基于PAC的汽車變速器換擋試驗臺系統設計

米 林，吳 俊，譚 偉

(汽車零部件先進制造技術教育部重點實驗室，重慶 400054)

變速器是汽車傳動系統中的一個重要組成部分，其性能直接影響整車的動力性和可靠性。對變速器零部件性能、壽命進行測試是每個廠家及質檢部門必須經歷的環節［1］。

變速器換擋試驗是檢測變速器性能必不可少的流程。在傳統的換擋實驗中，選擋、換擋的動力來源是人，不僅效率低，而且不同人的操作方式和習慣不一樣，對選換擋力、位移的把握都不同，直接影響了對變速器換擋品質的客觀評價［2］。因此，需要一套精度高、可靠性強、智能化的測控系統來保證試驗的準確性。

通過對國外試驗臺的借鑒和研究，結合虛擬儀器開發了基于PAC的變速器換擋試驗臺架。試驗臺采用氣壓缸來驅動換擋機械手，用PAC實時采集換擋位移、換擋力、轉速轉矩等多項參數，通過工業以太網傳送至操作員站。操作員負責試驗臺的控制管理、了解其運行狀態。

1 測試原理及機械結構

試驗臺機械結構如圖1所示，主要包括變頻電機、慣量飛輪、選換擋機械手、被試變速器和萬向節等。試驗臺的主要功能是模擬實際工況來測試變速器的換擋性能。變頻電機是整個試驗臺的動力部分，它主要模擬實際工況下換擋時的車速。慣量飛輪的作用是模擬行駛中整車的慣量。慣量盤模擬汽車行駛中發動機的轉動慣量。選換擋機械手模擬行駛中變速器的換擋，選擋機械手由交流伺服電機和絲杠組成，通過力矩和位置的混合控制實現選擋力、選擋速度、選擋位置的精確可調。換擋機械手采用氣壓驅動，氣壓驅動具有運動速度快、可壓縮和抗沖擊的特性，與人肌肉的彈性和柔順性比較吻合。轉速轉矩傳感器采集變頻電機的轉速，通過RS232C總線將數據傳給PAC進行轉速的閉環控制，試驗臺的單參數換擋信號也是轉速。試驗過程中，主要采集轉速(車速)、選換擋力、選換擋位移等參數來作為換擋品質的評價依據。

圖1 變速器換擋試驗臺機械結構

2 試驗臺硬件系統

試驗臺硬件系統結構如圖2所示。

圖2 硬件系統結構

系統采用PAC+PC分級分布式控制形式。研華的ADAM-5550KW系列PAC具有獨特的雙CPU架構:上層的AMD GeodeTM GX533M CPU功能強大，具有HMI軟件功能、數據庫功能以及強大的運算能力等;下層的 ARM7 CPU負責底層I/O模塊的操作和控制，保證I/O端口的實時、穩定、可靠操作［3］。ADAM-5017H8通道高速模擬信號輸入模塊，用來采集離合器位移，選換擋位移、力等模擬量信號。AMONet運動控制模塊可實現離合器作動器、選換擋機械手的運動控制。PAC和變頻器之間通過Modbus總線進行通信。將工業平板電腦連接至PAC，利用PAC內置的測控軟件可在現場調試和運行試驗臺，現場操作的優先級高于測控室內的操作。當工作人員進行現場調試和測試時，測控室內的工控機只能實時監控，不能操作。

工控機選用研華公司的IPC-610H，配以工業以太網卡MIC2660;人機界面采用三星17寸液晶顯示器，主要負責聯網、流程顯示、數據和圖表的處理［4］。通過Modbus TCP/IP協議和PAC實現實時數據傳輸。

3 試驗臺軟件系統

該測控系統的軟件分為上位機監控軟件和PAC測試控制軟件。上位機軟件操作界面截圖如圖3所示，軟件負責實時對轉速、擋位、選換擋力、位移等相關參數進行整理和趨勢分析等;圍繞試驗實現故障報警、保護等輔助功能。軟件的開發平臺采用美國國家儀器(NI)公司的虛擬儀器開發軟件LabView［5］。LabView沒有常規儀器的控制面板，利用計算機強大的圖形用戶界面(GUI)，采用可視化的圖形編程語言，在計算機屏幕上建立圖形化的軟面板來替代傳統儀器面板。在操作時，用戶通過鼠標或鍵盤操作軟面板來檢驗儀器的通信和操作。下位機PAC運行的是WinCE 5.0操作系統，采用基于IEC61131-3標準的應用程序開發軟件 KW-Multiprog進行開發，負責對現場電氣設備的控制和數據采集，自動完成設定的試驗［6］。

圖3 監控系統操作界面圖

如圖4所示，上位機軟件主要由系統登錄、試驗管理、歷史數據查詢、系統參數設置、新建試驗和報警監控等部分組成。系統以數據庫的形式存儲用戶信息，如用戶信息匹配則登錄系統，才可使用軟件提供的各項功能，否則不能進入該軟件系統。用戶信息匹配成功后可進入試驗管理模塊，對試驗數據進行管理。管理員可以動態刪除不用的數據，同時也可以對試驗信息進行管理。在歷史數據查詢時可以以圖表和報表2種方式顯示試驗數據，用戶只需選擇相應的試驗名稱即可動態載入試驗數據。該模塊同時具有圖表和報表打印功能。系統參數設置模塊的主要作用是設定系統參數(如采樣周期、報警參數閾值、通信參數等)。新建試驗模塊需要用戶輸入試驗編號、試驗地點、試驗人員等信息，系統確認后進入變速器性能試驗模塊，同時將所填寫的試驗信息錄入數據庫，創建試驗數據表。

圖4 上位機軟件系統框架

3.1 報警監控

報警監控模塊提供兩級報警保護機制。使用人員通過預設報警參數來控制報警，在測量參數到達第1級報警值時，通過燈光、字體反色等方法提示使用者系統已進入報警狀態。使用者這時可以采取相應的措施來解除報警。當測量參數到達第2級保護值時，將自動按照系統預設程序采取相應的保護措施(如降低轉速、停車等)，同時通過燈光、字體反色等方法提示使用者系統已進入保護狀態。系統還提供機械、電氣、控制等3方面的聯鎖保護，實現在故障等特殊情況下對系統重要部分和測試人員的保護。

3.2 自動換擋的實現

本試驗臺主要測試變速器的選換擋性能，故采用較簡單的單參數(轉速)的換擋規律［7］。當轉速達到預設的轉速范圍時，發出換擋命令，PAC將讀取的當前擋位和程序設定的擋位進行比較。如果兩者擋位相同則直接退出換擋程序;若不一樣，則執行選擋、換擋操作。在選換擋過程中，利用位移傳感器來檢測擋位位置，不同的擋位分別對應不同的位移值，這樣就能確定實際是哪個擋位。換擋操作和選擋操作工作方式一樣，也是利用位移傳感器來確定是否換擋到位［8］。

如圖5所示，選換擋操作包括離合器分離、選擋、選擋到位、換擋、換擋到位、離合器接合等一系列步驟。每一個動作命令的發出都要驗證其條件是否滿足，以確保安全。程序具有換擋失敗報警功能。當換擋操作失敗時，換擋失敗次數累加1，然后繼續執行換擋操作，如此循環。若失敗次數累加到超過預設次數時，程序發出警報并且停機等待。

圖5 自動換擋流程

4 DCS集散控制系統

變速器臺架試驗主要包括變速器傳動效率試驗、疲勞壽命試驗、換擋性能試驗、同步器壽命試驗及變速器噪聲測試等［9］。為了實現“集中監測，分散控制”的設計思想，整個試驗中心采用圖6所示的集散控制系統。DCS系統分為3個部分:現場設備層、控制管理層和信息管理層。

現場設備層由現場控制網絡組成，是DCS系統的基礎，直接面向生產過程。由于其特殊的工作環境，現場控制網絡必須具有較高的實時性、可靠性和安全性?，F場控制網絡多是指各種總線的集合。目前總線種類繁多，標準不一，主要以485總線、CAN總線、Profibus總線、Modbus總線為主流，各種總線并存。

控制管理層由工業以太網組成，將上位機等監控設備聯網，主要負責接收現場設備層控制節點上傳的生產現場實時數據信息。對于測試環境比較惡劣的，這一層的設置尤為重要。本系統采用的是基于Modbus TCP/IP協議的工業以太網，利用傳統通信以太網的優勢介入控制管理層勢必成為未來的發展趨勢。

信息管理層采用普通的TCP/IP網絡，將其通過網關和控制網絡連接，使得企業高層能對現場生產時時掌管，有利于高層的調度和統籌安排。在信息管理層中融入底層的生產信息可作為科學管理、市場競爭的重要手段［10］。

圖6 集散系統結構圖

5 結束語

本文設計了某型汽車變速器換擋試驗臺測控系統，詳細闡述了其機械結構和軟硬件結構，并介紹了某齒輪廠測控中心的網絡結構。該試驗臺有以下優點:自動化程度好，系統測試控制精度較高;人機界面友好，減輕了工作人員的負擔;用PID算法實現對換擋和轉速的精確控制;可方便地進行現場調試和測控室監控。

［1］祝欣波.汽車變速器疲勞試驗臺控制系統的研究與開發［D］.武漢:武漢理工大學，2008.

［2］成欽，劉春光.一種用于 MT試驗臺架的自動換擋裝置［J］.汽車工程師，2011(7):56-58.

［3］陳眾，黃超.基于ADAM-5550KW PAC的多通道同步采集系統軟件設計［J］.電力自動化設備，2010，30(8):104-107.

［4］臧懷泉，邵彥山，劉徽波.汽車變速器試驗臺監控系統設計［J］.工業控制計算機.2008，21(10):9-10.

［5］費莉，王博，劉述喜.基于 LabVIEW 的數據采集及測試系統設計［J］.重慶理工大學學報:自然科學版，2012，26(10):38-41.

［6］宋文娟.基于PAC的風力發電機組控制系統的研究與開發［D］.長沙:湖南大學，2008.

［7］韓致信，張秀秀，鐘斌，等.基于汽車燃油經濟性的最佳換擋規律的研究［J］.機械制造，2012，50(2):30-33.

［8］杜常清，顏伏伍，李夏楠，等.行星齒輪機械式自動變速器換擋控制策略的研究［J］.汽車工程，2011，33(7):608-612.

［9］QC/T 568—2010汽車機械式變速器總成臺架試驗方法［S］.北京:中國標準出版社，2010.

［10］徐志偉.基于PAC的網絡監控系統的研發［D］.南京:南京理工大學，2007.