基于PLC和計(jì)算機(jī)的汽車同步器測(cè)試系統(tǒng)

王 欣

（1.西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陜西 西安 710014；2.東南大學(xué) 蘇州研究院，江蘇 蘇州 215123）

在汽車的傳動(dòng)系統(tǒng)中，若采用機(jī)械式手動(dòng)變速器，一般都配有同步器，其主要功能是：使接合套與待接合齒圈兩者之間能迅速同步，阻止在同步之前齒輪進(jìn)行嚙合，防止產(chǎn)生接合齒圈之間的沖擊，縮短換檔時(shí)間，迅速完成換檔操作，并延長齒輪壽命。同步器的性能指標(biāo)直接影響變速器的效能表現(xiàn)，從而影響車輛的操控性[1-2]，所以要在安裝前對(duì)其技術(shù)性能和壽命進(jìn)行一系列相關(guān)測(cè)試。

研制基于PLC的變速器同步器測(cè)試系統(tǒng)，可以對(duì)同步器換擋過程中的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的測(cè)試記錄，通過對(duì)比分析處理，從而對(duì)被試同步器的性能與壽命作出客觀準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)[3]。因?yàn)镻LC具有體積小、功能強(qiáng)、可靠性高等特點(diǎn)，所以采用PLC作為整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的控制核心，通過驅(qū)動(dòng)電機(jī)模擬換擋過程，并且控制二個(gè)軸的轉(zhuǎn)速；同時(shí)配以計(jì)算機(jī)，設(shè)定測(cè)試條件，用以高速采集測(cè)試系統(tǒng)中多路傳感器信號(hào)，并對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行后期分析處理，并發(fā)出相應(yīng)指令。

1 測(cè)試系統(tǒng)組成

汽車同步器測(cè)試系統(tǒng)的主要部件有：結(jié)構(gòu)臺(tái)體、變頻電機(jī)、伺服電機(jī)、慣性飛輪、被試同步器、換擋機(jī)械手、循環(huán)潤滑系統(tǒng)、機(jī)械手控制箱、控制柜、各種檢測(cè)傳感器、PLC、計(jì)算機(jī)等，測(cè)試臺(tái)的機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 測(cè)試臺(tái)的機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the mechanical test bed

測(cè)試臺(tái)能對(duì)一定型號(hào)的同步器進(jìn)行3類主要測(cè)試[4-6]：連續(xù)測(cè)試、慣性測(cè)試和擠壓測(cè)試，連續(xù)測(cè)試與慣性測(cè)試測(cè)量同步器動(dòng)摩擦系數(shù)和耐磨損性能，擠壓測(cè)試用于測(cè)量同步器的靜摩擦系數(shù)，測(cè)試是在室溫至120℃的潤滑油環(huán)境中進(jìn)行的，通過對(duì)測(cè)試臺(tái)測(cè)量數(shù)據(jù)的分析與計(jì)算，觀測(cè)并記錄同步器的摩擦性能與耐磨損性能，從而對(duì)同步器的性能作出評(píng)價(jià)，其中連續(xù)測(cè)試流程如圖2所示。

圖2 連續(xù)試驗(yàn)流程Fig.2 Continuous test process

2 測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的核心是測(cè)控部分，首先要求實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，以確保系統(tǒng)運(yùn)行的安全可靠；同時(shí)在測(cè)試過程中，要求實(shí)時(shí)采集采集位移、轉(zhuǎn)速、同步扭矩、軸向力、潤滑油油溫和流速等一系列信號(hào)數(shù)據(jù)，通過處理采集到的信號(hào)數(shù)據(jù)及由此繪出的特性曲線，分析評(píng)價(jià)被測(cè)變速器同步器的相關(guān)性能[7-9]，其測(cè)控系統(tǒng)原理框圖如圖3所示。

圖3 測(cè)控系統(tǒng)原理框圖Fig.3 Functional block diagram of testing system

測(cè)控系統(tǒng)由PLC、計(jì)算機(jī)、各種傳感器、信號(hào)測(cè)試調(diào)理卡、驅(qū)動(dòng)與控制電機(jī)等組成。測(cè)試系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)和PLC共同控制，計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)具有良好的人機(jī)交互功能，負(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)測(cè)控系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，向PLC發(fā)送指令及數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場設(shè)備的控制，并通過數(shù)據(jù)分析軟件對(duì)采集到的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的處理，從而測(cè)試同步器的性能指標(biāo)[10]；因?yàn)镻LC具有操作方便、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，能很好地滿足測(cè)試系統(tǒng)控制的要求，所以采用PLC來采集現(xiàn)場信號(hào)和輸出控制信號(hào)；負(fù)責(zé)直接控制與監(jiān)控現(xiàn)場設(shè)備，包括換擋機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)控制、電機(jī)速度的調(diào)節(jié)、變速器油溫控制等；傳感器負(fù)責(zé)采集現(xiàn)場的信號(hào)，經(jīng)信號(hào)測(cè)試調(diào)理卡轉(zhuǎn)換成模擬量傳送給PLC和計(jì)算機(jī)。需要指出的是：當(dāng)測(cè)試開始之前，必須對(duì)變速器各個(gè)擋位位置進(jìn)行預(yù)先設(shè)定，將各個(gè)擋位對(duì)應(yīng)的選擋位置傳感器和掛擋位置傳感器數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于PLC的存儲(chǔ)區(qū)，同時(shí)將機(jī)械手的控制參數(shù)如各個(gè)擋位的掛擋力、掛擋速度、擋位位置補(bǔ)償存儲(chǔ)于PLC的存儲(chǔ)區(qū)，在測(cè)試過程中，通過對(duì)這些數(shù)據(jù)的快速查詢而準(zhǔn)確快速的模擬換擋過程。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

測(cè)控系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)與PLC綜合控制。

作為上位機(jī)，計(jì)算機(jī)中的對(duì)應(yīng)控制程序基于Windows 2000/XP平臺(tái)系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)，采用人性化用戶界面，能實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)臺(tái)的自動(dòng)化控制和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)及分析處理，其主要實(shí)現(xiàn)的功能有：

1）可以預(yù)先設(shè)定試驗(yàn)程序，包括軸向力、加載時(shí)間、卸載時(shí)間、轉(zhuǎn)速差、潤滑油溫度等參數(shù)，并能對(duì)同步器參數(shù)和試驗(yàn)工況進(jìn)行編輯、保存、下載、打印；

2）連續(xù)自動(dòng)記錄測(cè)試過程中的相關(guān)等數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)圖形顯示所有的測(cè)量和計(jì)算數(shù)據(jù)，并生成相應(yīng)變化曲線分析圖；

3）查閱、刪除、分析、打印歷史測(cè)試數(shù)據(jù)或曲線圖；

4）實(shí)時(shí)顯示測(cè)試中的設(shè)備狀態(tài)及可能出現(xiàn)的錯(cuò)誤故障，按照出錯(cuò)等級(jí)（警告、錯(cuò)誤、嚴(yán)重錯(cuò)誤、致命錯(cuò)誤）自動(dòng)做出應(yīng)對(duì)；

作為下位機(jī)，PLC負(fù)責(zé)對(duì)現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行控制與監(jiān)控，PLC中的控制程序采用德國倍福公司的TwinCAT PLC編程軟件編寫[11]，整個(gè)程序控制流程如圖4所示。

圖4 整個(gè)程序控制流程圖Fig.4 Flow chart of the whole controlling programmer

PLC中的控制程序?qū)崿F(xiàn)的功能主要有:

1）控制換擋 PLC根據(jù)計(jì)算機(jī)發(fā)送的控制命令，提取其存儲(chǔ)區(qū)內(nèi)相應(yīng)的數(shù)據(jù)，執(zhí)行相應(yīng)換擋動(dòng)作；同時(shí)計(jì)算機(jī)通過讀取相應(yīng)傳感器信號(hào)監(jiān)視換擋動(dòng)作完成情況，若選擋未能到位或換擋超時(shí)，會(huì)即刻強(qiáng)制空擋，起到安全保險(xiǎn)作用；當(dāng)選擋及時(shí)準(zhǔn)確到位時(shí)，則發(fā)出下一步指令。

2）采集數(shù)據(jù) 因?yàn)闇y(cè)試環(huán)境中通常存在強(qiáng)烈的電磁干擾，如不采取相應(yīng)的抗干擾措施，其會(huì)以傳導(dǎo)和輻射的形式進(jìn)入測(cè)控系統(tǒng)，嚴(yán)重影響測(cè)試結(jié)果，所以要從硬件和軟件上加以相應(yīng)處理，硬件上要采取相應(yīng)的電磁屏蔽，在測(cè)試信號(hào)調(diào)制卡設(shè)置多重濾波電路，利用PLC的I/O模塊帶有電氣隔離功能進(jìn)行光電隔離；軟件上采用相應(yīng)算法進(jìn)行濾波處理，進(jìn)一步減低干擾影響。

3）安全保護(hù) 當(dāng)不當(dāng)操作或測(cè)試同步器零件總成發(fā)生過早損害或其他故障（電機(jī)過載、超速、超溫等）時(shí)，使試驗(yàn)臺(tái)能夠快速自動(dòng)停止，對(duì)變頻器具有過流、過載、過壓、欠壓、過熱、短路和冷卻風(fēng)扇異常保護(hù)，對(duì)電動(dòng)機(jī)具有過載和超速保護(hù)，對(duì)系統(tǒng)具有超速、超扭和超溫保護(hù)，所有報(bào)警信號(hào)通過主控制計(jì)算機(jī)顯示故障原因或故障代碼；緊急停車是必須的硬件功能，可以手動(dòng)執(zhí)行或系統(tǒng)自動(dòng)執(zhí)行；緊急停車時(shí)加載機(jī)構(gòu)處于中間位，電機(jī)通過制動(dòng)單元緊急停車、機(jī)械手摘到空擋，報(bào)警器發(fā)出報(bào)警。

4 結(jié) 論

同步器測(cè)試系統(tǒng)是包含信號(hào)采集處理、電子電路、機(jī)械結(jié)構(gòu)等學(xué)科于一體的自動(dòng)控制機(jī)電一體化設(shè)備，能夠完成典型的長時(shí)間、高重復(fù)性測(cè)試項(xiàng)目，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，對(duì)于提高同步器測(cè)試自動(dòng)化水平具有重要的實(shí)用價(jià)值。

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