變速器綜合性能試驗(yàn)臺(tái)體系結(jié)構(gòu)及控制軟件開(kāi)發(fā)

1、變速器綜合性能試驗(yàn)臺(tái)體系結(jié)構(gòu)及控制軟件開(kāi)發(fā)變速器綜合性能試驗(yàn)臺(tái)體系結(jié)構(gòu)及控制軟件開(kāi)發(fā)摘要：摘要：變速器是汽車系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，在同一試驗(yàn)臺(tái)上實(shí)現(xiàn)其綜合性能的在線檢測(cè)，在國(guó)內(nèi)尚沒(méi)有先例。本文介紹的新型試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了變速器綜合性能的在線檢測(cè)。介紹了該試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)及工作原理，并詳細(xì)敘述了其控制軟件的開(kāi)發(fā)及實(shí)現(xiàn)。 ; mso-hansi-font-family: Times NewRoman關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：變速器 試驗(yàn)臺(tái) 體系結(jié)構(gòu) 控制軟件汽車變速器是汽車中的一個(gè)關(guān)鍵設(shè)備，其性能直接影響到汽車的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性。汽車變速器綜合性能的測(cè)試比較復(fù)雜，目前國(guó)內(nèi)的汽車變速器試驗(yàn)臺(tái)自動(dòng)化程度低

2、、機(jī)界面不友好、測(cè)試過(guò)程依賴于測(cè)試者的經(jīng)驗(yàn)。因此，本試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)自動(dòng)程度高、測(cè)試項(xiàng)目多、實(shí)時(shí)性強(qiáng)且完全可靠。1 1 系統(tǒng)介紹系統(tǒng)介紹具體說(shuō)來(lái)，該試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：可進(jìn)行五種不同型號(hào)變速器及其擴(kuò)展類型變速器的性能測(cè)試；自動(dòng)測(cè)試過(guò)程可智能控制；短時(shí)間內(nèi)可完成綜合性能（換檔、加載、同步器）測(cè)試；運(yùn)行參數(shù)可實(shí)時(shí)顯示；可進(jìn)行故障的自動(dòng)檢測(cè)、報(bào)警及處理等。1.1 系統(tǒng)硬件介紹本系統(tǒng)采用雙變頻電機(jī)模擬汽車變速器實(shí)現(xiàn)工況，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)變速器性能的真實(shí)檢測(cè)。電機(jī)的控制通過(guò)西門子 6SE70 系列變頻器來(lái)實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)變頻器采用交流矢量控制技術(shù)，對(duì)大功率交流電機(jī)實(shí)現(xiàn)了精確控制。因?yàn)樵撓到y(tǒng)中變頻器數(shù)量不多、數(shù)據(jù)傳輸

3、量不大，采用 RS485 總線來(lái)實(shí)現(xiàn)工控機(jī)與變頻器之間的通訊，滿足了實(shí)時(shí)性要求。由于 PLC 控制穩(wěn)定、可靠，所以自動(dòng)換檔執(zhí)行機(jī)構(gòu)（機(jī)械手）采用 PLC 控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)不同型號(hào)變速器的自動(dòng)換檔動(dòng)作。圖圖 1 1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖1.2 系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境工業(yè)過(guò)程控制軟件往往需要具有很強(qiáng)的通訊能力、現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)檢測(cè)能力及強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫(kù)、良好的圖形界面。組態(tài)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(kù)（包括大量的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)元件），支持多媒體和 ODBC 數(shù)據(jù)庫(kù)提供的功能、具有強(qiáng)大的控件和控制語(yǔ)言，使用靈活、方便，提供給用戶一方便的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，使開(kāi)發(fā)者可快速構(gòu)

4、造應(yīng)用系統(tǒng)。它還具有強(qiáng)大的通訊能力和良好的開(kāi)放性。本系統(tǒng)控制軟件基于組態(tài)王 6.01 二次開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)了測(cè)試過(guò)程的控制、測(cè)試數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示，而且縮短了開(kāi)發(fā)時(shí)間。2 2 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)2.1 系統(tǒng)要求廠方要求試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)能夠在線檢測(cè)變速器的綜合性能，包括以下試驗(yàn)：各檔換檔試驗(yàn)；變速器加載能力測(cè)試；變速器操縱（同步器）性能的測(cè)試；跳檔檢測(cè)；變速器的疲功壽命試驗(yàn)；傳動(dòng)效率試驗(yàn)。工作性能要求為：(1)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、安全可靠；（2）測(cè)試數(shù)據(jù)報(bào)表和測(cè)試及故障診斷的界面友好；（3）臺(tái)架試驗(yàn)方法科室、規(guī)范，達(dá)到汽車機(jī)械式變速器臺(tái)架試驗(yàn)方法國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)；（4）在同一臺(tái)架上對(duì)不同種變速器完成測(cè)試功能。2.2 系

5、統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。系統(tǒng)分為三大模塊：控制部分；換檔機(jī)械手部分；試驗(yàn)臺(tái)機(jī)電部分?？刂撇糠忠杂?jì)算機(jī)為中心，控制軟件根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)和當(dāng)前工作狀態(tài)控制系統(tǒng)的流程、任傷分配、指令發(fā)送、故障檢測(cè)等；通過(guò)板卡通訊向 PLC 機(jī)械手發(fā)送換檔控制指令、通過(guò) RS485 總線變頻器發(fā)送測(cè)試所需的轉(zhuǎn)速和加載扭矩信號(hào)?？刂撇糠诌€包括變頻器、現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集卡（PCL818L）、PLC 控制器。變頻器可以實(shí)現(xiàn)三相交流異步電動(dòng)機(jī)的無(wú)級(jí)調(diào)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(jī)的矢量控制技術(shù)對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制。矢量控制也叫磁場(chǎng)定向控制。它的基本思路是利用 d-q 旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，將定子

6、電流分成勵(lì)磁電流 id1 和轉(zhuǎn)矩電流 iq1，在調(diào)速過(guò)程中保持轉(zhuǎn)子磁鏈不變，即 id1 為常數(shù)，此時(shí)交流電機(jī)調(diào)速原理與直流電機(jī)相同?，F(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集卡將現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)。PLD 控制器根據(jù)計(jì)算機(jī)發(fā)送的指令完成將換檔信號(hào)轉(zhuǎn)換為換機(jī)械手的執(zhí)行命令。換檔機(jī)械手部分是控制部分的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，機(jī)械手根據(jù) PLD 發(fā)送的換檔指令完成指公平的換檔動(dòng)作。試驗(yàn)臺(tái)機(jī)電部分是本系統(tǒng)是最終執(zhí)行機(jī)構(gòu)，完成將變速器驅(qū)動(dòng)到相應(yīng)轉(zhuǎn)速和加載扭矩，以達(dá)到特定測(cè)試工況。機(jī)械部分包括兩個(gè)功率比較大的變頻電機(jī)和試驗(yàn)臺(tái)架。本系統(tǒng)中電機(jī)的性能對(duì)整體性能影響很大，因而選用交流變頻電機(jī)。該電機(jī)能滿足高精度的扭矩、轉(zhuǎn)速控制，而且功率足夠大，可

7、以滿足本系統(tǒng)試驗(yàn)工況要求。工作時(shí)，加載電機(jī)工作在發(fā)電狀態(tài)下，能量回饋到電網(wǎng)，大大節(jié)約了能源。試驗(yàn)臺(tái)架包括離合器、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和汽車變速器。因?yàn)樵囼?yàn)時(shí)要達(dá)到高轉(zhuǎn)速、高扭矩的工作狀態(tài)，所以機(jī)械部分加精度要高。汽車變速器是本系統(tǒng)測(cè)試對(duì)象，為了使裝卸變速器的時(shí)間短，本試驗(yàn)臺(tái)變速器的夾緊松開(kāi)操作是通過(guò)油缸 4 軸連動(dòng)壓板來(lái)實(shí)現(xiàn)的。2.3 系統(tǒng)工作原理系統(tǒng)采用雙電機(jī)模擬汽車工況，其中驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過(guò)變頻器的速度閉環(huán)控制模擬汽車的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，加載電機(jī)通過(guò)變頻器的扭矩閉環(huán)控制模擬汽車加載。機(jī)械手根據(jù)計(jì)算機(jī)發(fā)出的指令信號(hào)完成對(duì)不同型號(hào)變速器的換檔動(dòng)作，從而能控制變速器換檔到指定檔位。在測(cè)試過(guò)程中，控制軟件對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)

8、實(shí)時(shí)記錄顯示，并對(duì)溫度、轉(zhuǎn)速、扭矩、電流、完全罩到位信號(hào)等實(shí)時(shí)監(jiān)控，遇到故障自動(dòng)報(bào)警、自動(dòng)分析。3 3 系統(tǒng)軟件的開(kāi)發(fā)與實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)軟件的開(kāi)發(fā)與實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)控制軟件是基于組態(tài)王 6.01 二次開(kāi)發(fā)的、功能結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。本系統(tǒng)從功能上完成了自動(dòng)試驗(yàn)、手動(dòng)試驗(yàn)、單獨(dú)換檔試驗(yàn)、疲勞試驗(yàn)和效率試驗(yàn)。計(jì)算機(jī)自動(dòng)試驗(yàn)是本系統(tǒng)的主要部分，在這種狀態(tài)下計(jì)算機(jī)控制變速器的測(cè)試過(guò)程，包括：試驗(yàn)流程、試驗(yàn)過(guò)程中換檔順序、各個(gè)檔位的轉(zhuǎn)速給定、加載扭矩給定、系統(tǒng)協(xié)調(diào)、信號(hào)檢測(cè)及處理等。在自動(dòng)試驗(yàn)控制下，完成從空檔到最高檔位的換檔和加載交替過(guò)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(cè)試。手動(dòng)試驗(yàn)是由人

9、操作手動(dòng)操作臺(tái)的扭鈕完成的，其程序主要完成監(jiān)測(cè)、報(bào)警功能。單獨(dú)換檔是應(yīng)廠家要求對(duì)某一指定檔位進(jìn)行試驗(yàn)。疲勞試驗(yàn)和效率試驗(yàn)分別對(duì)變速器的耐久性和傳動(dòng)效率進(jìn)行測(cè)試。組態(tài)王 6.01 有豐富的畫面制作系統(tǒng)，支持無(wú)限色和二十四種過(guò)濾色，并具有豐富的圖庫(kù)和圖庫(kù)精靈、豐富的動(dòng)畫連接向?qū)А＠媒M態(tài)王 6.01 界面開(kāi)發(fā)系統(tǒng)可給各種控制模式開(kāi)發(fā)生動(dòng)的界面，非常形象、美觀。由于自動(dòng)試驗(yàn)過(guò)程是本軟件系統(tǒng)的關(guān)鍵，故以下僅對(duì)自動(dòng)試驗(yàn)進(jìn)行討論。3.1 接口通訊參數(shù)組態(tài)王與 I/O 設(shè)備之間的通訊很方便，主要通過(guò)以下幾種方式進(jìn)行通訊：串口通訊方式、DDE 方式、板卡方式、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)方式、人機(jī)接口方式。組態(tài)王有豐富的數(shù)據(jù)類型

10、，使用起來(lái)特別方便。接口通訊參數(shù)如圖 3 所示。計(jì)算機(jī)通過(guò)檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，根據(jù)任務(wù)規(guī)劃狀態(tài)向 PLC 和變頻器發(fā)送相應(yīng)的控制指令?，F(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)包括：變速器當(dāng)前檔位、轉(zhuǎn)速、扭矩、通過(guò)拉壓力傳感所測(cè)得的掛檔力、離合器開(kāi)關(guān)信號(hào)、變速器夾緊信號(hào)、軸承溫度等。其中與 PLC 的通訊利用組態(tài)王的板卡通訊方式，組態(tài)王與變頻器通訊采用組態(tài)王的串口通訊方式，組態(tài)王與現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)通訊通過(guò) PCL818L 擴(kuò)展板卡來(lái)實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)用于檢測(cè)工作狀態(tài)是否到位和故障報(bào)警等，如機(jī)械手是否換檔到位是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)采集的速度之比和配方中的速比是否一致來(lái)判斷的，而溫度、轉(zhuǎn)速等指標(biāo)又是故障報(bào)警的依據(jù)。3.2 自動(dòng)換檔過(guò)程的實(shí)現(xiàn)3.2.1 自動(dòng)換檔

11、過(guò)程流程圖自動(dòng)換檔過(guò)程流程圖如圖 4 所示。自動(dòng)換檔過(guò)程要完成松開(kāi)離合器、換檔、閉合離合器的動(dòng)作和定時(shí)加載以及檔位的自動(dòng)更替。由于松開(kāi)離合器、換檔、閉合離合器都是在電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下工作的，因而每一動(dòng)作命令的發(fā)出都要先檢驗(yàn)其條件是否嚴(yán)格滿足以保證安全。離合器松開(kāi)的條件為：電機(jī)的轉(zhuǎn)速必須在預(yù)設(shè)的范圍內(nèi)；檔檔的條件為：必須檢測(cè)到離合器已松開(kāi)；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(shí)間也是有限制的，故采用定時(shí)器計(jì)時(shí)的方法來(lái)控制順序動(dòng)作等待時(shí)間。當(dāng)檔位換到位時(shí)，按該檔位的測(cè)試參數(shù)加載，加載一段時(shí)間就可以測(cè)得變速器的加載能力，因而加載的定時(shí)也采用定時(shí)器來(lái)完成。加載計(jì)時(shí)完畢，將進(jìn)

12、行下一檔位的測(cè)試，在程序中進(jìn)入換檔準(zhǔn)備過(guò)程。在換檔準(zhǔn)備過(guò)程中，當(dāng)前檔位標(biāo)志更替為下一個(gè)測(cè)試檔位的標(biāo)志，檔位參數(shù)（變比、檔位、加載扭矩、加載轉(zhuǎn)速）更改為下一測(cè)試檔位的參數(shù)。3.2.2 基于組態(tài)王編程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檔換過(guò)程組態(tài)王事件命令語(yǔ)言可以規(guī)定在事件發(fā)生、存在和消失時(shí)分別執(zhí)行的程序。離散變量名或表達(dá)式都可以作為事件。當(dāng)該事件剛剛發(fā)生時(shí)，該單元的程序只執(zhí)行一次；當(dāng)該事件存在時(shí)，按照設(shè)定的時(shí)間間隔反復(fù)執(zhí)行該單元程序；當(dāng)該事件消失時(shí)，該單元程序只執(zhí)行一次。事件命令語(yǔ)言存在時(shí)的循環(huán)執(zhí)行程序與普通程序的 while 循環(huán)類似，但不完全相同。事件命令語(yǔ)言在事件存在條件下可以控制和調(diào)節(jié)系統(tǒng)循環(huán)執(zhí)行的時(shí)間，因而有利

13、于過(guò)程控制的定時(shí)操作。事件命令語(yǔ)言可以完成普通程序的 if、while 條件，同時(shí)可以達(dá)到定時(shí)功能。而且工業(yè)控制中很多都是通過(guò)離散狀態(tài)變更來(lái)激發(fā)程序的流程。組態(tài)王命令語(yǔ)言形式很適合開(kāi)發(fā)這種過(guò)程。自動(dòng)換檔過(guò)程建立了多種工作狀態(tài)：“換檔準(zhǔn)備”、“換檔開(kāi)始”、“換檔成功”、“加載”、“運(yùn)行”、“試驗(yàn)完成”等。以這些工作狀態(tài)和計(jì)算機(jī)檢測(cè)到的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)組合構(gòu)成不同的事件，再以這些不同的事件之間相互激發(fā)、轉(zhuǎn)換的邏輯關(guān)系實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換檔過(guò)程的邏輯關(guān)系。這里采用了組態(tài)王事件命令語(yǔ)言中事件存在時(shí)循環(huán)的定時(shí)功能。當(dāng)程序進(jìn)入定時(shí)器狀態(tài)時(shí)，采用計(jì)數(shù)器進(jìn)行倒計(jì)時(shí)，事件存在時(shí)命令語(yǔ)言其它的程序都處于不被激發(fā)狀態(tài)。在這種狀態(tài)下，通過(guò)設(shè)定計(jì)數(shù)器起始計(jì)數(shù)值 n 和事件命令語(yǔ)言存在時(shí)循環(huán)執(zhí)行一次的時(shí)間 t，可以設(shè)定定時(shí)器的定時(shí) T（T=nt）。組態(tài)王還具有配方功能。在制造領(lǐng)域，配方用來(lái)描述生產(chǎn)一件產(chǎn)品所用的不同配料之間的比例關(guān)系，具生產(chǎn)過(guò)程中一些變量對(duì)應(yīng)的參數(shù)設(shè)定值的集合。不同型號(hào)變速器和不同檔位的測(cè)試參數(shù)（轉(zhuǎn)速、加載扭矩等）數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)類型是一致的，只是比例關(guān)系不同，因而采用配方功能比例方便。該軟件系統(tǒng)具有連網(wǎng)功能，可以遠(yuǎn)程檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)工