基于Beckhoff多核软PLC的新能源汽车回转部件试验台回转部件检测系统

基于Beckhoff多核软PLC的新能源汽车回转部件试验台回转部件检测系统

秦启巍1韩鹏2张景亮3苏晓峰4

（1.重庆众泰汽车工业有限公司重庆400000；2.安徽会合智能设备有限公司、合肥工业大学安徽合肥230001；3.4.安徽会合智能设备有限公司安徽合肥230001）

摘要：随着新能源汽车动力系统相关技术革新的深入发展，针对汽车传动系统回转部件的检测需求日益扩大。采用Beckhoff硬件系统和软PLC实时技术搭建新能源汽车回转部件检测系统，具有系统结构紧凑、体积小、实时性强特点。

关键词：新能源汽车；回转部件；Beckhoff

1.研究背景

随着全球范围新能源汽车的快速发展，针对传统车辆传动系统检测需求也来越高[1]，尤其在电池，电控，电机以及变速箱方面。新能源汽车变速箱普遍存在以下特点[2]：1）体积变小2）档位变少3）转速增加4）振动较小。与新能源汽车变速箱相匹配，针对新能源汽车动力系统的测试设备同样需要速度高，振动低的特性[3]。因此，针对新能源汽车回转部件试验台高速回转部件的信号采集，振动分析，质量监控等方法和检测系统的设计以及开发就非常重要，并且市场的需求也很大。

针对新能源电机回转部件的测试台主要包含测试台机械结构本体、控制系统和信号处理采集系统三部分[4]。控制和数据监测部分通常采用上、下位机结构和数据采集板卡实现，系统较为复杂。常采用的数据处理方式有时域统计信号处理[5]、快速傅里叶变化（FFT）和窗傅里叶变换[6]及阶次分析（OA）等[7-9]。本系统采用Beckhoff硬件平台，搭建了基于软PLC实时核的新能源电机回转部件检测系统，具有系统构架简单紧凑，数据采集方便的特性，确保了数据处理的准确性与实时性。

2.Beckhoff多核实时软PLC技术

2.1传统工业控制构架

传统PLC控制系统主要由输入部分、CPU、采样部分、输出控制和通讯部分组成。输入部分包括控制面板和输入模板；采样部分包括采样控制模板、AD转换模板和传感器；CPU作为系统的核心，完成接收数据，处理数据，输出控制信号；通讯部分由通讯模板和上位机组成。

图1传统工业控制

2.2Beckhoff多核实时软PLC控制技术

随着计算机技术的迅猛发展以及PLC方面国际标准的制定，软PLC技术逐渐兴起。其特征是：在保留PLC功能的前提下，采用面向现场总线网络的体系结构，采用开放的通信接口，如以太网、高速串口等；采用各种相关的国际工业标准和一系列的事实上的标准；全部用软件来实现传统PLC的功能。

采用的德国倍福（Beckhoff）产品是基于PC控制技术的开放式控制系统。倍福软PLC基于PC机，建立在windows等操作系统平台之上，通过软件（TwinCAT3）实现传统PLC的计算、控制、存储以及编程等功能，通过IO模块以及现场总线等物理设备完成现场数据的采集以及信号的输出，基于PC、现场总线和分布式IO的控制系统简化了复杂控制系统的体系结构，提高了通信效率和速度，降低了成本。

3.试验台结构设计及检测系统构架

3.1新能源汽车变速箱试验台结构介绍

本项目所涉及到的新能源汽车变速箱试验台结构主要有以下几个部分构成：驱动电机，支撑座，扭矩仪，联轴器，轴承座，连接板以及被测工件（变速箱）。同时此试验台在底座方面，采用了通用的变位机构，用于完成被测工件的角度翻转。

转部件的振动。振动信号由加速度传感器、速度传感器测量。硬件系统采用倍福公司的基于PC控制技术的控制方案和产品。上位数据采集处理软件使用TwinCAT3软件。具体硬件采集模块包括：

①PC，i7处理器，8G内存；

②模拟量输入端子模块EL3632，EL3632是带有IEPE接口，可实现50K超采样；

③模拟量输入模块EL3002，输入-10到+10V范围内的电压信号，12位分辨率；

④加速度传感器，型号是CA-YD-160，IEPE接口，精度为100mV/g；

⑤速度传感器，型号为311V02-100，精度是48.5mV/(mm•s-1)。

4.现场试验及数据处理

4.1试验设备安装及试验步骤

试验时，加速度传感器安装在试验台壳体上，测量运行状态下壳体的振动，采用胶接的方式，安装于试验台X、Y、Z三个方向上，各模块布置如下图所示。

试验分别测量加速过程和匀速运动过程中试验台外壳体的振动。试验时，电机从静止状态加速到15000rpm。加速过程中，测量外壳体的加速度振动信号及电机的转速信号。匀速运动过程中，测量外壳体的速度振动的信号及电机的转速信号。加速中，当检测到转速信号不为0时开始测量外壳体的振动信号，当转速到达最高速15000rpm时停止测量。具体试验步骤如下：

（1）Twincat3中设置运行周期为1ms，编写检测程序。

（2）传感器安装，采用胶接方式，安装在试验台外壳体的X、Y、Z三个方向。

（3）电机启动，加速过程测量开始，稳定后停机。加速测量过程结束。

（4）以1500rpm为步长，依次测量各个稳定转速下壳体X、Y、Z三个方向上的速度振动信号，每次采30000点。

4.2试验数据结果及处理

通过TwinCAT3中ScopeView模块，采集振动数据，对测得的速度信号进行滤波，去直流分量处理之后再求取各个转速下振动的均方值（RMS）。结果如下图所示：

图5各方向振动速度均方根

由上图可知，在转速一定状态下，X向的速度振动最大，Y向次之，Z向最小。但最大值均低于3.5mm/s。

在加速情况下，由图6，电机从静止状态加速到最大转速15000rpm时，用时15s，加速过程近似呈线性变化，加速过程中，X、Y、Z三向的振动随着速度的增大而增加。

对于非稳定信号，传统的频谱分析无法得到所需要的结果，以Z向振动为例，对Z向采集得到的振动信号做频谱分析，如图7所示，结果产生了严重的频谱泄露，无法得到有用的信息。在转速比较稳定时，利用FFT或包络分析等传统方法都可以有效地提取出信号的特征。但当转速不稳定时，传统的方法所取得的效果就不够理想了，旋转轴转速不稳定使得基频随转速的变化而变化，此时如果直接FFT或包络分析进行分析，会产生频谱模糊现象。阶次分析的思想是把这种基于时域的非平稳信号进行等角度重采样，转化为角度域平稳信号，再对角度域信号进行分析，这样就满足了FFT分析和包络分析对信号平稳性的要求，得到有用的信息。根据转速信号对加速过程中的振动信号进行重采样，得到稳定的等角度信号，对等角度信号进重采样得到阶次信息，结果如图8所示，可以看出，在阶次图中，存在着一阶信号的峰值。

5.总结与展望

本系统开发了一套可以对新能源汽车变速箱测试台架进行数据采集、分析和评判的系统。通过有效的数据分析手段，对新能源汽车回转部件试验台回转部件进行了应用和分析。当转速大范围变化时，此时的振动信号已经不属于平稳信号，频谱分析已经无法得到有用的振动，但阶次分析可以准确地得到振动的阶次信息。利用重采样的方式实现了把振动时域非平稳信号转换为角域平稳信号，再进行频谱分析，可以得到所需的有效信息。该系统取代以往上下位机控制和信号处理结构，更为紧凑，更易于使用。

参考文献：

[1]王记磊,杨坤,王杰,等.新能源汽车动力电机测试平台设计[J].汽车工程学报,2017,(6):407-414.

[2]刘顺,李寒晖.新能源汽车及驱动电机发展现状分析[J].南方农机,2017,48(19):146-146.

[3]胡勇,关天聪,谭永奖,等.新能源汽车驱动电机关键技术[J].电子测试,2017(4),39-40.

[4]谢秋慧,张昊,童珎,等.新能源汽车电驱动系统能耗检测方法及评价体系研究[J].机电工程,2016,33(4):464-469.

[5]祝儒德.风机齿轮箱监测诊断系统的研究与实现[D]，2009.

[6]杨炯明，秦树人.基于变窗移傅里叶变换实现旋转机械振动信号转速谱阵的算法研究[J].中国机械工程，2006，17(5)：515-518.

[7]陈钊，杨现萍，冯巧宁.等角度重采样在航空发动机振动分析中的应用[J].机械研究与应用，2015，28(1)：71-73.

[8]傅俊庆，廖坤鹏，沈中伟.旋转机械振动信号角域与时域采样方法的对比研究[J].长沙交通学院学报，2007，23(1)：74-80.

[9]李辉，郑海起，唐力伟.基于阶次跟踪和变换时频谱的轴承故障诊断[J].振动、测试与诊断，2010，30(2)：138-142.