主动式后轮转向电控系统设计
如今，为了满足人们对汽车转向操纵性能的越来越高的要求，后轮转向的存在显得尤为必要。在汽车低速行驶时，车辆的前后轮反向转动，转弯半径减小，车辆的机动性得到提高；高速行驶时，车辆的前后轮同向转动，车辆的操纵稳定性能够得到改善。 本文对主动式后轮转向电控系统进行了研究设计。针对其需要达到的低速逆相位转向，高速同相位转向的目的，设计了一种集数据采集模块、数据接收模块、主动助力转向模块及转向模式选择模块于一身的主动式后轮转向电控系统。并且对转向模式选择模块进行了简单的Proteus仿真设计。当主动式后轮转向技术越来越多的运用到汽车上后，汽车的主动安全性能会得到很大的提升。关键词 后轮转向，电控系统，仿真
目 录
1 绪论 1
1.1课题研究背景及意义 1
1.2 国内外发展现状 1
1.3 本论文研究内容 3
2 主动式后轮转向电控系统的结构原理及控制策略 3
2.1主动式后轮转向系统组成结构 3
2.2主动式后轮转向电控系统工作原理 5
2.3主动式后轮转向电控系统工作模式 6
3 主动式后轮转向电控系统硬件设计 7
3.1数据采集模块 8
3.1.1车速传感器选择 8
3.1.2后轮转角传感器选择 9
3.2数据接收模块 9
3.3主动转向控制模块 10
3.3.1EPS的驱动电机选择 10
3.3.2AFS驱动电机选择 11
3.4电源模块 12
4 主动式后轮转向电控系统软件设计 12
4.1主程序模块设计 12
4.2中断服务模块设计 14
4.3转向模式选择模块设计 14
4.4子功能程序仿真 16
结 论 19
致 谢 20
参 考 文 献 21
1 绪论
1.1课题研究背景及意义
随着时代的发展，汽车车型、结构、性能不断改变，汽车电子化程度越来越高。汽车技术的进一步发展使得人们对转向操纵性能的要求越来越高。众所周知，转向系 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
统是车辆系统中最基本的组成系统。汽车在驾驶过程中能根据驾驶员的要求进行控制，及时改变方向，并在偶尔受到道路影响，车辆意外偏离行驶方向时，与行驶系统保持配合，一起继续稳定驾驶。因此，转向系统的性能直接影响车辆的操纵稳定性和安全性，而且还是影响车辆主动安全性的重要总成。尤其是在车辆高速化，司机非专业，交通网密集的今天，它对于保证车辆安全，降低交通事故发生率，保护驾驶员的人身安全，提高司机的工作条件发挥着重要作用。
自从第一辆汽车诞生以来，前轮转向一直是汽车的主要转向模式。传统的前轮转向由于低速时车轮的最大转角受到制约，转弯半径不能变小，导致机动性不高; 高速时因为侧向加速度与横摆角速度难以控制，车辆操纵稳定性差，可能导致翻车事故。后轮转向的出现大大解决了这些缺陷，后轮转向与前轮转向同时工作时，可以使汽车在低速转向时的机动灵活性增强，也能使高速转向时的操纵稳定性提高。
1.2 国内外发展现状
最早的四轮转向技术可以追溯到1907年，日本颁发了第一个四轮转向专利证书，即把前轮转向机构和后轮转向机构用一根轴连接，以来驱动后轮转向机构的运动。当车辆在低速行驶需要转向时，后轮和前轮通过相反的转向来得到比较小的转弯半径，从而增加车辆的行驶性能和灵活性。
在第二次世界大战时期，美国的一些军车和工程车辆使用简单的机械四轮转向系统，使前轮和后轮逆相位转动，来适应恶劣的道路状况。在1962年由后轮主动的四轮转向技术在日本的汽协技术会议上被提出来，由此现代的四轮转向系统技术开始得到研究发展。二十世纪七十年代末，本田与马自达也开始积极从事四轮转向系统的开发研究。
1985年，日本的尼桑公司首先将世界上第一个四轮转向系统运用于乘用车。 该系统采用电控液压系统来主动控制后轮的转角，大大提高了车辆高速行驶时的稳定性。
随着车辆的动力学和控制理论的不断进步，学者们提出了各种复杂的模型控制策略。
F.Sugasawa，H.Inoue研究了具有前馈和反馈综合控制的四轮转向系统。 最优控制理论用于找出控制常量，并且转向输入响应的控制和对抗外部干扰的稳定性控制是分开的，从而实现两者的独立性控制。
RayLauraR.把随机鲁棒分析和设计方法运用于四轮转向汽车的鲁棒分析和横向动态容错控制中。这个分析方法一般是基于不确定性的统计学描述来确定不合适的控制系统设计目标发生的概率。
来自日本东京工业大学的T.Shiotsuka和马自达汽车公司在基于神经网络的情况下提出了一种四轮转向控制系统。此系统将轮胎摩擦力的非线性和车辆的动态特性考虑进去。他们采用汽车中的实际测量数据，使用神经网络方法来识别汽车和轮胎的非线性动态特性。此系统控制器的设计与所有的理论模型相脱离，仅仅基于神经网络的自学习能力。因此该系统有效地提高了车辆的动态响应特性和抗干扰能力。
相比较之下，国内对四轮转向的研究开始较晚，主要涉及的是一些控制策略和汽车的动力学模型的研究。如：北京交通大学耿聪和清华大学李铂等人提出了基于传统的前馈四轮转向控制的二自由度四轮主动转向的鲁棒控制方法。此方法通过引入独立的参数化二自由度控制结构来实现轮胎侧偏刚度变化车速和车速变化的独立补偿。这种方法不仅具有传统前馈控制的优点，而且还减低了反馈控制器的阶数。
重庆大学的邓海涛在建立的三自由度四轮转向汽车操纵动力学模型基础上，与轮胎非线性半经验模型相结合设计出了“前轮角补偿+主动后轮控制”的四轮转向控制策略。该策略采用横摆角速度的误差反馈信息来补偿前轮角度，并且在当前的运动状态信息反馈控制基础上来主动地转动后轮。
近些年来，相关学者与研究人员对后轮主动转向控制策略进行了大量的研究，例如：零滑移角比例控制、横摆角和滑移角控制以及多目标横摆角速度跟踪控制等。
1.3 本论文研究内容
本论文研究的是主动式后轮转向电控系统设计。随着现代交通系统的越趋复杂和汽车技术的不断发展，汽车的主动安全日益受到重视，由此说明后轮转向技术发展的必然性和可行性，并介绍了国内外对主动式后轮转向电控系统的研究和发展历程。本论文就后轮主动转向的组成结构、工作原理等方面进行分析，初步设计了一种主动式后轮转向电控系统。由它所希望达到的传感器提前预知转向功能，完成了系统硬件部分的设计，并对各组成部分的原理和功能进行了简单的介绍。然后依据主动式后轮转向电控系统的硬件组成，设计了系统的软件总体流程图，并且对子功能模块软件程序进行了编写。
目 录
1 绪论 1
1.1课题研究背景及意义 1
1.2 国内外发展现状 1
1.3 本论文研究内容 3
2 主动式后轮转向电控系统的结构原理及控制策略 3
2.1主动式后轮转向系统组成结构 3
2.2主动式后轮转向电控系统工作原理 5
2.3主动式后轮转向电控系统工作模式 6
3 主动式后轮转向电控系统硬件设计 7
3.1数据采集模块 8
3.1.1车速传感器选择 8
3.1.2后轮转角传感器选择 9
3.2数据接收模块 9
3.3主动转向控制模块 10
3.3.1EPS的驱动电机选择 10
3.3.2AFS驱动电机选择 11
3.4电源模块 12
4 主动式后轮转向电控系统软件设计 12
4.1主程序模块设计 12
4.2中断服务模块设计 14
4.3转向模式选择模块设计 14
4.4子功能程序仿真 16
结 论 19
致 谢 20
参 考 文 献 21
1 绪论
1.1课题研究背景及意义
随着时代的发展，汽车车型、结构、性能不断改变，汽车电子化程度越来越高。汽车技术的进一步发展使得人们对转向操纵性能的要求越来越高。众所周知，转向系 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
统是车辆系统中最基本的组成系统。汽车在驾驶过程中能根据驾驶员的要求进行控制，及时改变方向，并在偶尔受到道路影响，车辆意外偏离行驶方向时，与行驶系统保持配合，一起继续稳定驾驶。因此，转向系统的性能直接影响车辆的操纵稳定性和安全性，而且还是影响车辆主动安全性的重要总成。尤其是在车辆高速化，司机非专业，交通网密集的今天，它对于保证车辆安全，降低交通事故发生率，保护驾驶员的人身安全，提高司机的工作条件发挥着重要作用。
自从第一辆汽车诞生以来，前轮转向一直是汽车的主要转向模式。传统的前轮转向由于低速时车轮的最大转角受到制约，转弯半径不能变小，导致机动性不高; 高速时因为侧向加速度与横摆角速度难以控制，车辆操纵稳定性差，可能导致翻车事故。后轮转向的出现大大解决了这些缺陷，后轮转向与前轮转向同时工作时，可以使汽车在低速转向时的机动灵活性增强，也能使高速转向时的操纵稳定性提高。
1.2 国内外发展现状
最早的四轮转向技术可以追溯到1907年，日本颁发了第一个四轮转向专利证书，即把前轮转向机构和后轮转向机构用一根轴连接，以来驱动后轮转向机构的运动。当车辆在低速行驶需要转向时，后轮和前轮通过相反的转向来得到比较小的转弯半径，从而增加车辆的行驶性能和灵活性。
在第二次世界大战时期，美国的一些军车和工程车辆使用简单的机械四轮转向系统，使前轮和后轮逆相位转动，来适应恶劣的道路状况。在1962年由后轮主动的四轮转向技术在日本的汽协技术会议上被提出来，由此现代的四轮转向系统技术开始得到研究发展。二十世纪七十年代末，本田与马自达也开始积极从事四轮转向系统的开发研究。
1985年，日本的尼桑公司首先将世界上第一个四轮转向系统运用于乘用车。 该系统采用电控液压系统来主动控制后轮的转角，大大提高了车辆高速行驶时的稳定性。
随着车辆的动力学和控制理论的不断进步，学者们提出了各种复杂的模型控制策略。
F.Sugasawa，H.Inoue研究了具有前馈和反馈综合控制的四轮转向系统。 最优控制理论用于找出控制常量，并且转向输入响应的控制和对抗外部干扰的稳定性控制是分开的，从而实现两者的独立性控制。
RayLauraR.把随机鲁棒分析和设计方法运用于四轮转向汽车的鲁棒分析和横向动态容错控制中。这个分析方法一般是基于不确定性的统计学描述来确定不合适的控制系统设计目标发生的概率。
来自日本东京工业大学的T.Shiotsuka和马自达汽车公司在基于神经网络的情况下提出了一种四轮转向控制系统。此系统将轮胎摩擦力的非线性和车辆的动态特性考虑进去。他们采用汽车中的实际测量数据，使用神经网络方法来识别汽车和轮胎的非线性动态特性。此系统控制器的设计与所有的理论模型相脱离，仅仅基于神经网络的自学习能力。因此该系统有效地提高了车辆的动态响应特性和抗干扰能力。
相比较之下，国内对四轮转向的研究开始较晚，主要涉及的是一些控制策略和汽车的动力学模型的研究。如：北京交通大学耿聪和清华大学李铂等人提出了基于传统的前馈四轮转向控制的二自由度四轮主动转向的鲁棒控制方法。此方法通过引入独立的参数化二自由度控制结构来实现轮胎侧偏刚度变化车速和车速变化的独立补偿。这种方法不仅具有传统前馈控制的优点，而且还减低了反馈控制器的阶数。
重庆大学的邓海涛在建立的三自由度四轮转向汽车操纵动力学模型基础上，与轮胎非线性半经验模型相结合设计出了“前轮角补偿+主动后轮控制”的四轮转向控制策略。该策略采用横摆角速度的误差反馈信息来补偿前轮角度，并且在当前的运动状态信息反馈控制基础上来主动地转动后轮。
近些年来，相关学者与研究人员对后轮主动转向控制策略进行了大量的研究，例如：零滑移角比例控制、横摆角和滑移角控制以及多目标横摆角速度跟踪控制等。
1.3 本论文研究内容
本论文研究的是主动式后轮转向电控系统设计。随着现代交通系统的越趋复杂和汽车技术的不断发展，汽车的主动安全日益受到重视，由此说明后轮转向技术发展的必然性和可行性，并介绍了国内外对主动式后轮转向电控系统的研究和发展历程。本论文就后轮主动转向的组成结构、工作原理等方面进行分析，初步设计了一种主动式后轮转向电控系统。由它所希望达到的传感器提前预知转向功能，完成了系统硬件部分的设计，并对各组成部分的原理和功能进行了简单的介绍。然后依据主动式后轮转向电控系统的硬件组成，设计了系统的软件总体流程图，并且对子功能模块软件程序进行了编写。
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