基于LabVIEW的液压机械无级变速器试验台测控系统研究

摘 要：试验台的测试性能对整个试验台架的性能有着重要的影响，在整个测试系统中起着重要的作用。本文基于液压机械无级变速器试验台测控性能的研究，阐述了试验台的构成与基本的原理，并通过LabVIEW图形化编程软件对整个试验台测控软件的开发与研究，对无级变速的性能采用多种实时采集与分析处理的测试，为试验台的设计提供了数据基础。

关键词：液压机械无级变速器；试验台；测控；LabVIEW

0 引言

在变速器的研发和成品检测过程中要进行产品性能的台架试验。变速器台架试验，即在变速器启动运转后人为施加负载扭矩， 使变速器在不同挡位以不同的转速在不同的扭矩，称为在不同的工况下运行，从而获得变速器的传动效率、变速换挡规律等相关性能参数。近年来，随着自动化控制技术的发展，人们对试验台的自动化检测与控制要求也越来越高。既希望试验台的可靠性与实时性强、人机交互界面友好、操作简单，又要求其开发周期短，系统便于升级改造，因此需要开发一套合适的测控系统软件来管理试验台系统[1-2]。

使用虚拟仪器图形化编程软件LabVIEW可以有效地满足试验台对试验数据的采集、监控、传输、分析处理与显示，以及仪器控制等的需要[3]。由其构成的硬件系统结构简洁，软件编程简单，而且有较好的人机交互界面，可根据不同的需求随时调整控制方式[4～6]。

因此，本文以LabVIEW软件为开发平台对液压机械无级变速器试验台测控系统进行究。

1 液压机械无级变速器试验台

本文中的变速器试验台主要用于液压机械无级变速（Hydro-Mehanical Continuously Vari-able Transmission，简称HMCVT）的性能测试和开发试验。其系统结构示意图如图1所示。

HMCVT试验台主要由机械系统和试验台测控系统两部分组成。其中机械系统为试验台提供必要的机械支承，包括发动机、分动器、被试变速器（HMCVT）、车辆行驶阻力模拟系 统、实验室辅助支持系统等。试验台测控系统完成对试验系统的信息进行采集、处理并协调控制各运动部件的工作状态。

发动机产生的原动力为试验台提供动力源。动力经主离合器、转速转矩传感器、扭矩限制器传递至分动器，分动器将动力分为两路，一路用于驱动变速器的机械系统，另一路用于驱动变速器的液压系统，两者在变速器的输出端汇合，然后经扭矩限制器、转矩转速传感器、减速器后传送至直流电机加载器（行驶阻力模拟装置）。变速器的自动变速过程由其自带的控制系统独立完成，由直流电机加载器构成的行驶阻 力模拟装置模拟车辆实际工作过程中可能遇到的各种工况，吸收经传动系传递而来的动力并将其转换成电能反馈至电网（图1中未标示）；转矩转速传感器检测变速器及变速器液力传动系统输入/输出端的转矩、转速，并将其转换成电信号传递至数据采集卡；试验台测控系统完成对整个试验台物理量的信号采集、分析与处理，并对整个试验台系统的工作过程与工作状态进行监控。

2 测控系统硬件配置

在液压机械无级变速器性能测试试验中，需要对试验运行过程中的多个物理量进行精确地测量。所要监测的物理量一般包括被试HMCVT的输入/输出转速、转矩，液压系统的输入/输出转速、液压油压力、流量，发动机的油门开度，负载模拟系统产生的制动转矩等[7-8]。根据液压机械无级变速器性能试验的特点，选用北京威 斯特中航机电技术有限公司生产的

CYB-803S旋转型扭矩/转速传感器测量变速器输入/输出端的旋转扭矩和转速值。其输出为方波频率信号或4-20mA电流信号，采用变压器感应供电，抗干扰能力强、检测精度高、稳定性好，可以高转速长时间运行。

选用北京威斯特中航机电技术有限公司生产的CYB-20S系列离子束溅射薄膜压力传感器测量变速器液压系统的工作压力。该系列传感器可在高温、高压下稳定可靠工作，且输出信号为 1～5V的标准电压信号，能与数据采集卡直接通信。采用LUGB系列智能涡街流量计检测流经变速器液压系统的液压油流量变化，该系列的传感器输出4～10 mA 标准电流信号，可与数据采集卡直接相连。

计数器/定时器选用NI公司的PXI-6602卡，该卡拥有8通道，32位加减计数器/定时器模块，32条数字I/O 线；80MHz最大源频率。

3 测控系统的构成与原理

试验台测控系统如图2所示。加速踏板位置、发动机油油温及油压、冷却水温度等由传感器转换为电信号，经信号调理装置处理后传递给控制发动机的下位机，下位机通过 CAN 接口卡1与上位机（工业控制计算机，简称工控机）通信。根据从上位机获得的虚拟油门踏板位置或实际加速踏板位置控制发动机油门开度，从而控制发动机的工作。变速器控制系统下位机从上位机获取试验信号指令后，独立完成对HMCVT的控制，同时通过CAN 接口卡2与上位机通信，为后者提供变速器中各离合器的主、从动盘结合、分离状态以及转速大小信号，并接受信号指令控制变速器的动作。行驶阻力模拟系统中的直流电机由测功机控制器控制，并通过CAN 接口卡3与上位机进行通信。由于变速器输入/输出转速、转矩，以及液压系统的压力、流量等关键参数信号需要精确、实时地测量，所以将之分配在 CAN 接口卡2上，并工作在高波特率状态。对于慢速变化的温度信号和一般不用实时设置的控制参数如加速踏板位置信号等，则通过CAN接口卡1进行，将其设置在低波特率下工作，以提高抗干扰能力和传输距离。对于测功机系统，上位机需要实时地与其进行信息交流，以完成准动态试验，是整个测控系统的关键，因此将之单独接入CAN接口卡3，该卡工作于高波特率下，保证测控系统的实时性。上位工控计算机实现人机交互试验条件的设定、对各子系统的协调管理、信号采集与数据处理等工作。

3.1 发动机控制原理

发动机根据上位工控机所作的试验设定，获得加速踏板的变化规律，完成对发动机转速的设定。转速传感器测定发动机输出轴的实际输出转速，实测转速与设定转速作比较后的转速差送入控制发动机的下位单片机，由下位单片机调节发动机的油门开度，从而控制发动机的工作。

3.2 HMCVT控制原理

HMCVT的控制系统与试验台测控系统之间通过CAN总线进行数据通信，试验台测控系统通过上位工控机向其发出试验开始于结束指令，并从中获取试验所需检测与监控的信号参数，HMCVT的自动换挡、变速过程由其自带的控制系统独立完成。

3.3 行驶阻力模拟系统原理

为了保证试验系统运行时的平稳性，阻力负载模拟系统采用转速与转矩的双闭环控制。 把转速调节器的输出当作转矩调节器的输入，再用转矩调节器的输出去控制加载模块。具体实施为：上位机根据输入的车辆结构参数与工况，计算出车辆的行驶阻力；根据转矩转速传感器测得的测功机实际输出转速，计算出当前测功机的加速度，推算出下一时刻模拟车辆加速度的角加速度值，得到电惯量模拟加速阻力，从而换算出测功机的阻力转矩设定值。阻力转矩设定值通过与当前测得的测功机实际输出转矩值比较，由DMC预测控制器输出适当的控制参量。试验台行驶阻力模拟系统控制原理如图4所示。

5 运行结果

将HMCVT性能试验台测控系统在现场运行调试，设定发动机转速为2000 r/min，测功器加载转矩为300 N・m，调节HMCVT的速比（传动比的倒数）在0.5～0.75之间无级变化，HMCVT 的输出转速变化过程如图5。

6 结论

基于LabVIEW平台开发的自动变速器试验台测控系统具有较强的数据实时采集和分析处理功能，并能够满足试验台自动化、智能化控制要求，采用虚拟仪器开发技术，显著简化了测控系统的硬件设备，缩短了测控软件的开发周期，程序结构简单清晰，便于进行调试和维护。因此，该套测控系统可以作为自动变速器性能检测试验的一种选择。

参考文献

[1] 王Z瑞. 基于虚拟仪器的自动测试系统开发方法研究[D].成都：四川大学，2005.

[2] 王恒宜， 齐蓉. 基于 LabWindows/CVI的单轴稳定平台测控系统[J]. 测控技术，2011， 30（9）：17-20.

[3] 程广伟. 履带车辆 HMCVT测试技术研究及应用[D]. 武汉：武汉理工大学，2008.

[4] 郭廷，张文春，程广伟. 机械液压无级变速器测试系统开发[J]. 拖拉机与农用运输车，2006，3（2）：23-25.