汽车电动转向器动力学建模与控制仿真分析

汽车电动助力转向系统控制策略及仿真研究汽车电动助力转向系统控制策略及仿真研究摘要：随着汽车电动助力转向系统的应用越来越广泛，对其控制策略的研究也变得越来越重要。

本文基于对汽车电动助力转向系统的分析，提出了一种基于滑模控制的控制策略，并进行了仿真研究。

通过与传统的PID控制策略进行对比，结果表明本文提出的滑模控制策略具有更好的控制性能和鲁棒性。

1. 引言汽车电动助力转向系统可以通过电动助力提供额外的转向力，使得驾驶更加轻松灵活。

为了在不同驾驶条件下实现良好的转向性能，需要采用合适的控制策略来调节电动助力转向系统。

2. 汽车电动助力转向系统建模2.1 汽车动力学模型在建模之前，首先要了解汽车的动力学模型，包括车辆质量、惯性矩、悬挂刚度等。

本文假设汽车为四轮驱动、四轮转向的车辆，采用简化的二自由度车辆模型。

2.2 电动助力转向系统模型电动助力转向系统包括电动助力转向机构、电机控制器和传感器等。

本文建立了电动助力转向系统的数学模型，并考虑了其非线性特性。

3. 控制策略设计基于以上的汽车电动助力转向系统模型，本文提出了一种基于滑模控制的控制策略。

滑模控制是一种常用的非线性控制方法，具有较好的鲁棒性和快速响应特性。

本文设计了滑模控制器，并通过仿真验证了其控制性能。

4. 仿真实验与结果分析通过Matlab/Simulink软件进行仿真实验，并与传统的PID控制策略进行对比。

结果表明，基于滑模控制的电动助力转向系统具有更好的响应速度和稳定性。

在不同的驾驶工况下，滑模控制策略能够有效改善转向性能。

5. 结论本文通过对汽车电动助力转向系统的控制策略进行研究和仿真，提出了一种基于滑模控制的策略，并与PID控制策略进行对比。

结果表明，滑模控制策略能够有效改善转向性能，具有较好的控制性能和鲁棒性。

未来，还可以进一步研究优化该控制策略，提高汽车电动助力转向系统的性能通过对汽车电动助力转向系统的研究和仿真实验，本文提出了一种基于滑模控制的控制策略。

汽车电动转向器动力学建模与控制仿真分析编号无锡太湖学院毕业设计（论文）题目：汽车电动转向器动力学建模与控制仿真研究信机系机械工程及自动化专业学号： 0923217学生姓名：鲍维俊指导教师：陈炎冬（职称：讲师）（职称：）2021年5月25日无锡太湖学院本科毕业设计（论文）诚信承诺书本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文）汽车电动转向器动力学建模与控制仿真研究是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的成果，其内容除了在毕业设计（论文）中特别加以标注引用，表示致谢的内容外，本毕业设计（论文）不包含任何其他个人、集体已发表或撰写的成果作品。

班级：机械95 学号： 0923217 作者姓名： 2021 年 5 月 25 日无锡太湖学院信机系机械工程及自动化专业毕业设计论文任务书一、题目及专题：1、题目2、专题汽车电动转向器动力学建模与控制仿真研究二、课题来源及选题依据随着科学技术的快速发展，人们对汽车操纵性能的要求也日益提高。

为了能使车辆停车或低速时，能够使方向盘转动轻松操作，又能够使汽车在高速行驶平稳，随着转向系统不断地向前发展，从机械式转向系统，到机械液压动力转向系统，再到电控液压助力转向系统，直至现代的节能，操纵性能更好的EPS阶段。

现代汽车技术追求节能、舒适和安全等三大目标。

节能与环境保护密切相关联，是当今全球性最热门和最受关注的话题之一。

后两项目标是汽车朝着高性能方向发展要研究和解决的重要课题。

三、本设计（论文或其他）应达到的要求：① 熟悉汽车电动助力转向器的工作原理及各部分组成；I感谢您的阅读，祝您生活愉快。

1 PID控制PID调节器是通过利用偏差的比例、积分以及微分控制的调节器的简称,是一种被广泛成熟应用在连续系统的调节器。

2 模拟PID调节器在连续控制系统中,模拟PID调节器是一种线性调节器。

模拟PID控制系统的方框图如图1所示。

其中 r n 为设定值; n 为系统汽车电动助力转向系统的P I D 控制仿真邵春祥(江苏省淮安生物工程高等职业学校 江苏淮安 223200)摘 要:电动助力转向系统的助力特性是系统要研究解决的关键问题之一。

但是电机的控制也是该系统的关键。

本章主要采用PID控制对电机的控制进行仿真研究。

关键词:电动助力转向 PID控制 仿真中图分类号:TP273文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2013)08(a)-0123-02输出; r e n n 构成控制偏差,为PID的输入; u 为PID控制器的输出,也是被控对象的输入。

模拟PID调节器的控制规律为:001()tp DIdeu K e edt T u T dt(1)式中, p K 为比例常数; I T 为积分常数; D T 为微分常数。

比例调节器在模拟P I D 控制器中的作用就是能够瞬间对偏差做出快速反应。

控制器在偏差产生的瞬间马上做出控制反应,使控制量变化向减少偏差的方向,而比例系数 p K 决定着控制作用的强弱。

式1表明,第一项只有在存在偏差的时候才会输出控制量。

所以,针对像直流电机的电枢电压调速等大部分控制对象,就需要适当的增加和转速以及机械负载有关的控制量 0u ;不然单纯的依靠比例控制器容易产生稳态误差。

积分控制器将输出偏差累计结果作为作用。

只要偏差存在在调解过程中,积分器就会不断增加输出,一直到偏差e＝0,才能维持输出u成为一个常量,这样才能保证设定值 r n 不变的情况下系统逐步稳态。

所以系统即使不适量的增加控制量 0u ,拥有积分控制器也能消除输出的稳态误差。

3 PID控制参数的选择采样时间在PID控制中,相比较系统的时间常数一般都是很短的。

汽车转向系统动力学性能的仿真分析汽车是现代社会的必需品之一，而转向系统作为汽车最基本的控制系统之一，也是汽车安全性能最直接相关的部件之一。

转向系统的好坏对于安全行车至关重要。

在汽车设计中，转向系统的动力学性能是一个非常重要的指标，因此对其进行仿真分析可以有效地提高汽车安全性能和行驶稳定性。

汽车转向系统的动力学性能受到多种因素的影响，如转向系统的目标点、转向系统的转向角度、车辆的速度、地面的摩擦力等等。

因此，分析转向系统的动力学性能不仅需要考虑转向系统本身的特性，还要考虑车辆的实际行驶环境以及路面的状态。

为了对汽车转向系统的动力学性能进行分析，可以利用虚拟仿真技术来模拟汽车转向过程中的各项数据，并通过数据分析来得出转向系统的动力学性能指标。

虚拟仿真技术是指利用计算机模拟现实世界中各种场景和物理过程的技术，通过分析和计算来得出需要的结果。

在进行汽车转向系统的动力学性能仿真分析时，需要先构建汽车转向系统的模型，并且确定好模型的各项参数。

一般来说，模型的参数可以根据车辆的实际情况进行调整，如车辆的长度、车宽、质量、轮胎压力等等。

通过模型构建和参数的确定，可以为汽车转向系统的仿真分析提供可靠的数据。

在进行仿真分析时，需要将模型放置在特定的环境中，如模拟特定的道路、交通状况等等。

然后，将各种力和扭矩作用于模型上，以模拟汽车在实际行驶过程中的环境和载荷。

通过对模拟过程中所得到的数据进行分析，可以得到很多有价值的信息。

如汽车的行驶稳定性、转向系统的响应速度、转向优化效果等等。

这样，设计师们可以通过仿真分析来修改和优化转向系统的设计方案，以提高汽车的行驶稳定性和安全性能。

值得注意的是，汽车转向系统的动力学性能仿真分析需要借助一些现代化的仿真软件，如Msc.Adams、MATLAB、AutoCAD等等。

这些专业仿真软件可以大大提高仿真分析的精度和准确性，从而得到更加可靠的分析结果。

总而言之，汽车转向系统的动力学性能仿真分析对于汽车设计和生产来说是非常重要的。

摘要汽车电动转向器是一种新型的汽车转向助力系统。

文章先对EPS系统原理及结构进行说明，介绍了三种EPS典型助力曲线，建立了机械转向系统数学模型、EPS系统数学模型，文中提出了EPS系统控制目标，说明了EPS系统的PID控制策略，介绍了电动助力转向系统中的三种控制模式：助力控制模式，回正控制模式，阻尼控制模式，文章重点研究助力控制。

并建立了机械转向系统、EPS系统和基于PID控制的系统三种数学模型，然后应用MATLAB的Simulink模块进行运动仿真，通过调整参数和分析参数，来研究系统稳定性随参数变化的影响。

仿真结果表明，所设计的PID 控制对能对转向系统模型进提供助力控制，同时能使系统满足很好的动态性能。

关键词：电动转向器；助力控制；MA TLAB/Simulink；仿真AbstractElectric Power Steering is a new automotive power steering system.This article first on the principle and structure of EPS system are described, three kinds of typical EPS power curve is introduced in this paper, the mathematical model of the system, the EPS system mathematical model of the pure mechanical steering system is established in this paper, the target control of EPS system, the control strategy of EPS system of PID, this paper introduces three kinds of control mode of electric power steering in: power control mode, return control mode, the damping control mode, this paper focuses on the study of power control. Under pure mechanical steering system, EPS system and PID power control of EPS system based on the mathematical model, the application of MA TLAB/Simulink simulation, parameters, and analysis of influence parameters on the stability of the system, and the use of PID control strategy for power control of the model, and that the system can meet the dynamic performance is very good.Key words: electric power steering ; assist control ; MA TLAB/Simulink; simulationII目录摘要 (I)Abstract (II)目录 (V)1 绪论 (1)1.1 本课题的研究背景和意义 (1)1.2 国内外的发展概况 (1)1.3 本课题应达到的要求 (2)2 电动转向系统的动力学模型 (3)2.1 电动转向系统的结构和工作原理 (3)2.2EPS典型助力曲线 (5)2.3 EPS动力学的模型 (7)2.3.1 机械转向系统数学模型 (7)2.3.2 EPS系统的模型 (8)2.4 EPS稳定性与转向助力增益分析 (10)2.4.1 转向助力增益的确定 (10)2.4.2 EPS稳定性与转向助力增益关系 (11)3 EPS系统控制分析 (16)3.1系统控制的目标 (16)3.2 EPS系统的控制策略 (16)3.3 系统的控制模式 (17)3.4 系统的补偿控制 (18)3.4.1 补偿控制原理 (18)3.4.2 补偿控制的作用 (18)4 EPS系统的仿真与分析 (19)4.1 MATLAB/Simulink仿真平台的介绍 (19)4.2 系统仿真参数取值 (19)4.3 机械转向系统仿真与研究 (20)4.3.1 机械转向系统的Simulink模型 (20)4.3.2 汽车机械转向系统在阶跃输入时不同参数下的仿真研究 (22)4.3.3 不同参数对系统性能影响的仿真分析 (28)4.4 EPS转向系统仿真与研究 (28)4.4.1 EPS系统的Simulink模型 (28)4.4.2 EPS系统加入PID控制的Simulink模型 (30)4.4.3 EPS系统加入PID控制的仿真与分析 (32)4.5 不同系统的比较仿真与分析 (36)5 结论与展望 (40)5.1 主要结论 (40)5.2 不足之处及未来展望 (40)致谢 (41)参考文献 (41)附录 (42)汽车电动转向器动力学建模与控制仿真研究1 绪论1.1 本课题的研究背景和意义目前汽车已经走入寻常百姓家中，人们对汽车需求逐渐增大。

汽车电动助力转向系统控制策略及仿真研究首先，本文介绍了汽车电动助力转向系统的原理和结构。

汽车电动助力转向系统由电动电机、转向机构和控制单元组成。

电动电机通过转向机构与汽车的转向轴相连接，当驾驶者转动方向盘时，电动电机会提供相应的力量辅助转向。

接下来，本文提出了一种基于PID控制的汽车电动助力转向系统控制策略。

PID控制是一种经典的控制方法，通过不断调节比例、积分和微分三个控制参数，使得系统的输出能够稳定地跟踪期望的轨迹。

在汽车电动助力转向系统中，PID控制可以通过测量转向轴的角度和驾驶者的方向盘输入来自动计算出合适的转向力量，以达到准确转向的目的。

为了验证PID控制策略的有效性，本文利用Simulink工具进行了仿真实验。

仿真实验采用了真实的汽车转向系统参数，通过输入不同的方向盘转动信号，模拟不同的转向操作。

实验结果表明，基于PID控制的汽车电动助力转向系统能够准确地跟踪方向盘输入，并提供适当的转向力量，实现稳定的转向。

最后，本文总结了汽车电动助力转向系统控制策略及仿真研究的主要结果和贡献。

通过研究和仿真实验，本文验证了基于PID控制的汽车电动助力转向系统的有效性和稳定性。

这一研究为汽车电动助力转向系统的设计和控制提供了一定的参考和借鉴。

综上所述，本文对汽车电动助力转向系统的控制策略进行了研究，并进行了相关的仿真实验。

本文的研究结果表明，基于PID控制的汽车电动助力转向系统能够实现准确转向，并具有稳定性和可靠性，为汽车驾驶员提供了良好的转向体验。

但是，仍然有一些问题和挑战需要进一步研究和解决，比如如何提高转向系统的响应速度和抗干扰能力。

对于未来的研究，可以考虑将其他的控制方法应用到汽车电动助力转向系统中，并进一步优化转向系统的性能。

电动助力转向系统的建模与仿真分析[摘要] 在建立电动助力转向系统的数学模型和状态空间模型的基础上，对系统进行稳定性分析，并对系统模型进行仿真分析，分析电动助力转向系统的转向动态特性和路面干扰对于转向系统的影响，进而提出电动助力转向系统的阻尼控制方法。

关键词: 汽车电动助力转向状态空间仿真1 概述由于动力转向系统具有转向操纵轻便、灵活，汽车设计时对转向器结构形式选择的灵活性增大，同时可以吸收路面对轮胎产生的冲击等优点，自20 世纪50 年代以来，在国外汽车上得到采用。

但是，传统的液压动力转向系统在汽车行驶的时候需要消耗一定的能量，同时，它增加了液压油泵、液压缸、油管和一些辅助装置，还存在液压油的泄漏问题，对环境造成一定的危害。

随着电子控制技术的发展，电子控制液压动力转向系统应运而生，该系统的某些性能要优于传统的液压动力转向系统，但它仍然无法克服液压动力转向系统的某些固有的缺陷。

电子控制电动助力转向系统属于另一种形式的动力转向系统，该系统根据汽车的转向状态，通过电子控制单元控制电动机直接驱动转向机构，使汽车的转向轮发生偏转。

该系统不直接利用发动机动力，只有在需要转向的时候才由电动机提供动力，不转向的时候不消耗能量。

电动机使用的动力来自于蓄电池，省去了液压油泵、液压缸、油管等装置，结构紧凑，重量轻。

另外，该系统可以通过软件的方法实现汽车在不同车速下获得不同的静态助力特性，提高驾驶员转向时的路感。

2 系统数学模型的建立电动助力转向系统结构如图1 所示，主要包括转向柱、减速机构、齿轮齿条和助力电动机，以及ECU控制单元，这里建立的转向系统动力学方程为：转向柱： （1）输出轴：（2）齿条：（3）电动机：（4）式中s J 为转向柱、转向盘的转动惯量，s B 为转向柱的阻尼系数，s K 为扭杆的刚性系数，s q 为转向柱的旋转角，h T 为作用在转向盘上的转向扭矩，e J 为减速机构的转动惯量，e B 为减速机构的阻尼系数，e q 为输出轴的旋转角，G 为蜗轮蜗杆减速器的减速比，w T 为作用在输出轴上的反作用扭矩，r m 为小齿轮及齿条质量，r b 为齿条的阻尼系数，r K 为等效弹簧的弹性系数，r x 为齿条的位移， d F 是路面的随机信号，m I 是电枢电流，m B 是电动机粘性摩擦系数，m K 为电动机和减速机构的刚性系数，m J 是电动机惯性矩，m q 是电动机转角，p r 为小齿轮半径。

汽车EPS动力学模型的建立与仿真分析曹艳芹车辆工程50100802405摘要：建立了电动助力转向系统主要部分的数学模型和车辆二自由度模型，根据助力原理设计了基于模糊控制的EPS系统助力控制策略，得出了助力特性曲线，采用Matlab/Simulink工具箱设计了电动机PID控制算法助力仿真模型，并利用Simulink模块搭建系统模型对所建立的EPS动力学模型进行仿真分析。

关键词：EPS动力学模型；模糊控制；PID控制1 系统组成及工作原理电动助力转向系统(electric power steering，简称EPS)主要由机械转向系统、转矩传感器、车速传感器、电流传感器、控制单元(ECU)、离合器、助力电动机及减速机构等组成，如图1所示。

其工作原理:汽车在运行过程中，扭矩传感器、车速传感器及电流传感器会产生相应的传感器信号，这些信号经过滤波、信号电平调整后传给ECU，ECU经过分析处理后对助力电机进行相应控制。

图1 电动助力转向系统结构2 电动助力转向系统建模在构建电动助力转向系统模型时，分析了实际电动助力系统与模拟电动助力转向系统的区别，尽量结合实际构建电动助力转向系统模型但转向轴、齿条、助力电机的动力学模型与实际系统差别较大，因此在建模时都加入了相应的仿真系数(如加入了阻尼、刚性系数等)，以达到实际工况，这样有助于对系统进行仿真分析。

在图1中，设转向盘和上端转向轴的转动惯量、电动机的转动惯量、前轮及转向机构向转向轴等效后的转动惯量分别为h J 、m J 、c J ，单位为2kg m ⋅；转向盘上施加的转矩、等效到转向轴的转向阻力矩、电动机的电磁转矩和电动机作用到转向轴的助力分别为d T 、r T 、m T 、a T ，单位为Nm ；转向轴与支承之间的摩擦系数、转向机构与前轮等效到转向轴的摩擦系数、电动机转轴与支承之间的摩擦系数分别为h B 、c B 、m B ，单位为Nms/rad ；转向盘的转角、前轮等效到转向轴的转角、电动机的转角分别为h θ、c θ、m θ，单位为rad ；转矩传感器刚度为s K ，单位为Nm/rad ；从电动机经减速机构到转向轴的传动比为G 。