基于交流伺服系統(tǒng)的變速器電封閉加載試驗臺

陶子群

摘 要：文章介紹了汽車變速器電加載試驗臺控制系統(tǒng)的工作原理、硬件組成、軟件設(shè)計、系統(tǒng)特點及系統(tǒng)實現(xiàn)。構(gòu)建了由研華工控機(jī)、西門子PLC 、SINAMICS S120驅(qū)動系統(tǒng)組成的基于PROFIBUS通訊協(xié)議的控制系統(tǒng)，實現(xiàn)手動加載、自動加載、速比檢測等功能。

關(guān)鍵詞：變速器；PLC；加載；工控機(jī)

汽車變速器是汽車關(guān)鍵零部件之一，它是汽車底盤傳動系統(tǒng)中重要組成部件，它的性能的好壞直接影響到汽車的整體性能，變速器性能質(zhì)量好壞與否直接影響汽車的動力性、操作性和燃油經(jīng)濟(jì)性。提高變速器的傳動效率不僅可以改善傳動系統(tǒng)性能，降低車輛油耗，而且對抑制由于近年來車輛速度增高而引起的傳動系統(tǒng)的發(fā)熱具有重要意義[1]。因此現(xiàn)在國內(nèi)外的汽車變速器生產(chǎn)廠家對變速器的出廠前檢測手段和檢測設(shè)備提出更高的要求。這樣的要求可以有效保證變速器在總裝完成之后，經(jīng)過更為嚴(yán)格的、多方面的性能測試，確保變速器產(chǎn)品的出廠質(zhì)量。

1 變速器加載試驗臺原理

汽車變速箱加載試驗主要有開放式和封閉式，封閉式又分為機(jī)械封閉式和電封閉式兩類[2]。試驗臺的驅(qū)動和加載功能主要是通過SINAMICS S120驅(qū)動系統(tǒng)對變頻電機(jī)的矢量控制（PID控制器）來實現(xiàn)。試驗時候按照設(shè)定的各時間段扭矩、轉(zhuǎn)速進(jìn)行相應(yīng)匹配，并滿足加載規(guī)范中的要求，從而模擬汽車行使工況。這種共直流母線的DC/AC逆變器結(jié)構(gòu)能夠?qū)υ囼炁_機(jī)械傳動系統(tǒng)的損失能量進(jìn)行回收，回收的能量通過直流至直流母線用以驅(qū)動電機(jī)運行或直接反饋至電網(wǎng)，從而形成能量的閉環(huán)系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)組成

2.1 加載試驗臺機(jī)械基本結(jié)構(gòu)

變速器加載試驗臺結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。加載試驗臺的基本結(jié)構(gòu)包括：床身、試驗臺、輸送輥道、舉升臺、定位夾緊系統(tǒng)。其中定位夾緊系統(tǒng)起的作用是：固定變速器緊貼機(jī)床端面，并與舉升臺懸空，保證變速器校驗避免受其他干擾因素。

2.2 加載試驗臺電氣系統(tǒng)

試驗臺電氣控制系統(tǒng)內(nèi)容主要包括基本動作實現(xiàn)、伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)矩控制、輔助設(shè)備操控及振動頻譜測試系統(tǒng)監(jiān)控。根據(jù)以上特點，我們采用工控機(jī)、PLC和伺服系統(tǒng)來實現(xiàn)PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線通訊協(xié)議的設(shè)計方案。電氣硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

工控機(jī)以PROFIBUS-DP 通訊協(xié)議與PLC主機(jī)通訊，PLC接收上位機(jī)Labview軟件的控制信號并執(zhí)行命令，與SINAMICS S120驅(qū)動系統(tǒng)交換，實現(xiàn)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩等控制，并實時獲取電機(jī)的運行狀態(tài)和試驗數(shù)據(jù)信號 （模擬量和開關(guān)量）并傳送至工控機(jī)。

本系統(tǒng)中可編程序控制器采用德國西門子的S7-300，通過PROFIBUS 實現(xiàn)PLC與現(xiàn)場設(shè)備之間的通信[3]。PLC控制器包括317-2PN/DP單元、IM153從站模塊、電源模塊、數(shù)字量輸入/輸出模塊、模擬量輸入/輸出模塊、FM350-2高速計數(shù)器模塊。PLC控制器與S120伺服系統(tǒng)之間進(jìn)行高速數(shù)據(jù)相互交換，實現(xiàn)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)矩控制、流程控制、輔助設(shè)備的操控。

試驗臺驅(qū)動系統(tǒng)由一臺32kW和兩臺29.3kW的交流伺服電機(jī)作為變速器的動力源。這套系統(tǒng)的變頻調(diào)速裝置運用模塊化集成設(shè)計方案，各模塊間（包括核心控制單元CU320、主動型電源模塊ALM、電機(jī)模塊、傳感器模塊和電機(jī)編碼器等）通過高速驅(qū)動接口Drive-CLIQ相互連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速通信，保證了試驗臺各項數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

變速器的振動與噪聲分析在當(dāng)今變速器生產(chǎn)廠家中，作為在線產(chǎn)品質(zhì)量檢測性能的重要指標(biāo)。最初試驗臺只用聲級計的噪聲信號作為變速器質(zhì)量分析的唯一指標(biāo)，這種做法將沒有對變速器的異響噪聲做出正確的判斷，因為變速器試驗現(xiàn)場總會存在不同程度的其它干擾噪音，這樣會導(dǎo)致噪聲信號存在著失真，甚至被其它現(xiàn)場噪音所覆蓋。為了比較準(zhǔn)確地測得變速箱的噪音信號，本系統(tǒng)采用了以振動來評價噪聲的技術(shù)，由加速度傳感器來間接測量變速箱的噪聲[4]。采用了這種振動頻譜測試系統(tǒng)方案有效的保證了產(chǎn)品質(zhì)量。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 PLC程序設(shè)計

控制軟件采用西門子STEP7-5.5軟件編寫。在編程起初，我們了解加載試驗臺工作任務(wù)與要實現(xiàn)的功能，規(guī)劃好程序控制流程圖，其程序流程如圖3所示。試驗臺詳細(xì)的工作流程介紹如下。首先通過接近開關(guān)判斷舉升滑臺是否在原位，如果舉升滑臺不在原位，這時電磁離合器脫開，退出變速器加載試驗；如果舉升滑臺在原位，電磁離合器接合，電機(jī)低速轉(zhuǎn)動，花鍵進(jìn)行對孔。此時換檔等待運行允許信號，接受到運行允許信號之后，電機(jī)以速度2（10HZ）轉(zhuǎn)動，制動器工作，離合器接合，用定時器進(jìn)行計時。當(dāng)定時時間到的時候，電機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到設(shè)定值，對編碼器反饋值與（DM）進(jìn)行比較，從而判斷變速器所處的檔位。比較結(jié)果有倒檔和前進(jìn)檔兩種情況，如果變速器處于倒檔時候，從 PLC 數(shù)據(jù)儲存區(qū)讀取倒檔加載的電壓值；如果變速器處于前進(jìn)檔的時候，從PLC 數(shù)據(jù)儲存區(qū)讀取倒檔加載的電壓值。

最后輸出加載控制電壓，并按工藝要求設(shè)定的時間進(jìn)行加載。加載開始開始時，就對變速器的加載過程進(jìn)行全部監(jiān)控，這樣可以從加載曲線分析變速器性能狀況。

在變速器加載試驗過程中，可能會出現(xiàn)輔助設(shè)備有問題、斷路器輔助觸頭斷線、伺服電機(jī)模塊報警等各種故障情況。如果變速器在加載試驗時設(shè)備出現(xiàn)斷線情況，電機(jī)會立刻停止轉(zhuǎn)動，電磁離合器脫開、勵磁電壓歸零；如果是輔助設(shè)備出現(xiàn)問題，電磁離合器脫開、勵磁電壓歸零；如果變速器所有檔位加載試驗完成，掛入空擋并確認(rèn)試驗結(jié)束，設(shè)備回到初始狀態(tài)。對于輔助設(shè)備問題和斷線兩種情況下，程序返回到檔位判斷。如果故障沒有被排除，程序?qū)o法執(zhí)行循環(huán)；如果故障只是臨時故障，已經(jīng)被排除，按復(fù)位確認(rèn)鍵可以消除故障，程序繼續(xù)執(zhí)行下一步循環(huán)。

在設(shè)備運轉(zhuǎn)期間，也許出現(xiàn)故障遠(yuǎn)超過上述所列舉的各種情況，但是上述列舉的情況是設(shè)備運轉(zhuǎn)期間，出現(xiàn)的故障頻率較高的，所以把相關(guān)的故障信息導(dǎo)入到報警信息列表中，便于使用過程中出現(xiàn)故障及時維護(hù)。

3.2 上位機(jī)Labview軟件設(shè)計

軟件開發(fā)采用NI公司基于虛擬儀器技術(shù)的Labview軟件開發(fā)平臺[5]。運用Labview軟件開發(fā)平臺的964（R）協(xié)議編寫通信程序的方法、VISA技術(shù)和狀態(tài)機(jī)設(shè)計模式，實現(xiàn)了S7-300PLC和PC機(jī)間的串口通信。

上位機(jī)Labview軟件負(fù)責(zé)硬件控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、生成報表、繪制曲線、打印輸出報告等，將由PLC所讀取的數(shù)據(jù)在上位機(jī)上進(jìn)行實時顯示及分析處理，有效分析變速器總成的一些基本性能，如齒輪振動檢測，速比檢測和質(zhì)量問題的基本分析。實驗證明，基于Labview的變速器加載試驗臺相對于傳統(tǒng)整車試驗方法具有更高的精度和可靠性。試驗界面系統(tǒng)狀態(tài)圖如圖4所示。

4 結(jié)論

本文主要討論了交流伺服系統(tǒng)變速器電封閉加載試驗臺。整套系統(tǒng)選用Labview上位機(jī)軟件、西門子PLC和伺服驅(qū)動相結(jié)合的電氣控制方案，且把先進(jìn)機(jī)械設(shè)計理念和現(xiàn)代傳感器技術(shù)融合在一起，跟常規(guī)變速器試驗臺系統(tǒng)相比較，設(shè)備的自動化程度和生產(chǎn)效率得到明顯的提高。這設(shè)計思路已經(jīng)落實到產(chǎn)品，并投入到變速器現(xiàn)場生產(chǎn)試驗中，獲得使用者的高度認(rèn)可，此系統(tǒng)性能穩(wěn)定、實時性好、可靠性強(qiáng)、操作方便、易于維護(hù)等特點。

參考文獻(xiàn)：

[1]安相壁.汽車試驗工程[M].北京：國防工業(yè)出版社，2006.

[2]陶維青，蘇建徽，胡子卿，等.微機(jī)控制電封閉汽車變速箱試驗臺[J].制造業(yè)自動化，2000，22（3）：43-45.

[3]廖常初.S7-300/400 PLC應(yīng)用技術(shù)[M].機(jī)械工業(yè)出版豐士，2005.

[4]秦樹人.齒輪傳動系統(tǒng)檢測與診斷技術(shù).重慶：重慶大學(xué)出版社，1999.

[5]蔣國良，楊小強(qiáng)，楊曉峰，等.基于傳感器組與虛擬儀器技術(shù)的工程機(jī)械液壓測試儀[J].礦山機(jī)械，2005，33（3）：57-58.