电控电动四轮转向系统在现代汽车上的应用

1、2005电控电动四轮转向系统在现代汽车上的应用余文明（淮阴工学院交通工程系，江苏淮安223001）摘 要：简单介绍了电控电动四轮转向系统的组成和工作原理，详细阐述了电动电控四轮转向系统的控制模式、硬件构成及特点，并对其未来的发展趋势作了展望。关键词：电控电动；四轮转向；现代汽车；应用中图分类号：U463.216 文献标识码：A 文章编号：1009-7961（2005）01-0075-02ApplicationofElectricityPoweredFour-wheelSteeringSysteminModernAutomobileYUWen-ming（TheTransportationEngi

2、neeringDepartment，HuaiyinInstituteofTechnoIogy，HuaianJiangsu223001，China）Abstract：Thestructure，workingprincipIeofeIectricitypoweredfour-wheeIsteeringsystemareintroducedinthispaper.Thecon-troImode，hardwarestructureandthecharacteristicsareexpIicatedingreatdetaiI.AndtheprospectofdeveIopingtrendofthiste

3、chnoIogyisaIsocIearIyshownbytheauthor.appIicationKeywords：eIectricitypowered；four-wheeIsteering；modernautomobiIe；四轮转向汽车（4WS汽车）是指四个车轮都是转向轮的汽车，或四个车轮都能起转向作用的汽车。采用4WS方式，后轮与前轮转向相同时称为同相位转向，后轮与前轮转向相反时称为逆相位转向。四轮转向汽车的主要优点是在高速时采用同相位转向能够改善汽车操纵稳定性，低速时采用逆相位转向能够减小汽车的转弯半径，使汽车行驶更加灵活。四轮转向汽车按结构和执行机构的不同可分为机械式、机电组合控制式、

4、电子控制液压工作式、液压控制液压工作式、电子控制电动式等。本文主要介绍电子控制电动式四轮转向系统在现代汽车上的应用。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。1 电控电动四轮转向系统的组成电控电动式4WS系统主要由车速传感器、电控单元ECU、步进电动机、后轮助力转向机构等组成，如图1所示。1.1 车速传感器车速传感器有两个，它们分别设置在汽车车速表的输入轴处和变速器的输出轴端，结构一般为舌簧触点开关式或光电式。这两个传感器同时向四轮转向控制器ECU输送有关车速的电脉冲信号。图1 电子控制电动式4WS系统结构框1-前轮转角传感器2-前轮转向机构3-前轮4-方向盘5-车速传感器6

5、-横摆角速度传感器7-电控单元8-步进电动机9-减速器10-后轮11-后轮转向机构12-后轮转角传感器1.2 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。1.4 电控电动式4WS系统的电控单元ECU电控电动式4WS系统的控制单元ECU的控制框图如图2所示，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。ECU是4WS系统的核心，其功用是根据制定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

6、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输出控制信收稿日期：2004-06-23；修改日期：2004-07-05作者简介：余文明（1975-），男，江苏涟水人，讲师。76 淮阴工学院学报 2005年的控制方案，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。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。图2 电控电动式4WS系统控制电路框图l.5 步进电动机电动机采用步进电动机，其功用是根据ECU的指令输出适宜的转矩和转角，驱动后轮转向机构，控制后轮的转向，是后轮转向系统中的驱动执

7、行元件。步进电动机是一种数字控制电动机，将数字式电脉冲信号转换成角位移，控制性能好，非常适合于单片机控制。采用步进电动机的主要优点是：步进电动机的角位移与输入脉冲数严格成正比，随动性好，可与角度反馈环节组成高性能的闭环数控系统；动态响应快，易于实现起停、正反转及变速；具有自锁和保持转矩能力；结构简单，坚固耐用，抗干扰能力强。实际是低于40km/h时前后轮反向转动，从而保证汽车在低速时转向机动灵活。因此，对后轮的偏转方向是根据车速及前轮的转向来决定的。在实际操作中车速的判断是有一定范围的，即在车速为40km/h左右的某一偏差范围内执行器不动作。2 电控电动四轮转向系统的工作原理2.l 工作原理系

8、统中前轮与普通的转向机构相同，为机械式转向机构，而后轮则由步进电机驱动助力转向执行机构来转向。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根据预定的控制策略进行分析计算，向步进电动机发送控制命令，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，

9、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。图3 一种4WS汽车后轮转角与车速之间的关系曲线另一种控制模式是四轮转向控制系统的改进型。此系统设计使其车身位置与行驶方向匹配，以增强其转向能力。该系统中所使用的传感器检测汽车转向时车身的偏转情况，并依据车身偏转量达到最小去控制后轮偏转。即使在如侧风、制动等非前轮转向而使车身与行驶方向发生偏转的因素影响下，该系统仍可通过控制后轮的偏转来获得汽车行驶的稳定性。3 电控电动式4WS系统的特点与电控液压式4WS系统相比，电

10、控电动式4WS系统具有以下特点：（l）结构紧凑，体积小，重量轻，装配布置方便；（2）系统刚性大，有较高的惯性力矩，抗外界干扰的能力强；（下转第79页）2.2 控制模式电控电动4WS系统通常采用的控制模式有两种，一种是（如图3）当车速低于40km/h时，后轮偏转的方向与前轮偏转的方向相反；而当车速高于40km/h时，后轮偏转的方向与前轮偏转的方向相同。由于在实际行驶中汽车转弯时车速变化较快（通常转弯时都伴随有减速过程），所以第1期 张 涛等：氯醚树脂耐腐蚀导电涂料的研究 79 将导电涂料涂敷于贴有电极的环氧酚醛板上，在4011C条件下分别浸泡于下列溶液，电阻变化见表2。表2 涂层浸泡后电阻率的变

11、化浸泡时间（d）人工海水0306015%H2SO4溶 液的导电涂料，涂层体积电阻率可达到0.1!cm，并且具有出色的耐腐蚀性能，长期浸泡腐蚀介质中电阻变化小；涂层可耐200-300C高温。初步研究结果表明，该涂料很有希望作为一种具有高导电性的耐高温抗腐蚀导电涂料应用于严酷环境中，满足耐久性的需要。参考文献：1杜仕国.导电涂料的研究及进展J.涂料工业，1995，（6）：29-31.2宇佐美，正博.用导电涂膜防止海洋生物附着的技术J.涂料技术，1994，（1）：44-48.3王晓丽，杜仕国，施冬梅.防静电涂料研究进展J.化工新型材料，2000，28（10）：17-20.4李良波，孟平蕊，王惠忠等.

12、耐高温防腐蚀导电涂料的研制J.涂料工业，1999，（10）：14-16.5陈建，卿明强.新型石墨/丙稀酸导电涂料研究J.新型炭材料，2000，（1）：5-11.电阻率比值（%）<8.5%根据测试数据，比较文献4提供的实验结果，该导电涂料对酸、碱、盐溶液有较好抗腐蚀作用，但对某些有机溶剂耐受性不是很理想。表2数据表明，涂层在稀酸、盐、碱溶液中浸泡60天后，电阻变化率小于9%，比较文献5所提供的实验结果，可以说明本研究所制得的涂层长期耐酸、碱、盐性能较好。（责任编辑：吴延东）3 结 论由耐腐蚀性能优异的氯醚树脂复合导电石墨所制备（上接第76页）（3）采用步进电动机作为后轮转向系统的驱动执行元

13、件，动态响应快，改善了瞬态转向灵敏度，有效地降低了电控液压式转向系统的转向滞后特性；（4）步进电动机的角位移与输入脉冲数严格成正比，在转动过程中，无累积误差，随动性好，转向控制精度高，回正性好。（5）步进电动机由蓄电池供电，发动机动力消耗和燃油消耗低。（6）没有液压系统装置，系统的调整和检测方便，装配自动化程度高，能缩短系统产品的生产和开发周期。的研究中，提高转向控制性能。（3）改进步进电动机的结构和控制技术，消除步进电动机工作时存在的振荡、失步、振动、噪声等不足。（4）进一步简化系统，减小系统结构的体积，控制生产成本。（5）研究、开发基于新控制理论的四轮全主动电控电动式4WS系统。（6）把4

14、WS技术与其它主动安全技术（如4WD、ABS、ASR、ASC、DYC等）相结合，实现汽车主动底盘技术的综合控制，这是主动控制4WS系统研究的长期目标。参考文献：1庄继德.汽车电子控制系统工程M.北京：北京理工大学1998.出版社，2司利增.汽车计算机控制M.北京：人民交通出版社，2000.3王晓明.电动机的单片机控制M.北京：北京航空航天大学出版社，2002.4冯渊.汽车电子控制技术M.北京：机械工业出版社，2001.5胡宁.现代汽车底盘构造M.上海：上海交通大学出版社，2003.6（加）唐诺里斯、（美）杰克尔贾维克.悬架系统及转向系统M.长春：吉林科学技术出版社，2000.4 电控电动式4W

15、S系统的发展趋势目前，在成型的4WS汽车中主要采用电控液压式4WS系统。虽然电控电动式4WS系统发展较晚，相应的技术还ECU复杂，成本高等不足之不够成熟，且存在着动力小、处。但随着现代电子技术、电机技术的飞速发展和应用，电控电动式4WS技术的不断完善，使其在转向控制性能、系统布置、节能等方面越来越显示其优越性。电控电动式4WS系统的应用前景广阔，必将取代电控液压式4WS系统，成为4WS系统发展的主流。电控电动式4WS系统未来的发展趋势是：针对4WS系统，进一步开发、设计高性能、高精度、（1）高灵敏度的传感器，以便于正确地检测汽车的运动信号。（2）将先进的控制理论与控制方法应用于4WS控制器（责任编辑：蒋 华）电控电动四轮转向系统在现代汽车上的应用作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：余文明， YU Wen-ming淮阴工学院,交通工程系,江苏,淮安,223001淮阴工学院学报JOURNAL