四輪驅動四輪轉向的汽車電子差速轉向控制論文
論文摘要：通過汽車轉向時穩(wěn)定性分析闡明了四輪轉向的優(yōu)點。而鑒于輪轂電機在電動汽車上應用的諸多優(yōu)點，及其功率受結構體積的限制，輪轂電機的應用將使汽車由性能更好的四輪驅動替代兩輪驅動，它不但充分利用了地面對車輪的附著力和驅動力，而且結合用直線步進電機控制轉向力的汽車轉向系統(tǒng)，能更容易地實現(xiàn)全面改善轉向性能的四輪轉向系統(tǒng)。由于四輪驅動4WD與四輪轉向4WS相結合的電子差速計算理論還有待完善，通過對輪轂電機運行的電子差速轉向控制原理分析和數(shù)學推導，提出了4WD-4WS相結合的逆、同相控制模式的差速計算公式及四輪轂電機驅動結合四輪轉向的電子差速實施結構原理。
論文關鍵詞：四輪驅動,四輪轉向,電子差速,轉向控制
一、汽車轉向時穩(wěn)定性分析和四輪轉向優(yōu)點
如圖1所示為汽車轉彎時所產(chǎn)生側偏角的關系示意圖，其中α為前輪側偏角；α為后輪側偏角；α為汽車重心位置側偏角。汽車轉向時，除在極低速時，一般情況下車輪平面與汽車行進速度方向并不一致，兩者之間的角度值即為側偏角α。在汽車轉彎時，由于離心力的作用，垂直于車輪平面的車輪中心上有側向力，相應地在地面上產(chǎn)生的反作用力就是側偏力。由于車輪側向產(chǎn)生彈性變形，變形車輪的滾動方向與車輪平面方向并不一致，側偏力又分解為與車輪行進方向平行的滾動阻力和與行進方向垂直的轉彎力。在地面附著極限內，轉彎時路面反作用力的大小與方向隨著側偏角的大小發(fā)生變化，因而汽車的轉向直徑也隨之變化。
通常車輪轉向時，路面對各車輪轉彎時的反作用合力與汽車圓周運動的離心力相平衡。一旦正在轉彎的汽車速度提高，離心力就隨之增加，質心位置的側偏角必然增大而隨之出現(xiàn)不足轉向(如圖1b所示)。此時若要保證前輪按原轉彎半徑運動，與低車速時相比，前輪必須向內側多轉過一定角度。換言之，汽車以相同轉彎半徑運動時，隨著車速的`增加，對于常規(guī)的前兩輪轉向(2WS)系統(tǒng)駕駛員就需相應增加轉向盤轉角；或者使后車軸產(chǎn)生一個向外則運動的力，以增加轉彎時路面的反作用力，使其與離心力平衡。為了使汽車重心位置的側偏角度α(汽車重心的速度方向與汽車縱向軸線之間的角度)為零，若能讓后輪也向轉彎內側偏轉相應角度，則就可使具有側偏角的后輪行進方向也與轉向圓一致。亦就是在高速行駛轉彎時，要求后輪應具有與前輪同向的轉向角度，即可減小車身的橫擺角速度和側傾角，避免汽車發(fā)生側滑、傾翻現(xiàn)象，以確保高速轉向時的穩(wěn)定性。
四輪轉向(4WS,4WheelsSteering)系統(tǒng)是指汽車的前、后四輪都具有相應的轉向功能，后輪與前輪同方向轉向稱為同相控制模式，后輪與前輪反方向轉向稱為逆相控制模式。主要功能是有效控制車輛的橫向運動特性。它是現(xiàn)代轎車采用的一項提高汽車操縱穩(wěn)定性、操縱輕便性和機動性的關鍵技術措施，與兩輪轉向(2WS)系統(tǒng)相比具有如下優(yōu)點：
1）改善高速轉向或在側向風力作用時的行駛穩(wěn)定性。在中高速行駛時采用前、后輪同方向轉向的同相控制模式，有助于減小車輛側滑或扭擺，對平衡車輛在超車、變道、或躲避不平路面時的反應均具有幫助，也提高了車輛直線行駛的操縱穩(wěn)定性。隨著高速、高架公路的出現(xiàn)以及現(xiàn)代轎車高速行駛的發(fā)展，高檔轎車采用四輪轉向系統(tǒng)將成一種趨勢。
2）減小低速轉彎半徑，改善其操縱輕便性和提高機動性。在低速行駛時采用前、后輪反方向轉向的逆相控制模式，可使車輛轉彎半徑大大減小，參考后述圖2所示分析，4WS的轉彎半徑最多可比2WS減小一半，這對低速選位停車，窄道轉向行駛都將帶來極大的方便。
3）提高轉向響應的快速性，全面改善車輛的轉向性能。不僅使車輛在高速行駛或濕滑路面上的轉向性能穩(wěn)定，且對轉向輸入的響應更迅速而準確。
二、輪轂電機應用與四輪驅動及電子差速的關系
鑒于輪轂電機在電動汽車上應用的諸多優(yōu)點。但由于輪轂電機受輪轂內結構體積限制，按汽車驅動功率要求批量生產(chǎn)大功率輪轂電機有相應難度，而采用四輪驅動即可實現(xiàn)小馬拉大車，通過四輪轂電機并聯(lián)驅動即可比二輪轂電機驅動提高汽車總驅動力1倍。并根據(jù)汽車理論分析只有四輪驅動才能充分利用車重產(chǎn)生的地面附著力，以此提高汽車行駛的穩(wěn)定性及車輛越野通過性。隨著汽車材料技術的發(fā)展，需采用輕型材料來減輕車載自重，減小能耗，提高功效；并隨著汽車高速行駛技術發(fā)展，對提高汽車行駛穩(wěn)定性等性能指標將提出更高要求。因此也更需采用四輪轂電機驅動來提高汽車對地面的附著力。又由于只有驅動輪才能實現(xiàn)制動能量的回收，采用四輪轂電機驅動并結合兼有電動、發(fā)電回饋和電磁制動多功能的電動汽車輪轂電機技術，即可極大地提高汽車在降速制動和下坡時對動能能量的回收，以節(jié)能和提高續(xù)駛里程。所以輪轂電機的應用將使電動汽車由性能更好的四輪驅動替代兩輪驅動。
為滿足驅動輪差速要求有采用機械差速和電子差速兩種。機械差速是傳統(tǒng)汽車普遍采用的方法，其機構龐大而復雜。而電子差速系統(tǒng)EDS是采用電子控制的方式來實現(xiàn)，有諸多優(yōu)點，它與輪轂電機的應用如同一對比翼鴛鴦，即左右側驅動輪采用輪轂電機必須通過電子差速來控制，而輪轂電機的應用又使電子差速控制變得很容易。
綜上所述汽車采用四輪驅動結合四輪轉向將具有諸多優(yōu)點，尤其對于電動汽車采用輪轂電機驅動來說，與傳統(tǒng)汽車相比使汽車實現(xiàn)四輪驅動方式變得很容易。而且結合用直線步進電機控制轉向力的汽車轉向系統(tǒng)，能更容易地實現(xiàn)全面改善轉向性能的四輪轉向系統(tǒng)。而現(xiàn)有汽車僅采用四輪驅動或四輪轉向的單一方式其結構都相當復雜，而由兩者相結合的方式至今還沒有，更沒有同時采用電子差速轉向控制等多項技術相組合的實施方案。雖有報道四輪驅動采用常規(guī)二輪轉向的電子差速轉向控制技術。但隨著汽車控制技術發(fā)展及其性能要求的提高，特別是電動汽車采用輪轂電機技術的成熟，電動汽車用四輪轂電機驅動實現(xiàn)四輪轉向的電子差速轉向控制系統(tǒng)技術也將被要求得以解決。并且四輪轂電機驅動實現(xiàn)四輪轉向將極大地提高電動汽車的性價比，也能較容易地實施其他各種性能優(yōu)化措施，以減少交通事故和提高道路通行能力。
三、四輪驅動結合四輪轉向的電子差速計算式推導
電子差速系統(tǒng)(EDS,ElectronicDifferentialSystem)是采用電子控制方式來實現(xiàn)內外側驅動輪差速要求。而其實施首先需要一套正確易算的差速計算公式。通過對四輪驅動4WD與四輪轉向4WS相結合的運行機理分析，在此提出僅利用中學的三角函數(shù)結合比例法數(shù)學工具來推導出其4WD-4WS的逆、同相控制模式的差速計算公式。如圖2所示為4WD-4WS逆相控制的差速計算原理圖。如圖3所示為4WD-4WS同相控制差速計算原理圖，圖中L為汽車軸距，B為汽車輪距，α、β、α、β分別為前外側、前內側、后外側、后內側轉向輪的偏轉角，n為前驅動輪兼外側轉向輪轉速，n為前驅動輪兼內側轉向輪轉速，n為后驅動輪兼外側轉向輪轉速，n為后驅動輪兼內側轉向輪轉速。另外，為分析推導需要特引進2個臨時借用參量l與r，其含義參見圖中所標注的尺寸位置，即l為轉彎圓心o到前車輪軸心的車身縱向距離，r為轉彎圓心o到內側車輪中心的車身橫向距離。為保證汽車轉彎時各車輪只滾動無滑動，要求四個車輪均繞同一個圓心o轉動，即每個車輪的軸線交于同一點，因此各車輪轉彎的圓弧軌跡分別為如圖中所示的虛線，各車輪轉彎的圓弧半徑分別為R、R、R、R。根據(jù)車輪轉速應與其轉彎的圓弧半徑成正比關系，即有n/n=R/R、n/n=R/R、n/n=R/R。若設n為參考標定轉速，它與加速踏板指令汽車的車速n一致，也是四只車輪中最高的轉速，分析圖示幾何關系即可獲得其它三只車輪轉速相對標定轉速n的計算式，且經(jīng)推導后發(fā)現(xiàn)逆相控制模式與同相控制模式的差速計算公式完全相同，即其他三只車輪轉速n、n、n相對標定轉速n的差速計算公式分別為：
從推導過程中還可發(fā)現(xiàn)同、逆相控制模式中的兩個重要特征：
(1)參考圖2所示，在四輪轉向逆相控制模式中當前后輪轉向角相等（α=α，β=β）時，其轉彎半徑為最小。并且它與常規(guī)的前二輪轉向系統(tǒng)2WS相比，在轉向輪轉向角相同的前提下，其轉彎半徑可減小一半。這利用比例作圖法即可證明，其最小轉彎半徑時的圓心點位于如圖2中的黑點所示，此時l=L/2，并且前后輪的轉彎圓弧軌跡重合，即前后圓弧半徑相等（R=R、R=R）。所以采用四輪轉向4WS系統(tǒng)逆相控制模式時，同時使前后輪偏轉角達到最大值可將轉彎半徑大大縮小，這對低速選位停車，窄道轉向行駛都會帶來極大方便。但對于現(xiàn)已有的電控液壓式或電控電動式兩種四輪轉向系統(tǒng)由于受其結構限制，其后輪轉向角還較難以做大，而采用基于直線步進電機控制轉向力的汽車轉向系統(tǒng)技術就不會受其限制。
(2)在四輪轉向同相控制模式中按圖3所示分析，假若使前后輪轉向角相同(α=α也β=β)，其四車輪中心到圓心點o的直線變?yōu)橄嗷テ叫�，即圓心點o將為無限遠，其轉彎半徑變?yōu)闊o窮大，即圓弧軌跡變?yōu)橐粭l直線。所以在實際應用中對四輪轉向系統(tǒng)4WS的同相控制模式的后輪偏轉角有一限定值，一般不大于5。
四、電子差速轉向實施的結構原理
電子差速轉向的實施主要是在其相應的微機控制系統(tǒng)ECU中增加一套差速計算程序，并與相應的轉向機構配合，根據(jù)轉向機構中各車輪的偏轉角信號、車速信號及控制模式，按前述相應的差速計算公式計算出對各車輪轉速的要求值，輸入到各車輪輪轂電機的驅動控制器中作為其速度指令值。按控制精度要求可以是開環(huán)或閉環(huán)。對于精度要求低的開環(huán)系統(tǒng)，幾乎不需要增加硬件成本。而對于閉環(huán)系統(tǒng)有些傳感器也可與輪轂電機控制器及相應轉向機構的傳感器兼用。如圖4所示為電子差速轉向實施的結構原理框圖。方向盤的轉角信號、加速踏板及制動踏板的加減速信號、轉向機構中各車輪的偏轉角信號以及各車輪輪轂電機的轉角信號輸入微機控制ECU系統(tǒng)。輪轂電機轉子（對于磁阻電機和永磁無刷電機本身就具有轉子轉角位置傳感器）的轉角位置信號通過對時間t的微分，即可得到電機的轉速信號，再按輪胎直徑就可獲得各車輪的線速度。根據(jù)上述各信號，ECU系統(tǒng)就可按既定的控制策略和差速計算公式由微機內的差速運算器計算出對各車輪速度的要求值n、n、n、n，作為對各車輪輪轂電機的速度指令，送入相應的電機驅動控制器進行調速控制。
對于四輪轉向4WS系統(tǒng)控制策略，即是根據(jù)車速、轉向要求及其特征確定何時應采用逆相控制模式，何時又需采用同相控制模式，并確定后輪轉向角與前輪轉向角間的比例關系�，F(xiàn)已報道的四輪轉向4WS系統(tǒng)控制策略主要有轉角比-車速控制型、比例于橫擺角速度的后輪轉向控制型、質心側偏角為零的后輪轉向控制型等，它們是指控制前后車輪的相對轉向及其轉角比分別按車速、車身橫擺角速度、質心側偏角等穩(wěn)定性因素要求以一定控制算法而變化的一種控制規(guī)律，其控制策略不同所需采用的傳感器及其技術要求也不同。由于四輪轉向4WS技術還處于發(fā)展成熟中，其控制策略的算法理論也有待進一步發(fā)展完善。為簡單清楚說明起見，在此以目前用得較多也為較簡單的轉角比-車速控制型為例說明如下：
圖5為轉角比-車速控制型所采用的前后輪轉角比與其車速的控制關系曲線圖。它首先劃定一個同、逆相控制的界限，一般定為車速35km/h，也就是說在車速低于35km/h時采用逆相控制模式，當車速高于35km/h時采用同相控制模式。根據(jù)上述同、逆相控制模式的兩個重要特征中已表明同相控制時其轉角比還不能較大，一般限定后輪同相轉向角不大于5。所以對于通常汽車前輪轉角最大值定為：內側3955′士2，外側為3500′士2時，其同相轉角比定為不大于1/8。而對于逆相轉角比為了減小低速轉彎半徑可適當放大。
參考文獻
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4 王貴明、王金懿.基于直線電動機控制轉向力的汽車轉向系統(tǒng):中國,2.7[P]
5 萬鋼等.四輪電子差速轉向控制系統(tǒng):中國,ZL02136498.2[P]
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