御能電液伺服系統(tǒng)在塑機節(jié)能市場的應(yīng)用

1 前言

對于塑料制品行業(yè)來說，電耗是其生產(chǎn)成本的主要部分，而注塑機是塑料制品廠的主要能耗設(shè)備之一，因此降低注塑機的能耗、提高生產(chǎn)效率成為注塑行業(yè)降低成本、提高產(chǎn)品競爭力的有效途徑。經(jīng)過測試，一般單臺傳統(tǒng)定量泵注塑機能耗和所占比例分別是：油壓系統(tǒng)的耗能：75-80% ；加熱單元的耗能：10-15% ；冷卻系統(tǒng)的耗能：5-10% ；控制組件的耗能：1-5% ；其中最大能耗部分：油壓系統(tǒng)用電量占注塑機的75%以上。

目前絕大多數(shù)的注塑機都屬于液壓傳動注塑機，液壓傳動系統(tǒng)中的動力由電機帶動油泵提供。在注塑周期的過程中，鎖模，射出，保壓，冷卻，開模等過程需要不同的壓力和流量，對于油泵馬達都是處在于負載變動的狀態(tài)。液壓系統(tǒng)的負荷變化很大，傳統(tǒng)注塑機采用定量泵，不能調(diào)節(jié)輸出轉(zhuǎn)速和功率，因此多余的能量只能在擋板、油路泄露、油的溫升中消耗掉，當系統(tǒng)需求超過設(shè)定的流量及壓力，會由溢流閥或比例閥來調(diào)整壓力流量，這個過程稱之為高壓節(jié)流,造成的能量損失高達40%—75%。這樣既加劇了各種閥門的磨損，又造成油溫過高，電機噪音過大，以及機械壽命縮短等現(xiàn)象。并且通常在設(shè)計中，用戶油泵電機設(shè)計的容量比實際需要高出很多，存在“大馬拉小車”的現(xiàn)象，造成電能的大量浪費。

因此御能電液伺服系統(tǒng)在注塑機上的應(yīng)用，主要針對的就是塑機油壓系統(tǒng)，對于減少能源浪費提高生產(chǎn)效率具有重要意義。

2 設(shè)備系統(tǒng)介紹

2.1 御能注塑機液壓系統(tǒng)產(chǎn)品構(gòu)成

御能動力的液壓伺服驅(qū)動系統(tǒng)主要由專用伺服驅(qū)動器、三相交流永磁同步電機、伺服液壓油泵壓力傳感器等幾部分組成。利用先進的DSP和永磁交流伺服電機實現(xiàn)電動液壓控制系統(tǒng)的壓力、流量自動調(diào)節(jié)等自動控制功能。

專用伺服驅(qū)動器：從成熟、穩(wěn)定、可靠的混合動力汽車電機伺服控制器衍生而來，是專為注塑機液壓伺服系統(tǒng)開發(fā)的專用驅(qū)動器。內(nèi)含位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)，借助高性能的數(shù)字信號處理器（DSP）和低成本單片機（ARM）實現(xiàn)了高性能矢量控制、無位置傳感器力矩控制、精確位置和速度控制、非線性弱磁高速控制、位置校正空間矢量低速控制。通過嚴格的電磁兼容、高低溫、潮濕、震動試驗，適應(yīng)各種惡劣環(huán)境，已通過CE認證。

三相交流永磁同步電機：轉(zhuǎn)子磁鋼由高溫強磁釹鐵錋材料構(gòu)成，采用表貼式固定方式，調(diào)速范圍更寬，高速運行更加可靠。由于采用細長型結(jié)構(gòu)，電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量小，動態(tài)響應(yīng)更快，同時電機的運行噪聲更低。

伺服液壓泵：選用住友伺服液壓內(nèi)嚙合齒輪泵。速度（流量）反饋器件：采用結(jié)構(gòu)牢固，耐高溫、抗震動、抗干擾的能力很強的機械型旋轉(zhuǎn)變壓器作為位置反饋部件，御能開發(fā)了與旋轉(zhuǎn)變壓器相配合的專用信號處理芯片，速度反饋精度達到每轉(zhuǎn)4096個脈沖，足以滿足注塑機的控制精度需要。壓力反饋器件：采用進口的瑞士Trafag壓力傳感器 。

2.2 御能注塑機電液伺服系統(tǒng)組成示意圖

如圖所示，御能注塑機電液伺服系統(tǒng)主要由伺服驅(qū)動控制器、電機轉(zhuǎn)子位置/速度傳感器、永磁同步電機、與伺服電機同軸連接的油泵，以及檢測系統(tǒng)油壓的壓力傳感器等關(guān)鍵部件組成。

3 負載運動特點

實際節(jié)電效果取決于保壓和冷卻時間占整個周期的比例。節(jié)電率不僅和機器有關(guān)，更重要的取決于成型工藝。輕率的承偌50%以上節(jié)電率是不負責任的做法。已有案例的節(jié)電率從20%—70%不等，在非快速成型工藝下一般節(jié)能率在40%以上。

4 控制要求

將模擬量信號直接加在伺服驅(qū)動器的系統(tǒng)壓力給定信號和系統(tǒng)流量給定信號的輸入端；將油泵出口的壓力傳感器接入伺服的壓力反饋信號端口。伺服系統(tǒng)通過接入的壓力和流量信號進行PI調(diào)節(jié)，改變伺服電機的輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，從而改變油泵電機的輸出流量Q和壓力P，并通過電機上的旋轉(zhuǎn)編碼器和油路中的壓力傳感器，反饋實際情況形成高精度的雙閉環(huán)控制，以滿足注塑機在各個工序中所需的油壓大小和流量速度，這樣就能避免能量浪費。

5 電氣連接

5.1 完成主電路端子接線

（1）將輸入動力電纜分別接到驅(qū)動器電源輸入端子L1、L2、L3上，將輸入動力電纜的接地導體與驅(qū)動器的任一顆接地螺絲（PE）連接，并將螺絲旋至適當松緊度以保證連接通暢。

（2）將電機三相輸入端子的W V U分別與驅(qū)動器伺服電機連接端子W V U連接，并將螺絲旋至適當松緊度以保證連接通暢。將電機地線端子與驅(qū)動器的任一顆接地螺絲（PE）連接。將電機測溫電阻端子與驅(qū)動器端子T1、T2連接，并將螺絲旋至適當松緊度以保證連接通暢。將電機旋轉(zhuǎn)變壓器連接端子與驅(qū)動器連接器CN2連接，并旋緊固定螺絲。

（3）將制動電阻兩個接線端子與驅(qū)動器端子U ，PB連接，并將螺絲旋至適當松緊度以保證連接通暢。

5.2 參看控制器蓋板后的連線圖，完成控制部分的連線

5.3 完成電機及油泵在注塑機上的安裝，確認油路的連接和電機接線正確

6 保護功能

報警保護代碼速查表

調(diào)試流程圖

7 調(diào)試要點

HMI連接：MH500系列伺服電液系統(tǒng)支持HMI上電時的熱插拔。調(diào)試時將HMI的DSUB9端子插入驅(qū)動器前蓋板內(nèi)的CN4端子內(nèi)即可實現(xiàn)HMI與驅(qū)動器的連接。依步序經(jīng)行設(shè)置后就能使系統(tǒng)運行。如下圖所示。

8 注意事項

為了保證完好的性能和長期工作壽命，請將MH500伺服驅(qū)動器安裝在以下建議環(huán)境中，確保驅(qū)動器免遭損壞。

注意1：應(yīng)避免陽光直射，不要直接戶外使用。

2：不可在腐蝕性氣體及液體環(huán)境中使用。

3：不可在油霧，濺水環(huán)境中使用。

4：不可在鹽霧環(huán)境中使用。

5：不可在淋雨、潮濕環(huán)境中使用。

6：空氣中飄有金屬粉末或絲紡纖維飄絮時須加過濾裝置。

7：不可在機械沖擊、振動場合下使用。

8：當環(huán)境溫度高于55℃時，必須采取降溫措施方可使用。

9：過冷和過熱會使設(shè)備故障。建議在—

20℃～+55℃范圍使用。

10：遠離電源噪聲，例如電焊機、大功率用電設(shè)備會影響本設(shè)備的使用。

11：放射性材料會影響設(shè)備的使用。

12：易燃物品、稀釋劑、溶劑應(yīng)遠離本設(shè)備。

9 產(chǎn)品特點介紹（所使用到的御能產(chǎn)品）

9.1 產(chǎn)品性能優(yōu)勢

（1）御能伺服驅(qū)動器為塑機專用伺服驅(qū)動器，過載系數(shù)達2.5~3倍；比起市場上用變頻器改造而來的所謂的伺服（矢量變頻器）1.5倍的過載系數(shù)，御能產(chǎn)品有著專業(yè)伺服得天獨厚的優(yōu)勢；

（2）節(jié)省能耗：與傳統(tǒng)定量泵相比伺服系統(tǒng)節(jié)能50%-70%，個案高達80%；與變量泵相比伺服電機節(jié)能最低承諾25%；

（3）增加單位時間的產(chǎn)品合格數(shù)量5%以上；

（4）流量響應(yīng)時間50MS，壓力響應(yīng)時間100MS；

（5）制品重量重復(fù)誤差<0.3%；

（6）螺桿射膠終止位置誤差<0.1mm；

（7）節(jié)省了傳統(tǒng)技術(shù)高壓節(jié)流浪費的能量；

（8）節(jié)省了液壓冷卻系統(tǒng)的消耗

9.2 按汽車產(chǎn)品的管控流程控制產(chǎn)品質(zhì)量

（1）全面的高低溫工況的試驗

（2）嚴格的震動環(huán)境試驗

（3）ISO90001/TS16949的供應(yīng)鏈管理流程，和生產(chǎn)過程控制

（4）對電機和伺服驅(qū)動器進行嚴格的出廠老化測試，消除電子元器件的早期失效

（5）御能伺服產(chǎn)品通過滿足歐洲電磁兼容標準CE認證

（6）驅(qū)動器兩年的質(zhì)量保證期，讓客戶無憂收回投資成本（節(jié)能/高效）

9.3 永磁磁阻同步電機的應(yīng)用

（1）在整個速度區(qū)有很高的效率：流量控制和保壓控制時更節(jié)能

（2）電磁轉(zhuǎn)矩和磁阻轉(zhuǎn)矩相結(jié)合產(chǎn)生更大的扭矩：速度相應(yīng)更快，更節(jié)能

（3）方便實現(xiàn)弱磁控制增加轉(zhuǎn)速范圍：可以和多種泵配合，可以滿足大流量的需求

（4）系統(tǒng)運行更平穩(wěn)：整個系統(tǒng)噪音更低

9.4 先進的電機控制算法和注塑應(yīng)用控制策略

（1）現(xiàn)代電機正弦矢量控制算法，實現(xiàn)對電機的完美力矩控制：

（2）電機運行更平穩(wěn)；響應(yīng)速度更快；噪音更低；

（3）整個系統(tǒng)的效率更高（系統(tǒng)效率大于90%）；

（4）自適應(yīng)/非線性控制，滿足不同注塑機型的流量和壓力需求，減少流量和壓力的超調(diào)，同時消除射膠“跳動”；

（5）解耦PQ控制，增加注塑機的響應(yīng)速度，平滑流量和壓力控制的相互轉(zhuǎn)換（需要上位機配合）；

（6）根據(jù)注塑成型工藝的需求，實現(xiàn)勻速/變速射膠控制，并平滑從流量控制過渡到保壓控制。

9.5 帶壓力補償?shù)牧髁靠刂?/h3>

（1）流量、壓力雙閉環(huán)控制，保證了注塑過程對壓力和流量的要求；

（2）可以補償高壓力時泵泄露產(chǎn)生的流量誤差，流量控制更精確；

（3）配不同的泵實現(xiàn)不同的壓力補償，實現(xiàn)精確的流量控制。

9.6 成熟的舊機改造方案（單泵/多泵）

（1）從2008年即開始進入舊機改造行業(yè)，對海天等品牌的注塑機改造有非常成熟的方案；

（2）電機與油泵的連接采用高精度聯(lián)軸器連接型式，一來便于維護，二來伺服電機和油泵在運行中頻繁啟停，二者的嵌入式連接會增加連接軸卡死的風險，采用聯(lián)軸器可以規(guī)避該風險；

（3）御能與海天伺服電機和油泵的供應(yīng)商（安信）是戰(zhàn)略合作伙伴關(guān)系，海天電機有部分為御能做貼牌代工，這有利于在市場上做海天傳統(tǒng)注塑機的批量性伺服改造；

（4）全程監(jiān)控電機和驅(qū)動器的溫度變化，實時調(diào)整控制參數(shù)。

（5）針對大型合流機，配合油路實現(xiàn)最小反轉(zhuǎn)量的泄壓控制，以延長油泵和電機的壽命。

（6）對多家知名廠商（終端用戶）進行了300T～3300T中大型注塑機的改造施工，獲得一致好評。

10 結(jié)束語

根據(jù)塑料制品的市場分析，目前中國塑料機械行業(yè)產(chǎn)值每年約200億元，而國內(nèi)市場需求近220億元，注塑機的需求也逐步由南方向北方，東部向西部擴散，也帶動塑料工業(yè)等關(guān)聯(lián)產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展。但同時行業(yè)內(nèi)的競爭也日漸激烈，隨著國家節(jié)能減排政策的深入，各廠家除了重視產(chǎn)品質(zhì)量和品牌外，都在考慮怎樣節(jié)能以響應(yīng)國家號召和減少生產(chǎn)成本。從注塑機工藝過程可知，電能消耗成本在注塑成型產(chǎn)品成本中占了很大的比例，因而能否有效減少電能損耗，受到了各注塑機廠家和用戶的關(guān)注。實現(xiàn)效果顯著的節(jié)能改造已經(jīng)成為注塑行業(yè)提升的首要課題。而御能電液伺服系統(tǒng)在塑機行業(yè)的應(yīng)用從根本上滿足了這些需求，領(lǐng)先的技術(shù)及在塑機市場日益成熟的應(yīng)用已得到了諸多制造商和用戶的肯定，未來電液伺服的使用勢必成為塑機市場的主流。