四輪驅動四輪轉向的汽車電子差速轉向控制論文
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：透過汽車轉向時穩定性分析闡明瞭四輪轉向的優點。而鑑於輪轂電機在電動汽車上應用的諸多優點，及其功率受結構體積的限制，輪轂電機的應用將使汽車由效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，能更容易地實現全面改善轉向效能的四輪轉向系統。由於四輪驅動4WD與四輪轉向4WS相結合的電子差速計算理論還有待完善，透過對輪轂電機執行的電子差速轉向控制原理分析和數學推導，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、汽車轉向時穩定性分析和四輪轉向優點
如圖1所示為汽車轉彎時所產生側偏角的關係示意圖，其中α為前輪側偏角；α為後輪側偏角；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並不一致，兩者之間的角度值即為側偏角α。在汽車轉彎時，由於離心力的作用，垂直於車輪平面的車輪中心上有側向力，相應地在地面上產生的反作用力就是側偏力。由於車輪側向產生彈性變形，變形車輪的滾動方向與車輪平面方向並不一致，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，對於常規的前兩輪轉向(2WS)系統駕駛員就需相應增加轉向盤轉角；或者使後車軸產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，若能讓後輪也向轉彎內側偏轉相應角度，則就可使具有側偏角的後輪行進方向也與轉向圓一致。亦就是在高速行駛轉彎時，要求後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，避免汽車發生側滑、傾翻現象，以確保高速轉向時的穩定性。
四輪轉向(4WS,4WheelsSteering)系統是指汽車的前、後四輪都具有相應的轉向功能，後輪與前輪同方向轉向稱為同相控制模式，後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。它是現代轎車採用的一項提高汽車操縱穩定性、操縱輕便性和機動性的關鍵技術措施，與兩輪轉向(2WS)系統相比具有如下優點：
1）改善高速轉向或在側向風力作用時的行駛穩定性。在中高速行駛時採用前、後輪同方向轉向的同相控制模式，有助於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定性。隨著高速、高架公路的出現以及現代轎車高速行駛的發展，高檔轎車採用四輪轉向系統將成一種趨勢。
2）減小低速轉彎半徑，改善其操縱輕便性和提高機動性。在低速行駛時採用前、後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，參考後述圖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效能。不僅使車輛在高速行駛或溼滑路面上的轉向效能穩定，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係
鑑於輪轂電機在電動汽車上應用的諸多優點。但由於輪轂電機受輪轂內結構體積限制，按汽車驅動功率要求批次生產大功率輪轂電機有相應難度，而採用四輪驅動即可實現小馬拉大車，透過四輪轂電機並聯驅動即可比二輪轂電機驅動提高汽車總驅動力1倍。並根據汽車理論分析只有四輪驅動才能充分利用車重產生的地面附著力，以此提高汽車行駛的穩定性及車輛越野透過性。隨著汽車材料技術的發展，需採用輕型材料來減輕車載自重，減小能耗，提高功效；並隨著汽車高速行駛技術發展，對提高汽車行駛穩定性等效能指標將提出更高要求。因此也更需採用四輪轂電機驅動來提高汽車對地面的附著力。又由於只有驅動輪才能實現制動能量的回收，採用四輪轂電機驅動並結合兼有電動、發電回饋和電磁製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，以節能和提高續駛里程。所以輪轂電機的應用將使電動汽車由效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。機械差速是傳統汽車普遍採用的方法，其機構龐大而複雜。而電子差速系統EDS是採用電子控制的方式來實現，有諸多優點，它與輪轂電機的應用如同一對比翼鴛鴦，即左右側驅動輪採用輪轂電機必須透過電子差速來控制，而輪轂電機的應用又使電子差速控制變得很容易。
綜上所述汽車採用四輪驅動結合四輪轉向將具有諸多優點，尤其對於電動汽車採用輪轂電機驅動來說，與傳統汽車相比使汽車實現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，能更容易地實現全面改善轉向效能的四輪轉向系統。而現有汽車僅採用四輪驅動或四輪轉向的單一方式其結構都相當複雜，而由兩者相結合的方式至今還沒有，更沒有同時採用電子差速轉向控制等多項技術相組合的實施方案。雖有報道四輪驅動採用常規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展及其效能要求的提高，特別是電動汽車採用輪轂電機技術的成熟，電動汽車用四輪轂電機驅動實現四輪轉向的電子差速轉向控制系統技術也將被要求得以解決。並且四輪轂電機驅動實現四輪轉向將極大地提高電動汽車的價效比，也能較容易地實施其他各種效能最佳化措施，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(EDS,ElectronicDifferentialSystem)是採用電子控制方式來實現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。透過對四輪驅動4WD與四輪轉向4WS相結合的執行機理分析，在此提出僅利用中學的三角函式結合比例法數學工具來推匯出其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、後外側、後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為後驅動輪兼外側轉向輪轉速，n為後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註的尺寸位置，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於同一點，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。根據車輪轉速應與其轉彎的圓弧半徑成正比關係，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，也是四隻車輪中最高的轉速，分析圖示幾何關係即可獲得其它三隻車輪轉速相對標定轉速n的計算式，且經推導後發現逆相控制模式與同相控制模式的差速計算公式完全相同，即其他三隻車輪轉速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現同、逆相控制模式中的兩個重要特徵：
(1)參考圖2所示，在四輪轉向逆相控制模式中當前後輪轉向角相等（α=α，β=β）時，其轉彎半徑為最小。並且它與常規的前二輪轉向系統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於如圖2中的黑點所示，此時l=L/2，並且前後輪的轉彎圓弧軌跡重合，即前後圓弧半徑相等（R=R、R=R）。所以採用四輪轉向4WS系統逆相控制模式時，同時使前後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。但對於現已有的電控液壓式或電控電動式兩種四輪轉向系統由於受其結構限制，其後輪轉向角還較難以做大，而採用基於直線步進電機控制轉向力的汽車轉向系統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，假若使前後輪轉向角相同(α=α也β=β)，其四車輪中心到圓心點o的直線變為相互平行，即圓心點o將為無限遠，其轉彎半徑變為無窮大，即圓弧軌跡變為一條直線。所以在實際應用中對四輪轉向系統4WS的同相控制模式的後輪偏轉角有一限定值，一般不大於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ECU中增加一套差速計算程式，並與相應的轉向機構配合，根據轉向機構中各車輪的偏轉角訊號、車速訊號及控制模式，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或閉環。對於精度要求低的開環系統，幾乎不需要增加硬體成本。而對於閉環系統有些感測器也可與輪轂電機控制器及相應轉向機構的感測器兼用。如圖4所示為電子差速轉向實施的結構原理框圖。方向盤的轉角訊號、加速踏板及制動踏板的加減速訊號、轉向機構中各車輪的偏轉角訊號以及各車輪輪轂電機的轉角訊號輸入微機控制ECU系統。輪轂電機轉子（對於磁阻電機和永磁無刷電機本身就具有轉子轉角位置感測器）的轉角位置訊號透過對時間t的微分，即可得到電機的轉速訊號，再按輪胎直徑就可獲得各車輪的線速度。根據上述各訊號，ECU系統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。
對於四輪轉向4WS系統控制策略，即是根據車速、轉向要求及其特徵確定何時應採用逆相控制模式，何時又需採用同相控制模式，並確定後輪轉向角與前輪轉向角間的比例關係。現已報道的四輪轉向4WS系統控制策略主要有轉角比-車速控制型、比例於橫擺角速度的後輪轉向控制型、質心側偏角為零的後輪轉向控制型等，它們是指控制前後車輪的相對轉向及其轉角比分別按車速、車身橫擺角速度、質心側偏角等穩定性因素要求以一定控制演算法而變化的一種控制規律，其控制策略不同所需採用的感測器及其技術要求也不同。由於四輪轉向4WS技術還處於發展成熟中，其控制策略的算法理論也有待進一步發展完善。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-車速控制型所採用的前後輪轉角比與其車速的控制關係曲線圖。它首先劃定一個同、逆相控制的界限，一般定為車速35km/h，也就是說在車速低於35km/h時採用逆相控制模式，當車速高於35km/h時採用同相控制模式。根據上述同、逆相控制模式的兩個重要特徵中已表明同相控制時其轉角比還不能較大，一般限定後輪同相轉向角不大於5。所以對於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於1/8。而對於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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