摘要：介紹了電控電動式四輪轉向（4WS）系統(tǒng)的基本組成結構工作原理，對四輪轉向系統(tǒng)的轉向電機、整車驅動電機，以及傳感器的選取做了較詳細的介紹分析。在研究現(xiàn)有4WS電控技術的基礎上，提出了在助力轉向條件下前、后輪分別由電機驅動，同時由電控單元（ECU）監(jiān)測控制的四輪轉向技術。對未來四輪轉向電控技術和展趨勢做了進一步的分析展望。
1.前言
隨著現(xiàn)代道路交通系統(tǒng)和現(xiàn)代汽車電子技術的發(fā)展，人們對汽車的轉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底盤控制技術--四輪轉向技術。于二十世紀80年代中期開始在汽車上得到應用，并伴隨著現(xiàn)代汽車工業(yè)的發(fā)展而不斷發(fā)展。汽車的四輪轉向（Four-wheel steering-4WS）是指汽車在轉向時。后輪可相對于車身主動轉向，使汽車的四個車輪都能起轉向作用。以改善汽車的轉向機動性、操縱穩(wěn)定性和行駛安全性。
隨著對4WS這一領域研究的不斷進展，出現(xiàn)了多種不同結構形式、不同控制方案的實用4WS系統(tǒng)。按照控制和驅動后輪轉向機構的方式不同，4WS系統(tǒng)可分為機械式、液壓式、電控機械式、電控液壓式和電控電動式等幾種類型。本文介紹的是電控電動式4WS系統(tǒng)。
2.電控電動式4WS系統(tǒng)的發(fā)展概況
從20世紀初，日本政府頒發(fā)第1個關于四輪轉向的專利證書開始，對于汽車四輪轉向技術的研究一直伴隨著汽車工業(yè)的發(fā)展而進行著。1985年，日本的NISSAN在客車上應用了世界上第1例實用的4WS系統(tǒng)，開始了現(xiàn)代4WS系統(tǒng)的研究與開發(fā)。在技術相對成熟的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力轉向的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。但由于液壓動力系統(tǒng)在結構、系統(tǒng)布置、密封性、能耗、效率等方面的不足，尤其是在轉向過程中存在著響應滯后的固有缺陷，使得電控液壓式4WS系統(tǒng)在適應現(xiàn)代4WS汽車的轉向靈敏性、準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)出電控電動式助力轉向系統(tǒng)（EPS），首次裝備在CERVO車上，有效地克服了液壓動力轉向系統(tǒng)的缺點。在EPS技術的基礎上，電控電動式4WS系統(tǒng)應運而生。1992年，在日本本田序曲的汽車上采用了電控電動式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式的4WS系統(tǒng)。電控電動式4WS系統(tǒng)結構簡單、布置容易、控制效果好。
隨著電子技術的飛速發(fā)展，計算機技術在汽車中的廣泛應用，電控電動式4WS將是4WS汽車的發(fā)展趨勢。
3.電控四輪轉向系統(tǒng)的基本組成和工作原理
3.1 電控四輪轉向系統(tǒng)的基本組成
電控電動式4WS系統(tǒng)是指采用電子控制、電機助力的4WS系統(tǒng)，前、后輪轉向系統(tǒng)之間沒有任何機械連接、油管連接裝置，結構上相互獨立。如圖1所示。
典型電控電動式4WS系統(tǒng)主要由前輪轉向機構、傳感器、電控單元（ECU）、步進電動機。減速器和后輪轉向機構等組成。本文介紹的電控電動式4WS系統(tǒng)前輪仍采用傳統(tǒng)的轉向系統(tǒng)，后輪采用電子控制、電機驅動的轉向系統(tǒng)。
3.2 電控四輪轉向系統(tǒng)的工作原理
轉向時，傳感器將前輪轉向的信號和汽車運動的信號送入ECU,ECU進行分析計算，向步進電動機輸出驅動信號，步進電動機動作，通過后輪轉向機構控制驅動后輪偏轉。同時ECU進行實時監(jiān)視汽車狀況，計算目標轉向角與后輪實際轉向角之間的差值，來實時調(diào)整后輪的轉角。這樣可以根據(jù)汽車的實際運動狀態(tài)，實現(xiàn)汽車的四輪轉向。
系統(tǒng)可設有兩種轉向模式，既可進入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)的轉向模式開關進行選擇。當4WS汽車在行駛過程中電子控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，后輪自動回到中間位置，汽車自動進入前輪轉向狀態(tài)，保證汽車像普通前輪轉向汽車一樣安全地行駛。同時儀表板上的4WS指示燈亮，警告駕駛員，故障情況被存儲在ECU中，以便于維修時檢碼。
上述的電控電動式4WS系統(tǒng)后輪轉向裝置屬車速感應型，其工作特點是后輪偏轉的方向和轉角大小主要受車速高低的控制，同時也響應前輪轉角、橫擺角速度的變化。ECU根據(jù)設定的控制策略，通過程序控制，實現(xiàn)汽車的四輪轉向。在低速行駛或者方向盤轉角較大時，前、后輪實現(xiàn)逆相位轉向，且后輪偏轉角度隨前輪轉角增大而在一定范圍內(nèi)增大。這種轉向方式可改善汽車低速時的操縱輕便性，減小汽車的轉彎半徑，提高汽車的機動靈活性。在中、高速行駛或方向盤轉角較小時，前、后輪實現(xiàn)同相位轉向。使汽車車身的橫擺角速度大大減小，可減小汽車車身發(fā)生動態(tài)側偏的傾向，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汽車轉向時的有關運動物理量，并轉換成電信號，輸入到ECU中，供ECU進行分析計算。
4.1.1 前、后輪轉角傳感器
前、后輪轉角傳感器分別安裝在前、后輪轉向機構靠近車輪的一側，采用非接觸型霍爾元件傳感器，用來檢測前、后車輪的瞬時偏轉角。
4.1.2 車速傳感器
車速傳感器安裝在車速里程表的轉子附近，采用光電式車速傳感器，將汽車前進速度檢測出來，以脈沖信號的形式輸出，送入四輪轉向系統(tǒng)ECU,同時將電信號輸入到自動變速器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，檢測汽車轉向行駛時的車身橫擺角速度，以電信號的形式輸入ECU,ECU輸出控制信號，實時控制汽車的轉向運動，保證汽車轉向行駛時的動態(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，按照編制的程序對各種傳感器輸入信號進行分析、計算、處理，輸出一定的控制信號指令，驅動步進電動機動作。其電控單元的控制框圖如2圖所示，4WS系統(tǒng)ECU主要由輸入信號調(diào)理電路、微處理器、輸出信號處理電路、電源電路等硬件部分和控制程序、軟件平臺等軟件部分組成。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 步進電動機
電動機采用步進電動機，其功用是根據(jù)ECU的指令輸出適宜的轉矩和轉角，驅動后輪轉向機構，控制后輪的轉向，是后輪轉向系統(tǒng)中的驅動執(zhí)行元件。步進電動機是一種數(shù)字控制電動機，將數(shù)字式電脈沖信號轉換成角位移，控制性能好，非常適合于單片機控制。采用步進電動機的主要優(yōu)點是：步進電動機的角位移與輸入脈沖數(shù)嚴格成正比，隨動性好，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)；動態(tài)響應快，易于實現(xiàn)起停、正反轉及變速；具有自鎖和保持轉矩能力；結構簡單，堅固耐用，抗干擾能力強。
4.4 減速機構
減速機構的功用是降低步進電動機轉速，增大步進電動機傳遞給轉向傳動機構的轉矩，常采用蝸輪蝸桿機構或行星齒輪機構。
4.5 后輪轉向傳動機構
不同的車型，后輪轉向傳動機構的結構形式也不一樣，可采用傳統(tǒng)的轉向機構形式，也可根據(jù)汽車后懸結構和行駛轉向要求，設計特定結構形式的后輪轉向機構。
5.電控電動式4WS系統(tǒng)的特點分析
5.1 電控電動式4WS與普通2WS系統(tǒng)對比分析
電控電動式4WS汽車與普通的2WS汽車相比，電控電動式4WS汽車具有如下特點：
（1）轉向操作的響應加快，準確性高。
（2）轉向操作的輕便性和行駛穩(wěn)定性提高。低速時，轉彎半徑小，轉向操作的機動靈活性提高（如圖3所示）。
（3）超車時，變換車道更容易，減小了汽車產(chǎn)生擺尾和側滑的可能性。抗側向干擾的穩(wěn)定性效果好。
5.2 電控電動式4WS與電控液壓式4WS系統(tǒng)對比分析
電控電動式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：
①采用步進電動機作為后輪轉向系統(tǒng)的驅動執(zhí)行元件，動態(tài)響應快，改善了瞬態(tài)轉向靈敏度，有效地降低了電控液壓式轉向系統(tǒng)的轉向滯后特性。
②步進電動機的角位移與輸入脈沖數(shù)嚴格成正比，在轉動過程中，無累積誤差，隨動性好，轉向控制精度高，回正性好。
③系統(tǒng)剛性大，有較高的慣性力矩，抗外界干擾的能力強。結構緊湊，體積小，質(zhì)量輕，裝配布置方便。
④步進電動機由蓄電池供電，發(fā)動機動力消耗。沒有液壓系統(tǒng)裝置，系統(tǒng)的調(diào)整和檢測方便，裝配自動化程度高，能縮短系統(tǒng)產(chǎn)品的生產(chǎn)和開發(fā)周期。
6.電控電動式4WS系統(tǒng)的技術展望目前在成型的4WS汽車中主要采用電控液壓式4WS系統(tǒng)。雖然電控電動式4WS系統(tǒng)發(fā)展較晚，相應的技術還不夠成熟，存在動力小、ECU復雜、成本高等不足之處，但隨著現(xiàn)代電子技術、電機技術的飛速發(fā)展和應用，電控電動式4WS系統(tǒng)在技術上將不斷完善，在轉向控制性能、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)展趨勢有以下幾點：
（1）針對4WS系統(tǒng)，進一步開發(fā)、設計高性能、高精度、高靈敏度的傳感器，以便于正確地檢測汽車的運動信號。
（2）將先進的控制理論與控制方法應用于4WS控制器的研究中，提高轉向控制性能。
（3）改進步進電動機的結構和控制技術，消除步進電動機工作時存在的振蕩、失步、振動、噪聲等不足。
（4）研究、設計結構合理、布置方便的后輪轉向傳動機構，實現(xiàn)后輪的正確轉向。
（5）進一步簡化系統(tǒng)，減小系統(tǒng)結構的體積，控制生產(chǎn)成本。
（6）把4WS技術與其它主動安全技術（如4WD、ABS、ASR、ASC、DYC等）相結合，實現(xiàn)汽車主動底盤技術的綜合控制，這是主動控制4WS系統(tǒng)研究的長期目標。