引言

汽车驱动桥在汽车行驶过程中承受复杂的载荷，它既要传递系统中的转矩，又要支撑着汽车的荷重。驱动桥必须具有足够的强度、刚度和寿命。因而驱动桥总成及其零部件必须经受严格的试验。开发一种高性能、高精度的汽车传动系耐久试验系统非常有必要。

目前常见驱动桥疲劳耐久试验台主要有两种，一种是开式的，一种是闭式的。闭式试验台又分为机械闭式和电能闭式。开式试验台结构简单，技术含量低，但是输入能量全部被加载装置消耗，能耗极大，运行成本极高。机械闭式试验台通过陪试件等把转矩封闭起来，能量只在系统内部流动，基本不对外消耗，电动机的动力只是平衡系统运行中产生的摩擦损失，非常节能。但机械闭式试验台结构比较复杂，成本高昂，并且运转中载荷难改变，力矩控制困难。电能封闭试验台不是通过机械结构回收电能，而是通过传动系统内部有的电机处于发电机，有的电机处于电动机的不同状态实现能量回收，电机的转速转矩可以通过电控系统进行调节，整个系统既兼顾开式的结构简单成本低，又兼顾机械闭式结构的高效率，低能耗。笔者研究开发了一种新型的电能封闭试验系统，本文对其核心技术进行分析。

试验台的构成

该试验系统主要由驱动电机、驱动端变速器、驱动端试件转矩传感器、驱动端试件转速传感器、驱动端轴承温度传感器、负载1驱动电机、负载1端变速器、负载1端试件转矩传感器、负载1端试件转速传感器、负载1端轴承温度传感器、负载2驱动电机、负载2端变速器、负载2端试件转矩传感器、负载2端试件转速传感器、负载2端轴承温度传感器、驱动端变速器油温控制、负载1变速器油温控制、负载2变速器油温控制、试件油温控制、电气传动系统、自动化及采集控制系统等。试验台结构框图如图1所示。

控制网络

该电控系统的控制网络包括两种网络：EtherCAT网络和Modbus rtu网络，如图2所示。

EtherCAT是一个具有开放架构、以以太网为基础的现场总线系统，EtherCAT的周期时间短，所有程序资料都是由从站控制器的硬件来处理。此特性再配合EtherCAT的机能原理，使得EtherCAT可以成为高性能的分散式I/O系统：包含一千个分散式数位输入/输出的程序资料交换只需30 ms，相当于在100 Mbit/s的以太网传输125 B的资料。读写100个伺服轴的系统可以以10 kHz的速率更新，一般的更新速率约为1～30 kHz。EtherCAT网络可以满足该试验系统转矩闭环控制和系统实时控制的要求。

EtherCAT网络中设备主要包括驱动电机变频器、负载1电机变频器、负载2电机变频器、远程I/O站、采集单元和上位机。上位机通过EtherCAT网络高速读写上述网络上的设备数据，实现实时控制，并根据转矩传感器测量的转矩数据和设定转矩完成转矩闭环控制。上位机是整个系统的核心部件，完成实时数据显示、实时控制、数据记录、数据分析、历史数据查询、故障记录及润滑系统温度控制等。变频器负责驱动伺服电机进行转速和转矩控制。远程I/O站采集现场I/O信息，以及振动传感器数据并发送给上位机。采集单元专门负责采集驱动端和负载端转矩数据和转速据。

Modbus rtu 网络包括上位机，驱动减速器润滑温度控制器，负载1减速器润滑温度控制器，负载2减速器润滑温度控制器，试件润滑温度控制器。上位机通过485网络接口直接控制上述四种温度控制器，完成温度设定和读取温度实时值，该网络中上位机是主站，四个温度控制器作为从站。

传动系统

试验系统进行加载时，驱动电机处于电动机状态，负载1和负载2电机处于发电机状态，三台变频器的直流部分连接在了一起，这样负载1和负载2的电机发电产生的电能流向直流母排，而驱动电机变频器获得该电能。这样实现了电能的封闭。整个系统输入的电能主要用来克服轴承等机械装置的摩擦力，和一些公辅系统的消耗，跟开式试验台比大大降低了能耗。

传动装置共直流有两种形式。第一种如图3所示，采用三台独立的变频器，每台变频器配直流引出附件，通过直流引出附件三台变频器的直流部连接在一起。第二种如图4所示，采用一台整流装置和三台逆变装置，试验系统运行时，能量通过直线母排在三台逆变器内部流动，只有不足的能量通过整流装置获取。第一种方式相当于三台整流器并联，和第二种方式并无本质区别，但第一种所占用空间小，总成本也会相对低一些。本文采用第一种形式。

变频器控制三相电机主要有两种控制方法：矢量控制和直接转矩控制。矢量控制从理论上解决了交流电机的动态和静态性能，但实际中电机转子磁链难以观测，矢量旋转坐标变换复杂，导致实际性能比理论要低。直接转矩控制直接采用转矩模型和电压型磁链模型，以及电压空间矢量PWM逆变器，实现转速和磁链的砰砰控制，这在很大程度上解决了空间矢量控制中遇到的问题。直接转矩控制确保交流电机转矩为首要控制元素，而非电机电流，这样可以保证转矩极高的精度、很好的可重复性和线性度，以及非常快速的转矩上升时间。本文选用直接转矩控制的变频器。

本文根据实际工艺需求，选择变频器见表1，电机选型见表2。

上位机

上位机包括实时控制系统和上位机监控系统。实时控制系统主要完成转矩转速等被控量的实时闭环控制和快速数据采集。该系统采用INTIME实时系统，该实时系统不同于传统的硬件PLC，它是一个软件PLC，可以充分利用计算机强大的CPU处理能力，达到硬件PLC难以达到的性能，极大地提高闭环控制速度和对外IO设备通信能力。INTIME实时系统在加载Windows系统的同时加载一个实时操作系统，使它们共享相同的CPU和终端硬件，但在其他方面相互独立。每个操作系统被封装为一个虚拟机，管理各自的描述符表和内存管理。实时活动必须发生时，计算机将上下文切换到该实时系统，活动结束后，计算机将上下文又切回到WINDOWS操作系统。这样INTIME和WINDOWS系统互相独立，只在必要时进行切换，并且当WINDOWS死机失败时，INTIME会获得通知，可以独立运行，并运行相应故障处理程序。

上位机监控系统采用Labview编程软件开发，通过接口和INTIME系统进行数据交换，完成试验设定和获取试验数据，以及整个试验的顺序逻辑控制。软件流程如图5所示。

结语

经过在现场的应用，该控制系统具备高度自动化与稳定性，可以有效地检验驱动桥部件的耐久性。但是该系统也存在一些不足，无法实现远程监控，需要现场有值班工程师进行值守，将来可以通过手机App系统或其他手段实现远程监控无人值守功能。