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伺服电机驱动油泵的原理、构成及选择 |
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作者：无锡格兰机械集团有限公司 王乔虎 |
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近年来，节能已成为全球制造业讨论的重要话题之一。根据国际能源机构（IEA）公布的数据，受多年来经济快速增长的影响，中国已成为世界最大的能源消费国之一，因此，提高能源的使用效率在中国显得尤为迫切。
继空调、冰箱等家用电器行业实施能耗标签后，注塑机行业也开始了悄无声息的节能革命。就注塑机的发展史而言，可以说是一段节能探索的历史：在从定量泵向变量泵、电子变量泵、变频直到现在的伺服电机驱动油泵的方向发展的过程中，注塑机行业一直在节能的轨道上不断前行。
自注塑机问世后，主要经历了以下几次大的变革：
1.往复螺杆的使用，将塑化及注射功能组合在一起，显著降低了注塑机的成本；
2.比例压力阀、比例流量阀和微处理器的广泛应用；
3.变量泵的广泛采用；
4.全电机的推出；
5.伺服电机驱动油泵在注塑机上的应用。
实际上，多年以前，就有一些行业人士建议将伺服永磁同步电机应用于注塑机中，但是，由于当时电机高昂的价格和注塑机特殊的工况，使这一提议无法广泛实施。然而，随着节能呼声的日益高涨，伺服电机的优势也越发凸显，不可否认，其在注塑机中的应用已成为未来发展的新趋势。为帮助大家对伺服电机有更深入的了解，特在此对其工作原理、结构及选型进行详细介绍。
伺服电机驱动油泵的原理
如图1所示，伺服电机驱动油泵的基本原理为：伺服驱动器接收从注塑机控制器传来的压力和流量信号，驱动伺服电机以设定的转速运行。当系统达到设定的压力时，电机继续以一定的转速运行以保证系统必要的压力。在此过程中，转速信号和压力信号分别通过伺服电机内部的旋转变压器和油路上的压力传感器反馈给驱动器，驱动器遵循压力优先的原则进行动态控制。
图1 伺服电机驱动油泵原理图
一般，交流永磁伺服电机的尾端配有旋转编码器，它可将信号反馈给伺服驱动器，以形成流量的闭环控制。但是，由于螺杆的注射速度才是闭环控制的目标，而油泵转速只是正比于注射速度，所以只能达到速度半闭环控制。当然，相对于开环控制，这要精确得多。
伺服电机驱动油泵系统的构成
一般，伺服电机驱动油泵系统包括：伺服电机、油泵、驱动器、压力传感器、滤波器和制动电阻。对于多个泵的系统，特别是5组或者10组的伺服系统，通常会使用并流和分流相结合的控制方案。
1.多泵并流
多泵并流的原理如图2所示。这种控制方案是采用一套伺服驱动器作为主驱动，其余伺服驱动器作为从驱动，以实现并联工作。同时，系统电脑输出一组流量和压力的模拟量信号。
图2 多泵并流原理图
通常，多泵并流方案可以在两种状态下工作。第一种状态，主驱动器和从驱动器通过互相之间的通信，以相同的转速运行，并输出相同的流量；第二种状态，主驱动器单独运行，从驱动器不工作（一般用在保压工作段）。
2．多泵分流
多泵分流的原理如图3所示。这种控制方案的特点是，多套伺服驱动器既可以在多泵并流模式下工作，也可以在多泵分流模式下工作。在分流状态下，系统电脑输出多组流量和压力模拟量信号。
图3 多泵分流原理图
在图3中，通过①、②、③和④电磁阀的得电状态分别实现泵2并流、分流以及泵3并流、分流的控制。当进行并流控制时，从驱动器接受的压力、流量指令以及压力反馈无效；当进行分流控制时，从驱动器接受的CAN通信指令无效。
这种分流控制方式比较灵活，在开合模时可以使用两个泵，另一个泵独立出来做顶针或者中子的动作。注射时，所有油泵一起工作，以保证注射速率。当达到保压状态时，又可以切换到一个主泵工作的状态。从理论上讲，注射完毕后，熔胶动作可以和开模同步完成，但两者所需的流量都比较大。若要同时实现，就必须增加泵的数量，从而使成本提高。当然，对于生产效率要求十分高的企业，可以采用这样的配置。但一般情况下，熔胶和开模最好分开动作，而不要同步运行。
交流永磁伺服电机的选择
在选择油泵时，需要综合考虑油泵的压力、排量和类型。一般，油泵的压力必须大于或等于系统压力P1(kg/cm2),油泵每转的排量为：l(ml/rev)=Q(L/min)×1000/Vmax(r/min)。根据实际生产需要，当压力和排量都选定之后，就可以根据不同的使用特性来选择油泵类型（见表）。
从表中可以看出，叶片泵不在所选类型之中，原因是，其正常运行需要一定的转速支持，而伺服电机在高压状态下的转速很低，难以满足要求。
在选择交流永磁伺服电机时，应重点注意电机的特性曲线。如图4所示。当电机的转速超过额定转速后，随着电机转速的提升，电机扭矩逐渐下降。当转速超过额定转速的150%后，电机扭矩呈现急剧下降的趋势。因此，该转速不能作为伺服电机的工作转速，且其最高转速应为额定转速的140%。需要强调的是，伺服电机在额定转速附近的工作状态最好，转速超过额定转速后，电流会急剧增加，不利于节能。
图4 伺服电机特性曲线
此外，在配置伺服电机时，还需要恰当地选定其额定扭矩，一般可按如下步骤进行：
注塑机最大输出功率：
P2max(kW)=P1(kg/cm2)×0.9807(kg/cm2/bar)×Q(L/min)
电机最大输出功率：
P3max(kW)= P2max(kW)/80%
伺服电机最大输出扭矩：
Tmax(Nm)=P3max(kW)×9550/Vmax(r/min)
由于注塑机在保压时需要连续输出高扭矩，根据伺服电机的特性曲线（如图4所示），伺服电机总体工作状态处于（S1 100℃ DT）与(S3 20℃ 5MIN)之间，所以选定电机最高扭矩为额定扭矩的180%。
伺服电机额定扭矩：
Tn(Nm)=Tmax(Nm)/180%
伺服电机选型完毕后，可以向供应商索取对应电机的力矩常数Kt（Nm/A）,该值与伺服电机工艺、材料以及电机额定转速相关。
另外，伺服驱动器保压时的电流可以按照能量转换效率的93%进行换算：
Imax（A）= Tmax(Nm)/Kt(Nm/A)/93%
根据该数值应小于伺服驱动器额定输出电流的150%的原则，可以得到伺服驱动的容量。在选择伺服电机时，通过以上数据的确定，结合实际生产需要，综合油泵的压力、排量等各项因素，便可有针对性地进行选择。
当然，伺服电机驱动油泵也存在一些缺陷，例如，不能有效地利用电机制动时产生的能量，从而造成了能量的损失。另外，伺服驱动对电路有很大的干扰，会影响电子尺的测量精度。因此，需要我们不断努力，对这些不足进行改进。
值得一提的是，对于某些制品而言，伺服电机驱动油泵的节能效果非常明显，然而，在大型或超大型机器上，其应用并不广泛。理论上，伺服电机的节能效率与产品的壁厚、保压和冷却时间有很大的关系，壁厚越大其节能效果越好。而大型机器一般都生产壁厚制品，如汽车保险杠、仪表盘之类，所需的冷却时间较长，如果伺服电机驱动油泵能在此得到成功应用，其节能效果将非常可观。当然，不是任何产品都适合采用带有伺服电机驱动油泵的注塑机来进行生产，定量泵及变量泵注塑系统也有其存在的价值。
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(10/17/2012) |
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