四輪驅(qū)動(dòng)四輪轉(zhuǎn)向的汽車電子差速轉(zhuǎn)向控制論文
論文摘要：通過汽車轉(zhuǎn)向時(shí)穩(wěn)定性分析闡明了四輪轉(zhuǎn)向的優(yōu)點(diǎn)。而鑒于輪轂電機(jī)在電動(dòng)汽車上應(yīng)用的諸多優(yōu)點(diǎn)，及其功率受結(jié)構(gòu)體積的限制，輪轂電機(jī)的應(yīng)用將使汽車由性能更好的四輪驅(qū)動(dòng)替代兩輪驅(qū)動(dòng)，它不但充分利用了地面對(duì)車輪的附著力和驅(qū)動(dòng)力，而且結(jié)合用直線步進(jìn)電機(jī)控制轉(zhuǎn)向力的汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，能更容易地實(shí)現(xiàn)全面改善轉(zhuǎn)向性能的四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。由于四輪驅(qū)動(dòng)4WD與四輪轉(zhuǎn)向4WS相結(jié)合的電子差速計(jì)算理論還有待完善，通過對(duì)輪轂電機(jī)運(yùn)行的電子差速轉(zhuǎn)向控制原理分析和數(shù)學(xué)推導(dǎo)，提出了4WD-4WS相結(jié)合的逆、同相控制模式的差速計(jì)算公式及四輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)結(jié)合四輪轉(zhuǎn)向的電子差速實(shí)施結(jié)構(gòu)原理。
論文關(guān)鍵詞：四輪驅(qū)動(dòng),四輪轉(zhuǎn)向,電子差速,轉(zhuǎn)向控制
一、汽車轉(zhuǎn)向時(shí)穩(wěn)定性分析和四輪轉(zhuǎn)向優(yōu)點(diǎn)
如圖1所示為汽車轉(zhuǎn)彎時(shí)所產(chǎn)生側(cè)偏角的關(guān)系示意圖，其中α為前輪側(cè)偏角；α為后輪側(cè)偏角；α為汽車重心位置側(cè)偏角。汽車轉(zhuǎn)向時(shí)，除在極低速時(shí)，一般情況下車輪平面與汽車行進(jìn)速度方向并不一致，兩者之間的角度值即為側(cè)偏角α。在汽車轉(zhuǎn)彎時(shí)，由于離心力的作用，垂直于車輪平面的車輪中心上有側(cè)向力，相應(yīng)地在地面上產(chǎn)生的反作用力就是側(cè)偏力。由于車輪側(cè)向產(chǎn)生彈性變形，變形車輪的滾動(dòng)方向與車輪平面方向并不一致，側(cè)偏力又分解為與車輪行進(jìn)方向平行的滾動(dòng)阻力和與行進(jìn)方向垂直的轉(zhuǎn)彎力。在地面附著極限內(nèi)，轉(zhuǎn)彎時(shí)路面反作用力的大小與方向隨著側(cè)偏角的大小發(fā)生變化，因而汽車的轉(zhuǎn)向直徑也隨之變化。
通常車輪轉(zhuǎn)向時(shí)，路面對(duì)各車輪轉(zhuǎn)彎時(shí)的反作用合力與汽車圓周運(yùn)動(dòng)的離心力相平衡。一旦正在轉(zhuǎn)彎的汽車速度提高，離心力就隨之增加，質(zhì)心位置的側(cè)偏角必然增大而隨之出現(xiàn)不足轉(zhuǎn)向(如圖1b所示)。此時(shí)若要保證前輪按原轉(zhuǎn)彎半徑運(yùn)動(dòng)，與低車速時(shí)相比，前輪必須向內(nèi)側(cè)多轉(zhuǎn)過一定角度。換言之，汽車以相同轉(zhuǎn)彎半徑運(yùn)動(dòng)時(shí)，隨著車速的`增加，對(duì)于常規(guī)的前兩輪轉(zhuǎn)向(2WS)系統(tǒng)駕駛員就需相應(yīng)增加轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角；或者使后車軸產(chǎn)生一個(gè)向外則運(yùn)動(dòng)的力，以增加轉(zhuǎn)彎時(shí)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(cè)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(zhuǎn)彎內(nèi)側(cè)偏轉(zhuǎn)相應(yīng)角度，則就可使具有側(cè)偏角的后輪行進(jìn)方向也與轉(zhuǎn)向圓一致。亦就是在高速行駛轉(zhuǎn)彎時(shí)，要求后輪應(yīng)具有與前輪同向的轉(zhuǎn)向角度，即可減小車身的橫擺角速度和側(cè)傾角，避免汽車發(fā)生側(cè)滑、傾翻現(xiàn)象，以確保高速轉(zhuǎn)向時(shí)的穩(wěn)定性。
四輪轉(zhuǎn)向(4WS,4WheelsSteering)系統(tǒng)是指汽車的前、后四輪都具有相應(yīng)的轉(zhuǎn)向功能，后輪與前輪同方向轉(zhuǎn)向稱為同相控制模式，后輪與前輪反方向轉(zhuǎn)向稱為逆相控制模式。主要功能是有效控制車輛的橫向運(yùn)動(dòng)特性。它是現(xiàn)代轎車采用的一項(xiàng)提高汽車操縱穩(wěn)定性、操縱輕便性和機(jī)動(dòng)性的關(guān)鍵技術(shù)措施，與兩輪轉(zhuǎn)向(2WS)系統(tǒng)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)：
1）改善高速轉(zhuǎn)向或在側(cè)向風(fēng)力作用時(shí)的行駛穩(wěn)定性。在中高速行駛時(shí)采用前、后輪同方向轉(zhuǎn)向的同相控制模式，有助于減小車輛側(cè)滑或扭擺，對(duì)平衡車輛在超車、變道、或躲避不平路面時(shí)的反應(yīng)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(zhuǎn)向系統(tǒng)將成一種趨勢(shì)。
2）減小低速轉(zhuǎn)彎半徑，改善其操縱輕便性和提高機(jī)動(dòng)性。在低速行駛時(shí)采用前、后輪反方向轉(zhuǎn)向的逆相控制模式，可使車輛轉(zhuǎn)彎半徑大大減小，參考后述圖2所示分析，4WS的轉(zhuǎn)彎半徑最多可比2WS減小一半，這對(duì)低速選位停車，窄道轉(zhuǎn)向行駛都將帶來極大的方便。
3）提高轉(zhuǎn)向響應(yīng)的快速性，全面改善車輛的轉(zhuǎn)向性能。不僅使車輛在高速行駛或濕滑路面上的轉(zhuǎn)向性能穩(wěn)定，且對(duì)轉(zhuǎn)向輸入的響應(yīng)更迅速而準(zhǔn)確。
二、輪轂電機(jī)應(yīng)用與四輪驅(qū)動(dòng)及電子差速的關(guān)系
鑒于輪轂電機(jī)在電動(dòng)汽車上應(yīng)用的諸多優(yōu)點(diǎn)。但由于輪轂電機(jī)受輪轂內(nèi)結(jié)構(gòu)體積限制，按汽車驅(qū)動(dòng)功率要求批量生產(chǎn)大功率輪轂電機(jī)有相應(yīng)難度，而采用四輪驅(qū)動(dòng)即可實(shí)現(xiàn)小馬拉大車，通過四輪轂電機(jī)并聯(lián)驅(qū)動(dòng)即可比二輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)提高汽車總驅(qū)動(dòng)力1倍。并根據(jù)汽車?yán)碚摲治鲋挥兴妮嗱?qū)動(dòng)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(shù)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(shù)發(fā)展，對(duì)提高汽車行駛穩(wěn)定性等性能指標(biāo)將提出更高要求。因此也更需采用四輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)來提高汽車對(duì)地面的附著力。又由于只有驅(qū)動(dòng)輪才能實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量的回收，采用四輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)并結(jié)合兼有電動(dòng)、發(fā)電回饋和電磁制動(dòng)多功能的電動(dòng)汽車輪轂電機(jī)技術(shù)，即可極大地提高汽車在降速制動(dòng)和下坡時(shí)對(duì)動(dòng)能能量的回收，以節(jié)能和提高續(xù)駛里程。所以輪轂電機(jī)的應(yīng)用將使電動(dòng)汽車由性能更好的四輪驅(qū)動(dòng)替代兩輪驅(qū)動(dòng)。
為滿足驅(qū)動(dòng)輪差速要求有采用機(jī)械差速和電子差速兩種。機(jī)械差速是傳統(tǒng)汽車普遍采用的方法，其機(jī)構(gòu)龐大而復(fù)雜。而電子差速系統(tǒng)EDS是采用電子控制的方式來實(shí)現(xiàn)，有諸多優(yōu)點(diǎn)，它與輪轂電機(jī)的應(yīng)用如同一對(duì)比翼鴛鴦，即左右側(cè)驅(qū)動(dòng)輪采用輪轂電機(jī)必須通過電子差速來控制，而輪轂電機(jī)的應(yīng)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(qū)動(dòng)結(jié)合四輪轉(zhuǎn)向?qū)⒕哂兄T多優(yōu)點(diǎn)，尤其對(duì)于電動(dòng)汽車采用輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)來說，與傳統(tǒng)汽車相比使汽車實(shí)現(xiàn)四輪驅(qū)動(dòng)方式變得很容易。而且結(jié)合用直線步進(jìn)電機(jī)控制轉(zhuǎn)向力的汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，能更容易地實(shí)現(xiàn)全面改善轉(zhuǎn)向性能的四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。而現(xiàn)有汽車僅采用四輪驅(qū)動(dòng)或四輪轉(zhuǎn)向的單一方式其結(jié)構(gòu)都相當(dāng)復(fù)雜，而由兩者相結(jié)合的方式至今還沒有，更沒有同時(shí)采用電子差速轉(zhuǎn)向控制等多項(xiàng)技術(shù)相組合的實(shí)施方案。雖有報(bào)道四輪驅(qū)動(dòng)采用常規(guī)二輪轉(zhuǎn)向的電子差速轉(zhuǎn)向控制技術(shù)。但隨著汽車控制技術(shù)發(fā)展及其性能要求的提高，特別是電動(dòng)汽車采用輪轂電機(jī)技術(shù)的成熟，電動(dòng)汽車用四輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)四輪轉(zhuǎn)向的電子差速轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)技術(shù)也將被要求得以解決。并且四輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)四輪轉(zhuǎn)向?qū)O大地提高電動(dòng)汽車的性價(jià)比，也能較容易地實(shí)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(qū)動(dòng)結(jié)合四輪轉(zhuǎn)向的電子差速計(jì)算式推導(dǎo)
電子差速系統(tǒng)(EDS,ElectronicDifferentialSystem)是采用電子控制方式來實(shí)現(xiàn)內(nèi)外側(cè)驅(qū)動(dòng)輪差速要求。而其實(shí)施首先需要一套正確易算的差速計(jì)算公式。通過對(duì)四輪驅(qū)動(dòng)4WD與四輪轉(zhuǎn)向4WS相結(jié)合的運(yùn)行機(jī)理分析，在此提出僅利用中學(xué)的三角函數(shù)結(jié)合比例法數(shù)學(xué)工具來推導(dǎo)出其4WD-4WS的逆、同相控制模式的差速計(jì)算公式。如圖2所示為4WD-4WS逆相控制的差速計(jì)算原理圖。如圖3所示為4WD-4WS同相控制差速計(jì)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(cè)、前內(nèi)側(cè)、后外側(cè)、后內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)向輪的偏轉(zhuǎn)角，n為前驅(qū)動(dòng)輪兼外側(cè)轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)速，n為前驅(qū)動(dòng)輪兼內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)速，n為后驅(qū)動(dòng)輪兼外側(cè)轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)速，n為后驅(qū)動(dòng)輪兼內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)速。另外，為分析推導(dǎo)需要特引進(jìn)2個(gè)臨時(shí)借用參量l與r，其含義參見圖中所標(biāo)注的尺寸位置，即l為轉(zhuǎn)彎圓心o到前車輪軸心的車身縱向距離，r為轉(zhuǎn)彎圓心o到內(nèi)側(cè)車輪中心的車身橫向距離。為保證汽車轉(zhuǎn)彎時(shí)各車輪只滾動(dòng)無滑動(dòng)，要求四個(gè)車輪均繞同一個(gè)圓心o轉(zhuǎn)動(dòng)，即每個(gè)車輪的軸線交于同一點(diǎn)，因此各車輪轉(zhuǎn)彎的圓弧軌跡分別為如圖中所示的虛線，各車輪轉(zhuǎn)彎的圓弧半徑分別為R、R、R、R。根據(jù)車輪轉(zhuǎn)速應(yīng)與其轉(zhuǎn)彎的圓弧半徑成正比關(guān)系，即有n/n=R/R、n/n=R/R、n/n=R/R。若設(shè)n為參考標(biāo)定轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速，分析圖示幾何關(guān)系即可獲得其它三只車輪轉(zhuǎn)速相對(duì)標(biāo)定轉(zhuǎn)速n的計(jì)算式，且經(jīng)推導(dǎo)后發(fā)現(xiàn)逆相控制模式與同相控制模式的差速計(jì)算公式完全相同，即其他三只車輪轉(zhuǎn)速n、n、n相對(duì)標(biāo)定轉(zhuǎn)速n的差速計(jì)算公式分別為：
從推導(dǎo)過程中還可發(fā)現(xiàn)同、逆相控制模式中的兩個(gè)重要特征：
(1)參考圖2所示，在四輪轉(zhuǎn)向逆相控制模式中當(dāng)前后輪轉(zhuǎn)向角相等（α=α，β=β）時(shí)，其轉(zhuǎn)彎半徑為最小。并且它與常規(guī)的前二輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)2WS相比，在轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向角相同的前提下，其轉(zhuǎn)彎半徑可減小一半。這利用比例作圖法即可證明，其最小轉(zhuǎn)彎半徑時(shí)的圓心點(diǎn)位于如圖2中的黑點(diǎn)所示，此時(shí)l=L/2，并且前后輪的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向4WS系統(tǒng)逆相控制模式時(shí)，同時(shí)使前后輪偏轉(zhuǎn)角達(dá)到最大值可將轉(zhuǎn)彎半徑大大縮小，這對(duì)低速選位停車，窄道轉(zhuǎn)向行駛都會(huì)帶來極大方便。但對(duì)于現(xiàn)已有的電控液壓式或電控電動(dòng)式兩種四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由于受其結(jié)構(gòu)限制，其后輪轉(zhuǎn)向角還較難以做大，而采用基于直線步進(jìn)電機(jī)控制轉(zhuǎn)向力的汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)技術(shù)就不會(huì)受其限制。
(2)在四輪轉(zhuǎn)向同相控制模式中按圖3所示分析，假若使前后輪轉(zhuǎn)向角相同(α=α也β=β)，其四車輪中心到圓心點(diǎn)o的直線變?yōu)橄嗷テ叫�，即圓心點(diǎn)o將為無限遠(yuǎn)，其轉(zhuǎn)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(shí)際應(yīng)用中對(duì)四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)4WS的同相控制模式的后輪偏轉(zhuǎn)角有一限定值，一般不大于5。
四、電子差速轉(zhuǎn)向?qū)嵤┑慕Y(jié)構(gòu)原理
電子差速轉(zhuǎn)向的實(shí)施主要是在其相應(yīng)的微機(jī)控制系統(tǒng)ECU中增加一套差速計(jì)算程序，并與相應(yīng)的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)配合，根據(jù)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)中各車輪的偏轉(zhuǎn)角信號(hào)、車速信號(hào)及控制模式，按前述相應(yīng)的差速計(jì)算公式計(jì)算出對(duì)各車輪轉(zhuǎn)速的要求值，輸入到各車輪輪轂電機(jī)的驅(qū)動(dòng)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(duì)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(duì)于閉環(huán)系統(tǒng)有些傳感器也可與輪轂電機(jī)控制器及相應(yīng)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的傳感器兼用。如圖4所示為電子差速轉(zhuǎn)向?qū)嵤┑慕Y(jié)構(gòu)原理框圖。方向盤的轉(zhuǎn)角信號(hào)、加速踏板及制動(dòng)踏板的加減速信號(hào)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)中各車輪的偏轉(zhuǎn)角信號(hào)以及各車輪輪轂電機(jī)的轉(zhuǎn)角信號(hào)輸入微機(jī)控制ECU系統(tǒng)。輪轂電機(jī)轉(zhuǎn)子（對(duì)于磁阻電機(jī)和永磁無刷電機(jī)本身就具有轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角位置傳感器）的轉(zhuǎn)角位置信號(hào)通過對(duì)時(shí)間t的微分，即可得到電機(jī)的轉(zhuǎn)速信號(hào)，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(hào)，ECU系統(tǒng)就可按既定的控制策略和差速計(jì)算公式由微機(jī)內(nèi)的差速運(yùn)算器計(jì)算出對(duì)各車輪速度的要求值n、n、n、n，作為對(duì)各車輪輪轂電機(jī)的速度指令，送入相應(yīng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器進(jìn)行調(diào)速控制。
對(duì)于四輪轉(zhuǎn)向4WS系統(tǒng)控制策略，即是根據(jù)車速、轉(zhuǎn)向要求及其特征確定何時(shí)應(yīng)采用逆相控制模式，何時(shí)又需采用同相控制模式，并確定后輪轉(zhuǎn)向角與前輪轉(zhuǎn)向角間的比例關(guān)系�，F(xiàn)已報(bào)道的四輪轉(zhuǎn)向4WS系統(tǒng)控制策略主要有轉(zhuǎn)角比-車速控制型、比例于橫擺角速度的后輪轉(zhuǎn)向控制型、質(zhì)心側(cè)偏角為零的后輪轉(zhuǎn)向控制型等，它們是指控制前后車輪的相對(duì)轉(zhuǎn)向及其轉(zhuǎn)角比分別按車速、車身橫擺角速度、質(zhì)心側(cè)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(shù)要求也不同。由于四輪轉(zhuǎn)向4WS技術(shù)還處于發(fā)展成熟中，其控制策略的算法理論也有待進(jìn)一步發(fā)展完善。為簡(jiǎn)單清楚說明起見，在此以目前用得較多也為較簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)角比-車速控制型為例說明如下：
圖5為轉(zhuǎn)角比-車速控制型所采用的前后輪轉(zhuǎn)角比與其車速的控制關(guān)系曲線圖。它首先劃定一個(gè)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(shí)采用逆相控制模式，當(dāng)車速高于35km/h時(shí)采用同相控制模式。根據(jù)上述同、逆相控制模式的兩個(gè)重要特征中已表明同相控制時(shí)其轉(zhuǎn)角比還不能較大，一般限定后輪同相轉(zhuǎn)向角不大于5。所以對(duì)于通常汽車前輪轉(zhuǎn)角最大值定為：內(nèi)側(cè)3955′士2，外側(cè)為3500′士2時(shí)，其同相轉(zhuǎn)角比定為不大于1/8。而對(duì)于逆相轉(zhuǎn)角比為了減小低速轉(zhuǎn)彎半徑可適當(dāng)放大。
參考文獻(xiàn)
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