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重庆理工大学毕业论文 汽车变速器试验台测控系统硬件设计目 录摘 要3Abstract41 绪论51.1论文研究的目的及意义51.2 变速器试验台发展现状61.2.1 国外的发展现状61.2.2国内的发展现状71.3 主要设计内容81.4 设计参数82 变速器试验台总体方案确定92.1 变速器试验台概述92.1.1 开环试验台的原理及优缺点92.1.2 机械封闭试验台原理及优缺点92.1.3 电封闭试验台102.2 变速器试验台总体方案确定112.2.1 变速器试验台结构组成112.2.2 变速器试验台测控系统硬件组成123 变速器试验台电机控制系统133.1 电机的选型133.2 电机控制143.2.1 变频调速三相异步电动机的原理及方法143.2.2 变速器选型163.2.3变频器选件说明213.3工控机对变频器的控制223.3.1 工控机的选型223.3.2 转换模块的选型233.4 电机控制电气原理图234 数据采集硬件系统244.1转速转矩传感器的工作原理错误!未定义书签。44.1.1 转矩测量原理24 4.1.2转速测量原理24 4.2 传感器选型25 4.3 数据采集卡的选型29 4.4 数据采集系统接线图315 结论32致 谢34参考文献35摘 要 变速器作为汽车传动系上重要组成之一,其性能直接影响到汽车可靠性和动力特性,因此要经过实验来测试和分析汽车变速器的性能影响,以及验证变速器产品转速、转矩等参数的合理性,为产品设计与质量评估提供可靠的依据,缩短产品的开发周期和提高产品质量。变速器试验台测控部分主要组成有驱动电机,负载电机,变频器,工控机,转速转矩传感器,数据采集卡等。本文主要完成变速器试验台测控系统总体方案,电机控制部分的电气原理图设计及绘制,测控系统数据采集硬件接线图。本试验台测控系统硬件选型主要有:根据给定的设计参数完成电机的选型,然后根据电机功率完成变频器的选型;通过分析给定参数,所需要的测量精度和所需要测量的数据要求(转矩和转速),对传感器进行选型;通过所选传感器,完成数据采集卡的选型。本试验台通过变频器内的能量逆变装置,实现能量的回收再利用。关键词:变速器试验台 测控系统组成 硬件选型及接线图 电气原理图 AbstractTransmission as vehicle drivetrain is one of the important composition, its performance directly affect auto reliability and dynamic characteristics, so be through experiment to test and analysis of the auto transmission impact on performance, and validate the transmission products rotational speed, torque and other parameters of the rationality, for product design and quality evaluation, shorten the reliable basis for new product development cycles and improve product quality. The transmission control part of main component test with a drive motor, load motor, frequency converter, industrial PC, speed, torque sensor data acquisition card, etc. This paper mainly complete transmission test rig measurement and control system, motor control part of the overall scheme of the electrical diagram design and drawing, measurement and control system data acquisition hardware hookup. This transmission test rig system hardware selection mainly has: according to the given design parameters selection, then finish motor based on the motor power complete frequency converter selection; Through the analysis, requiring given parameter measurement precision and required the measured data of requirements (torque and speed), selection of sensor; Through selected sensor, complete data collection card selection.This test rig in by the frequency inverter device, realization energy energy recycle.Keywords: transmission test rig system composition hardware selection and the wiring diagram electrical diagram 1 绪论1.1论文研究的目的及意义 随着汽车市场的不断扩大,汽车行业对变速器的需求不断增长,对汽车变速器的质量要求也越来越高,这就要求既要有高科技的加工手段,又要有高质量的检测设备。变速器的出厂检验是控制出厂质量的重要环节,出厂检验的任务是在产品出厂前尽快发现问题并及时解决,以避免在用户使用中出现质量问题,这样可有效控制产品质量,减少售后服务的工作量,节约资金,降低成本,提高产品的市场信誉度。利用加载试验台作为变速器的检验设备,在国外早已普遍应用。近些年来我国的部分生产厂家也开始使用加载试验台对出厂设备进行检验。使用加载试验台,可在有载荷的情况下检测变速器,更接近变速器的实际使用工况,能发现一些空载试验所检查不出来的质量问题,可有效控制变速器的质量,因此设计开发一种性能好的变速器加载试验台是非常重要的。汽车变速器是汽车传动系统的重要组成部分。其性能的优劣直接影响到传统系统的性能,关系到整车的质量。因此必须进行疲劳寿命试验用来测试和分析汽车变速器的耐久性、使用寿命、传动效率等因素的影响,以及验证变速器产品结构设计、制造工艺、材料、负荷、转速、润滑条件等参数的合理性,为产品设计与质量评价提供可靠的科学依据,缩短产品的开发周期和提高产品质量。研制汽车变速器试验台,实现对各种汽车变速器例行试验,测试其性能、参数等,以检测变速器是否满足有关技术要求的规定;自动记录相应的试验数据并进行分析处理,最后将数据、特性曲线等试验结果通过报表打印输出。实现汽车变速器测试系统的高精度、速应性、实时性和高抗干扰能力。改变传统的汽车变速器测试方法,大幅度提高工作效率,从而提高汽车变速器检修的速度和质量,降低检修成本,实现检修自动化、数字化、智能化,完成对检修过程的有效记录管理,建立汽车变速器的状态参数数据库,为汽车变速器检修由定期维修向状态维修提供一定的设备基础,提高汽车变速器检修管理水平,从而实现对汽车变速器状态的有效控制,为数字化检修的建设服务。1.2 变速器试验台发展现状 变速器试验台的类型曾从“机械封闭式”到“开环”到“电封闭式”几种类型等几个阶段,其中“机械封闭式试验台”是由驱动电机、俩个传动箱、输入扭矩转速传感器、被试件、输出扭矩传感器、加载器等组成,由于这种试验台试验时相当于有一个封闭式功率流在这个封闭的机械传动系统内流动,因此称之为机械式封闭式试验台;“开环试验台”是由驱动电机输出的功率,通过被试变速器和陪试变速器之后,即被负载装置(各种测功机)全部吸收并且消耗掉;“电封闭式”是变速器输出的机械功率首先通过加载电动机装换成电功率,再通过电参数的调节,将这部分电功率以合适的电压、电流方式(交流模式时还包括频率和相移)传到变速器的驱动电机,再由该电机将电能转换成机械能,驱动变速器的输入轴,实现能量的回馈与利用。1.2.1 国外的发展现状 目前,国外变速器台架测试技术已经比较成熟,可以对变速器的一些特性进行检测,如空载或又负荷情况下的加速及减速换挡特性,1、2、3、4前进挡、倒档的滑差测定,各种工况下的各种油压等。这些设备技术含量高、测试精度高,但购置费用较高,仅有一些经济发达地区的个别大型维修部门从国外厂家购买了试验台,但仅仅几台试验台远远满足不了我国各地众多轿车维修单位的需要。目前我国北京四惠汽车修理公司、广东花都汽车修理公司及广西南宁富缘汽车修理有限公司引进了英国公司开发的用于汽车维修行业使用的自动变速器试验台,该试验台能对自动变速器进行动态模拟测试,检测的技术指标包括在不同的负荷的控制油压、输入、输出转速、冷却流量、离合器、制动器是否打滑等指标。该机的作用主要在两个方面:其一在自动变速器维修前对自动变速器进行诊断、分析,对以后的维修提供数据;其二为维修后出厂的自动变速器作性能检测,以保证维修后的出厂质量。其结构可分为自动变速器试验台台架、模拟加载装置、动力供应部分、连接附件、控制台等五个部分组成。ATP-UK-300型号动力装置为73kw的调频电机作为动力输入,ATP-CN-200型采用一个排量为4L的发动机作为动力输入装置,采用仪表显示,独立控制,其连接设计了快速连接机构,能对数十种自动变速器进行快速连接其模拟负载装置采用了风冷的电涡流测功机。此设备设计较先进,可以试验多钟型号的自动变速器,应用范围较广,特别是快速连接机构值得借鉴,但是设备价格较昂贵,只有在较大的修理企业且在北京、广东等自动变速器维修量较大的地方才能考虑购买,一般汽车修理企业在产品的价格上较难接受。1.2.2国内的发展现状目前,汽车变速器检测已获得很大发展,但在许多汽车变速器制造和检修企业,尤其是一些小型企业仍采用传统测试方法。在国内的机车检修设备使用单位中,大多数的汽车变速器试验台仍属于触点控制的非标准设备,采用手工调节,人工读表,人工数据处理等。这种传统方法工作效率低、劳动强度大,而且要求测试人员工作时精力高度集中并具有丰富的试验经验,即使这样,测试精度也往往难以保证。由于其数字化程度低、试验操作繁琐、安全系数低、故障率高,报表可信度低,且难以建立完备的机车检修数据信息库,所以成为制约检修生产信息化和数字化的瓶颈。部分国内厂家已经开始了该试验台的研制并取得了一些成绩,但由于技术力量不足,所开发的试验台技术含量、自动化程度较低,有些项目的测试只能用于手动操作,准确率较低,而且检测项目较少,与国外的产品相比缺乏竞争力,无法替代进口产品。研制的设备要具有集成化、数字化和智能化的特点,保证测试精度高、重复性好,同时要求简单可靠、成本低。目前,能够满足上述要求,同时具有手动和自动控制方式,汽车变速器测试的设备并不多见。随着我国汽车保有量的迅速增长,促进了汽车检测维修设备企业的发展,并开始开发研制具有一定水平的检测设备。但是由于装备自动变速器的汽车是近几年才大量进入我国,自动变速器检修设备一直处于较低水平,目前国内市场上仅有山西省汽车保修机具供应站生产一种称作“中国首台自动变速器维修专用试验台”的一型自动变速器试验台,该试验台在实验时不装液力变矩器,即不能试验液力变矩器的性能,由于不试验液力变矩器所以该设备结构简单,成本低,售价相对较低。该设备采用液压马达进行动力输入,输入额定转矩为200Nm,输入转矩较小,不能满足大排量汽车自动变速器对自动变速器的检修试验的要求,由于在实验时不装液力变矩器,所以靠试验台提供自动变速器系统油压,这样不能完全模拟实际使用工况,但是可以拆除油底壳进行试验,当阀体漏油时可以一目了然的看到设计的一型电磁阀测试仪可以对种以上车辆的自动变速器进行换挡控制,可以用于试验台检测时使用,也可单独就车路试,此设备值得借鉴。1.3 主要设计内容 本文对汽车变速器试验台测控系统的硬件组成进行设计,设计的主要内容如下:1) 变速器试验台测控系统总体方案设计;2) 变速器试验台主要组成部分的选型;3) 变速器试验台电机控制部分电气原理图设计及绘制;4) 变速器试验台数据采集系统控制原理图设计及绘制;1.4 设计参数 本试验台设计的主要参数如下: 1) 试验台要求变速器输入轴最高转速6000r/min; 2)试验台要求变速器输入最高转矩; 3)变速器的传动比为3.6-15.6。2 变速器试验台总体方案确定2.1 变速器试验台概述 变速器试验台是汽车变速器实验的主要设备,它对变速器的转速,转矩测量和分析试验,在汽车的试验设备中具有重要的地位,按其工作原理可将其分为三类:开环试验台,机械封闭试验台和电封闭试验台。2.1.1 开环试验台的原理及优缺点 开环试验台结构原理图如图2.1:图2.1开环试验台结构原理框图 各部分组成及功用: 动力区由电机或者内燃机、调速器及附属装置组成,它负责向系统提供动力(功率),其中包括转速和扭矩。 试验区是由被测装置、变速器、扭矩转速测量装置及一些其他测量装置组成。 模拟负载区主要由测功机(也可以是发电机或者磁粉制动器等)及其他附属装置组成。开环试验台整套系统的工作原理及工作过程比较简单,整套设备的技术含量低,制造成本相对较低,它的致命弱点是台架需要大功率动力(驱动电机或者内燃机),能量无法反馈使用。因此,其试验成本相对于后面所述的封闭试验台来说较高,而在变速器实验项目中,它属于长时间的试验项目,因此,功率的消耗就成为一个必须考虑的问题。开环试验台常用于变速器的传动效率试验和疲劳寿命试验,对变速器出场实验而言,开环试验台是不合适的。2.1.2 机械封闭试验台原理及优缺点机械封闭试验台的原理框图如图2.2所示,机械封闭试验台是由驱动电机,两个传动箱,输入转速转矩传感器,被试件,输出转速转矩传感器,加载器等组成,由于这种试验台试验时相当于有一个闭环功率流在这个封闭的机械传动系统内流动,一次称之为机械封闭试验台,机械封闭试验台具有节能,控制方便,可靠性好功率流内部封闭,能源消耗不大,造价适中;其缺点是扭矩施加装置结构复杂,需要定期维护,试件转速不能太高,特别是现在车用发动机速度越来越高,矛盾逐渐显现。图2.2机械封闭试验台原理框图1-驱动电机,2-传动箱,3-转速转矩传感器,4-被测试变速器 5-陪试变速器,6-加载装置2.1.3 电封闭试验台 电封闭试验台结构原理框图如图2.3:机组或变流器电动机传感器被测试件传感器发电机机组或变流器图2.3电封闭试验台结构原理框图 电封闭试验台在结构上与开放式试验台类似,但电封闭试验台在实现加载功能的同时实现发电的功能,发出的电力通过闭环系统提供给驱动端的电机或反馈给电网。电封闭加载试验台是由电动机或电机组作为源动力带动传动装置,在带动发电机或发电机组工作时,通过产生电磁制动转矩进行加载,并将发出的电能通过回馈方式可被再度利用,从而达到节能的目的。从图中可以看出,交流电力封闭试验台的设计思想是在原有开环试验台的基础上加一套动力回收装置,将系统消耗的能量通过电网加以回收,从而降低试验消耗。其优点是能源利用好,效率高,结构简单,能够实现动态加载,;缺点是造价昂贵。发展初期,用直流电机组发电带动一台直流电动机拖动变速器,另一台直流发电机加载,再经同步发电机组回馈电网,这种方式效率只能达到60%,占地面积大,机组噪声高,加载响应慢,现已逐步淘汰。随着直流交流技术的发展,直流发电机组已被静止直流变流器取代,能源利用率大大提高,但直流变流器回馈电网质量较差,功率因素仅为0.75,在国外是禁止并网的。上世纪八十年代以来,交流变流技术飞速发展,回馈电网功率因数可达到0.9999,能够并网,减少了对电网的污染。2.2 变速器试验台总体方案确定2.2.1 变速器试验台结构组成 通过对开环试验台、机械封闭试验台和电封闭试验台进行对比分析,确定本试变速器试验台采用交流电封闭设计。试验台组成框图如2.4所示:图2.4 试验台组成框图驱动电机模拟汽车发动机在不同转速下的工况,考虑到试验台经济性,在驱动电机的选型上,由于电机转速在6000r/min的电机较少,且非常昂贵,故而选择转速较为常见的转速在3000r/min左右的电机。然后通过升速箱来获得更高的转速以满足设计参数的要求。负载电机模拟汽车驱动轮在地面上行驶时的负载,负载电机要求的转矩较高,一般常见的电机也满足不了设计要求,故而要在负载电机前端加上一个加速箱,起到减速增扭的效果。本试验台变速器前后装有转速转矩传感器,主要用来测量变速器输入轴和输出轴的转速和转矩。2.2.2 变速器试验台测控系统硬件组成 本变速器试验台的主要控制部分由工控机和数据采集卡两部分组成,测控系统的主要功能是工控机向变频器发出指令,实现对电机的控制,然后接受转速转矩传感器的输入信号,经过处理和计算,将结果以直观的形式显示出来。整个系统采用数据采集卡系统实现。由于转速转矩传感器输出的信号为频率信号,所以转速转矩传感器有一个配套的频率电压转换模块,将转速转矩传感器输出的频率信号转化为电压信号功数据采集卡采集。数据采集卡与总线之间采用PCI总线传输信号。变速器试验台测控系统硬件组成框图如图2.5所示:图2.5 变速器试验台测控系统硬件组成框图3 变速器试验台电机控制系统 本变速器试验台的驱动系统由工控计算机发出指令,通过变频器控制驱动电机的运行状态,为变速器提供动力来源。本变速器试验台的加载系统由工控机发出指令,通过变频器控制负载电机的转差率,模拟汽车在不同路面条件和行驶工况下的阻力状况,为传动部件的测试提供各种阻力工况的载荷。驱动电机提供动力,负载电机吸收变速器的输出功率,系统选用交流异步变频电动机,作为驱动电机和负载电机,在测试过程中由变频器哈有源逆变器对电机的运行状态进行控制,同时将完成能量反馈。控制框图如图3.1所示:图3.1 控制框图3.1 电机的选型 参照设计参数,变速箱输入轴的最高转速为6000r/min,由于常见的电机满足不了这么高的转速,故而需在驱动电机和变速箱之间加上一个升速箱,此升速箱的传动比定为i=1:2,由此可得驱动电机的转速最高要求为:变速器输入轴最大转矩为,得驱动电机的输出的转矩为。根据公式:,得。考虑到本试验台适应不同变速器测试,故而将转速,转矩选用最大来满足不同容量的变速器。 参照大连电机有限公司电机样本选择选择驱动电机的型号为MDSP355L-2的变频调速三相异步电动机,额定功率315kw,额定转矩1000Nm。电机参数表3.1: 变速器的传动比为3.6-15.6之间,故而据此可以算出加载电机的最大转速为2000转/分,加载电机的最大转矩为6000,分解到两个加载电机上的转矩为3000。常见电机的转矩满足不了要求,故而要在变速器和负载电机之间加上减速箱,达到减速增扭的效果。减速箱的传动比设为6:1,得负载电机的最大转矩为500,根据公式:,得。 参照大连电机有限公司电机样本选择负载电机的型号为MDSP315L-2的变频调速三相异步电动机,额定功率160kw,额定转矩513Nm。电机的参数如表3.2:3.2 电机控制3.2.1 变频调速三相异步电动机的原理及方法 异步电动机定子三相对称绕组空间相隔角,当通以三相对称电流后,便产生了旋转磁场,其旋转磁场的转速(亦称同步转速):式中 定子绕组电源频率 磁场对数异步电动机的转差率:式中 转差率 异步电动机转子转速由上式可知,异步电动机转子转速的调节方法有以下几种:改变异步电动机的磁极对数调速改变转差率调速改变供电电源频率调速要改变异步电动机的转速,可从以上方法中选取一种即可。 采用方法不能满足传动试验台驱动部分连续调速的要求,方法不易于控制的实现,而采用方法则简单易行。 根据电机学原理,电机转子跟定子旋转磁场之间存在相对运动将产生电磁感应作用,电机转子上产生电磁转矩。设定子旋转磁场的转速为,转子的转速为,由电机机械特性可知,工作在第二象限的电机定子旋转磁场的转向虽然一致,但定子传转磁场的转速小于转子的转速,转差率,此时产生的电磁转矩,为制动力矩。电机转为发电机运行。电机处于回馈制动状态。 三相异步电动机的机械特性曲线如下图3.1:图3.1 电动机机械特性曲线本试验台的加载系统,利用工作在第二象限的异步电机作为加载装置,假设负载电机现在机械特性曲线1上运行,通过控制变频器的频率确保传动部件的输出轴转速和加载电机定子旋转磁场转速保持同步,即保证转差率,电磁转矩,此时传动部件的输出端为空载状态,当加载信号发出时,变频器降低负载电机的指令频率,将电机电子磁场转速降低,其机械特性曲线变为2,由于被传动部件的输出轴和工作在稳定工况的驱动电机刚性相连,转速基本发生变化,负载电机改为B点工作,器转子产生的转矩,传动部件的输出端为加载状态。因此,通过精确调节负载电机的频率将,即能控制旋转磁场的转差率,进而控制加载力矩的变化,实现定量加载。综上,采用变频器对驱动电机进行调速。3.2.2 变速器选型 驱动电机的额定功率为513KW,根据普传科技有限公司变频器样本选用PI7800 315G3 的变频器,315表示功率为315KW,G表示标准负载,3表示三相380V电压输入。负载电机的额定功率为160KW,根据普传科技有限公司变频器样本选用PI7800 160M3 的变频器,160表示功率为160KW,M表示较重型负载,3表示三相380V电压输入。本型号变频器具有特定的逆变模块,能够反馈电能。PI7800的技术规格:表3.3变频器的安装方向与空间:变频器应安装在室内通风良好的场所,并采用壁挂式,且必须与周围相邻物品或挡板保持足够空间,如图3.2所示:图3.2 安装方向与空间变频器配线,分为主回路及控制回路两部分。下图为配线回路正确连线图如图3.3所示:图3.3 配线图变频器接线端子功能说明:变频器控制端子功能说明:3.2.3变频器选件说明1、 交流电抗器选用普传变频器有限公司与PI7800相匹配的电抗器,变频器在工作时将产生较大的谐波含量很高,如果不装进线电抗器,将大大缩短变频器及其它设备的使用寿命,谐波干扰严重时,会导致有些设备不能正常运行,加装进线电抗器后将大大降低各谐波的含量,提高电网的功率因数,保证变频器及其它负载的安全运行,确保其它设备不受谐波干扰影响。常用交流电抗器的外行尺寸:2、 滤波器 滤波器主要用来过滤回馈电网中那些杂乱信号。3.3工控机对变频器的控制因为该系统中变频器数量不多,数量传输量不大,采用RS485总线来实现工控机与变频器之间的通讯,满足了实时性要求,由于变频器通讯采用RS485标准,与工控机的RS232标准之间需要进行交换,因此,在变频器与工控机之间采用RS/RS转换模块连接。3.3.1 工控机的选型本变速器试验台工控机选用研华IPC-610MB。IPC-610MB 采用AIMB-763VG的主板,Intel 奔腾双核 E5300(2.6G)的CPU ,板上带有2个COM 口,8个USB2.0,5个PCI,1个PCIex1/ PCIex16,1个千兆网卡。AIMB-763 使用的是 Intel 945G 芯片组,支持用以提升系统性能的先进双核处理器技术。其集成的 Intel GMA 950 图形控制器拥有一个 400 MHz 核心、224 MB 的共享视频内存及 DirectX 9 3D硬件加速。这些特性可确保得到高质量的图形,视觉表现更加平滑。为配合多显示器的使用并方便未来图形升级,它有一个 PCI Express x16插槽可对更高性能的图形卡提供支持,便于连接 CRT、LCD 以及其他各种显示设备 Specifications。该工控机输出信号为RS232协议。3.3.2 转换模块的选型由于常用的工控机协议均为RS232协议,本试验台采用的研华IPC-610MB也为RS232协议,而变频器采用的是RS485协议通讯,故而要在工控机和变频器之间加上一个RS232/RS485转换模块,以实现二者通讯。本变速器试验台RS232/RS485转换模块选用波士RS-232RS-485转换器。波士RS-232RS-485转换器都可将RS-232通信距离延长至1.2Km以上(9600bps时)。都可以用于PC机之间、PC机与变频器之间构成远程多机通信网络。3.4 电机控制电气原理图如图3.4所示电机控制电气原理图,试验开始时,通过手动开关启动驱动电机,然后在工控机上对变频器进行参数设定,工控机通过RS232/RS485转换器将RS232协议转换为RS485协议从而控制变频器,通过变频器调节电机转速和转矩。通过手动开关启动加载电机,通过变频器设定电机转速。此刻,驱动电机为电动机,将电能转化为机械传给变速器,然后变速器再将机械能输给加载电机,同时将机械能转化为电能。由于变频器中存在一个逆变装置,能够直接将这部分电能返回到局域电网。图3.4 电气原理图4 数据采集硬件系统数控采集系统用来采集试验进行中所需要的各项状态和参数,以便监控试验系统的工作状况,并且采集和实时显示所必须观测的数据量,为实验的闭环控制创造条件。本变速器试验台数据采集系统主要通过转速转矩接收信号后,用数据采集卡进行数据采集。 4.1转速转矩传感器的工作原理4.1.1 转矩测量原理 转矩转速传感器的检测敏感元件是电阻应变桥。将专用的测扭应变片用应变胶粘贴在被测弹性轴上以组成应变电桥,只要向应变电桥提供电源即可测得该弹性轴受扭的电信号,然后将该应变信号放大,再经过压频转换变成与扭应变成正比的频率信号。传感器的能源输入及信号输出是由两组带间隙的特殊环形旋转变压器承担的,因此可实现能源及信号的无接触传递。 在一段特制的弹性轴上粘贴专用的测扭应变片并组成电桥,以形成基础扭矩传感器,然后在轴上再固定能源环形旋转变压器的次级线圈、轴上印刷电路板和信号环旋转变压器的初级线圈。电路板上包含整流稳压电源、仪表放大电路及VF变换电路。在传感器的外壳上固定着激磁电路、能源环形旋转变压器的初级线圈、信号环形变压器的次级线圈及信号处理电路。 传感器电路部分在工作时,由外部电源向传感器提供%26;#177;15V电源,激磁电路中的晶体振荡器产生400Hz的方波,经过TDA2003功率放大即产生交流激磁功率电源,通过能源环形旋转变压器从静止的初级线圈T1传递至旋转的次级线圈T2, 然后将得到的交流电源通过轴上的整流、滤波电路处理后变成%26;#177;5V的直流电源。再将该电源作为运算放大器AD822的工作电源,并由基准电源AD589与双运放AD822组成高精度稳压电源,以产生%26;#177;45V的精密直流电源,该电源既可作为应变电桥电源,又可作为仪表放大器及VF转换器的工作电源。当弹性轴受扭时,应变桥检测到的mV级应变信号通过仪表放大器AD620将其放大成15 V%26;#177;1V的强信号,再通过VF转换器LM331变换成频率信号,此信号通过信号环形旋转变压器,从旋转轴传递至静止的次级线圈,再经过传感器外壳上的信号处理电路滤波、整形即可得到与弹性轴承受的扭矩成正比的频率信号输出。4.1.2转速测量原理 转矩转速传感器在旋转轴上安装着60条齿缝的测速轮,在传感器外壳上安装的一只由发光二极管及光敏三极管组成的槽型光电开关架,测速轮的每一个齿将发光二极管的光线遮挡住时,光敏三极管就输出一个高电平,当光线通过齿缝射到光敏管的窗口时,光敏管就输出一个低电平,旋转轴每转一圈就可得到60个脉冲,因此,每秒钟检测到的脉冲数恰好等于每分钟的转速值。4.2 传感器选型 转矩传感器在电动机、发动机、发电机、风机、搅拌机、卷扬机、钻探机械等众多的旋转动力测试系统中及数控机械加工中心, 自动机床等机电一体化设备中已获得广泛的应用。传统的转矩传感器通常采用电阻应变桥来检测转矩信号,并采用导电滑环来耦合电源输入及应变信号输出。 由于导电滑环属于磨擦接触,因此不可避免地存在着磨损和发热,这样不但限制了旋转轴的转速及导电滑环的使用寿命,同时由于接触不可靠, 也不可避免地会引起测量信号的波动及误差的增加。因此, 如何在旋转轴上进行能源及信号的可靠耦合已成为转矩传感器最棘手的问题。 而JN388数字式转矩转速传感器则巧妙地解决了这个问题。 JN338是北京三晶创业集团公司的产品。该传感器采用两组特殊环形旋转变压器来实现能源的输入及转矩信号的输出,从而解决了旋转动力传递系统中能源及信号可靠地在旋转部分与静止部分之间的传递问题。该传感器还可同时实现旋转轴转速的测量,从而可方便地计算出轴输出功率,因此,利用该传感器可实现转矩,转速及轴功率的多参数输出。根据驱动电机和加载电机的额定转速和系统测量精度要求,选择输入端的传感器型号为JN338A,额定转矩,选择输出端传感器型号为JN338A,额定转矩.规格如表四表四JN338A结构安装图如图4.1所示:4.1 JN338A结构安装图安装方法:1. 测量传感器的轴径和中心高,待装。2. 使用两组联轴器,将传感器安装在动力设备与负载之间。3. 分别调整动力设备、负载、传感器的中心高和同轴度,要求小于0.05mm,然后将其固定,并紧固可靠,不允许有松动。小量程或高转速传感器使用时,更要严格保证连接的中心高和同轴度。否则可能造成测量误差及传感器的损坏。4. 传感器可选用刚性或弹性联轴器连接。在震动较大、同轴度小于0.2mm大于0.05mm时,建议选用弹性联轴器,安装同轴度超过0.2mm时,严禁使用。5. 安装底台面应有一定强度,以保证安装的稳定性,避免造成过大的震动,否则可能造成测量数据不稳定,影响测量精度。 6. 联轴器应紧靠传感器两端的轴肩安装。7. 标准传感器不论采用水平或垂直安装使用,传感器不允许承受过大的轴向力、弯矩,否则影响传感器的使用,甚至造成传感器的损坏。本变速器试验台选择的JN338A传感器的技术要求:1、应变计动态应变波的响应时间:3.210-6S 2、零转矩频率输出:10KHz 3、正向转矩满量程频率输出:15KHz 4、反向转矩满量程频率输出:5 KHz 5、 转速输出信号(光电码盘式):60-120个脉冲/转 6、 转速输出信号(旋转编码器式): 900-2000个脉冲/转 7、传感器信号输出:方波信号、幅值为5V、负载电流15mA8、测量精度 0.1级JN338A传感器外形图如图4.2所示: 4.2 JN338A传感器外形图因为传感器输出的是频率信号,要将传感器的频率信号输入到数据采集卡,需要将频率信号转换为电压信号,因而要选择一款与之匹配的频率电压转换器JN338F/V。频率电压转换器JN338F/V的技术参数: 供电电源:12V,误差0.4V, 电源耗散功率:小于1W 转换精度:0.1级 信号输入:光电隔离,同JN338C传感器配套使用。 F/V信号输出: 0-5V,5V,0-10V, 10V(任选) F/I信号输出:4-20mA 响应时间:100mS 使用环境:温度为-20-60,湿度为0-90%RH,无腐蚀性气体等 外形尺寸(mm):95 X 80 X 25 安装方式:标准(EN 50022)15mm或35mm DIN导轨安装。频率电压转换器JN338F/V外形图如图4.3所示:图4.3 频率电压转换器JN338F/V外形图传感器与转换器接线图如图4.4所示:图4.4 传感器与转换器接线图 图中频率电压转换器JN338F/V的1号接口接传感器转速输出接口,3号接口接传感器的转矩输出接口。4.3数据采集卡的选型 传感器的输出信号为六路,传感器最大输出频率为15KHZ,精度要求为0.1级,所以该变速器试验台数据采集卡应满足一下要求:1、 采集信号输入端应大于六路信号;2、 采集频率应大于3-5的传感器输出频率;3、 精度要求转换位数12位;4、 价格合理。 根据上述选择数据采集卡为研华PCI1712,它是一种功能强大的高速多功能PCI总线数据采集卡,它有1M转换速度的12为A/D转换器,卡上带有FIFO缓冲器。其特点是:1、 PCI总线数据输入;2、 16路单端模拟量输入;3、 12位A/D转换器,采样速率可达1MHz;4、 模拟量输入通道的数据采集出发模式可使用预触发、后触发、匹配触发和延时触发。5、 每个模拟量输入通道的增益可编程。6、 两路12位模拟输入通道,可连续输出波形。7、 模拟输入通道和输出通道自动校核。8、 卡上带有用于A/D采样的1KFIFO和用于D/A输出的32KFIFOPCI1712数据采集卡的规格:PCI数据采集卡的管脚定义如图4.5所示:图4.5 管脚定义4.4 数据采集系统接线图 通过对转速转矩传感器,转换模块和数据采集的选型,绘制出数据采集系统的接线图,如图4.6所示:图4.6 数据采集系统接线图本试验台测量变速器转速转矩流程图如图4.7所示:5 结论 本实验台设计通过对各个硬件部分的工作原理的分析,针对试验台实际测量的需要,对试验台各个系统的硬件控制系统进行了设计。 第一章绪论主要为课题研究的目的和意义,通过对国内外变速器试验台的发展现状和发展趋势的了解,明确了本课题研究的目的:设计出高精度,高稳定性,满足试验台测试需求的汽车变速器试验台控制系统。第2章 为汽车变速器试验台总体方案,通过对三种试验台:开环试验台、机械封闭试验台、常规电封闭试验台的各自原理及优缺点的分析,为节省能量,选择了电封闭试验台,这种试验台拥有能量反馈功能,能够使能量得到循环利用。之后又对变速器试验台的结构组成和控制系统结构组成做设计,最终完成了系统方案框图的绘制和试验台数据采集系统框图的绘制。第3章 对变速器试验台的电机控制系统进行了设计,通过选择驱动电机,负载电机,变频器等,了解清楚器性能和结构后,对电机控制的电气原理图进行了绘制。 第四章对数据采集系统的硬件系统进行了选型和系统接线图的设计,最终完成了接线图的绘制。致 谢 在重庆理工大学四年的大学生活转眼间已进入了尾声,虽然是短短四年的学习生活,但这里的每一个人,每一处风景都给我留下了深刻的印象,在即将离开的时刻,心里既有留恋,还有期盼。这篇论文,为我的大学学习划上了一个句号,希望也是一个新的起点。今天,在即将离开学校、踏上工作岗位的时刻,我唯愿将满怀的激动化作感激,献给在这段历程中推动和扶助我前行的每一位师长和亲朋。本课题在选题及研究过程中得到袁冬梅老师的悉心指导。袁老师多次询问研究进程,并为我指点迷津,帮助我开拓研究思路,精心点拨、热忱鼓励。袁老师一丝不苟的作风,严谨求实的态度,踏踏实实的精神,不仅授我以文,而且教我做人,虽历时三载,却给以终生受益无穷之道。对袁老师的感激之情是无法用言语表达的。感谢我的室友们,从遥远的家来到这个陌生的城市里,是你们和我共同维系着彼此之间兄弟般的感情,维系着寝室那份家的融洽。四年了,仿佛就在昨天。四年里,我们没有红过脸,没有吵过嘴,没有发生上大学前所担心的任何不开心的事情。只是今后大家就难得再聚了,没关系,各奔前程,大家珍重。我们在一起的日子,我会记一辈子的。在论文即将完成之际,我的心情无法平静,从开始进入课题到论文的顺利完成,有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助,在这里请接受我诚挚的谢意!参考文献【1】 余志生。汽车理论。2001年 北京 机械工业出版社【2】 陈家瑞。汽车构造(下)。2001年 北京 人民交通出版社【3】 邓星中。机电传动控制(第三版)。2001年 武汉 华中科技大学出版社【4】 中国石油天然气总公司装配局。 变频调速应用技术。1992年 石油工业出版社【5】 黄立培。变频应用技术及电动机调速。1998年 人民邮电出版社【6】 李方圆。 变频器应用与维护。2009年 中国电力出版社【7】 冯垛生,张淼。变频器的应用与维护。2003年 华南理工大学出版社【8】 王雪艳,黄小龙。机械传动试验台的研究与应用【J】,实验技术与管理,2004,6【9】 朱莹,李文才。机械传动试验台的数字控制技术【J】,测量技术,2005,2【10】 许红平,应富强。机械传动系统多功能试验台的设计研究【J】。机电工程。2003,3【11】 田微,变频电源能量回馈控制的研究与设计。【学位论文】。武汉理工大学,2006【12】 柳鹏。数字式能量回馈系统的研究。【学位沦为】。武汉理工

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