基于LabVIEW的同步器試驗臺測控系統

米 林，袁曉晨，譚 偉

(重慶理工大學汽車零部件先進制造技術教育部重點實驗室，重慶 400054)

變速器作為汽車傳動系統的核心部件，其性能好壞直接影響汽車的動力性、安全性和乘坐舒適性。因此，變速器質量的提升對汽車質量的提升有重大影響［1］。

同步器是變速器的核心零件之一，可避免換擋時花鍵齒間的沖擊，且使換擋快速準確，從而提高齒輪傳動系統的平均壽命［2］。因此，同步器性能的好壞可以決定變速器換擋性能的好壞，其使用壽命的長短可以影響變速器使用壽命的長短［3］。

汽車是一個由許多零部件組成的復雜的機械系統。由于汽車機械系統的復雜性和同步器工作過程的復雜性，同步器工作過程尚不能通過理論計算或者仿真的手段來進行準確的分析，只有通過試驗的手段才可得到更貼近實際情況的結果。因此，開發一套同步器性能測試試驗臺具有較大的現實意義。

1 試驗臺結構及原理

同步器試驗臺由主驅動電機驅動整車慣量飛輪旋轉，并通過主軸、傳動軸將整車慣量傳遞到同步器安裝箱中的同步器上，從而模擬主軸轉速和整車轉動慣量。根據不同的換擋擋位的轉動慣量來調整安裝第一、第二慣量飛輪的大小，第一、第二驅動電機根據不同的換擋擋位調整轉速，從而模擬2個擋位齒輪的轉速和轉動慣量。

本試驗裝置通過具有上述結構的試驗同步器，能模擬同步器在相鄰兩擋換擋過程中的轉動慣量及輸入轉速，實現了一次安裝就可完成相鄰兩擋同步環的測試，效率更高。試驗結構臺見圖1。

圖1 試驗臺結構

換擋執行機構由液壓系統驅動，通過油缸的前進與后退來控制換擋執行機構的掛擋、摘擋動作。液壓系統壓力的大小決定換擋執行機構換擋力的大小，油缸的運動速度決定機械手的換擋速度。

為滿足同步器試驗臺的需求，考慮驅動電機的穩定性和測控系統的兼容性，選擇ABB公司QABP系列的變頻調速三相異步電機作為驅動電機，型號為 280S4A，160M4A;額定電壓為3AC380V;額定功率75 kW，11 kW;額定轉速為1480 r/min，1460 r/min;額定轉矩為 478 N·m，70 N·m。

2 測控系統硬件設計

在試驗過程中，測控系統需要實時采集，包括換擋位移、潤滑油油溫、同步扭矩、轉速、換擋力、軸向力等同步器的各項參數。通過這些數據來分析同步器的性能。測控系統還將控制電機的轉速、換擋力、換擋位移和潤滑油油溫等參數，這樣可以在不同的條件下對同步器試驗進行實時控制［4］。

測控系統主要由變頻器、工業控制計算機、數據采集卡、PLC和各種傳感器組成(見圖2)。測量控制室主要放置工業控制計算機和控制操作平臺;現場控制部分主要放置PLC、變頻器和數據采集卡等。

圖2 測控系統原理圖及布局

測控系統以工業控制計算機為中心，共有2路信號進行傳遞［5］。

第1路是對數據進行檢測。溫度傳感器測得的溫度信號、編碼器測得的轉速信號、位移傳感器測得的位移信號及拉壓力傳感器測得的力信號傳給數據采集卡，然后數據采集卡將信號進行轉換，最后傳遞給工控機進行處理、顯示。

第2路是對試驗臺進行控制。工控機和PLC之間通過Profinet通訊協議進行通訊。試驗員根據現場環境和試驗樣件的需求通過工控機向PLC發出控制命令，PLC對變頻器進行控制，從而控制驅動電機的轉速等。PLC同時控制換擋執行機構的位移、換擋力。

該試驗臺需采集轉速、溫度、力、位移等信號，需選購的傳感器包括編碼器、溫度傳感器、拉壓力傳感器、位移傳感器等。傳感器具體選用情況如下:

編碼器:驅動變頻電機由變頻器進行實時精確控制，這就需要得到電機軸的轉速信號。本試驗臺選用倍加福(P+F)增量式編碼器，型號為RHI58N，這種增量型編碼器的兼容性好。

溫度傳感器:在試驗過程中，為準確監測變速器油液溫度，需使用溫度傳感器。該試驗臺選用鉑測溫電阻Pt100，三線制接口。

根據測控系統原理可知數據采集系統需要對3路轉速信號、1路溫度信號，1路位移信號、3路拉壓力信號進行數據采集?？紤]和工控機系統的兼容性等因素，分別選用研華公司生產的一塊脈沖計數卡PCI－1780U用于對轉速信號的采集，一塊A/D轉換卡PCI－1711用于對溫度、拉壓力、位移信號的采集。

PCI－1711數據采集卡是研華公司開發的一款PCI總線多功能卡。該數據采集卡擁有功能多、成本低等特點。PCI－1711數據采集卡具有16通道單端模擬輸入，而且每個通道的A/D轉換精度是12位，采樣頻率最高可達100 kHz。該型號數據采集卡完全可以滿足對換擋力、潤滑油溫度、同步位移等數據的檢測要求。而且數據采集卡自帶了LabVIEW的驅動程序，在LabVIEW平臺中可以直接調用驅動函數進行數據采集系統的開發。

PCI－1780U數據采集卡是研華公司生產的PCI總線計數卡。該數據采集卡擁有8個獨立16位計數器和8個可編程時鐘源，擁有最高20 MHz的輸入頻率，完全可以滿足轉速的測量要求。

本試驗臺的輸入量和輸出量都比較少，而且對試驗設備的控制要求相對簡單，通信網絡并不復雜，因此可以選用相對簡單的PLC模塊，只需選用電源模塊、CPU模塊、信號模塊和接口模塊即可。本試驗選擇的CPU模塊是西門子S7－300系列的CPU315－2PN/DP。

3 測控系統軟件設計

測控系統是試驗臺的關鍵部分，軟件則是測控系統的靈魂。本試驗臺測控系統以工業控制計算機為核心，以LabVIEW虛擬儀器為開發平臺。

LabVIEW是一種用圖形化編程語言代替文本編程語言的應用程序。與基于文本的程序語言相比具有簡單、易學、可以模塊化編程的特點。Lab-VIEW程序被稱為虛擬儀器，這是因為它的很多界面控件和操作方法都模擬了現實世界中的儀器。LabVIEW還包含了大量的用于數據采集、顯示、分析與儲存的工具和函數［6－8］。

試驗臺測試系統軟件分為上位機監測軟件和下位機控制軟件。工控機(上位機)采用LabVIEW軟件對測控系統進行開發，主要負責控制參數的設定和試驗數據采集、顯示、分析和存儲等;下位機控制軟件主要負責變頻器、換擋執行機構和各種開關的控制，是現場控制的核心部分。試驗管理軟件系統框架見圖3。

同步器試驗臺的測試過程共分測試前數據設置、測試和測試后數據處理3個階段。測試前數據設置階段主要包括對傳感器的標定和參數配置;測試階段的主要工作是對驅動電機、換擋執行機構的控制和數據的采集;測試后數據處理階段主要包括數據的儲存和處理等功能［9］。

圖3 試驗管理軟件系統框架

傳感器的標定:對位移、力、轉速和溫度等傳感器系數進行標定，目的是對傳感器進行校核，以保證試驗臺的檢測精度。

參數配置:對同步器兩擋齒輪轉速轉矩及功率的設定，目的是設定實驗的加載量。每次試驗前試驗員要根據測試樣件的規格進行相關參數的設置工作。通過這種方式來確保測試程序在檢測不同的樣件時都能正確地進行測試工作，從而提高試驗效率。

數據處理:同步器試驗臺的測試軟件對濾波實時采集到的數據信號進行處理。

測控系統軟件主界面(圖4)包括試驗登錄、試驗人員管理、參數設置、測試、數據存儲等6個模塊。測控系統軟件主界面簡潔大方，操作簡便，具有很好的人機交互性。

圖4 測控系統軟件主界面

進入該測控軟件主界面后，為了保證試驗安全，試驗人員需要點擊試驗登錄，輸入程序已經存儲的用戶名和密碼，登錄成功后才能進行試驗。為方便試驗人員的管理以及試驗數據的存儲，在試驗管理模塊中，驗證為管理員的用戶可以對試驗人員進行添加和刪除。試驗登陸后，需按照相應的變速器臺架試驗規范對試驗參數進行設置。此時，點擊“測試”，即可進入測試界面，開始試驗。

測控系統主程序界面(圖5)從功能上分為3個部分。最左面是一系列同步器性能試驗時需要的各種功能按鈕，點擊后進入參數配置、數據查詢和報表生成等界面。中間是試驗臺控制部分，控制各種驅動電機的轉速轉矩和換擋執行機構的運行。最右側是試驗臺檢測部分。檢測量就是試驗臺需要測試的試驗數據，即轉速、潤滑油溫度、換擋位移和換擋力等。

圖5 測控系統主程序界面

4 試驗結果

在同步器性能測試試驗臺上對同步器進行換擋性能試驗，同時實時采集換擋過程中的換擋力。從圖6可以看出同步器換擋階段產生了2個波峰:第1個波峰對應同步器二次撥環的力，沖擊力度不大，僅使換擋力有輕微的振蕩;第2個波峰處換擋力出現回落的情況，這是由撥轉的階躍振動引起的，系統振動的動態響應會對同步器形成激振。由圖6可知:采集的數據符合理論分析結果，能夠完成同步器性能測試試驗。

圖6 換擋力曲線

5 結束語

本文設計了同步器性能測試試驗臺測控系統，詳細闡述了試驗臺的機械結構和測控系統軟硬件結構。該同步器性能測試試驗臺的優點是一次安裝就可完成相鄰兩擋同步環的測試，效率更高，并且能實時測得同步器換擋過程中的各項參數，自動化程度較高，應用前景廣闊。

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