一種基于PLC和計算機的汽車同步器測試系統(tǒng)的設(shè)計

摘要：同步器是汽車變速箱的核心部件，其性能對汽車變速箱以及汽車性能的提高有著重要意義。為了評價汽車變速器中同步器的性能與壽命，相應(yīng)設(shè)計了基于PLC和計算機共同控制的測試系統(tǒng)；計算機主要完成人機界面交互任務(wù)以及相關(guān)數(shù)據(jù)的分析與存儲，PLC根據(jù)計算機命令實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時采集和對整個系統(tǒng)的實時控制；測試系統(tǒng)能夠進(jìn)行三類長時間、高重復(fù)性的主要測試，運行穩(wěn)定可靠。本文主要介紹了測試系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)設(shè)計、PLC在測試系統(tǒng)中的應(yīng)用和控制程序設(shè)計。

　　在汽車的傳動系統(tǒng)中，若采用機械式手動變速器，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，所以要在安裝前對其技術(shù)性能和壽命進(jìn)行一系列相關(guān)測試。

　　研制基于PLC的變速器同步器測試系統(tǒng)，可以對同步器換擋過程中的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行實時準(zhǔn)確的測試記錄，通過對比分析處理，從而對被試同步器的性能與壽命作出客觀準(zhǔn)確的評價。因為PLC具有體積小、功能強、可靠性高等特點，所以采用PLC作為整個測試系統(tǒng)的控制核心，通過驅(qū)動電機模擬換擋過程，并且控制二個軸的轉(zhuǎn)速；同時配以計算機，設(shè)定測試條件，用以高速采集測試系統(tǒng)中多路傳感器信號，并對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行后期分析處理，并發(fā)出相應(yīng)指令。

　　1 測試系統(tǒng)組成

　　汽車同步器測試系統(tǒng)的主要部件有：結(jié)構(gòu)臺體、變頻電機、伺服電機、慣性飛輪、被試同步器、換擋機械手、循環(huán)潤滑系統(tǒng)、機械手控制箱、控制柜、各種檢測傳感器、PLC、計算機等，測試臺的機械結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 測試臺的機械結(jié)構(gòu)示意圖

　　注：1.交流伺服電機（0.85kW）；2.減速機；3.離合器；4.交流變頻電機（3 kW）；5.機械手液壓泵站；6.皮帶輪；7.位移傳感器；8.液壓缸；9.潤滑油噴油口；10.編碼器（低速）；11.組合式慣性飛輪；12.離合器；13.轉(zhuǎn)速傳感器（高速）；14.潤滑油回油口；15.兩分力傳感器；16.齒輪錐；17.同步器；18.撥叉；19.工作倉。

測試臺能對一定型號的同步器進(jìn)行3類主要測試：連續(xù)測試、慣性測試和擠壓測試，連續(xù)測試與慣性測試測量同步器動摩擦系數(shù)和耐磨損性能，擠壓測試用于測量同步器的靜摩擦系數(shù)，測試是在室溫至120℃的潤滑油環(huán)境中進(jìn)行的，通過對測試臺測量數(shù)據(jù)的分析與計算，觀測并記錄同步器的摩擦性能與耐磨損性能，從而對同步器的性能作出評價，其中連續(xù)測試流程如圖2所示。

圖2 連續(xù)測試流程

2 測試系統(tǒng)設(shè)計

　　整個測試系統(tǒng)的核心是測控部分，首先要求實時監(jiān)控系統(tǒng)的運行狀況，以確保系統(tǒng)運行的安全可靠；同時在測試過程中，要求實時采集采集位移、轉(zhuǎn)速、同步扭矩、軸向力、潤滑油油溫和流速等一系列信號數(shù)據(jù)，通過處理采集到的信號數(shù)據(jù)及由此繪出的特性曲線，分析評價被測變速器同步器的相關(guān)性能，其測控系統(tǒng)原理框圖如圖3所示。

圖3 測控系統(tǒng)原理框圖

　　測控系統(tǒng)由PLC、計算機、各種傳感器、信號測試調(diào)理卡、驅(qū)動與控制電機等組成。測試系統(tǒng)由計算機和PIC共同控制，計算機作為上位機具有良好的人機交互功能，負(fù)責(zé)對整個測控系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，向PLC發(fā)送指令及數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備的控制，并通過數(shù)據(jù)分析軟件對采集到的測試數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的處理，從而測試同步器的性能指標(biāo)；因為PLC具有操作方便、可靠性高等優(yōu)點，能很好地滿足測試系統(tǒng)控制的要求，所以采用PLC來采集現(xiàn)場信號和輸出控制信號；負(fù)責(zé)直接控制與監(jiān)控現(xiàn)場設(shè)備，包括換擋機械手的運動控制、電機速度的調(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，經(jīng)信號測試調(diào)理卡轉(zhuǎn)換成模擬量傳送給PLC和計算機。需要指出的是：當(dāng)測試開始之前，必須對變速器各個擋位位置進(jìn)行預(yù)先設(shè)定，將各個擋位對應(yīng)的選擋位置傳感器和掛擋位置傳感器數(shù)據(jù)存儲于PLC的存儲區(qū)，同時將機械手的控制參數(shù)如各個擋位的掛擋力、掛擋速度、擋位位置補償存儲于PLC的存儲區(qū)，在測試過程中，通過對這些數(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)實現(xiàn)

　　測控系統(tǒng)采用計算機與PLC綜合控制。

　　作為上位機，計算機中的對應(yīng)控制程序基于Windows2000/XP平臺系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)，采用人性化用戶界面，能實現(xiàn)試驗臺的自動化控制和試驗數(shù)據(jù)的存儲及分析處理，其主要實現(xiàn)的功能有：

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

　　2）連續(xù)自動記錄測試過程中的相關(guān)等數(shù)據(jù)，實時圖形顯示所有的測量和計算數(shù)據(jù)，并生成相應(yīng)變化曲線分析圖；

　　3）查閱、刪除、分析、打印歷史測試數(shù)據(jù)或曲線圖；

　　4）實時顯示測試中的設(shè)備狀態(tài)及可能出現(xiàn)的錯誤故障，按照出錯等級（警告、錯誤、嚴(yán)重錯誤、致命錯誤）自動做出應(yīng)對；

　　作為下位機，PLC負(fù)責(zé)對現(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，整個程序控制流程如圖4所示。

圖4 整個程序控制流程圖

　　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)計算機發(fā)送的控制命令，提取其存儲區(qū)內(nèi)相應(yīng)的數(shù)據(jù)，執(zhí)行相應(yīng)換擋動作；同時計算機通過讀取相應(yīng)傳感器信號監(jiān)視換擋動作完成情況，若選擋未能到位或換擋超時，會即刻強制空擋，起到安全保險作用；當(dāng)選擋及時準(zhǔn)確到位時，則發(fā)出下一步指令。

　　2）采集數(shù)據(jù) 因為測試環(huán)境中通常存在強烈的電磁干擾，如不采取相應(yīng)的抗干擾措施，其會以傳導(dǎo)和輻射的形式進(jìn)入測控系統(tǒng)，嚴(yán)重影響測試結(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，在測試信號調(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 當(dāng)不當(dāng)操作或測試同步器零件總成發(fā)生過早損害或其他故障（電機過載、超速、超溫等）時，使試驗臺能夠快速自動停止，對變頻器具有過流、過載、過壓、欠壓、過熱、短路和冷卻風(fēng)扇異常保護，對電動機具有過載和超速保護，對系統(tǒng)具有超速、超扭和超溫保護，所有報警信號通過主控制計算機顯示故障原因或故障代碼；緊急停車是必須的硬件功能，可以手動執(zhí)行或系統(tǒng)自動執(zhí)行；緊急停車時加載機構(gòu)處于中間位，電機通過制動單元緊急停車、機械手摘到空擋，報警器發(fā)出報警。

　　4 結(jié)論

　　同步器測試系統(tǒng)是包含信號采集處理、電子電路、機械結(jié)構(gòu)等學(xué)科于一體的自動控制機電一體化設(shè)備，能夠完成典型的長時間、高重復(fù)性測試項目，運行穩(wěn)定可靠，對于提高同步器測試自動化水平具有重要的實用價值。