陶子群

摘 要：文章介紹了汽車變速器電加載試驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)的工作原理、硬件組成、軟件設(shè)計(jì)、系統(tǒng)特點(diǎn)及系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。構(gòu)建了由研華工控機(jī)、西門子PLC 、SINAMICS S120驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組成的基于PROFIBUS通訊協(xié)議的控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)加載、自動(dòng)加載、速比檢測(cè)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(dòng)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(dòng)力性、操作性和燃油經(jīng)濟(jì)性。提高變速器的傳動(dòng)效率不僅可以改善傳動(dòng)系統(tǒng)性能，降低車輛油耗，而且對(duì)抑制由于近年來(lái)車輛速度增高而引起的傳動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)熱具有重要意義[1]。因此現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外的汽車變速器生產(chǎn)廠家對(duì)變速器的出廠前檢測(cè)手段和檢測(cè)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(guò)更為嚴(yán)格的、多方面的性能測(cè)試，確保變速器產(chǎn)品的出廠質(zhì)量。

1 變速器加載試驗(yàn)臺(tái)原理

汽車變速箱加載試驗(yàn)主要有開(kāi)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(yàn)臺(tái)的驅(qū)動(dòng)和加載功能主要是通過(guò)SINAMICS S120驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)對(duì)變頻電機(jī)的矢量控制（PID控制器）來(lái)實(shí)現(xiàn)。試驗(yàn)時(shí)候按照設(shè)定的各時(shí)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?yàn)臺(tái)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的損失能量進(jìn)行回收，回收的能量通過(guò)直流至直流母線用以驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)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(yàn)臺(tái)機(jī)械基本結(jié)構(gòu)

變速器加載試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。加載試驗(yàn)臺(tái)的基本結(jié)構(gòu)包括：床身、試驗(yàn)臺(tái)、輸送輥道、舉升臺(tái)、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(tái)懸空，保證變速器校驗(yàn)避免受其他干擾因素。

2.2 加載試驗(yàn)臺(tái)電氣系統(tǒng)

試驗(yàn)臺(tái)電氣控制系統(tǒng)內(nèi)容主要包括基本動(dòng)作實(shí)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(dòng)頻譜測(cè)試系統(tǒng)監(jiān)控。根據(jù)以上特點(diǎn)，我們采用工控機(jī)、PLC和伺服系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線通訊協(xié)議的設(shè)計(jì)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(hào)并執(zhí)行命令，與SINAMICS S120驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)交換，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩等控制，并實(shí)時(shí)獲取電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)信號(hào) （模擬量和開(kāi)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(guó)西門子的S7-300，通過(guò)PROFIBUS 實(shí)現(xiàn)PLC與現(xiàn)場(chǎng)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(jì)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(shí)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(yàn)臺(tái)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由一臺(tái)32kW和兩臺(tái)29.3kW的交流伺服電機(jī)作為變速器的動(dòng)力源。這套系統(tǒng)的變頻調(diào)速裝置運(yùn)用模塊化集成設(shè)計(jì)方案，各模塊間（包括核心控制單元CU320、主動(dòng)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(guò)高速驅(qū)動(dòng)接口Drive-CLIQ相互連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速通信，保證了試驗(yàn)臺(tái)各項(xiàng)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

變速器的振動(dòng)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(cè)性能的重要指標(biāo)。最初試驗(yàn)臺(tái)只用聲級(jí)計(jì)的噪聲信號(hào)作為變速器質(zhì)量分析的唯一指標(biāo)，這種做法將沒(méi)有對(duì)變速器的異響噪聲做出正確的判斷，因?yàn)樽兯倨髟囼?yàn)現(xiàn)場(chǎng)總會(huì)存在不同程度的其它干擾噪音，這樣會(huì)導(dǎo)致噪聲信號(hào)存在著失真，甚至被其它現(xiàn)場(chǎng)噪音所覆蓋。為了比較準(zhǔn)確地測(cè)得變速箱的噪音信號(hào)，本系統(tǒng)采用了以振動(dòng)來(lái)評(píng)價(jià)噪聲的技術(shù)，由加速度傳感器來(lái)間接測(cè)量變速箱的噪聲[4]。采用了這種振動(dòng)頻譜測(cè)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(jì)

3.1 PLC程序設(shè)計(jì)

控制軟件采用西門子STEP7-5.5軟件編寫(xiě)。在編程起初，我們了解加載試驗(yàn)臺(tái)工作任務(wù)與要實(shí)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(yàn)臺(tái)詳細(xì)的工作流程介紹如下。首先通過(guò)接近開(kāi)關(guān)判斷舉升滑臺(tái)是否在原位，如果舉升滑臺(tái)不在原位，這時(shí)電磁離合器脫開(kāi)，退出變速器加載試驗(yàn)；如果舉升滑臺(tái)在原位，電磁離合器接合，電機(jī)低速轉(zhuǎn)動(dòng)，花鍵進(jìn)行對(duì)孔。此時(shí)換檔等待運(yùn)行允許信號(hào)，接受到運(yùn)行允許信號(hào)之后，電機(jī)以速度2（10HZ）轉(zhuǎn)動(dòng)，制動(dòng)器工作，離合器接合，用定時(shí)器進(jìn)行計(jì)時(shí)。當(dāng)定時(shí)時(shí)間到的時(shí)候，電機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到設(shè)定值，對(duì)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(shí)候，從 PLC 數(shù)據(jù)儲(chǔ)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(shí)候，從PLC 數(shù)據(jù)儲(chǔ)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(shí)間進(jìn)行加載。加載開(kāi)始開(kāi)始時(shí)，就對(duì)變速器的加載過(guò)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(yàn)過(guò)程中，可能會(huì)出現(xiàn)輔助設(shè)備有問(wèn)題、斷路器輔助觸頭斷線、伺服電機(jī)模塊報(bào)警等各種故障情況。如果變速器在加載試驗(yàn)時(shí)設(shè)備出現(xiàn)斷線情況，電機(jī)會(huì)立刻停止轉(zhuǎn)動(dòng)，電磁離合器脫開(kāi)、勵(lì)磁電壓歸零；如果是輔助設(shè)備出現(xiàn)問(wèn)題，電磁離合器脫開(kāi)、勵(lì)磁電壓歸零；如果變速器所有檔位加載試驗(yàn)完成，掛入空擋并確認(rèn)試驗(yàn)結(jié)束，設(shè)備回到初始狀態(tài)。對(duì)于輔助設(shè)備問(wèn)題和斷線兩種情況下，程序返回到檔位判斷。如果故障沒(méi)有被排除，程序?qū)o(wú)法執(zhí)行循環(huán)；如果故障只是臨時(shí)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(yùn)轉(zhuǎn)期間，也許出現(xiàn)故障遠(yuǎn)超過(guò)上述所列舉的各種情況，但是上述列舉的情況是設(shè)備運(yùn)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(bào)警信息列表中，便于使用過(guò)程中出現(xiàn)故障及時(shí)維護(hù)。

3.2 上位機(jī)Labview軟件設(shè)計(jì)

軟件開(kāi)發(fā)采用NI公司基于虛擬儀器技術(shù)的Labview軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)[5]。運(yùn)用Labview軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)的964（R）協(xié)議編寫(xiě)通信程序的方法、VISA技術(shù)和狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)模式，實(shí)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(chǔ)、生成報(bào)表、繪制曲線、打印輸出報(bào)告等，將由PLC所讀取的數(shù)據(jù)在上位機(jī)上進(jìn)行實(shí)時(shí)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(dòng)檢測(cè)，速比檢測(cè)和質(zhì)量問(wèn)題的基本分析。實(shí)驗(yàn)證明，基于Labview的變速器加載試驗(yàn)臺(tái)相對(duì)于傳統(tǒng)整車試驗(yàn)方法具有更高的精度和可靠性。試驗(yàn)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(yàn)臺(tái)。整套系統(tǒng)選用Labview上位機(jī)軟件、西門子PLC和伺服驅(qū)動(dòng)相結(jié)合的電氣控制方案，且把先進(jìn)機(jī)械設(shè)計(jì)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(yàn)臺(tái)系統(tǒng)相比較，設(shè)備的自動(dòng)化程度和生產(chǎn)效率得到明顯的提高。這設(shè)計(jì)思路已經(jīng)落實(shí)到產(chǎn)品，并投入到變速器現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)試驗(yàn)中，獲得使用者的高度認(rèn)可，此系統(tǒng)性能穩(wěn)定、實(shí)時(shí)性好、可靠性強(qiáng)、操作方便、易于維護(hù)等特點(diǎn)。

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