摘? 要: 變速器是汽車系統中的關鍵設備,在同一試驗臺上實現其綜合性能" title="綜合性能">綜合性能的在線檢測,在國內尚沒有先例。本文介紹的新型試驗臺系統,實現了變速器綜合性能的在線檢測。介紹了該試驗臺系統的體系結構及工作原理,并詳細敘述了其控制軟件的開發及實現。
關鍵詞: 變速器 試驗臺 體系結構 控制軟件
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汽車變速器是汽車中的一個關鍵設備,其性能直接影響到汽車的動力性、經濟性和可靠性。汽車變速器綜合性能的測試比較復雜，目前國內的汽車變速器試驗臺自動化程度低、人機界面不友好、測試過程依賴于測試者的經驗。因此，研制了一套汽車機械式變速器綜合性能試驗臺系統。本試驗臺系統自動化程度高、測試項目多、實時性強且安全可靠。
1 系統介紹
具體說來，該試驗臺系統具有以下優點:可進行五種不同型號變速器及其擴展類型變速器的性能測試;自動測試過程可智能控制;短時間內可完成綜合性能(換檔" title="換檔">換檔、加載" title="加載">加載、同步器)測試;運行參數可實時顯示;可進行故障的自動檢測、報警及處理等。
1.1系統硬件介紹
本系統采用雙變頻電機模擬汽車變速器實際工況,從而實現對變速器性能的真實檢測。電機的控制通過西門子6SE70系列變頻器來實現。該系列變頻器采用交流矢量控制技術,對大功率交流電機實現了精確控制。因為該系統中變頻器數量不多、數據傳輸量不大，采用RS485總線來實現工控機與變頻器之間的通訊，滿足了實時性要求。由于PLC控制穩定、可靠,所以自動換檔" title="自動換檔">自動換檔執行機構(機械手)采用PLC控制器來實現不同型號變速器的自動換檔動作。
1.2 系統軟件開發環境
工業過程控制軟件往往需要具有很強的通訊能力、現場數據的實時檢測能力及強大的數據庫、良好的圖形界面。組態王" title="組態王">組態王6.01采用全新中文Explorer界面并擁有豐富的繪圖工具和龐大的圖形庫(包括大量的工業標準元件),支持多媒體和ODBC數據庫提供的功能、具有強大的控件和控制語言,使用靈活、方便,提供給用戶一方便的集成開發環境,使開發者可快速構造應用系統。它還具有強大的通訊能力和良好的開放性。本系統控制軟件基于組態王6.01二次開發，實現了測試過程的控制、測試數據的實時顯示,而且縮短了開發時間。
2 系統體系結構
2.1系統要求
廠方要求試驗臺系統能夠在線檢測變速器的綜合性能,包括以下試驗:①各檔換檔試驗;②變速器加載能力測試;③變速器操縱(同步器)性能的測試;④跳檔檢測;⑤變速器的疲勞壽命試驗;⑥傳動效率試驗。
工作性能要求為:
(1)系統運行穩定、安全可靠;
(2)測試數據報表和測試及故障診斷的界面友好;
(3)臺架試驗方法科學、規范,達到汽車機械式變速器臺架試驗方法國家標準;
(4)在同一臺架上對不同種變速器完成測試功能。
2.2 系統體系結構
系統整體結構如圖1所示。
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系統分為三大模塊:①控制部分;②換檔機械手部分;③試驗臺機電部分。控制部分以計算機為中心,控制軟件根據現場數據和當前工作狀態控制系統的流程、任務分配、指令發送、故障檢測等;通過板卡通訊向PLC機械手發送換檔控制指令、通過RS485總線向變頻器發送測試所需的轉速和加載扭矩信號。控制部分還包括變頻器、現場數據采集卡(PCL818L)、PLC控制器。變頻器可以實現三相交流異步電動機的無級調速。變頻器選用西門子6SE70系列變頻器,該系列變頻器采用交流電機的矢量控制技術對電機進行控制。矢量控制也叫磁場定向控制。它的基本思路是利用d-q旋轉坐標變換,將定子電流分成勵磁電流id1和轉矩電流iq1,在調速過程中保持轉子磁鏈不變,即id1為常數,此時交流電機調速原理與直流電機相同。現場數據采集卡將現場采集的數據傳輸到計算機。PLC控制器根據計算機發送的指令完成將換檔信號轉換為換檔機械手的執行命令。
換檔機械手部分是控制部分的執行機構,機械手根據PLC發送的換檔指令完成指定的換檔動作。
試驗臺機電部分是本系統的最終執行機構,完成將變速器驅動到相應轉速和加載扭矩，以達到特定測試工況。機械部分包括兩個功率比較大的變頻電機和試驗臺架。本系統中電機的性能對整體性能影響很大,因而選用交流變頻電機。該電機能滿足高精度的扭矩、轉速控制,而且功率足夠大,可以滿足本系統試驗工況要求。在工作時,加載電機工作在發電狀態下,能量回饋到電網,大大節約了能源。試驗臺架包括離合器、傳動機構和汽車變速器。因為試驗時要達到高轉速、高扭矩的工作狀態,所以機械部分加工精度要高。汽車變速器是本系統測試對象,為了使裝卸變速器的時間短,本試驗臺變速器的夾緊松開操作是通過油缸4軸連動壓板來實現的。
2.3 系統工作原理
系統采用雙電機模擬汽車工況,其中驅動電機通過變頻器的速度閉環控制模擬汽車的驅動機構,加載電機通過變頻器的扭矩閉環控制模擬汽車加載。機械手根據計算機發出的指令信號完成對不同型號變速器的換檔動作,從而能控制變速器換檔到指定的檔位。在測試過程中,控制軟件對系統的運行參數實時記錄顯示,并對溫度、轉速、扭矩、電流、安全罩到位信號等實時監控,遇到故障自動報警、自動分析。
3 系統軟件的開發與實現
本系統控制軟件是基于組態王6.01二次開發的,功能結構如圖2所示。
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本系統從功能上完成了自動試驗、手動試驗、單獨換檔試驗、疲勞試驗和效率試驗。計算機自動試驗是本系統的主要部分,在這種狀態下計算機控制變速器的測試過程,包括:試驗流程、試驗過程中換檔順序、各個檔位的轉速給定、加載扭矩給定、系統協調、信號檢測及處理等。在自動試驗控制下,完成從空檔到最高檔位的換檔和加載交替過程,接著完成從最高檔位降低到最低檔位的降檔換檔,最后完成倒檔測試。手動試驗是由人操作手動操作臺的按鈕完成的,其程序主要完成監測、報警功能。單獨換檔是應廠家要求對某一指定檔位進行試驗。疲勞試驗和效率試驗分別對變速器的耐久性和傳動效率進行測試。組態王6.01有豐富的畫面制作系統,支持無限色和二十四種過渡色,并具有豐富的圖庫和圖庫精靈、豐富的動畫連接向導。利用組態王6.01界面開發系統可給各種控制模式開發出生動的界面,非常形象、美觀。由于自動試驗過程是本軟件系統的關鍵,故以下僅對自動試驗進行討論。
3.1 接口通訊參數
組態王與I/O設備之間的通訊很方便,主要通過以下幾種方式進行通訊:串口通訊方式、DDE方式、板卡方式、網絡節點方式、人機接口方式。組態王有豐富的數據類型,使用起來特別方便。
接口通訊參數如圖3所示。
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????計算機通過檢測現場數據,根據任務規劃狀態向PLC和變頻器發送相應的控制指令。
現場數據包括:變速器當前檔位、轉速、扭矩、通過拉壓力傳感所測得的掛檔力、離合器開關信號、變速器夾緊信號、軸承溫度等。其中與PLC的通訊利用組態王的板卡通訊方式,組態王與變頻器通訊采用組態王的串口通訊方式,組態王與現場數據通訊通過PCL818L擴展板卡來實現。現場數據用于檢測工作狀態是否到位和故障報警等,如機械手是否換檔到位是根據現場采集的速度之比和配方中的速比是否一致來判斷的,而溫度、轉速等指標又是故障報警的依據。
3.2 自動換檔過程的實現
3.2.1 自動換檔過程流程圖
自動換檔過程流程圖如圖4所示。
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自動換檔過程要完成松開離合器、換檔、閉合離合器的動作和定時加載以及檔位的自動更替。由于松開離合器、換檔、閉合離合器都是在電機運轉的情況下工作的,因而每一動作命令的發出都要先檢驗其條件是否嚴格滿足以保證安全。離合器松開的條件為:電機的轉速必須在預設的范圍內;換檔的條件為:必須檢測到離合器已松開;離合器閉合條件為:換檔到位。如果條件不滿足就等待條件滿足,但是等待時間也是有限制的,故采用定時器計時的方法來控制順序動作等待時間。當檔位換到位時,按該檔位的測試參數加載,加載一段時間就可以測得變速器的加載能力,因而加載的定時也采用定時器來完成。加載計時完畢,將進行下一檔位的測試,在程序中進入換檔準備過程。在換檔準備過程中,當前檔位標志更替為下一個測試檔位的標志,檔位參數(變比、檔位、加載扭矩、加載轉速)更改為下一測試檔位的參數。
3.2.2 基于組態王編程實現自動換檔過程
組態王事件命令語言可以規定在事件發生、存在和消失時分別執行的程序。離散變量名或表達式都可以作為事件。當該事件剛剛發生時,該單元的程序只執行一次;當該事件存在時,按照設定的時間間隔反復執行該單元程序;當該事件消失時,該單元程序只執行一次。事件命令語言存在時的循環執行程序與普通程序的while循環類似,但不完全相同。事件命令語言在事件存在條件下可以控制和調節系統循環執行的時間，因而有利于過程控制的定時操作。事件命令語言可以完成普通程序的if、while條件,同時可以達到定時功能。而且工業控制中很多都是通過離散狀態變更來激發程序的流程。組態王命令語言形式很適合開發這種過程。
自動換檔過程建立了多種工作狀態:“換檔準備”、“換檔開始”、“換檔成功”、“加載”、“運行”、“試驗完成”等。以這些工作狀態和計算機檢測到的現場數據組合構成不同的事件,再以這些不同的事件之間相互激發、轉換的邏輯關系實現自動換檔過程的邏輯關系。
這里采用了組態王事件命令語言中事件存在時循環的定時功能。當程序進入定時器狀態時,采用計數器進行倒計時,事件存在時命令語言其它的程序都處于不被激發狀態。在這種狀態下,通過設定計數器起始計數值n和事件命令語言存在時循環執行一次的時間t,可以設定定時器的定時T(T=n×t)。
組態王還具有配方功能。在制造領域,配方用來描述生產一件產品所用的不同配料之間的比例關系,是生產過程中一些變量對應的參數設定值的集合。不同型號變速器和不同檔位的測試參數(轉速、加載扭矩等)數據結構類型是一致的,只是比例關系不同,因而采用配方功能比較方便。
該軟件系統具有連網功能,可以遠程檢測現場工作狀態,可并入企業的CIMS系統。
本試驗臺系統綜合了計算機、通訊、自動化、電子、電氣、機械等方面知識,是一個智能化的變速器綜合性能在線檢測機電一體化試驗系統,自動化程度高、檢測時間縮短,大大降低了運行成本、提高了生產效率。制動電機采用回饋制動,節約能源。系統控制方法精確,檢測傳感器精度高,達到了很高的精度。應用組態王強大的通訊和過程控制能力,減少了控制程序的開發時間。試驗臺已經通過廠方驗收,即將投入生產一線，并將被廣泛推廣。
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參考文獻
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