汽車電控懸架系統的傳感器故障及其檢修技術研究

汽車電控懸架系統的傳感器故障

及其檢修技術研究

郭太和

（河源技師學院，廣東 河源 517000）

【摘 要】電控懸架系統可以有效控制懸架的狀態，滿足汽車的行駛性能能。車輛振動對電控懸架系統部件的性能影響較大，傳感器一旦發生故障將會失去對車輛行駛狀態的準確判斷，使得電控懸架系統無法正常工作。因此，面對傳感器所存在的故障，針對汽車電控懸架系統的傳感器故障為切入點，通過建模分析的方式對傳感器故障診斷的方法進行研究。

【關鍵詞】汽車;電控懸架系統;傳感器故障;檢修

中圖分類號： U463.33文獻標識碼： A文章編號： 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性。電控空氣懸架系統基于電子控制單元ECU，通過傳感器對懸架的狀態進行采集，并實時反饋到懸架系統中，及時掌握懸架的狀態，從而滿足汽車的行駛需求。在實際工作的過程中，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下會為電控懸架系統提供準確的信息。當傳感器發生故障后，監測信號會不準確，會影響系統對傳感器的有效控制。因此，對電控懸架系統中的傳感器進行在線故障診斷和檢測，讓傳感器可以在發生故障后能夠迅速得到處理，以保證電控懸架系統的正常運行。

1 基于傳感器故障的電控懸架系統建模

1.1 含傳感器故障的1/4汽車電控懸架系統建模

1/4汽車電控懸架系統模型如圖1所示。

產生空氣彈簧力的主要原因來自于內部的壓縮氣體，因為內部的壓縮氣體會讓電控懸架系統出現非線性的特點，而在實際的運行中，需要將非線性轉換為線性。空氣彈簧是電控懸架系統的重要部件，充氣和放氣都是一種熱力學過程，因而空氣彈簧非常容易受到減震器的影響，電磁閥關閉后，系統會停留一定時間后才能夠逐步趨向與穩定，根據熱力學的定理，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。

當電控懸架系統的車身高度發生一定的變化時，需要通過空氣彈簧對系統進行控制。在空氣彈簧中，放氣的過程是整個模型的關鍵，可以將簧下質量的振動作為重要的干擾信息，并對單組空氣彈簧進行表示。電控懸架系統中的傳感器包括車身高度、空氣彈簧氣壓以及簧上質量加速度，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下，電控懸架系統的量測方程可以表示為y=h（x）+v。

2 基于1/4車輛電控懸架系統中的傳感器故障診斷研究

當傳感器的量測輸出作為輸入控制器時，需要使用控制儲氣罐電磁閥對空氣彈簧進行曹組。一旦傳感器發生故障將會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作為主要的輸入信息，對觀測器進行設計。電控懸架系統的狀態估計值是通過觀測器獲取，根據不同觀測器之間的差值，然對故障檢測指標和隔離指標進行計算，比較指標與閾值，達到對傳感器故障檢測和隔離的目的。使用故障檢測和隔離方法有一個條件，即至少有一個傳感器能夠進行正常工作，如果所有的傳感器都無法正常工作，則無法對傳感器進行故障判斷[4]。

2.1 故障檢測方法

初級殘差特征描述如表1所示。

根據觀測器的估計值，構建故障檢測指標，將故障檢測指標與檢測閾值進行比較，當故障檢測指標小于閾值，則不會出現故障;反之則出現故障[5]。

2.2 故障隔離方法

使用故障檢測指標的方式可以更好地檢測出傳感器的故障原因，為了更加確定是哪一個傳感器發生的故障，需要對電控懸架系統中的傳感器進行故障隔離指標設計。如表2所示。

如果系統中的傳感器都沒有故障，則每組觀測器中所獲取的電控懸架系統狀態變量都是相似的，且初級殘差和故障檢測都較小，故障隔離指標更小。如果有傳感器發生故障，需要通過對應觀測器獲取狀態變量估計值，獲取的估計值會發生改變，故障檢測指標和隔離指標都會變大，隔離指標對于傳感器的故障更加敏感，比較隔離指標與隔離預制能夠更快地實現對傳感器故障的隔離診斷。

2.3 基于CKF算法的電控懸架系統故障觀測器設計

電控懸架系統的非線性較強，在進行傳感器故障診斷時，需要對系統進行線性化處理。

CKF算法可以對非線性進行更好的處理，該算法是采用等效權值的方式，對非線性進行變換后得到的均值和方差進行計算，從而獲得更有的非線性逼近性能。根據其性能，對觀測器進行方程設計：

3 汽車電控懸架系統故障診斷仿真

3.1 傳感器故障診斷對比仿真分析

除了使用CKF方法外，還可以使用EKF（卡爾曼濾波器算法）、STF（強跟蹤濾波器算法）方法對觀測器進行設計。針對這三種不同的方法，針對傳感器的故障情況進行診斷對比。

3.1.1 EKF方法

EKF方法比較適用于線性系統中，通過線性化處理后得到可擴展的EKF算法。將EKF算法應用在非線性系統中，其線性化誤差較大，算法邏輯簡單，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。

在對線控懸架系統中的傳感器故障進行診斷試驗時，以空氣懸架為研究對象，對氣壓傳感器、加速度傳感器和高度傳感器進行測試，并利用儲氣罐經管路的方式對空氣懸架進行充氣和放氣。

懸架系統會受到路面的影響而發生干擾，對其需要對車身的高度進行適當的調整，并結合系統中的壓縮行程，使用外加儲氣罐對空氣懸架進行充氣。調節電控懸架系統的高度，將其調至中位。使用CKF算法對觀測器進行設計，根據不同的故障類型制定對應的診斷策略，從而獲取系統的故障信息，并計算殘差和檢測指標，結合不同的故障類型驗證CKF算法的效果。

以故障2#（高度傳感器故障）為例，使用這三種方法進行驗證，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應故障傳感器的隔離指標如圖4所示。

當傳感器發生故障之前，故障檢測與格力指標均沒有較大的浮動，當傳感器發生故障2s后，傳感器的故障檢測和隔離指標的值開始上升，CKF相比于其他兩種方法，具有更好的診斷敏感性，且停留時間較短。

通過仿真結果和實驗結果，對三種算法的有效性進行了驗證，三種算法均可以實現傳感器故障的檢測與隔離，但是結果顯示，在傳感器的故障診斷中，CKF方法在進行故障診斷時具有更好的敏感性。

4 結束語

為了可以更好的檢測汽車電控懸架系統的傳感器故障，制定了有針對性的傳感器故障診斷策略。針對不同的故障情況進行了傳感器故障診斷仿真，采用不同的方法進行觀測器的設計，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用效果。在氣體熱力學和車輛動力學的基礎上創建了汽車電控懸架系統的模型，并對電控懸架系統中的傳感器故障制定了相關的檢測及診斷策略，通過實驗仿真的方式對故障診斷策略進行了驗證。仿真結果表明，電控懸架系統傳感器故障檢測方法可以快速檢測出傳感器的故障存在，并及時對故障進行處理，以保證系統的正常運行。

【參考文獻】

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[7]劉雁玲，徐興，楊曉峰，等.基于STF的車輛ECAS傳感器故障診斷研究[J].中國科技論文，2016，11（16）：1817-1820.