一种基于PLC和计算机的汽车同步器测试系统的设计

　　同步器是汽车变速箱的核心部件，其性能对汽车变速箱以及汽车性能的提高有着重要意义。为了评价汽车变速器中同步器的性能与寿命，相应设计了基于PLC和计算机共同控制的测试系统；计算机主要完成人机界面交互任务以及相关数据的分析与存储，PLC根据计算机命令实现数据实时采集和对整个系统的实时控制；测试系统能够进行三类长时间、高重复性的主要测试，运行稳定可靠。本文主要介绍了测试系统的组成结构、系统设计、PLC在测试系统中的应用和控制程序设计。
　　在汽车的传动系统中，若采用机械式手动变速器，一般都配有同步器，其主要功能是：使接合套与待接合齿圈两者之间能迅速同步，阻止在同步之前齿轮进行啮合，防止产生接合齿圈之间的冲击，缩短换档时间，迅速完成换档操作，并延长齿轮寿命。同步器的性能指标直接影响变速器的效能表现，从而影响车辆的操控性，所以要在安装前对其技术性能和寿命进行一系列相关测试。
　　研制基于PLC的变速器同步器测试系统，可以对同步器换挡过程中的关键参数进行实时准确的测试记录，通过对比分析处理，从而对被试同步器的性能与寿命作出客观准确的评价。因为PLC具有体积小、功能强、可靠性高等特点，所以采用PLC作为整个测试系统的控制核心，通过驱动电机模拟换挡过程，并且控制二个轴的转速；同时配以计算机，设定测试条件，用以高速采集测试系统中多路传感器信号，并对采集数据进行后期分析处理，并发出相应指令。
　　1 测试系统组成
　　汽车同步器测试系统的主要部件有：结构台体、变频电机、伺服电机、惯性飞轮、被试同步器、换挡机械手、循环润滑系统、机械手控制箱、控制柜、各种检测传感器、PLC、计算机等，测试台的机械结构如图1所示。

 

图1 测试台的机械结构示意图
　　注：1.交流伺服电机（0.85kW）；2.减速机；3.离合器；4.交流变频电机（3 kW）；5.机械手液压泵站；6.皮带轮；7.位移传感器；8.液压缸；9.润滑油喷油口；10.编码器（低速）；11.组合式惯性飞轮；12.离合器；13.转速传感器（高速）；14.润滑油回油口；15.两分力传感器；16.齿轮锥；17.同步器；18.拨叉；19.工作仓。
测试台能对一定型号的同步器进行3类主要测试：连续测试、惯性测试和挤压测试，连续测试与惯性测试测量同步器动摩擦系数和耐磨损性能，挤压测试用于测量同步器的静摩擦系数，测试是在室温至120℃的润滑油环境中进行的，通过对测试台测量数据的分析与计算，观测并记录同步器的摩擦性能与耐磨损性能，从而对同步器的性能作出评价，其中连续测试流程如图2所示。[page]
 

图2 连续测试流程
2 测试系统设计
　　整个测试系统的核心是测控部分，首先要求实时监控系统的运行状况，以确保系统运行的安全可靠；同时在测试过程中，要求实时采集采集位移、转速、同步扭矩、轴向力、润滑油油温和流速等一系列信号数据，通过处理采集到的信号数据及由此绘出的特性曲线，分析评价被测变速器同步器的相关性能，其测控系统原理框图如图3所示。

图3 测控系统原理框图
　　测控系统由PLC、计算机、各种传感器、信号测试调理卡、驱动与控制电机等组成。测试系统由计算机和PIC共同控制，计算机作为上位机具有良好的人机交互功能，负责对整个测控系统进行监控，向PLC发送指令及数据，实现对现场设备的控制，并通过数据分析软件对采集到的测试数据进行进一步的处理，从而测试同步器的性能指标；因为PLC具有操作方便、可靠性高等优点，能很好地满足测试系统控制的要求，所以采用PLC来采集现场信号和输出控制信号；负责直接控制与监控现场设备，包括换挡机械手的运动控制、电机速度的调节、变速器油温控制等；传感器负责采集现场的信号，经信号测试调理卡转换成模拟量传送给PLC和计算机。需要指出的是：当测试开始之前，必须对变速器各个挡位位置进行预先设定，将各个挡位对应的选挡位置传感器和挂挡位置传感器数据存储于PLC的存储区，同时将机械手的控制参数如各个挡位的挂挡力、挂挡速度、挡位位置补偿存储于PLC的存储区，在测试过程中，通过对这些数据的快速查询而准确快速的模拟换挡过程。
　　3 系统实现
　　测控系统采用计算机与PLC综合控制。
　　作为上位机，计算机中的对应控制程序基于Windows2000/XP平台系统进行开发，采用人性化用户界面，能实现试验台的自动化控制和试验数据的存储及分析处理，其主要实现的功能有：
　　1）可以预先设定试验程序，包括轴向力、加载时间、卸载时间、转速差、润滑油温度等参数，并能对同步器参数和试验工况进行编辑、保存、下载、打印；
　　2）连续自动记录测试过程中的相关等数据，实时图形显示所有的测量和计算数据，并生成相应变化曲线分析图；
　　3）查阅、删除、分析、打印历史测试数据或曲线图；
　　4）实时显示测试中的设备状态及可能出现的错误故障，按照出错等级（警告、错误、严重错误、致命错误）自动做出应对；
　　作为下位机，PLC负责对现场设备进行控制与监控，PLC中的控制程序采用德国倍福公司的TwinCAT PLC编程软件编写，整个程序控制流程如图4所示。[page]

 

图4 整个程序控制流程图

　　PLC中的控制程序实现的功能主要有：
　　1）控制换挡 PLC根据计算机发送的控制命令，提取其存储区内相应的数据，执行相应换挡动作；同时计算机通过读取相应传感器信号监视换挡动作完成情况，若选挡未能到位或换挡超时，会即刻强制空挡，起到安全保险作用；当选挡及时准确到位时，则发出下一步指令。
　　2）采集数据因为测试环境中通常存在强烈的电磁干扰，如不采取相应的抗干扰措施，其会以传导和辐射的形式进入测控系统，严重影响测试结果，所以要从硬件和软件上加以相应处理，硬件上要采取相应的电磁屏蔽，在测试信号调制卡设置多重滤波电路，利用PLC的I/O模块带有电气隔离功能进行光电隔离；软件上采用相应算法进行滤波处理，进一步减低干扰影响。
　　3）安全保护当不当操作或测试同步器零件总成发生过早损害或其他故障（电机过载、超速、超温等）时，使试验台能够快速自动停止，对变频器具有过流、过载、过压、欠压、过热、短路和冷却风扇异常保护，对电动机具有过载和超速保护，对系统具有超速、超扭和超温保护，所有报警信号通过主控制计算机显示故障原因或故障代码；紧急停车是必须的硬件功能，可以手动执行或系统自动执行；紧急停车时加载机构处于中间位，电机通过制动单元紧急停车、机械手摘到空挡，报警器发出报警。
　　4 结论
　　同步器测试系统是包含信号采集处理、电子电路、机械结构等学科于一体的自动控制机电一体化设备，能够完成典型的长时间、高重复性测试项目，运行稳定可靠，对于提高同步器测试自动化水平具有重要的实用价值。