【文章內容簡介】 向系統(tǒng)EPS[13]基礎上進一步改進而成，即用直線步進電機來替代EPS用旋轉電機對轉向器中齒條的助力，省去了電磁離合器、減速機構及其傳動件，使其結構更緊湊、控制更直接、響應更快。也為更方便地實施高性能的四輪轉向(4WS)機構，在此提出兩種結構：由直線步進電機控制轉向助力的系統(tǒng)可用于傳統(tǒng)二輪轉向(2WS)系統(tǒng)或四輪轉向(4WS)的前輪轉向機構；由直線步進電機控制轉向力的系統(tǒng)主要用于四輪轉向的后輪轉向機構?，F分別說明如下。（1）用直線步進電機控制轉向助力的汽車轉向系統(tǒng)直線步進電機的動件直接與轉向器齒條相連，整個直線步進電機套裝在轉向器齒條機構上，幾乎不占用空間。它也是在原先結構最簡單的無助力機械轉向系中增加一臺直線步進電機，由直線步進電機的直線推力來直接助力駕駛員對轉向器的操縱力矩，由于對轉向器的助力并不很大，齒條的直線位移量也不長，用一臺小型直線步進電機足以驅動。其控制原理與EPS基本類同，只不過對電機的驅動需改用步進電機脈沖分配方式。具體實施可參照有關EPS[13]中的電子控制器ECU與其控制邏輯等進行，并借用EPS相關傳感器。即根據轉向盤轉角信號控制直線步進電動機位移量，利用轉向輪轉角信號來實現閉環(huán)控制，精確控制其位移量，根據車速進行相應的助力。在低速時給予較大助力，隨車速提高而減小助力，車速高到一定范圍時停止助力，而在汽車高速行駛時又希望能對轉向系統(tǒng)有一種“反向”助力，即適當增加轉向系的阻尼。這一點對于現有的轉向系較難做到，而采用直線步進電機助力就很容易實現，根據直線步進電機工作原理可知，只要保持其電機的通電狀態(tài)即可使該直線位移裝置具有一定自鎖力，控制其通電電流大小即可改變定、動件之問的磁拉力大小。從而可按車速信號根據要求來控制其轉向助力的大小，隨著車速的提高即減小繞組通電電流，其轉向助力也隨之減小；當車速高于相應速度(一般為30km／h)時就取消給轉向系助力，即停止給直線步進電機供電；而當車速高到一定程度時，希望能給轉向系逐漸增加其阻尼，可使直線步進電機繞組保持通電狀態(tài)而產生自鎖力，控制其電流大小即能改變對轉向系的阻尼大小。達到對轉向盤的操縱即輕便靈敏義穩(wěn)定可靠。（2）用直線步進電機控制轉向力的汽車轉向系統(tǒng)它進一步簡化了轉向系的結構，去掉轉向盤至橫拉桿中間的所有傳動鏈，包括齒輪輸入軸扭桿及齒輪齒條付。轉向盤內安裝有轉向盤轉角傳感器，并適當增加其轉動阻尼，獨立安置于駕駛室內。而直線步進電機的動件兩端直接與左右橫拉桿相連，電子控制器根據轉向盤的轉向角度信號及車速信號，來控制直線步進電機動件進行左右位移，經橫拉桿、轉向節(jié)臂傳動，進而控制車輪轉向。在確保系統(tǒng)可靠性的前提下，該方案的優(yōu)點是結構更簡單、所占體積更小、成本低、控制更直接、響應更快。但一旦系統(tǒng)發(fā)生故障，汽車就無法轉向。而用在四輪轉向4WS系統(tǒng)的后輪轉向機構中卻是優(yōu)選的方案。它的應用有望使汽車4WS系統(tǒng)的性價比進一步得以提高。 電子差速系統(tǒng)EDS 電子差速原理簡介電子差速鎖自動控制系統(tǒng)EDS采用電子自動控制裝置直接對差速器進行鎖止和分離，無須駕駛員手動操作，能傳遞大扭矩；既可適用于重型載重汽車，又可運用于各類輕型越野汽車。它是ABS的一種擴展功能，用于鑒別汽車的輪子是不是失去著地摩擦力，從而對汽車的加速打滑進行控制。汽車加速過程中，當電子控制單元根據輪速信號判斷出某一側驅動輪打滑時，EDS就自動開始工作，通過液壓控制單元對該車輪進行適當強度的制動，從而提高另一側驅動輪的附著利用率，提高車輛的通過能力。當車輛的行駛狀況恢復正常后，電子差速鎖即停止工作。同普通車輛相比，帶有EDS的車輛可以更好地利用地面附著力，來提高車輛的運行性。EDS的工作原理比較容易理解。因為差速器允許傳動軸兩側的車輪以不同的轉速轉動，并傾向于將動力分配到阻力更小的一側，如果傳動軸某一側的車輪打滑或者懸空時，由于阻力很小它將從差速器吸收到幾乎全部動力，形成車輪一側空轉另一側靜止的局面，造成功率損失。當EDS電子差速鎖通過ABS 系統(tǒng)的傳感器，自動探測到由于車輪打滑或懸空而產生的兩側車輪轉速不同的現象時，就會通過ABS系統(tǒng)對打滑車輪進行制動，這樣差速器會將驅動力傳遞給非打滑側的車輪，從而避免牽引力的損失。當車輛的行駛狀況恢復正常后，電子差速鎖即停止作用。一般情況下EDS電子差速鎖有速度限制，只能在車速低于40公里/小時啟動，例如當時速低于40公里通過濕滑路面時，EDS也可鎖死打滑車輪，提高行車安全。同普通車輛相比，帶有EDS的車輛可以更好地利用地面附著力，從而提高車輛的運行性，尤其在傾斜的路面上，EDS的作用更加明顯。但它有速度限制，只有在車速低于40km/h時才會啟動，主要是防止起步和低速時打滑。 輪轂電機應用與四輪驅動及電子差速的關系輪轂電機在電動汽車上應用具備諸多優(yōu)點，但由于輪轂電機受輪毅內結構體積限制．按汽車驅動功率要求批量生產大功率輪轂電機有相應難度。而采用四輪驅動即可實現小馬拉大車，通過四輪轂電機并聯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《汽車理論》[14]分析．只有四輪驅動才能充分利用車重產生的地面附著力，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；同時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。滿足驅動輪差速要求的方式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，有諸多優(yōu)點：它與輪轂電機的應用的如同一對比翼鴛鴦．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)，能更容易地實現全面改善轉向性能的四輪轉向系統(tǒng)。而現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[15]，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。 四輪驅動結和四輪轉向的電子差速計算式推導電子差速系統(tǒng)(EDS，Electronic Differential System)是采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羞速計算公式。通過對四輪驅動4WD與四輪轉向4WS相結和的運行機理分析，利用三角函數結和比例法數學工具來推導出其4WD4WS的逆、同相控制模式的差速計算公式。 4WDWS逆向控制與同向控制的差速計算原理圖（左）所示為4WD4WS逆相控制的差速計算原理圖。（右）所示為4WD4WS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，、分別為前外側、前內側后外側、后內側轉向輪的偏轉角，為前驅動輪兼外側轉向輪轉速，為前驅動輪兼內側轉向輪轉速，為后驅動輪兼外側轉向輪轉速，為后驅動輪兼內側轉向輪轉速。另外，為分析推導，需要引進2個臨時惜用參量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Rfo、Rfl、Rro、Rri。根據車輪轉速應與其轉彎的圓弧半徑成正比關系，即有。若設為參考標定轉速．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的計算式，且經推導后發(fā)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，即其他三只車輪轉速、對標定轉速的差速計算公式分別為： （）從推導過程中還可發(fā)現同、逆相控制模式中的兩個重要特征：(1)（左）所示，在四輪轉向逆相控制模式中，當前后輪轉向角相等()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．（左）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()。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，而采用基干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．（右）所示分析，假若使前后輪轉向角相同()，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，即圈弧軌跡變?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。 電子差速轉向實施的結構原理 電子差數轉向實施結構原理圖 轉向比與車速的關系曲線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)，幾平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。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，作為對各車輪輪轂電機的速度指令，進人相應的電機驅動控制器進行調速控制。對干四輪轉向4WS系統(tǒng)控制策略，即是根據車速、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，井確定后輪轉向角與前輪轉向角間的比例關系?，F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較為簡單的轉角比車速控制型為例說明如下： 。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。所以對于通常汽車，前輪轉角最大值定為：內側，外側為時，其同相轉角比定為不大干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。 本文的研究思路與內容根據以上關于4WS汽車和4WD汽車的描述，可以看出4WS汽車的轉向能力強，轉向響應迅速、準確，行駛穩(wěn)定性高，低速機動性好。而4WD汽車通過性高，爬坡能力強，轉彎性能極佳，啟動和加速性能極佳，直線行駛穩(wěn)定性很高。其共同的特點是通過改變輪胎的受力極大地提高汽車的各項性能，其中轉向性能的提高是二者都能做到的，并且都達到了提高操縱穩(wěn)定性的目的，因此可以綜合考慮兩項技術，發(fā)揮其各自的優(yōu)點，使得優(yōu)勢互補。但二者有個共同的缺點，其機械結構都比較復雜，伴隨而來的是成本高，理論上故障率增加，機械可靠性降低。因此簡化其結構勢在必行，就目前國內外研究現狀而言，因其各自的系統(tǒng)本身存在眾多缺陷和需要改進的地方，為了彌補這些缺陷而做的進一步改進，使得研究人員不得不犧牲機械結構的簡潔性。因此使得二者各自的發(fā)展并不是很暢通，尤其是4WS系統(tǒng)的實用率變得非常低。但是，獨自驅動的電動汽車的出現給4WS和4WD的發(fā)展帶來了福音，迅速發(fā)展起來的兼有電動、發(fā)電反饋和電磁制動動功能的電動汽車輪轂電機技術和直線步進電機控制轉向力的汽車轉向系統(tǒng)技術使得4WS和4WD的綜合應用成為可能，從根本上去除了限制其發(fā)展的因素——機械結構的復雜性。再加上電子差速系統(tǒng)EDS技術漸趨成熟，在電動汽車上使二者的綜合技術成為實用技術成為可能。就以上考慮，本文將做以下內容：分別對4WS和4WD系統(tǒng)進行了簡要分析，論述其各自的發(fā)展狀況和趨勢，綜合考慮二者結合的內在因素。闡述輪轂電機技術和直線步進電機控制轉向力技術。及電子差速系統(tǒng)EDS在4WS4WD汽車上的應用。采用雙軌汽車動態(tài)模型對4WS+4WD型車進行非線性建模研究；在限定的時間范圍內，恒定的質心速度和小的側滑角條件下，可以忽略俯仰和風力，并假設左右側輪胎轉向角相同，將上述非線性雙軌汽車模型轉換為線性單軌模型。在此單軌模型基礎上進行基于橫擺角速度反饋控制的仿真分析，與2WS系統(tǒng)進行對比，考證4WS反饋控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性能和操縱性能。再在此模型基礎上進行基于最優(yōu)控制理論的轉向角最優(yōu)控制，與2WS系統(tǒng)進行對比，考證4WS