態進行分析計算并產生控制的部件，因此微處理器在其中所承擔的正是對ECU接收到的信號的處理工作，由于汽車的組成部分眾多且運行狀態復雜，繁多的信號使得微處理器的信號處理工作量很大。信號處理的質量和效率是4WS系統工作有效性的直接保證，因此微處理器設計的重點就在于高性能微處理器的選用和程序設計，在設計過程中為進一步確保信號傳輸的有效性，可以采用A/D或者D/A轉換模式。

3.2.2電路設計

信號的調理是電路設計的重點，信號調理的有效性能夠保證電路符合系統信息處理的需求。再以ECU設計為重點的4WS系統設計中，輸入信號調理電路設計關乎到ECU設計的成敗，輸入信號調理電路設計中構成電路低通濾波器的時外圍阻容原件和運算放大器。在電路設計中合理運用電極管實現對電路的過載保護，確保電路運行的穩定性，利用電極管的過載保護可以在元器件因電壓或電流過大損壞并對電路產生破壞時，可以較為方便的解決問題修復電路。電路與其他系統之間的聯系也是電路設計關注的重點，微處理器的選用與電路設計之間的的關系是其中需要關注的重點，對這一關系的全面考慮和合理設計對于ECU與CPU之間聯動作用的發揮具有積極意義。

3.2.3抗干擾設計

4WS系統整體的電子元件眾多且車輛運行時的運行狀態復雜，系統工作時會受到元件之間或者外部環境中的電磁輻射以及車輛電源系統的波動的影響，造成信號傳輸混亂，影響系統的正常信號處理工作，導致程序失控，車輛運行發生危險。因此，抗干擾設計是系統設計中不可忽視的一項工作內容。多級濾波技術可以應用于抗干擾設計中，以多級濾波技術可以降低電磁輻射的影響并抵消電源波動產生的干擾，保證信息的處理秩序的穩定，從而更好的確保程序運行穩定可靠。

4.4WS 系統電控部分的組成

4.1.傳感器

傳感器在4WS系統中主要是檢測車輛運動狀態并產生相應的電信號傳輸給ECU，ECU根據接收到的電信號進行相應的數據分析和運算，產生相應的控制信號。

4.1.1前后輪轉角傳感器

在車輛前輪和后輪轉向機構靠近車輪的部位安裝車輛前后輪轉角傳感器，前后輪轉角傳感器不接觸車輪，屬于非接觸式霍爾元件傳感器。前后輪轉角傳感器的作用為實時檢測車輛前后輪的瞬時偏轉角。

4.1.2車速傳感器

車速傳感器使用的是光電式傳感器，其安裝位置位于車速表轉系附近，用于檢測車輛的行駛速度，將檢測到的車速信息以脈沖信號的形式傳輸給四輪轉向ECU，將同樣的信息以電信號的形式輸入至自動變速器ECU。

4.1.3車身橫擺角速度傳感器

在汽車質心處的車身上安裝車身橫擺角速度傳感器，該傳感器的主要工作內容為在車輛轉向是檢測車身發生橫擺的角速度，將檢測出的車身橫擺角速度以電信號的形式輸出給ECU，在經過ECU的分析和運算之后輸出相應的控制型號，實現在車輛轉向時實時控制車身的橫擺穩定性。

4.2.電控單元

電控單元即ECU，ECU是車輛電子控制系統內執行分析計算并向相應部件輸出控制信號的單元，在4WS系統中ECU也承擔UI車輛運動信號的分析和運算。輸出相應的控制信號控制步進電機動作。

4.3.步進電機

選用步進電機作為數字控制電動機的優點是：步進電機的角位移與輸入脈沖數成正比，隨動性好；動態響應能力強易于實現正反轉、變速、起停；結構簡單、耐用；抗干擾能力強等。后輪轉向機構受步進電機的控制在接受到ECU的控制指令后輸出相應的轉角和轉矩，控制后輪的轉向，步進電機是四輪轉向系統中后輪驅動執行元件。

4.4.后輪轉向傳動機構

后輪轉向傳動機構根據車型的不同結構形式有所差別，可以使用傳統的轉向機構形式，也可以根據特定車型的懸掛和轉向需求進行個性化設計。

5.結語

綜上所述，在電控四輪轉向系統進行深入分析和了解的基礎上，在車輛的設計、研發、生產過程中結合實際和當下電子技術的前沿發展成果以及新材料的積極運用，電控四輪轉向系統一定會有更加廣闊的應用前景。通過對電子控制四輪轉向系統的研究和發展更好的服務于汽車產業發展和消費者，在不斷的技術創新中推動汽車產業發展平穩、健康、長遠。

審核編輯：湯梓紅