電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的建模與仿真技術(shù)

電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的建模與仿真技術(shù)1.電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)概述電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（ElectricPowerSteering，縮寫EPS）是一種直接依靠電機(jī)提供輔助扭矩的動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比，EPS具有許多優(yōu)點(diǎn)，如節(jié)能、環(huán)保、可隨車速進(jìn)行調(diào)整、維修方便以及可與不同車型匹配等。EPS系統(tǒng)主要由電機(jī)、減速器和傳感器等組成。其工作原理是，通過傳感器傳輸電信號到電子控制單元（ECU），ECU根據(jù)電信號在不同車速下輸送不同助力效果，從而實(shí)現(xiàn)對車輛的轉(zhuǎn)向輔助。EPS系統(tǒng)在汽車工程領(lǐng)域中有廣泛的應(yīng)用，通過仿真技術(shù)可以優(yōu)化系統(tǒng)性能，提高車輛的操控性能和安全性能。2.電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理扭矩傳感器：安裝在轉(zhuǎn)向軸上，用于檢測駕駛員施加在方向盤上的扭矩大小和方向。車速傳感器：從儀表板上的車速表獲取車速信號，用于修正助力大小，以改善駕駛員在高速轉(zhuǎn)向時(shí)的路感。減速機(jī)構(gòu)：用于降低電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，增加扭矩，以適應(yīng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的需求。電子控制單元（ECU）：接收傳感器信號，計(jì)算所需的助力力矩，并控制電動機(jī)的工作。EPS的工作原理如下：當(dāng)駕駛員轉(zhuǎn)動方向盤時(shí)，扭矩傳感器檢測到方向盤上的扭矩，并將信號傳遞給ECU。同時(shí)，車速傳感器將車速信號傳遞給ECU。ECU根據(jù)這些信號以及預(yù)設(shè)的特性曲線圖計(jì)算出所需的助力力矩，并控制電動機(jī)工作。電動機(jī)通過減速機(jī)構(gòu)增加扭矩，驅(qū)動轉(zhuǎn)向齒條或齒輪，從而提供輔助扭矩，使駕駛員在轉(zhuǎn)向時(shí)感到更輕便。隨著車速的增加，ECU會減小助力力矩，以保持高速轉(zhuǎn)向時(shí)的路感。EPS還具有主動回正功能，當(dāng)駕駛員在轉(zhuǎn)彎過程中減小方向盤上的力矩時(shí)，系統(tǒng)會提供回正力矩，使車輛回到直線行駛狀態(tài)。3.電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的建模與仿真技術(shù)電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）的建模與仿真技術(shù)是理解EPS性能、優(yōu)化設(shè)計(jì)和進(jìn)行故障預(yù)測的重要手段。建模的過程通常涉及系統(tǒng)動力學(xué)模型的構(gòu)建、控制策略的設(shè)計(jì)以及車輛與EPS交互的模擬。仿真技術(shù)則通過軟件模擬實(shí)際運(yùn)行環(huán)境，以驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的可行性和性能表現(xiàn)。建模過程中，首先要建立EPS的動力學(xué)模型，這包括轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、電動機(jī)、減速器和傳感器等關(guān)鍵部件的動態(tài)特性。這些特性需要基于物理原理、工程經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來精確描述。同時(shí)，還需考慮EPS與車輛其他系統(tǒng)的交互，如車輛動力學(xué)模型、輪胎模型等，以確保整個(gè)系統(tǒng)的協(xié)同工作。在控制策略設(shè)計(jì)方面，建模過程需要涵蓋EPS的控制邏輯，包括助力控制、回正控制、阻尼控制等。這些控制策略旨在提供駕駛員所需的轉(zhuǎn)向力矩，同時(shí)確保轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。通過仿真技術(shù)，可以評估不同控制策略在不同駕駛條件下的性能表現(xiàn)，從而進(jìn)行優(yōu)化。仿真技術(shù)在EPS建模中發(fā)揮著重要作用。通過仿真軟件，可以模擬實(shí)際道路環(huán)境、駕駛員行為和車輛運(yùn)行狀態(tài)，以驗(yàn)證EPS系統(tǒng)的性能。仿真結(jié)果可以用于預(yù)測EPS在實(shí)際運(yùn)行中的表現(xiàn)，包括助力特性、穩(wěn)定性、能耗等。仿真還可以用于故障預(yù)測和診斷，幫助設(shè)計(jì)者及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在問題并進(jìn)行改進(jìn)。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的建模與仿真技術(shù)對于理解EPS性能、優(yōu)化設(shè)計(jì)和進(jìn)行故障預(yù)測具有重要意義。隨著仿真技術(shù)的不斷發(fā)展，EPS的建模與仿真將更加精確和高效，為EPS的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供有力支持。4.仿真模型的建立與驗(yàn)證在電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究過程中，仿真模型的建立與驗(yàn)證是至關(guān)重要的一步。仿真模型不僅能夠模擬實(shí)際系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，還能夠提供更為便捷的分析和優(yōu)化手段。本文著重探討了電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的建模與仿真技術(shù)，以期提高系統(tǒng)的性能和設(shè)計(jì)效率。建立電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的仿真模型，首先需要對系統(tǒng)進(jìn)行深入的分析和理解。這包括對系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、工作原理以及控制策略等方面的認(rèn)識。在此基礎(chǔ)上，我們可以利用相關(guān)的仿真軟件，如MATLABSimulink等，建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。該模型應(yīng)能夠準(zhǔn)確反映系統(tǒng)的動態(tài)特性，包括轉(zhuǎn)向力矩的傳遞、電機(jī)的響應(yīng)以及控制算法的執(zhí)行等。在建立模型的過程中，我們還需要考慮一些關(guān)鍵因素，如系統(tǒng)的非線性特性、參數(shù)的不確定性以及外部干擾等。這些因素會對系統(tǒng)的性能產(chǎn)生重要影響，因此在建模過程中必須予以充分考慮。建立好仿真模型后，我們需要對其進(jìn)行驗(yàn)證，以確保其能夠準(zhǔn)確反映實(shí)際系統(tǒng)的運(yùn)行情況。驗(yàn)證過程通常包括兩個(gè)方面：一是模型的正確性驗(yàn)證，即檢查模型是否正確地描述了系統(tǒng)的動態(tài)特性二是模型的精度驗(yàn)證，即比較模型的仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果，以評估模型的精度和可靠性。在進(jìn)行模型驗(yàn)證時(shí)，我們可以利用一些常用的方法和技術(shù)，如參數(shù)辨識、靈敏度分析等。這些方法可以幫助我們更好地理解和評估模型的性能，從而為后續(xù)的優(yōu)化和設(shè)計(jì)提供有力的支持。仿真模型的建立與驗(yàn)證是電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)研究中的重要環(huán)節(jié)。通過建立準(zhǔn)確的仿真模型，我們可以更好地理解和分析系統(tǒng)的運(yùn)行特性，為系統(tǒng)的優(yōu)化和設(shè)計(jì)提供有效的手段。同時(shí)，模型的驗(yàn)證也是確保仿真結(jié)果可靠性的關(guān)鍵步驟，必須予以足夠的重視。5.控制策略的優(yōu)化與評估系統(tǒng)分析：對電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行全面分析，確定系統(tǒng)的主要功能和組成部分。這包括轉(zhuǎn)向力矩傳遞、轉(zhuǎn)向機(jī)械特性和電機(jī)特性等。數(shù)學(xué)模型建立：根據(jù)電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作原理，建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。這包括使用數(shù)學(xué)分析方法建立系統(tǒng)各組成部分的數(shù)學(xué)模型，如駕駛員模型、電機(jī)模型、傳感器模型等。系統(tǒng)仿真：利用仿真軟件（如MATLABSimulink）搭建電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的仿真平臺。通過仿真，可以模擬系統(tǒng)在不同工況下的性能，并驗(yàn)證所設(shè)計(jì)控制策略的有效性。仿真結(jié)果分析：對仿真結(jié)果進(jìn)行深入分析，評估電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的性能和控制策略。這包括對系統(tǒng)響應(yīng)速度、穩(wěn)定性、助力特性等方面的評估。根據(jù)分析結(jié)果，可以提出優(yōu)化建議，進(jìn)一步改進(jìn)控制策略。優(yōu)化控制策略：根據(jù)仿真結(jié)果分析，對控制策略進(jìn)行優(yōu)化。這可能涉及調(diào)整控制參數(shù)、改進(jìn)控制算法或引入新的控制方法。優(yōu)化后的控制策略需要再次進(jìn)行仿真驗(yàn)證，以確保其性能的提升。實(shí)車試驗(yàn)：在完成仿真驗(yàn)證后，優(yōu)化后的控制策略需要在實(shí)際車輛上進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。通過實(shí)車試驗(yàn)，可以評估控制策略在真實(shí)駕駛環(huán)境中的性能，并進(jìn)一步優(yōu)化和完善。通過以上步驟，可以實(shí)現(xiàn)對電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制策略的優(yōu)化與評估，從而提高系統(tǒng)的駕駛舒適性和安全性。6.電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的性能分析電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在不同車速下應(yīng)具有不同的助力特性。在高速行駛時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)提供較小的助力，以確保駕駛員能夠獲得良好的轉(zhuǎn)向路感和控制精度。而在低速行駛時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)提供較大的助力，以減輕駕駛員的轉(zhuǎn)向負(fù)擔(dān)，提高駕駛舒適性。性能分析應(yīng)包括對系統(tǒng)在不同車速下的助力特性進(jìn)行評估和優(yōu)化。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)是指系統(tǒng)對駕駛員轉(zhuǎn)向操作的響應(yīng)速度和準(zhǔn)確性。良好的動態(tài)響應(yīng)能夠提高駕駛安全性和操控性能。性能分析應(yīng)包括對系統(tǒng)在各種轉(zhuǎn)向操作下的響應(yīng)時(shí)間、超調(diào)量、穩(wěn)態(tài)誤差等指標(biāo)進(jìn)行評估，并分析影響動態(tài)響應(yīng)的因素，如控制策略、電機(jī)特性等。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中會受到各種干擾，如路面不平度、側(cè)風(fēng)等。性能分析應(yīng)包括對系統(tǒng)在存在干擾情況下的穩(wěn)定性和魯棒性進(jìn)行評估。通過分析系統(tǒng)對不同類型和強(qiáng)度干擾的響應(yīng)，可以優(yōu)化控制策略和參數(shù)設(shè)置，提高系統(tǒng)的抗干擾能力。能控性和能觀性是評估系統(tǒng)可控性和可觀測性的重要指標(biāo)。在電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，能控性是指系統(tǒng)能夠通過控制輸入實(shí)現(xiàn)期望的輸出狀態(tài)，而能觀性是指系統(tǒng)能夠通過測量輸出狀態(tài)來估計(jì)系統(tǒng)的內(nèi)部狀態(tài)。性能分析應(yīng)包括對系統(tǒng)能控性和能觀性的驗(yàn)證，以確保系統(tǒng)在各種工況下都能夠穩(wěn)定可靠地運(yùn)行。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的性能分析涉及多個(gè)方面，包括助力特性、動態(tài)響應(yīng)、抗干擾能力和能控性能觀性等。通過深入分析和優(yōu)化這些性能指標(biāo)，可以提高電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的性能和可靠性，從而提升駕駛體驗(yàn)和安全性。7.電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的硬件在環(huán)仿真設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)需要建立一個(gè)電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。該模型應(yīng)包括電機(jī)模型、減速器模型、傳感器模型等。這些模型可以通過MATLABSimulink等仿真軟件進(jìn)行建立。硬件在環(huán)仿真平臺包括仿真計(jì)算機(jī)、接口硬件和實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。仿真計(jì)算機(jī)用于運(yùn)行仿真模型接口硬件用于將仿真模型與實(shí)際硬件連接起來實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)用于提供實(shí)時(shí)控制和數(shù)據(jù)處理。在硬件在環(huán)仿真中，需要設(shè)計(jì)一個(gè)控制器來控制電機(jī)。該控制器應(yīng)基于控制理論進(jìn)行設(shè)計(jì)，并可通過仿真軟件進(jìn)行模擬和優(yōu)化。最終，將優(yōu)化后的控制器應(yīng)用于硬件在環(huán)仿真平臺進(jìn)行測試和驗(yàn)證。通過硬件在環(huán)仿真平臺，可以采集到電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的各種數(shù)據(jù)，例如電流、電壓、轉(zhuǎn)角等。通過對這些數(shù)據(jù)的分析，可以評估系統(tǒng)的性能和可靠性，并發(fā)現(xiàn)和解決潛在的問題。通過以上步驟，可以實(shí)現(xiàn)電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的硬件在環(huán)仿真，從而在產(chǎn)品開發(fā)初期發(fā)現(xiàn)和解決潛在的問題，提高系統(tǒng)的性能和可靠性，減少開發(fā)時(shí)間和成本。8.電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的應(yīng)用前景與意義EPS利用電機(jī)提供輔助轉(zhuǎn)矩，只在需要轉(zhuǎn)向時(shí)啟動電機(jī)，從而降低發(fā)動機(jī)燃油消耗量。EPS可以根據(jù)不同的駕駛條件提供最佳的助力，提高車輛的轉(zhuǎn)向特性，增強(qiáng)駕駛操控性。隨著電動汽車和混合動力汽車的普及，EPS系統(tǒng)的發(fā)展將迎來更大的機(jī)遇。由于EPS系統(tǒng)沒有液壓回路，更適合電動汽車和混合動力汽車的動力系統(tǒng)，有助于提高這些車輛的能源利用效率。EPS系統(tǒng)可以通過傳感器和控制器的配合，實(shí)時(shí)監(jiān)測車輛的行駛狀態(tài)，并及時(shí)調(diào)整轉(zhuǎn)向力矩，提高車輛的主動安全性。例如，主動前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和對開路面抗制動跑偏功能，都可以通過EPS系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，從而減少交通事故的發(fā)生。EPS系統(tǒng)沒有液壓回路，調(diào)整和測試組裝容易，自動化程度高。同時(shí)，EPS系統(tǒng)還可以設(shè)定不同的程序，快速匹配不同的車型和駕駛模式，縮短生產(chǎn)周期和發(fā)展時(shí)間。由于EPS系統(tǒng)沒有液壓回路，不會產(chǎn)生滲油問題，減少了對環(huán)境的污染。EPS系統(tǒng)的使用也有助于降低汽車尾氣排放，對環(huán)境保護(hù)具有積極意義。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的應(yīng)用前景廣闊，不僅可以提高汽車的燃油效率和駕駛操控性，還可以增強(qiáng)車輛的安全性，提高生產(chǎn)效率和自動化程度，減少環(huán)境污染。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和新能源汽車的發(fā)展，EPS系統(tǒng)將成為汽車工業(yè)的主流技術(shù)之一。參考資料：隨著科技的發(fā)展，電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS)已成為現(xiàn)代汽車中的重要組成部分。這一系統(tǒng)使用電動機(jī)直接助力，提高了操控穩(wěn)定性和駕駛舒適性。對EPS進(jìn)行建模與仿真研究，有助于我們深入理解其工作原理，優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高性能。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要依靠電動機(jī)、減速機(jī)構(gòu)以及傳感器等部件工作。駕駛員在操縱方向盤時(shí)，傳感器感知力矩和轉(zhuǎn)向角度，將這些信息傳送到控制單元，控制單元根據(jù)這些信息計(jì)算出所需的助力大小，進(jìn)而驅(qū)動電動機(jī)產(chǎn)生相應(yīng)的助力。EPS的建模主要分為兩個(gè)部分：一是駕駛員模型，二是EPS系統(tǒng)模型。駕駛員模型主要模擬駕駛員的轉(zhuǎn)向行為，而EPS系統(tǒng)模型則模擬電動機(jī)、減速機(jī)構(gòu)以及傳感器等部件的工作。通過這兩個(gè)模型的耦合，可以全面地模擬EPS的工作過程。在建立了EPS模型之后，我們可以通過仿真研究來分析EPS的性能。例如，我們可以改變不同的參數(shù)，如轉(zhuǎn)向力矩、轉(zhuǎn)向角度、助力大小等，來觀察EPS的反應(yīng)，從而找出最優(yōu)的設(shè)計(jì)參數(shù)。通過建模與仿真研究，我們可以深入理解電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作原理，優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高性能。這不僅有助于提高汽車的性能，也有助于推動汽車工業(yè)的發(fā)展。未來的研究可以進(jìn)一步探索EPS的智能化控制策略，實(shí)現(xiàn)更優(yōu)的駕駛體驗(yàn)。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（ElectricPowerSteering，縮寫EPS）是一種直接依靠電機(jī)提供輔助扭矩的動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)HPS（HydraulicPowerSteering）相比，EPS系統(tǒng)具有很多優(yōu)點(diǎn)。EPS主要由扭矩傳感器、車速傳感器、電動機(jī)、減速機(jī)構(gòu)和電子控制單元（ECU）等組成。在汽車的發(fā)展歷程中，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)經(jīng)歷了四個(gè)發(fā)展階段：從最初的機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（ManualSteering，簡稱MS）發(fā)展為液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（HydraulicPowerSteering，簡稱HPS），然后又出現(xiàn)了電控液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（ElectroHydraulicPowerSteering，簡稱EHPS）和電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（ElectricPowerSteering，簡稱EPS）。裝配機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的汽車，在泊車和低速行駛時(shí)駕駛員的轉(zhuǎn)向操縱負(fù)擔(dān)過于沉重，為了解決這個(gè)問題，美國GM公司在20世紀(jì)50年代率先在轎車上采用了液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)無法兼顧車輛低速時(shí)的轉(zhuǎn)向輕便性和高速時(shí)的轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性，因此在1983年日本Koyo公司推出了具備車速感應(yīng)功能的電控液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。這種新型的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可以隨著車速的升高提供逐漸減小的轉(zhuǎn)向助力，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)較高，而且無法克服液壓系統(tǒng)自身所具有的許多缺點(diǎn)，是一種介于液壓助力轉(zhuǎn)向和電動助力轉(zhuǎn)向之間的過渡產(chǎn)品。到了1988年，日本Suzuki公司首先在小型轎車Cervo上配備了Koyo公司研發(fā)的轉(zhuǎn)向柱助力式電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；1990年，日本Honda公司也在運(yùn)動型轎車NS上采用了自主研發(fā)的齒條助力式電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，從此揭開了電動助力轉(zhuǎn)向在汽車上應(yīng)用的歷史。機(jī)械液壓助力是我們最常見的一種助力方式，它誕生于1902年，由英國人FrederickW.Lanchester發(fā)明，而最早的商品化應(yīng)用則推遲到了半個(gè)世紀(jì)之后，1951年克萊斯勒把成熟的液壓轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)應(yīng)用在了Imperial車系上。由于技術(shù)成熟可靠，而且成本低廉，得以被廣泛普及。機(jī)械液壓助力系統(tǒng)的主要組成部分有液壓泵、油管、壓力流體控制閥、V型傳動皮帶、儲油罐等等。這種助力方式是將一部分發(fā)動機(jī)動力輸出轉(zhuǎn)化成液壓泵壓力，對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)施加輔助作用力，從而使輪胎轉(zhuǎn)向。由于機(jī)械液壓助力需要大幅消耗發(fā)動機(jī)動力，所以人們在機(jī)械液壓助力的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，開發(fā)出了更節(jié)省能耗的電子液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。這套系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向油泵不再由發(fā)動機(jī)直接驅(qū)動，而是由電動機(jī)來驅(qū)動，并且在之前的基礎(chǔ)上加裝了電控系統(tǒng)，使得轉(zhuǎn)向輔助力的大小不光與轉(zhuǎn)向角度有關(guān)，還與車速相關(guān)。機(jī)械結(jié)構(gòu)上增加了液壓反應(yīng)裝置和液流分配閥，新增的電控系統(tǒng)包括車速傳感器、電磁閥、轉(zhuǎn)向ECU等。EPS就是英文ElectricPowerSteering的縮寫，即電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展方向。該系統(tǒng)由電動助力機(jī)直接提供轉(zhuǎn)向助力，省去了液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)所必需的動力轉(zhuǎn)向油泵、軟管、液壓油、傳送帶和裝于發(fā)動機(jī)上的皮帶輪，既節(jié)省能量，又保護(hù)了環(huán)境。還具有調(diào)整簡單、裝配靈活以及在多種狀況下都能提供轉(zhuǎn)向助力的特點(diǎn)。正是有了這些優(yōu)點(diǎn)，電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)作為一種新的轉(zhuǎn)向技術(shù)，將挑戰(zhàn)大家都非常熟知的、已具有50多年歷史的液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。根據(jù)助力電機(jī)的安裝位置不同，EPS系統(tǒng)又可以分為轉(zhuǎn)向軸助力式、齒輪助力式、齒條助力式3種。轉(zhuǎn)向軸助力式EPS的電動機(jī)固定在轉(zhuǎn)向軸一側(cè)，通過減速機(jī)構(gòu)與轉(zhuǎn)向軸相連，直接驅(qū)動轉(zhuǎn)向軸助力轉(zhuǎn)向。齒輪助力式EPS的電動機(jī)和減速機(jī)構(gòu)與小齒輪相連，直接驅(qū)動齒輪助力轉(zhuǎn)向。齒條助力式EPS的電動機(jī)和減速機(jī)構(gòu)則直接驅(qū)動齒條提供助力。駕駛員在操縱方向盤進(jìn)行轉(zhuǎn)向時(shí)，轉(zhuǎn)矩傳感器檢測到轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)向以及轉(zhuǎn)矩的大小，將電壓信號輸送到電子控制單元，電子控制單元根據(jù)轉(zhuǎn)矩傳感器檢測到的轉(zhuǎn)矩電壓信號、轉(zhuǎn)動方向和車速信號等，向電動機(jī)控制器發(fā)出指令，使電動機(jī)輸出相應(yīng)大小和方向的轉(zhuǎn)向助力轉(zhuǎn)矩，從而產(chǎn)生輔助動力。汽車不轉(zhuǎn)向時(shí)，電子控制單元不向電動機(jī)控制器發(fā)出指令，電動機(jī)不工作。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，當(dāng)轉(zhuǎn)向軸轉(zhuǎn)動時(shí)，轉(zhuǎn)矩傳感器開始工作，把輸入軸和輸出軸在扭桿作用下產(chǎn)生的相對轉(zhuǎn)動角位移變成電信號傳給ECU，ECU根據(jù)車速傳感器和轉(zhuǎn)矩傳感器的信號決定電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向和助力電流的大小，從而完成實(shí)時(shí)控制助力轉(zhuǎn)向。因此它可以很容易地實(shí)現(xiàn)在車速不同時(shí)提供電動機(jī)不同的助力效果，保證汽車在低速轉(zhuǎn)向行駛時(shí)輕便靈活，高速轉(zhuǎn)向行駛時(shí)穩(wěn)定可靠。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是在傳統(tǒng)機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。它利用電動機(jī)產(chǎn)生的動力來幫助駕駛員進(jìn)行轉(zhuǎn)向操作，系統(tǒng)主要由三大部分構(gòu)成，信號傳感裝置(包括扭矩傳感器、轉(zhuǎn)角傳感器和車速傳感器)，轉(zhuǎn)向助力機(jī)構(gòu)(電機(jī)、離合器、減速傳動機(jī)構(gòu))及電子控制裝置。電動機(jī)僅在需要助力時(shí)工作，駕駛員在操縱轉(zhuǎn)向盤時(shí)，扭矩轉(zhuǎn)角傳感器根據(jù)輸入扭矩和轉(zhuǎn)向角的大小產(chǎn)生相應(yīng)的電壓信號，車速傳感器檢測到車速信號，控制單元根據(jù)電壓和車速的信號，給出指令控制電動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生所需要的轉(zhuǎn)向助力。傳統(tǒng)的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由發(fā)動機(jī)帶動轉(zhuǎn)向油泵，不管轉(zhuǎn)向或者不轉(zhuǎn)向都要消耗發(fā)動機(jī)部分動力。而電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)只是在轉(zhuǎn)向時(shí)才由電機(jī)提供助力，不轉(zhuǎn)向時(shí)不消耗能量。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可以降低車輛的燃油消耗。與液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)對比試驗(yàn)表明：在不轉(zhuǎn)向時(shí)，電動助力轉(zhuǎn)向可以降低燃油消耗5%；在轉(zhuǎn)向時(shí)，可以降低5%。轉(zhuǎn)向助力大小可以通過軟件調(diào)整，能夠兼顧低速時(shí)的轉(zhuǎn)向輕便性和高速時(shí)的操縱穩(wěn)定性，回正性能好。傳統(tǒng)的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)所提供的轉(zhuǎn)向助力大小不能隨車速的提高而改變。這樣就使得車輛雖然在低速時(shí)具有良好的轉(zhuǎn)向輕便性，但是在高速行駛時(shí)轉(zhuǎn)向盤太輕，產(chǎn)生轉(zhuǎn)向“發(fā)飄”的現(xiàn)象，駕駛員缺少顯著的“路感”，降低了高速行駛時(shí)的車輛穩(wěn)定性和駕駛員的安全感。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)提供的助力大小可以通過軟件方便的調(diào)整。在低速時(shí)，電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可以提供較大的轉(zhuǎn)向助力，提供車輛的轉(zhuǎn)向輕便性；隨著車速的提高，電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)提供的轉(zhuǎn)向助力可以逐漸減小，轉(zhuǎn)向時(shí)駕駛員所需提供的轉(zhuǎn)向力將逐漸增大，這樣駕駛員就感受到明顯的“路感”，提高了車輛穩(wěn)定性。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)還可以施加一定的附加回正力矩或阻尼力矩，使得低速時(shí)轉(zhuǎn)向盤能夠精確的回到中間位置，而且可以抑制高速回正過程中轉(zhuǎn)向盤的振蕩和超調(diào)，兼顧了車輛高、低速時(shí)的回正性能。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)取消了液壓轉(zhuǎn)向油泵、油缸、液壓管路、油罐等部件，而且電機(jī)及減速機(jī)構(gòu)可以和轉(zhuǎn)向柱、轉(zhuǎn)向器做成一個(gè)整體，使得整個(gè)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，質(zhì)量輕，在生產(chǎn)線上的裝配性好，節(jié)省裝配時(shí)間，易于維護(hù)保養(yǎng)。通過程序的設(shè)置，電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)容易與不同車型匹配，可以縮短生產(chǎn)和開發(fā)的周期。由于電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有上述多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，因此近年來獲得了越來越廣泛的應(yīng)用。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是在機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，加裝了電機(jī)及減速機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)角傳感器、車速傳感器和ECU電控單元而成。液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)已發(fā)展了半個(gè)多世紀(jì)，其技術(shù)已相當(dāng)成熟。但隨著汽車微電子技術(shù)的發(fā)展，對汽車節(jié)能性和環(huán)保性要求不斷提高，該系統(tǒng)存在的耗能、對環(huán)境可能造成的污染等固有不足已越來越明顯，不能完全滿足時(shí)代發(fā)展的要求。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)將最新的電力電子技術(shù)和高性能的電機(jī)控制技術(shù)應(yīng)用于汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，能顯著改善汽車動態(tài)性能和靜態(tài)性能、提高行駛中駕駛員的舒適性和安全性、減少環(huán)境的污染等。該系統(tǒng)一經(jīng)提出，就受到許多大汽車公司的重視，并進(jìn)行開發(fā)和研究，未來的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中電動助力轉(zhuǎn)向?qū)⒊蔀檗D(zhuǎn)向系統(tǒng)主流，與其它轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)突出的優(yōu)勢體現(xiàn)在液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)需要發(fā)動機(jī)帶動液壓油泵，使液壓油不停地流動，浪費(fèi)了部分能量。相反電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）僅在需要轉(zhuǎn)向操作時(shí)才需要電機(jī)提供的能量，該能量可以來自蓄電池，也可來自發(fā)動機(jī)。而且,能量的消耗與轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)向及當(dāng)前的車速有關(guān)。當(dāng)轉(zhuǎn)向盤不轉(zhuǎn)向時(shí)，電機(jī)不工作，需要轉(zhuǎn)向時(shí)，電機(jī)在控制模塊的作用下開始工作,輸出相應(yīng)大小及方向的轉(zhuǎn)矩以產(chǎn)生助動轉(zhuǎn)向力矩，而且，該系統(tǒng)在汽車原地轉(zhuǎn)向時(shí)輸出最大轉(zhuǎn)向力矩，隨著汽車速度的改變，輸出的力矩也跟隨改變。該系統(tǒng)真正實(shí)現(xiàn)了"按需供能"，是真正的"按需供能型"（on-demand）系統(tǒng)。汽車在較冷的冬季起動時(shí)，傳統(tǒng)的液壓系統(tǒng)反應(yīng)緩慢，直至液壓油預(yù)熱后才能正常工作。由于電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)不依賴于發(fā)動機(jī)而且沒有液壓油管，對冷天氣不敏感，系統(tǒng)即使在-40℃時(shí)也能工作，所以提供了快速的冷起動。由于該系統(tǒng)沒有起動時(shí)的預(yù)熱，節(jié)省了能量。不使用液壓泵，避免了發(fā)動機(jī)的寄生能量損失，提高了燃油經(jīng)濟(jì)性，裝有電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的車輛和裝有液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的車輛對比實(shí)驗(yàn)表明，在不轉(zhuǎn)向情況下，裝有電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的國輛燃油消耗降低5%，在使用轉(zhuǎn)向情況下，燃油消耗降低了5%。在電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，電動助力機(jī)與助力機(jī)構(gòu)直接相連可以使其能量直接用于車輪的轉(zhuǎn)向。該系統(tǒng)利用慣性減振器的作用，使車輪的反轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)向前輪擺振大大減水。因此轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的抗擾動能力大大增強(qiáng)和液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比，旋轉(zhuǎn)力矩產(chǎn)生于電機(jī)，沒有液壓助力系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向遲滯效應(yīng)，增強(qiáng)了轉(zhuǎn)向車輪對轉(zhuǎn)向盤的跟隨性能。直到今天，動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)性能的發(fā)展已經(jīng)到了極限,電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的回正特性改變了這一切。當(dāng)駕駛員使轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動一角度后松開時(shí)，該系統(tǒng)能夠自動調(diào)整使車輪回到正中。該系統(tǒng)還可以讓工程師們利用軟件在最大限度內(nèi)調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)以獲得最佳的回正特性。從最低車速到最高車速，可得到一簇回正特性曲線。通過靈活的軟件編程，容易得到電機(jī)在不同車速及不同車況下的轉(zhuǎn)矩特性，這種轉(zhuǎn)矩特性使得該系統(tǒng)能顯著地提高轉(zhuǎn)向能力，提供了與車輛動態(tài)性能相機(jī)匹配的轉(zhuǎn)向回正特性。而在傳統(tǒng)的液壓控制系統(tǒng)中，要改善這種特性必須改造底盤的機(jī)械結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)起來有一定困難。通過對汽車在高速行駛時(shí)過度轉(zhuǎn)向的方法測試汽車的穩(wěn)定特性。采用該方法，給正在高速行駛（100km/h）的汽車一個(gè)過度的轉(zhuǎn)角迫使它側(cè)傾，在短時(shí)間的自回正過程中，由于采用了微電腦控制，使得汽車具有更高的穩(wěn)定性，駕駛員有更舒適的感覺。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向力來自于電機(jī)。通過軟件編程和硬件控制，可得到覆蓋整個(gè)車速的可變轉(zhuǎn)向力。可變轉(zhuǎn)向力的大小取決于轉(zhuǎn)向力矩和車速。無論是停車，低速或高速行駛時(shí)，它都能提供可靠的，可控性好的感覺，而且更易于車場操作。對于傳統(tǒng)的液壓系統(tǒng)，可變轉(zhuǎn)向力矩獲得非常困難而且費(fèi)用很高，要想獲得可變轉(zhuǎn)向力矩，必須增加額外的控制器和其它硬件。但在電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，可變轉(zhuǎn)向力矩通常寫入控制模塊中，通過對軟件的重新編寫就可獲得，并且所需費(fèi)用很小。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)應(yīng)用"最干凈"的電力作為能源，完全取締了液壓裝置，不存在液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中液態(tài)油的泄漏問題，可以說該系統(tǒng)順應(yīng)了"綠色化"的時(shí)代趨勢。該系統(tǒng)由于它沒有液壓油，沒有軟管、油泵和密封件，避免了污染。而液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)油管使用的聚合物不能回收，易對環(huán)境造成污染。由于該系統(tǒng)具有良好的模塊化設(shè)計(jì)，所以不需要對不同的系統(tǒng)重新進(jìn)行設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、加工等,不但節(jié)省了費(fèi)用，也為設(shè)計(jì)不同的系統(tǒng)提供了極大的靈活性，而且更易于生產(chǎn)線裝配。由于沒有油泵、油管和發(fā)動機(jī)上的皮帶輪，使得工程師們設(shè)計(jì)該系統(tǒng)時(shí)有更大的余地，而且該系統(tǒng)的控制模塊可以和齒輪齒條設(shè)計(jì)在一起或單獨(dú)設(shè)計(jì)，發(fā)動機(jī)部件的空間利用率極高。該系統(tǒng)省去了裝于發(fā)動機(jī)上皮帶輪和油泵，留出的空間可以用于安裝其它部件。許多消費(fèi)者在買車時(shí)非常關(guān)心車輛的維護(hù)與保養(yǎng)問題。裝有電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的汽車沒有油泵，沒有軟管連接，可以減少許多憂慮。實(shí)際上，傳統(tǒng)的液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，液壓油泵和軟管的事故率占整個(gè)系統(tǒng)故障的53%，如軟管漏油和油泵漏油等。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)沒有液壓系統(tǒng)所需要的油泵、油管、流量控制閥、儲油罐等部件，零件數(shù)目大大減少，減少了裝配的工作量，節(jié)省了裝配時(shí)間，提高了裝配效率。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)自20世紀(jì)80年代中期初提出以來，作為今后汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展方向，必將取代現(xiàn)有的機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和電控制液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。隨著汽車技術(shù)的不斷發(fā)展，電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS，ElectricPowerSteering）已成為現(xiàn)代汽車的重要部件。為了提高系統(tǒng)的性能和可靠性，在產(chǎn)品開發(fā)過程中進(jìn)行硬件在環(huán)仿真（HIL，Hardware-in-the-Loop）是必不可少的。本文將介紹汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)硬件在環(huán)仿真的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要由電機(jī)、減速器和傳感器等組成。其工作原理是，通過電機(jī)產(chǎn)生助力，減速器將動力傳遞給轉(zhuǎn)向器，從而幫助駕駛員完成轉(zhuǎn)向操作。與傳統(tǒng)的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比，電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有節(jié)能、環(huán)保、精確控制等優(yōu)點(diǎn)。硬件在環(huán)仿真是一種在計(jì)算機(jī)上模擬實(shí)際硬件系統(tǒng)的仿真方法。通過HIL仿真，可以在產(chǎn)品開發(fā)初期發(fā)現(xiàn)和解決潛在的問題，提高系統(tǒng)的性能和可靠性。對于電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，HIL仿真可以模擬其工作狀態(tài)，對電機(jī)控制策略、系統(tǒng)穩(wěn)定性等方面進(jìn)行評估。需要建立一個(gè)電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。該模型應(yīng)包括電機(jī)模型、減速器模型、傳感器模型等。這些模型可以通過MATLAB/Simulink等仿真軟件進(jìn)行建立。硬件在環(huán)仿真平臺包括仿真計(jì)算機(jī)、接口硬件和實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。仿真計(jì)算機(jī)用于運(yùn)行仿真模型；接口硬件用于將仿真模型與實(shí)際硬件連接起來；實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)用于提供實(shí)時(shí)控制和數(shù)據(jù)處理。在硬件在環(huán)仿真中，需要設(shè)計(jì)一個(gè)控制器來控制電機(jī)。該控制器應(yīng)基于控制理論進(jìn)行設(shè)計(jì)，并可通過仿真