基于PLC和計算機的汽車同步器測試系統

王 欣

（1.西安鐵路職業技術學院 陜西 西安 710014；2.東南大學 蘇州研究院，江蘇 蘇州 215123）

在汽車的傳動系統中，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行嚙合，防止產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。同步器的性能指標直接影響變速器的效能表現，從而影響車輛的操控性[1-2]，所以要在安裝前對其技術性能和壽命進行一系列相關測試。

研制基于PLC的變速器同步器測試系統，可以對同步器換擋過程中的關鍵參數進行實時準確的測試記錄，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確的評價[3]。因為PLC具有體積小、功能強、可靠性高等特點，所以采用PLC作為整個測試系統的控制核心，通過驅動電機模擬換擋過程，并且控制二個軸的轉速；同時配以計算機，設定測試條件，用以高速采集測試系統中多路傳感器信號，并對采集數據進行后期分析處理，并發出相應指令。

1 測試系統組成

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

圖1 測試臺的機械結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of the mechanical test bed

測試臺能對一定型號的同步器進行3類主要測試[4-6]：連續測試、慣性測試和擠壓測試，連續測試與慣性測試測量同步器動摩擦系數和耐磨損性能，擠壓測試用于測量同步器的靜摩擦系數，測試是在室溫至120℃的潤滑油環境中進行的，通過對測試臺測量數據的分析與計算，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，其中連續測試流程如圖2所示。

圖2 連續試驗流程Fig.2 Continuous test process

2 測試系統設計

整個測試系統的核心是測控部分，首先要求實時監控系統的運行狀況，以確保系統運行的安全可靠；同時在測試過程中，要求實時采集采集位移、轉速、同步扭矩、軸向力、潤滑油油溫和流速等一系列信號數據，通過處理采集到的信號數據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性能[7-9]，其測控系統原理框圖如圖3所示。

圖3 測控系統原理框圖Fig.3 Functional block diagram of testing system

測控系統由PLC、計算機、各種傳感器、信號測試調理卡、驅動與控制電機等組成。測試系統由計算機和PLC共同控制，計算機作為上位機具有良好的人機交互功能，負責對整個測控系統進行監控，向PLC發送指令及數據，實現對現場設備的控制，并通過數據分析軟件對采集到的測試數據進行進一步的處理，從而測試同步器的性能指標[10]；因為PLC具有操作方便、可靠性高等優點，能很好地滿足測試系統控制的要求，所以采用PLC來采集現場信號和輸出控制信號；負責直接控制與監控現場設備，包括換擋機械手的運動控制、電機速度的調節、變速器油溫控制等；傳感器負責采集現場的信號，經信號測試調理卡轉換成模擬量傳送給PLC和計算機。需要指出的是：當測試開始之前，必須對變速器各個擋位位置進行預先設定，將各個擋位對應的選擋位置傳感器和掛擋位置傳感器數據存儲于PLC的存儲區，同時將機械手的控制參數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，在測試過程中，通過對這些數據的快速查詢而準確快速的模擬換擋過程。

3 系統實現

測控系統采用計算機與PLC綜合控制。

作為上位機，計算機中的對應控制程序基于Windows 2000/XP平臺系統進行開發，采用人性化用戶界面，能實現試驗臺的自動化控制和試驗數據的存儲及分析處理，其主要實現的功能有：

1）可以預先設定試驗程序，包括軸向力、加載時間、卸載時間、轉速差、潤滑油溫度等參數，并能對同步器參數和試驗工況進行編輯、保存、下載、打印；

2）連續自動記錄測試過程中的相關等數據，實時圖形顯示所有的測量和計算數據，并生成相應變化曲線分析圖；

3）查閱、刪除、分析、打印歷史測試數據或曲線圖；

4）實時顯示測試中的設備狀態及可能出現的錯誤故障，按照出錯等級（警告、錯誤、嚴重錯誤、致命錯誤）自動做出應對；

作為下位機，PLC負責對現場設備進行控制與監控，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]，整個程序控制流程如圖4所示。

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

PLC中的控制程序實現的功能主要有:

1）控制換擋 PLC根據計算機發送的控制命令，提取其存儲區內相應的數據，執行相應換擋動作；同時計算機通過讀取相應傳感器信號監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；當選擋及時準確到位時，則發出下一步指令。

2）采集數據 因為測試環境中通常存在強烈的電磁干擾，如不采取相應的抗干擾措施，其會以傳導和輻射的形式進入測控系統，嚴重影響測試結果，所以要從硬件和軟件上加以相應處理，硬件上要采取相應的電磁屏蔽，在測試信號調制卡設置多重濾波電路，利用PLC的I/O模塊帶有電氣隔離功能進行光電隔離；軟件上采用相應算法進行濾波處理，進一步減低干擾影響。

3）安全保護 當不當操作或測試同步器零件總成發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、短路和冷卻風扇異常保護，對電動機具有過載和超速保護，對系統具有超速、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，可以手動執行或系統自動執行；緊急停車時加載機構處于中間位，電機通過制動單元緊急停車、機械手摘到空擋，報警器發出報警。

4 結 論

同步器測試系統是包含信號采集處理、電子電路、機械結構等學科于一體的自動控制機電一體化設備，能夠完成典型的長時間、高重復性測試項目，運行穩定可靠，對于提高同步器測試自動化水平具有重要的實用價值。

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