公共直流母线电封闭式变速器试验台控制系统设计

宣自洋，陈书宏，常 凯

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

（1.中国科学院沈阳自动化研究所，沈阳 110016；2.中国科学院大学，北京 100049）

0 引言

汽车变速器是汽车传动系统的重要组成部分，变速器以其传动比固定，传动力矩大，结构紧凑等优点，使之成为汽车的关键性传动部件之一，其操作性、传动性和安全性的好坏直接影响到汽车整车的动力性、燃油经济性及驾驶舒适性等方面的性能。因此汽车变速器在总装完成后必须进行严格的、全面的性能检测。以往变速器的性能检测多采用无负荷运转换挡或静态换挡，由操作人员凭听觉判断是否出现异常噪声等现象，并以此作为判断变速器好坏的依据，这不仅不能暴露某些产品的潜在问题，容易将不合格产品当作合格产品，而且在故障判断方面存在很大的主观性和不确定性。随着我国汽车产业的快速发展，变速器产品更新换代的速度越来越快，其性能检测的要求也越来越高，变速器生产厂商对变速器的检测手段和检测设备提出了更高的要求。

变速器试验台的种类很多，有开放式试验台和封闭式试验台、在线试验台和离线试验台、加载试验台和空载试验台等。本试验台采用的是电封闭式在线加载试验台。试验台采用了公共直流母线电封闭式的总体结构，利用高性能的交流伺服调速技术以及高速的PROFINET工业以太网通讯技术等，使得整个系统不仅结构简单紧凑，加载灵活，精度可靠，而且电能利用率高。该变速器试验台的使用大大提高了变速器性能检测的可靠性和自动化水平，从而保证了变速器产品的出厂质量。

1 公共直流母线系统原理

公共直流母线技术是在交流多传动系统中，采用单独的整流/回馈装置为系统提供一定功率的直流电压，调速用逆变器直接挂在公共直流母线上。当系统工作在电动状态时，逆变器从直流母线上获取电能；当系统工作在发电状态时，能量通过直流母线及回馈装置直接回馈到电网，以达到节能、提高设备运行可靠性、减少设备维护量。通常情况下，整流单元或者整流回馈单元的容量比所供电的电机或逆变器的全线交流电机容量之和小。完整的公共直流母线供电系统包括：整流变压器、进线开关、进线接触器、电抗器、自偶变压器、进线快熔、整流回馈单元、逆变器、电机等。公共直流母线系统基本结构如图1所示。

图1 公共直流母线系统基本结构简图

整流/回馈单元把交流电转换为稳定的直流电，即便在逆变器能量回馈到直流母线上时，直流电压在规定的范围内仍保持恒定。这种交-直整流电源有3类：不可控整流电源、晶闸管整流/回馈电源及IGBT整流/回馈电源，中低压变频领域中IGBT整流/回馈电源已经得到了广泛的应用。IGBT整流/回馈电源由IGBT桥和交流进线电抗构成，采用PWM控制，具有双向功率流、正弦波网侧电流、功率因数超前/滞后可调（可为1）、电网异常降低时关断全部开关器件等性能。逆变单元把电压稳定的直流电源转化为电压、频率可调的交流电源，以满足电机平滑调速的目的，逆变单元一般采用IGBT功率模块。

2 变速器试验台的结构原理

图2 变速器试验台结构原理图

变速器试验台采用公共直流母线电封闭的结构形式，相比较传统的开放式试验台和的机械封闭式试验台具有能量利用率高、结构简单、加载灵活等特点。试验台结构原理如图2所示。

经过滤波、稳压、去噪等处理后的交流电经整流/回馈单元转换为直流电，输送到内部公共直流母线上，驱动电机和两个加载电机通过电机驱动器连接到直流母线上，驱动电机和加载电机通过减速箱、扭矩传感器、离合器等连接到变速器上，从而形成能量流的闭环。系统中的数据信息通过通信网络传送到主控制器中。试验台对变速器进行正拖加载（即模拟车辆行驶中发动机驱动情况下变速器的工况）测试时，驱动电机模拟发动机作为动力源驱动变速器，两个加载电机分别在变速器的两个输出端加载一定的负载扭矩，此时驱动电机作为电动机通过电机驱动器从直流母线上吸收电能，加载电机作为发电机通过电机驱动器向直流母线上回馈电能，回馈的电能可以被系统内部利用，电能在系统内部形成了闭环，系统只需从外部补充少量电能以补充系统内部损耗的电能。变速器的反拖加载（即模拟车辆行驶中发动机制动情况下变速器的工况）测试的情况与正拖加载类似，此时两个加载电机作为动力源驱动变速器，驱动电机在变速器输入端加载一定的负载扭矩，加载电机作为电动机从母线上吸收电能，驱动电机作为发电机向母线上回馈电能，电能在系统内部形成闭环。当所有电机制动停机时，电机回馈到直流母线上的电能通过整流/回馈单元回馈到电网中，且对电网几乎没有的影响。因此，直流母线电封闭式的变速器试验台具有很高的电能利用率，符合节能环保、绿色生产的理念。

3 变速器试验台工艺过程分析

变速器试验台为在线检测试验台，可对同系列的多种不同型号变速器进行产品下线前的性能检测，变速器的上线、型号识别、装夹、加载试验、信息记录、卸夹、下线等过程动作都是全自动完成。变速器的总装完成后由装配线搬运到试验环线上，变速器型号等相关信息会记录在变速器所在托盘的RFID中，实验前通过读取RFID中的信息可以确定变速器的型号，进而确定接下来的性能检测试验的试验参数，如：试验加载扭矩、试验转速、理论速比等。变速器随着线体运送到试验台上后，试验台对其进行自动装夹，并完成变速器输入输出轴与试验台的驱动轴和加载轴自动对接，完成后，向变速器内注入润滑油后准备进行性能检测试验，根据变速器型号确定的试验参数进行预设的各项试验，如：速比检测试验、开关检测试验、噪声检测实验、换挡性能检测试验等，试验的结果自动记录，试验完成后，排除变速器中的润滑油，试验台对变速器自动脱开连接，并自动卸夹，变速器离开试验台之前，试验台通过RFID将试验结果记录在RFID中，为后续的处理提供信息依据，记录结果后，变速器随托盘离开试验台进入试验环线，变速器性能检测试验基本流程如图3所示。

图3 变速器性能检测试验基本流程

4 变速器试验台控制系统设计

4.1 控制系统硬件设计

变速器试验台控制系统的硬件主要包括PLC、上位机、HMI触摸屏、分布式I/O、交流多传动伺服驱动单元和RFID等，控制系统硬件结构如图4所示。

图4 变速器试验台控制系统硬件结构图

控制系统主控制器采用西门子SIMATIC S7-1500系列CPU 1513-1 PN型PLC，SIMATIC S7-1500是对SIMATIC S7-300和S7-400进行进一步开发的自动化系统，通过集成大量的新性能特性，S7-1500自动化系统具有卓越的用户可操作性和极高的性能。CPU 1513-1 PN中央处理单元带有小型显示器，具有一个带有两个端口的PROFINET接口，支持PROFINET IO和等时同步实时IRT，可以在接口上组态PROFINET IO通信或实时设置，变速器试验台系统中的分布式I/O和伺服驱动系统都是通过PROFINET IO与CPU 1513-1 PN进行通信。SIMATIC S7-1500采用模块化的设计，所需的功能可以通过扩展功能模块获取，CPU 1513-1 PN可以扩展32个模块，根据系统对数字量I/O的需要，分别扩展了DI 32*24VDC和DO 32*24VDC的数字量输入/输出模块。

分布式I/O系统可以采集和控制变速器试验台系统中远离控制柜的控制信息，方便现场布线，减少长距离布线造成的信号干扰。试验台控制系统中采用西门子SIMATIC ET 200pro 分布式I/O系统，ET 200pro是具有IP66防护等级的模块化分布式I/O系统，适合在恶劣的工业环境中使用，通过扩展模块可以灵活的增加系统的功能，最多可扩展16个模块，ET 200pro通过PROFINET IO与CPU 1513-1 PN通信，通信传输速率为100Mbps。试验台系统中的液压控制信号、气动控制信号、扭矩传感器模拟量信号等都需要连接到ET 200pro中，根据系统特点，扩展的模块有：1个IM 154-4 PROFINET IO接口模块，2个DI 16*24VDC数字量输入模块，3个DO 8*24VDC数字量输出模块和1个4 AI I模拟量输入模块。

传动控制系统采用的是西门子SINAMICS S120 DC-AC多轴驱动系统，中心控制单元为CU320模块，带扩展性能卡的CU320可以驱动6个伺服轴或4个适量轴，8个V/F轴。整流/回馈单元采用ALM电源模块，整流和回馈均为IGBT，母线电压可控，电网电压在允许范围内的波动不会影响到电机侧，在电网和ALM电源模块之间必须安装与其功率对应的AIM模块，AIM模块包含一个电抗器、电源净化滤波器和基本的干扰抑制器。两个加载电机共用一个双轴电机模块，驱动电机单独使用一个单轴电机模块，电机选用1PH7交流异步伺服系列电机。CU320控制单元与ALM电源模块、电机模块之间使用DRIVE-CLIQ连接，电机编码器使用DRIVE-CLIQ连接到电机模块，CU320控制单元通过PROFINET接口连接到CPU 1513-1 PN的PROFINET网络。

上位机采用研华工控机，与CPU 1513-1 PN通过PROFINET网络通信，上位机上运行WinCC过程监控系统，用于监控变速器试验台系统状态，设置相关试验参数，记录并保存试验数据等。HMI触摸屏采用西门子SIMATIC MULTIPANEL系列触摸屏，CPU 1513-1 PN通过PROFINET网络将变速器试验台系统状态和控制信息传送到触摸屏中，通过触摸屏可以直观的查看试验台的相关工作状态，并可以在触摸屏中设置相关的试验台的操作命令按钮，操作人员通过操作触摸屏就可以将操作命令传送到CPU 1513-1 PN中，从而控制试验台的动作。HMI为用户和系统提供了良好的交互，使操作人员能直观的操作和监测内部系统。

RFID射频识别技术在工厂自动化系统中应用广泛，用于追踪产品数据信息和生产过程，试验台系统中利用RFID识别变速器型号，记录试验结果。RFID采用倍加福产品，通过CC-Link接口可以连接到各类现场总线系统网络中，试验台系统中将RFID连接到控制系统的PROFINET网络上，与主控制系统CPU 1513-1 PN进行通信。

4.2 控制系统软件设计

变速器试验台控制系统软件设计包括四大部分：PLC程序设计、伺服控制系统参数设定、上位机WinCC程序设计和HMI程序设计。

4.2.1 PLC程序设计

PLC程序按控制方式又可分为两类：手动控制程序和自动控制程序。手动控制程序主要用于安装调试以及后期的维护工作，其操作指令主要来自HMI触摸屏上的按钮和操作按钮，试验台的各种动作在有安全互锁保护的情况下可以单步独立执行。自动控制程序可以控制试验台自动完成变速器试验的各项任务，程序根据外部采集的各种信息，按一定的顺序执行任务，并在系统发生一定的异常情况时，发出报警信号和执行相应的安全保护措施，试验台的运行状态信息会实时的上传到上位机和HMI触摸屏上显示并记录相关系统状态数据，变速器试验台自动控制程序流程图如图5所示。

图5 变速器试验台自动控制程序流程图

4.2.2 SINAMICS S120控制系统设置

SINAMICS S120驱动控制系统必须根据项目实际配置在驱动控制系统中进行硬件组态和驱动参数的设置，可以使用西门子Starter调试软件完成。安装Starter调试软件的电脑使用网线连接到CU320的PROFINET端口上，设置好电脑的PG/PC接口，调试电脑就可以与CU320通信了，试验台的伺服驱动系统采用的都是西门子的产品，且各驱动部件都是使用DRIVE-CLIQ实现通信连接，因此可以使用自动读取驱动装置的方式完成硬件组态，硬件组态完成后还需要对各驱动轴优化配置，具体方法和过程可参阅SINAMICS S120调试手册。

4.2.3 上位机WinCC程序设计

SIMATIC WinCC是一套过程监控系统，具有良好的开放性和灵活性，用来处理生产和过程自动化，它提供了适用于工业的图形显示、信息归档以及报表的功能模块。上位机WinCC监控系统主要实现了用户管理、变速器型号管理、工艺参数管理、数据采集与显示、试验台状态信息管理、测试数据管理等功能。试验台WinCC监控系统程序功能结构如图6所示，试验台WinCC程序画面如图7所示。

图6 变速器试验台WinCC监控程序功能结构图

图7 变速器试验台WinCC程序画面

4.2.4 HMI程序设计

HMI程序由多个画面组成，可分为主画面、设备状态、驱动控制、手动模式、参数设置和报警记录画面，HMI程序画面如图8所示。

图8 变速器试验台HMI程序画面

5 结束语

公共直流母线电封闭式变速器试验台相比其他形式的试验台具有系统结构简单、试验加载灵活、能量利用率高等优点，试验台控制系统采用以西门子S7-1500型PLC作为主控制器，以西门子ET 200pro作为分布式I/O控制器，以西门子SINAMICS S120系列伺服控制器作为电机控制器，构建基于PROFINET工业以太网的控制系统。

目前该变速器试验台已在生产现场安全运行一年多，成功检测变速器数十万台，提高了变速器装配生产线的自动化程度和生产效率，保证了变速器的出厂质量，提升了产品的市场竞争力，为企业创造了很好的经济效益。

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