变速箱试验台控制系统
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动模 块 组 成, ISU 整 流 器 型 号 为: ACS800 207 0940 7, 额定功率 928 kW, 额定电压 AC 690 V。 动力电机逆变器型号为: A CS800 107 1160 7, 额 定输出功率 900 kW, 额定电压 AC 690 V。加载电 机逆变器型号为: A CS800 107 1760 7, 额定输出 功率 1 400 kW。电机、逆变器的选型基于按重载 应用考虑, 具有 5 m in 工作周期内 1 m in 150% 过 载能力。
试验台的自动化控制系统设计成 3 级网络控 制, 传动为零级, 通过传输速率 10M b/ s 的光纤连 接与 A BB 公司高性能控制器 AC80 连接。基础 自动化级为 1 级, 采用西门子公司带有 P rof ibus DP 通讯接口的 S7 300 可编程控制器。上位监控 计算机为 2 级, 采用西门子 Wincc 监控软件完成 对整个控制系统的监控、操作、设定, 操作界面全 汉化方便使用。为了便于维护、提高可靠性和减 少电缆敷设量, 操作台设有 ET 200M 远程站, 基础 自动化级和传动级远程 I/ O 站以及 AC80 之间通 过 Profibus DP 进行数据通讯, 上位机和基础自动 化级之间的通讯采用 Et hernet T CP/ IP 通讯。
1 试验台性能
1) 模拟发动机性能: 功率 600 kW, 最高转速 3 600r / min, 最大转矩3 000N!m , 调速范 围30~ 3 600r/ min。
2) 模拟负载性能: 最高转速 3 000r/ min, 最大 转矩 8 500 N !m, 调速范围 30~ 3 000 r / min。
14) 主要试验项目。 ∃ 自定义的开发研究试 验, 设备可以单独控制, 控制方式可以合理自由组 合, 实现试验目的。 % 传动系统工作状态模拟试 验, 加速性能试验 ( 电机 P = f ( v ) , 测功 机 M = C) , 制动性能模拟试验( 电机P = 0, 测功机M = f ( t ) ) , 自动换挡模拟试验( 电机 P = f ( v) , 测功机 M= f ( t ) ) 。 & 预定义的程序试验。简单程序循 环; 简单程序多重循环; 高级程序循环 ( 换挡) 。
3 控制功能实现
3. 1 加载方案 根据试验台要求, 选择电力测功机加载。采
用电力测功机方案是因为电力测功机和其它测功 机加载相比具有以下特 点: 1) 优异的加 载特性。 具有额定转速以下( 直至零转速) 恒转矩特性。电 涡流测功机、水力测功机等加载器的低速性能不 好, 在一个相对低 转速下甚至无法 加上转矩( 负 载) 。电力测功机非常理想地解决了这一问题, 这 对于电机、变频器和低速变速箱性能测试来说至关 重要。2) 具有正反转向同样的加载特性。一些加 载器只能一个方向加载, 例如水力测功机等, 而电 力测功机可以方便地改变加载方向, 对于那些需要 频繁改变转向的试验是非常必须的。3) 节能环保。 采用电力回馈, 大大节约能源消耗。一般可以节能 80% 以上( 主要取决于被测系统损耗) , 对于需要长 时间工作的试验系统, 节能效益非常可观( 例如内 燃机、变速箱出厂试验) 。4) 正向加载( 发电机运 转) 、反转倒拖( 电动机运转) , 无环流任意切换。这 对于那些既需要加载又需要倒拖的试验( 例如内燃 机试验、变速箱转向试验) 非常方便。5) 全数字化 调节, 精度高、稳定性及可靠性好、响应快。6) 使用 方便。无需水冷、油冷装置; 调节方便; 设备简单, 占地少。7) 具有消除电机惯量的功能即电子惯量
变速箱是车辆的关键核心部件, 其性能的优 劣直接影响到车辆的舒适性、经济性和动力性能。 随着市场竞争越来越激烈, 也不断促使对变速箱 的质量以及性能参数的要求大幅度提高。同时, 随着社会上环保意识、节能意识的提高, 用调速电 机来代替实车上的发动机作为动力输入, 用电力 测功机来代替电涡流测功机、水力测功机的试验 方式也得到认可和应 用。该试验台 利用变频电 机、DT C 变 频 器、采 用 全 数 字 化、全 网 络 化 多 CP U 集散控制技术和电功率封闭技术, 用于输入 功率在 600 kW 以下, 输入转矩 3 000 N !m, 输入 转速 3 600 r/ min 以内、输出转矩 8 500 N !m, 输出 转速 3 000 r/ min 以内的变速 箱综合试验台。本 试验台的程序化控制和数据自动采集实现了整个 试验过程由单人操作完成, 降低了人员成本同时 也缩短了试验时间。
西门子公司的 S7 300 系列高性能 PLC 完成 整个试验台的启动、运转、连锁控制, 试验程序的执 行由 ABB 公司高性能控制器 AC80 完成。由于采 用高性能的 AC80 控制器和 PL C 控制器, 系统具有 很快的数据处理能力和较大的程序存储能力, 可完 成复杂的试验控制。系统可存储试验件在不同工 况下的转速、转矩等的函数, 通过人机接口选择试 验工况并输入相关试验参数使试验自动运行; 系统 还可存储不同发动机的特性曲线, 可以控制动力电 机按照发动机特性运行。监控计算机ຫໍສະໝຸດ Baidu有整个试 验台控制系统的监控功能、故障诊断功能。
EL ECT RIC DRIV E 2008 V ol. 38 N o. 7
电气传动 2008 年 第 38 卷 第 7 期
变速箱试验台控制系统
常智海, 吴坚兰, 李浩, 陈秀琴 ( 天津电气传动设计研究所, 天津 300180)
摘要: 采用全数字化、全网络化集散控制技术和电功 率封 闭技 术模 拟变 速箱 的 全部 工 作 状态 、过 程: 驱
作者简介: 常智海( 1965- ) , 男, 高级工程师, Email: changzh ihai001@ yahoo. com. cn
13
电气传动 2008 年 第 38 卷 第 7 期
常智海 , 等: 变速 箱试验台控制系统
8) 控制系统可以模拟同功率发动机性能曲线 运转, 具有电子惯量系统。
力矩测量: HBM 公司 T 10F 转矩传感器, 3 kN。 加载电机为 2 台 ABB 电机, 额定电压 AC 690 V, 额定功率 1 200 kW, 额定转速 2 200 r/ min, 额 14
定频率 37. 1 H z, 最高转速 3 000 r/ m in。 力矩测量: HBM 公司 T 10F 转矩传感器, 10 kN。 变频电机驱动系统由 ABB 公司 ACS800 多传
PL C 作为上位监控微机的接口, 主要完成对 试验台的动力系统和辅助系统的顺序逻辑控制、 故障信号处理以及 PROFIBUS DP、Ethernet T CP/ IP 网络通讯。监控系统除完成电气系统的诊断、报警 和存储、监控电气系统外, 还完成试验程序的编制及 调用、原始数据输入、画面显示、生产报表打印等工 作。并对整个电气系统各监控状态画面进行显示, 实时显示给定转速、给定转矩、实测转速和转矩的变 化曲线, 并实现动力输出、测功机加载、数据采集的 操作控制。并具有远程计算机监控、远程计算机权
动 发动机制动 反拖 换档 离合器结合驱动等, 完成正拖换档、正拖加载、反拖加载和反拖换档等。检验
自动变速箱换档动作时序及各种因素对变速器换档时的影响。用于控制和测量变速箱的转速、转矩、功率、传
动效率、温度等各种参数。动力系统的驱动、加载电机采用单独变频器驱动, 驱动部分和加载部分组成电功率
闭环, 加载电机将产生的电能回馈到直流母线乃 至电网, 达到较好节能效果, 实现电能循环。
13) 加载测功机控制方式。定转速控制方式 (闭环), v = f ( t); 定转矩控制方式(闭环), M = f ( t ) ; M( n) 方式加载, M= f ( n) , n= f ( t) ; 左右差 速加载控制方式, n1- n2= f ( t) ; 左右差转矩加载 控制方式, M1- M2= f ( t) ; 道路载荷谱输入加载, M= f ( n, t ) ; 程序加载。实现连 续加减速 试验。 从 1 档连续不间断地加速到 6 档, 测试试验件从 零速到最高速的时间。可实现大半径转向试验。
控制系统具有自定义的开发研究试验功能, 控制设备可以单独控制, 控制方式可以合理自由 组合, 实现试验目的。
2 控制系统构成
变速箱换档试验台控制系统主要由动力驱动 系统、加载控制系统、测控系统、液压系统、辅助机 械等系统组成。
动力电机为 1 台 ABB 电机, 额定电压 AC 690 V, 额定功率 620 kW, 额定转速 2 251 r/ min, 额定 频率 37. 9 H z, 最高转速 3 600 r/ min。
9) 控制系统具有控制台操作、计算机操作两 种操作方式。
10) 控制台操作通过操作按钮和电位器实现 电机控制。
11) 计算机操作具有通过计算机键盘鼠标实 现电机的随机控制和电机按程序预设的工作点和 工作时间自动完成试验过程。
12) 动力电机控制方式。模拟发动机油门控 制方式( 开环) , P = f ( v ) ; 定转 速控制方 式( 闭 环) , v= f ( t ) ; 定转矩控制方式( 闭环) , M= f ( t ) 。 动力电机控制系统可实现电子惯量控制系统功能, 使动力电机在试验过程中能更接近发动机性能。
常智海, 等: 变速箱试验台控制系统
电气传动 2008 年 第 38 卷 第 7 期
限内操作的功能。PLC 控制系统还具有换档控制输 出, 按试验要求编制程序, 控制 10 路换档控制器的 通断, 控制信号指令发出的时间可以由软件控制并 可以通过监控画面进行修改。系统构成见图 1。
图 1 系统单线图 Fig. 1 Sys tem line diagram
关键词: 变速箱; 电力测功机; 电功率封闭; 自动控制
中图分类号: T M 921
文献标识码: A
Control System of Gearbox Test Bench
CH A NG Zhi hai, W U Jian lan, L I H ao, CH EN Xiu qin ( T ianj in D esign and Resear ch I nstitute of Electr ic D r ive , T ianj in 300180, China) Abstract: With full digital and netwo rking distr ibuted co nt rol technique and pow er reg ener ation technique, the w hole w or king process, w hich includes driv ing, eng ine br aking , r everse driv ing, gear shift ing, dr iving wit h clutch, etc. , was simulated, while g ear shifting , loading in dr ive and rever se driv e mo de was r ealized. T he gear shift ing time sequence of the auto mated g ear box w as checked, and the effect taken by v arious o f fac to rs dur ing g ear shifting w as measured. T he par amet ers fo r the co ntr ol and measurement o f speed, t orque, po wer , driving eff iciency and temperature of the g earbox w ere g iven. Drive and load mo tor w ere dr iv ed by sin g al t ransducer s, constitute po wer close loop, energ y w as feedback to DC line and elect ric g rid by load moto r. Reach the pur po se o f ener gy efficient, and t he energ y s cir cle in itself. Key words: gear bo x; electr ic dy namo met er; elect ric pow er r egeneratio n; auto contro l
3) 系统稳速精度 为 0. 05% FS, 动态 速降为 0. 2% , 稳定调节时间< 3 s。
4 ) 转 矩响 应时间 < 5 ms, 转矩控 制精 度< ∀ 0. 5% F S, PID 调整至稳定状态时间 # 1 s。
5) 电机正反转双向运行。 6) 可以在全功率和全速度范围内任意转速转 矩点连续运转。 7) 通过软件控制具有模拟发动机特性曲线的 功能。
试验台的自动化控制系统设计成 3 级网络控 制, 传动为零级, 通过传输速率 10M b/ s 的光纤连 接与 A BB 公司高性能控制器 AC80 连接。基础 自动化级为 1 级, 采用西门子公司带有 P rof ibus DP 通讯接口的 S7 300 可编程控制器。上位监控 计算机为 2 级, 采用西门子 Wincc 监控软件完成 对整个控制系统的监控、操作、设定, 操作界面全 汉化方便使用。为了便于维护、提高可靠性和减 少电缆敷设量, 操作台设有 ET 200M 远程站, 基础 自动化级和传动级远程 I/ O 站以及 AC80 之间通 过 Profibus DP 进行数据通讯, 上位机和基础自动 化级之间的通讯采用 Et hernet T CP/ IP 通讯。
1 试验台性能
1) 模拟发动机性能: 功率 600 kW, 最高转速 3 600r / min, 最大转矩3 000N!m , 调速范 围30~ 3 600r/ min。
2) 模拟负载性能: 最高转速 3 000r/ min, 最大 转矩 8 500 N !m, 调速范围 30~ 3 000 r / min。
14) 主要试验项目。 ∃ 自定义的开发研究试 验, 设备可以单独控制, 控制方式可以合理自由组 合, 实现试验目的。 % 传动系统工作状态模拟试 验, 加速性能试验 ( 电机 P = f ( v ) , 测功 机 M = C) , 制动性能模拟试验( 电机P = 0, 测功机M = f ( t ) ) , 自动换挡模拟试验( 电机 P = f ( v) , 测功机 M= f ( t ) ) 。 & 预定义的程序试验。简单程序循 环; 简单程序多重循环; 高级程序循环 ( 换挡) 。
3 控制功能实现
3. 1 加载方案 根据试验台要求, 选择电力测功机加载。采
用电力测功机方案是因为电力测功机和其它测功 机加载相比具有以下特 点: 1) 优异的加 载特性。 具有额定转速以下( 直至零转速) 恒转矩特性。电 涡流测功机、水力测功机等加载器的低速性能不 好, 在一个相对低 转速下甚至无法 加上转矩( 负 载) 。电力测功机非常理想地解决了这一问题, 这 对于电机、变频器和低速变速箱性能测试来说至关 重要。2) 具有正反转向同样的加载特性。一些加 载器只能一个方向加载, 例如水力测功机等, 而电 力测功机可以方便地改变加载方向, 对于那些需要 频繁改变转向的试验是非常必须的。3) 节能环保。 采用电力回馈, 大大节约能源消耗。一般可以节能 80% 以上( 主要取决于被测系统损耗) , 对于需要长 时间工作的试验系统, 节能效益非常可观( 例如内 燃机、变速箱出厂试验) 。4) 正向加载( 发电机运 转) 、反转倒拖( 电动机运转) , 无环流任意切换。这 对于那些既需要加载又需要倒拖的试验( 例如内燃 机试验、变速箱转向试验) 非常方便。5) 全数字化 调节, 精度高、稳定性及可靠性好、响应快。6) 使用 方便。无需水冷、油冷装置; 调节方便; 设备简单, 占地少。7) 具有消除电机惯量的功能即电子惯量
变速箱是车辆的关键核心部件, 其性能的优 劣直接影响到车辆的舒适性、经济性和动力性能。 随着市场竞争越来越激烈, 也不断促使对变速箱 的质量以及性能参数的要求大幅度提高。同时, 随着社会上环保意识、节能意识的提高, 用调速电 机来代替实车上的发动机作为动力输入, 用电力 测功机来代替电涡流测功机、水力测功机的试验 方式也得到认可和应 用。该试验台 利用变频电 机、DT C 变 频 器、采 用 全 数 字 化、全 网 络 化 多 CP U 集散控制技术和电功率封闭技术, 用于输入 功率在 600 kW 以下, 输入转矩 3 000 N !m, 输入 转速 3 600 r/ min 以内、输出转矩 8 500 N !m, 输出 转速 3 000 r/ min 以内的变速 箱综合试验台。本 试验台的程序化控制和数据自动采集实现了整个 试验过程由单人操作完成, 降低了人员成本同时 也缩短了试验时间。
西门子公司的 S7 300 系列高性能 PLC 完成 整个试验台的启动、运转、连锁控制, 试验程序的执 行由 ABB 公司高性能控制器 AC80 完成。由于采 用高性能的 AC80 控制器和 PL C 控制器, 系统具有 很快的数据处理能力和较大的程序存储能力, 可完 成复杂的试验控制。系统可存储试验件在不同工 况下的转速、转矩等的函数, 通过人机接口选择试 验工况并输入相关试验参数使试验自动运行; 系统 还可存储不同发动机的特性曲线, 可以控制动力电 机按照发动机特性运行。监控计算机ຫໍສະໝຸດ Baidu有整个试 验台控制系统的监控功能、故障诊断功能。
EL ECT RIC DRIV E 2008 V ol. 38 N o. 7
电气传动 2008 年 第 38 卷 第 7 期
变速箱试验台控制系统
常智海, 吴坚兰, 李浩, 陈秀琴 ( 天津电气传动设计研究所, 天津 300180)
摘要: 采用全数字化、全网络化集散控制技术和电功 率封 闭技 术模 拟变 速箱 的 全部 工 作 状态 、过 程: 驱
作者简介: 常智海( 1965- ) , 男, 高级工程师, Email: changzh ihai001@ yahoo. com. cn
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电气传动 2008 年 第 38 卷 第 7 期
常智海 , 等: 变速 箱试验台控制系统
8) 控制系统可以模拟同功率发动机性能曲线 运转, 具有电子惯量系统。
力矩测量: HBM 公司 T 10F 转矩传感器, 3 kN。 加载电机为 2 台 ABB 电机, 额定电压 AC 690 V, 额定功率 1 200 kW, 额定转速 2 200 r/ min, 额 14
定频率 37. 1 H z, 最高转速 3 000 r/ m in。 力矩测量: HBM 公司 T 10F 转矩传感器, 10 kN。 变频电机驱动系统由 ABB 公司 ACS800 多传
PL C 作为上位监控微机的接口, 主要完成对 试验台的动力系统和辅助系统的顺序逻辑控制、 故障信号处理以及 PROFIBUS DP、Ethernet T CP/ IP 网络通讯。监控系统除完成电气系统的诊断、报警 和存储、监控电气系统外, 还完成试验程序的编制及 调用、原始数据输入、画面显示、生产报表打印等工 作。并对整个电气系统各监控状态画面进行显示, 实时显示给定转速、给定转矩、实测转速和转矩的变 化曲线, 并实现动力输出、测功机加载、数据采集的 操作控制。并具有远程计算机监控、远程计算机权
动 发动机制动 反拖 换档 离合器结合驱动等, 完成正拖换档、正拖加载、反拖加载和反拖换档等。检验
自动变速箱换档动作时序及各种因素对变速器换档时的影响。用于控制和测量变速箱的转速、转矩、功率、传
动效率、温度等各种参数。动力系统的驱动、加载电机采用单独变频器驱动, 驱动部分和加载部分组成电功率
闭环, 加载电机将产生的电能回馈到直流母线乃 至电网, 达到较好节能效果, 实现电能循环。
13) 加载测功机控制方式。定转速控制方式 (闭环), v = f ( t); 定转矩控制方式(闭环), M = f ( t ) ; M( n) 方式加载, M= f ( n) , n= f ( t) ; 左右差 速加载控制方式, n1- n2= f ( t) ; 左右差转矩加载 控制方式, M1- M2= f ( t) ; 道路载荷谱输入加载, M= f ( n, t ) ; 程序加载。实现连 续加减速 试验。 从 1 档连续不间断地加速到 6 档, 测试试验件从 零速到最高速的时间。可实现大半径转向试验。
控制系统具有自定义的开发研究试验功能, 控制设备可以单独控制, 控制方式可以合理自由 组合, 实现试验目的。
2 控制系统构成
变速箱换档试验台控制系统主要由动力驱动 系统、加载控制系统、测控系统、液压系统、辅助机 械等系统组成。
动力电机为 1 台 ABB 电机, 额定电压 AC 690 V, 额定功率 620 kW, 额定转速 2 251 r/ min, 额定 频率 37. 9 H z, 最高转速 3 600 r/ min。
9) 控制系统具有控制台操作、计算机操作两 种操作方式。
10) 控制台操作通过操作按钮和电位器实现 电机控制。
11) 计算机操作具有通过计算机键盘鼠标实 现电机的随机控制和电机按程序预设的工作点和 工作时间自动完成试验过程。
12) 动力电机控制方式。模拟发动机油门控 制方式( 开环) , P = f ( v ) ; 定转 速控制方 式( 闭 环) , v= f ( t ) ; 定转矩控制方式( 闭环) , M= f ( t ) 。 动力电机控制系统可实现电子惯量控制系统功能, 使动力电机在试验过程中能更接近发动机性能。
常智海, 等: 变速箱试验台控制系统
电气传动 2008 年 第 38 卷 第 7 期
限内操作的功能。PLC 控制系统还具有换档控制输 出, 按试验要求编制程序, 控制 10 路换档控制器的 通断, 控制信号指令发出的时间可以由软件控制并 可以通过监控画面进行修改。系统构成见图 1。
图 1 系统单线图 Fig. 1 Sys tem line diagram
关键词: 变速箱; 电力测功机; 电功率封闭; 自动控制
中图分类号: T M 921
文献标识码: A
Control System of Gearbox Test Bench
CH A NG Zhi hai, W U Jian lan, L I H ao, CH EN Xiu qin ( T ianj in D esign and Resear ch I nstitute of Electr ic D r ive , T ianj in 300180, China) Abstract: With full digital and netwo rking distr ibuted co nt rol technique and pow er reg ener ation technique, the w hole w or king process, w hich includes driv ing, eng ine br aking , r everse driv ing, gear shift ing, dr iving wit h clutch, etc. , was simulated, while g ear shifting , loading in dr ive and rever se driv e mo de was r ealized. T he gear shift ing time sequence of the auto mated g ear box w as checked, and the effect taken by v arious o f fac to rs dur ing g ear shifting w as measured. T he par amet ers fo r the co ntr ol and measurement o f speed, t orque, po wer , driving eff iciency and temperature of the g earbox w ere g iven. Drive and load mo tor w ere dr iv ed by sin g al t ransducer s, constitute po wer close loop, energ y w as feedback to DC line and elect ric g rid by load moto r. Reach the pur po se o f ener gy efficient, and t he energ y s cir cle in itself. Key words: gear bo x; electr ic dy namo met er; elect ric pow er r egeneratio n; auto contro l
3) 系统稳速精度 为 0. 05% FS, 动态 速降为 0. 2% , 稳定调节时间< 3 s。
4 ) 转 矩响 应时间 < 5 ms, 转矩控 制精 度< ∀ 0. 5% F S, PID 调整至稳定状态时间 # 1 s。
5) 电机正反转双向运行。 6) 可以在全功率和全速度范围内任意转速转 矩点连续运转。 7) 通过软件控制具有模拟发动机特性曲线的 功能。