基于PLC和计算机的汽车同步器测试系统

摘要：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。
关键词：同步器测试；PIC；系统设计；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。

    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。

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。

    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。

    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。