电控悬架理论及关键技术研究

硕士研究生课程论文电控悬架理论及关键技术研究课程名称：汽车电子与控制技术任课教师：XXX学生姓名：XXX年 级：2013 级学生编号：XXX专 业：车辆工程时 间：2014 年 1 月 10 日1电控悬架理论及关键技术研究摘要：本文首先对电控悬架概念、结构原理及分类做出简要概述。针对电控悬架系统，建立了基于 PID 控制的仿真模型。通过仿真，对比了空气悬架的簧载质量振动加速度、车轮动载荷以及悬架的动行程的动态变化。利用 MATLAB 实时工具 xPc Target，实现电控悬架的硬件在环实时仿真。关键词：电控悬架；PID 控制；硬件在环Study on the Theory and Key Technology of Electronic Control SuspensionAbstract: This paper first makes a brief overview of the concept, structure and classification of electronic control suspension. For the electronically controlled air suspension systems, one simulation model is established which based on PID control strategy. Through the simulation, we compare the dynamic changes of the sprung mass vibration acceleration, the dynamic wheel load and the suspension travel for air suspension.Key Words: ECAS；PID control；Hardware in the Loop2目录1 研究目的和意义. 42 ECAS 国内外发展概况. 52.1 国外发展概况. 52.2 国内发展概况. 63 ECAS 的主要结构及其工作原理 .63.1 ECAS 的主要结构 63.2 电子控制空气悬架的工作原理. 83.3 ECAS 的主要功能及其实现 94 ECAS 仿真模型的建立 .104.1 ECAS 动力学模型的建立 .114.2 路面激励模型 124.3 PID 控制器参数的调整 .144.4 PID 控制器的设计 .155 电控半主动悬架硬件在环仿真 .175.1 硬件在环的实现形式 .175.2 硬件在环仿真试验台结构及原理 185.3 XPC TARGET .195.4 PC-818L 数据采集板卡 205.5 建立 SIMULINK 电控半主动悬架硬件在环仿真模型 .20结 论 .22参考文献 223随着人们对车辆乘坐舒适性要求的提高和我国汽车悬架技术的发展，以及系统应用的推广和车辆控制技术的发展，电子控制悬架逐渐取代传统的机械控制的悬架，电子控制悬架系统应运而生。电子控制空气悬架 ECAS(Electronically Controlled Air Suspension)可以显著提高车辆乘坐舒适性、行驶平顺性和操纵稳定性，毫无疑问，ECTS 这一先进的悬架系统在汽车上的应用将越来越普及。1 研究目的和意义悬架系统影响汽车的平顺性、操纵稳定性、轮胎接地性等主要性能。带有机械式高度调节的空气悬架系统是根据载荷变化来调节悬架刚度，使车身高度保持不变，但它不能根据汽车操纵稳定性和行驶平顺性指标综合考虑控制因素来调节悬架刚度。随着汽车技术的进步及人们对车辆乘坐舒适性要求的提高，研究电子控制空气悬架系统(ECAS) 成了汽车工程师们关注的课题。在国外，ECAS 已在客车、重型汽车上得到广泛的应用，高档轿车上也开始应用，国内近几年才开始研究，但仍未见具有完全自主知识产权的 ECAS 成熟产品，电子控制空气悬架系统整套电控系统均是从国外进口，其成本占整个系统的 30%左右，大大削弱了国内电子控制空气悬架系统车辆企业在国际舞台上竞争能力。主要原因是 ECAS 的设计理论还不够深入，尤其是对空气悬架与整车匹配、空气弹簧设计和悬架控制理论与技术等方面，除此之外，电控空气悬架的刚度、阻尼多级甚至无级可调、控制的智能集成化技术也是悬架技术发展的必然趋势。因此，开展车辆 ECAS 设计理论与关键技术研究，提高车辆的操纵稳定性、操纵轻便性、行驶平顺性和安全性等综合性能，这不仅具有重要的工程意义，而且具有重要的学术价值。电子控制空气悬架系统的研究在国内还处于起步阶段，对空气悬架的控制必然经历控制对象由简单到复杂、控制参数由少到多的发展过程，其技术只能通过消化吸收再提高。预测电子控制空气悬架系统在国内市场的推广次序是高级车辆、重型汽车、高档轿车，故优先选择高级车辆电子控制空气悬架系统，对其车身高度的控制、可调阻尼减振器的控制以及空气弹簧充放气的控制策略等关键技术进行重点研究。在项目支撑的条件下，结合多学科、多领域，对电子控制空气悬架系统进行深入的研究，最终实现电子控制空气悬架系统产品的产业化，使得电子控制空气悬架系统的主要性能应达到国际先进水平，以满足国内和国际市场竞争的需要。42 ECAS 国内外发展概况2.1 国外发展概况1908 年 George Bancroft 申报了第一个汽车悬架上空气弹簧的专利，1910年美国首先在普尔曼车上使用空气弹簧，随后英、法等国加大了研究与应用。由于空气弹簧刚度与阻尼匹配比较困难，加之弹簧密封件容易损坏，维修复杂，使得空气弹簧一度发展缓慢。1986 年 Toyoto 公司在 Soarer 和 LEXUSLS400GT3 车前后悬架上均采用 EACS系统并且其刚度可在“软”和“硬”之间调节，4 个减振器可以在“软” 、 “中”和“硬”之间调节，从而使悬架刚度和阻尼最优配合，抑制车身姿态变化。后来福特公司在 Continental Mark 车型上成功推出了 ECAS 系统。 随后ECAS 系统高速发展，美国的 Ford，德国的 Benz、 Man、Audi，瑞典的 Volvo，法国的雷诺，日本的丰田、尼桑、日野、三菱等相继采用 ECAS 系统。 据统计，2006 年仅在欧洲市场，就有 55 万辆车采用空气悬架。目前，国外豪华汽车上多数已经配备了相应的 ECAS 系统，如美国的林肯、凯迪拉克凯雷德，德国的Benz300SE、奥迪 A6 Quattro、大众 Phaeton、BMW7 系列，英国的路虎- 发现3、劳斯莱斯 Ghost，意大利的保时捷 Cayenne Turbo S，韩国的起亚- 霸锐和现代Rohens 等。在高速客车和豪华城市客车上的使用率已达到 100%，在中、重型货车以及挂车上也超过 80%，在一些特种车辆（如仪表车、救护车及集装箱运输车）上，空气悬架几乎成了唯一选择。目前汽车工业发达国家已形成几大空气悬架和空气弹簧生产厂家，如美国的 WABCO 、NEWAY、RIDEWELL、FIRESTONE、GOOD YEAR 和德国的 SAY、BPW 等。在实际应用方面， 高效的空气悬架供给系统和控制系统一直是研究的重点。美国的 WABCO 公司在这方面无疑走在世界前列，其良好的控制性能赢得了大众、尼桑、三菱、五十铃、日野、中国一汽、中国重汽、郑州宇通，厦门金龙等大批世界各地企业的青睐。最新数据显示，目前 WABCO 电子控制空气悬架系统仅在欧洲市场每年销售超过 20 万套。2008 年，WABCO 公司为奥迪 A8 轿车配备了具有突破性的悬架电子控制系统及创新性的高效空气供给系统。该空气悬挂系统的电子控制单元以 FlexRayTM技术为特色，是车载控制系统数据网络的重大突破。2010 年，WABCO 公司为劳斯莱斯最新豪华车型 Ghost 开发了包括空气悬架、主动侧倾控制系统及电子可调减振装置的电控空气悬架系统。52012 年德国汉诺威商用车博览会，WABCO 展示了最新电子挂车空气悬架控制系统。该系统是一种融合。智能挂车程序。与 OptilevelTM 技术的全新 ECAS系统，这是全球挂车市场上的首个集传统悬架功能与电子悬架功能于一身的系统。2.2 国内发展概况我国对空气弹簧进行研究始于 20 世纪 50 年代，1957 年，长春汽车研究所与化工部橡胶工业研究所合作制造出我国第一辆装有空气悬架的载重汽车，而后又设计了公共汽车、无轨电车以及轨道车辆等。20 世纪 90 年代，国内客车厂纷纷从国外购置空气悬架，发展大致经历了。引进国外空气悬架的整车 引进国外空气悬架系统自主研发空气悬架系统，3个阶段。据统计，2005 年在全国销售的 8 万多辆大、中型客车中，配制空气悬架的客车已占总量的 8%左右。近年来，为满足市场需要，国内已有一些企业正在开发生产空气悬架及零部件。这类企业主要有上海科曼车辆部件系统有限公司、东风汽车悬架弹簧有限公司等。这些企业已经开发了中型客车、大型客车、客车前独立悬架、重型载货汽车等共 8 个平台近 90 个品种的全空气悬架系统产品。2002 年 8 月，我国实现中巴 ，气囊全空气悬架装车试验并通过国家检测中心（襄阳汽车试验场）多项性能试验，开始批量装车上市。2003 年 12 月，我国研制出第一套大巴用独立悬架全空气悬架系统。2004年 12 月，我国完成重卡 6x4 产品配套的首台双驱动桥 8 气囊空气悬架产品试制。2006 年，我国自主研发的大中型旅游客车、一级踏步的公交车空气悬架系统远销马来西亚、印度、埃及，澳大利亚等国。2010 年，空气悬架在国内客车上的使用率已经达到 10%。虽然我国已经拥有重汽 HOWO-A7、 重汽 SCANIA、东风天龙、解放 J6、华菱星凯马、东风 EQ6850KR、苏州金龙 KLQ6128Q、海格 A80 等大批自主品牌的空气悬架系统汽车，在空气悬架的研发与应用方面取得了很大的进步，但我国仍处于 ECAS 的起步阶段，ECAS 系统的控制策略和控制器的国产化道路还有很长的路要走。63 ECAS 的主要结构及其工作原理3.1 ECAS 的主要结构ECAS 系统概括其组成是由电子控制单元(ECU) ，高度控制电磁阀，车身高度传感器(加速度、速度等其它传感器) ，空气弹簧，可调阻尼减振器，空气压缩机，导向传力机构等组成，其主要零部件的功能如下：（1）电子控制单元电子控制单元(ECU)通常安装在驾驶室或者电气仓内，可实现不同高度值、阻尼值或刚度值的管理和储存，控制包括正常高度在内的多个车辆高度，ECU负责与诊断工具进行数据交换，同时监测系统所有部件的操作，检测并储存系统故障。（2）空气弹簧空气弹簧是空气悬架中最为关键的部分，空气弹簧的性能直接决定着整个空气悬架的性能。按照结构特点，空气弹簧可以分为囊式和膜式两大类。囊式空气弹簧结构相对简单，制造方便，但刚度较高，因而常用于大型客车、无轨电车和载货汽车，并且常配有辅助气室以降低弹簧刚度。膜式空气弹簧刚度小，适合于用作轿车悬架，但其载荷能力小。（3）可调阻尼减振器电子控制悬架系统中常用变阻尼减振器系统。该系统相对于使用普通空气减振器系统有许多优点，其中最大的优点就是重量轻，阻尼系数可根据外部条件由电子调节。大多数使用变阻尼减振器的系统是根据汽车行驶状况或行驶状况加上驾驶员选择的运行模式来调节控制的，而有的则只根据驾驶员操作开关来调节控制。（4）空气压缩机空气压缩机用来产生提供车身高度、刚度调节所需的压缩空气。空气压缩机一般采用单缸活塞式结构，直流电动机带动空气压缩机工作，从压缩机中出来的压缩空气进入干燥器，经干燥器后被送到高度控制电磁阀，由电磁阀来控制悬架空气弹簧的充气量，空气室的压力由调压阀实行控制，排气阀打开时，空气弹簧内的压缩空气从排气阀排入大气，同时将干燥器中的水分带走。当车内乘客人数或汽车载荷增加时，车身高度降低，车高传感器给出的信号将与控制装置内存贮的车高量不符，控制装置会发出指令，启动空气压缩机，打开高度控制电磁阀，给空气弹簧主气室充气，直到车高达到规定的高度为止。当车7内乘客人数或汽车载荷减少时，车身高度上升，在电子控制装置的控制下，打开高度控制电磁阀，空气弹簧主气室的气体通过高度控制电磁阀，空气管路，排气阀排出，车身下降。（5）电磁阀电磁阀通常安装在车架或车架横梁上。ECAS 电磁阀是高度集成化和模块化的设计。取决于不同的配置，在通用的外部壳体内可以布置不同数量的电磁阀部件。ECAS 组合电磁阀可大大节省了零部件数量和安装空间以及装配费用。为了降低排气噪声，电磁阀排气口带有消音器。（6）车身高度传感器高度传感器的外形看起来与机械高度阀相似，它们的安装方式和安装位置完全相同，通常布置在车架上。传感器内部包含线圈和枢轴，当车桥与车身之间的距离发生变化时，高度横摆杆转动并带动相应的电枢在线圈中上下直线运动，造成线圈的感应系数变化，ECU 检测此感应系数的变化并将其转换成高度数字信号。3.2 电子控制空气悬架的工作原理电子控制空气悬架它是由电子控制单元(ECU)、高度传感器、电磁阀、空气弹簧、速度传感器、减震器、车高升降控制键盘等组成，其最大的特点是在四个轮子处用充有压缩空气的空气弹簧代替了传统的螺旋弹簧，并配备了电子控制装置、电子控制单元能够根据车辆的行驶状态，自动调节车身高度、刚度或阻尼等参数，其结构如图 3.1。图 3.1 ECAS 的主要零部件ECTS 的基本工作原理是高度、加速度等信号传感器负责检测车身高度(车架8和车桥间的距离)、加速度的变化，并将整车高度变化、加速度变化转换为电子信号，转换后的电子信号经过放大滤波等信号处理过程后传递给电子控制单元(ECU)，ECU 内部保存若干指标高度或是参考加速度、二级可调阻尼值，这些参考值与弹簧的舒适性、驾驶安全性和应用规范保持一致。车速在不同的行驶条件下由 ECU 自动执行相应的指标高度，或是调节到相应的刚度。ECU 通过比较信号传感器检测结果和内部存放的参考值，通过电磁阀对空气弹簧进行充放气，从而达到调节刚度或高度的目的，保证车辆行驶平顺性和操作稳定性。除高度、加速度信息外，ECU 还接受其它的输入信息，如车速信息、制动信息、车门信息和供气压力信息等，ECU 综合这些输入信息，判断当前车辆状态，按照其内部的控制逻辑，激发电磁阀工作，通过电磁阀控制空气弹簧的进出气等过程，当然也可以由驾驶员手动控制。图 3.2 电控空气悬架示意图 a1.控制器(ECU) 2.电磁阀 3.车身高度传感器 4.空气弹簧 5.控制终端96.可调阻尼减振器 7.空气压缩机 8.速度传感器 9.后轴 10.前轴图 3.3 电控空气悬架示意图 b3.3 ECAS 的主要功能及其实现ECAS 的功能主要有以下几个方面：（1）抗后坐控制通过车速、加速度等传感器进行信号检测，当车速低于 20km/h 且加速度大时，ECU 通过电磁阀对后空气悬架进行充气，后