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變速器綜合性能試驗(yàn)臺體系結(jié)構(gòu)及控制軟件開發(fā)
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)臺上實(shí)現(xiàn)其綜合性能的在線檢測，在國內(nèi)尚沒有先例。本文介紹的新型試驗(yàn)臺系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了變速器綜合性能的在線檢測。介紹了該試驗(yàn)臺系統(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發(fā)及實(shí)現(xiàn)。關(guān)鍵詞：變速器試驗(yàn)臺體系結(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試比較復(fù)雜，目前國內(nèi)的汽車變速器試驗(yàn)臺自動(dòng)化程度低、機(jī)界面不友好、測試過程依賴于測試者的經(jīng)驗(yàn)。因此，本試驗(yàn)臺系統(tǒng)自動(dòng)程度高、測試項(xiàng)目多、實(shí)時(shí)性強(qiáng)且完全可靠。
1系統(tǒng)介紹
具體說來，該試驗(yàn)臺系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：可進(jìn)行五種不同型號變速器及其擴(kuò)展類型變速器的性能測試；自動(dòng)測試過程可智能控制；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、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)對變速器性能的真實(shí)檢測。電機(jī)的控制通過西門子6SE70系列變頻器來實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)變頻器采用交流矢量控制技術(shù)，對大功率交流電機(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)傳輸量不大，采用RS485總線來實(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控制器來實(shí)現(xiàn)不同型號變速器的自動(dòng)換檔動(dòng)作。
圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
1.2系統(tǒng)軟件開發(fā)環(huán)境
工業(yè)過程控制軟件往往需要具有很強(qiáng)的通訊能力、現(xiàn)場數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)檢測能力及強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫、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（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)庫提供的功能、具有強(qiáng)大的控件和控制語言，使用靈活、方便，提供給用戶一方便的集成開發(fā)環(huán)境，使開發(fā)者可快速構(gòu)造應(yīng)用系統(tǒng)。它還具有強(qiáng)大的通訊能力和良好的開放性。本系統(tǒng)控制軟件基于組態(tài)王6.01二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了測試過程的控制、測試數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示，而且縮短了開發(fā)時(shí)間。
2系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)
2.1系統(tǒng)要求
廠方要求試驗(yàn)臺系統(tǒng)能夠在線檢測變速器的綜合性能，包括以下試驗(yàn)：①各檔換檔試驗(yàn)；②變速器加載能力測試；③變速器操縱（同步器）性能的測試；④跳檔檢測；⑤變速器的疲功壽命試驗(yàn)；⑥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）測試數(shù)據(jù)報(bào)表和測試及故障診斷的界面友好；
（3）臺架試驗(yàn)方法科室、規(guī)范，達(dá)到汽車機(jī)械式變速器臺架試驗(yàn)方法國家標(biāo)準(zhǔn)；
�。�4）在同一臺架上對不同種變速器完成測試功能。
2.2系統(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：①控制部分；②換檔機(jī)械手部分；③試驗(yàn)臺機(jī)電部分。控制部分以計(jì)算機(jī)為中心，控制軟件根據(jù)現(xiàn)場數(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、故障檢測等；通過板卡通訊向PLC機(jī)械手發(fā)送換檔控制指令、通過RS485總線變頻器發(fā)送測試所需的轉(zhuǎn)速和加載扭矩信號�？刂撇糠诌�包括變頻器、現(xiàn)場數(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)的無級調(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)對電機(jī)進(jìn)行控制。矢量控制也叫磁場定向控制。它的基本思路是利用d-q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，將定子電流分成勵(lì)磁電流id1和轉(zhuǎn)矩電流iq1，在調(diào)速過程中保持轉(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)場數(shù)據(jù)采集卡將現(xiàn)場采集的數(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)臺架。本系統(tǒng)中電機(jī)的性能對整體性能影響很大，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)測試對象，為
了使裝卸變速器的時(shí)間短，本試驗(yàn)臺變速器的夾緊松開操作是通過油缸4軸連動(dòng)壓板來實(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)出的指令信號完成對不同型號變速器的換檔動(dòng)作，從而能控制變速器換檔到指定檔位。在測試過程中，控制軟件對系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)實(shí)時(shí)記錄顯示，并對溫度、轉(zhuǎn)速、扭矩、電流、完全罩到位信號等實(shí)時(shí)監(jiān)控，遇到故障自動(dòng)報(bào)警、自動(dòng)分析。
3系統(tǒng)軟件的開發(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)控制變速器的測試過程，包括：試驗(yàn)流程、試驗(yàn)過程中換檔順序、各個(gè)檔位的轉(zhuǎn)速給定、加載扭矩給定、系統(tǒng)協(xié)調(diào)、信號檢測及處理等。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，最后完成倒檔測試。手動(dòng)試驗(yàn)是由人操作手動(dòng)操作臺的扭鈕完成的，其程序主要完成監(jiān)測、報(bào)警功能。單獨(dú)換檔是應(yīng)廠家要求對某一指定檔位進(jìn)行試驗(yàn)。疲勞試驗(yàn)和效率試驗(yàn)分別對變速器的耐久性和傳動(dòng)效率進(jìn)行測試。組態(tài)王6.01有豐富的畫面制作系統(tǒng)，支持無限色和二十四種過濾色，并具有豐富的圖庫和圖庫精靈、豐富的動(dòng)畫連接向?qū)А＠媒M態(tài)王6.01界面開發(fā)系統(tǒng)可給各種控制模式開發(fā)生動(dòng)的界面，非常形象、美觀。由于自動(dòng)試驗(yàn)過程是本軟件系統(tǒng)的關(guān)鍵，故以下僅對自動(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，使用起來特別方便。
接口通訊參數(shù)如圖3所示。
計(jì)算機(jī)通過檢測現(xiàn)場數(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。
現(xiàn)場數(shù)據(jù)包括：變速器當(dāng)前檔位、轉(zhuǎn)速、扭矩、通過拉壓力傳感所測得的掛檔力、離合器開關(guān)信號、變速器夾緊信號、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)場數(shù)據(jù)通訊通過PCL818L擴(kuò)展板卡來實(shí)現(xiàn)�，F(xiàn)場數(shù)據(jù)用于檢測工作狀態(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)場采集的速度之比和配方中的速比是否一致來判斷的，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)換檔過程的實(shí)現(xiàn)
3.2.1自動(dòng)換檔過程流程圖
自動(dòng)換檔過程流程圖如圖4所示。
自動(dòng)換檔過程要完成松開離合器、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：必須檢測到離合器已松開；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)，按該檔位的測試參數(shù)加載，加載一段時(shí)間就可以測得變速器的加載能力，因而加載的定時(shí)也采用定時(shí)器來完成。加載計(jì)時(shí)完畢，將進(jìn)行下一檔位的測試，在程序中進(jìn)入換檔準(zhǔn)備過程。在換檔準(zhǔn)備過程中，當(dāng)前檔位標(biāo)志更替為下一個(gè)測試檔位的標(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)檔換過程
組態(tài)王事件命令語言可以規(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，因而有利于過程控制的定時(shí)操作。事件命令語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離散狀態(tài)變更來激發(fā)程序的流程。組態(tài)王命令語言形式很適合開發(fā)這種過程。
自動(dòng)換檔過程建立了多種工作狀態(tài)：“換檔準(zhǔn)備”、“換檔開始”、“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)檢測到的現(xiàn)場數(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)換檔過程的邏輯關(guān)系。
這里采用了組態(tài)王事件命令語言中事件存在時(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，通過設(shè)定計(jì)數(shù)器起始計(jì)數(shù)值n和事件命令語言存在時(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=n×t）。
組態(tài)王還具有配方功能。在制造領(lǐng)域，配方用來描述生產(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)過程中一些變量對應(yīng)的參數(shù)設(shè)定值的集合。不同型號變速器和不同檔位的測試參數(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)程檢測現(xiàn)場工作狀態(tài)，可并入企業(yè)的CIMS系統(tǒng)。
本試驗(yàn)臺系統(tǒng)綜合了計(jì)算機(jī)、通訊、自動(dòng)化、電子、電氣、機(jī)械等方面知識，是一個(gè)智能化的變速器綜合性能在線檢測機(jī)電一體化試驗(yàn)系統(tǒng)，自動(dòng)化程序度、檢測時(shí)間縮短，大大降低了運(yùn)行成本、提高了生產(chǎn)效率。制動(dòng)電機(jī)采用回饋制動(dòng)，節(jié)約能源。系統(tǒng)控制方法精確，檢測傳感器精度高，達(dá)到了很高的精度。應(yīng)用組態(tài)王強(qiáng)大的通訊和過程控制能力，減少了控制程序的開發(fā)時(shí)間。試驗(yàn)臺已經(jīng)通過廠方驗(yàn)收，即將投入生產(chǎn)一線，并將被廣泛推廣。
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