CN110001341B - 一种空气悬架横向互联控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种安装在车辆上的空气悬架横向互联控制系统及方法，控制系统由温度采集模块、气压采集模块、车高采集模块以及依次串接的控制器、PWM驱动模块、互联电磁阀组成，控制器包含空气弹簧有效面积及体积计算模块、所需侧倾力计算模块、阻尼器及横向稳定杆力计算模块、所需交换的气体质量流速计算模块和最优互联管路内径计算模块这五个模块，通过读取车辆各悬架高度、各空气弹簧气压和温度，根据各物理量之间的关系，逆推出在当前车辆状态下若需将车辆簧上质量相对于簧下质量的侧倾角恢复至零时所需互联管路交换的气体质量流速，并通过PWM驱动电磁阀运作，系统所需信息可直接获取，计算结果可靠，控制精确。

Description

一种空气悬架横向互联控制系统及方法

技术领域

本发明涉及安装在车辆上的空气悬架，具体涉及基于模型的保证车身姿态稳定的横向互联空气悬架控制系统。

背景技术

横向互联空气悬架能够在不影响悬架垂向特性的同时，改变悬架侧倾角刚度，通过合理控制，可提高车辆行驶平顺性。

中国发明专利申请号为201611118739.8，名称为“一种横向互联空气悬架仿天棚互联状态控制系统及控制方法，在横向互联空气弹簧的连接管路上设有电磁阀，电磁阀的开闭由控制系统决定并经驱动电路驱动，通过获取簧上质量侧倾角和前后轴侧倾角来判断，控制各互联电磁阀开闭，合理调整悬架侧倾刚度，达到抑制簧上质量侧倾运动的目的。但这种控制系统存在的问题是：所需簧下质量侧倾角，在悬架中因没有合适的传感器安装位置而无法通过传感器直接获取。

有出现的一种横向互联空气悬架控制方法，通过获取外界车速、转弯工况等信息，根据所设阈值来打开或关闭互联，通过工况辨识，将工况按照不同车速、方向盘转角和车身侧倾角的范围来打开会关闭互联。其存在的问题是：工况范围设置宽泛，互联的开闭粗糙，无法根据车辆瞬时状态的变化来动态调整，效果较差。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种基于模型的空气悬架横向互联控制系统及其控制方法，根据传感器可直接获取车辆的各悬架高度信息、各空气弹簧气压以及温度信息，通过车辆模型计算出最优互联管路内径并经过PWM驱动各互联电磁阀用作，控制更为细致，控制效果更好。

本发明一种空气悬架横向互联控制系统采用的技术方案是：其由温度采集模块、气压采集模块、车高采集模块以及依次串接的控制器、PWM驱动模块、互联电磁阀组成，控制器包含空气弹簧有效面积及体积计算模块、所需侧倾力计算模块、阻尼器及横向稳定杆力计算模块、所需交换的气体质量流速计算模块和最优互联管路内径计算模块这五个模块，空气弹簧有效面积及体积计算模块、所需侧倾力计算模块和阻尼器及横向稳定杆力计算模块这三个模块的输出端均连接所需交换的气体质量流速计算模块的输入端，所需交换的气体质量流速计算模块的输出端连接最优互联管路内径计算模块的输入端，最优互联管路内径计算模块的输出端连接PWM驱动模块；车高采集模块的输出端分别连接空气弹簧有效面积及体积计算模块、所需侧倾力计算模块和阻尼器及横向稳定杆力计算模块这三个模块的输入端，温度采集模块和气压采集模块的输出端均连接最优互联管路内径计算模块的输入端。

所述一种空气悬架横向互联控制系统的控制方法采用的技术方案是包括以下步骤：

步骤1)：车身高度采集模块采集各悬架高度fd(i)并发送至控制器，i＝1,2,3,4，分别是车辆的前左、前右、后左和后右四个方位；

步骤2)：所述的阻尼器及横向稳定杆力计算模块先计算出悬架各阻尼器力Fc(i)，再计算出车辆横向稳定杆在各悬架处作用在簧上质量上的各横向稳定杆力Fb(i)；所述的所需侧倾力计算模块先计算出车辆簧上质量相对于簧下质量的侧倾角θ，再计算出所需的侧倾力Fr；所述的空气弹簧有效面积及体积计算模块先计算出各空气弹簧有效面积S(i)，再计算出各空气弹簧体积V(i)；

步骤3)：所述的气体质量流速计算模块获取各阻尼器阻尼力Fc(i)、各横向稳定杆力Fb(i)、所需侧倾力Fr、空气弹簧有效面积S(i)和体积V(i)，先计算出阻尼器和横向稳定杆在各悬架位置对车辆簧上质量的作用力Fcb(i)，再计算出除去阻尼力和横向稳定杆力后若使得侧倾角θ恢复至0则所需的空气弹簧不平衡力F，然后计算出各空气弹簧所需提供的力Fs(i)和当前状态下所需通过互联管路交换的气体质量q(i)，最后计算出当前状态下所需前后轴互联管路交换的气体质量流速qm(1)和qm(2)；

步骤4)：气压采集模块获取各空气弹簧内部气体压力P(i)并输入最优互联管路内径计算模块中，温度采集模块获取各空气弹簧内部气体温度T(i)并输入控制器内最优互联管路内径计算模块中；

步骤5)：最优互联管路内径计算模块先将各空气弹簧内部气体压力P(i)进行对比和判断，计算出前后轴单位互联面积下的气体质量流量qr1和qr2，再判断当前状态下所需前后轴互联管路交换的气体质量流速qm(1)和前后轴单位互联面积下的气体质量流量qr1是否有相同的正负号，以及判断当前状态下所需前后轴互联管路交换的气体质量流速qm(2)和前后轴单位互联面积下的气体质量流量qr2是否有相同的正负号，若同号，则计算出前后轴最优互联管路内径D1和D2，否则，前后轴最优互联管路内径D1和D2为零；

步骤6)：最优互联管路内径计算模块将最佳互联管路内径发送至PWM驱动模块，PWM驱动模块根据车辆上实际互联管路内径与接收的最佳互联管路内径信息生成PWM驱动信号，发送至互联电磁阀模块。

本发明的技术效果是：

1、本发明通过各悬架处易于获取的车身高度和空气弹簧温度及气压信息直接计算出最优的控制量，保证车辆运行时由空气弹簧引起的车身侧倾力矩最小，提升车辆舒适性与操稳性，相比于其他基于模型的寻优控制算法运算量小，滞后小。

2、本发明控制系统通过读取车辆各悬架高度、各空气弹簧气压和温度，根据各物理量之间的关系，逆推出在当前车辆状态下，若需将车辆簧上质量相对于簧下质量的侧倾角恢复至零时所需互联管路交换的气体质量流速，并通过PWM驱动电磁阀运作。系统所需信息可直接获取，且基于模型，计算结果可靠，控制精确，较传统互联状态控制效果更好。

附图说明

图1为本发明一种空气悬架横向互联控制系统的结构框图；

图2为图1所示的控制系统的运行流程图。

具体实施方式

如图1所示，本发明一种空气悬架横向互联控制系统由温度采集模块、气压采集模块、车高采集模块以及依次串接的控制器、PWM驱动模块、互联电磁阀组成。其中温度采集模块安装在空气悬架的空气弹簧内，采集各空气弹簧内部的气体温度，将温度信息转换为数字信号，发送至控制器。气压采集模块通过管路和连接头连接传感器进气口和空气弹簧进出气口，采集空气弹簧内部的气体压力，将气体压力信息转换为数字信号，发送至控制器。车高采集模块采用拉线式距离传感器，拉线式距离传感器主体固定在靠近悬架的车辆簧上质量上，其拉线端固定在主体正下方的靠近悬架的车辆簧下质量上，将传感器主体与拉线端的距离信息转换为数字信号，作为车辆高度信息传输至控制器。

控制器包含空气弹簧有效面积及体积计算模块、所需侧倾力计算模块、阻尼器及横向稳定杆力计算模块、所需交换的气体质量流速计算模块和最优互联管路内径计算模块这五个模块。其中，空气弹簧有效面积及体积计算模块、所需侧倾力计算模块和阻尼器及横向稳定杆力计算模块这三个模块的输出端均连接所需交换的气体质量流速计算模块的输入端，所需交换的气体质量流速计算模块的输出端连接最优互联管路内径计算模块的输入端。最优互联管路内径计算模块的输出端连接PWM驱动模块。

车高采集模块的输出端分别连接空气弹簧有效面积及体积计算模块、所需侧倾力计算模块和阻尼器及横向稳定杆力计算模块这三个模块的输入端。温度采集模块和气压采集模块的输出端均连接最优互联管路内径计算模块的输入端。

空气弹簧有效面积及体积计算模块通过读取车高采集模块的信息获取车辆高度信息即各悬架的行程，通过空气弹簧有效面积和体积随悬架行程变化的关系，计算出当前各空气弹簧的有效面积和体积，并发送至所需交换的气体质量流速模块。所需侧倾力计算模块通过读取车高采集模块的信息获取各悬架行程，根据车辆簧上质量相对簧下质量侧倾角与各悬架行程之间的关系，首先计算出车辆簧上质量相对簧下质量侧倾角，再根据该侧倾角与车辆侧倾转动惯量和轮距之间的关系计算出当前若使车辆簧上质量相对簧下质量侧倾角回复至0时所需的侧倾力，并发送至所需交换的气体质量流速计算模块。阻尼器及横向稳定杆力计算模块通过读取车高采集模块的信息获取各悬架行程，根据各阻尼器力与各悬架行程变化的关系以及各横向稳定杆力与各悬架行程的关系，计算出当前各阻尼器作用在车辆簧上质量上的力以及各横向稳定杆作用在车辆簧上质量上的力，并发送至所需交换的气体质量流速计算模块。所需交换的气体质量流速计算模块获取各阻尼器及各横向稳定杆力计算模块的阻尼器力和横向稳定杆力信息、所需侧倾力计算模块的所需侧倾力信息和空气弹簧有效面积及体积计算模块的各空气弹簧有效面积和体积信息，首先计算所需侧倾力与各阻尼器力和横向稳定杆力的差，获得若使得车辆回复至平衡状态则应由空气弹簧提供的总不平衡力，根据不平衡力矩和各空气弹簧力的关系，将不平衡力矩平均分配至各空气弹簧后，再根据空气弹簧力与有效面积和气压的关系和热力学中气体体积、气体压力和气体质量的关系，计算出在当前状态下若使各空气弹簧力满足上一步计算结果则是各空气弹簧中的气体质量值，最后将计算出的左右侧空气弹簧中的气体质量值做差并微分，则得出若使车辆簧上质量恢复至平衡状态则当前互联管路中应交换的气体质量流速，并发送至最优互联管路内径计算模块。

最优互联管路内径计算模块通过读取气压采集模块信息获取各空气弹簧内部气体压力，通过读取温度采集模块信息获取各空气弹簧内部气体温度，通过读取所需交换的气体质量流速模块信息获取所需交换的气体质量值，首先通过判断各互联管路左右两侧的空气弹簧内部气体压力来确定气体质量流入流出侧，依此将对应的参数赋值，然后根据空气动力学计算在当前状态下单位面积下互联管路内气体质量流速，以气体质量流入左侧空气弹簧为正，流出为负，若计算所得的当前状态单位面积下的互联管路内气体质量流速与所需交换的气体质量流速同号，则通过管路横截面积和阻流系数计算出当前最优的管路内径，否则管路内径为零，最后将计算所得的最优互联管路内径发送至PWM驱动模块。

PWM驱动模块根据接收的最优互联管路内径值和已安装在车上的真实互联管路内径值生成PWM驱动信号，并发送至互联电磁阀模块。

互联电磁阀模块接收PWM模块发送的驱动信号打开或关闭电磁阀，以实现互联的打开与关闭。其中PWM驱动信号为高电平时互联电磁阀打开，PWM驱动信号为低电平时互联电磁阀关闭。

如图2所示，本发明所述的空气悬架横向互联控制系统的控制方法具体按以下六个步骤实施，在实施中所涉及的整车参数均需预先设置在控制器中：

步骤1：车身高度采集模块采集各悬架高度fd(i)(i＝1,2,3,4。下同)，并将悬架高度fd(i)发送至控制器。本发明以有四支悬架，各悬架有一个空气弹簧的两轴的车辆为例来描述，其中fd(i)中的i＝1、2、3和4分别表示车辆的前左、前右、后左和后右四个方位，横向互联则为前左和前右侧空气弹簧互联和后左和后右侧空气弹簧互联。

步骤2：控制器对接收的各悬架高度fd(i)进行处理。

控制器内的阻尼器及横向稳定杆力计算模块首先根据以下阻尼力计算公式计算出悬架各阻尼器力：

其中C(i)为各悬架阻尼器的阻尼系数，Fc(i)为各悬架阻尼作用在车辆簧上质量上的阻尼器力。

其次再根据以下横向稳定杆力计算公式计算出车辆横向稳定杆在各悬架处作用在簧上质量上的各横向稳定杆力Fb(i)：

其中Armf和Armr分别为前后横向稳定杆力臂长度，Kbf和Kbr为前后横向稳定杆的扭转刚度，Lw为轮距。

控制器内的所需侧倾力计算模块首先根据下式计算出车辆簧上质量相对于簧下质量的侧倾角θ：

再根据下式计算出所需的侧倾力Fr：

其中Ir为车辆侧倾转动惯量；K为大于零的比例系数，可根据系统状况进行赋值；Sign(θ)是符号计算，当数小于0输出-1，大于0输出1，等于0输出0。

控制器内的空气弹簧有效面积及体积计算模块首先根据下式计算出各空气弹簧有效面积S(i)：

S(i)＝fd(i)×Dse(i)+S0(i)，

其中Dse(i)为各空气弹簧有效面积随悬架行程变化率，S0(i)为空气弹簧初始有效面积。

再根据下式计算出各空气弹簧体积V(i)：

V(i)＝fd(i)×Dv(i)+V0(i)，

其中Dv(i)为各空气弹簧体积随悬架行程的变化率，V0(i)为各空气弹簧初始体积。

控制器内的所需交换的气体质量流速计算模块获取各阻尼器阻尼力Fc(i)、各横向稳定杆力Fb(i)、所需侧倾力Fr、空气弹簧有效面积S(i)和体积V(i)，首先根据下式计算出阻尼器和横向稳定杆在各悬架位置对车辆簧上质量的作用力Fcb(i)：

Fcb(i)＝Fc(i)+Fb(i)，

再根据下式计算出除去阻尼力和横向稳定杆力后若使得θ值恢复至0则所需的空气弹簧不平衡力F：

F＝Fr-(Fcb(1)-Fcb(2)+Fcb(3)-Fcb(4))，

然后根据下式计算出各空气弹簧所需提供的力Fs(i)：

其中Mb为簧上质量，g为重力加速度，Lr为车辆后轴到质心的水平距离，Lf为车辆前轴到质心的水平距离；

其次根据下式计算出当前状态下所需通过互联管路交换的气体质量q(i)：

其中Pa为大气压力，k为绝热指数，m0(i)为各空气弹簧内部初始气体质量；

最后根据下式计算出当前状态下所需前后轴互联管路交换的气体质量流速qm(1)和qm(2)：

将气体质量流速qm(1)和qm(2)输入最优互联管路内径计算模块中。

步骤3：气压采集模块获取各空气弹簧内部气体压力P(i)，并将气体压力P(i)输入控制器内最优互联管路内径计算模块中。温度采集模块获取各空气弹簧内部气体温度T(i)，并将气体温度T(i)输入控制器内最优互联管路内径计算模块中。

步骤4：控制器内的最优互联管路内径计算模块首先将各空气弹簧内部气体压力P(i)进行对比，判断：

P(1)-P(2)>0，

P(3)-P(4)>0，

若P(1)-P(2)>0成立，则给前轴计算参数p1、p2、t1和t2赋值：

否则给前轴计算参数p1、p2、t1和t2赋值：

若P(3)-P(4)>0成立，则给后轴计算参数p3、p4、t3和t4赋值：

否则给后轴计算参数p3、p4、t3和t4赋值：

赋值后，根据下式计算出前后轴单位互联面积下的气体质量流量qr1和qr2：

再次判断当前状态下所需前后轴互联管路交换的气体质量流速qm(1)和前后轴单位互联面积下的气体质量流量qr1是否有相同的正负号，以及判断当前状态下所需前后轴互联管路交换的气体质量流速qm(2)和前后轴单位互联面积下的气体质量流量qr2是否有相同的正负号，若同号，则前后轴最优互联管路内径D1和D2为：

否则，前后轴最优互联管路内径D1和D2为零。

最后，最优互联管路内径计算模块将最佳互联管路内径发送至PWM驱动模块。

步骤5：PWM驱动模块接收最佳互联管路内径信息，利用已有的三角波生成法技术，根据车辆上实际已安装的互联管路内径与接收的最佳互联管路内径信息生成PWM驱动信号，并发送至互联电磁阀模块。

步骤6：互联电磁阀模块接收到PWM驱动模块的驱动信号，打开会关闭相应的互联电磁阀。

Claims (6)

1.一种空气悬架横向互联控制系统，由温度采集模块、气压采集模块、车高采集模块以及依次串接的控制器、PWM驱动模块、互联电磁阀组成，其特征是：控制器包含空气弹簧有效面积及体积计算模块、所需侧倾力计算模块、阻尼器及横向稳定杆力计算模块、所需交换的气体质量流速计算模块和最优互联管路内径计算模块这五个模块，空气弹簧有效面积及体积计算模块、所需侧倾力计算模块和阻尼器及横向稳定杆力计算模块这三个模块的输出端均连接所需交换的气体质量流速计算模块的输入端，所需交换的气体质量流速计算模块的输出端连接最优互联管路内径计算模块的输入端，最优互联管路内径计算模块的输出端连接PWM驱动模块；车高采集模块的输出端分别连接空气弹簧有效面积及体积计算模块、所需侧倾力计算模块和阻尼器及横向稳定杆力计算模块这三个模块的输入端，温度采集模块采集各空气弹簧内部的气体温度，气压采集模块采集空气弹簧内部的气体压力，温度采集模块和气压采集模块的输出端均连接最优互联管路内径计算模块的输入端。

2.一种如权利要求1所述的空气悬架横向互联控制系统的控制方法，其特征是包括以下步骤：

步骤1)：车身高度采集模块采集各悬架高度fd(i)并发送至控制器，i＝1,2,3,4，分别是车辆的前左、前右、后左和后右四个方位；

步骤2)：所述的阻尼器及横向稳定杆力计算模块先计算出悬架各阻尼器力Fc(i)，再计算出车辆横向稳定杆在各悬架处作用在簧上质量上的各横向稳定杆力Fb(i)；所述的所需侧倾力计算模块先计算出车辆簧上质量相对于簧下质量的侧倾角θ，再计算出所需的侧倾力Fr；所述的空气弹簧有效面积及体积计算模块先计算出各空气弹簧有效面积S(i)，再计算出各空气弹簧体积V(i)；

步骤3)：所述的气体质量流速计算模块获取各阻尼器阻尼力Fc(i)、各横向稳定杆力Fb(i)、所需侧倾力Fr、空气弹簧有效面积S(i)和体积V(i)，先计算出阻尼器和横向稳定杆在各悬架位置对车辆簧上质量的作用力Fcb(i)，再计算出除去阻尼力和横向稳定杆力后若使得侧倾角θ恢复至0则所需的空气弹簧不平衡力F，然后计算出各空气弹簧所需提供的力Fs(i)和当前状态下所需通过互联管路交换的气体质量q(i)，最后计算出当前状态下所需前后轴互联管路交换的气体质量流速qm(1)和qm(2)；

步骤4)：气压采集模块获取各空气弹簧内部气体压力P(i)并输入最优互联管路内径计算模块中，温度采集模块获取各空气弹簧内部气体温度T(i)并输入控制器内最优互联管路内径计算模块中；

步骤5)：最优互联管路内径计算模块先将各空气弹簧内部气体压力P(i)进行对比和判断，计算出前后轴单位互联面积下的气体质量流量qr1和qr2，再判断当前状态下所需前后轴互联管路交换的气体质量流速qm(1)和前后轴单位互联面积下的气体质量流量qr1是否有相同的正负号，以及判断当前状态下所需前后轴互联管路交换的气体质量流速qm(2)和前后轴单位互联面积下的气体质量流量qr2是否有相同的正负号，若同号，则计算出前后轴最优互联管路内径D1和D2，否则，前后轴最优互联管路内径D1和D2为零；

步骤6)：最优互联管路内径计算模块将最佳互联管路内径发送至PWM驱动模块，PWM驱动模块根据车辆上实际互联管路内径与接收的最佳互联管路内径信息生成PWM驱动信号，发送至互联电磁阀模块。

3.根据权利要求2所述的控制方法，其特征是：步骤2)中，阻尼器及横向稳定杆力计算模块根据式

计算出悬架各阻尼器力Fc(i)，根据式

Fb(2)＝-Fb(1)，

Fb(4)＝-Fb(3)，计算出各横向稳定杆力Fb(i)，Armf和Armr分别为前后横向稳定杆力臂长度，Kbf和Kbr为前后横向稳定杆的扭转刚度，Lw为轮距；

所需侧倾力计算模块根据式

计算出侧倾角θ，根据式

计算出所需的侧倾力Fr，Ir为车辆侧倾转动惯量，K为大于零的比例系数，Sign(θ)是符号计算，当数小于0输出-1，大于0输出1，等于0输出0；

空气弹簧有效面积及体积计算模块根据式S(i)＝fd(i)×Dse(i)+S0(i)计算出各空气弹簧有效面积S(i)，根据式V(i)＝fd(i)×Dv(i)+V0(i)计算出各空气弹簧体积V(i)，Dse(i)为各空气弹簧有效面积随悬架行程变化率，S0(i)为空气弹簧初始有效面积，Dv(i)为各空气弹簧体积随悬架行程的变化率，V0(i)为各空气弹簧初始体积。

4.根据权利要求3所述的控制方法，其特征是：步骤3)中，气体质量流速计算模块根据式Fcb(i)＝Fc(i)+Fb(i)计算出作用力Fcb(i)，根据式F＝Fr-(Fcb(1)-Fcb(2)+Fcb(3)-Fcb(4))计算出空气弹簧不平衡力F，根据式

计算出各空气弹簧所需提供的力Fs(i)，根据式

计算出气体质量q(i)，根据式

计算出气体质量流速qm(1)和qm(2)，Mb为簧上质量，g为重力加速度，Lr为车辆后轴到质心的水平距离，Lf为车辆前轴到质心的水平距离，Pa为大气压力，k为绝热指数，m0(i)为各空气弹簧内部初始气体质量。

5.根据权利要求4所述的控制方法，其特征是：步骤5)中，最优互联管路内径计算模块判断P(1)-P(2)>0是否成立，若是，则给前轴的p1、p2、t1和t2计算参数赋值为：p1＝P(1)，p2＝P(2)，t1＝T(1)，t2＝T(2)，若否，则给前轴p1、p2、t1和t2计算参数赋值为：p1＝P(2)，p2＝P(1)，t1＝T(2)，t2＝T(1)；判断P(3)-P(4)>0是否成立，若是，则给后轴的p3、p4、t3和t4计算参数赋值为：p3＝P(3)，p4＝P(4)，t3＝T(3)，t4＝T(4)，若否，则给后轴p3、p4、t3和t4计算参数赋值为：p3＝P(4)，p4＝P(3)，t3＝T(4)，t4＝T(3)；根据式

计算出前后轴单位互联面积下的气体质量流量qr1和qr2。

6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征是：最优互联管路内径计算模块判断当前状态下所需前后轴互联管路交换的气体质量流速qm(1)和前后轴单位互联面积下的气体质量流量qr1是否有相同的正负号，以及判断当前状态下所需前后轴互联管路交换的气体质量流速qm(2)和前后轴单位互联面积下的气体质量流量qr2是否有相同的正负号，若同号，则前后轴最优互联管路内径D1、D2为：

否则，前后轴最优互联管路内径D1、D2均为零。

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