CN201580431U - 电动汽车电控电动四轮转向（4ws）装置 - Google Patents

Abstract

电动汽车电控电动四轮转向(4WS)装置，其特征是全部采用电控及电动装置实现电动汽车四轮转向控制，没有任何液压装置。工作过程如下：四轮转向控制单片机(ECU)分别接受三个传感器的信号：1号传感器为车速传感器，2号传感器为方向盘转角传感器，3号传感器为方向盘扭矩传感器，单片机在接受传感器信号后，按照其内部的控制策略向前、后桥(轮)执行伺服电机发出执行指令。本实用新型结构简单，占用汽车空间小，转向可变助力，整车转向稳定，驾驶操纵性好，不使用液压装置，能量损失小，控制精度高。

Description

电动汽车电控电动四轮转向(4WS)装置

技术领域

本实用新型涉及小型四轮车辆，主要包括电动汽车或普通燃油汽车，也可以满足特种车辆(含残疾人电动汽车)

背景技术

小型燃油汽车的转向可分成三种情况：1)没有助力的机械转向系统，2)机械液压助力转向系统，3)电动液压助力转向系统，这三种系统均不合适电动汽车的应用，原因如下：1)没有助力的转向系统不符合电动汽车要求。2)机械液压助力转向系统应用于燃油汽车的工作原理是工作的发动机主轴通过传动皮带驱动助力油泵工作，然后通过液压油传递助力转向，这种结构不论是否发生了实际的转向动作，都必须要求液压油始终流动；那么应用于电动汽车势必需要主驱动电机始终带动助力油泵工作方能助力；这个方案也不合理。3)电动液压助力转向系统虽然不需要通过皮带带动油泵工作(其油泵为电子泵)，但本质也是通过液压油传递助力动力，所以也属于液压助力这一类，也就不合适与电动汽车匹配。

总体而言，传统液压助力转向系统有如下缺点：能量始终有损失，不论是否有转向动作，液压助力转向系统需要发动机或电动机带动液压油泵，使液压油不停地流动，浪费了部分能量，尤其汽车在较冷的冬季起动时，传统的液压助力系统反应缓慢，直至液压油预热后才能正常工作。液压助力转向系统转向具有迟滞效应，响应速度相对慢，且其方向回正特性无法可变，所以车辆操控性能及稳定性能相对较弱。液压助力转向系统获得可变转向力矩(随速助力)费用很高，必须增加额外的电控单元及其它相关硬件设备，从而结构复杂，价格昂贵，相对故障率也高。液压助力转向系统整体结构复杂，且必须要有高低压液压油管线，占用体积大，管线布置繁杂，发动机部件的空间利用率低，既使生产成本加大也使装配难度加大，且相应维修成本也高。

实用新型内容

本实用新型提供一种结构简单，性能好，响应速度快，体积小，布置方便，车辆稳定好及操作手感佳的“绿色”电动汽车电控电动四轮转向(4WS)装置。

本实用新型电动汽车电控电动四轮转向装置，该装置由车速传感器通过汽车CAN总线向四轮转向控制单片机传输信号，方向盘转角传感器、方向盘扭矩传感器通过接口电路直接向单片机传输信号；前桥或轮执行伺服电机和后桥或轮执行伺服电机通过接口电路接受四轮转向控制单片机的指令，并执行相应动作指令。

本实用新型的结构特点是：

由三个传感器分别检测当前车辆转向具体状态，并向四轮转向控制单片机(ECU)提供信号；1号传感器为车速传感器(公用)，检测车辆转向当时车速，通过CAN总线向控制单片机提供信号。2号传感器为方向盘转角传感器，检测驾驶员向左或右转向及相应的转向幅度，其通过接口电路直接向控制单片机提供信号。3号传感器为方向盘扭矩传感器，检测驾驶员实际在操纵方向盘转向时所用的力，其通过接口电路直接向控制单片机提供信号。

电控电动四轮转向的控制单片机(ECU)可靠性高，体积小，计算能力强，实时响应好，且可以通过CAN总线具有通信功能，其控制策略实现以下功能：(1)车辆低速转向时，方向盘重度助力(随速度变化)，使转向轻便，且后轮实现逆向转向(前、后轮的转角方向相反，后轮非线性随动)；(2)车辆高速转向时，转向阻尼，方向盘沉重，且后轮同向转向(前、后轮的转角方向相同，后轮非线性随动)；(3)改善传统转向回正特性；(4)改善转向阻尼特性。

执行机构分别为前桥(轮)执行伺服电机和后桥(轮)执行伺服电机。它们分别接受电控电动四轮转向的控制单片机(ECU)发出的指令并闭环执行。为匹配电动汽车的高电压，前、后桥(轮)执行伺服电机均为高压伺服电机(200V)。其可以达到如下特性：1)电机在低速下仍能平滑运转且具有很快的相应速度。2)在高速区具有好的转矩特性。3)电机的噪音和振动极小。4)具有很高的转矩/惯量比，可实现系统的快速启动和制动。5)采用脉冲编码器作为反馈元件(自反馈)，采用数字控制技术可大大提高系统的控制精度。6)驱动单元采用大规模专用集成电路，系统结构紧凑，可靠性极高。

与已有技术相比，本实用新型的有益效果体现在：

1)真正实现了″按需供能″，电控电动转向系统仅在需要转向操作时才由前、后桥(轮)执行伺服电机提供能量，该能量直接来自蓄电池，无需主驱动单元干预。而且，能量的消耗与转向盘的转向角度及当前的车速有关。

2)提供可变的转向助力，电动转向系统的转向力来自于电机。通过软件编程和硬件控制，可得到覆盖整个车速的可变转向力(低速方向轻，高速方向重)。可变转向力的大小取决于方向盘转向力矩和整车车速。无论是停车，低速或高速行驶时，它都能提供可靠的，可控性好的驾驶感觉，提高驾驶的舒适性及安全性。

3)增强了车辆转向跟随性，前、后桥(轮)执行伺服电机直接通过机械传动装置驱动车辆四轮动作，因此没有液压转向的迟滞效应，同时转向系统的抗扰动能力增强。

4)改善了转向回正特性，当驾驶员使转向盘转动一角度后松开时，本系统能够自动调整使车轮回到正中。本系统还允许利用软件调整设计参数以获得最佳的回正特性。通过灵活的软件编程，容易要求前、后桥(轮)执行伺服电机在不同车速及不同车况下的转矩特性，这种转矩特性使得该系统能显著地提高转向能力，提供了与车辆动态性能相匹配的转向回正特性。

5)提高了操纵稳定性，由于本系统使得电动车辆四轮转向(4WS)：所以低速时实现逆向转向获得较小的转向半径(前后轮转角方向相反)；中高速时实现同向转向减小车辆的横摆运动(前后轮转角方向相同)。

6)采用″绿色能源″，适应电动汽车的高电压环境，本系统应用电力作为能源，完全取缔了液压装置，不存在液压助力转向系统中液态油的泄漏问题，没有液压油，没有软管、油泵和密封件，避免了污染。

7)本系统模块化设计，结构简单，占用空间小，布置方便，不需要对不同的车辆系统重新进行设计、试验、加工等，不但节省了费用，也为设计不同的转向系统提供了极大的灵活性。由于没有油泵、油管和发动机上的皮带轮，发动机仓的空间利用率极高。

8)生产线装配性好，电动助力转向系统没有液压系统所需要的油泵、油管、流量控制阀、储油罐等部件，零件数目大大减少，减少了装配的工作量，节省了装配时间，提高了装配效率。

9)符合未来电动汽车电子集中控制的网络化发展的要求，本系统控制单元(ECU)就通过CAN通信接口传输传感器信号，且可与电动汽车其他控制模块进行数据通信。

10)由于本系统所有转向动作全部电控，可以使得汽车取消传统意义的方向盘，而代之以类似于游戏机又具有力反馈的手柄，这样可以为残疾人驾驶电动汽车扫清障碍。

附图说明

图1为本实用新型电动四轮转向(4WS)工作示意图。

图中标号：1车速传感器、2方向盘转角传感器、3方向盘扭矩传感器、4四轮转向控制单片机(ECU)、5前桥(轮)执行伺服电机、6后桥(轮)执行伺服电机、7电动汽车CAN总线。

以下通过具体方式，结合附图对本实用新型作进一步描述：

具体实施方式

前轮助力控制：是在转向过程(转向角增大)中为减轻转向盘的操纵力，通过减速机构把伺服电机转矩作用到机械转向系(转向轴、齿轮、齿条)上的一种基本控制模式。工作过程如下：

(1)通过CAN网络向四轮转向控制单片机(ECU)4输入由车速传感器1测得的车速信号；

(2)方向盘转角传感器2、方向盘扭矩传感器3向四轮转向控制单片机(ECU)4输入信号：转向盘转矩传感器测得的转向盘力矩大小和方向，车轮的转向角信号(伺服电机反馈值)；

(3)根据车速和转向盘力矩，由电动汽车具体助力特性通过四轮转向控制单片机(ECU)4分别计算出前桥(轮)执行伺服电机5的目标电流；并发出执行指令。

(4)通过交流伺服电机控制器控制伺服电机输出力矩并检测执行结果。在这一基本控制过程中，助力特性曲线确定系统的控制目标，其存放于四轮转向控制单片机(ECU)4内，决定着整个转向系统的性能，同时也意味着整个系统可以通过软件修正和升级。

后轮转向随动控制：同理，四轮转向控制单片机(ECU)4对接受的车速信号及前轮转向角信号进行计算分析，计算出所需的后轮转向角，并向后桥(轮)执行伺服电机6发出指令。当车速低于25KM/H，后轮与前轮偏转方向相反，车速为零时，后轮偏转角度取最大值(可取8度)，当车速恰为25KM/H时，后轮偏转角为零。当车速大于25KM/H，后轮与前轮偏转方向相同，最大偏转角度为2度。最后，整个系统具有失效保护，即若一旦系统自检失败或传感器故障时，后轮由机械安全机构保证不发生任何偏转。

回正控制：在方向盘回正过程中，有两种情况需要考虑：(1)回正力矩过大，引起方向盘位置超调；(2)回正力矩过小，方向盘不能回到中间位置。对前一种情况，可以利用前桥(轮)执行伺服电机5的阻尼来防止出现超调。后一种情况需要对实际助力进行补偿，以增加回正能力。

阻尼控制：阻尼控制是针对汽车高速直线行驶稳定性和快速转向收敛性提出的。汽车高速直线行驶时，为提高高速行驶时驾驶的稳定性，适当加重转向盘的阻力，最终体现在高速行驶时手感的‘稳重”。采用阻尼控制时，只需通过四轮转向控制单片机(ECU)4对前桥(轮)执行伺服电机5的输出状态进行控制，就可使方向产生阻尼效果。

Claims (1)

1.电动汽车电控电动四轮转向装置，其特征在于该装置包括：

车速传感器(1)通过汽车CAN总线向四轮转向控制单片机(4)传输信号，方向盘转角传感器(2)、方向盘扭矩传感器(3)通过接口电路直接向单片机(4)传输信号；前桥或轮执行伺服电机(5)和后桥或轮执行伺服电机(6)通过接口电路接受四轮转向控制单片机(4)的指令，并执行相应动作指令。

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