汽車電控懸架系統(tǒng)的傳感器故障

及其檢修技術(shù)研究

郭太和

（河源技師學(xué)院，廣東 河源 517000）

【摘 要】電控懸架系統(tǒng)可以有效控制懸架的狀態(tài)，滿足汽車的行駛性能能。車輛振動(dòng)對(duì)電控懸架系統(tǒng)部件的性能影響較大，傳感器一旦發(fā)生故障將會(huì)失去對(duì)車輛行駛狀態(tài)的準(zhǔn)確判斷，使得電控懸架系統(tǒng)無(wú)法正常工作。因此，面對(duì)傳感器所存在的故障，針對(duì)汽車電控懸架系統(tǒng)的傳感器故障為切入點(diǎn)，通過(guò)建模分析的方式對(duì)傳感器故障診斷的方法進(jìn)行研究。

【關(guān)鍵詞】汽車;電控懸架系統(tǒng);傳感器故障;檢修

中圖分類號(hào)： U463.33文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A文章編號(hào)： 2095-2457（2019）13-0051-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.13.024

Research on Sensor Fault and its Repair Technology of Automotive Electronic Suspension System

GUO Tai-he

（Heyuan Institute of Technicians， Heyuan Guangdong 517000， China）

【Abstract】The electronically controlled suspension system can effectively control the state of the suspension and meet the driving performance of the car. Vehicle vibration has a great influence on the performance of the components of the electronically controlled suspension system. Once the sensor fails， it will lose the accurate judgment of the driving state of the vehicle， making the electronically controlled suspension system unable to work normally. Therefore， in the face of the faults of the sensor， the sensor fault of the automotive electronically controlled suspension system is the entry point， and the method of sensor fault diagnosis is studied by means of modeling and analysis.

【Key words】Automobile; Electronically controlled suspension system; Sensor failure; Overhaul

懸架就是將輪胎的受力和產(chǎn)生的力傳遞給車身，以保證汽車的正常行駛。汽車的懸架種類較多，利用阻尼元件緩沖保證汽車行駛的平穩(wěn)性。電控空氣懸架系統(tǒng)基于電子控制單元ECU，通過(guò)傳感器對(duì)懸架的狀態(tài)進(jìn)行采集，并實(shí)時(shí)反饋到懸架系統(tǒng)中，及時(shí)掌握懸架的狀態(tài)，從而滿足汽車的行駛需求。在實(shí)際工作的過(guò)程中，傳感器是保證汽車正常工作的前提，傳感器在正常工作的狀態(tài)下會(huì)為電控懸架系統(tǒng)提供準(zhǔn)確的信息。當(dāng)傳感器發(fā)生故障后，監(jiān)測(cè)信號(hào)會(huì)不準(zhǔn)確，會(huì)影響系統(tǒng)對(duì)傳感器的有效控制。因此，對(duì)電控懸架系統(tǒng)中的傳感器進(jìn)行在線故障診斷和檢測(cè)，讓傳感器可以在發(fā)生故障后能夠迅速得到處理，以保證電控懸架系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

1 基于傳感器故障的電控懸架系統(tǒng)建模

1.1 含傳感器故障的1/4汽車電控懸架系統(tǒng)建模

1/4汽車電控懸架系統(tǒng)模型如圖1所示。

產(chǎn)生空氣彈簧力的主要原因來(lái)自于內(nèi)部的壓縮氣體，因?yàn)閮?nèi)部的壓縮氣體會(huì)讓電控懸架系統(tǒng)出現(xiàn)非線性的特點(diǎn)，而在實(shí)際的運(yùn)行中，需要將非線性轉(zhuǎn)換為線性?？諝鈴椈墒请娍貞壹芟到y(tǒng)的重要部件，充氣和放氣都是一種熱力學(xué)過(guò)程，因而空氣彈簧非常容易受到減震器的影響，電磁閥關(guān)閉后，系統(tǒng)會(huì)停留一定時(shí)間后才能夠逐步趨向與穩(wěn)定，根據(jù)熱力學(xué)的定理，空氣彈簧的模型方程可以表示為[1]：

dm表示空氣彈簧的流量。

當(dāng)電控懸架系統(tǒng)的車身高度發(fā)生一定的變化時(shí)，需要通過(guò)空氣彈簧對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制。在空氣彈簧中，放氣的過(guò)程是整個(gè)模型的關(guān)鍵，可以將簧下質(zhì)量的振動(dòng)作為重要的干擾信息，并對(duì)單組空氣彈簧進(jìn)行表示。電控懸架系統(tǒng)中的傳感器包括車身高度、空氣彈簧氣壓以及簧上質(zhì)量加速度，這幾種傳感器都存在增益、偏差、卡死的故障[2]。傳感器正常工作的狀態(tài)下，電控懸架系統(tǒng)的量測(cè)方程可以表示為y=h（x）+v。

2 基于1/4車輛電控懸架系統(tǒng)中的傳感器故障診斷研究

當(dāng)傳感器的量測(cè)輸出作為輸入控制器時(shí)，需要使用控制儲(chǔ)氣罐電磁閥對(duì)空氣彈簧進(jìn)行曹組。一旦傳感器發(fā)生故障將會(huì)影響控制器的使用性能，影響其控制效果。從而不利于車輛的正常行駛。傳感器故障檢測(cè)與隔離策略如圖2所示。

可以將傳感器與控制器的輸出信號(hào)作為主要的輸入信息，對(duì)觀測(cè)器進(jìn)行設(shè)計(jì)。電控懸架系統(tǒng)的狀態(tài)估計(jì)值是通過(guò)觀測(cè)器獲取，根據(jù)不同觀測(cè)器之間的差值，然對(duì)故障檢測(cè)指標(biāo)和隔離指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，比較指標(biāo)與閾值，達(dá)到對(duì)傳感器故障檢測(cè)和隔離的目的。使用故障檢測(cè)和隔離方法有一個(gè)條件，即至少有一個(gè)傳感器能夠進(jìn)行正常工作，如果所有的傳感器都無(wú)法正常工作，則無(wú)法對(duì)傳感器進(jìn)行故障判斷[4]。

2.1 故障檢測(cè)方法

初級(jí)殘差特征描述如表1所示。

根據(jù)觀測(cè)器的估計(jì)值，構(gòu)建故障檢測(cè)指標(biāo)，將故障檢測(cè)指標(biāo)與檢測(cè)閾值進(jìn)行比較，當(dāng)故障檢測(cè)指標(biāo)小于閾值，則不會(huì)出現(xiàn)故障;反之則出現(xiàn)故障[5]。

2.2 故障隔離方法

使用故障檢測(cè)指標(biāo)的方式可以更好地檢測(cè)出傳感器的故障原因，為了更加確定是哪一個(gè)傳感器發(fā)生的故障，需要對(duì)電控懸架系統(tǒng)中的傳感器進(jìn)行故障隔離指標(biāo)設(shè)計(jì)。如表2所示。

如果系統(tǒng)中的傳感器都沒(méi)有故障，則每組觀測(cè)器中所獲取的電控懸架系統(tǒng)狀態(tài)變量都是相似的，且初級(jí)殘差和故障檢測(cè)都較小，故障隔離指標(biāo)更小。如果有傳感器發(fā)生故障，需要通過(guò)對(duì)應(yīng)觀測(cè)器獲取狀態(tài)變量估計(jì)值，獲取的估計(jì)值會(huì)發(fā)生改變，故障檢測(cè)指標(biāo)和隔離指標(biāo)都會(huì)變大，隔離指標(biāo)對(duì)于傳感器的故障更加敏感，比較隔離指標(biāo)與隔離預(yù)制能夠更快地實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器故障的隔離診斷。

2.3 基于CKF算法的電控懸架系統(tǒng)故障觀測(cè)器設(shè)計(jì)

電控懸架系統(tǒng)的非線性較強(qiáng)，在進(jìn)行傳感器故障診斷時(shí)，需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行線性化處理。

CKF算法可以對(duì)非線性進(jìn)行更好的處理，該算法是采用等效權(quán)值的方式，對(duì)非線性進(jìn)行變換后得到的均值和方差進(jìn)行計(jì)算，從而獲得更有的非線性逼近性能。根據(jù)其性能，對(duì)觀測(cè)器進(jìn)行方程設(shè)計(jì)：

3 汽車電控懸架系統(tǒng)故障診斷仿真

3.1 傳感器故障診斷對(duì)比仿真分析

除了使用CKF方法外，還可以使用EKF（卡爾曼濾波器算法）、STF（強(qiáng)跟蹤濾波器算法）方法對(duì)觀測(cè)器進(jìn)行設(shè)計(jì)。針對(duì)這三種不同的方法，針對(duì)傳感器的故障情況進(jìn)行診斷對(duì)比。

3.1.1 EKF方法

EKF方法比較適用于線性系統(tǒng)中，通過(guò)線性化處理后得到可擴(kuò)展的EKF算法。將EKF算法應(yīng)用在非線性系統(tǒng)中，其線性化誤差較大，算法邏輯簡(jiǎn)單，但是缺乏較好的跟蹤能力，因此在傳感器的故障診斷中，對(duì)于故障的敏感程度較差。

3.1.2 STF方法

STF方法引入了退化因子，增加了跟蹤性能。

在對(duì)線控懸架系統(tǒng)中的傳感器故障進(jìn)行診斷試驗(yàn)時(shí)，以空氣懸架為研究對(duì)象，對(duì)氣壓傳感器、加速度傳感器和高度傳感器進(jìn)行測(cè)試，并利用儲(chǔ)氣罐經(jīng)管路的方式對(duì)空氣懸架進(jìn)行充氣和放氣。

懸架系統(tǒng)會(huì)受到路面的影響而發(fā)生干擾，對(duì)其需要對(duì)車身的高度進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，并結(jié)合系統(tǒng)中的壓縮行程，使用外加儲(chǔ)氣罐對(duì)空氣懸架進(jìn)行充氣。調(diào)節(jié)電控懸架系統(tǒng)的高度，將其調(diào)至中位。使用CKF算法對(duì)觀測(cè)器進(jìn)行設(shè)計(jì)，根據(jù)不同的故障類型制定對(duì)應(yīng)的診斷策略，從而獲取系統(tǒng)的故障信息，并計(jì)算殘差和檢測(cè)指標(biāo)，結(jié)合不同的故障類型驗(yàn)證CKF算法的效果。

以故障2#（高度傳感器故障）為例，使用這三種方法進(jìn)行驗(yàn)證，獲得三種不同的分量曲線，如圖3所示。

在這種故障情況下，這種三種方法獲得的對(duì)應(yīng)故障傳感器的隔離指標(biāo)如圖4所示。

當(dāng)傳感器發(fā)生故障之前，故障檢測(cè)與格力指標(biāo)均沒(méi)有較大的浮動(dòng)，當(dāng)傳感器發(fā)生故障2s后，傳感器的故障檢測(cè)和隔離指標(biāo)的值開始上升，CKF相比于其他兩種方法，具有更好的診斷敏感性，且停留時(shí)間較短。

通過(guò)仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)三種算法的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證，三種算法均可以實(shí)現(xiàn)傳感器故障的檢測(cè)與隔離，但是結(jié)果顯示，在傳感器的故障診斷中，CKF方法在進(jìn)行故障診斷時(shí)具有更好的敏感性。

4 結(jié)束語(yǔ)

為了可以更好的檢測(cè)汽車電控懸架系統(tǒng)的傳感器故障，制定了有針對(duì)性的傳感器故障診斷策略。針對(duì)不同的故障情況進(jìn)行了傳感器故障診斷仿真，采用不同的方法進(jìn)行觀測(cè)器的設(shè)計(jì)，任意選擇一種故障情況，并分析不同的診斷方法在傳感器故障的應(yīng)用效果。在氣體熱力學(xué)和車輛動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)上創(chuàng)建了汽車電控懸架系統(tǒng)的模型，并對(duì)電控懸架系統(tǒng)中的傳感器故障制定了相關(guān)的檢測(cè)及診斷策略，通過(guò)實(shí)驗(yàn)仿真的方式對(duì)故障診斷策略進(jìn)行了驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明，電控懸架系統(tǒng)傳感器故障檢測(cè)方法可以快速檢測(cè)出傳感器的故障存在，并及時(shí)對(duì)故障進(jìn)行處理，以保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

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