CN104960396B - 一种分层架构的电控空气悬架整车高度控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种分层架构的电控空气悬架整车高度控制方法，包括上层的整车高度控制策略和底层的高度跟踪控制策略。整车高度控制策略根据车速、车身高度等信息识别出车辆行驶工况并决策出目标高度。高度跟踪控制策略根据车身实际高度与目标高度的差值和所设置的滞回区间，采用PD控制器实现车身目标高度的跟踪。利用车身高度传感器采集的高度信息，计算出车身平面位置，然后通过计算得到各个空气弹簧处的车身实际高度。本发明提出的控制方法可以根据车辆的行驶工况采取相应的车身高度控制策略，克服了车身高度调整过程中的过充过放以及振荡现象，同时在车身高度调节过程中对各个空气弹簧进行高度调节时兼顾了整车车身姿态的控制。

Description

一种分层架构的电控空气悬架整车高度控制方法

技术领域

本发明涉及汽车悬架系统的技术领域，特别涉及一种分层架构的电控空气悬架整车高度控制方法。

背景技术

随着科学技术的发展和人民生活水平的提高，汽车悬架系统的可靠性和舒适性越来越受到人们的重视。目前在商用车上广泛使用的钢板弹簧悬架具有固定的刚度和阻尼，不能实现车身高度的调整，已经难以满足人们对商用车乘坐舒适性、安全性以及节能环保方面的需求。常规的机械式空气悬架系统可靠性低，功能少，压缩空气消耗量大。而电控空气悬架系统可以根据车辆的行驶工况采取相应的车身高度控制策略，大大提高了悬架的相关性能，改善了车辆的行驶平顺性、操纵稳定性和行驶通过性，同时该系统具有很好的可靠性,提高了系统寿命，减少了压缩空气的消耗，对节能减排、建设资源节约型社会有重大意义。

电控空气悬架系统因其优越性能得到了人们的青睐，在发达国家电控空气悬架系统已经得到了广泛的应用。随着我国高速公路的迅速发展、公路运输量的骤然增加以及对高性能客货车的需求也必将促进空气悬架的广泛应用。但是车辆的行驶工况复杂多变，增加了电控空气悬架控制系统的复杂性。同时由于气体的可压缩性，在对空气弹簧进行充放气时极易出现过充过放现象，进而影响了电控空气悬架的控制效果。另外，在对各个空气弹簧单独进行高度控制时，由于各个空气弹簧高度调节速率的差异，会影响整车车身高度调节过程中的车身姿态，不利于车辆的舒适性。因此如何有效的克服过充过放现象以及根据车辆的行驶工况实现对车身高度的准确控制，并使得在整车车身高度调节过程中能够保持较好的车身姿态成为当前商用车电控空气悬架系统的研究热点。

发明内容

针对现有技术上存在的不足，本发明的目的在于提供一种分层架构的电控空气悬架整车高度控制方法，能够根据车辆的行驶工况采取相应的车身高度控制策略，提高车辆的行驶平顺性、操纵稳定性和行驶通过性，并有效的克服车身高度调整过程中的过充过放现象，同时在整车车身高度调节过程中能够保持较好的车身姿态。为满足空气悬架的控制要求，设计了一种针对电感式高度传感器的高度信号采集电路与软件程序配合以实现车身高度信号的精确跟踪。

为了实现上述目的，本发明是通过如下技术方案来实现的：

本发明所提出的一种分层架构的电控空气悬架整车高度控制方法，该电控空气悬架系统控制方法包括上层控制策略和底层控制策略；所述上层控制策略用于根据车辆行驶工况决策出各空气弹簧的目标调整高度，所述底层控制策略用于各空气弹簧的目标调整高度的准确控制。

所述的上层控制策略包括信号输入模块、工况识别模块和目标高度决策模块，所述信号输入模块包括车速信号、高度传感器信号、侧向加速度信号、中控台按钮信号、车门信号、制动信号和压力开关信号；所述工况识别模块用于根据信号输入模块的输入信号，识别出车辆的当前行驶工况，所述行驶工况包括手动控制工况、高速行驶工况、制动工况、转弯工况和颠簸路面行驶工况；所述目标高度决策模块用于根据车辆当前行驶工况决策出车辆的目标调整高度，所述目标调整高度包括高度Ⅰ、高度Ⅱ、高度Ⅲ、侧跪高度、高度上升和高度下降。

进一步，前述方法中，所述工况识别模块确定车辆当前行驶工况的条件为：

A确定车辆当前行驶工况为手动控制工况的条件为：车速低于某一临界值，并有中控台按钮信号产生，且持续时间大于参考时间，为防止驾驶员误操作，所述时间不低于1秒。

B确定车辆当前行驶工况为直线高速行驶工况的条件为：车速大于某一临界值，并且侧向加速度小于某一临界值，且持续时间大于参考时间，所述参考时间不低于10秒。

C确定车辆当前行驶工况为制动工况的条件为：有制动踏板信号产生。

D确定车辆当前行驶工况为转向工况的条件为：侧向加速度大于某一临界值，且持续时间大于参考时间，所述参考时间不低于40秒。

进一步，前述方法中，所述目标高度决策模块确定车辆目标调整高度的条件为：

E确定车辆目标调整高度为高度Ⅱ的条件为：驾驶员按下高度Ⅱ按钮，且车辆当前行驶工况为手动控制工况。

F确定车辆目标调整高度为高度Ⅲ的条件为：车辆当前行驶工况为直线高速行驶工况。

G确定车辆目标调整高度为侧跪高度的条件为：驾驶员按下侧跪高度按钮，且车辆当前行驶工况为手动控制工况，并且车速小于某一临界值、储气罐压力大于某一临界值以及车门关闭。

H确定车辆目标调整高度为高度下降的条件为：驾驶员按住下降按钮，且车辆当前行驶工况为手动控制工况，并且储气罐压力大于某一临界值，并且车身实际高度大于某一极限高度。

I确定车辆目标调整高度为高度上升的条件为：驾驶员按住上升按钮，且车辆当前行驶工况为手动控制工况，并且车身实际高度某一极限高度。

所述的底层控制策略，利用车身高度传感器采集的车身高度信息，计算出车身平面位置，然后解算出各个空气弹簧处的车身实际高度。在对单个空气弹簧进行高度控制时，以上层控制策略输出的目标调整高度与当前实际高度的差值，作为PD控制器的输入量，计算出PWM脉宽调制信号的占空比，并且在对各个空气弹簧进行高度调节时根据整车车身平面状态信息，对PD控制器计算出来的PWM脉宽调制信号的占空比进行修正，所述PD控制器包括比例控制环节和微分控制环节。

本发明所提出的商用车分层架构的电控空气悬架整车高度控制方法内置于电子控制单元中，电子控制按照内置的控制方法，根据输入的车速信号、高度传感器信号、压力传感器信号、中控台按钮信号、车门信号、制动信号和压力开关信号，输出相应的PWM脉宽调制信号通过电磁阀驱动电路控制电磁阀的开启与关闭，从而对空气弹簧进行充气和放气控制，达到控制车身高度的目的。

本发明所提出的高度信号采集模块用于车身高度信号的实时跟踪，包括高度信号采集电路和软件程序，所述高度信号采集电路是基于电感式高度传感器设计的，与软件程序配合，由单片机的定时中断功能产生周期性方波信号，对高度传感器中的电感进行充放电，由单片机输入捕捉功能计算出不同电感系数下的时间常数，间接获得实时的车身高度。

本专利的有益技术效果是：该商用车空气悬架电控系统的车身高度跟踪模块能够准确、实时地跟踪车身高度的变化，满足各工况的控制要求。根据车辆的行驶工况采取相应的控制方法，大大的改善了商用车的行驶平顺性、操纵稳定性和通过性，克服了车身高度调整过程中的过充过放现象，同时在对各个空气弹簧进行高度调节时兼顾整车车身平面状态的控制，进而能够保持较好的整车车身姿态。

本发明提出的控制方法可以根据车辆的行驶工况采取相应的车身高度控制策略，改善了商用车的行驶平顺性、操纵稳定性和通过性改善了商用车的行驶平顺性、操纵稳定性和通过性，并且克服了车身高度调整过程中的过充过放以及振荡现象，同时在车身高度调节过程中对各个空气弹簧进行高度调节时兼顾了整车车身平面状态的控制，保持了较好的车身姿态。

附图说明

图1为本发明的商用车电控空气悬架系统控制方法原理图。

图2为本发明的商用车电控空气悬架系统控制方法的底层控制策略流程图。

图3为高度信号采集模块电路图。

图4为高度信号采集模块软件程序流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、详细地描述。

实施例1：

如图1所示，本实施例的商用车电控空气悬架系统的控制方法具体如下：

将车身高度定义为高度Ⅰ、高度Ⅱ、高度Ⅲ，分别对应车身中位、车身高位和车身低位。高度Ⅰ为车辆正常行驶高度，高度Ⅱ为车辆在颠簸路面上行驶高度，高度Ⅲ为车辆在高速良好路面上的行驶高度。

电子控制单元内置的控制方法包括：上层控制策略和下层控制策略。

上层控制策略具体如下：

驾驶员打开点火开关后，电控空气悬架系统启动自检功能，如果没有故障，位于中控台的警告灯和故障灯持续闪烁2s后熄灭，然后调节车身高度至目标高度1，否则进行故障处理。

车辆启动后，当车速<20km/h时，驾驶员才可以通过中控台的手动操纵按钮调整车身目标高度，当压力开关闭合时，不允许车身高度下降功能，车门关闭的情况下，才允许开启侧跪功能或取消侧跪功能。驾驶员手动操纵按钮调整车身目标高度时，设置1s的延时，以避免误操作，提高安全性。按下侧跪按钮并持续1s，将开启侧跪功能：切断前桥的两个空气弹簧间的气路连接，降低右侧车身至侧跪高度同时侧跪指示灯亮；当车速大于7km/h或按下恢复正常高度按钮并持续1s，则取消侧跪功能同时侧跪指示灯灭：连通前桥的两个空气弹簧间的气路并恢复车身高度至目标高度Ⅰ。行驶在颠簸路面上时，驾驶员可以按下高度Ⅱ按钮并持续1s，将车身高度调整至目标高度2，同时高度2指示灯亮，提高车辆的行驶通过性；当驾驶员按下高度Ⅰ按钮并持续1s，车辆将调整到目标高度1，同时高度Ⅱ指示灯熄灭。当驾驶员按住上升开关或下降开关，将实现车身高度的上升与下降调节，当车身实际高度达到所设定的最大高度或最低高度时，将停止高度调节。

车辆制动时将不进行车身高度调节。

当侧向加速度大于0.1m/s2时，则认为车辆进入转弯工况，电子控制单元控制相应的电磁阀，切断前桥两个空气弹簧间的气路连接通道，并延时60s后，调整车身高度至驶入转弯工况之前的目标高度；当侧向加速度小于0.05m/s2时，则认为车辆转弯结束，连通前桥的两个空气弹簧间的气路，并恢复车身高度至驶入转弯工况之前的目标高度。

当车辆行驶速度大于80km/h，并持续10s，则认为车辆处于良好路面上高速行驶工况，电子控制单元控制相应的电磁阀调整车身高度至目标高度Ⅲ，当车速下降到小于70km/h，并持续10s，则抬高车身高度恢复至目标高度Ⅰ。

车辆动态行驶时，当检测到车身实际高度与目标高度的差值超过所设定的允许误差范围时，每间隔60s进行一次车身高度修复，即调整车身高度至当前目标高度。

如图2所示，以左前空气弹簧高度跟踪为例，相应的底层控制策略具体如下：

由上层控制策略得到的车身目标调整高度分别记为Ht11、Ht12、Ht21和Ht22，分别对应为车辆左前、右前、左后和右后空气弹簧的目标调整高度。

由高度传感器测得的当前实际高度分别记为Hr12、Hr21和Hr22，分别对应为车辆右前、左后和右后空气弹簧的实际高度。根据三点确定一个平面的原理，已知Hr12、Hr21和Hr22可以计算出车辆的当前车身平面，进而可以得到车辆的左前空气弹簧的实际高度记为Hr11。

计算公式如下：

其中B为轮距，L为轴距。

则计算出车身平面四个空气弹簧安装位置处的高度分别为Hr12、Hr11、Hr21和Hr22。记车身平均高度为Hrm＝(Hr12+Hr11+Hr21+Hr22)/4。

在对单个空气弹簧进行高度控制时，由上层控制策略输出的目标调整高度Ht11与高度传感器测得的当前实际高度Hr11的差值e＝Ht11-Hr11。γ0为所允许的高度调节误差，当|Ht11-Hr11|>γ0时才进行空气弹簧高度调节控制。e作为PD控制器的输入量，计算出PWM脉宽调制信号的占空比，若当前-γ1<Hr11-Hr11<γ1则不对所计算出来的占空比进行修正，否则进行相应的修正，当Hr11-Hr11>γ1则适当加大由PD控制器计算出来的PWM脉宽调制信号的占空比，当Hr11-Hr11<-γ1时则适当减小由PD控制器计算出来的PWM脉宽调制信号的占空比。这样可以使得在车身高度调整过程中各个空气弹簧的高度上升和下降速率相当，进而在车身高度调节过程中能够保持较好的整车车身姿态，提高车辆的舒适性。当|Ht11-Hr11|<γ0时，则高度调整过程结束。

γ0、γ1和γ分别为所允许的高度调节误差，在此均设置为5mm，具体值可以根据实车调试情况进行标定。

如图3所示，所述高度传感器信号采集电路的工作过程如下：一次跟踪完成后，单片机在INPUT端输入低电平，上次跟踪引起的高度传感器电感电流通过二极管D1迅速放电，为下次跟踪做准备。当一次跟踪开始时(跟踪周期由单片机控制)，单片机输出信号使INPUT端为高电平，同时开始计数。由于运放工作在线性区，此时LM2904的反相端与同相端有相同的电压，高度传感器(等效为RL电路)上的电流由零开始逐渐增大，该电流由LM2904的输出端通过反馈电阻R3流入高度传感器，使比较器LM2901的INPUT1-端口的电压不断升高，当达到5V时，比较器LM2901的OUTPUT1端口由高电平跳变到低电平，单片机捕捉到下降沿，计数结束。同时单片机使INPUT端输入低电平，为下次跟踪做准备。此时，单片机中的计数值代表过渡过程中的一段时间，不同的数值代表不同的电感值，不同的电感值对应了不同的高度。

如图4所示，为高度信号跟踪模块的软件程序流程图，首先在主循环程序中进行单片机ECT模块的初始化和模数递减计数器初始化。将ECT模块端口设置为输入捕捉、下降沿触发计数模式，设置ECT模块的时钟周期为T并开启输入捕捉中断。利用模数递减计数器每5ms产生一次中断，在模数下溢中断服务程序中，开启主定时器，并将主定时器清零，在INPUT端输入高电平，开始给高度传感器中的电感充电。当单片机捕捉到OUTPUT端为下降沿时，进入输入捕捉中断服务程序，单片机读取此时的主定时器值n，所以可得电感的充电时间为t＝n*T，接着关闭主定时器，置INPUT端为低电平，使高度传感器中的电感放电。清中断标志位并开启总中断，为下一个高度信号的采集做准备。

上述对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种分层架构的电控空气悬架整车高度控制方法，其特征在于：该电控空气悬架整车高度控制方法包括上层控制策略和底层控制策略；所述上层控制策略用于根据车辆行驶工况决策出各空气弹簧的目标调整高度，所述底层控制策略用于各空气弹簧的目标调整高度的准确控制；所述上层控制策略包括信号输入模块、工况识别模块和目标高度决策模块，所述信号输入模块包括车速信号、高度传感器信号、侧向加速度信号、中控台按钮信号、车门信号、制动信号和压力开关信号；所述工况识别模块用于根据信号输入模块的输入信号，识别出车辆的当前行驶工况，所述当前行驶工况包括手动控制工况、直线高速行驶工况、制动工况、转向工况和颠簸路面行驶工况；所述目标高度决策模块用于根据车辆当前行驶工况决策出车辆的目标调整高度，所述目标调整高度包括高度Ⅰ、高度Ⅱ、高度Ⅲ、侧跪高度、高度上升和高度下降。

2.根据权利要求1所述的一种分层架构的电控空气悬架整车高度控制方法，其特征在于，所述工况识别模块确定车辆当前行驶工况的条件为：

A确定车辆当前行驶工况为手动控制工况的条件为：车速低于某一临界值，并有中控台按钮信号产生，且持续时间大于参考时间，为防止驾驶员误操作，所述参考时间不低于1秒；

B确定车辆当前行驶工况为直线高速行驶工况的条件为：车速大于某一临界值，并且侧向加速度小于某一临界值，且持续时间大于参考时间，所述参考时间不低于10秒；

C确定车辆当前行驶工况为制动工况的条件为：有制动踏板信号产生；

D确定车辆当前行驶工况为转向工况的条件为：侧向加速度大于某一临界值，且持续时间大于参考时间，所述参考时间不低于40秒。

3.根据权利要求1所述的一种分层架构的电控空气悬架整车高度控制方法，其特征在于，所述目标高度决策模块确定车辆目标调整高度的条件为：

E确定车辆目标调整高度为高度Ⅱ的条件为：驾驶员按下高度Ⅱ按钮，且车辆当前行驶工况为手动控制工况；

F确定车辆目标调整高度为高度Ⅲ的条件为：车辆当前行驶工况为直线高速行驶工况；

G确定车辆目标调整高度为侧跪高度的条件为：驾驶员按下侧跪高度按钮，且车辆当前行驶工况为手动控制工况，并且车速小于某一临界值、储气罐压力大于某一临界值以及车门关闭；

H确定车辆目标调整高度为高度下降的条件为：驾驶员按住下降按钮，且车辆当前行驶工况为手动控制工况，并且储气罐压力大于某一临界值，并且车身实际高度大于某一极限高度；

I确定车辆目标调整高度为高度上升的条件为：驾驶员按住上升按钮，且车辆当前行驶工况为手动控制工况，并且车身实际高度小于某一极限高度。

4.根据权利要求1所述的一种分层架构的电控空气悬架整车高度控制方法，其特征在于，所述底层控制策略利用车身高度传感器采集的车身高度信息，计算出车身平面位置，然后解算出各个空气弹簧处的车身实际高度；在对单个空气弹簧进行高度控制时，以上层控制策略输出的目标调整高度与当前实际高度的差值，作为PD控制器的输入量，计算出PWM脉宽调制信号的占空比，并且在对各个空气弹簧进行高度调节时根据整车车身平面状态信息，对PD控制器计算出来的PWM脉宽调制信号的占空比进行修正，所述PD控制器包括比例控制环节和微分控制环节。