电控硅油风扇离合器性能测试范文

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《中国测试杂志》2014年第三期

1性能测试系统设计

1.1系统总体设计电控硅油风扇离合器性能自动测试系统的总体设计方案如图1所示，系统分为机械和测控两部分。机械结构模拟发动机的运行过程，其原理是采用变频器控制电机运行，通过轴承箱给离合器的主动轴提供动力源，使其以一定的速度运转[4]。测控部分包括上位机和下位机。上位机采用工业控制计算机，集成单元组合仪器及微处理器的优点，对测控系统进行集中管理，分散控制；下位机通过XC886CLM8位单片微控制器实现对风扇转速的实时控制。

1.2测控部分硬件设计上位机的硬件设计包括基础硬件和外围硬件。基础硬件以工业控制计算机为核心，完成对整个机械结构的控制和监视，测试数据的显示、分析，报表生成。外围硬件主要实现信号的采集和处理功能，包括多功能数据采集卡、信号转接板和传感器[5]。多功能数据采集卡是本测试系统外围硬件的关键。考虑通道数、采样频率、分辨率、量程和精度等技术指标，采用PCI9111-DG数据采集卡。其包括16路模拟输入和1路模拟输出，A/D分辨率为12位，16路数字输入/输出，采样频率为100kHz。模拟输入采集主轴转速、风扇转速等信号；利用数字端口和信号转接板控制机械设备的运行，并检测设备的位置状态。为了实现多功能数据采集卡与外部设备信号之间的转换引人了信号转接板，它主要由信号调整电路（整形、滤波）、触发电路和电压控制放大电路组成。放大电路的设计思想是利用发光二极管和光电耦合的原理实现信号电压在0~24V和0~5V之间相互转换，如图2所示[6]。下位机通过转速传感器实时监测风扇的实际转速，并与目标风扇转速比较得到当前风扇转速的偏差。再将偏差作为增量式数字PID控制器的输入，计算得到PWM信号的占空比。由于上位机输出信号为RS232总线方式，而下位机输入信号为RS485总线方式，因此需要通过一个RS232~RS485转接器实现上位机和下位机之间的通信。

1.3测控部分软件设计上位机的软件设计包括主控模块和测试模块。主控模块实现用户登录、硅油风扇离合器的选型、数据库维护、参数设置和测试报表生成等功能。测试模块为测试系统的主界面，功能包括实现模拟数据的输入/输出，数字信号的输入/输出，电机功耗参数的读取，数据显示、分析、处理和故障报警。测试模块需要实时进行数据的发送和接收，为了减少数据在传输过程中对资源的消耗，根据测试系统的各个功能采用多线程技术实现多任务的并行处理。这样各个功能所对应的线程之间可以相互协调运行，相互之间可实现数据的传递和状态的切换[7]。测试模块要完成的最主要任务是数据的分析处理，通过信号采集线程不断地读取风扇转速、主轴转速、风扇进到位和紧急停止等信号，并将这些信号以变体的形式添加到队列中。同时不断地从队列中取出数据，并对其进行拆分、标量转换、实时显示、波形图绘制和数据的存储[8]。为实现上位机与下位机之间进行数据通信，测试模块中采用LabVIEW自带的VISA子模块完成上位机与下位机之间的链接。通过“VISA配置串口”子VI分配端口、设置波特率、设置数据的位数和奇偶校验位，由于串行通信采用十六进制的字符串，在发送数据时须对其进行格式转换后方可输入到“VISA写入”子VI。为使两者之间进行有效地通信，建立一个由指令字节、状态字节和两个数据字节组成串行通信协议。该通信协议的校验位放置于指令字节中，分别对数据字节1和数据字节2采用奇偶校验，4个字节头组成特定代码1000来确定一个完整的帧[9]。为了增强程序的可控性，引入了状态机程序模式，一个状态机由3部分组成，分别是状态、事件和行为。LabVIEW中的状态机由一个while循环和case结构组成，并利用移位寄存器实现状态之间的跳转。将整个测试过程分为测试空闲、系统初始化、机械设备状态检测、电机启动、测试过程、参数计算和数据存储等状态。这些状态可以根据相互之间的事件关系确定每一个状态的执行步骤以及进入下一个状态的切换代码，这样省去了人机交互的动作，使程序的处理速度得到提高，并且有利于程序代码的升级[10]。测试系统需要即时存储、管理和查询大量的测量数据，如电控硅油风扇离合器的测试信息、测试结果、测试台信息、客户代号和用户权限等，故本系统采用支持多线程和多用户在线操作且功能强大的MySQL数据库，它以其运行速度快、稳定可靠为众多用户使用。通过NI公司开发的专用于数据库连接的工具包和ODBC数据库连接标准，实现测试系统与远程MySQL数据库服务器之间的通信。在该数据库的支持下，测试系统可以对测试数据进行查询回放、质量统计，报表生成等操作[11]。下位机采用模块化设计思想，将整个程序分为4大模块。（1）串行通信模块：下位机上电后即进入接收数据状态，先通过单帧中4个字节头组成的1000来确定是否为一个完整的帧，再核对奇偶校验位、状态字节和指令指节来确定当前串行通信发送的数据类型，然后将数据字节中的数据提取出来赋给对应的变量。（2）实际风扇转速计算模块：当下位机接收到传感器发送过来的脉冲信号后，将产生内部中断。通过计算单位时间内的中断个数并对其进行优化得到当前的实际风扇转速。（3）增量式数字PID控制算法模块：PID控制即比例、积分、微分控制，由于具有稳定性能好、可靠性高等优点而成为过程控制中应用最广泛的一种方法。增量式数字PID控制规律如。将偏差作为增量式数字PID控制器的输入即可得到PWM信号的占空比。（4）PWM信号的输出模块：将前面得到的PWM信号的占空比和频率发送给CCU6单元，通过其独立定时器T12产生PWM信号，进而调节电控硅油风扇离合器的阀片去控制风扇转速。

2应用实例

用户首先进入性能测试系统的主控模块，通过系统登录界面进入系统主界面，在主界面中选择所要测试的风扇离合器类型，然后进行参数设置和数据库维护等操作，最后点击自动测试按钮选择闭环测试进入测试模块。测控开始前，离合器工作腔中的硅油产生粘性剪切力使装在后盖上的风扇跟随主轴加速转动，这时调节PWM信号的占空比使电控硅油风扇离合器处于全分离状态；当工作腔中的全部硅油都流到储油腔后，风扇转速急速下降，测试系统判断当前的风扇转速达到全分离的最低风扇转速时调用增量式数字PID控制算法模块，调节实际风扇转速逼近目标风扇转速；经过给定的一段时间后，上位机将另一个目标风扇转速发送到下位机，采用同样的控制方法实现对当前目标风扇转速的测控，依次类推：直到目标转速为1800r/min测试完成后停止测试；最后测试系统通过风扇转速的稳态和动态性能判断该电控硅油风扇离合器是否合格。现场测控结果表明该电控硅油风扇离合器在多个目标风扇转速下能够稳定运行，实际风扇转速与目标风扇转速的差值在±20r/min之内，达到产品合格的要求。

3结束语

电控硅油风扇离合器性能自动测试系统，综合利用了虚拟仪器技术和传感器技术，并在LabVIEW平台下开发了测试软件。测试过程能实现全自动化：如机械设备的自动启停，测试数据的自动采集、分析处理，测试参数的自动计算，测试结果的自动判断、自动存储、自动报表，测试循环的自动返回等。该测试软件完全能够满足数据传输过程中的稳定性、可靠性和准确性要求。本文设计的测试系统已应用于某公司的产品生产过程中，实践证明本系统能够正常运行，软件操作方便，测试结果准确，测试现场安全可靠，可大大提高生产效率。

作者：谭江荣王见尹爱军单位：重庆大学机械学院