基于ECAS控制的模块式车辆空气悬架高度控制系统的设计与仿真
第40卷第11期
湖南农机HUNAN AGRICULTURAL MACHINERY
第40卷第11期·学术Vol.40 Nov.112013年11月Nov.2013
1 前言
电子控制空气悬架（Electronic Controlled Air Suspension，ECAS）可通过电子控制系统同时实现多种功能，可以根据汽车行驶工况的变化改变悬架参数，最大限度地提高汽车的行驶平顺性和操纵稳定性，同时也减轻了重载车辆对路面的破坏，对车辆与路面均具有良好的保护作用。目前国外高级大客车几乎全部使用空气悬架，在重型载货汽车上，空气悬架的使用比例也已达80%以上，而在有特殊要求的车辆上，空气悬架几乎是唯一的选择，并且早在20世纪90年代就开始采用电控空气悬架系统。近年来，国内在商用车上开始采用ECAS，主要集中在城市客车和高档旅游车，其装车率还很低，成本和可靠性是主要制约因素。在ECAS控制功能中，高度控制策略是控制系统的核心内容，如果频繁地调整底盘高度，有可能造成气泵系统局部过热，会大大缩短气泵的使用寿命。不同车型、不同结构的空气悬架系统其控制系统的复杂程度也不一样。对于商用车而言，较为普遍的结构形式有双桥空气悬架，前桥一体控制、后桥独立控制方式或前桥独立控制、后桥一体控制方式；仅前桥或后桥有空气悬架，且采用独立控制方式。本文以一款后桥为空气悬架的商用车为例，探讨ECAS控制系统的模块化设计方法，以便根据客户对产品的不同需求，通过选择不同的功能模块来满足整车的性能要求。
因此，控制系统模块化将极大地降低系统的复杂程度，同时也将降低软件的开发周期和成本。
2空气悬架系统高度控制结构
图1 空气悬架系统的结构简图
空气悬架系统的结构如图1所示，空气弹簧采用的是Firestone膜式空气气囊，电磁阀为WABCO4728800010型两
基于ECAS控制的模块式车辆
空气悬架高度控制系统的设计与仿真
杨培刚1，鲍健铭2，蒋瑞斌1，熊少华1
（1.湖南生物机电职业技术学院车辆工程系，湖南长沙410126；2.东风汽车股份有限公司特种车事业部，
湖北武汉430056）
摘要：以ECAS为基础，以WABCO4728800010两位三通电磁阀和Freescale的MC9S12D64微处理器为核心元器件，开发了一种模块式的空气悬架高度控制系统，并在matlab/simulink环境下进行了仿真验证。该系统的高度控制策略分为启动控制模块、动态调节模块、手动调节模块以及误差调节模块，由模式选择开关来决定不同模块的工作状态，逻辑控制准确、调试方便。模块式的设计大幅降低了系统的复杂程度，同时也将降低软件的开发周期和成本。
关键词：ECAS；模块式；空气悬架；悬架高度控制；Simulink仿真
中图分类号：U463.33+4.2文献标识码：A文章编号：1007-8320（2013）11-0039-04
ECAS control based on a modular vehicle air suspension height control
system design and simulation
YANG Pei-gang1，BAO Jian-ming2，JIANG Rui-bin1，XIONG Shao-hua1
(1.Vehicle Engineering Department，Hunan Biological and Electromechanical Polytechnic，Changsha,Hunan410126，China；
2.Special Vehicles Department,Dongfeng Automobile Co.,Ltd.Wuhan,Hubei430056,China)
Abstract:In ECAS based,In WABCO4728800010two way solenoid valve and Free-scale's MC9S12D64micropro鄄cessor core components,has developed a modular air suspension height control system,And matlab/simulink environment for the simulation.The system's high degree of control strategy is divided into start control module,dynamic adjustment module,manual adjustment module and error adjustment module,the mode selector switch to determine the working status of the different modules,logic control accurate,convenient debugging.Modular design greatly reduces the complexity of the system,but will also reduce the time and cost of software development.
Key words:ECAS；Modular,Air suspension；Suspension height control；Simulink simulation
收稿日期：2013-09-15
作者简介：杨培刚，男，主要研究方向：车辆工程。
湖南农机2013年11月
位三通电磁阀，车身高度传感器为霍尔式，ECU采用了Freescale公司的MC9S12D64微处理器。ECU接收来自车身高度传感器、车速传感器以及其他传感器的信号，通过系统控制策略的逻辑判断，决定控制指令的输出状态，而控制指令主要是针对电磁阀电磁线圈电平位置的控制，决定气囊的充气、放气与封闭状态。
ECU的输入信号按照类型可分为连续信号和开关信号，其中连续信号包括高度传感器信号和车速信号，开关信号包括压力传感器信号、点火信号、制动信号、门位置信号以及操纵信号，而操纵面板按键则包括M1（特殊高度H1）、M2（特殊高度H2）、Normal（正常高度H0）、Lifting（上升）、Lowering（下降）、STOP。ECU的输出信号有电磁阀的控制指令、指示灯显示（高度指示灯、警告灯、安全灯）。
在该系统中，需要标定的参数有：悬架上限高度Hma x_height、悬架下限高度Hmin_height、正常高度H0、特殊高度H1、特殊高度H2、高度公差H＿deviation、左右高度偏差L＿R＿deviation、控制特殊高度H1的速度阈值speed1、恢复标准高度的速度阈值speed2、控制手控开关的速度阈值Vm等。
电磁阀的内部接线电路如图2所示。电磁阀总共有三个气路口，一个进气口（11）和两个排气口（22/23），因此只适用于对一根轴的两个气囊进行控制，气路21被螺栓堵住，22是2-HAS轴（后轴）左气囊的气路，23是2-HAS轴（后轴）右气囊的气路，3为排气口处的消声器；电磁阀共有四芯线，分别为6.1、6.2、6.3和6.4，其中6.1是主控电磁阀线圈，6.2是控制气路22的电磁阀线圈，6.3是控制气路23的电磁阀线圈；每个气
囊的开闭状态由主控电磁阀与其对应的控制电磁阀所决定。
图2 电磁阀内部接线图
3 高度控制策略设计
ECAS系统高度分为正常高度H0、特殊高度H1、特殊高度H2，此外，为了限定悬架的运动行程，需要设定上限高度和下限高度。正常高度是空气弹簧出厂时的设计高度，特殊高度H1一般要低于正常高度的，特殊高度H2则要高于正常高度，这些高度值是可以根据整车的匹配需求进行修改标定的。
按照模块化设计思想，将高度控制策略分为：启动控制模块、动态调节模块、手动调节模块以及误差调节模块，不同控制模块的选择由模式选择开关来控制。模式选择开关根据车速以及点火信号来判断车辆当前所处的工况，选择对应的控制模块，从而对气囊的高度做出控制，调整适合该工况下的车身高度。3.1启动控制模块
（1）功能：当车辆点火开关打开后，系统自动检测手控信号和高度信号，若无手控信号，自动调整至正常高度H0；手动开关只可选择特殊高度H1、H2。
（2）调用条件：车速V=0，点火开关Ignition=1。
（3）输入信号包括：车速信号、点火开关信号、高度传感器信号、操纵信号M1、M2。
（4）输出信号包括：电磁阀的电磁线圈6.1、6.2、6.3的控制信号。
3.2动态调节模块
（1）功能：当车速超过限定值Vm（该速度阈值可根据不同需求进行标定）后，系统进入自动调整状态，此时不检测手动信号，手动操纵不起作用。当车速较低但高于Vm（一般取20km/h）时，系统将车高调整至正常高度H0；当车速高于控制特殊高度H1的速度阈值speed1时，系统将车高调整至特殊高度H1；当车速低于恢复标准高度的速度阈值speed2时，系统将恢复车身高度至正常高度H0。
（2）调用条件：V>Vm。
（3）输入信号包括：高度传感器信号、车速信号。
（4）输出信号包括：电磁阀的电磁线圈6.1、6.2、6.3的控制信号。
3.3手动调节模块
（1）功能：当车速进入0—Vm区间时，驾驶员可通过操纵按钮手动调节车身高度，此时系统不会进行自动调整，直至车速超出手动操纵控制的车速阈值。
（2）调用条件：0 （3）输入信号包括：车速信号、高度传感器信号、操纵按键信号（正常高度H0、特殊高度H1、特殊高度H2、Lifting、Low-ering、STOP）。 （4）输出信号包括：电磁阀的电磁线圈6.1、6.2、6.3的控制信号。 3.4误差调节模块 （1）功能：在高度调节过程中，将左、右气囊充气高度偏差保证在一定范围内，维持车身姿态平衡。 （2）调用条件：左、右气囊高度偏差值超过误差值，即着= Hl-Hr＞酌。结束条件：左、右气囊高度偏差值小于或等于误差值酌，即Hl-Hr≤酌。 （3）输入信号包括：车速信号，高度传感器信号、模式选择开关信号。 （4）输出信号包括：电磁阀的电磁线圈6.1、6.2、6.3的控制信号。 误差调节模块除了比较两气囊的高度偏差，还需判断车辆当前所处的工况，根据工况选择目标高度，因此该模块对气囊的调节需考虑两个因素，即当前气囊高度与目标高度的差值，左右两气囊的高度偏差，这里定义左右高度偏差调节的优先级大于目标高度调节，该误差值酌可以由驾驶员自行标定，但该误差值不能过小，否则会造成电磁阀对气囊进行频繁的充放气。 4仿真验证 为了验证高度控制逻辑的正确性，在matlab/simulink环 40 第40卷第11期境下进行了仿真试验。误差调节模块是高度调节的基本模块，所有其它模块的调节功能都是在此模块的基础上实现的。这里设定了三种工况，以检验误差调节模块的工作逻辑： （1）初始高度均小于预控制的目标高度；（2）一侧气囊初始高度小于目标高度，另一侧气囊初始高度大于目标高度。 （3）初始高度均大于预控制的目标高度； 以启动模块为例，matlab/simulink 仿真试验模型如图3所示： 仿真模型中需标定的参数如表1所示： 表1 启动模块参数设定名称数值（cm ） 标准高度H＿025特殊高度H＿115特殊高度H＿235高度公差H＿deviation 0.5左右高度偏差L＿R＿deviation 1 4.1 初始高度均小于目标高度 在车辆熄火一段时间后，由于气囊及电磁阀的管接头处会出现漏气现象，导致车辆两气囊的高度均低于标准高度，而两气囊的漏气程度不同会使得左右气囊高度偏差增大。假设22号（左侧）气囊的高度小于23号（右侧）气囊高度，当车辆启动后，假设无手动调节信号，系统默认标准高度，此时的高度偏差调节的策略是，先对22号气囊进行充气，23号气囊处于保压状态，直至22号气囊和23号气囊的高度差值小于 γ，此时系统会对两气囊同时充气，直至达到标准高度。仿真结果如图4 所示： 图4 两气囊均小于目标高度的仿真结果 从图4中可以看出，仿真开始时，由于22号气囊和23号气囊初始时高度偏差值较大，因此系统先对22号气囊进行充气，直至1.5s 时刻，两气囊偏差值小于1cm ，此时系统对两气 囊同时充气，在3.5s 时，两气囊均达到正常高度，此后处于保压状态。由此可见，电磁阀的运行逻辑正确，实现了预期的功 能。 图3 matlab/simulink 仿真模型 杨培刚，鲍健铭，蒋瑞斌，等：基于ECAS 控制的模块式车辆空气悬架高度控制系统的设计与仿真41 湖南农机2013年11月 4.2 两气囊高度在目标高度的两侧 当车辆处于怠速状态且对车辆进行货物装载时，由于左右两侧货物装载不平衡会导致车身质心的偏移，使得两侧空气弹簧受力不同而出现高度偏差。同样，此处假设22号气囊高度降低且低于标准高度的正常范围，23号气囊高度升高且高于标准高度的正常范围，此时高度偏差调节的策略是，先对22号气囊进行充气，23号气囊处于保压状态，直至22号气囊达到标准高度的允许范围，而后对23号气囊放气，直至调节至标准高度的允许范围。仿真结果如图5所示： 从图5中可以看出，22号气囊从仿真开始至1.5s一直处于充气状态，而23号气囊则处于保压状态；从1.5~3.5s23号气囊开始放气，22号气囊处于保压状态；3.5s以后两气囊高度 保持一致，满足高度偏差控制要求。 图5 两气囊高度在目标高度两侧的仿真结果 4.3 初始高度均大于目标高度 当需要将车辆调整至较低的底盘高度时，需要对气囊进行放气，而若两气囊初始高度不一致且高度偏差过大，此时调节的策略是，先对较高的气囊进行放气，直至和较低高度气囊高度一致，而后对两气囊同时放气。假设23号气囊的高度比22号气囊的高度要高。仿真结果如图6所示： 由图6可以看出，系统先对23号气囊放气，同时对22号气囊保压，直到1.5s后两气囊高度一致，然后系统同时对两气囊放气，直到预期的调节高度。由此可见，电磁线圈的控制逻辑是正确。 上面的仿真试验是针对启动模块进行的，其它模块的仿 真试验与此类似，在此不再赘述。 图6 初始高度均大于目标高度仿真结果 5结语 文章按模块化思想设计，将空气悬架的高度控制策略划分为启动控制模块、动态调节模块、手动调节模块以及误差调节模块，由模式选择开关来决定不同模块的工作状态，通过在matlab/simulink环境下的仿真试验表明，文章所建立的空气悬架高度控制策略简便易行、逻辑控制准确、调试方便。文章所研究的控制策略虽然是针对最简单的单轴空气悬架系统，但稍加改动亦可用于双轴空气悬架系统，其设计方法和思路对开发其它结构形式的电控空气悬架控制系统也有借鉴作用。 参考文献 [1]姜立标，王登峰.货车空气悬架的现状及发展趋势[J].齐齐哈尔大学学报，2005，（1）：66-69. [2]Schonfeld,K.,Geiger,H.,and Hesse,K.Electronically Controlled Air Suspension(ECAS)for Commercial Vehicles.SAE Technical Paper912671,1991. [3]耿玉军.ECAS客车车身高度调节系统设计及调校研究[D].南京：江苏大学，2009. 42 基于ECAS控制的模块式车辆空气悬架高度控制系统的设计与仿真 作者：杨培刚， 鲍健铭， 蒋瑞斌， 熊少华， YANG Pei-gang， BAO Jian-ming， JIANG Rui-bin， XIONG Shao-hua 作者单位：杨培刚,蒋瑞斌,熊少华,YANG Pei-gang,JIANG Rui-bin,XIONG Shao-hua(湖南生物机电职业技术学院 车辆工程系,湖南 长沙,410126)， 鲍健铭,BAO Jian-ming(东风汽车股份有限公司特种车事业部,湖北 武汉,430056)刊名： 湖南农机 英文刊名：Hunan Agricultural Machinery 年，卷(期)：2013(11) 本文链接：https://www.wendangku.net/doc/ef15359209.html,/Periodical_hunnj201311022.aspx