سامانه فرمان کمکی برقی (Electric Power Assisted Steering – EPAS) یکی از فناوری‌های مهم در صنعت خودروسازی مدرن است که با هدف کاهش نیروی مورد نیاز راننده برای چرخاندن فرمان و افزایش دقت کنترل خودرو طراحی شده است. در این سیستم به جای استفاده از پمپ‌های هیدرولیکی سنتی، از یک موتور الکتریکی به همراه کنترل‌کننده‌های پیشرفته استفاده می‌شود تا گشتاور کمکی متناسب با شرایط رانندگی به سیستم فرمان اعمال گردد. این موضوع باعث کاهش مصرف انرژی، افزایش بهره‌وری و بهبود تجربه رانندگی می‌شود.

در این شبیه‌سازی، از موتور سنکرون مغناطیس دائم (Permanent Magnet Synchronous Motor – PMSM) به عنوان محرک اصلی سیستم استفاده شده است. این نوع موتور به دلیل راندمان بالا، چگالی توان مناسب و قابلیت کنترل دقیق گشتاور، گزینه‌ای بسیار مناسب برای کاربردهای خودرویی به شمار می‌رود. در کنار آن، از ابزارهای Simscape Electrical و Stateflow در محیط MATLAB/Simulink برای مدل‌سازی و کنترل سیستم بهره گرفته شده است.

در ساختار کلی سیستم EPAS، ورودی اصلی، سرعت زاویه‌ای فرمان خودرو است که توسط راننده اعمال می‌شود. این ورودی به عنوان سیگنال مرجع وارد سیستم کنترلی شده و پس از پردازش، میزان گشتاور کمکی مورد نیاز را تعیین می‌کند. اختلاف زاویه‌ای بین دو سر ستون فرمان، سرعت حرکت بار فرمان و میزان جابجایی زاویه‌ای آن نیز به عنوان ورودی‌های کنترلی در نظر گرفته می‌شوند. این داده‌ها به کنترل‌کننده PMSM ارسال شده و بر اساس آن، جریان‌های لازم برای تولید گشتاور مناسب محاسبه می‌گردند.

یکی از بخش‌های کلیدی این سیستم، کنترل‌کننده PMSM است که معمولاً به صورت یک مدل مبتنی بر Stateflow طراحی می‌شود. استفاده از Stateflow امکان تعریف حالت‌های مختلف عملکردی مانند حالت سکون، حالت رانندگی کم‌سرعت، حالت رانندگی پرسرعت و شرایط اضطراری را فراهم می‌سازد. در هر یک از این حالت‌ها، استراتژی کنترل گشتاور متفاوت بوده و متناسب با شرایط جاده و راننده تنظیم می‌شود. این انعطاف‌پذیری نقش مهمی در افزایش ایمنی و پایداری خودرو دارد.

در بخش الکترونیک قدرت، اینورتر PMSM به صورت ایده‌آل مدل‌سازی شده است. وظیفه اینورتر، تبدیل ولتاژ DC به سیگنال‌های AC سه‌فاز برای تغذیه موتور است. در این شبیه‌سازی، سیگنال‌های ولتاژ و جریان خروجی اینورتر به کمک Scopeهای موجود در Simulink قابل مشاهده هستند. این سیگنال‌ها اطلاعات مهمی درباره عملکرد دینامیکی سیستم ارائه می‌دهند و برای تحلیل کیفیت کنترل بسیار مفید هستند.

موتور PMSM در این سیستم نقش تولید گشتاور کمکی را دارد. هنگامی که راننده فرمان را می‌چرخاند، سیستم کنترل با توجه به اختلاف زاویه و سرعت حرکت فرمان، مقدار گشتاور لازم را محاسبه کرده و به موتور اعمال می‌کند. این گشتاور به صورت مستقیم با گشتاور اعمالی راننده ترکیب شده و باعث کاهش نیروی مورد نیاز برای چرخاندن چرخ‌ها می‌شود. به عبارت دیگر، سیستم EPAS یک تقویت‌کننده هوشمند نیرو محسوب می‌شود که تنها در صورت نیاز وارد عمل می‌گردد.

از منظر دینامیکی، مدل سیستم فرمان شامل اینرسی ستون فرمان، اصطکاک مکانیکی، و بار ناشی از چرخ‌ها و سطح جاده است. این عوامل باعث می‌شوند که طراحی کنترل‌کننده با پیچیدگی‌های خاصی همراه باشد. در شبیه‌سازی MATLAB، این پارامترها به صورت بلوک‌های فیزیکی در Simscape تعریف شده‌اند تا رفتار واقعی سیستم تا حد امکان بازسازی شود.

نتایج شبیه‌سازی معمولاً به صورت نمودارهای گشتاور نمایش داده می‌شوند که شامل سه بخش اصلی هستند: گشتاور راننده، گشتاور کمکی موتور، و گشتاور کل سیستم. این نمودارها نشان می‌دهند که چگونه سیستم به صورت پویا وارد عمل شده و در لحظات مختلف رانندگی، میزان کمک متفاوتی ارائه می‌دهد. در شرایطی که نیاز به نیروی بیشتر وجود دارد، مانند سرعت‌های پایین یا مانورهای پارک، گشتاور کمکی افزایش می‌یابد. در مقابل، در سرعت‌های بالا که نیاز به پایداری بیشتر وجود دارد، میزان کمک کاهش می‌یابد تا کنترل طبیعی‌تری برای راننده فراهم شود.

یکی از مزیت‌های مهم استفاده از Simscape Electrical در این شبیه‌سازی، امکان مدل‌سازی دقیق اجزای الکتریکی و مکانیکی به صورت یکپارچه است. این محیط اجازه می‌دهد تا تعامل بین موتور، اینورتر، و سیستم مکانیکی فرمان به صورت همزمان بررسی شود. همچنین، استفاده از Stateflow باعث افزایش خوانایی مدل و تسهیل طراحی منطق کنترلی پیچیده می‌شود.

در تحلیل نتایج، مشاهده می‌شود که سیستم EPAS به سرعت به تغییرات ورودی واکنش نشان می‌دهد و گشتاور مناسب را در زمان کوتاهی تولید می‌کند. این ویژگی برای کاربردهای خودرویی بسیار حیاتی است، زیرا تأخیر در سیستم فرمان می‌تواند تأثیر مستقیم بر ایمنی خودرو داشته باشد. همچنین، پایداری سیستم در برابر اغتشاشات خارجی مانند تغییرات ناگهانی بار جاده نیز یکی از شاخص‌های مهم عملکرد محسوب می‌شود.

از دیدگاه طراحی کنترلی، هدف اصلی در چنین سیستم‌هایی دستیابی به یک تعادل مناسب بین راحتی راننده و پایداری خودرو است. اگر میزان کمک بیش از حد باشد، راننده احساس کنترل طبیعی بر خودرو را از دست می‌دهد. از طرف دیگر، اگر کمک ناکافی باشد، فشار فیزیکی زیادی به راننده وارد می‌شود. بنابراین، طراحی کنترل‌کننده PMSM باید به گونه‌ای باشد که این تعادل به بهترین شکل برقرار گردد.

در پیاده‌سازی پیشرفته‌تر این سیستم، می‌توان از الگوریتم‌های کنترلی هوشمند مانند کنترل تطبیقی یا کنترل مبتنی بر هوش مصنوعی استفاده کرد. این روش‌ها قادرند شرایط مختلف رانندگی را یاد گرفته و رفتار سیستم را به صورت پویا تنظیم کنند. همچنین، امکان ترکیب داده‌های سنسوری پیشرفته مانند زاویه چرخ‌ها، سرعت خودرو و شرایط جاده می‌تواند دقت سیستم را به طور قابل توجهی افزایش دهد.

در نهایت، شبیه‌سازی سامانه EPAS در MATLAB نه تنها ابزاری برای تحلیل عملکرد سیستم است، بلکه بستری مناسب برای طراحی، تست و بهینه‌سازی کنترل‌کننده‌ها پیش از پیاده‌سازی واقعی در خودرو فراهم می‌کند. این موضوع هزینه‌های توسعه را کاهش داده و ایمنی سیستم نهایی را افزایش می‌دهد.

به طور کلی، استفاده از موتور PMSM در کنار کنترل‌کننده‌های پیشرفته و ابزارهای شبیه‌سازی مانند Simscape و Stateflow، امکان طراحی یک سیستم فرمان کمکی برقی دقیق، سریع و قابل اعتماد را فراهم می‌سازد که نقش مهمی در نسل جدید خودروهای هوشمند ایفا می‌کند.