汽车电控悬架系统的传感器故障及其检修技术研究

汽車电控悬架系统的传感器故障

及其检修技术研究

郭太和

（河源技师学院，广东 河源 517000）

【摘 要】电控悬架系统可以有效控制悬架的状态，满足汽车的行驶性能能。车辆振动对电控悬架系统部件的性能影响较大，传感器一旦发生故障将会失去对车辆行驶状态的准确判断，使得电控悬架系统无法正常工作。因此，面对传感器所存在的故障，针对汽车电控悬架系统的传感器故障为切入点，通过建模分析的方式对传感器故障诊断的方法进行研究。

【关键词】汽车;电控悬架系统;传感器故障;检修

中图分类号： U463.33文献标识码： A文章编号： 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

悬架就是将轮胎的受力和产生的力传递给车身，以保证汽车的正常行驶。汽车的悬架种类较多，利用阻尼元件缓冲保证汽车行驶的平稳性。电控空气悬架系统基于电子控制单元ECU，通过传感器对悬架的状态进行采集，并实时反馈到悬架系统中，及时掌握悬架的状态，从而满足汽车的行驶需求。在实际工作的过程中，传感器是保证汽车正常工作的前提，传感器在正常工作的状态下会为电控悬架系统提供准确的信息。当传感器发生故障后，监测信号会不准确，会影响系统对传感器的有效控制。因此，对电控悬架系统中的传感器进行在线故障诊断和检测，让传感器可以在发生故障后能够迅速得到处理，以保证电控悬架系统的正常运行。

1 基于传感器故障的电控悬架系统建模

1.1 含传感器故障的1/4汽车电控悬架系统建模

1/4汽车电控悬架系统模型如图1所示。

产生空气弹簧力的主要原因来自于内部的压缩气体，因为内部的压缩气体会让电控悬架系统出现非线性的特点，而在实际的运行中，需要将非线性转换为线性。空气弹簧是电控悬架系统的重要部件，充气和放气都是一种热力学过程，因而空气弹簧非常容易受到减震器的影响，电磁阀关闭后，系统会停留一定时间后才能够逐步趋向与稳定，根据热力学的定理，空气弹簧的模型方程可以表示为[1]：

dm表示空气弹簧的流量。

当电控悬架系统的车身高度发生一定的变化时，需要通过空气弹簧对系统进行控制。在空气弹簧中，放气的过程是整个模型的关键，可以将簧下质量的振动作为重要的干扰信息，并对单组空气弹簧进行表示。电控悬架系统中的传感器包括车身高度、空气弹簧气压以及簧上质量加速度，这几种传感器都存在增益、偏差、卡死的故障[2]。传感器正常工作的状态下，电控悬架系统的量测方程可以表示为y=h（x）+v。

2 基于1/4车辆电控悬架系统中的传感器故障诊断研究

当传感器的量测输出作为输入控制器时，需要使用控制储气罐电磁阀对空气弹簧进行曹组。一旦传感器发生故障将会影响控制器的使用性能，影响其控制效果。从而不利于车辆的正常行驶。传感器故障检测与隔离策略如图2所示。

可以将传感器与控制器的输出信号作为主要的输入信息，对观测器进行设计。电控悬架系统的状态估计值是通过观测器获取，根据不同观测器之间的差值，然对故障检测指标和隔离指标进行计算，比较指标与阈值，达到对传感器故障检测和隔离的目的。使用故障检测和隔离方法有一个条件，即至少有一个传感器能够进行正常工作，如果所有的传感器都无法正常工作，则无法对传感器进行故障判断[4]。

2.1 故障檢测方法

初级残差特征描述如表1所示。

根据观测器的估计值，构建故障检测指标，将故障检测指标与检测阈值进行比较，当故障检测指标小于阈值，则不会出现故障;反之则出现故障[5]。

2.2 故障隔离方法

使用故障检测指标的方式可以更好地检测出传感器的故障原因，为了更加确定是哪一个传感器发生的故障，需要对电控悬架系统中的传感器进行故障隔离指标设计。如表2所示。

如果系统中的传感器都没有故障，则每组观测器中所获取的电控悬架系统状态变量都是相似的，且初级残差和故障检测都较小，故障隔离指标更小。如果有传感器发生故障，需要通过对应观测器获取状态变量估计值，获取的估计值会发生改变，故障检测指标和隔离指标都会变大，隔离指标对于传感器的故障更加敏感，比较隔离指标与隔离预制能够更快地实现对传感器故障的隔离诊断。

2.3 基于CKF算法的电控悬架系统故障观测器设计

电控悬架系统的非线性较强，在进行传感器故障诊断时，需要对系统进行线性化处理。

CKF算法可以对非线性进行更好的处理，该算法是采用等效权值的方式，对非线性进行变换后得到的均值和方差进行计算，从而获得更有的非线性逼近性能。根据其性能，对观测器进行方程设计：

3 汽车电控悬架系统故障诊断仿真

3.1 传感器故障诊断对比仿真分析

除了使用CKF方法外，还可以使用EKF（卡尔曼滤波器算法）、STF（强跟踪滤波器算法）方法对观测器进行设计。针对这三种不同的方法，针对传感器的故障情况进行诊断对比。

3.1.1 EKF方法

EKF方法比较适用于线性系统中，通过线性化处理后得到可扩展的EKF算法。将EKF算法应用在非线性系统中，其线性化误差较大，算法逻辑简单，但是缺乏较好的跟踪能力，因此在传感器的故障诊断中，对于故障的敏感程度较差。

3.1.2 STF方法

STF方法引入了退化因子，增加了跟踪性能。

在对线控悬架系统中的传感器故障进行诊断试验时，以空气悬架为研究对象，对气压传感器、加速度传感器和高度传感器进行测试，并利用储气罐经管路的方式对空气悬架进行充气和放气。

悬架系统会受到路面的影响而发生干扰，对其需要对车身的高度进行适当的调整，并结合系统中的压缩行程，使用外加储气罐对空气悬架进行充气。调节电控悬架系统的高度，将其调至中位。使用CKF算法对观测器进行设计，根据不同的故障类型制定对应的诊断策略，从而获取系统的故障信息，并计算残差和检测指标，结合不同的故障类型验证CKF算法的效果。

以故障2#（高度传感器故障）为例，使用这三种方法进行验证，获得三种不同的分量曲线，如图3所示。

在这种故障情况下，这种三种方法获得的对应故障传感器的隔离指标如图4所示。

当传感器发生故障之前，故障检测与格力指标均没有较大的浮动，当传感器发生故障2s后，传感器的故障检测和隔离指标的值开始上升，CKF相比于其他两种方法，具有更好的诊断敏感性，且停留时间较短。

通过仿真结果和实验结果，对三种算法的有效性进行了验证，三种算法均可以实现传感器故障的检测与隔离，但是结果显示，在传感器的故障诊断中，CKF方法在进行故障诊断时具有更好的敏感性。

4 结束语

为了可以更好的检测汽车电控悬架系统的传感器故障，制定了有针对性的传感器故障诊断策略。针对不同的故障情况进行了传感器故障诊断仿真，采用不同的方法进行观测器的设计，任意选择一种故障情况，并分析不同的诊断方法在传感器故障的应用效果。在气体热力学和车辆动力学的基础上创建了汽车电控悬架系统的模型，并对电控悬架系统中的传感器故障制定了相关的检测及诊断策略，通过实验仿真的方式对故障诊断策略进行了验证。仿真结果表明，电控悬架系统传感器故障检测方法可以快速检测出传感器的故障存在，并及时对故障进行处理，以保证系统的正常运行。

【参考文献】

[1]宋健.汽车电控悬架系统主要传感器识别与检修[J].汽车实用技术，2015（2）：62-63.

[2]曹晓雷.汽车电控悬架系统的传感器故障及其检修技术[J].自动化与仪器仪表，2017（9）：203-205.

[3]张迪俊.汽车电控悬架系统的传感器故障及其检修技术[J].内燃机与配件，2018，No.262（10）：152.

[4]陈森.汽车电控悬架系统传感器故障和检修技术[J].时代汽车，2017（16）：60-61.

[5]顾瑄.汽车电控悬架系统主要传感器识别与检修[J].山东工业技术，2016（10）：233-233.

[6]马振锋.关于现代汽车四轮定位及电控悬架系统检修问题的探讨[J].电子世界，2012（24）：37-39.

[7]刘雁玲，徐兴，杨晓峰，等.基于STF的车辆ECAS传感器故障诊断研究[J].中国科技论文，2016，11（16）：1817-1820.