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汽车传动轴防尘罩PLC控制系统设计

摘要 汽车技术是未来汽车技术的发展趋势，为了在未来的汽车市场占有一席之地，美、日、欧等发达国家纷纷制定了自己的汽车产业政策，推行汽车产业化发展。我国也在“863计划”中明确提出了汽车产业化目标。迄今为止，我国汽车技术已经得到了长足的发展，但是目前我国汽车大规模产业化还有一段距离，在汽车产业化的道路上涉及到政府、企业、消费者等多方利益。
随着汽车工业的发展，汽车产品的可靠性和舒适性成为产品的一个重要的指标。传动轴作为汽车的一个重要部件，受其材料、制造工艺、检测手段等方面的制约，不能做到完全的动平衡。在高速旋转下，自身不平衡力将使汽车产生振动，这种振动对汽车的舒适性有极大的影响，而且将导致汽车零部件损坏，其可靠性将大大降低。
本文采用PLC的报警系统，实现了温度的精确控制。
关键词 汽车，传动控制，PLC

1 绪论
日益激烈的争夺世界汽车市场的竞争以及节油、排放、安全方面的严重挑战构成了20世纪世界范围内汽车技术革命的四大推动力。电子技术，特别是电子计算机技术的发展，为这场革命提供了解决各种挑战和紧迫问题的十分有效的手段。电子控制的ABS(防抱死制动装置)和安全气囊的出现，以及利用超大型计机对车身进行碰撞时最佳解析设计使得现代汽车尽可能安全，并取得了惊人的成就。由于采用电子控制排放技术，现在汽车的排放污染比1970年的汽车要少96%以上。应用发动机的电控喷射系统，并采取减轻汽车重量等措施，1990年汽车的油耗平均比1970年的汽车要少—半。
现在，汽车工业正面临着全面的电子计算机化。电子计算机不但在汽车设计、生产、试验这些环节上起重要作用、而且还直接进入了汽车。成为汽车的重要总成，没有这些总成的汽车在世界汽车市场上就缺乏竞争力。目前，汽车技术的发展趋势是采用电子控制、系统控制与综合控制。
世界汽车电子技术的发展大致可分为三个阶段：
第一阶段(1965～1975年)，发展独立性的零部件，如电子收音机、电子钟、发动机的电子点火等。
第二阶段(1975～1985年)，发展一些独立系统，诸如发动机电子控制系统、防抱死制动系统、四轮转向系统等。
第三阶段(1985～2000年)，开发各种车辆整体系统的电子控制，进入汽车电子化时代。
第三阶段的发展将主要包括以下几个方面：
（1）拥有新的动力零件及复杂的负荷管理的发动机控制系统
（2）整合发动机与传动系统的电子控制
（3）增进驾驶与操控便易性的电子控制系统
（4）整合动力与制动系统的牵引控制
（5）车内环境控制系统
（6）多用途的屏幕与现实系统
（7）汽车导航系统

2 自动控制方案的设计
2.1 汽车传动轴防尘罩PLC控制流程图

图2.1 汽车传动轴防尘罩PLC控制流程图
根据控制系统的结构流程图，可将整个自动控制系统划分为六个部分：
1）主轴速度控制系统SIC-101
2）轴瓦温度与回路流量串级控制系统TRC-101/FIC-101
3）冷却油温度控制系统TIC-102
4）轴瓦压差显示报警系统PdIA-101
5）油箱液位指示报警连锁系统LIAS-101
6）油泵压力出口指示报警连锁系统PIAS-102
2.2 主轴速度控制系统
异步电动机的变压变频调速系统一般简称为变频调速系统。由于在调速时转差功率不随转速而变化，调速范围宽，无论是高速还是低速时效率都很高。电力电子变压器是变压变频调速系统的主要设备。异步电动机的变压变频调速系统必须具备能够同时控制电压幅值和频率的交流电源，而电网提供的是恒压恒频的电源，因此应该配置变压变频器，即VVVF（Variable Voltage Variable Frequency）装置。该系统是一台逆变器带动一台电动机的单独拖动系统。在该系统中，电动机的转速直接影响着主轴的转速，因此此系统中我们采取变压变频器（VVVF）来控制主轴的速度。在逆变的过程中，通过整流电路控制晶闸管的触发角，来改变转轴转速的大小。最后通过测速电机测出主轴转速的大小。主轴速度控制系统见图2.1（ SIC-101）。
2.3 轴瓦温度与回路流量串级控制系统
在该回路系统中，采取串级控制系统，它能够克服回路的干扰，提高系统的工作频率。通过对调节器作用的分析，选择调节器的正作用方式。这样将温度和流量系统形成了串级控制系统。在测量轴瓦温度时，将热电偶的一端直接焊接在轴瓦上面，这样测温的可靠性较高。因为热电偶的测温范围比较广，且具有冷端补偿，反应快，测量起来比较方便。仍然采用VVVF来带动系统的转动。轴瓦温度与回路流量串级控制系统见图2.1（TRC-101/FIC-101）。
2.4 冷却油温度控制系统
系统中，当油的温度升高时将会影响到系统性能，所以需要对其进行冷却。温度控制系统中，PID调节兼顾了静态和动态两方面的控制要求，能取得较为满意的调节效果，因此采取PID闭环调节，调节器的作用选择正作用。在用一台逆变器带动一台电动机的单独拖动系统给该系统供电。冷却油温度控制系统见图2.1（TIC-102）。
2.5 轴瓦压差显示报警系统
防止轴在运动过程中会产生磨损，为了测量轴是否被磨损，采取了对轴的两端进行压力的测量。当轴的两端有差压产生时，报警器将发出警示的声音。该系统是用可编程逻辑控制器来实现的。轴瓦压差显示报警系统见图2.1（PdIA-101）。
2.6 油箱液位指示报警连锁系统
当油箱里面油的液位降低到一定程度时，供油量不足，会影响整个过程油的传输，各个环节将受到影响。而此时，设计的报警系统将会发出报警声，该系统采取可编程逻辑控制器来实现，这样就实现了汽车电子技术的应用。油箱液位指示报警连锁系统见图2.1（LIAS-101）。
2.7 油泵压力出口指示报警连锁系统
为了检测油泵本身的好坏性及油整个过程的压力，设置了压力的检测和压力指示报警系统。若油泵自身是坏的，则指示报警系统将发出报警声。油泵自身是好的，检测出压力不正确，则系统出现了问题。压力的强度不够时，报警系统会发出警示。该报警系统是通过可编程逻辑控制器来实现的。油泵压力出口指示报警连锁系统见图2.1（PIAS-102）。

3涡街流量计的流量检测

图4.3 漩涡产生的原理
在流体中设置旋涡发生体(阻流体)，漩涡列在漩涡发生体下游非对称地排列。设漩涡发生的频率为f，被测介质来流的平均速度为U，漩涡发生体迎面宽度为d，表体通径为D，根据涡街原理，有如下的关系：
式（4.7）
式中 v1---漩涡发生体两侧平均流速，m/s
Sr—斯特劳哈尔数；
d—漩涡发生体迎流面的最大宽度，m；
流体的连续方程式：
式（4.8）

设流通面积比为m，则 ，
即 ，代入式（4.8）后，则得

式（4.9）
对于直径D的管道，流体的体积流量为：

式（4.10）
结构
涡街流量计VSF由传感器和转化器两部分组成。
传感器包括漩涡发生体、检测元件、仪表表体等；转化器包括前置放大器、滤波整形电路、D/A转换电路、输出接口电路、端子、支架和防护罩等。
在选用的时候要注意VSA的仪表口径及规格选择很重要，它类似于差压流量计装置的设计计算，要遵循一些原则进行选择。仪表口径选择步骤如下。
首先必须明确以下工作参数。
1)流体名称，组分；
2)工作状态的最大、常用、最小流量；
3)最高、常用、最低工作压力和工作温度；
4)工作状态介质的粘度。
VSA的输出信号是与工作状态的体积流量成正比的，因此如已知气体流量是准状态体积流量或质量流量时，应把它换算成工作状态下的体积流量：
在本系统中我们选择涡街流量计，因为它具有以下的优点：
1）高精确度，对于液体一般为，高精度型可达；而介质为气体，一般为，特殊专用型为。在所有流量计中，它属于最精确的。
2）重复性好，短期重复性可达，正是由于具有良好的重复性，如经常校准或在线校准可得极高的精确度。
3）输出脉冲频率信号，适于总量计量及与计算机连接，抗干扰能力强。
4）可获得很高的频率信号，信号分辨力强。

4 PLC报警系统
PLC的简单程序编制。
现在以设计中的报警电路为例：
I0.0外接报警启动信号，I0.1外接报警复位按钮；输出Q0.0为报警蜂鸣器，Q0.1为报警闪烁灯，闪烁效果为报警灯的良与灭，间隔为1秒。
此电路的顺序功能图如6.3：

图6.3 报警电路的顺序功能图
此电路的梯形图及语句表如图6.4：

图6.4 报警电路的梯形图及编程
分析：当报警启动信号来临时，即I0.0=1，线圈Q0.0得电，其常开触点Q0.0闭合，维持线圈Q0.0继续得电，其驱动的报警蜂鸣器开始报警。与此同时，定时器T37开始计时，当计时到1秒时，常开触点T37闭合，输出线圈Q0.1得电，其驱动的报警灯发亮，计时器T38开始计时：1秒后，常闭触点T38断开，报警灯熄灭。如此反复，达到报警灯闪烁效果，间隔为1秒。
计数器C3的作用是，当计数到10次后，常闭触点C3断开，警报停止。

5 总结
主轴控制系统中，通过VVVF变频器可以控制系统的转速，然后通过测量电动机的转速，就可以知道主轴的转速。在轴瓦温度测量过程中，直接将热电偶焊接在轴瓦上面，这样测得的温度精确性高，此时，我们设置一个温度自动控制系统，当温度升高时，可以通过反馈作用将其降低。
在轴瓦压差、邮箱液位、油泵压力出口指示报警系统中，都用到了可编程逻辑控制器来实现报警系统。这样我们可以通过报警系统来掌握传动轴在整个运动过程过个环节的参数变化。
在做设计的过程中，也遇到了一些仪表、仪器的选择。通过从经济、可靠性、方便性等各方面来考虑，选择了相适应的仪表。因为是在汽车上的设备，所以选择小型的仪器设备。

参 考 文 献
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PLC control system design of Motorcar transmission shoft
Automation 2005 Xia Leiqin Instructor:Wu Pengsong

ABSTRACT Tech is the future trend of modern automobile. In order to take a place in future automobile market， USA/Japan/Europe and other developed countries have made their EV industralize plan. China also put forward her developing strategy. Although EV tech has had a great development in China， There is a certain distance in EV's industrialization. On the way of EV's industrialization in large scale， involving the intrest of such roles: the government， car manufacturing company， consumers etc.
With the rapid develelopmend automobile industry， the requirements for the comfortsand reliability of automobiles are increased simultaneously.The transmission shaft is an important part of automobile， whose performance is limited by some sophisticated factors such as material， technology， or test ect. Due to the existence of unblance self-force in a high-speet rotating，the vibration accompanying running， these vibrations have considerable influence on the comfort ， even damaging the part.
Adopt PLC algorithm and Siemens temperature control to realize accurate control of the temperature.
Key words Automobile ，Transmission control，PLC

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