基于交流伺服系统的变速器电封闭加载试验台

陶子群

摘 要：文章介绍了汽车变速器电加载试验台控制系统的工作原理、硬件组成、软件设计、系统特点及系统实现。构建了由研华工控机、西门子PLC 、SINAMICS S120驱动系统组成的基于PROFIBUS通讯协议的控制系统，实现手动加载、自动加载、速比检测等功能。

关键词：变速器；PLC；加载；工控机

汽车变速器是汽车关键零部件之一，它是汽车底盘传动系统中重要组成部件，它的性能的好坏直接影响到汽车的整体性能，变速器性能质量好坏与否直接影响汽车的动力性、操作性和燃油经济性。提高变速器的传动效率不仅可以改善傳动系统性能，降低车辆油耗，而且对抑制由于近年来车辆速度增高而引起的传动系统的发热具有重要意义[1]。因此现在国内外的汽车变速器生产厂家对变速器的出厂前检测手段和检测设备提出更高的要求。这样的要求可以有效保证变速器在总装完成之后，经过更为严格的、多方面的性能测试，确保变速器产品的出厂质量。

1 变速器加载试验台原理

汽车变速箱加载试验主要有开放式和封闭式，封闭式又分为机械封闭式和电封闭式两类[2]。试验台的驱动和加载功能主要是通过SINAMICS S120驱动系统对变频电机的矢量控制（PID控制器）来实现。试验时候按照设定的各时间段扭矩、转速进行相应匹配，并满足加载规范中的要求，从而模拟汽车行使工况。这种共直流母线的DC/AC逆变器结构能够对试验台机械传动系统的损失能量进行回收，回收的能量通过直流至直流母线用以驱动电机运行或直接反馈至电网，从而形成能量的闭环系统。

2 系统硬件结构组成

2.1 加载试验台机械基本结构

变速器加载试验台结构示意图如图1所示。加载试验台的基本结构包括：床身、试验台、输送辊道、举升台、定位夹紧系统。其中定位夹紧系统起的作用是：固定变速器紧贴机床端面，并与举升台悬空，保证变速器校验避免受其他干扰因素。

2.2 加载试验台电气系统

试验台电气控制系统内容主要包括基本动作实现、伺服电机转速/转矩控制、辅助设备操控及振动频谱测试系统监控。根据以上特点，我们采用工控机、PLC和伺服系统来实现PROFIBUS-DP现场总线通讯协议的设计方案。电气硬件结构如图2所示。

工控机以PROFIBUS-DP 通讯协议与PLC主机通讯，PLC接收上位机Labview软件的控制信号并执行命令，与SINAMICS S120驱动系统交换，实现转速、转矩等控制，并实时获取电机的运行状态和试验数据信号 （模拟量和开关量）并传送至工控机。

本系统中可编程序控制器采用德国西门子的S7-300，通过PROFIBUS 实现PLC与现场设备之间的通信[3]。PLC控制器包括317-2PN/DP单元、IM153从站模块、电源模块、数字量输入/输出模块、模拟量输入/输出模块、FM350-2高速计数器模块。PLC控制器与S120伺服系统之间进行高速数据相互交换，实现伺服电机转速/转矩控制、流程控制、辅助设备的操控。

试验台驱动系统由一台32kW和两台29.3kW的交流伺服电机作为变速器的动力源。这套系统的变频调速装置运用模块化集成设计方案，各模块间（包括核心控制单元CU320、主动型电源模块ALM、电机模块、传感器模块和电机编码器等）通过高速驱动接口Drive-CLIQ相互连接，实现数据的高速通信，保证了试验台各项数据准确性和稳定性。

变速器的振动与噪声分析在当今变速器生产厂家中，作为在线产品质量检测性能的重要指标。最初试验台只用声级计的噪声信号作为变速器质量分析的唯一指标，这种做法将没有对变速器的异响噪声做出正确的判断，因为变速器试验现场总会存在不同程度的其它干扰噪音，这样会导致噪声信号存在着失真，甚至被其它现场噪音所覆盖。为了比较准确地测得变速箱的噪音信号，本系统采用了以振动来评价噪声的技术，由加速度传感器来间接测量变速箱的噪声[4]。采用了这种振动频谱测试系统方案有效的保证了产品质量。

3 控制系统软件设计

3.1 PLC程序设计

控制软件采用西门子STEP7-5.5软件编写。在编程起初，我们了解加载试验台工作任务与要实现的功能，规划好程序控制流程图，其程序流程如图3所示。试验台详细的工作流程介绍如下。首先通过接近开关判断举升滑台是否在原位，如果举升滑台不在原位，这时电磁离合器脱开，退出变速器加载试验；如果举升滑台在原位，电磁离合器接合，电机低速转动，花键进行对孔。此时换档等待运行允许信号，接受到运行允许信号之后，电机以速度2（10HZ）转动，制动器工作，离合器接合，用定时器进行计时。当定时时间到的时候，电机的转速达到设定值，对编码器反馈值与（DM）进行比较，从而判断变速器所处的档位。比较结果有倒档和前进档两种情况，如果变速器处于倒档时候，从 PLC 数据储存区读取倒档加载的电压值；如果变速器处于前进档的时候，从PLC 数据储存区读取倒档加载的电压值。

最后输出加载控制电压，并按工艺要求设定的时间进行加载。加载开始开始时，就对变速器的加载过程进行全部监控，这样可以从加载曲线分析变速器性能状况。

在变速器加载试验过程中，可能会出现辅助设备有问题、断路器辅助触头断线、伺服电机模块报警等各种故障情况。如果变速器在加载试验时设备出现断线情况，电机会立刻停止转动，电磁离合器脱开、励磁电压归零；如果是辅助设备出现问题，电磁离合器脱开、励磁电压归零；如果变速器所有档位加载试验完成，挂入空挡并确认试验结束，设备回到初始状态。对于辅助设备问题和断线两种情况下，程序返回到档位判断。如果故障没有被排除，程序将无法执行循环；如果故障只是临时故障，已经被排除，按复位确认键可以消除故障，程序继续执行下一步循环。

在设备运转期间，也许出现故障远超过上述所列举的各种情况，但是上述列举的情况是设备运转期间，出现的故障频率较高的，所以把相关的故障信息导入到报警信息列表中，便于使用过程中出现故障及时维护。

3.2 上位机Labview软件设计

软件开发采用NI公司基于虚拟仪器技术的Labview软件开发平台[5]。运用Labview软件开发平台的964（R）协议编写通信程序的方法、VISA技术和状态机设计模式，实现了S7-300PLC和PC机间的串口通信。

上位机Labview软件负责硬件控制、数据采集、数据存储、生成报表、绘制曲线、打印输出报告等，将由PLC所读取的数据在上位机上进行实时显示及分析处理，有效分析变速器总成的一些基本性能，如齿轮振动检测，速比检测和质量问题的基本分析。实验证明，基于Labview的变速器加载试验台相对于传统整车试验方法具有更高的精度和可靠性。试验界面系统状态图如图4所示。

4 结论

本文主要讨论了交流伺服系统变速器电封闭加载试验台。整套系统选用Labview上位机软件、西门子PLC和伺服驱动相结合的电气控制方案，且把先进机械设计理念和现代传感器技术融合在一起，跟常规变速器试验台系统相比较，设备的自动化程度和生产效率得到明显的提高。这设计思路已经落实到产品，并投入到变速器现场生产试验中，获得使用者的高度认可，此系统性能稳定、实时性好、可靠性强、操作方便、易于维护等特点。

参考文献：

[1]安相壁.汽车试验工程[M].北京：国防工业出版社，2006.

[2]陶维青，苏建徽，胡子卿，等.微机控制电封闭汽车变速箱试验台[J].制造业自动化，2000，22（3）：43-45.

[3]廖常初.S7-300/400 PLC应用技术[M].机械工业出版丰士，2005.

[4]秦树人.齿轮传动系统检测与诊断技术.重庆：重庆大学出版社，1999.

[5]蒋国良，杨小强，杨晓峰，等.基于传感器组与虚拟仪器技术的工程机械液压测试仪[J].矿山机械，2005，33（3）：57-58.