郁林聰，吳 達(dá)

YU Lin-cong, WU Da

（1. 山西柴油機(jī)廠，大同；2. 北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化研究所，北京 100120 ）

基于SINAMICS S120的變速器試驗(yàn)臺(tái)加載控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

The system design of loading control system for transmission test platform based on sinamics s120

郁林聰，吳 達(dá)

YU Lin-cong, WU Da

（1. 山西柴油機(jī)廠，大同；2. 北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化研究所，北京 100120 ）

本文簡(jiǎn)述了變速器加載試驗(yàn)臺(tái)的試驗(yàn)原理，重點(diǎn)介紹了本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程以及西門子伺服控制SINAMICS S120在本系統(tǒng)中的應(yīng)用。

變速箱；伺服控制；SINAMICS S120

0 引言

隨著國(guó)內(nèi)汽車市場(chǎng)的不斷擴(kuò)大，汽車行業(yè)對(duì)變速器的需求也不斷增長(zhǎng)，對(duì)汽車變速器的質(zhì)量要求也越來(lái)越高，這就要求既要有高科技的加工手段，又要有高質(zhì)量的檢測(cè)設(shè)備，變速器的出廠檢驗(yàn)是控制出廠質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。本文主要介紹了一種基于西門子SINAMICS S120控制器的變速器加載試驗(yàn)臺(tái)的系統(tǒng)原理與設(shè)計(jì)過(guò)程[1]。

1 變速器試驗(yàn)臺(tái)加載試驗(yàn)原理

變速器試驗(yàn)臺(tái)驅(qū)動(dòng)和加載系統(tǒng)的硬件配置情況如圖1所示：主要是由一臺(tái)輸入電機(jī)，兩臺(tái)輸出電機(jī)，編碼器以及電磁離合器組成。其試驗(yàn)原理是采用一臺(tái)交流電機(jī)作為輸入軸電機(jī),通過(guò)聯(lián)軸節(jié)、離合器與變速箱的輸入軸相聯(lián)，二臺(tái)交流電機(jī)作為輸出軸電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸節(jié)與變速箱的輸出軸相聯(lián)。在進(jìn)行加載試驗(yàn)時(shí)，輸入軸電機(jī)拖動(dòng)變速箱運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，輸出軸電機(jī)作為發(fā)電機(jī)對(duì)變速箱進(jìn)行加載，加載能量變成電能用于供給輸入軸電機(jī)所需電能，不足的部分由電網(wǎng)提供[2]。

圖1 設(shè)備基本組成原理圖

2 變速器試驗(yàn)臺(tái)加載控制系統(tǒng)模型

上節(jié)分析了變速器試驗(yàn)臺(tái)的加載試驗(yàn)原理，進(jìn)一步分析我們可知變速器試驗(yàn)臺(tái)加載試驗(yàn)原理的實(shí)質(zhì)是輸入軸保持一定的轉(zhuǎn)速拖動(dòng)變速器旋轉(zhuǎn)，然后通過(guò)加載電機(jī)輸出一恒定的正拖扭矩或反拖扭矩，使變速器輸入軸與輸出軸之間產(chǎn)生扭矩差，這樣加載扭矩就被施加于變速器。根據(jù)試驗(yàn)過(guò)程的具體要求，保持這一狀態(tài)持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)一定的時(shí)間，這樣就實(shí)現(xiàn)了對(duì)變速器的加載檢測(cè)。由于要保持輸入軸轉(zhuǎn)速和輸出軸加載扭矩恒定，在本系統(tǒng)用應(yīng)用矢量控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)。變速器加載試驗(yàn)臺(tái)的總體模型如圖2所示。

圖2 變速器試驗(yàn)臺(tái)加載控制系統(tǒng)總體模型

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

由上節(jié)已經(jīng)分析得出了變速器試驗(yàn)臺(tái)加載控制系統(tǒng)的總體模型，從模型中看出本系統(tǒng)的關(guān)鍵部分是矢量控制器，矢量控制器的性能好壞直接影響了整個(gè)系統(tǒng)的性能。由于本控制系統(tǒng)要求電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和扭矩在一定的變化范圍之內(nèi)，并且要求其具有極高的控制精度和極短的響應(yīng)時(shí)間。針對(duì)該控制系統(tǒng)的要求和該試驗(yàn)臺(tái)的非標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)發(fā)的特點(diǎn)，本系統(tǒng)選用了西門子可編程控制器與SINAMICS S120伺服控制器來(lái)完成控制功能。西門子SINAMICS S120機(jī)柜單元是模塊式的機(jī)柜系統(tǒng)，可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)工廠設(shè)備中任何多軸應(yīng)用解決方案，其有以下特點(diǎn)[3]：

1）模塊式設(shè)計(jì)和廣泛的可選性保證了高度的靈活性；

2）非常緊湊的驅(qū)動(dòng)器解決方案，易于互聯(lián)；

3）使用預(yù)設(shè)的直流母排進(jìn)行功率連接；

4）通過(guò)DRIVE-CLIQ進(jìn)行數(shù)據(jù)連接；

5）快速可靠的安裝和調(diào)試。

3.1 控制系統(tǒng)硬件配置

選用了西門子SINAMICS S120作為本系統(tǒng)的控制器之后，本系統(tǒng)所需要的主要硬件如表1所示。

表1 控制系統(tǒng)硬件列表

其中S120_CU320伺服系統(tǒng)詳細(xì)參數(shù)如圖3所示。

圖3 S120_CU320伺服系統(tǒng)參數(shù)圖

3.2 控制系統(tǒng)原理圖

系統(tǒng)控制器主要分為P、PI、PD以及PID四種，每種控制器都有其自身的特點(diǎn)。本文選用PI控制器，用來(lái)對(duì)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速一電流雙閉環(huán)控制[4]。在矢量控制系統(tǒng)中，PI控制器參數(shù)選擇的好壞直接影響到電機(jī)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能。其主要用于跟蹤反饋量的偏差，對(duì)控制量進(jìn)行調(diào)節(jié)以達(dá)到理想的控制效果。本系統(tǒng)中對(duì)應(yīng)的PI控制器的原理圖如圖4所示。

圖4 PI控制器原理圖

4 變速器試驗(yàn)臺(tái)加載實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

圖5 變速器實(shí)驗(yàn)臺(tái)加載過(guò)程曲線

在變速器試驗(yàn)臺(tái)加載檢測(cè)運(yùn)行過(guò)程中，獲取到了加載過(guò)程曲線如圖5。從實(shí)際運(yùn)行曲線看到，當(dāng)加載正拖時(shí)即輸入軸施加正扭矩時(shí)，速度平滑上升，速度上升到設(shè)定速度后，對(duì)輸入軸施加反扭矩即加載反拖時(shí)速度平滑下降，下降到設(shè)定速度即完成了整個(gè)加載試驗(yàn)過(guò)程。然后換擋進(jìn)行下一檔試驗(yàn)。從實(shí)際曲線看此變速器試驗(yàn)臺(tái)很好的模擬了變速器實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中的加減速過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了變速器的加載檢測(cè)。

5 結(jié)束語(yǔ)

本變速器加載試驗(yàn)臺(tái)現(xiàn)已正常運(yùn)行并已經(jīng)投入生產(chǎn)。實(shí)踐表明此變速器加載試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性較高，能準(zhǔn)確的對(duì)變速器進(jìn)行出廠前檢測(cè)。

[1] 張可,高挺,陳偉才.簡(jiǎn)單發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱裝配線的控制實(shí)現(xiàn).制造業(yè)自動(dòng)化.

[2] 賴惠鴿,朱學(xué)軍.基于PROFIBUS和SIMATIC S7的分布式I/O控制系統(tǒng)研究.

[3] 西門子編程手冊(cè).

[4] 段明皞,朱曉民,蘇錫年.分布式I/O在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線中的應(yīng)用.

TH166

A

1009-0134(2010)10(上)-0219-02

10.3969/j.issn.1009-0134.2010.10(上).68

2010-03-25

郁林聰（1962 -），男，江蘇啟東人，大專生，研究方向?yàn)闄C(jī)電設(shè)計(jì)與制造。