伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)在注塑成型工藝領(lǐng)域的應(yīng)用

李向東，楊偉杰

(寶捷精密機(jī)械有限公司，廣東 佛山 528137)

1 伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)在注塑成型工藝中的應(yīng)用現(xiàn)狀

從2013年開始，伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)在我國注塑機(jī)械行業(yè)得到越來越多的應(yīng)用，但由于我國塑料機(jī)械制造業(yè)是起源于技術(shù)和設(shè)備引進(jìn)基礎(chǔ)之上的消化吸收，對(duì)塑料機(jī)械使用伺服驅(qū)動(dòng)作為動(dòng)力源的應(yīng)用技術(shù)還沒有專門研究，經(jīng)驗(yàn)積累還比較少,絕大多數(shù)生產(chǎn)廠家和該領(lǐng)域的工程技術(shù)人員還停留在異步電機(jī)拖動(dòng)的時(shí)代。造成國內(nèi)的許多注塑機(jī)生產(chǎn)商由于技術(shù)門檻原因，不能充分利用注塑成型工藝過程的技術(shù)特點(diǎn)合理選擇設(shè)計(jì)和選擇伺服電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器。在設(shè)計(jì)更高端的液電復(fù)合注塑成型機(jī)及全電動(dòng)注塑成型機(jī)器時(shí)，僅能根據(jù)功率和扭矩計(jì)算參數(shù)，簡單選擇伺服電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器，從而造成機(jī)器在超速控制過程中，由于弱磁電流的不規(guī)則變化，導(dǎo)致力的控制不斷變化，最終造成注塑成型工藝的壓力波動(dòng)很大，反而沒有達(dá)到精密控制的效果。

伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)由于具有高響應(yīng)、穩(wěn)定性好、精度高、環(huán)保、節(jié)能、低噪音等技術(shù)特點(diǎn)，逐漸成為傳統(tǒng)液壓注塑機(jī)的換代產(chǎn)品，對(duì)此類注塑機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行研究，具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

2 注塑成型工藝過程中對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)的要求

伺服驅(qū)動(dòng)式注塑機(jī)的控制性能很大程度上依賴于伺服驅(qū)動(dòng)控制器的精密性和穩(wěn)定性、伺服電機(jī)的響應(yīng)速度和剛性特性，因而對(duì)伺服電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器提出了以下要求：

（1）為了保證注塑制品的成型能夠滿足精密注射的要求，并具有極高的重復(fù)性和穩(wěn)定性，必須保證鎖模和射膠等動(dòng)作在執(zhí)行時(shí)有比較高的位置控制精度。因此在伺服控制中，位置控制要求有高的定位精度；而在速度控制中，要求伺服驅(qū)動(dòng)器能提供高的調(diào)速精度。

（2）響應(yīng)速度要快。在注射成型過程中，為了成型具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的塑料制品，常常需要進(jìn)行多級(jí)注射。為了保證執(zhí)行機(jī)構(gòu)能嚴(yán)格按照設(shè)定的要求進(jìn)行成型參數(shù)切換，要求系統(tǒng)除了具有很高的位置控制精度外，還應(yīng)具有良好的快速響應(yīng)特性，即要求跟蹤指令信號(hào)的響應(yīng)要快，跟蹤誤差要小。

（3）調(diào)速范圍要求要比較寬。無論是對(duì)注射單元還是鎖模單元，在工作過程中，執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要在較大的速度范圍內(nèi)進(jìn)行工作。例如為了模具安全保護(hù)，鎖模機(jī)構(gòu)在驅(qū)動(dòng)動(dòng)模板進(jìn)行合模動(dòng)作的過程中，需要從移模階段的高速運(yùn)動(dòng)切換到即將鎖模狀態(tài)下的低速低壓運(yùn)動(dòng)。因此，驅(qū)動(dòng)鎖模機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的伺服驅(qū)動(dòng)器必須能夠提供最高轉(zhuǎn)速與最低轉(zhuǎn)速非常大的調(diào)速范圍。

（4）輸出轉(zhuǎn)矩大。由于在注塑成型工藝過程中需要為執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供大的輸出扭矩，例如螺桿的射膠推力、保壓壓力、背壓壓力、鎖模力等，即輸出都需要伺服電機(jī)提供較大的轉(zhuǎn)矩輸出。

3 伺服驅(qū)動(dòng)注塑機(jī)矢量變頻控制原理

永磁同步電機(jī)控制的基本思路，就是利用電動(dòng)機(jī)外部的控制系統(tǒng)，即通過外部條件對(duì)定子磁動(dòng)勢(shì)相對(duì)勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)的空間角度（也就是定子電流空間矢量的相位）和定子電流幅值的控制，實(shí)現(xiàn)定子電流的勵(lì)磁分量與轉(zhuǎn)矩分量間的解耦，達(dá)到對(duì)交流電機(jī)的磁鏈和電流分別控制的目的，從而將永磁同步電機(jī)模擬為他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)。因而我們將通過控制定子電流矢量的幅值和相角來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩控制的方式稱為矢量變頻控制技術(shù)。

通常在一定的假設(shè)的基礎(chǔ)上可以建立永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，而空間矢量模型（SPM: Space Vector Model)分析方式使得永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型得到了大大的簡化，尤其是在dq坐標(biāo)系下數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩與磁鏈的解耦控制。永磁同步電機(jī)的定子是由三相繞組和鐵心構(gòu)成，三相繞組常常以Y型連接。在轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)上，用永磁體取代電勵(lì)磁。需要安裝永磁體位置檢測(cè)傳感器，用來檢測(cè)磁極位置，以此實(shí)時(shí)地對(duì)電樞電流進(jìn)行控制。三相永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)模型如圖1所示，其中dq坐標(biāo)系是固定于轉(zhuǎn)子上的參考坐標(biāo)系，取磁極軸線為d軸，順著軸沿著旋轉(zhuǎn)方向超前90°電角度為q軸。

圖1 三相永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)模型

圖2為電流空間矢量圖。is為定子電流空間矢量，β為is在dq坐標(biāo)系中的空間相角，其大小決定了定子is在dq軸上的兩個(gè)分量id和iq。如果已經(jīng)知道了id和iq，那么不僅確定了β，同時(shí)也確定了定子電流空間矢量is的幅值。矢量控制的實(shí)質(zhì)就是通過對(duì)兩個(gè)電流分量的控制來控制定子電流的相角和幅值，實(shí)現(xiàn)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的獨(dú)立控制，使交流電機(jī)的控制性能達(dá)到直流電機(jī)的水平。

圖2 電流空間矢量圖

在dq坐標(biāo)系下，三相永磁同步電機(jī)（PMSM）的數(shù)學(xué)模型為：

其中：ω為機(jī)械角加速度，ωe為轉(zhuǎn)子電角速度，TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩，Rs為定子電阻，J為電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，Pm為電機(jī)極對(duì)數(shù)，B為阻尼系數(shù)。

dq坐標(biāo)系中，轉(zhuǎn)子電角速度ωe（即旋轉(zhuǎn)角頻率）和電機(jī)轉(zhuǎn)子機(jī)械角頻率ω的關(guān)系為：ω=Pmω。

伺服電機(jī)從零到額定轉(zhuǎn)速的角加速時(shí)間：

其中：tω為角加速時(shí)間，n為電機(jī)額定轉(zhuǎn)速。

本文采用的伺服電機(jī)矢量控制方法為磁場定向控制，其基本過程為：將d軸定向在轉(zhuǎn)子上，控制直軸電流id=0，實(shí)現(xiàn)dq軸解耦，此時(shí)定子磁動(dòng)勢(shì)空間矢量與永磁體磁場空間矢量正交，定子電流與轉(zhuǎn)子永磁磁通互相獨(dú)立。圖3為永磁同步電機(jī)矢量控制調(diào)速原理圖，從圖中可知，轉(zhuǎn)子位置和速度信號(hào)可以通過實(shí)際的位置傳感器獲取，這樣就構(gòu)成了有位置傳感器的矢量控制系統(tǒng)，也可以不通過實(shí)際的位置傳感器，而是使用一些估算的方法得到轉(zhuǎn)子的位置和速度，這樣就構(gòu)成了無位置傳感器的矢量控制系統(tǒng)。在高精度的伺服系統(tǒng)中，為了保證控制的精度，一般都使用位置傳感器，實(shí)際設(shè)計(jì)的系統(tǒng)也是有位置傳感器的控制系統(tǒng)。

弱磁控制原理在注塑機(jī)上的應(yīng)用

圖4揭示了永磁同步伺服電機(jī)的負(fù)載特性：以額定轉(zhuǎn)速作為轉(zhuǎn)換點(diǎn)，額定轉(zhuǎn)速以下為恒轉(zhuǎn)矩型負(fù)載特性，額定轉(zhuǎn)速以上為恒功率型負(fù)載特性。

圖3 永磁同步電機(jī)矢量控制調(diào)速原理圖

圖4 伺服電機(jī)的負(fù)載特性

在全電動(dòng)注塑成型或液電復(fù)合成型機(jī)器設(shè)計(jì)中，由于成本、性能的相互矛盾約束，在進(jìn)行鎖模、注射等關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)控制時(shí)，由于傳動(dòng)結(jié)構(gòu)和伺服驅(qū)動(dòng)的限制，為了獲得更高轉(zhuǎn)速而超速，以達(dá)到機(jī)構(gòu)要求的運(yùn)動(dòng)速度。但一旦進(jìn)入超速控制，伺服電機(jī)的負(fù)載特性將從恒轉(zhuǎn)矩控制模式改變?yōu)楹愎β士刂颇Ｊ?。同時(shí)在超速過程中由于伺服電機(jī)弱磁，為了滿足注射壓力的要求伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)必須要有超載能力。

伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)超速后進(jìn)入弱磁控制。在弱磁之前，即恒磁通情況，轉(zhuǎn)矩是正比于電流的。超速后變成了弱磁狀態(tài)，磁通不斷變化，此時(shí)轉(zhuǎn)矩正比于電流，并反比于磁通，且轉(zhuǎn)矩降低。此時(shí)為了滿足注塑工藝達(dá)到負(fù)載工作壓力，實(shí)質(zhì)上同時(shí)進(jìn)行了速度閉環(huán)控制和轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制。轉(zhuǎn)矩閉環(huán)情況下，當(dāng)電機(jī)弱磁時(shí)，為保證轉(zhuǎn)矩不降低，輸出電流要相應(yīng)的增加以彌補(bǔ)磁通減小的損失。此時(shí)電機(jī)會(huì)處于過載狀態(tài)，輸出功率也就相應(yīng)的增大了。

因而在實(shí)際進(jìn)行伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)，必須要明確矢量變頻、弱磁控制的基本控制原理，在此基礎(chǔ)之上，結(jié)合塑料成型工藝的要求，對(duì)伺服電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行有根據(jù)的設(shè)計(jì)匹配。同時(shí)也要高度注意伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、同步輪系轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、滾珠絲杠等轉(zhuǎn)動(dòng)體對(duì)總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的影響。弱磁后伺服驅(qū)動(dòng)器一定能夠承受超載峰值電流，伺服電機(jī)的溫升要在同時(shí)控制在合理區(qū)間。