汽車驅動橋是汽車的核心部件之一，其品質優劣關系到汽車品質和整車安全。車輛傳動系旋轉耐久試驗系統主要用來驗證汽車驅動橋部件的耐久性和其他性能。本文介紹了一種全新的車輛傳動系旋轉耐久試驗系統，闡述了其系統結構并分析了核心控制方案。
汽車驅動橋在汽車行駛過程中承受複雜的載荷，它既要傳遞系統中的轉矩，又要支撐着汽車的荷重。驅動橋必須具有足夠的強度、剛度和壽命。因而驅動橋總成及其零部件必須經受嚴格的試驗。開發一種高性能、高精度的汽車傳動系耐久試驗系統非常有必要。
目前常見驅動橋疲勞耐久試驗台主要有兩種，一種是開式的，一種是閉式的。閉式試驗台又分為機械閉式和電能閉式。開式試驗台結構簡單，技術含量低，但是輸入能量全部被加載裝置消耗，能耗極大，運作成本極高。機械閉式試驗台通過陪試件等把轉矩封閉起來，能量隻在系統内部流動，基本不對外消耗，電動機的動力隻是平衡系統運作中産生的摩擦損失，非常節能。但機械閉式試驗台結構比較複雜，成本高昂，并且運轉中載荷難改變，力矩控制困難。電能封閉試驗台不是通過機械結構回收電能，而是通過傳動系統内部有的電機處于發電機，有的電機處于電動機的不同狀态實作能量回收，電機的轉速轉矩可以通過電控系統進行調節，整個系統既兼顧開式的結構簡單成本低，又兼顧機械閉式結構的高效率，低能耗。筆者研究開發了一種新型的電能封閉試驗系統，本文對其核心技術進行分析。
試驗台的構成
該試驗系統主要由驅動電機、驅動端變速器、驅動端試件轉矩傳感器、驅動端試件轉速傳感器、驅動端軸承溫度傳感器、負載1驅動電機、負載1端變速器、負載1端試件轉矩傳感器、負載1端試件轉速傳感器、負載1端軸承溫度傳感器、負載2驅動電機、負載2端變速器、負載2端試件轉矩傳感器、負載2端試件轉速傳感器、負載2端軸承溫度傳感器、驅動端變速器油溫控制、負載1變速器油溫控制、負載2變速器油溫控制、試件油溫控制、電氣傳動系統、自動化及采集控制系統等。試驗台結構框圖如圖1所示。
圖 1 傳動系旋轉耐久試驗台結構框圖
控制網絡
該電控系統的控制網絡包括兩種網絡：EtherCAT網絡和Modbusrtu網絡，如圖2所示。
圖 2 傳動系旋轉耐久試驗台控制網絡圖
EtherCAT是一個具有開放架構、以以太網為基礎的現場總線系統，EtherCAT的周期時間短，所有程式資料都是由從站控制器的硬體來處理。此特性再配合EtherCAT的機能原理，使得EtherCAT可以成為高性能的分散式I/O系統：包含一千個分散式數位輸入/輸出的程式資料交換隻需30ms，相當于在100Mbit/s的以太網傳輸125B的資料。讀寫100個伺服軸的系統可以以10kHz的速率更新，一般的更新速率約為1～30kHz。EtherCAT網絡可以滿足該試驗系統轉矩閉環控制和系統實時控制的要求。
EtherCAT網絡中裝置主要包括驅動電機變頻器、負載1電機變頻器、負載2電機變頻器、遠端I/O站、采集單元和上位機。上位機通過EtherCAT網絡高速讀寫上述網絡上的裝置資料，實作實時控制，并根據轉矩傳感器測量的轉矩資料和設定轉矩完成轉矩閉環控制。上位機是整個系統的核心部件，完成實時資料顯示、實時控制、資料記錄、資料分析、曆史資料查詢、故障記錄及潤滑系統溫度控制等。變頻器負責驅動伺服電機進行轉速和轉矩控制。遠端I/O站采集現場I/O資訊，以及振動傳感器資料并發送給上位機。采集單元專門負責采集驅動端和負載端轉矩資料和轉速資料。
Modbusrtu網絡包括上位機，驅動減速器潤滑溫度控制器，負載1減速器潤滑溫度控制器，負載2減速器潤滑溫度控制器，試件潤滑溫度控制器。上位機通過485網絡接口直接控制上述四種溫度控制器，完成溫度設定和讀取溫度實時值，該網絡中上位機是主站，四個溫度控制器作為從站。
傳動系統
試驗系統進行加載時，驅動電機處于電動機狀态，負載1和負載2電機處于發電機狀态，三台變頻器的直流部分連接配接在了一起，這樣負載1和負載2的電機發電産生的電能流向直流母排，而驅動電機變頻器獲得該電能。這樣實作了電能的封閉。整個系統輸入的電能主要用來克服軸承等機械裝置的摩擦力，和一些公輔系統的消耗，跟開式試驗台比大大降低了能耗。
傳動裝置共直流有兩種形式。第一種如圖3所示，采用三台獨立的變頻器，每台變頻器配直流引出附件，通過直流引出附件三台變頻器的直流部連接配接在一起。第二種如圖4所示，采用一台整流裝置和三台逆變裝置，試驗系統運作時，能量通過直線母排在三台逆變器内部流動，隻有不足的能量通過整流裝置擷取。第一種方式相當于三台整流器并聯，和第二種方式并無本質差別，但第一種所占用空間小，總成本也會相對低一些。本文采用第一種形式。
圖 3 傳動系旋轉耐久試驗台傳動示意圖 1
圖 4 傳動系旋轉耐久試驗台傳動示意圖 2
變頻器控制三相電機主要有兩種控制方法：矢量控制和直接轉矩控制。矢量控制從理論上解決了交流電機的動态和靜态性能，但實際中電機轉子磁鍊難以觀測，矢量旋轉坐标變換複雜，導緻實際性能比理論要低。直接轉矩控制直接采用轉矩模型和電壓型磁鍊模型，以及電壓空間矢量PWM逆變器，實作轉速和磁鍊的砰砰控制，這在很大程度上解決了空間矢量控制中遇到的問題。直接轉矩控制確定交流電機轉矩為首要控制元素，而非電機電流，這樣可以保證轉矩極高的精度、很好的可重複性和線性度，以及非常快速的轉矩上升時間。本文選用直接轉矩控制的變頻器。
本文根據實際工藝需求，選擇變頻器見表1，電機選型見表2。
表 1 變頻器選型
表 2 電機選型
上位機
上位機包括實時控制系統和上位機監控系統。實時控制系統主要完成轉矩轉速等被控量的實時閉環控制和快速資料采集。該系統采用INTIME實時系統，該實時系統不同于傳統的硬體PLC，它是一個軟體PLC，可以充分利用計算機強大的CPU處理能力，達到硬體PLC難以達到的性能，極大地提高閉環控制速度和對外IO裝置通信能力。INTIME實時系統在加載Windows系統的同時加載一個實時作業系統，使它們共享相同的CPU和終端硬體，但在其他方面互相獨立。每個作業系統被封裝為一個虛拟機，管理各自的描述符表和記憶體管理。實時活動必須發生時，計算機将上下文切換到該實時系統，活動結束後，計算機将上下文又切回到WINDOWS作業系統。這樣INTIME和WINDOWS系統互相獨立，隻在必要時進行切換，并且當WINDOWS當機失敗時，INTIME會獲得通知，可以獨立運作，并運作相應故障處理程式。
上位機監控系統采用Labview程式設計軟體開發，通過接口和INTIME系統進行資料交換，完成試驗設定和擷取試驗資料，以及整個試驗的順序邏輯控制。軟體流程如圖5所示。
圖 5 上位監控軟體流程圖
結語
經過在現場的應用，該控制系統具備高度自動化與穩定性，可以有效地檢驗驅動橋部件的耐久性。但是該系統也存在一些不足，無法實作遠端監控，需要現場有值班工程師進行值守，将來可以通過手機App系統或其他手段實作遠端監控無人值守功能。
來源：AI《汽車制造業》
作者：蘇全在 呂曉洲
工作機關：中國汽車技術研究中心有限公司 / 中汽研汽車工業工程（天津）有限公司
【重要聲明】本文為原創文章，未經允許不得轉載
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