公共直流母線電封閉式變速器試驗臺控制系統(tǒng)設(shè)計

宣自洋，陳書宏，常 凱

XUAN Zi-yang1,2, CHEN Shu-hong1, CHANG Kai1

（1.中國科學(xué)院沈陽自動化研究所，沈陽 110016；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

0 引言

汽車變速器是汽車傳動系統(tǒng)的重要組成部分，變速器以其傳動比固定，傳動力矩大，結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點，使之成為汽車的關(guān)鍵性傳動部件之一，其操作性、傳動性和安全性的好壞直接影響到汽車整車的動力性、燃油經(jīng)濟性及駕駛舒適性等方面的性能。因此汽車變速器在總裝完成后必須進行嚴格的、全面的性能檢測。以往變速器的性能檢測多采用無負荷運轉(zhuǎn)換擋或靜態(tài)換擋，由操作人員憑聽覺判斷是否出現(xiàn)異常噪聲等現(xiàn)象，并以此作為判斷變速器好壞的依據(jù)，這不僅不能暴露某些產(chǎn)品的潛在問題，容易將不合格產(chǎn)品當(dāng)作合格產(chǎn)品，而且在故障判斷方面存在很大的主觀性和不確定性。隨著我國汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，變速器產(chǎn)品更新?lián)Q代的速度越來越快，其性能檢測的要求也越來越高，變速器生產(chǎn)廠商對變速器的檢測手段和檢測設(shè)備提出了更高的要求。

變速器試驗臺的種類很多，有開放式試驗臺和封閉式試驗臺、在線試驗臺和離線試驗臺、加載試驗臺和空載試驗臺等。本試驗臺采用的是電封閉式在線加載試驗臺。試驗臺采用了公共直流母線電封閉式的總體結(jié)構(gòu)，利用高性能的交流伺服調(diào)速技術(shù)以及高速的PROFINET工業(yè)以太網(wǎng)通訊技術(shù)等，使得整個系統(tǒng)不僅結(jié)構(gòu)簡單緊湊，加載靈活，精度可靠，而且電能利用率高。該變速器試驗臺的使用大大提高了變速器性能檢測的可靠性和自動化水平，從而保證了變速器產(chǎn)品的出廠質(zhì)量。

1 公共直流母線系統(tǒng)原理

公共直流母線技術(shù)是在交流多傳動系統(tǒng)中，采用單獨的整流/回饋裝置為系統(tǒng)提供一定功率的直流電壓，調(diào)速用逆變器直接掛在公共直流母線上。當(dāng)系統(tǒng)工作在電動狀態(tài)時，逆變器從直流母線上獲取電能；當(dāng)系統(tǒng)工作在發(fā)電狀態(tài)時，能量通過直流母線及回饋裝置直接回饋到電網(wǎng)，以達到節(jié)能、提高設(shè)備運行可靠性、減少設(shè)備維護量。通常情況下，整流單元或者整流回饋單元的容量比所供電的電機或逆變器的全線交流電機容量之和小。完整的公共直流母線供電系統(tǒng)包括：整流變壓器、進線開關(guān)、進線接觸器、電抗器、自偶變壓器、進線快熔、整流回饋單元、逆變器、電機等。公共直流母線系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 公共直流母線系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)簡圖

整流/回饋單元把交流電轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的直流電，即便在逆變器能量回饋到直流母線上時，直流電壓在規(guī)定的范圍內(nèi)仍保持恒定。這種交-直整流電源有3類：不可控整流電源、晶閘管整流/回饋電源及IGBT整流/回饋電源，中低壓變頻領(lǐng)域中IGBT整流/回饋電源已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。IGBT整流/回饋電源由IGBT橋和交流進線電抗構(gòu)成，采用PWM控制，具有雙向功率流、正弦波網(wǎng)側(cè)電流、功率因數(shù)超前/滯后可調(diào)（可為1）、電網(wǎng)異常降低時關(guān)斷全部開關(guān)器件等性能。逆變單元把電壓穩(wěn)定的直流電源轉(zhuǎn)化為電壓、頻率可調(diào)的交流電源，以滿足電機平滑調(diào)速的目的，逆變單元一般采用IGBT功率模塊。

2 變速器試驗臺的結(jié)構(gòu)原理

圖2 變速器試驗臺結(jié)構(gòu)原理圖

變速器試驗臺采用公共直流母線電封閉的結(jié)構(gòu)形式，相比較傳統(tǒng)的開放式試驗臺和的機械封閉式試驗臺具有能量利用率高、結(jié)構(gòu)簡單、加載靈活等特點。試驗臺結(jié)構(gòu)原理如圖2所示。

經(jīng)過濾波、穩(wěn)壓、去噪等處理后的交流電經(jīng)整流/回饋單元轉(zhuǎn)換為直流電，輸送到內(nèi)部公共直流母線上，驅(qū)動電機和兩個加載電機通過電機驅(qū)動器連接到直流母線上，驅(qū)動電機和加載電機通過減速箱、扭矩傳感器、離合器等連接到變速器上，從而形成能量流的閉環(huán)。系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)信息通過通信網(wǎng)絡(luò)傳送到主控制器中。試驗臺對變速器進行正拖加載（即模擬車輛行駛中發(fā)動機驅(qū)動情況下變速器的工況）測試時，驅(qū)動電機模擬發(fā)動機作為動力源驅(qū)動變速器，兩個加載電機分別在變速器的兩個輸出端加載一定的負載扭矩，此時驅(qū)動電機作為電動機通過電機驅(qū)動器從直流母線上吸收電能，加載電機作為發(fā)電機通過電機驅(qū)動器向直流母線上回饋電能，回饋的電能可以被系統(tǒng)內(nèi)部利用，電能在系統(tǒng)內(nèi)部形成了閉環(huán)，系統(tǒng)只需從外部補充少量電能以補充系統(tǒng)內(nèi)部損耗的電能。變速器的反拖加載（即模擬車輛行駛中發(fā)動機制動情況下變速器的工況）測試的情況與正拖加載類似，此時兩個加載電機作為動力源驅(qū)動變速器，驅(qū)動電機在變速器輸入端加載一定的負載扭矩，加載電機作為電動機從母線上吸收電能，驅(qū)動電機作為發(fā)電機向母線上回饋電能，電能在系統(tǒng)內(nèi)部形成閉環(huán)。當(dāng)所有電機制動停機時，電機回饋到直流母線上的電能通過整流/回饋單元回饋到電網(wǎng)中，且對電網(wǎng)幾乎沒有的影響。因此，直流母線電封閉式的變速器試驗臺具有很高的電能利用率，符合節(jié)能環(huán)保、綠色生產(chǎn)的理念。

3 變速器試驗臺工藝過程分析

變速器試驗臺為在線檢測試驗臺，可對同系列的多種不同型號變速器進行產(chǎn)品下線前的性能檢測，變速器的上線、型號識別、裝夾、加載試驗、信息記錄、卸夾、下線等過程動作都是全自動完成。變速器的總裝完成后由裝配線搬運到試驗環(huán)線上，變速器型號等相關(guān)信息會記錄在變速器所在托盤的RFID中，實驗前通過讀取RFID中的信息可以確定變速器的型號，進而確定接下來的性能檢測試驗的試驗參數(shù)，如：試驗加載扭矩、試驗轉(zhuǎn)速、理論速比等。變速器隨著線體運送到試驗臺上后，試驗臺對其進行自動裝夾，并完成變速器輸入輸出軸與試驗臺的驅(qū)動軸和加載軸自動對接，完成后，向變速器內(nèi)注入潤滑油后準備進行性能檢測試驗，根據(jù)變速器型號確定的試驗參數(shù)進行預(yù)設(shè)的各項試驗，如：速比檢測試驗、開關(guān)檢測試驗、噪聲檢測實驗、換擋性能檢測試驗等，試驗的結(jié)果自動記錄，試驗完成后，排除變速器中的潤滑油，試驗臺對變速器自動脫開連接，并自動卸夾，變速器離開試驗臺之前，試驗臺通過RFID將試驗結(jié)果記錄在RFID中，為后續(xù)的處理提供信息依據(jù)，記錄結(jié)果后，變速器隨托盤離開試驗臺進入試驗環(huán)線，變速器性能檢測試驗基本流程如圖3所示。

圖3 變速器性能檢測試驗基本流程

4 變速器試驗臺控制系統(tǒng)設(shè)計

4.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

變速器試驗臺控制系統(tǒng)的硬件主要包括PLC、上位機、HMI觸摸屏、分布式I/O、交流多傳動伺服驅(qū)動單元和RFID等，控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 變速器試驗臺控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

控制系統(tǒng)主控制器采用西門子SIMATIC S7-1500系列CPU 1513-1 PN型PLC，SIMATIC S7-1500是對SIMATIC S7-300和S7-400進行進一步開發(fā)的自動化系統(tǒng)，通過集成大量的新性能特性，S7-1500自動化系統(tǒng)具有卓越的用戶可操作性和極高的性能。CPU 1513-1 PN中央處理單元帶有小型顯示器，具有一個帶有兩個端口的PROFINET接口，支持PROFINET IO和等時同步實時IRT，可以在接口上組態(tài)PROFINET IO通信或?qū)崟r設(shè)置，變速器試驗臺系統(tǒng)中的分布式I/O和伺服驅(qū)動系統(tǒng)都是通過PROFINET IO與CPU 1513-1 PN進行通信。SIMATIC S7-1500采用模塊化的設(shè)計，所需的功能可以通過擴展功能模塊獲取，CPU 1513-1 PN可以擴展32個模塊，根據(jù)系統(tǒng)對數(shù)字量I/O的需要，分別擴展了DI 32*24VDC和DO 32*24VDC的數(shù)字量輸入/輸出模塊。

分布式I/O系統(tǒng)可以采集和控制變速器試驗臺系統(tǒng)中遠離控制柜的控制信息，方便現(xiàn)場布線，減少長距離布線造成的信號干擾。試驗臺控制系統(tǒng)中采用西門子SIMATIC ET 200pro 分布式I/O系統(tǒng)，ET 200pro是具有IP66防護等級的模塊化分布式I/O系統(tǒng)，適合在惡劣的工業(yè)環(huán)境中使用，通過擴展模塊可以靈活的增加系統(tǒng)的功能，最多可擴展16個模塊，ET 200pro通過PROFINET IO與CPU 1513-1 PN通信，通信傳輸速率為100Mbps。試驗臺系統(tǒng)中的液壓控制信號、氣動控制信號、扭矩傳感器模擬量信號等都需要連接到ET 200pro中，根據(jù)系統(tǒng)特點，擴展的模塊有：1個IM 154-4 PROFINET IO接口模塊，2個DI 16*24VDC數(shù)字量輸入模塊，3個DO 8*24VDC數(shù)字量輸出模塊和1個4 AI I模擬量輸入模塊。

傳動控制系統(tǒng)采用的是西門子SINAMICS S120 DC-AC多軸驅(qū)動系統(tǒng)，中心控制單元為CU320模塊，帶擴展性能卡的CU320可以驅(qū)動6個伺服軸或4個適量軸，8個V/F軸。整流/回饋單元采用ALM電源模塊，整流和回饋均為IGBT，母線電壓可控，電網(wǎng)電壓在允許范圍內(nèi)的波動不會影響到電機側(cè)，在電網(wǎng)和ALM電源模塊之間必須安裝與其功率對應(yīng)的AIM模塊，AIM模塊包含一個電抗器、電源凈化濾波器和基本的干擾抑制器。兩個加載電機共用一個雙軸電機模塊，驅(qū)動電機單獨使用一個單軸電機模塊，電機選用1PH7交流異步伺服系列電機。CU320控制單元與ALM電源模塊、電機模塊之間使用DRIVE-CLIQ連接，電機編碼器使用DRIVE-CLIQ連接到電機模塊，CU320控制單元通過PROFINET接口連接到CPU 1513-1 PN的PROFINET網(wǎng)絡(luò)。

上位機采用研華工控機，與CPU 1513-1 PN通過PROFINET網(wǎng)絡(luò)通信，上位機上運行WinCC過程監(jiān)控系統(tǒng)，用于監(jiān)控變速器試驗臺系統(tǒng)狀態(tài)，設(shè)置相關(guān)試驗參數(shù)，記錄并保存試驗數(shù)據(jù)等。HMI觸摸屏采用西門子SIMATIC MULTIPANEL系列觸摸屏，CPU 1513-1 PN通過PROFINET網(wǎng)絡(luò)將變速器試驗臺系統(tǒng)狀態(tài)和控制信息傳送到觸摸屏中，通過觸摸屏可以直觀的查看試驗臺的相關(guān)工作狀態(tài)，并可以在觸摸屏中設(shè)置相關(guān)的試驗臺的操作命令按鈕，操作人員通過操作觸摸屏就可以將操作命令傳送到CPU 1513-1 PN中，從而控制試驗臺的動作。HMI為用戶和系統(tǒng)提供了良好的交互，使操作人員能直觀的操作和監(jiān)測內(nèi)部系統(tǒng)。

RFID射頻識別技術(shù)在工廠自動化系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛，用于追蹤產(chǎn)品數(shù)據(jù)信息和生產(chǎn)過程，試驗臺系統(tǒng)中利用RFID識別變速器型號，記錄試驗結(jié)果。RFID采用倍加福產(chǎn)品，通過CC-Link接口可以連接到各類現(xiàn)場總線系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中，試驗臺系統(tǒng)中將RFID連接到控制系統(tǒng)的PROFINET網(wǎng)絡(luò)上，與主控制系統(tǒng)CPU 1513-1 PN進行通信。

4.2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

變速器試驗臺控制系統(tǒng)軟件設(shè)計包括四大部分：PLC程序設(shè)計、伺服控制系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定、上位機WinCC程序設(shè)計和HMI程序設(shè)計。

4.2.1 PLC程序設(shè)計

PLC程序按控制方式又可分為兩類：手動控制程序和自動控制程序。手動控制程序主要用于安裝調(diào)試以及后期的維護工作，其操作指令主要來自HMI觸摸屏上的按鈕和操作按鈕，試驗臺的各種動作在有安全互鎖保護的情況下可以單步獨立執(zhí)行。自動控制程序可以控制試驗臺自動完成變速器試驗的各項任務(wù)，程序根據(jù)外部采集的各種信息，按一定的順序執(zhí)行任務(wù)，并在系統(tǒng)發(fā)生一定的異常情況時，發(fā)出報警信號和執(zhí)行相應(yīng)的安全保護措施，試驗臺的運行狀態(tài)信息會實時的上傳到上位機和HMI觸摸屏上顯示并記錄相關(guān)系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)，變速器試驗臺自動控制程序流程圖如圖5所示。

圖5 變速器試驗臺自動控制程序流程圖

4.2.2 SINAMICS S120控制系統(tǒng)設(shè)置

SINAMICS S120驅(qū)動控制系統(tǒng)必須根據(jù)項目實際配置在驅(qū)動控制系統(tǒng)中進行硬件組態(tài)和驅(qū)動參數(shù)的設(shè)置，可以使用西門子Starter調(diào)試軟件完成。安裝Starter調(diào)試軟件的電腦使用網(wǎng)線連接到CU320的PROFINET端口上，設(shè)置好電腦的PG/PC接口，調(diào)試電腦就可以與CU320通信了，試驗臺的伺服驅(qū)動系統(tǒng)采用的都是西門子的產(chǎn)品，且各驅(qū)動部件都是使用DRIVE-CLIQ實現(xiàn)通信連接，因此可以使用自動讀取驅(qū)動裝置的方式完成硬件組態(tài)，硬件組態(tài)完成后還需要對各驅(qū)動軸優(yōu)化配置，具體方法和過程可參閱SINAMICS S120調(diào)試手冊。

4.2.3 上位機WinCC程序設(shè)計

SIMATIC WinCC是一套過程監(jiān)控系統(tǒng)，具有良好的開放性和靈活性，用來處理生產(chǎn)和過程自動化，它提供了適用于工業(yè)的圖形顯示、信息歸檔以及報表的功能模塊。上位機WinCC監(jiān)控系統(tǒng)主要實現(xiàn)了用戶管理、變速器型號管理、工藝參數(shù)管理、數(shù)據(jù)采集與顯示、試驗臺狀態(tài)信息管理、測試數(shù)據(jù)管理等功能。試驗臺WinCC監(jiān)控系統(tǒng)程序功能結(jié)構(gòu)如圖6所示，試驗臺WinCC程序畫面如圖7所示。

圖6 變速器試驗臺WinCC監(jiān)控程序功能結(jié)構(gòu)圖

圖7 變速器試驗臺WinCC程序畫面

4.2.4 HMI程序設(shè)計

HMI程序由多個畫面組成，可分為主畫面、設(shè)備狀態(tài)、驅(qū)動控制、手動模式、參數(shù)設(shè)置和報警記錄畫面，HMI程序畫面如圖8所示。

圖8 變速器試驗臺HMI程序畫面

5 結(jié)束語

公共直流母線電封閉式變速器試驗臺相比其他形式的試驗臺具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、試驗加載靈活、能量利用率高等優(yōu)點，試驗臺控制系統(tǒng)采用以西門子S7-1500型PLC作為主控制器，以西門子ET 200pro作為分布式I/O控制器，以西門子SINAMICS S120系列伺服控制器作為電機控制器，構(gòu)建基于PROFINET工業(yè)以太網(wǎng)的控制系統(tǒng)。

目前該變速器試驗臺已在生產(chǎn)現(xiàn)場安全運行一年多，成功檢測變速器數(shù)十萬臺，提高了變速器裝配生產(chǎn)線的自動化程度和生產(chǎn)效率，保證了變速器的出廠質(zhì)量，提升了產(chǎn)品的市場競爭力，為企業(yè)創(chuàng)造了很好的經(jīng)濟效益。

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