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注塑机电液伺服系统技术与应用 |
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作者：徐性怡 钱耀恩 王宏义 来源：雅式工业专网 |
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自动控制系统中将输出量以一定准确度跟随输入量变化而变化的系统称为伺服系统，稳定性好、精度高、响应快是对它的基本要求。具体到注塑机，电液伺服系统实现被控制油泵的输出流量和压力快速、准确地跟随上位机给定信号的变化，适应注塑工艺对压力、速度、时间的要求。
按所用的驱动电机来分，伺服系统可分为直流和交流伺服系统，後者又可分为感应电动机伺服系统和永磁同步电动机交流伺服系统。直流电机的励磁回路和电枢回路相互独立，独立地调节两个磁场中的一个来进行调速，控制性能优异，但它采用机械换向装置，碳刷易磨损，运行时易起火花。转子采用永磁材料的同步伺服电机比非同步感应交流伺服电机应用更为广泛，主要是因为永磁材料性能不断提高，价格下降，相对於非同步电机而言，控制较简单，易达到高性能控制要求，因此，近年来永磁伺服电机的交流伺服系统发展势头非常迅猛，注塑机电液伺服系统的出现和发展正是顺应了这一时代潮流。
电液伺服系统的构成
下面以御能注塑机电液伺服系统为例，简单介绍电液伺服系统的构成。如图1所示，御能注塑机电液伺服系统主要由永磁同步伺服电机、电机转子位置/速度传感器、伺服驱动控制器、与伺服电机同轴连接的油泵，以及检测系统油压的压力传感器等关键部件组成。 
图1 御能注塑机电液伺服系统的基本结构。
交流永磁同步电机
永磁同步电动机特点是：结构简单、体积小、重量轻、损耗小、效率高。和感应非同步电动机相比，它由於没有转子电流，转子损耗很小；它不需要无功励磁电流，功率因数高，定子电流和定子损耗减小，因此，永磁电机总体效率比感应电机高5%-10%。此外，永磁电机的最大输出力矩与转子惯量的比值可比感应电机大很多，因此永磁电机动态性能优越，适於用作高精度、高动态性能的伺服控制电机。
功率调速范围不够宽是永磁电机的一个局限。御能公司借鉴在电动汽车电机系统方面的经验，采用永磁-磁阻同步电机的结构，有效地突破了这一局限，可完全满足注塑机电液伺服应用的要求。
电机转子位置/速度传感器
为控制伺服电机的力矩和转速，需检测电机转子的位置和转速。大部分伺服电机采用光电编码器作为位置/速度传感器。光电编码盘的优点是结构简单，易获得较高精度，但由於其处理电路须与电机集成在一起，在电机温度高、震动大的环境下，再加上电磁乾扰，其电子电路往往不能正常工作，出现丢码，导致电机控制紊乱甚至损坏电机。
御能伺服系统采用满足电动汽车要求的高性能旋转变压器作为速度反馈部件，结构牢固，耐高温、抗震动、抗乾扰能力强，确保系统在注塑机的“恶劣”环境下稳定可靠的工作，且精度可达每转4096个脉冲。
伺服驱动控制器
伺服驱动器根据注塑机控制器（上位电脑）的压力和流量的指令，控制伺服电机的电流、力矩和转速。御能伺服驱动器包含伺服控制、整流/逆变功率、通讯接口和反馈检测等单元。整流/逆变功率单元采用先进的集成IGBT模组；伺服控制单元包括位置控制器、速度控制器、转矩和电流控制器等。采用高速数字信号处理器（DSP）作为驱动器的控制核心，实现各种复杂的控制算法，并输出脉宽调制（PWM）信号至逆变功率驱动电路，来改变逆变器输出功率，达到控制三相永磁同步交流伺服电机的目的。
油泵
作为注塑机主动力源，油泵与伺服系统的良好匹配对其整机性能及节能效果至关重要。目前适用於伺服系统的油泵有齿轮泵、柱塞泵和螺杆泵，特性各有不同，因此伺服系统要能适配各种油泵，并优化参数设置。御能伺服系统具备先进的负载参数辨识功能，可灵活优化适配各种油泵。
压力反馈部件——压力传感器
御能伺服系统采用压力闭环控制策略，即通过控制电机力矩与转速来调节注塑机油压并使之跟随压力命令值。油压信号通过压力传感器获得，其精度将决定注塑机压力的控制精度。御能可提供不同控制精度要求的压力传感器。
磁场定向控制技术
磁场定向控制（向量控制）基本原理是在三相永磁同步电机上模拟直流电动机转矩控制规律，在磁场定向座标上，将电流矢量分量分解成产生磁通的励磁电流分量和产生转矩的转矩电流分量，并使两分量互相垂直，彼此独立，然後分别进行调节。交流电机的矢量控制使转矩和磁通的控制实现了解耦，控制转矩时不影响磁通的大小，控制磁通时不影响转矩，使交流电机控制与直流电机控制一样方便，且可获得与直流调速系统相媲美的动态特性。
为了使电机始终维持最大输出转矩，系统需要获得电机转子的瞬时位置和转速，通过将可测量的定子变量经过座标变换，变换到转子坐标系中，从而形成电流闭环，动态地跟踪电流的变化，再使用速度传感器形成速度闭环，最终实现电流、转速双闭环，获得优异的系统稳定性、快速响应性及控制精度。这些复杂的运算需借助高速数字信号处理晶片DSP来实现。
磁场定向控制的另一个好处是，通过力矩电流分量和磁通电流分量的分别控制，最佳分配电机的铜损和铁损，从而获得最佳系统效率。
电液伺服系统控制原理与算法
结合图2及系统结构，对系统控制原理简单描述如下：即时接收来自注塑机电脑主控板的流量和压力给定信号；即时检测并反馈来自於油泵的压力和来自於电机的转速。
图2 电液伺服控制系统方框图
针对给定与反馈之间的误差，伺服驱动器的高速DSP运用各种控制算法，生成对伺服电机的控制信号，通过IGBT模块驱动伺服电机，实现对压力和转速的双闭环控制。
针对注塑机的特定应用，御能公司开发出一系列专用控制算法：
A. 将现代非线性控制方法引入电机磁场定向控制算法，以消除磁阻电机参数的非线性影响，且对电机与控制器进行一体优化设计，实现永磁-磁阻伺服电机输出力矩的精确控制。
B. 针对齿轮泵和柱塞泵压力波动的特性，采用噪声消除（Noise Cancellation) 控制方法减小油泵输出压力的波动。
C. 由於系统在流量控制与压力控制模态之间频繁转换，采用模糊控制原理以实现流量和压力控制间的平滑转换。
D. 采用带压力补偿的流量控制，消除压力对流量估算精度的影响。
E. 采用滑模变结构等非线性控制方法，使系统快速响应并且超调小。
F. 采用弱磁控制算法，系统具有更好的高速特性、更宽的调速范围。
G. 负载参数自适应算法，使系统可以适配各种油泵。
H. 由於给定信号具有非线性特征，设计了给定校正算法，配合系统的优异低速控制特性，有效解决了注塑机的低速爬行问题。
测试结果
御能伺服电液系统目前在注塑机的应用已收到节能、高效、精密的效果。
图3为御能伺服系统的系统效率Map图（包括控制器和电机），最高效率达91%以上，且高效区（大於85%的区域）很宽，可见，节能效果显着。
图3 御能伺服系统的系统效率Map图（包括控制器和电机）。
下图为在一家东莞客户工厂测试的制品重复精度图。从图中可以看出，制品重量重复误差<3%。测试所用注塑机为190吨，系统压力160bar，伺服电机采用KT-TM-1802-D-F，油泵为普什BK55，排量55.5cc/rev；伺服控制器：KT-CT-1802-A-0。 
选型配置方法
在已知注塑机最大需求流量、最高系统压力时，可用下面的方法在油泵/电机/驱动器系列中配型。
第一：根据需求的最大流量，计算油泵理论需求排量。
理论需求排量=最大流量*1000/最高转速
排量单位：毫升/转，流量单位：升/分，转速单位：转/分，最高转速取电机和油泵的最高转速中的较小值。在油泵系列中选择排量大於并最接近理论需求排量的油泵。
第二：由油泵排量和系统最大工作压力，计算电机理论需求力矩，选择电机。
理论需求力矩=（压力*排量*9.55）/机械效率值*60
力矩单位：牛米，压力单位：兆帕 ，机械效率取值1。
选择电机中额定力矩与理论需求力矩/2相近的电机。
第三：由最大电流选择伺服控制器
最大电流=额定电流*最大压力/持续工作压力
电流单位：安培。选择伺服控制器中峰值电流大於并最接近需求最大电流的控制器。
上述配型方法遵循力矩两倍超载的原则，一般力矩两倍超载的运行时间为20秒，三倍超载的运行时间为5秒，按比例可以计算出30秒、20秒、10秒对应的力矩超载倍数。
发展方向
伺服电液混合系统：除了用一个伺服电机为注塑机提供总动力外，还可以灵活地用一个电机单独驱动指定的液压部件，或用数个伺服电机实现组合驱动。
带位置传感器的伺服电液系统：通过螺杆行进油缸处的位置传感器，可更直接的对射胶过程进行精确的速度和位置控制，试制品的合格率、质量、精度有会进一步提高。
融合塑料成型工艺技术的伺服电液系统：与上位机配合将注塑成型工艺技术与液压动力系统相配合，可以期望将出现成型工艺技术与伺服控制技术融合起来的产品，以满足高端客户的需求。
多泵合流伺服电液系统：通过CAN汇流排技术，将若乾伺服电液泵相连接形成多泵合流控制，实现大型注塑机液压控制，优化系统提高效率，增加系统的寿命等。 (end)
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| 文章内容仅供参考
(投稿)
(5/30/2009) |
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