《基于MATLAB和Simulink的電動汽車助力轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)仿真研究12000字（論文）》

基于MATLAB和Simulink的電動汽車助力轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)仿真研究電動汽車助力轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)是一種新興的輔助系統(tǒng)，它是控制領(lǐng)域在21世紀的重要應(yīng)用。電動汽車助力轉(zhuǎn)向控制是助力轉(zhuǎn)向控制中最復(fù)雜的，其主要是由方向盤輸入人的力，再通過電機進行模擬輸出到轉(zhuǎn)向輪上進行輔助控制轉(zhuǎn)向，由于系統(tǒng)變量的增多、階次的增高、基座運動和控制的耦合特性，與早期的液壓助力以及機械助力相比，其非線性、耦合性、多變量特性更加突出，從而增加了控制的難度。本文通過使用MATLABSimulink中的虛擬現(xiàn)實技術(shù)，在計算機上仿真電動汽車助力轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)，運用Simulink模擬進行穩(wěn)定性控制，其中涉及到了電機以及控制器的參數(shù)整定、雙輸入雙輸出系統(tǒng)耦合特性的分析與解耦控制器的設(shè)計。關(guān)鍵詞：助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；模擬；輔助目錄1. 引言 引言1.1引言隨著大數(shù)據(jù)時代的來臨，汽車操縱系統(tǒng)的自動化、智能化已然是現(xiàn)代化汽車駕駛的發(fā)展趨勢，未來汽車自動化駕駛，動力管理也為汽車駕駛的安全性、可靠性提供了保障。電動汽車助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)則在現(xiàn)階段有助于操控汽車。電動汽車助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有利于汽車駕駛者精準操控汽車方向，同時有助于未來自動駕駛系統(tǒng)的推進，是科技發(fā)展的主流趨勢。為實現(xiàn)電動汽車助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的信息獲取更集中，管理更高效，轉(zhuǎn)向時力量輸出更穩(wěn)定，本文將會對電動汽車助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進行簡單且淺顯的研究，針對該系統(tǒng)進行Simulink仿真。電動汽車助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)包含了角速度檢測系統(tǒng)、電機控制系統(tǒng)、電機系統(tǒng)，采用電動機驅(qū)動轉(zhuǎn)向輪的方式，是近年來最佳的助力轉(zhuǎn)向方式。近年來獲得了良好發(fā)展，具有無比優(yōu)越的靈活性、良好的力度調(diào)整特性、響應(yīng)特性、效率高、噪聲低等優(yōu)點。為了滿足汽車日益增長的高信息化、高安全性的需求，建立一套可靠的電動汽車助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)就顯得尤為重要。本課題根據(jù)研究需要，采用Matlab/Simulink仿真的方式，設(shè)計電動的汽車助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。通過這樣來尋求駕駛員可以更安全的控制汽車行駛的方向。1.2課題設(shè)計背景電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(

EPS,Electric

Power

Steering)將會在未來統(tǒng)治轉(zhuǎn)向系統(tǒng)市場。該系統(tǒng)目前是一個熱門的發(fā)展方向。該系統(tǒng)由電動機提供給方向盤扭矩速度轉(zhuǎn)向，省去了發(fā)動機上安裝液壓維修系統(tǒng)所需的維修泵、油泵、轉(zhuǎn)向液壓、運輸帶和皮帶輪，在保護環(huán)境的同時節(jié)約了能源。此外，它易于調(diào)整，靈活的調(diào)整與安裝和提供服務(wù)的不同情形下的一系列新特點。這些都是電氣服務(wù)器系統(tǒng)作為一種新的轉(zhuǎn)向技術(shù)的優(yōu)點，它將挑戰(zhàn)已有50多年歷史的著名液壓控制系統(tǒng)，也就是液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是于20世紀80年代中期提出來的。該技術(shù)發(fā)展最快、應(yīng)用較成熟的

當屬TRW轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和Delphi

Sagiaw轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，而Delphi

Sagiaw

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)又代表著轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)展的前沿。她是一個于20世紀50年代把液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)推向

市場的，從此以后，Delphi

轉(zhuǎn)向發(fā)展了技術(shù)更加成熟的液壓助力系統(tǒng)，使大部分的商用汽車

和約50%的轎車裝備有該系統(tǒng)?，F(xiàn)在,Delphi轉(zhuǎn)向系統(tǒng)又領(lǐng)導(dǎo)了汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的一次新革命,那就是電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)符合現(xiàn)代汽車機電一體化的設(shè)計思想，該系統(tǒng)由轉(zhuǎn)向傳感裝置、車速傳感器、助力機械裝置、提供助力轉(zhuǎn)向電機及微電腦控制單元組成。該系統(tǒng)工作時，轉(zhuǎn)向傳感器檢測到轉(zhuǎn)向軸上轉(zhuǎn)動力矩和轉(zhuǎn)向盤位置兩個信號，與車速傳感器測得的車速信號一起不斷地輸入微電腦控制單元，該控制單元通過數(shù)據(jù)分析以決定轉(zhuǎn)向方向和所需的最佳助力值，然后發(fā)出相應(yīng)的指令給控制器，從而驅(qū)動電機，通過助力裝置實現(xiàn)汽車的轉(zhuǎn)向。通過精確的控制算法，可任意改變電機的轉(zhuǎn)矩大小，使傳動機構(gòu)獲得所需的任意助力值。EPS在日本最先獲得實際應(yīng)用，1988

年日本鈴木公司首次開發(fā)出一種全新的電子控制

式電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，并裝在其生產(chǎn)的Cervo車上，隨后又配備在Alto上。

此后，電動助力轉(zhuǎn)向技術(shù)得到迅速發(fā)展，其應(yīng)用范圍已經(jīng)從微型轎車向大型轎車和客車方向發(fā)展。日本的

大發(fā)汽車公司、三菱汽車公司、本田汽車公司，美國的Delphi

公司，英國的Lucas公司，德國的ZF公司，都研制出了各自的EPS.電動動力轉(zhuǎn)向裝置將最新的功率電子高科技和電機控制高性能電機等技術(shù)應(yīng)用于汽車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，此舉使得動態(tài)性能和靜態(tài)性能大大的提高了，同時行駛中的舒適性和安全性也得到了有效的提高，同時做到了降低環(huán)境污染。因此，提案的系統(tǒng)接到了很多大型汽車制造商的支持，與此同時他們開展了開發(fā)和研究。在將來的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，電動動力轉(zhuǎn)向?qū)魯C械液壓助力轉(zhuǎn)向成為主流。與其他控制系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)的獨特優(yōu)勢在于:

(1)降低油耗。(2)改進轉(zhuǎn)向監(jiān)控。(3)轉(zhuǎn)向柱正特性得到了改善。(4)提高操作的穩(wěn)定性。(5)提供可變伺服控制。(6)采用“綠色能源”來適應(yīng)現(xiàn)代汽車的要求。(7)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，空間小，布置舒適，性能優(yōu)越。(8)

生產(chǎn)線裝配得很好。1.3助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)簡介1.3.1助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)種類一般分為機械液壓助力、電子液壓助力、電動助力。（1）機械液壓助力轉(zhuǎn)向（如圖1.1）圖1.1機械液壓助力轉(zhuǎn)向機械式的液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)一般由液壓泵、油管、壓力流量控制閥體、傳動皮帶、儲油罐等部件構(gòu)成。工作原理是通過液壓泵提供油壓推動活塞，進而產(chǎn)生輔助力推動轉(zhuǎn)向拉桿，輔助車輪轉(zhuǎn)向。這類車尤其在低速較大轉(zhuǎn)彎時，覺得方向比較沉，發(fā)動機也比較費力氣。由于液壓泵的壓力很大，也比較容易損害助力系統(tǒng)。一般經(jīng)濟型轎車使用機械式液壓助力系統(tǒng)的較多。（2）電子液壓助力轉(zhuǎn)向（如圖1.2）圖1.2電子液壓助力轉(zhuǎn)向主要由儲油罐、助力轉(zhuǎn)向控制單元、電子泵、轉(zhuǎn)向機、助力轉(zhuǎn)向傳感器等構(gòu)成，電子式液壓助力采用的是由電力驅(qū)動的電子泵，其中助力轉(zhuǎn)向控制單元和電子泵是一個整體結(jié)構(gòu)。電子式液壓助力轉(zhuǎn)向由電子控制單元根據(jù)車輛的行駛速度、轉(zhuǎn)向角度等信號計算出的最理想狀態(tài)，讓轉(zhuǎn)彎與行駛更流暢。電子液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是目前采用較為普遍的助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。（3）電動助力轉(zhuǎn)向（EPS）（如圖1.3）圖1.3電動助力轉(zhuǎn)向一般是由轉(zhuǎn)向傳感器、電子控制單元、電動機、減速器、機械轉(zhuǎn)向器、以及電源構(gòu)成，各種結(jié)構(gòu)不盡相同。沒有了液壓助力系統(tǒng)的液壓泵、液壓管路、轉(zhuǎn)向柱閥體等結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單。在電子控制單元控制下，汽車能容易地實現(xiàn)可變助力功能，即在車速較低的時候助力能量大，方向盤輕，車速高時助力能量小，方向盤重。如果不轉(zhuǎn)向，則本套系統(tǒng)就不工作，處于休眠狀態(tài)等待調(diào)用。1.3.2電動汽車助力轉(zhuǎn)向原理EPS的基本原理是：轉(zhuǎn)矩傳感器與轉(zhuǎn)向軸（小齒輪軸）連接在一起，一旦電路板加速度發(fā)生變化，轉(zhuǎn)矩動量傳感器將會開始工作，將扭桿輸入發(fā)生過程中輸入入口和輸出出口搜索產(chǎn)生的相對旋轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)化為電信號發(fā)送給ECU，根據(jù)車輛速度傳感器和轉(zhuǎn)矩動量傳感器的信號來確定旋轉(zhuǎn)方向和功率電流的大小，從而完成對轉(zhuǎn)向時間的控制。因此，可以很容易地實現(xiàn)在不同轉(zhuǎn)速下賦予方向盤不同的轉(zhuǎn)向助力效果，保證汽車在輕低速和靈活變速時行駛平穩(wěn)可靠。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是在傳統(tǒng)機械控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。它利用發(fā)動機產(chǎn)生的電動助力，通過力作用在方向盤上幫助駕駛員進行控制操作。系統(tǒng)主要由三個主要部件組成，包括特征信號（包括轉(zhuǎn)矩動量傳感器、轉(zhuǎn)角傳感器和車速傳感器）、服務(wù)器程序機構(gòu)（發(fā)動機、離合器、減速剎車）和電子控制裝置。發(fā)動機只在需要通電時工作，當駕駛員工作于方向盤時，產(chǎn)生相當于駕駛?cè)水a(chǎn)生力大小的電壓再通過動量角傳感器和轉(zhuǎn)向指示燈，車輛的速度傳感器檢測車輛的速度信號，所述控制單元根據(jù)所述激勵信號和所述轉(zhuǎn)速信號給出控制發(fā)動機轉(zhuǎn)速的指令，從而產(chǎn)生所需的服務(wù)請求。1.3.3電動汽車助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制算法電動汽車助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)仿真是檢驗各種控制算法、研究控制理論很有效的實驗設(shè)備。目前應(yīng)用在電動汽車助力轉(zhuǎn)向上的算法主要有以下幾點：（1）經(jīng)典控制理論：典型的單輸入（力）雙輸出（角度和位移）的控制，設(shè)計PID控制器實現(xiàn)控制。經(jīng)典控制理論的局限性在于只適用于簡單的路況下的轉(zhuǎn)向控制助力，無法用于各種復(fù)雜情況下的助力轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)。（2）現(xiàn)代控制理論：通過對電動汽車助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)物理模型的分析，建立系統(tǒng)的動力學(xué)模型，然后使用狀態(tài)空間理論實現(xiàn)對電動汽車助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制。（3）模糊控制理論：采用模糊化、模糊推理、解模糊等運算的模糊控制方法，其主要任務(wù)是對模糊控制器的設(shè)計。（4）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制理論：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠充分逼近復(fù)雜的非線性關(guān)系，學(xué)習(xí)與適應(yīng)嚴重不確定系統(tǒng)的動態(tài)特性，所有定量與定性的信息都等勢分布儲存于網(wǎng)絡(luò)的神經(jīng)元，與其他控制方法結(jié)合實現(xiàn)對電動汽車助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的穩(wěn)定控制。（5）擬人智能控制理論：無需了解被控對象的數(shù)學(xué)模型，依靠我們的知識、直覺和經(jīng)驗，并借助計算機快速模擬控制經(jīng)驗，實現(xiàn)對電動汽車助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制。1.4電動汽車助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)研究發(fā)展及現(xiàn)狀EPS技術(shù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀從EPS控制策略的演變趨勢來看，控制信號將不再依賴于車輛的速度和轉(zhuǎn)矩速度信號，而是根據(jù)板的強度、控制率、橫向加速度、重力加速度等信號來匹配汽車的綜合控制特性，達到更好的控制感。這方面的研究已經(jīng)開始。從國內(nèi)外的研究來看，EPS今后的研究主要集中在以下幾個方面:EPS有助于控制策略。伺服輔助控制是一個基本的控制模塊，在控制過程中，通過減速機構(gòu)，使大功率發(fā)動機的轉(zhuǎn)向力矩作用在機械控制系統(tǒng)上，從而降低控制板的功率。功率大規(guī)模控制策略的主要目標是根據(jù)伺服控制的特性曲線確定伺服發(fā)動機的功率，幫助駕駛員實現(xiàn)汽車的方向盤驅(qū)動。控制策略是EPS研究的重點。系統(tǒng)匹配技術(shù)。動力輔助性能的匹配、發(fā)動機與剎車機構(gòu)的匹配、傳感器的匹配以及EPS系統(tǒng)與其他部分系統(tǒng)的匹配是優(yōu)化驅(qū)動的關(guān)鍵?？煽啃??？刂葡到y(tǒng)是運行的生命線之一，必須非?？煽俊PS加入到好的機械結(jié)構(gòu)中，還需要好的軟件支持，因此對EPS的可靠性提出了很高的要求。經(jīng)過近20年的發(fā)展，電動汽車轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)技術(shù)越來越成熟，使用范圍從最初的加速負載小到控制輔助的EPS微型車先進的大型車、商務(wù)人員用車、卡車。開發(fā)EPS系統(tǒng)支持，以及低速支持，旋轉(zhuǎn)注射器協(xié)助全速服務(wù)器發(fā)展。由于技術(shù)、生產(chǎn)和維護成本的原因，目前的汽車助力中的系統(tǒng)仍然是液壓運行的HPS（包括ECHPS、EHPS）為主?；谏a(chǎn)線的管理系統(tǒng)由于高昂的成本和現(xiàn)有的監(jiān)管限制，很難在不久的將來對車輛進行更新。EPS具有很多優(yōu)點，例如在新能源汽車停車時有所幫助，環(huán)境管理方面也會有所進步，EPS替代HPS是未來一段時間內(nèi)汽車導(dǎo)向系統(tǒng)發(fā)展的趨勢。MatlabSimulink仿真電動汽車助力轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)2.1matlabSimulink簡介全世界數(shù)以百萬計的工程師和科學(xué)家使用MATLAB分析和設(shè)計系統(tǒng)和產(chǎn)品，改變我們的世界?；诰仃嚨腗ATLAB語言是世界上表達計算數(shù)學(xué)最自然的方式。內(nèi)置圖形使可視化和從數(shù)據(jù)中獲得見解變得容易。桌面環(huán)境邀請實驗、探索和發(fā)現(xiàn)。這些MATLAB工具和功能都經(jīng)過嚴格的測試和設(shè)計，可以一起工作。MATLAB幫助您將您的想法超越桌面。您可以在更大的數(shù)據(jù)集上運行分析，并擴展到集群和云。MATLAB代碼可以與其他語言集成，使您能夠在web、企業(yè)和生產(chǎn)系統(tǒng)中部署算法和應(yīng)用程序。具體的功能示例：進行精確的數(shù)學(xué)計算（高數(shù)，概率，線代方程，尤其擅長矩陣），三維建模畫出立體圖形，與C++，Python等混合編程，用simulink3Danimation

做3D機械運動模型，較高級別的電路仿真，可以與精密儀器結(jié)合計算數(shù)據(jù)并繪制圖像，可以做音樂,哈哈甚至可以用來修圖等等多種功能。MATLAB有兩種基本的數(shù)據(jù)運算量：數(shù)組和矩陣，單從形式上，它們之間是不好區(qū)分的。每一個量可能被當作數(shù)組，也可能被當作矩陣，這要依所采用的運算法則或運算函數(shù)來定。在MATLAB中，數(shù)組與矩陣的運算法則和運算函數(shù)是有區(qū)別的。但不論是MATLAB的數(shù)組還是MATLAB的矩陣，都已經(jīng)改變了一般高級語言中使用數(shù)組的方式和解決矩陣問題的方法。在MATLAB中，矩陣運算是把矩陣視為一個整體來進行，基本上與線性代數(shù)的處理方法一致。矩陣的加減乘除、乘方開方、指數(shù)對數(shù)等運算，都有一套專門的運算符或運算函數(shù)。而對于數(shù)組，不論是算術(shù)的運算，還是關(guān)系或邏輯的運算，甚至于調(diào)用函數(shù)的運算，形式上可以當作整體，有一套有別于矩陣的、完整的運算符和運算函數(shù)，但實質(zhì)上卻是針對數(shù)組的每個元素施行的。MATLAB把矩陣獨立地當作一個運算量來對待后，向下可以兼容向量和標量。不僅如此，矩陣和數(shù)組中的元素可以用復(fù)數(shù)作基本單元，向下可以包含實數(shù)集。這些是MATLAB區(qū)別于其他高級語言的根本特點。以此為基礎(chǔ)，還可以概括出如下一些MATLAB的特色。MATLAB具有很強的開放性和適應(yīng)性，當用戶啟動MATLAB后，將看到MATLAB桌面，主要桌面工具包括：命令窗口、歷史命令窗口、當前路徑瀏覽器、工作空間瀏覽器等。圖2.1/2.2Simulink與matlab界面為何采用matlab：1.高效的數(shù)值計算功能。目前其他編程語言以及其他類似的數(shù)學(xué)軟件無可替代；2.完備的計算結(jié)果和編程可視化功能。這一點其他軟件，無可替代；3.接近數(shù)學(xué)表達式的自然化m語言。非常易于學(xué)習(xí)和掌握；Matlab軟件就是一個編程開發(fā)環(huán)境，自帶的m語言簡單易用，有編程開發(fā)經(jīng)驗的人應(yīng)該是非常容易掌握的，支持面向?qū)ο缶幊獭?.功能豐富的應(yīng)用工具箱與Help系統(tǒng)，目前Matlab的工具箱總數(shù)很多，覆蓋了數(shù)學(xué)，統(tǒng)計，仿真，電子，生物信息學(xué)，金融，測試等等各個方面。2.3電動汽車助力轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)設(shè)計電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS)

構(gòu)造與原理電動機械式助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS)

沒有了液壓助力系統(tǒng)的液壓泵、液壓管路、轉(zhuǎn)向管柱閥體等結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)非常簡單，,通過減速器以純機械方式將電機產(chǎn)生的助力傳遞到轉(zhuǎn)向系統(tǒng)上。EPS電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是機電體化的產(chǎn)品，它由轉(zhuǎn)向管柱、扭矩傳感器、伺服電機、控制模塊等組成。（1）電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)原理車輛啟動后系統(tǒng)開始工作，當車速小于一定速度(如80km/h)

，

這些信號輸送到控制模塊，控制模塊依據(jù)轉(zhuǎn)向盤的扭矩、轉(zhuǎn)動方向和車速等數(shù)據(jù)向伺服電機發(fā)出控制指令，使伺服電機輸出相應(yīng)大小及方向的扭矩以產(chǎn)生助動力，當不轉(zhuǎn)向時，電控單元不向伺服電機發(fā)送扭矩信號，伺服電機的電流趨向于零。因此，在直行駕駛而無需操作轉(zhuǎn)向盤時，將不會消耗任何發(fā)動機的動力，降低了燃油消耗。本系統(tǒng)提供的助力轉(zhuǎn)向與車速成反比，當車速在一定速度(如80km/h)

或以上時，伺服電機的電流也趨向于零，所以車速越高助力越小。因此,無論在高速、低速行駛操作過程中汽車具有更高的穩(wěn)定性，駕駛員自身保持均衡不變的轉(zhuǎn)向力度。（2）雙小齒輪雙小齒輪電控機械助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，由轉(zhuǎn)向小齒輪和傳動小齒輪將必需的轉(zhuǎn)向力傳遞給齒條。駕駛員施加的扭矩通過轉(zhuǎn)向小齒輪來傳遞,而傳動小齒輪則通過蝸桿傳動裝置傳遞電控機械助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)電機的支持扭矩。（3）轉(zhuǎn)向器轉(zhuǎn)向器由轉(zhuǎn)向扭矩傳感器、扭轉(zhuǎn)桿、轉(zhuǎn)向小齒輪、傳動小齒輪、蝸桿傳動裝置以及帶控制單元的電機構(gòu)成。（4）電機及控制單元用于轉(zhuǎn)向支持的電機帶有控制單元和傳感單元，它安裝在第二個小齒輪

上。這樣就建立了轉(zhuǎn)向盤和齒條之間的機械連接。因此，當伺服電機失靈時，車輛仍可以通過機械傳動進行轉(zhuǎn)向。（5）轉(zhuǎn)向角度傳感器轉(zhuǎn)向角度傳感器位于復(fù)位環(huán)后側(cè)，復(fù)位環(huán)上帶有一個安全

氣囊滑環(huán)。轉(zhuǎn)向角度傳感器通過CAN數(shù)據(jù)總線將信號傳遞到轉(zhuǎn)向管柱電子控制單元J527,此控制單元獲悉了轉(zhuǎn)向角度的大小。轉(zhuǎn)向管柱電子控制單元中的電子裝置分析這個信號。（6）轉(zhuǎn)向扭矩傳感器轉(zhuǎn)向扭矩傳感器將轉(zhuǎn)向盤扭矩直接傳遞給轉(zhuǎn)向小齒輪。傳感器根據(jù)磁阻原理進行工作。為了確保最高的安全性，它采用了雙重結(jié)構(gòu)(冗余結(jié)構(gòu))。轉(zhuǎn)向管柱連接在扭矩傳感器上，轉(zhuǎn)向器通過扭轉(zhuǎn)桿連接在扭矩傳感器上。連接轉(zhuǎn)向管柱的元件上有一個磁極轉(zhuǎn)子，在這個轉(zhuǎn)子中不同磁極的24個區(qū)域輪流交替。每次使用兩個磁極來進行扭矩分析。（7）回轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速傳感器轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速傳感器是電控機械助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)電機的組成部分。無法從外部接觸到轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速傳感器。駕駛員轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤時，轉(zhuǎn)向支持開始;由于轉(zhuǎn)向盤上扭矩的作用，轉(zhuǎn)向器中的扭矩桿轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)向扭矩傳感器J269

探測扭矩桿的轉(zhuǎn)動，并將探測到的轉(zhuǎn)向扭矩傳遞給控制單元;轉(zhuǎn)向角度傳感器通知當前轉(zhuǎn)向角度，而轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速傳感器通知當前轉(zhuǎn)向速度;控制單元根據(jù)轉(zhuǎn)向扭矩、車速、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向角度、轉(zhuǎn)向速度和控制單元中的特性曲線計算出必需的支持扭矩，并啟動電機;由第二個平行作用于齒條的小齒輪來進行轉(zhuǎn)向支持，小齒輪的傳動由電機來進行，電機通過一個蝸桿傳動裝置和一個傳動小齒輪將轉(zhuǎn)向支持力傳遞到齒條上;轉(zhuǎn)向盤上的扭矩和支持扭矩的總和就是轉(zhuǎn)向器上的有效扭矩，由該扭矩來傳動齒條。當變道時：換車道時，駕駛員輕打轉(zhuǎn)向盤;扭轉(zhuǎn)桿因此轉(zhuǎn)動，

轉(zhuǎn)向扭矩傳感器獲悉扭轉(zhuǎn)桿轉(zhuǎn)動并通知控制單元，轉(zhuǎn)向盤上有一個小的扭矩;3轉(zhuǎn)向角度傳感器通知小轉(zhuǎn)向角度,而轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速傳感器通知當前轉(zhuǎn)向速度;根據(jù)一個小的轉(zhuǎn)向扭矩、100km/h

的車速、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、小的轉(zhuǎn)向角度、轉(zhuǎn)向速度及控制單元中的特性曲線(100km/h

車速的特性曲線)，

控制單元獲悉必須有一個小的支持扭矩或無需支持扭矩，繼而啟動電機;高速公路行駛時，由第二個平行作用于齒條的小齒輪來進行一個小的轉(zhuǎn)向支持，或者不進行轉(zhuǎn)向支持;轉(zhuǎn)向盤上扭矩加上最小支持扭矩就是換車道時的有效扭矩，由該扭矩來傳動齒條。電動汽車助力轉(zhuǎn)向數(shù)學(xué)建模3.1MATLABsimulink電動汽車助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)系統(tǒng)構(gòu)成（如圖3.1）圖3.1系統(tǒng)構(gòu)成電動汽車助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖各模塊簡介:(1)ChirpSignal:線性調(diào)頻信號模型(2)UniformRandomNumber統(tǒng)一隨機數(shù)模型(3)RandomNumber隨機數(shù)模型(4)Band-LimitedWhiteNoise帶限白噪聲模型(5)PulseGenerator脈沖發(fā)生器模型(6)steeringwheelangularvelocity角速度模擬器模型(7)simulink-psconverter將無單位的Simulink輸入信號轉(zhuǎn)換為物理信號(8)idealangularvelocitysource該塊表示一個理想的角速度源，在其終端產(chǎn)生與物理輸入信號成比例的速度差。(9)idealtorquesensor該塊表示理想扭矩傳感器，即將通過傳感器的變量轉(zhuǎn)換成與扭矩成比例的控制信號，并具有指定的比例系數(shù)的裝置。(10)mechanicalrotationalreference機械旋轉(zhuǎn)參考點(11)solverconfiguration定義用于模擬的求解器設(shè)置。(12)ps-simulinkconverter將輸入的物理信號轉(zhuǎn)換為無單位的Simulink輸出信號。(13)rotationalspring一個理想的機械旋轉(zhuǎn)線性彈簧。(14)IdealRotationalMotionSensor理想的機械旋轉(zhuǎn)運動傳感器(15)Psterminator終止物理信號輸出。(16)Gain元素增益(y=K*u)(17)DataTypeConversion將輸入轉(zhuǎn)換為輸出的數(shù)據(jù)類型和縮放(18)Buscreator這個塊從它的輸入創(chuàng)建一個總線信號。(19)PMSMDrive電機驅(qū)動(20)PermanentMagnetSynchronousMotor正弦磁鏈分布的永磁同步電動機。(21)Resistor線性電阻(22)ElectricalReference電接地(23)Inertia一個理想的機械轉(zhuǎn)動慣量。(24)RotationalDamper一種理想的機械旋轉(zhuǎn)粘滯阻尼器。3.2電動汽車助力轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)再Simulink中的配置：圖3.2波形發(fā)生器如（圖3.2）所示為各種波形發(fā)生器，他們通過波形模擬人手部在不同狀況不同路況下的輸入量，對電動助力轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)進行模擬測試。圖3.3第一部分輸入的信號通過S-PS轉(zhuǎn)換器將無單位的Simulink輸入信號轉(zhuǎn)換為物理信號。物理信號輸入理想的角速度源，在其終端產(chǎn)生與物理輸入信號成比例的速度差。連接R和C是機械旋轉(zhuǎn)守恒端口。端口S是一個物理信號端口，通過它驅(qū)動源的控制信號被應(yīng)用。確定相對速度為W=W_R-W_C，其中W_R和W_C分別為終端R和C的絕對角速度。C口由一個機械旋轉(zhuǎn)參考點和一個解算器配置組成，解算器配置定義為用于模擬的求解器設(shè)置。對解算器的設(shè)置如下：Consistencytolerance:1e-9;Sampletime:4e-5;Nonlineariterations:3;Delaymemorybudget[kB]:1024;Filteringtimeconstant:0.001;R口連接一個理想扭矩傳感器，理想扭矩傳感器通過傳感器的變量轉(zhuǎn)換成與扭矩成比例的控制信號，并具有指定的比例系數(shù)的裝置。連接R和C是機械旋轉(zhuǎn)保護端口，連接傳感器到被監(jiān)測扭矩的線路。連接T是一個輸出測量結(jié)果的物理信號端口。傳感器正方向為從端口R到端口C。在此處，從T口輸出的物理信號將由PS-S轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為駕駛者的輸入simulink信號顯示。圖3.4第二部分轉(zhuǎn)動彈簧是一個理想的機械旋轉(zhuǎn)線性彈簧。連接R和C是機械旋轉(zhuǎn)守恒端口。塊的正方向是從R端口到C端口。其設(shè)置為：ParametersSpringrate:sensors.SteeringColumnSpringRateN*m/rad理想旋轉(zhuǎn)運動傳感器是將兩個機械旋轉(zhuǎn)節(jié)點之間測量的跨變量轉(zhuǎn)換為與角速度或角度成比例的控制信號的裝置。連接R和C是機械旋轉(zhuǎn)守恒端口，連接W和A分別是速度和角位移的物理信號輸出端口。W口連接PS終端，使用此塊終止物理信號輸出，未連接的物理信號輸出端口不會產(chǎn)生警告，但是連接到PS終結(jié)者可以用來指示信號不是無意中留下的未連接。A口與PS-S轉(zhuǎn)換器連接后輸出至一個增益中，此增益為元素增益(y=K*u)或矩陣增益(y=K*u或y=u*K)。Gain為sensors.SteeringColumnSpringRate/1Multiplication為Element-wise(K.*u)圖3.5第三部分理想旋轉(zhuǎn)運動傳感器是將兩個機械旋轉(zhuǎn)節(jié)點之間測量的跨變量轉(zhuǎn)換為與角速度或角度成比例的控制信號的裝置。連接R和C是機械旋轉(zhuǎn)守恒端口，連接W和A分別是速度和角位移的物理信號輸出端口。C口連接一個機械旋轉(zhuǎn)參考點。W與A口輸出后通過PS-S轉(zhuǎn)換器輸出給數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換器，這個轉(zhuǎn)換器將輸入轉(zhuǎn)換為輸出的數(shù)據(jù)類型和縮放。轉(zhuǎn)換有兩個可能的目標。一個目標是讓輸入和輸出的真實世界值相等。另一個目標是使輸入和輸出的存儲整數(shù)值相等。溢出和量化錯誤會阻礙目標的完全實現(xiàn)。其Outputdatatype為single;Inputandoutputtohaveequal:RealWorldValue(RWV);Integerroundingmode:Floor;通過Buscreator與Kp整合輸入PMSMDrive后，輸出三相電流與三相電壓顯示，另一輸出給永磁同步電機。圖3.6第四部分PermanentMagnetSyncheonousMotor是一個正弦磁鏈分布的永磁同步電動機。Numberofpolepairs:4；Permanentmagnetfluxlinkage:pmsm.FluxLinkageWb;Statorparameterization:SpecifyLd,Lq,andL0;Statord-axisinductance,Ld:0.0006H;Statorq-axisinductance,Lq:0.0006H;Statorzero-sequenceinductance,L0:0.00016H;Statorresistanceperphase,Rs:0.4ohm;Initialcurrents,[i_di_qi_0]:[0,0,0]A;Rotorangledefinition:Anglebetweenthea-phasemagneticaxisandthed-axis;Initialrotorangle:0deg;N口與線性電阻相連：線性電阻的電壓-電流(V-I)關(guān)系為V=I*R，其中R為恒定電阻，單位為歐姆。另一端與底相連。C口與一個機械旋轉(zhuǎn)參考點，即一個坐標系或一個地面。用于連接固定在機架上的機械旋轉(zhuǎn)端口(接地)。R與理想扭矩傳感器，即將通過傳感器的變量轉(zhuǎn)換成與扭矩成比例的控制信號，并具有指定的比例系數(shù)的裝置。連接R和C是機械旋轉(zhuǎn)保護端口，連接傳感器到被監(jiān)測扭矩的線路。連接T是一個輸出測量結(jié)果的物理信號端口。傳感器正方向為從端口R到端口C。電動汽車助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)性能驗證4.1電動汽車助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)仿真模擬性能分析性能指標要求：（1）響應(yīng)速度快，響應(yīng)速度小于0.01sec；（2）助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)需要準確識別駕駛員輸入力的大小；（3）助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)需要模擬出一個完全大小一致的力；（4）助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)需要在各種工況下完成對駕駛員力的模擬；（5）助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的響應(yīng)精度應(yīng)小于0.01sec；（6）三相交流電壓不可以超過汽車使用的12v電池電壓。4.2電動汽車助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)仿真模擬性能測試4.2.1.輸入端為正弦波O(t)=Amp*Sin(Freq*t+Phase)+BiasAmp=0.5Bias=0Freq=1Phase=0此輸入正弦波旨在模擬駕駛員在一個直角路口平滑轉(zhuǎn)向輸入量為正弦波的反饋分析機械轉(zhuǎn)矩仿真圖三相電壓與三相電流仿真圖通過放大可以發(fā)現(xiàn)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)響應(yīng)時間約為0.005sec，保證了系統(tǒng)的響應(yīng)時間與響應(yīng)精度。通過機械轉(zhuǎn)矩仿真圖可以看出藍色圖像與紅色圖像基本重合，滿足準確識別與出力完全一致兩項要求。通過三相電壓與三相電流仿真圖可以得出，電機輸入電壓不足12v滿足在汽車環(huán)境使用的要求。在實際情景—駕駛員路口內(nèi)勻速直角轉(zhuǎn)向這一情形下，電動汽車助力轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)模擬效率優(yōu)異。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模擬反饋分析結(jié)果；電機出力與電機電壓都符合性能分析的指標要求。4.2.2.輸入端為脈沖if(t>=PhaseDelay)&&PulseisonY(t)=AmplitudeelseY(t)=0EndAmplitude=1；Period=1;PulseWidth=5;Phasedelay=0;此輸入脈沖旨在模擬駕駛員通過減速帶。輸入量為脈沖的反饋分析機械轉(zhuǎn)矩仿真圖三相電壓與三相電流仿真圖通過放大可以發(fā)現(xiàn)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)響應(yīng)時間約為0.005sec，保證了系統(tǒng)的響應(yīng)時間與響應(yīng)精度。1）通過機械轉(zhuǎn)矩仿真圖可以看出藍色圖像與紅色圖像基本重合，滿足準確識別與出力完全一致兩項要求。2）通過三相電壓與三相電流仿真圖可以得出，電機輸入電壓不足12v滿足在汽車環(huán)境使用的要求。3）在實際情景—駕駛員通過減速帶這一情形下，電動汽車助力轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)模擬效率優(yōu)異。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模擬反饋分析結(jié)果；電機出力與電機電壓都符合性能分析的指標要求。4.2.3.輸入端為限帶白噪音帶限白噪聲塊產(chǎn)生適合在連續(xù)或混合系統(tǒng)中使用的正態(tài)分布隨機數(shù)。NoisePower:[0.05];Sampletime:0.1;Seed:[23341];此輸入限帶白噪音旨在模擬駕駛員通過不規(guī)則非鋪裝里面（即土路，石子路等）。輸入量為限帶白噪音的反饋分析機械轉(zhuǎn)矩仿真圖三相電壓與三相電流仿真圖通過放大可以發(fā)現(xiàn)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)響應(yīng)時間約為0.005sec，保證了系統(tǒng)的響應(yīng)時間與響應(yīng)精度。1）通過機械轉(zhuǎn)矩仿真圖可以看出藍色圖像與紅色圖像基本重合，滿足準確識別與出力完全一致兩項要求。2）通過三相電壓與三相電流仿真圖可以得出，電機輸入電壓不足12v滿足在汽車環(huán)境使用的要求。3）在實際情景—駕駛員通過非鋪裝路面這一情形下，電動汽車助力轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)模擬效率優(yōu)異。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模擬反饋分析結(jié)果；電機出力與電機電壓都符合性能分析的指標要求。4.2.4.輸入端為隨機數(shù)輸出一個正態(tài)(高斯)分布的隨機信號。Mean:0;Variance:0.5;Seed:0;Sampletime:0.1.此輸入隨機數(shù)旨在模擬駕駛員通過情況一般的瀝青路面。輸入量為隨機數(shù)的反饋分析機械轉(zhuǎn)矩仿真圖三相電壓與三相電流仿真圖通過放大可以發(fā)現(xiàn)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)響應(yīng)時間約為0.005sec，保證了系統(tǒng)的響應(yīng)時間與響應(yīng)精度。1）通過機械轉(zhuǎn)矩仿真圖可以看出藍色圖像與紅色圖像基本重合，滿足準確識別與出力完全一致兩項要求。2）通過三相電壓與三相電流仿真圖可以得出，電機輸入電壓不足12v滿足在汽車環(huán)境使用的要求。3）在實際情景—駕駛員通過非鋪裝路面這一情形下，電動汽車助力轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)模擬效率優(yōu)異。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模擬反饋分析結(jié)果；電機出力與電機電壓都符合性能分析的指標要求。4.2.5.輸入端為均勻隨機數(shù)輸出均勻分布的隨機信號。Minimum:-1.5;Maximum:1.5;Seed:0;Sampletime:0.1.此輸入隨機數(shù)旨在模擬駕駛員轉(zhuǎn)向通過情況一般的瀝青路面（即彎中通過一般狀況的瀝青路面）。輸入量為均勻隨機數(shù)的反饋分析機械轉(zhuǎn)矩仿真圖三相電壓與三相電流仿真圖通過放大可以發(fā)現(xiàn)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)響應(yīng)時間約為0.005sec，保證了系統(tǒng)的響應(yīng)時間與響應(yīng)精度。1）通過機械轉(zhuǎn)矩仿真圖可以看出藍色圖像與紅色圖像基本重合，滿足準確識別與出力完全一致兩項要求。2）通過三相電壓與三相電流仿真圖可以得出，電機輸入電壓不足12v滿足在汽車環(huán)境使用的要求。3）在實際情景—駕駛員通過非鋪裝路面這一情形下，電動汽車助力轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)模擬效率優(yōu)異。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模擬反饋分析結(jié)果；電機出力與電機電壓都符合性能分析的指標要求。4.2.6.輸入端為線性調(diào)頻信號輸出線性啁啾信號(頻率隨時間線性變化的正弦波)。Initialfrequency(Hz):0.5;Targettime(secs):10;Frequencyattargettime(Hz):2;此輸入隨機數(shù)旨在模擬駕駛員在行駛時出現(xiàn)鐘擺，ESP介入后駕駛員依靠電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)逐漸修正行車方向的過程。輸入量為線性調(diào)頻信號的反饋分析機械轉(zhuǎn)矩仿真圖三相電壓與三相電流仿真圖通過放大可以發(fā)現(xiàn)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)響應(yīng)時間約為0.005sec，保證了系統(tǒng)的響應(yīng)時間與響應(yīng)精度。1）通過機械轉(zhuǎn)矩仿真圖可以看出藍色圖像與紅色圖像基本重合，滿足準確識別與出力完全一致兩項要求。2）通過三相電壓與三相電流仿真圖可以得出，電機輸入電壓不足12v滿足在汽車環(huán)境使用的要求。3）在實際情景—駕駛員通過非鋪裝路面這一情形下，電動汽車助力轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)模擬效率優(yōu)異。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模擬反饋分析結(jié)果；電機出力與電機電壓都符合性能分析的指標要求。結(jié)論5.1電動汽車助力轉(zhuǎn)向控制方法研究總結(jié)MATLABSimulink虛擬現(xiàn)實給科學(xué)研究創(chuàng)造了一個先進的工作平臺，電動汽車助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制在這款軟件上得到了很直觀的研究。虛擬現(xiàn)實電動汽車助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)仿真是建立在電機驅(qū)動模型的基礎(chǔ)上，其原理是將原來駕駛員輸入的力通過信號模擬器進行模擬，再輸入電機后進行模擬。電機的輸出量通過虛擬仿真顯示后得到直觀的顯示。5.2本文創(chuàng)新點與拓展（1）本電動汽車助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模擬建模入手，通過對單輸入量轉(zhuǎn)換后進行單輸出，并考慮了不同路況下的測試，測試駕駛員是否可以很好的受到輔助；（2）電動汽車助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)運用了最經(jīng)典單輸入單輸出，它的特點是對象模型不需要很清楚，就能對其做到準確控制。因為控制量之間是直連的關(guān)系，所以它的參數(shù)整定可以在兩個單獨的回路中獨立完成，不需要反復(fù)來回調(diào)試，對汽車轉(zhuǎn)向這一需要安全與可靠的系統(tǒng)有很高的幫助。（3）電動汽車助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制方法的經(jīng)典之處在于其單輸入單輸出特性，此類控制系統(tǒng)在生活與生產(chǎn)