基于汽车电子控制技术的四轮转向系统

来源：汽车设计

1.引言

汽车自诞生以来对行驶稳定性以及汽车操控性操控性能要求的不断提高，正是驱动着汽车工业不断发展的直接动力。随着以集成电路为基础的汽车电子控制技术的发展成熟以期消费者需求的日渐旺盛，四轮转向技术作为一种主动底盘控制技术开始得到广泛的应用，四轮转向技术的应用可以对车辆操纵性能以及转向性能产生直接、有效的作用。四轮转向技术诞生三十多年以来，被应用于众多车型上并经受了多年的运行检验，相关技术已经得到了长足的发展进步。

4WS是汽车四轮转向的缩写，应用4WS技术的汽车在转向时，汽车后轮也会产生现对于车身的转向，该后轮转向是主动的，这样汽车的四个轮子都参与到了汽车的转向过程并起到转向作用。这样不仅降低了汽车的转向半径，也相应的提升了车辆的行驶稳定性、转向机动型以及操纵稳定性。后轮主动参与车辆转向是4WS与传统2WS的显著区别，根据转向时后轮与前轮转向的不同分为同相位转向以及逆相位转向，同相位转向是指后轮与前轮转向方向相同，而逆相位转向则是指后轮与前轮转向相反。这两种不同的转向方式给四轮转向汽车的行驶品质的提升具有促进作用，在车辆高速行驶时，同相位转向帮助车辆提升操纵的稳定性，而在车辆低速行驶时则采用逆相位形式，帮助汽车转向减少转弯半径，提升车辆的行驶灵活性。在车辆四轮转向技术发展过程中发展出了多种不同的四轮转向实现方案，按照车辆结构以及执行机构的不同可以分为：电子控制电动式、机械+电子控制式、液压控制液压工作式、电子控制液压工作式等。

2.四轮转向系统结构及工作原理

现阶段的汽车四轮转向系统4WS得到了广泛的应用，4WS系统最初是由尼桑公司研究并应用于车辆生产之中的，经过了三十多年的发展，4WS系统以其优秀的四轮控制性能得到了广泛的欢迎，也帮助车企在车辆研发领域积累了深厚的技术基础，助力车企开发出更加适应市场和更高经济效益的车型。

2.1.4WS 系统的组成

随着二十世纪末以来在信息技术、集成电路、微电子领域的技术突破，以这些技术为基础的汽车电子控制技术也逐步发展成熟，4WS系统的发展成熟也正是基于汽车电子控制技术的进步，4WS系统中对于车辆四轮的控制以及前后轮的转向分配使用到了电子控制技术以及电机助力技术。由于在车辆四轮转向过程中，车辆的前轮和后轮在不同的速度之下的转向方式存在差别，因此在四轮转向控制之中应用4WS结构相对独立，且在车辆前后轮转向系统中不存在机械连接，因此可以确保转向性能可以在系统正常运行的状态下保持高水平。

车辆转向机构、ECU、减速器、电动机、传感器等部分共同构成4WS系统，并实现对车辆四轮转向的有效控制。在车辆后轮参与转向的过程中电子控制技术深度介入，帮助车辆后轮执行正确的转向工作，满足车辆的正常行驶以及提升车辆的转向性能。

2.2电子控制 4WS 系统的工作原理

ECU即电子控制单元，常被形象的称为“行车电脑”，ECU是车辆电子控制系统内执行分析计算并向相应部件输出控制信号的单元，在4WS系统中ECU也承担UI车辆运动信号的分析和运算，在车辆进行四轮转向时，位于车辆前轮的传感器将车辆前轮的转向信号以及车辆的运动状态传入ECU，经过ECU对该型号的处理、分析、运算，产生输送向步进电机的驱动信号，步进电机根据驱动信号执行相应的动作作用于车辆的后轮转向机构，通过这个途径控制后轮的转向。ECU在此过程中仍然对车辆的运动状态进行全程、实时的监测，对车辆后轮转向角与目标转向角之间的差值进行计算，根据计算结果对后轮的转角实现实时调整。这样的实时调整与车辆的实际运动状态相契合，实现汽车的四轮转向。

电子控制4WS系统设定有两种转向模式可供驾驶员选择，驾驶员可以通过转向模式开关选择传统的2WS模式也可以保持4WS状态继续行驶，设置这两种转向模式不仅是为驾驶员根据实际路况提供更多地选择，也是当4WS系统出现故障无法正常执行四轮转向时保留传统的前轮转向设置，保证车辆运行的安全性，确保驾乘人员的人身安全。当4WS系统出现故障时，驾驶室仪表台上出现4WS故障指示灯，提醒驾驶员4WS系统出现故障，车辆四轮转向系统不能正常运行，检测车辆运行状态的ECU实时记录故障信息，方便技术人员在故障检测维修时进行检码。

上述的可以实现车辆前后轮同相位以及逆相位转向的4WS系统属于电子电动式四轮转向系统，这种系统的后轮转向装置是受车辆车速的控制，即车辆后轮的偏转角度以及方向是根据车速的大小而改变的，同时后轮偏转角和方向的变化也是对前轮转角和横摆角速度变化的响应。在ECU中设定了车辆在不同速度下的四轮转向控制策略，再车辆高速或者低速状态下根据程序控制前后轮的转向。当ECU接收到传感器发送来的车辆中高速行驶状态的信号亦或是方向盘的小角度转动的信号时，ECU根据控制策略程序控制车辆前后轮进行同相位转向，减小车辆的横摆角速度，降低车辆车身的动态侧偏，帮助车辆在高速行驶时保持操纵的稳定性。当ECU接收到传感器发送来的低速行驶状态或者是方向盘的大角度转动信号时，ECU则采用低速运行时的控制策略，程序控制前后轮实现逆相位转向，车辆前轮转角增大的同时增大后轮的偏转角度，帮助车辆驾驶员轻松操纵低速车辆进行转向，并且降低车辆低速状态下的转弯半径，提升车辆的灵活性。

3.基于汽车电子控制技术的四轮转向系统分析

3.1结构框架

在汽车四轮转向系统的设计中对于系统整体的结构设计是关键，从系统整体的角度出发开展设计工作，在统揽全局的基础上分析系统的局部细节，确保汽轮转向系统的电子控制功能可以有效地发挥作用。在4WS系统中承担车辆状态感知的传感器以及对车辆运行信息进行分析计算的ECU是关系到电子控制系统功能发挥的重点，这就需要在系统设计的过程中选用质量可靠、性能过硬的单片机，并且在车辆仪表台中设置合理、醒目的故障提示灯，保证在系统出现故障时给驾驶员以清晰的提醒，避免在出现系统故障时驾驶员在不知情的状态下进行不当的转向操作。

4WS系统整合了4WS转向模式以及传统的2WS转向模式，这两种模式之间的兼容需要在系统设计时予以深度考虑，确保这两种转向模式可以根据路况顺利切换，或者在4WS模式出现故障无法正常运行时2WS模式能够接管车辆的转向工作，保证车辆运行的安全性。因此，系统的安全性、稳定性是4WS系统设计的重点，而选用一个高性能、高质量的控制核心又是此设计重点的关键。控制核心的高性能可以对获取的信号进行高效的处理，是系统性能保持在高水平，并且可以稳定发挥控制作用。

3.2系统设计

3.2.1微处理器设计

在四轮转向系统的各个组成部分中，微处理器是其中的重点部分，微处理器的高性能对于4WS系统功能的发挥具有至关重要的作用。微处理器是ECU的核心部门，由于ECU是对车辆运行状态进行分析计算并产生控制的部件，因此微处理器在其中所承担的正是对ECU接收到的信号的处理工作，由于汽车的组成部分众多且运行状态复杂，繁多的信号使得微处理器的信号处理工作量很大。信号处理的质量和效率是4WS系统工作有效性的直接保证，因此微处理器设计的重点就在于高性能微处理器的选用和程序设计，在设计过程中为进一步确保信号传输的有效性，可以采用A/D或者D/A转换模式。

3.2.2电路设计

信号的调理是电路设计的重点，信号调理的有效性能够保证电路符合系统信息处理的需求。再以ECU设计为重点的4WS系统设计中，输入信号调理电路设计关乎到ECU设计的成败，输入信号调理电路设计中构成电路低通滤波器的时外围阻容原件和运算放大器。在电路设计中合理运用电极管实现对电路的过载保护，确保电路运行的稳定性，利用电极管的过载保护可以在元器件因电压或电流过大损坏并对电路产生破坏时，可以较为方便的解决问题修复电路。电路与其他系统之间的联系也是电路设计关注的重点，微处理器的选用与电路设计之间的的关系是其中需要关注的重点，对这一关系的全面考虑和合理设计对于ECU与CPU之间联动作用的发挥具有积极意义。

3.2.3抗干扰设计

4WS系统整体的电子元件众多且车辆运行时的运行状态复杂，系统工作时会受到元件之间或者外部环境中的电磁辐射以及车辆电源系统的波动的影响，造成信号传输混乱，影响系统的正常信号处理工作，导致程序失控，车辆运行发生危险。因此，抗干扰设计是系统设计中不可忽视的一项工作内容。多级滤波技术可以应用于抗干扰设计中，以多级滤波技术可以降低电磁辐射的影响并抵消电源波动产生的干扰，保证信息的处理秩序的稳定，从而更好的确保程序运行稳定可靠。

4.4WS 系统电控部分的组成

4.1.传感器

传感器在4WS系统中主要是检测车辆运动状态并产生相应的电信号传输给ECU，ECU根据接收到的电信号进行相应的数据分析和运算，产生相应的控制信号。

4.1.1前后轮转角传感器

在车辆前轮和后轮转向机构靠近车轮的部位安装车辆前后轮转角传感器，前后轮转角传感器不接触车轮，属于非接触式霍尔元件传感器。前后轮转角传感器的作用为实时检测车辆前后轮的瞬时偏转角。

4.1.2车速传感器

车速传感器使用的是光电式传感器，其安装位置位于车速表转系附近，用于检测车辆的行驶速度，将检测到的车速信息以脉冲信号的形式传输给四轮转向ECU，将同样的信息以电信号的形式输入至自动变速器ECU。

4.1.3车身横摆角速度传感器

在汽车质心处的车身上安装车身横摆角速度传感器，该传感器的主要工作内容为在车辆转向是检测车身发生横摆的角速度，将检测出的车身横摆角速度以电信号的形式输出给ECU，在经过ECU的分析和运算之后输出相应的控制型号，实现在车辆转向时实时控制车身的横摆稳定性。

4.2.电控单元

电控单元即ECU，ECU是车辆电子控制系统内执行分析计算并向相应部件输出控制信号的单元，在4WS系统中ECU也承担UI车辆运动信号的分析和运算。输出相应的控制信号控制步进电机动作。

4.3.步进电机

选用步进电机作为数字控制电动机的优点是：步进电机的角位移与输入脉冲数成正比，随动性好；动态响应能力强易于实现正反转、变速、起停；结构简单、耐用；抗干扰能力强等。后轮转向机构受步进电机的控制在接受到ECU的控制指令后输出相应的转角和转矩，控制后轮的转向，步进电机是四轮转向系统中后轮驱动执行元件。

4.4.后轮转向传动机构

后轮转向传动机构根据车型的不同结构形式有所差别，可以使用传统的转向机构形式，也可以根据特定车型的悬挂和转向需求进行个性化设计。

5.结语

综上所述，在电控四轮转向系统进行深入分析和了解的基础上，在车辆的设计、研发、生产过程中结合实际和当下电子技术的前沿发展成果以及新材料的积极运用，电控四轮转向系统一定会有更加广阔的应用前景。通过对电子控制四轮转向系统的研究和发展更好的服务于汽车产业发展和消费者，在不断的技术创新中推动汽车产业发展平稳、健康、长远。

审核编辑：汤梓红