電磁閥測試系統(tǒng)開發(fā)實(shí)現(xiàn)及成果演示

挑戰(zhàn)：

DCT （Dual Clutch Transmission）變速箱對國內(nèi)的汽車制造廠家來說是一個新鮮的事物，中國目前能自主研發(fā)DCT變速箱的廠家很少，相應(yīng)的DCT變速箱內(nèi)重要部件——電磁閥的測試設(shè)備也就顯得非常重要。電磁閥測試設(shè)備是整個DCT變速箱研發(fā)項(xiàng)目中關(guān)鍵的測試設(shè)備，目前世界上電磁閥測試設(shè)備做的比較成熟的主要是德國、日本的公司。對于國內(nèi)企業(yè)來說做這樣的設(shè)備的是一個挑戰(zhàn)，做好這樣的設(shè)備對民族汽車工業(yè)來說也會起到促進(jìn)的作用。 電磁閥性能試驗(yàn)臺用于電磁閥總成在不同溫度和不同流量及壓力條件下通過控制閥體電流從而控制電磁閥的輸出流量及壓力的高精度試驗(yàn)設(shè)備。通過對電磁閥電流、壓力、流量信號的高速采集，依據(jù)圖表及數(shù)據(jù)分析的方式來對電磁閥的動作性能以及電磁閥的穩(wěn)定性、遲滯、重復(fù)性的分析研究。

解決方案：

試驗(yàn)臺系統(tǒng)選用變頻電機(jī)及油泵給電磁閥及閥體供油，盡可能模擬電磁閥及閥體在汽車運(yùn)行環(huán)境中的真實(shí)狀態(tài)。設(shè)備由電磁閥供油部分、電磁閥控制部分及測試系統(tǒng)三部分構(gòu)成，系統(tǒng)通過使用計(jì)算機(jī)及相關(guān)試驗(yàn)運(yùn)行軟件對各部分進(jìn)行集中測試與控制。另外，由試驗(yàn)得到的龐大數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)處理程序進(jìn)行解析、實(shí)施一次性處理后傳送給用戶。

一． 引言

對于國產(chǎn)車企而言，動力總成等汽車關(guān)鍵核心技術(shù)一直是我們的短板，變速器部分同樣也不例外，在以大眾汽車為首的合資品牌紛紛推出自己的雙離合變速器的時候，國產(chǎn)車的4AT、5AT明顯顯得有些落后，在技術(shù)上的努力和突破對于自主品牌而言顯得尤為重要。同時近幾年自動擋車型的銷量逐步上升，于此同時，處于燃油經(jīng)濟(jì)性的考慮，更加省油高效的自動變速器的需求也在日益增長。這些都促使自主品牌對DCT變速器的研發(fā)成為志在必行之事。電磁閥作為DCT變速箱內(nèi)部的關(guān)鍵元器件其性能的好壞直接影響變速箱的性能。電磁閥測試試驗(yàn)臺需要在實(shí)驗(yàn)臺架上模擬實(shí)車用電磁閥的工況，通過數(shù)據(jù)采集、分析、判斷電磁閥性能的各項(xiàng)指標(biāo)，以達(dá)到更優(yōu)化ＤＣＴ變速箱的設(shè)計(jì)。

二． 電磁閥測控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)背景和開發(fā)理念

ＤＣＴ變速箱內(nèi)電磁閥如圖１所示，汽車正常工作時，ＴＣＵ發(fā)出命令控制電磁閥，通過對變速箱內(nèi)部電磁閥的電流控制達(dá)到換擋及潤滑的要求，電磁閥在不同的溫度環(huán)境下，其Ｐ－Ｉ，Ｑ－Ｉ特性會有不同的表現(xiàn)形式。在實(shí)車上應(yīng)用時，要求電磁閥響應(yīng)快，可靠性高。

系統(tǒng)開發(fā)理念：為了盡可能的模擬實(shí)車的工況，測控系統(tǒng)必須搭建和實(shí)車一樣的工作環(huán)境，因此該測控系統(tǒng)必須滿足三個基本的條件——溫度、流量、壓力。為此液壓站的產(chǎn)生就成了測控系統(tǒng)的必然，由液壓站提供和實(shí)車類似的油源。在環(huán)境條件建立完成后，對于電磁閥閥控制需要有電流控制器，以便發(fā)出和ＴＣＵ功能一致的控制電流，通過對電磁閥的電流控制，達(dá)到換擋及潤滑的要求。最后通過ＮＩ的高速數(shù)據(jù)采集卡，充分利用ＮＩ系統(tǒng)的實(shí)時采集功能對采集到的電流、流量、壓力三個重要的參數(shù)進(jìn)行曲線擬合，數(shù)據(jù)分析，來判斷電磁閥性能的要求。

三． 電磁閥測控系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)

電磁閥測控系統(tǒng)包括液壓站、機(jī)械臺架、電控柜、操作柜共４個部分組成。設(shè)備組成結(jié)構(gòu)圖如圖２所示

圖１ ＤＣＴ變速箱內(nèi)部電磁閥

圖２ 設(shè)備構(gòu)成圖

液壓站提供液壓動力源，模擬實(shí)車內(nèi)油泵的工況

機(jī)械臺架提供被測件的工作平臺，包括管路、傳感器、工裝的

安裝平臺

控制柜為電機(jī)等提供動力

操作柜為圖表顯示、被測對象的控制、數(shù)據(jù)的采集及處理

3.1 硬件的總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用 PXI 總線，在硬件資源方面采用基于 PXI 總線功能強(qiáng)大的模塊化虛擬儀器，充分發(fā)揮了 PXI 總線的優(yōu)勢，從而為電磁閥進(jìn)行準(zhǔn)確、快速的測試提供硬件保障。測試系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：主控單元主要對信號進(jìn)行處理和分析，信號輸出部分是給被測對象提供激勵信號，信號采集部分是采集被測板卡的輸出信號，信號調(diào)理板是對信號進(jìn)行調(diào)理及接口轉(zhuǎn)換，電源部分是給被測試板卡、數(shù)字板卡及轉(zhuǎn)接板供電。

為了實(shí)現(xiàn)高精度電磁閥及閥體控制特性的測量試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)臺在設(shè)計(jì)初期的選型階段就注意對測量設(shè)備以及傳感器的精度要求，例如本實(shí)驗(yàn)臺采用了德國KEM高精度質(zhì)量流量計(jì)、Kulite壓力傳感器等，這些精度比較高的傳感器的選用能夠極大地提高實(shí)驗(yàn)臺的測控精度。

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖 ３ 所示。

本系統(tǒng)硬件主要包括UPS，３塊測控板卡，一個 PXI 總線機(jī)箱，一個工控機(jī)，和一臺打印機(jī)等。PXI 總線機(jī)箱里的板卡可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、信號輸出，頻率采集，上層軟件采用 LABVIEW 進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動化測試，上位機(jī)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互界面，打印機(jī)可以將測試結(jié)果進(jìn)行打印輸出。

3.2 軟件的總體設(shè)計(jì)

本測試系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)定、儀器配置、測試激勵的產(chǎn)生、響應(yīng)數(shù)據(jù)的采集、測試結(jié)果的判斷、故障定位和報(bào)表生成等，都是在系統(tǒng)軟件的控制下完成的。本測試系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)遵循模塊化設(shè)計(jì)原則，采用 LabVIEW 開發(fā)環(huán)境進(jìn)行編程，采用軟件編程方式極大限度的對硬件資源進(jìn)行配置和使用，使系統(tǒng)的通用型、可重用性以及可拓展性得到極大的提高，設(shè)計(jì)了豐富的人機(jī)交互界面，保證試驗(yàn)操作直觀簡單，并且能實(shí)時顯示測試數(shù)據(jù)、定位故障回路。

本測試軟件主要由上位機(jī)軟件和下位機(jī)軟件兩部分構(gòu)成。上位機(jī)軟件主要完成數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)存儲、參數(shù)設(shè)定及控制命令的發(fā)出。下位機(jī)軟件主要完成傳感器信號的采集、數(shù)據(jù)的處理及激勵信號的生成。上下位機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸使用ＮＩ流行的共享變量的方式。共享變量的信號傳輸方式有編程簡單，傳輸速率高的特點(diǎn)。

下位機(jī)軟件在整個測試軟件中占有極其重要的作用，當(dāng)然最復(fù)雜的也是下位機(jī)軟件，其主要有三大部分組成：ＡＩＯ部分、ＤＩＯ部分及邏輯控制部分。其中的邏輯控制部分的流程圖如下圖所示，

圖３ 測控結(jié)構(gòu)圖

圖 ４ 軟件流程圖

四． 測試系統(tǒng)開發(fā)實(shí)現(xiàn)及成果展示

下面從模擬量測量及輸出詳細(xì)論述利用 NI 公司 PXI 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及 LabVIEW 圖形化開發(fā)平臺開發(fā)電磁閥測試過程。

4.1 模擬量測量

模擬量測量主要是指傳感器信號的采集，在電磁閥測試系統(tǒng)中選擇的傳感器都是輸出0—10V電壓標(biāo)準(zhǔn)信號的傳感器。對于這類的傳感器無需信號變換即可輸入到NI PXI 6225 采集模塊中。模擬量采集如下圖 5 所示：

對于傳感器信號的接線方式，使用了差分接法，對抑制干擾起到了很好的作用，同時因電磁閥需要做微觀性能分析，其通道的采樣率設(shè)定為6K，這樣就很好的保證了測量的準(zhǔn)確性及微觀分析要求。

4.2 模擬量輸出

模擬量輸出是指電磁閥激勵信號的輸出，通過NI PXI 6723板卡輸出0—10V電壓信號驅(qū)動電磁閥控制器，電磁閥控制器輸出一個根據(jù)要求信號生成的電流信號來控制電磁閥，通過上位機(jī)來觀察電磁閥在不同的激勵電流下的波形曲線。模擬量控制程序如下圖所示：

圖 5 模擬量采集功能框圖

圖6 模擬量輸出功能框圖

4.3 人機(jī)交互界面開發(fā)

系統(tǒng)軟件界面如圖7 所示：

其操作功能包括：

（1） 開始運(yùn)行：進(jìn)入測試系統(tǒng)，開始采集傳感器信號；

（2） 實(shí)驗(yàn)開始：對被測件的各項(xiàng)工況設(shè)定完成后，開始進(jìn)行電磁閥實(shí)驗(yàn)；

（3） 數(shù)據(jù)保存：點(diǎn)擊該按鈕，數(shù)據(jù)將以TDMS的格式保存在硬盤中； （4） 退出：退出測控程序。

4.4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

本測試系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)都是以TDMS格式存儲在上位機(jī)，然后導(dǎo)入到DIAdem軟件中進(jìn)行數(shù)據(jù)分析：

電磁閥測控系統(tǒng)主界面

圖8 數(shù)據(jù)記錄及分析

五． 結(jié)論

采用 PXI系統(tǒng)為硬件測試平臺，通過對電磁閥測試系統(tǒng)的技術(shù)需求分析和對測試系統(tǒng)的組成原理的研究，完成了測試系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)及系統(tǒng)信號調(diào)理板的設(shè)計(jì)。軟件設(shè)計(jì)方面， 采用 LabVIEW 軟件遵循模塊化設(shè)計(jì)方法， 完成了測試程序及測試界面的設(shè)計(jì)，人機(jī)交互可視化界面的設(shè)計(jì)，包括系統(tǒng)啟動初始化界面、試驗(yàn)實(shí)施界面、手動測試界面，管理主數(shù)據(jù)界面等。測試人員通過對人機(jī)交互界面的操作，可以實(shí)現(xiàn)對測試子程序的調(diào)用，最終完成對電路板的測試，同時可對測試結(jié)果進(jìn)行保存和打印。實(shí)際的測試結(jié)果驗(yàn)證了本系統(tǒng)的可行性與可靠性，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)。NI 公司提供的軟硬件產(chǎn)品為電磁閥性能的研究及DCT變速箱的開發(fā)提供了高效、便捷和靈活的支持，縮短了開發(fā)的周期，受到用戶的一致好評。
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