一种商用车空气悬架控制系统及其控制方法与流程

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1.本发明属于车辆空气悬架控制技术领域，具体涉及一种商用车空气悬架控制系统及其控制方法。

背景技术：

2.空气悬架是商用车的一种重要悬架形式，二十世纪五十年代欧美已开始在客车和卡车上使用空气悬架，截止目前空气悬架在欧美客车上的使用率几乎达到百分之百，在中重型公路运输货车上的使用率已超过85％。
3.我国空气悬架起步较晚，上世纪五十年代末在长春汽车研究所才开始开展空气悬架研究工作。但随着我国经济的高速发展，高等级公路的逐渐普及，长途物流运输业得到快速发展，模块化运输市场日渐规范，精密设备运输、快递运输、日用工业品运输、危险品运输等需求逐年增大，用户对车辆舒适性和运营高效性的追求更加突出，国内对空气悬架车型的需求日趋突显。
4.为加快空气悬架市场发展，国家相继出台了各项利好政策，如客车行业， jt/t325-2013《运营客车类型划分及等级评定》明确规定，运营客车中，特大型及大型车的高一至高三级、中型车的高一级必须使用空气悬架；货车行业，gb1589-2016《汽车、挂车及汽车列车外廓尺寸、轴荷及质量限值》4.3 条规定，空气悬架商用车比传统板簧悬架商用车可多拉1吨货物； gb7258-2017《机动车运行安全技术条件》9.4条明确规定，2020年起总质量大于或等于12000kg的危险货物运输车的后轴，所有危险货物运输半挂车，以及三轴栏板式、仓栅式半挂车必须装配空气悬架。
5.空气悬架控制系统及其控制方法是空气悬架的关键核心部分，目前市场上主要有两大类控制系统，一类是基于感载阀式的机械式空气悬架控制系统，例如申请号为cn201711218085.0的专利公开了一种空气悬架车辆感载阀系统及其控制方法，另一类是基于电子电器设备的电控空气悬架控制系统，其中电控空气悬架控制系统由于其操作简单、功能齐全、耗气量小等特点，得到了市场认可和有效推广。但国内对于电控空气悬架控制系统的研究仍处于初级阶段，目前尚无批量使用案例，国内各大商用车制造厂电控空气悬架控制系统的批量产品只能依靠国外品牌供应，由于核心技术长期掌握在国外供方手中，造成电控空气悬架控制系统集成性、扩展性差，价格高昂，部分功能无法满足国内市场需求，经常出现空载单侧空气弹簧缺气显现，导致空气弹簧囊皮褶皱，寿命降低等问题，严重影响了空气悬架车型的市场推广和技术拓展。

技术实现要素：

6.本发明提供了一种商用车空气悬架控制系统及其控制方法，有效的解决了上述出现的问题。
7.本发明是通过以下技术方案来实现：
8.第一方面，一种商用车空气悬架控制系统及其控制方法，包括：悬架高度测量模
块、悬架气压测量模块、数据处理单元和电磁阀，所述悬架高度测量模块用于对悬架高度的实时测量，所述悬架气压测量模块用于对悬架空气弹簧气压的实时测量，所述悬架高度测量模块以及悬架气压测量模块分别与数据处理单元连接，用于采集所述悬架高度测量模块的悬架高度信号以及悬架气压测量模块的悬架气压信号，进行计算后输出控制信号至所述电磁阀，以此来控制悬架高度和悬架气压。
9.进一步的，所述悬架高度测量模块包括：转角传感器和运动转换机构，其中，所述运动转换机构用于将车轴的上下跳动转换为转动，所述运动转换机构的一端固定于车轴上，另一端与所述转角传感器连接，所述转角传感器与所述数据处理单元连接，用于将旋转角度信号传送给数据处理单元。
10.进一步的，所述悬架气压测量模块包括：压力传感器，所述压力传感器设置在空气弹簧上，所述压力传感器还与所述数据处理单元连接，用于将空气弹簧气压信号传送给数据处理单元。
11.进一步的，所述数据处理单元包括：主控制器和数据采集器，所述主控制器和数据采集器连接，所述悬架高度测量模块和悬架气压测量模块分别与所述数据采集器连接，用于采集所述悬架高度信号和悬架气压信号。
12.进一步的，该系统还包括：数据回传模块，所述数据回传模块与所述数据处理单元连接，用于将悬架高度数据以及悬架气压数据传送至车载网络终端。
13.第二方面，一种对如上所述的控制系统的控制方法，包括：
14.步骤一：获取前后悬架的气压值以及悬架高度值，并计算出气压平均值；
15.步骤二：判断所述气压平均值是否大于预设阀值；若大于则对获取的悬架高度值进行判断，判断其是否处于正常范围内；若小于则对悬架气压进行调整；
16.步骤三：如果悬架高度值在正常范围内则继续实时监测；如果悬架高度值不在正常范围内则利用pid控制法对悬架高度进行调整，直至正常范围；
17.进一步的，所述步骤二中的对悬架气压进行调整包括：检测悬架两侧气压是否正常，若正常，则继续检测悬架高度书否正常；若不正常，则利用 pid控制法对悬架高度进行调整；在对悬架高度调整后判断悬架两侧的气压差是否正常，若正常，则回到初始状态继续监测，若不正常，则利用pid控制法对气压进行调整，在对气压进行调整后，继续判断悬架高度是否正常，若正常则回到初始状态继续监测，若不正常则利用高度容差进行自适应调节。
18.与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
19.本发明通过设置悬架控制系统及控制方法，实现了其结构简单、成本较低、可靠性高，不仅能够对空气悬架高度进行控制，而且能够对空气悬架系统各空气弹簧气压进行控制，从而解决现有技术的不足，缓解空载状态下空气弹簧因压力不均匀引起的空气弹簧囊皮褶皱问题等，此外该系统还具有悬架状态信息采集及回传系统，能够将悬架高度信息，轴荷信息、各空气弹簧气压信息等进行回传，从而支持车队管理及和研发改进等。同时本发明还提供了该电控空气悬架控制系统的控制方法，该控制方法包含主要包含开关控制法、悬架高度pid控制法、空气弹簧气压pid控制法、高度容差自适应调节控制法以及smith预估补偿控制法，所述控制方法具有控制精度高，响应速度快等特点。
附图说明：
20.图1为本发明控制系统结构示意图；
21.图2为本发明控制系统气路原理图；
22.图3为本发明控制方法原理图；
23.图4为本发明控制系统的时滞补偿控制原理图；
24.图5为本发明pwm占空比与悬架高度对应关系。
25.附图标记说明:
26.1-气源、2-储气筒、3-电磁阀、4-车架、5-数据采集器、6-lin 线、7-主控制器、8-can线、9-车载网络终端、10-空气弹簧、11-压力传感器、12-转角传感器、13-运动转换机构、14-车轴、15-轮胎、16
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气管路、17-电路线束。
具体实施方式
27.为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
28.图1为本发明控制系统结构示意图；图2为本发明控制系统气路原理图；如图1和图2所示，所述商用车空气悬架控制系统组成包括：悬架高度测量模块、悬架气压测量模块、数据处理单元及数据回传模块。
29.其中，悬架高度测量模块主要用于悬架高度数据的实时测量，其组成包括转角传感器12和运动转换机构13，其中运动转换机构13由紧固件和摆杆系统组成，主要功能是将车轮15和车轴14的上下跳动转换为转动，其一端通过螺栓固定于车轴14，另一端固定于转角传感器12测量端，转角传感器12将转动角度转换为pwm占空比信号。
30.悬架气压测量模块主要用于空气悬架空气弹簧10气压的测量和控制，其组成包括压力传感器11和气管路16等，压力传感器11实时采集空气弹簧10气压状态，并将该气压值转换为电压信号。
31.数据处理单元包括主控制器7和数据采集器5，其中数据采集器5实时采集转角传感器12pwm占空比信号和压力传感器11电压信号，并将pwm 占空比信号和电压信号转换为悬架高度信号和气压信号，同时进行滤波处理，滤波处理完成后将悬架高度值和空气弹簧11气压值通过lin线6 发送给主控制器7，主控制器7根据悬架高度值和空气弹簧11气压值，通过悬架高度pid控制法、气压pid控制法、开关控制法、高度容差自适应调节控制法以及smith预估补偿控制法给出电磁阀3控制指令，并通过主控制器7驱动电磁阀3进行充放气动作，从而对相应空气弹簧10 进行充放气操作，最终实现空气悬架系统高度及空气弹簧10气压的控制，同时主控制器7会将空气悬架当前高度值及各空气弹簧10气压值发送至 can总线8，与此同时，车载网络终端9实时采集can总线8悬架高度数据和空气弹簧10气压数据，并通过回传系统将该数据进行回传，设计人员和后台管理人员可通过数据采集平台远程采集空气悬架高度信息和空气弹簧10气压信息。
32.图3为本发明控制方法原理图；如图3所示，本发明还提供了一种能够对本发明控制系统进行高度和气压控制，使空气悬架系统始终处于最佳工作状态的控制方法，该方法包括以下步骤：
33.步骤ⅰ、如图1所示，所述空气悬架系统高度发生变化时，运动转换系统13将车轴14的直线跳动转换为转动，并带动转角传感器12测量端转动，转角传感器12并将转角信息转换为pwm占空比信号，经数据采集器5滤波后通过查表法转换为悬架高度信息。所述查表法中的表格为该商用车空气悬架系统悬架高度值和运动转换机构13的转角关系表(参见图5，为某型商用车后悬架高度传感器pwm占空比与悬架高度关系表生成的曲线图，控制系统根据图中占空比与悬架高度的对应关系，通过采集当前悬架高度传感器占空比获得当前悬架高实际度值。(占空比小于 20％时悬架限位，悬架高度达到极小值0))，该转角关系表通过试验手段获得。所述压力传感器11实时采集空气悬架系统各空气弹簧10气压，并将气压信号转换为电压信号，数据采集器5采集压力传感器11电压信号，并对该信号进行滤波处理后将其转换为各空气弹簧10气压信息。
34.步骤ⅱ、如图1所示，所述数据采集器5将采集到的实时悬架高度信号和空气悬架系统各空气弹簧气压信号通过lin线6发送给主控制器 7。
35.步骤ⅲ、如图3和图4所示，所述主控制器7接收到空气悬架高度信号以及空气悬架系统各空气弹簧10气压信号后，根据悬架高度信号值和空气悬架系统各空气弹簧10气压信号值的变化情况，首先使用开关控制判断是否启动气压控制，如空气悬架系统各空气弹簧10平均气压大于 pe则系统不进行气压控制，只进行高度pid控制，从而提高高度控制精度，如空气悬架系统各空气弹簧10平均气压小于等于pe则系统进行高度pid 控制、气压pid控制以及悬架高度容差自适应调节控制，对空气悬架系统高度和空气悬架系统各空气弹簧10气压同时进行控制。
36.更加详细的，如附图3所示，本发明所述的开关控制方法为，主控器实时接收数据采集器5发来的空气悬架系统各空气弹簧10气压信号，并将第i次采集到的空气悬架系统各空气弹簧10气压求平均值，得到当前空气悬架系统各空气弹簧10气压均值pi，然后主控制器7将第i次采集到的空气悬架系统各空气弹簧10气压均值pi与预先设定的气压开关阀值 pe(本实例该阀值为1bar＝0.1mpa)进行比较，若pi＞pe，主控制器7关闭压力控制单元，系统仅进行高度控制，若pi≤pe，则主控制器7打开压力控制单元，系统进行悬架高度和空气弹簧气压控制。
37.进一步地，如图3所示，当空气悬架系统各空气弹簧10平均气压大于pe时，系统进入悬架高度控制单元，如空气悬架高度不在正常范围则系统自动进行高度pid控制，如空气悬架系统高度在正常范围则无需进行pid控制，系统返回初始化状态。当空气悬架系统各空气弹簧10平均气压小于等于pe时，系统进入悬架气压控制单元，系统首先判断悬架左右两侧空气弹簧10平均气压差是否在正常范围内，如平均气压差在正常范围内，则继续判断悬架高度是否在正常范围内，如悬架高度在正常范围内，则不进行控制，系统自动返回初始化状态，如平均气压差不在正常范围内或悬架高度不在正常范围内则系统首先进行悬架高度pid控制，悬架高度pid调整后再次判断悬架左右两侧空气弹簧10平均气压差是否在正常范围内，如平均气压差在正常范围内则系统返回初始状态，如平均气压差不在正常范围内则进行气压pid控制，气压pid控制后，再次判断悬架高度是否在正常范围内，如悬架高度在正常范围内，则系统返回初始状态，如悬架高度不在正常范围内，则系统进行悬架高度容差自适应调节控制，悬架高度容差自适应调节完成后重新进入气压控制环节，由于高度容差已调整至适应当前悬架状态，二次进入气压控制环节后系统会快速达到控制需求，进入初始
化状态。
38.进一步地，如附图3所示，本发明所述的悬架高度pid控制方法为，当第i次采集到的悬架系统各空气弹簧10气压均值pi大于气压开关阀值pe时，主控制器7将第i次采集到的当前悬架高度值hi与悬架高度控制目标值he进行对比，设高度控制容差为c，则当|h
i-c|≥he时系统进行高度pid 控制。设高度控制偏差为ei，则ei＝h
e-hi，高度pid控制是对偏差信号ei进行比例、积分和微分运算，其控制规律为其中k
hp
为比例系数，k
hi
为积分系数，k
hd
为微分系数，其中k
hp
、k
hi
、k
hd
具体数值通过试验调试获取，根据高度偏差ei进行pid运算后得到电磁阀3控制信号，驱动单元根据控制信号调整电磁阀3pwm占空比大小，从而控制电磁阀3各口开口面积，最终实现对空气悬架高度的自动调整。当 |h
i-c|＜he时系统返回初始化状态，不进行悬架高度pid控制。
39.进一步地，如附图3所示，本发明所述的气压控制单元控制方法为，当第i次采集到的悬架系统各空气弹簧10气压均值pi小于或等于气压开关阀值pe时，主控制器7首先将第i次采集到的悬架系统左侧空气弹簧10 气压均值p
l
与右侧空气弹簧10气压均值pr进行对比，设气压控制容差为 pv，当|p
l-pr|≥pv时，则系统进行高度pid控制。如|p
l-pr|＜pv则系统进行当前悬架高度状态判断，当|h
i-c|≥he时系统进行高度pid控制，当 |h
i-c|＜he时系统返回初始化状态。悬架高度控制方式与上述高度pid 控制方法相同，高度pid控制完成后系统再次对悬架系统左侧空气弹簧 10气压均值p
l
与右侧空气弹簧10气压均值pr进行对比，如|p
l-pr|＜pv时，则系统进入初始化状态，如|p
l-pr|≥pv则系统进行气压pid控制，其控制方法为，主控制器7求取第i次采集到的当前悬架系统左侧空气弹簧10 气压均值p
l
与右侧空气弹簧10气压均值pr，设气压控制偏差为e
pi
，则 e
pi
＝p
l-pr，气压pid控制是对偏差信号e
pi
进行比例、积分和微分运算，其控制规律为其中k
pp
为比例系数，k
pi
为积分系数，k
pd
为微分系数，其中k
pp
、k
pi
、k
pd
具体数值通过试验调试获取，根据左右侧空气弹簧10气压偏差e
pi
进行pid运算后得到电磁阀3 控制信号，驱动单元根据控制信号调整电磁阀3pwm占空比大小，从而控制电磁阀3各口开口面积，最终实现对空气悬架气压的自动调整。气压 pid控制完成后系统再次对悬架当前高度hi进行判断，当|h
i-c|≥he时系统进行高度容差自适应调节，调节完成后重新返回气压控制单元进行高度及气压控制调整，当|h
i-c|＜he时，系统返回初始化状态。
40.进一步地，目前国内大部分商用车采用前板簧后空气悬架的结构形式，车辆空载或轻载时前悬架高度一般较高，同时轻载时由于空气弹簧内气压较低，此时前悬架钢板弹簧刚度一般比空气弹簧刚度大，即车架在前悬架左右侧处于硬支撑，在后悬架左右侧处于软支撑，由于三个支撑点即可决定一个面，即前悬架左右两点和后悬架左侧或右侧一个点即可使车架处于水平的正常高度状态，此时会出现后悬架非支撑侧悬架空气弹簧气压比支撑侧悬架空气弹簧气压低，导致单侧空气弹簧缺气，空气弹簧出现褶皱，影响空气弹簧使用寿命，因此本发明提出了两点高度控制加两点气压控制模式。
41.此外由于目前国内大部分商用车采用非独立悬架，其左右运动存在一定的耦合关系，同时当承载不变时，空气弹簧气压变化也会导致悬架高度变化，再加上本身不同批次空气悬架装配存在一定的装配误差，这种耦合关系和装配误差会导致不同批次车辆在不同悬
架稳定状态下出现差异性，如采用定容差模式则会出现控制系统频繁充放气，但如容差值设定的过大又会影响控制精度，因此提出了容差自适应调节，当空气悬架高度及气压状态无法稳定情况下自动调节容差，使悬架高度及气压达到能够达到的最优状态。
42.故高度容差自适应调节控制方法为，当系统第i次进入气压控制单元且触发高度容差自适应调整时，系统高度容差c会自动增大y倍，当系统i+1次进入气压控制单元且触发高度容差自适应调节时，系统高度容差会在前一次的基数上继续增大y倍，以此类推，直到高度容差达到系统设定的上限值，此时系统停止气压控制，只进行高度控制。
43.如图4所示，空气悬架控制系统在工作过程中从采集左右悬架高度及左右侧空气弹簧气压到给出电磁阀控制指令，再到驱动电磁阀工作都需要消耗时间引起系统迟滞，为降低系统迟滞量，提升系统反应灵敏度，本系统使用smith时滞补偿法，利用超越单元提前驱动电磁阀动作，从而提升系统响应速度，减少时滞。所述时滞补偿控制采用smith预估补偿控制器，其具体步骤为，当路面及外部激励等引起悬架高度或气压发生变化后，悬架高度信号及悬架系统各空气弹簧10气压信号r(s)传入主控制器7，主控制器7启动开关控制、高度pid控制、气压pid控制及高度容差自适应调节控制，计算得到电磁阀3控制信号，该信号通过smith 时滞补偿器超越单元送入主控制器7驱动单元，驱动电磁阀3动作，从而实现对空气悬架系统高度及气压的控制时滞的补偿。
44.进一步地，如图1和2所示，所述电磁阀3采用组合式比例电磁阀，其接收来自于主控制器驱动单元的pwm占空比信号，并根据占空比信号的大小，调整各阀口的开口面积，调整各空气弹簧充放气动作及充放气速度，从而实现对空气悬架系统高度及气压的精确控制。
45.以上给出的实施例是实现本发明较优的例子，本发明不限于上述实施例。本领域的技术人员根据本发明技术方案的技术特征所做出的任何非本质的添加、替换，均属于本发明的保护范围。

技术特征：

1.一种商用车空气悬架控制系统，其特征在于，包括：悬架高度测量模块、悬架气压测量模块、数据处理单元和电磁阀，所述悬架高度测量模块用于对悬架高度的实时测量，所述悬架气压测量模块用于对悬架空气弹簧气压的实时测量，所述悬架高度测量模块以及悬架气压测量模块分别与数据处理单元连接，用于采集所述悬架高度测量模块的悬架高度信号以及悬架气压测量模块的悬架气压信号，进行计算后输出控制信号至所述电磁阀，以此来控制悬架高度和悬架气压。2.根据权利要求1所述的一种商用车空气悬架控制系统，其特征在于，所述悬架高度测量模块包括：转角传感器和运动转换机构，其中，所述运动转换机构用于将车轴的上下跳动转换为转动，所述运动转换机构的一端固定于车轴上，另一端与所述转角传感器连接，所述转角传感器与所述数据处理单元连接，用于将旋转角度信号传送给数据处理单元。3.根据权利要求1所述的一种商用车空气悬架控制系统，其特征在于，所述悬架气压测量模块包括：压力传感器，所述压力传感器设置在空气弹簧上，所述压力传感器还与所述数据处理单元连接，用于将空气弹簧气压信号传送给数据处理单元。4.根据权利要求1所述的一种商用车空气悬架控制系统，其特征在于，所述数据处理单元包括：主控制器和数据采集器，所述主控制器和数据采集器连接，所述悬架高度测量模块和悬架气压测量模块分别与所述数据采集器连接，用于采集所述悬架高度信号和悬架气压信号。5.根据权利要求1所述的一种商用车空气悬架控制系统，其特征在于，还包括：数据回传模块，所述数据回传模块与所述数据处理单元连接，用于将悬架高度数据以及悬架气压数据传送至车载网络终端。6.一种对如权利要求1-5任一所述的控制系统的控制方法，其特征在于，步骤一：获取前后悬架的气压值以及悬架高度值，并计算出气压平均值；步骤二：判断所述气压平均值是否大于预设阀值；若大于则对获取的悬架高度值进行判断，判断其是否处于正常范围内；若小于则对悬架气压进行调整；步骤三：如果悬架高度值在正常范围内则继续实时监测；如果悬架高度值不在正常范围内则利用pid控制法对悬架高度进行调整，直至正常范围。7.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，所述步骤二中的对悬架气压进行调整包括：检测悬架两侧气压是否正常，若正常，则继续检测悬架高度书否正常；若不正常，则利用pid控制法对悬架高度进行调整；在对悬架高度调整后判断悬架两侧的气压差是否正常，若正常，则回到初始状态继续监测，若不正常，则利用pid控制法对气压进行调整，在对气压进行调整后，继续判断悬架高度是否正常，若正常则回到初始状态继续监测，若不正常则利用高度容差进行自适应调节。

技术总结

本发明提供一种商用车空气悬架控制系统及其控制方法，其中控制系统包括：悬架高度测量模块、悬架气压测量模块、数据处理单元和电磁阀，悬架高度测量模块用于对悬架高度的实时测量，悬架气压测量模块用于对悬架空气弹簧气压的实时测量，悬架高度测量模块以及悬架气压测量模块分别与数据处理单元连接，用于采集所述悬架高度测量模块的悬架高度信号以及悬架气压测量模块的悬架气压信号，进行计算后输出控制信号至所述电磁阀，以此来控制悬架高度和悬架气压。控制方法包含悬架高度PID控制法、气压PID控制法、开关控制法、高度容差自适应调节控制法以及Smith预估补偿控制法等。该控制系统及其控制方法具有控制精度高，响应速度快、成本低、可靠性高等特点。可靠性高等特点。可靠性高等特点。