基于Simulink的汽车电动助力转向系统EPS控制模型

资 源 简 介

该项目构建了一个高度集成的电动助力转向系统仿真平台，旨在实现车辆转向过程中的精确助力分配与操控稳定性优化。系统的核心功能包括：通过高精度扭矩传感器模型捕捉驾驶员的手力输入，并结合实时车速信号计算目标助力大小。实现方法上，建立了包含转向柱、助力电机、减速机构和齿轮齿条的完整机械动力学方程，并在控制层面上设计了基于Map图的三段式助力特性曲线。该模型不仅具备基础的助力功能，还集成了阻尼控制以改善高速行驶时的转向沉稳感，以及回正控制以提高车辆在低速大转角工况下的自动回位性能。应用场景涵盖了乘用车转向手感调试、E

详 情 说 明

基于Simulink建模思想的汽车电动助力转向系统（EPS）控制仿真平台

项目介绍

本项目是一款基于MATLAB环境开发的汽车电动助力转向系统（EPS）数学建模与控制仿真平台。该项目深入模拟了从驾驶员手力输入到执行机构响应的完整动态过程，通过构建多自由度机械动力学方程与先进控制算法，实现了助力转向系统的随速特性调节、操控稳定性优化以及执行器精确控制。方案不仅涵盖了基础的助力逻辑，还融入了针对高速稳定性的阻尼控制和针对低速回正性能的补偿控制，为转向感受调试和算法研究提供了可靠的虚拟仿真环境。

功能特性

1. 全动力学机械建模 系统构建了一个包含转向盘、扭转传感器、助力电机、减速机构以及齿轮齿条执行机构的六阶状态空间模型。模型精确考虑了转动惯量、机械阻尼、扭转刚度以及轮胎回正刚度，能够真实反映转向系统的物理响应。

2. 随速三段式助力特性 核心控制算法集成了基于二维Map图的助力特性。该特性根据实时车速和驾驶员手力矩，通过分段线性函数（死区、线性区、饱和区）动态计算目标助力大小。助力强度随车速增加呈指数级衰减，确保了低速时的转向轻便性与高速时的操控沉稳感。

3. 复合控制策略集成 除了基础助力功能，系统还实现了一套复合控制方案：

• 阻尼控制：在高速行驶中根据角速度实时增加补偿力矩，抑制方向盘摆振。
• 回正控制：在低速、大转角工况下提供额外的回正辅助，改善转向系统自动回位性能。
• PID电机电流/扭矩追踪：利用闭环控制算法驱动助力电机，确保输出扭矩能够快速、准确地跟踪目标值。

4. 多工况仿真与性能评估 仿真环境预设了典型工况，包括周期性正弦输入测试和渐进式斜坡力矩输入测试，并同步模拟了车速切换过程。系统自动计算并输出转向角响应、齿条位移、电机扭矩跟踪误差及模拟横向加速度等多项关键评价指标。

实现逻辑与算法细节说明

1. 参数初始化与几何定义 仿真启动时预设了转向系统的物理常量，如助力电机20.5倍的减速比、小齿轮半径及齿条质量等。此外，通过PID参数与电压上限（13.5V）定义了电传动部分的物理限制。

2. 助力Map图构建算法 助力Map采用车速（0/40/80/120 km/h）与手力矩（0-8 N·m）为坐标轴。

• 死区范围：手力矩小于1.0 N·m时，电机不提供助力，保留自然路感。
• 线性增益区：手力矩在1.0至5.0 N·m之间，助力随力矩线性增加。
• 饱和保护区：手力矩超过5.0 N·m后，减调增益以防止电机过载。
• 随速衰减：利用指数函数计算权重，随着车速增加，整体助力输出平滑下降。

3. 仿真循环与数值计算 仿真过程采用固定步长（1ms）的Euler数值积分法。在每个采样周期内：

• 输入模拟：前半段模拟定速双纽线转向，后半段模拟高速持续增力转向。
• 控制器层：通过二维线性插值获取助力基准，并叠加阻尼控制项与回正控制项。
• 驱动控制层：计算PID误差，通过饱和电压输出限制，将控制指令转化为电机力矩。
• 动力学解算：基于状态空间方程，实时更新方向盘角位移、齿条位移以及电机转子状态。

4. 频域特性统计分析 仿真末端集成了线性化系统分析功能。通过建立齿条执行机构的二阶传递函数（考虑质量、阻尼、刚度），生成Bode图，用于评估转向机构在高速工况下的稳定性与频率响应带宽。

使用方法

1. 确保计算机已安装MATLAB R2016b或更高版本。
2. 将仿真脚本放置于同一工作路径下。
3. 运行仿真主程序，控制台将自动执行参数声明、助力特性图生成和动力学迭代求解。
4. 仿真结束后，系统将自动弹出多个分析窗口，展示助力特性分布、扭矩跟踪曲线、转向传动响应以及车辆横向加速度等图表。

系统要求

• 软件环境：MATLAB（建议包含Control System Toolbox以支持Bode图分析）。
• 硬件环境：无需特殊硬件，标准配置的主流计算机即可实现实时仿真级的运行速度。
• 技术基础：适用于汽车动力学研究、转向系统控制器逻辑设计、以及HIL（硬件在环）测试的算法前期原型开发。