公共直流母線電封閉式變速器試驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

宣自洋，陳書(shū)宏，常 凱

XUAN Zi-yang1,2, CHEN Shu-hong1, CHANG Kai1

（1.中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所，沈陽(yáng) 110016；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

0 引言

汽車變速器是汽車傳動(dòng)系統(tǒng)的重要組成部分，變速器以其傳動(dòng)比固定，傳動(dòng)力矩大，結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，使之成為汽車的關(guān)鍵性傳動(dòng)部件之一，其操作性、傳動(dòng)性和安全性的好壞直接影響到汽車整車的動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性及駕駛舒適性等方面的性能。因此汽車變速器在總裝完成后必須進(jìn)行嚴(yán)格的、全面的性能檢測(cè)。以往變速器的性能檢測(cè)多采用無(wú)負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)換擋或靜態(tài)換擋，由操作人員憑聽(tīng)覺(jué)判斷是否出現(xiàn)異常噪聲等現(xiàn)象，并以此作為判斷變速器好壞的依據(jù)，這不僅不能暴露某些產(chǎn)品的潛在問(wèn)題，容易將不合格產(chǎn)品當(dāng)作合格產(chǎn)品，而且在故障判斷方面存在很大的主觀性和不確定性。隨著我國(guó)汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，變速器產(chǎn)品更新?lián)Q代的速度越來(lái)越快，其性能檢測(cè)的要求也越來(lái)越高，變速器生產(chǎn)廠商對(duì)變速器的檢測(cè)手段和檢測(cè)設(shè)備提出了更高的要求。

變速器試驗(yàn)臺(tái)的種類很多，有開(kāi)放式試驗(yàn)臺(tái)和封閉式試驗(yàn)臺(tái)、在線試驗(yàn)臺(tái)和離線試驗(yàn)臺(tái)、加載試驗(yàn)臺(tái)和空載試驗(yàn)臺(tái)等。本試驗(yàn)臺(tái)采用的是電封閉式在線加載試驗(yàn)臺(tái)。試驗(yàn)臺(tái)采用了公共直流母線電封閉式的總體結(jié)構(gòu)，利用高性能的交流伺服調(diào)速技術(shù)以及高速的PROFINET工業(yè)以太網(wǎng)通訊技術(shù)等，使得整個(gè)系統(tǒng)不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，加載靈活，精度可靠，而且電能利用率高。該變速器試驗(yàn)臺(tái)的使用大大提高了變速器性能檢測(cè)的可靠性和自動(dòng)化水平，從而保證了變速器產(chǎn)品的出廠質(zhì)量。

1 公共直流母線系統(tǒng)原理

公共直流母線技術(shù)是在交流多傳動(dòng)系統(tǒng)中，采用單獨(dú)的整流/回饋裝置為系統(tǒng)提供一定功率的直流電壓，調(diào)速用逆變器直接掛在公共直流母線上。當(dāng)系統(tǒng)工作在電動(dòng)狀態(tài)時(shí)，逆變器從直流母線上獲取電能；當(dāng)系統(tǒng)工作在發(fā)電狀態(tài)時(shí)，能量通過(guò)直流母線及回饋裝置直接回饋到電網(wǎng)，以達(dá)到節(jié)能、提高設(shè)備運(yùn)行可靠性、減少設(shè)備維護(hù)量。通常情況下，整流單元或者整流回饋單元的容量比所供電的電機(jī)或逆變器的全線交流電機(jī)容量之和小。完整的公共直流母線供電系統(tǒng)包括：整流變壓器、進(jìn)線開(kāi)關(guān)、進(jìn)線接觸器、電抗器、自偶變壓器、進(jìn)線快熔、整流回饋單元、逆變器、電機(jī)等。公共直流母線系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 公共直流母線系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

整流/回饋單元把交流電轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的直流電，即便在逆變器能量回饋到直流母線上時(shí)，直流電壓在規(guī)定的范圍內(nèi)仍保持恒定。這種交-直整流電源有3類：不可控整流電源、晶閘管整流/回饋電源及IGBT整流/回饋電源，中低壓變頻領(lǐng)域中IGBT整流/回饋電源已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。IGBT整流/回饋電源由IGBT橋和交流進(jìn)線電抗構(gòu)成，采用PWM控制，具有雙向功率流、正弦波網(wǎng)側(cè)電流、功率因數(shù)超前/滯后可調(diào)（可為1）、電網(wǎng)異常降低時(shí)關(guān)斷全部開(kāi)關(guān)器件等性能。逆變單元把電壓穩(wěn)定的直流電源轉(zhuǎn)化為電壓、頻率可調(diào)的交流電源，以滿足電機(jī)平滑調(diào)速的目的，逆變單元一般采用IGBT功率模塊。

2 變速器試驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)原理

圖2 變速器試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)原理圖

變速器試驗(yàn)臺(tái)采用公共直流母線電封閉的結(jié)構(gòu)形式，相比較傳統(tǒng)的開(kāi)放式試驗(yàn)臺(tái)和的機(jī)械封閉式試驗(yàn)臺(tái)具有能量利用率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加載靈活等特點(diǎn)。試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)原理如圖2所示。

經(jīng)過(guò)濾波、穩(wěn)壓、去噪等處理后的交流電經(jīng)整流/回饋單元轉(zhuǎn)換為直流電，輸送到內(nèi)部公共直流母線上，驅(qū)動(dòng)電機(jī)和兩個(gè)加載電機(jī)通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器連接到直流母線上，驅(qū)動(dòng)電機(jī)和加載電機(jī)通過(guò)減速箱、扭矩傳感器、離合器等連接到變速器上，從而形成能量流的閉環(huán)。系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)信息通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)傳送到主控制器中。試驗(yàn)臺(tái)對(duì)變速器進(jìn)行正拖加載（即模擬車輛行駛中發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)情況下變速器的工況）測(cè)試時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)模擬發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)變速器，兩個(gè)加載電機(jī)分別在變速器的兩個(gè)輸出端加載一定的負(fù)載扭矩，此時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)作為電動(dòng)機(jī)通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器從直流母線上吸收電能，加載電機(jī)作為發(fā)電機(jī)通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器向直流母線上回饋電能，回饋的電能可以被系統(tǒng)內(nèi)部利用，電能在系統(tǒng)內(nèi)部形成了閉環(huán)，系統(tǒng)只需從外部補(bǔ)充少量電能以補(bǔ)充系統(tǒng)內(nèi)部損耗的電能。變速器的反拖加載（即模擬車輛行駛中發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)情況下變速器的工況）測(cè)試的情況與正拖加載類似，此時(shí)兩個(gè)加載電機(jī)作為動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)變速器，驅(qū)動(dòng)電機(jī)在變速器輸入端加載一定的負(fù)載扭矩，加載電機(jī)作為電動(dòng)機(jī)從母線上吸收電能，驅(qū)動(dòng)電機(jī)作為發(fā)電機(jī)向母線上回饋電能，電能在系統(tǒng)內(nèi)部形成閉環(huán)。當(dāng)所有電機(jī)制動(dòng)停機(jī)時(shí)，電機(jī)回饋到直流母線上的電能通過(guò)整流/回饋單元回饋到電網(wǎng)中，且對(duì)電網(wǎng)幾乎沒(méi)有的影響。因此，直流母線電封閉式的變速器試驗(yàn)臺(tái)具有很高的電能利用率，符合節(jié)能環(huán)保、綠色生產(chǎn)的理念。

3 變速器試驗(yàn)臺(tái)工藝過(guò)程分析

變速器試驗(yàn)臺(tái)為在線檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)，可對(duì)同系列的多種不同型號(hào)變速器進(jìn)行產(chǎn)品下線前的性能檢測(cè)，變速器的上線、型號(hào)識(shí)別、裝夾、加載試驗(yàn)、信息記錄、卸夾、下線等過(guò)程動(dòng)作都是全自動(dòng)完成。變速器的總裝完成后由裝配線搬運(yùn)到試驗(yàn)環(huán)線上，變速器型號(hào)等相關(guān)信息會(huì)記錄在變速器所在托盤(pán)的RFID中，實(shí)驗(yàn)前通過(guò)讀取RFID中的信息可以確定變速器的型號(hào)，進(jìn)而確定接下來(lái)的性能檢測(cè)試驗(yàn)的試驗(yàn)參數(shù)，如：試驗(yàn)加載扭矩、試驗(yàn)轉(zhuǎn)速、理論速比等。變速器隨著線體運(yùn)送到試驗(yàn)臺(tái)上后，試驗(yàn)臺(tái)對(duì)其進(jìn)行自動(dòng)裝夾，并完成變速器輸入輸出軸與試驗(yàn)臺(tái)的驅(qū)動(dòng)軸和加載軸自動(dòng)對(duì)接，完成后，向變速器內(nèi)注入潤(rùn)滑油后準(zhǔn)備進(jìn)行性能檢測(cè)試驗(yàn)，根據(jù)變速器型號(hào)確定的試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行預(yù)設(shè)的各項(xiàng)試驗(yàn)，如：速比檢測(cè)試驗(yàn)、開(kāi)關(guān)檢測(cè)試驗(yàn)、噪聲檢測(cè)實(shí)驗(yàn)、換擋性能檢測(cè)試驗(yàn)等，試驗(yàn)的結(jié)果自動(dòng)記錄，試驗(yàn)完成后，排除變速器中的潤(rùn)滑油，試驗(yàn)臺(tái)對(duì)變速器自動(dòng)脫開(kāi)連接，并自動(dòng)卸夾，變速器離開(kāi)試驗(yàn)臺(tái)之前，試驗(yàn)臺(tái)通過(guò)RFID將試驗(yàn)結(jié)果記錄在RFID中，為后續(xù)的處理提供信息依據(jù)，記錄結(jié)果后，變速器隨托盤(pán)離開(kāi)試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)入試驗(yàn)環(huán)線，變速器性能檢測(cè)試驗(yàn)基本流程如圖3所示。

圖3 變速器性能檢測(cè)試驗(yàn)基本流程

4 變速器試驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

變速器試驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)的硬件主要包括PLC、上位機(jī)、HMI觸摸屏、分布式I/O、交流多傳動(dòng)伺服驅(qū)動(dòng)單元和RFID等，控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 變速器試驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

控制系統(tǒng)主控制器采用西門(mén)子SIMATIC S7-1500系列CPU 1513-1 PN型PLC，SIMATIC S7-1500是對(duì)SIMATIC S7-300和S7-400進(jìn)行進(jìn)一步開(kāi)發(fā)的自動(dòng)化系統(tǒng)，通過(guò)集成大量的新性能特性，S7-1500自動(dòng)化系統(tǒng)具有卓越的用戶可操作性和極高的性能。CPU 1513-1 PN中央處理單元帶有小型顯示器，具有一個(gè)帶有兩個(gè)端口的PROFINET接口，支持PROFINET IO和等時(shí)同步實(shí)時(shí)IRT，可以在接口上組態(tài)PROFINET IO通信或?qū)崟r(shí)設(shè)置，變速器試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)中的分布式I/O和伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)都是通過(guò)PROFINET IO與CPU 1513-1 PN進(jìn)行通信。SIMATIC S7-1500采用模塊化的設(shè)計(jì)，所需的功能可以通過(guò)擴(kuò)展功能模塊獲取，CPU 1513-1 PN可以擴(kuò)展32個(gè)模塊，根據(jù)系統(tǒng)對(duì)數(shù)字量I/O的需要，分別擴(kuò)展了DI 32*24VDC和DO 32*24VDC的數(shù)字量輸入/輸出模塊。

分布式I/O系統(tǒng)可以采集和控制變速器試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)中遠(yuǎn)離控制柜的控制信息，方便現(xiàn)場(chǎng)布線，減少長(zhǎng)距離布線造成的信號(hào)干擾。試驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)中采用西門(mén)子SIMATIC ET 200pro 分布式I/O系統(tǒng)，ET 200pro是具有IP66防護(hù)等級(jí)的模塊化分布式I/O系統(tǒng)，適合在惡劣的工業(yè)環(huán)境中使用，通過(guò)擴(kuò)展模塊可以靈活的增加系統(tǒng)的功能，最多可擴(kuò)展16個(gè)模塊，ET 200pro通過(guò)PROFINET IO與CPU 1513-1 PN通信，通信傳輸速率為100Mbps。試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)中的液壓控制信號(hào)、氣動(dòng)控制信號(hào)、扭矩傳感器模擬量信號(hào)等都需要連接到ET 200pro中，根據(jù)系統(tǒng)特點(diǎn)，擴(kuò)展的模塊有：1個(gè)IM 154-4 PROFINET IO接口模塊，2個(gè)DI 16*24VDC數(shù)字量輸入模塊，3個(gè)DO 8*24VDC數(shù)字量輸出模塊和1個(gè)4 AI I模擬量輸入模塊。

傳動(dòng)控制系統(tǒng)采用的是西門(mén)子SINAMICS S120 DC-AC多軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，中心控制單元為CU320模塊，帶擴(kuò)展性能卡的CU320可以驅(qū)動(dòng)6個(gè)伺服軸或4個(gè)適量軸，8個(gè)V/F軸。整流/回饋單元采用ALM電源模塊，整流和回饋均為IGBT，母線電壓可控，電網(wǎng)電壓在允許范圍內(nèi)的波動(dòng)不會(huì)影響到電機(jī)側(cè)，在電網(wǎng)和ALM電源模塊之間必須安裝與其功率對(duì)應(yīng)的AIM模塊，AIM模塊包含一個(gè)電抗器、電源凈化濾波器和基本的干擾抑制器。兩個(gè)加載電機(jī)共用一個(gè)雙軸電機(jī)模塊，驅(qū)動(dòng)電機(jī)單獨(dú)使用一個(gè)單軸電機(jī)模塊，電機(jī)選用1PH7交流異步伺服系列電機(jī)。CU320控制單元與ALM電源模塊、電機(jī)模塊之間使用DRIVE-CLIQ連接，電機(jī)編碼器使用DRIVE-CLIQ連接到電機(jī)模塊，CU320控制單元通過(guò)PROFINET接口連接到CPU 1513-1 PN的PROFINET網(wǎng)絡(luò)。

上位機(jī)采用研華工控機(jī)，與CPU 1513-1 PN通過(guò)PROFINET網(wǎng)絡(luò)通信，上位機(jī)上運(yùn)行WinCC過(guò)程監(jiān)控系統(tǒng)，用于監(jiān)控變速器試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)狀態(tài)，設(shè)置相關(guān)試驗(yàn)參數(shù)，記錄并保存試驗(yàn)數(shù)據(jù)等。HMI觸摸屏采用西門(mén)子SIMATIC MULTIPANEL系列觸摸屏，CPU 1513-1 PN通過(guò)PROFINET網(wǎng)絡(luò)將變速器試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)狀態(tài)和控制信息傳送到觸摸屏中，通過(guò)觸摸屏可以直觀的查看試驗(yàn)臺(tái)的相關(guān)工作狀態(tài)，并可以在觸摸屏中設(shè)置相關(guān)的試驗(yàn)臺(tái)的操作命令按鈕，操作人員通過(guò)操作觸摸屏就可以將操作命令傳送到CPU 1513-1 PN中，從而控制試驗(yàn)臺(tái)的動(dòng)作。HMI為用戶和系統(tǒng)提供了良好的交互，使操作人員能直觀的操作和監(jiān)測(cè)內(nèi)部系統(tǒng)。

RFID射頻識(shí)別技術(shù)在工廠自動(dòng)化系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛，用于追蹤產(chǎn)品數(shù)據(jù)信息和生產(chǎn)過(guò)程，試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)中利用RFID識(shí)別變速器型號(hào)，記錄試驗(yàn)結(jié)果。RFID采用倍加福產(chǎn)品，通過(guò)CC-Link接口可以連接到各類現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中，試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)中將RFID連接到控制系統(tǒng)的PROFINET網(wǎng)絡(luò)上，與主控制系統(tǒng)CPU 1513-1 PN進(jìn)行通信。

4.2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

變速器試驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括四大部分：PLC程序設(shè)計(jì)、伺服控制系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定、上位機(jī)WinCC程序設(shè)計(jì)和HMI程序設(shè)計(jì)。

4.2.1 PLC程序設(shè)計(jì)

PLC程序按控制方式又可分為兩類：手動(dòng)控制程序和自動(dòng)控制程序。手動(dòng)控制程序主要用于安裝調(diào)試以及后期的維護(hù)工作，其操作指令主要來(lái)自HMI觸摸屏上的按鈕和操作按鈕，試驗(yàn)臺(tái)的各種動(dòng)作在有安全互鎖保護(hù)的情況下可以單步獨(dú)立執(zhí)行。自動(dòng)控制程序可以控制試驗(yàn)臺(tái)自動(dòng)完成變速器試驗(yàn)的各項(xiàng)任務(wù)，程序根據(jù)外部采集的各種信息，按一定的順序執(zhí)行任務(wù)，并在系統(tǒng)發(fā)生一定的異常情況時(shí)，發(fā)出報(bào)警信號(hào)和執(zhí)行相應(yīng)的安全保護(hù)措施，試驗(yàn)臺(tái)的運(yùn)行狀態(tài)信息會(huì)實(shí)時(shí)的上傳到上位機(jī)和HMI觸摸屏上顯示并記錄相關(guān)系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)，變速器試驗(yàn)臺(tái)自動(dòng)控制程序流程圖如圖5所示。

圖5 變速器試驗(yàn)臺(tái)自動(dòng)控制程序流程圖

4.2.2 SINAMICS S120控制系統(tǒng)設(shè)置

SINAMICS S120驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)必須根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際配置在驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)中進(jìn)行硬件組態(tài)和驅(qū)動(dòng)參數(shù)的設(shè)置，可以使用西門(mén)子Starter調(diào)試軟件完成。安裝Starter調(diào)試軟件的電腦使用網(wǎng)線連接到CU320的PROFINET端口上，設(shè)置好電腦的PG/PC接口，調(diào)試電腦就可以與CU320通信了，試驗(yàn)臺(tái)的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用的都是西門(mén)子的產(chǎn)品，且各驅(qū)動(dòng)部件都是使用DRIVE-CLIQ實(shí)現(xiàn)通信連接，因此可以使用自動(dòng)讀取驅(qū)動(dòng)裝置的方式完成硬件組態(tài)，硬件組態(tài)完成后還需要對(duì)各驅(qū)動(dòng)軸優(yōu)化配置，具體方法和過(guò)程可參閱SINAMICS S120調(diào)試手冊(cè)。

4.2.3 上位機(jī)WinCC程序設(shè)計(jì)

SIMATIC WinCC是一套過(guò)程監(jiān)控系統(tǒng)，具有良好的開(kāi)放性和靈活性，用來(lái)處理生產(chǎn)和過(guò)程自動(dòng)化，它提供了適用于工業(yè)的圖形顯示、信息歸檔以及報(bào)表的功能模塊。上位機(jī)WinCC監(jiān)控系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)了用戶管理、變速器型號(hào)管理、工藝參數(shù)管理、數(shù)據(jù)采集與顯示、試驗(yàn)臺(tái)狀態(tài)信息管理、測(cè)試數(shù)據(jù)管理等功能。試驗(yàn)臺(tái)WinCC監(jiān)控系統(tǒng)程序功能結(jié)構(gòu)如圖6所示，試驗(yàn)臺(tái)WinCC程序畫(huà)面如圖7所示。

圖6 變速器試驗(yàn)臺(tái)WinCC監(jiān)控程序功能結(jié)構(gòu)圖

圖7 變速器試驗(yàn)臺(tái)WinCC程序畫(huà)面

4.2.4 HMI程序設(shè)計(jì)

HMI程序由多個(gè)畫(huà)面組成，可分為主畫(huà)面、設(shè)備狀態(tài)、驅(qū)動(dòng)控制、手動(dòng)模式、參數(shù)設(shè)置和報(bào)警記錄畫(huà)面，HMI程序畫(huà)面如圖8所示。

圖8 變速器試驗(yàn)臺(tái)HMI程序畫(huà)面

5 結(jié)束語(yǔ)

公共直流母線電封閉式變速器試驗(yàn)臺(tái)相比其他形式的試驗(yàn)臺(tái)具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、試驗(yàn)加載靈活、能量利用率高等優(yōu)點(diǎn)，試驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)采用以西門(mén)子S7-1500型PLC作為主控制器，以西門(mén)子ET 200pro作為分布式I/O控制器，以西門(mén)子SINAMICS S120系列伺服控制器作為電機(jī)控制器，構(gòu)建基于PROFINET工業(yè)以太網(wǎng)的控制系統(tǒng)。

目前該變速器試驗(yàn)臺(tái)已在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)安全運(yùn)行一年多，成功檢測(cè)變速器數(shù)十萬(wàn)臺(tái)，提高了變速器裝配生產(chǎn)線的自動(dòng)化程度和生產(chǎn)效率，保證了變速器的出廠質(zhì)量，提升了產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，為企業(yè)創(chuàng)造了很好的經(jīng)濟(jì)效益。

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